sự trao đổi chất của vi khuẩn trong hệ thống xử lý nước thải claudia gallert and josef winte

Phân hủy các hợp chất hữu cơ cacbon trong hệ thống tự nhiên và nhân tạo Quá trình dị hóa của vi sinh vật, tảo, nấm và các loại nấm bậc thấp… là con đường chính cho tổng hoặc ít nhất một

SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG HỆ THỐNG XỬ

LÝ NƯỚC THẢI

Claudia Gallert and Josef Winte

MỤC LỤC

1 Giới thiệu 3

2 Phân hủy các hợp chất hữu cơ cacbon trong hệ thống tự nhiên và nhân tạo 3

2.1 Sinh học cơ bản , sinh khối, và cân bằng năng lượng của sự suy thoái polymer sinh học hiếu khí 5

2.1.1 Sinh khối và cân bằng năng lượng trong hô hấp hiếu khí glucose và cố định bùn hoạt tính 7

2.1.2 Sinh khối và năng lượng cân bằng cho phân hủy kỵ khí Glucose và nước thải bùn ổn định 10

2.2 Xem xét sự lựa chọn hệ thống xử lí nước thải kỵ bằng hiếu khí hoặc kỵ khí: 12

2.3 Sự thủy phân Biopolymers ở vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí: Về mặt động lực học 13

2.4 Sự thủy phân cellulose bởi vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí: Về mặt sinh học 13

2.5 Sự phân hủy sinh khối bởi sự hiện diện của các chất nhận điện tử vô cơ và chuỗi thức ăn kỵ khí 15

2.6 Vai trò của hydrogen phân tử và acetate trong phân hủy kỵ khí polymer sinh học 18 2.7 Sự chuyển đổi kỵ khí của các polymer sinh học thành methane và CO2 20

2.7.1 Sự phân hủy kỵ khí các carbohydrate trong nước thải 21

2.7.2 Sự phân hủy kỵ khí Protein 23

2.7.3 Phân hủy kỵ khí chất béo trung tính và lipid 27

2.8 Sự cạnh tranh của Vi khuẩn khử sulfate với Methanogen trong lò phản ứng methane 28

2.9 Lượng và thành phần của khí sinh học trong quá trình lên men Carbohydrates,

Proteins, và chất béo 30

3 Loại bỏ Nitơ trong xử lý nước thải 31

3.1 Ammonification (Amôn hóa) 31

3.2 Nitrification of Ammonia (nitrate hóa NH3) 32

3.3 Phản nitrate hóa: loại bỏ nitrate khỏi nước thải 33

3.4 Kết hợp nitrate hóa và khử nitrate 35

3.5 Oxi hóa ammonia kị khí 36

3.6 Phương pháp loại bỏ N mới 37

4 Nâng cao loại bỏ Phosphat sinh học 38

5 Loại bỏ sinh học, chuyển hóa và hấp thụ sinh học các ion kim loại từ nước thải nhiễm bẩn 41

6 Sự phân giải Xenobiotics hiếu khí và kị khí 45

7 Sự tăng cường sinh học trong các thiết bị (plants) xử lí nước thải cho sự phân giải xenobiotics 48

1 Giới thiệu:

Nước được sử dụng bởi con người và được xử lý trong cơ thể nhận nước với sự biến đổi về lý hoặc các thông số hóa học được định nghĩa là nước thải Nếu chỉ thông số vật lý của nước bị thay đổi… dẫn đến nhiệt độ tăng cao sau khi sử dụng chất làm mát,

xử lý trước khi cho nước thải trở vào môi trường có thể chỉ cần làm mát bằng với nhiệt độ ban đầu của nó Tuy nhiên nếu nước bị nhiễm bởi chất hữu có và vô cơ hòa tan hoặc ko hòa tan, một sự kết hợp giữa cơ khí, hóa chất, hoặc các phương pháp thanh lọc sinh học có thể được thế kế để bảo vệ môi trường do ô nhiễm tạm thời hoặc vĩnh viễn Vì lí do này mà pháp luật trong công nghiệp và nhiều nước đang phát triễn khác đã tăng cường các luật về môi trường đối với sự điều chỉnh lượng tối đa cho phép dư nồng độ Cacbon, nito, và các hợp chất photpho trong nước thải tinh khiết, trước khi sẵn sàng đổ ra một con sông hoặc một cơ thể nhận nước nào khác, tuy nhiên,

sự thi hành luật này ko phải lúc nào cũng nghiêm ngặt Sự thi hành này liên quan trực tiếp đến nền kinh tế của các nước và do đó có sự khác biệt nhau đáng kể giữa nước công nghiệp giàu và các nước đang phát triễn Trong chương này sẽ tóm tắc qui trình

cơ bản của quá trình xử lý nước thải bằng sinh học để loại bỏ các chất vô cơ và hữu

cơ

2 Phân hủy các hợp chất hữu cơ cacbon trong hệ thống tự nhiên và nhân tạo

Quá trình dị hóa của vi sinh vật, tảo, nấm và các loại nấm bậc thấp… là con đường chính cho tổng hoặc ít nhất một phần của sự khóang hóa/phân hủy của chất hữu cơ sinh học hoặc các hợp chất hữu cơ trong môi trường tự nhiên hay nhân tạo Hầu hết các vật chất này đều bắt nguồn trực tiếp hoặc gián tiếp từ các thực vật hoặc là sinh khối động vật Nó bắt nguồn từ CO2 được cố định thông qua quang hợp ( sinh khối thực vật) , từ các nhà máy cung cấp thức ăn động vật ( mùn hữu cơ, phân, nước tiểu…) hoặc từ các loại nhiên liệu hóa thạch hoặc theo hướng sinh học, hoặc theo hướng địa hóa học chuyển đổi sinh khối ( than bùn, than, dầu, khí đốt tự nhiên…) Ngay cả nguồn cacbon của một số xenobiotics có thể bắt nguồn từ một nguồn gốc sinh học tức là nếu những chất này được sản xuất từ dầu mỏ, khí tự nhiên, than đá Chỉ vì các khoáng hóa của vật liệu cacbon từ cây phân hủy và sinh khối động vật trong tự nhiên trong điều kiện yếm khí và ở tình trạng không đủ nước đã hình thành dầu hóa thạch, khí thiên nhiên và than đá từ sinh khối xảy ra thông qua các biến đổi sinh học hoặc địa hóa học Cacbon hóa thạch của khí tự nhiên, than đá, dầu, đi vào chu kỳ CO2 trong khí quyển một lần nữa ngay sau khi các hợp chất này được đốt làm nguyên liệu hoặc được sử dụng cho hệ năng lượng trong công nghiệp hoặc các

có chứa lưu huỳnh hoặc các hợp chất dị vòng Oxy phải được cung cấp bằng cách sục khí hoặc tiêm oxy tinh khiết Hai biến thể quá trình cung cấp khí oxy khác nhau chủ yếu trong khả năng của họ về việc chuyển oxy và thoát hiệu quả cho cacbon dioxide từ sự hô hấp Thoát CO2 là cần thiết để ngăn chặn sự sụt giảm pH và loại bỏ năng lượng nhiệt, Hô hấp trong quá trình khử oxy hóa cung cấp lượng nito dồi dào ở dạng nitrat và nitrit Tuy nhiên một số nitrat thoát khỏi qui trình làm giảm lượng nito trong các nhà máy xử lý nước thải và đóng góp khoảng 2% của tổng lượng phát thải

N2O tại Đức (Schön et al., 1994) Khử nito là những sinh vật hiếu khí mà chuyển đổi chuyển hóa đường hô hấp của chúng đến việc sử dụng nitrat hoặc nitrit là chất nhận điện tử cuối cùng, nếu trồng trong điều kiện thiếu oxy Chỉ khi nitrat trong khối lượng lớn đã được sử dụng hoàn toàn làm thế oxi hóa khử trở nên thấp đủ cho sự phát triển của các sinh vật kỵ khí hoàn toàn, chẳng hạn như methanogen hoặc gia giảm sulfate Nếu vùng kị khí hình thành trong khối bùn của hệ thống bùn hoạt tính, Ví dụ: Bằng cách hạn chế việc cung cấp oxy, sinh vật sinh metan và chất khử sulfate có thể phát triễn ở trung tâm của khối bùn và dấu vết dạng methane và hydrogen sunfide, được tìm thấy trong khí thải

Dưới những điều kiện nghiêm ngặt của kỵ khí các hợp chất của chất thải và nước thải đang từng bước suy thái đến methan CO2, NH3, H2S và thông qua sự tương tác trợ dưỡng của vi khuẩn lên men và acetate hóa,với sinh vật sinh metan hoặc chất khử sunfate Sự suy thoái hoàn toàn sinh vật sinh metan của polymer và monomer sinh học qua thủy phân/ lên men, acetate hóa và metan hóa có thể tiến hành chỉ ở áp suất H2 thấp, được duy trì chủ yếu giữa các loài chuyển hydro Chuyển giao giữa các loài hydro được tạo điều kiện khi acetate hóa và sự hydro hóa vi khuẩn sinh metan thì được sắp xếp ở gần nhau trong khối hoặc trong một màng sinh học trong một khoảng cách khuyết tán ngắn Lượng CO2 giảm tương đương với lượng giảm của metan khoặc lượng giảm của sulfate đến sulfide có nguồn gốc từ sự trao đổi chất lên men, ví

dụ, các clostridia hoặc eubacterium sp., từ oxy hóa các acid béo, hoặc quá trình oxy

hóa của rượu Methane và CO2 là sản phẩm chính trong môi trường kị khí với sự vắng mặt của sulfate, nhưng sulfite và CO2 là sản phẩm chính nếu sulfate có mặt

2.1 Sinh học cơ bản , sinh khối, và cân bằng năng lượng của sự suy thoái

polymer sinh học hiếu khí:

polymer sinh học hòa tan và không hòa tan – chủ yếu là carbonhydrate, protein và chất béo – truy cập cho hô hấp do vi khuẩn, các đại phân tử phải được thủy phân bởi exoenzymes, thường được sản xuất và bài tiết chỉ sau khi tiếp xúc với cảm ứng tương ứng Các coenzymes hấp thụ vào polymer sinh học và thủy phân họ monomer hoặc ít nhất là oligomer Chỉ hòa tan các hợp chất có phân tử lượng thấp( ví dụ, các loại đường, disaccharides, axit amin, oligopeptide, glycerol, axit béo) có thể được đưa lên bởi các vi sinh vật và được chuyển hóa để sản xuất năng lượng và nhân đôi tế bào

Một khi đưa lên, phân hủy bằng đường phân ( loại đường, disaccharides, glycerol), thủy phân và khử amin ( amino axit, oligopeptide), hoặc thủy phân và β oxy hóa ( phospholipid acid béo chuỗi dài) thu được trong các tế bào Chuyển hóa của hầu hết các hợp chất hữu cơ dẫn đến sự hình thành của acetyl-CoA là trung tâm trung gian, được sử dụng cho sự sinh tổng hợp, bài tiết như acetate, hoặc bị oxy hóa thành CO2 và giảm tương đương trong các chu kỳ axit tricarboxylic (TCA) Sự giảm cân bằng là được hô hấp với oxy phân thử trong chuỗi hô hấp, năng lượng tối

đa của 2 mol liên kết anhydric phosphate của ATP là 1 mol glycolysis của 1 mol glucose thông qua chất nền chuỗi phosphoryl Có thêm 2 mol ATP được tạo thành trong quá trình oxy hóa của 2 mol acetate trong chu trình TCA, trong khi 34 mol ATP được hình thành bởi sự vận chuyển điện tử chuỗi phosphoryl với oxy là chất nhận điện tử cuối cùng Trong hô hấp oxy, sự giảm cân bằng phản ứng với oxy phân tử trong một phản ứng cháy có kiểm soát ( Hình 23.1)

Khi cacbohydrates được hô hấp bởi các vi khuẩn hiếu khí, khoảng 1/3 số năng nượng ban đầu bị mất là nhiệt, 2/3 được bảo tồn sinh hóa trong 38 liên kết phosphoanhydride của ATP Trong lò phản ứng bùn hoạt tính hoặc trong ao xử lý nước thải cái mà không được nạp bởi nước thải rất đậm, chiếu xạ tường và tổn thất nhiệt với dòng khí thải sục khí vào khí quyển để ngăn chặn sự tự ấm lên Tuy nhiên, trong các lò phản ứng bùn hoạt tính xử lí nước thải rất đậm, sự tự nóng lên đến nhiệt độ ưa nhiệt có thể xảy ra nếu nước thải ấm khi bắt đầu, thời gian lưu thủy lực xử lý sinh học là ngắn ( thời gian sục khí ngắn), và không khí hoặc dòng oxy cho khí bị hạn chế để cung cấp chỉ đủ oxygen cho quá trình oxy hóa hoàn toàn của các chất gây ô nhiễm ( khối lượng khí nhỏ)

Năng lượng được bảo tồn trong liên kết phosphoanhydride cuối của ATP, hình thành trong chuỗi các chất nền và sự phosphoryl hóa oxy hóa bởi sự sinh sản của vi khuẩn là một phần được sử dụng để duy trì trao đổi chất và một phần cho nhân tế bào.Sự phân vùng giữ 2 cái là ko cố định, nhưng tùy thuộc vào tình trạng dinh dưỡng Trong lò phản ứng nạp chất bùn hoạt tính với sự dư thừ hoặc ít nhất là không hạn chế tăng trưởng chất nền cung cấp, có khoảng 50% số trao đổi chất của các tế bào và 50% phục vụ như là một nguồn carbon cho sự tăng trưởng tế bào (bảng 1.1)

Năng lượng được bảo tồn sinh hóa phải được xóa sạch để được sử dụng cho sự duy trì trao đổi chất của các tế bào tồn tại và phát triễn tế bào

Nếu việc cung cấp chất nền là hạn chế tăng trưởng, ví dụ, trong một hệ thống xử lý hiếu khí nạp thấp, một tỉ lệ cao hơn của ATP được tiêu thụ để bảo trì, đại diện cho tỷ lệ năng lượng vi khuẩn phải chi tiêu cho sự ko tăng trưởng liên quan sự chuyển hóa tế bào sống và ít năng lượng có sẵn cho sự tăng trưởng Nhìn chung, nhiều cacbon chất nền là hiếu khí và tỷ lệ sản phẩm hô hấp để sự dư bùn được hình thành cao hơn, ví dụ, khoảng 70%: 30% (Bảng 1.1) Trong một hệ thống lọc nhỏ giọt, một tỉ lệ cao hơn các chất nền dường như là hiếu khí Điều này

có thể là do nguyên sinh động vật ăn cỏ bỏ một phần của màng sinh học Để so sánh, bảng 1.1 cũng tóm tắt sự phân tán cacbon trong suy thoái men vi sinh methanogenic kỵ khí.Chỉ có khoảng 5% của các chất nền có thể lên men được sử dụng cho sự tăng trưởng của tế bào ( hình thành bùn dư thừa) trong các lò phản ứng kỵ khí, trong khi có 95% được chuyển thành khí metan và CO2, và hầu hết năng lượng của các chất được bảo toàn trong các sản phẩm lên men

2.1.1 Sinh khối và cân bằng năng lượng trong hô hấp hiếu khí glucose và cố định bùn hoạt tính

Trong hầu hết các sách giáo khoa vi sinh, hô hấp của vật chất hữu cơ được giải thích bằng phương trình (1), với glucose được sử dụng như một chất mô hình Ngoại trừ một lượng pháp phản ứng chính xác của sự trao đổi chất oxy hóa, khối lượng và năng lượng phân tán, nếu đề cập tất cả, không định lượng Tuy nhiên cả hai tham số rất quan trọng cho các nhà máy xử lý bùn hoat tính Bùn dư được hình thành trong quá trình ổn định nước thải đòi hỏi phải tiếp tục xử lí, nguyên nhân do chi phí xử lý, và-trong thời gian xử lý dài- có thể một nguy cơ về môi trường, và

sự biến hóa nhiệt trong quá trình xử lý hiếu khí cao không đều có thể có thể thay đổi mật độ về phía chịu nhiệt nhiều hơn hoặc loài ưa nhiệt và do đó, ít nhất là trong một thời gian, có thể làm giảm hiệu quả quá trình

1 mol C6H12O6 + 6 mol O2 → 6 mol CO2 + 6 mol H2O + heat energy (1)

Nếu một mol glucose (MW= 180g) bị suy thoái trong một hệ thống bùn hoạt tính với tốc độ tải BOD cao ( ví dụ, > 0,6 kg m-3 d-1 BOD), khoảng 0,5 mol (90g) được hô hấp CO2 và nước, với mức tiêu thụ của 3 mol O2 (96g) phát hành

19 mol ATP (hình 1.1) 0,5 mol khác của glucose (90g) được chuyển thành pyruvate bởi một trong 3 con đường glycolytic, kèm theo sự hình thành của 0,5-1 mol ATP Pyruvate và các sản phẩm chuyển hóa tiếp theo, ví dụ axit axetat hoặc carboxylic, được sử dụng trực tiếp làm chất nền cacbon cho nhân tế bào và thình thành sinh khối dư Một số lượng tối đa 20 mol ATP là như vậy, có sẵn cho sự tăng trưởng và bảo trì ( Hình 1.1) Tại pH 7, khoảng 44kJ năng lượng có sẵn cho sự tăng trưởng mỗi mol ATP thủy phân cho ADP và phosphate vô cơ ( thauer et al.1977) Đối với một sản lượng tăng trưởng bình quân mol của hiếu khí là 4,75g mỗi mol ATP (Lui, 1998), 90g sinh khối có thể được tạo ra từ 180g glucose Nếu năng lượng đốt mỗi g của tế bào khối lượng kho là 22KJ, khoảng 890 kJ (2870-

980 KJ) bị mất nhiệt cho quá trình hô hấp (hình 1.1) Sự mất mát năng lượng là tổng tổn thất nhiệt trong quá trình hô hấp và tăng trưởng tế bào Với tốc độ tải BOD thấp, tỷ lệ hô hấp glucose liên quan đến tỷ lệ glucose cố định như sinh khối

dư thừa có thể thay đổi Lên đến 0,7 mol (126 g) glucose có thể bị oxy hóa thành

CO2, đòi hỏi 4,2 mol oxy (134.4 g O2) Như vậy, đối với hô hấp của 1 mol glucose,

số tiền khác nhau của oxy có thể được tiêu thụ, tùy thuộc vào tốc độ tải của hệ thống xử lý nước thải và các lượng khác nhau của carbon dioxide và bùn dư thừa hình thành (Hình 1.1, Bảng 1.1) Sự cân bằng năng lượng và carbon suy luận trên

có thể được tương tự áp dụng để ổn định hiếu khí bùn thải thô Nếu hàm lượng

chất khô ban đầu là khoảng 36g L-1 (hàm lượng chất khô hữu cơ trung bình của bùn thải) và nếu một phân hủy sinh học của 50% trong thời gian cư trú tại các lò phản ứng bùn thu được, khoảng 9 g L-1 của sinh khối mới hình thành, và do đó 27

g L-1 (36-18 + 9) vẫn còn trong nước thải

Năng lượng nhiệt phát hành khoảng 89 kJ L-1 của nội dung lò phản ứng Để ước tính tăng nhiệt độ lý thuyết, lượng năng lượng nhiệt này phải được chia cho 4.185

kJ (yêu cầu năng lượng cụ thể để sưởi ấm 1 lít H2O 14,5-15,5 ° C) Như vậy, bằng cách hô hấp của 18 g L-1 chất khô hữu cơ, nhiệt độ tăng lò phản ứng bằng 21,3 °

C trong thời gian cư trú cần thiết cho sự xuống cấp (≤16 h), với điều kiện là không

có năng lượng nhiệt bị mất Một tỷ lệ lớn của năng lượng nhiệt được, tuy nhiên, chuyển qua giai đoạn lỏng khí sục khí và tước ra, trong khi một tỷ lệ nhỏ hơn bị mất thông qua chiếu xạ từ các bức tường lò phản ứng Từ không khí, chứa gần 80% nitơ, thường được sử dụng như một nguồn oxy trong ao sục khí hoặc lò phản ứng bùn hoạt tính, khả năng truyền nhiệt của các khí thải là đủ cao để ngăn chặn một sự gia tăng đáng kể trong nhiệt độ nước thải Như vậy, môi trường xung quanh hoặc ở nhiệt độ ưa nhiệt trung bình nhất có thể được duy trì Nhiệt độ ngày

càng tăng của một vài độ C sẽ dẫn đến một sự thay đổi trong dân số trong các lò phản ứng và - ít nhất là tạm thời - sẽ dẫn tới làm giảm sự ổn định quá trình, nhưng nhiệt độ chỉ tăng nhẹ trong một vài độ C có thể chỉ đơn giản là kích thích các hoạt động trao đổi chất của phổ biến quần ưa nhiệt trung bình Trong thực tế, trong các

hệ thống xử lý nước thải bùn hoạt tính không tự sưởi ấm được quan sát bởi vì phân hủy là chỉ có khoảng 50% và chuyển nhiệt hoàn toàn với không khí xảy ra thông qua các khí thải tại một thời gian duy trì của hơn 0,5 d Tuy nhiên, nếu nước thải

từ một nhà máy sữa hoặc một nhà máy bia có nồng độ COD tương tự, nhưng với gần 100% thành phần tự phân hủy, được cố định bằng oxy tinh khiết, tiến hóa nhiệt gấp đôi, dẫn đến một sự gia tăng nhiệt độ lý thuyết là 57 ° C Tự sưởi ấm được quan sát, kể từ khi có ít hơn nhiều khí thải và sự mất mát nhiệt do đó thấp hơn đáng kể Ngoài ra, do tỷ lệ phản ứng cao hơn so với bùn thải, nhiệt được tạo

ra trong một khoảng thời gian ngắn hơn (thời gian duy trì ngắn hơn)

2.1.2 Sinh khối và năng lượng cân bằng cho phân hủy kỵ khí Glucose và nước thải bùn ổn định:

Đối với nước thải kỵ khí hoặc xử lý bùn, oxy phải được loại trừ để duy trì thế oxi hóa khử thấp là cần thiết cho sự tồn tại và hoạt động trao đổi chất của các quần thể acetate hóa, sulfate hóa , và sinh vật sinh metan Thủy phân polymer, sự hấp thu của các nguồn carbon hòa tan hay có khả năng hòa tan, và các phản ứng chuyển hóa chính của glycolysis lên thành pyruvate và hình thành acetate dường như tiến hành giống hệt hoặc ít nhất tương tự ở vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí Trong khi đó, hiếu khí oxy hóa acetate trong chu trình TCA và hô hấp tương đương giảm oxy, vi khuẩn kỵ khí, chẳng hạn như Ruminococcussp., Clostridiumsp., Hoặc Eubacteriumsp., Hoặc giải phóng hydro phân tử hoặc chuyển đổi pyruvate hoặc acetate để giảm cao chất chuyển hóa, chẳng hạn như lactate, succinate, ethanol, propionate, hoặc n-butyrate Để tiếp tục xuống cấp trong chuỗi thực phẩm kỵ khí, các chất chuyển hóa giảm phải được oxy hóa kỵ khí bởi vi khuẩn acetate hóa Kể

từ khi quá trình oxy hóa kỵ khí của propionate hoặc n-butyrate bởi vi khuẩn acetate hóa thì kèm theo bởi sản xuất hydro bắt buộc nhưng chỉ thải nhiệt trong điều kiện của một áp suất riêng phần H2 thấp (Bryant, 1979), sinh vật acetate có thể chỉ tăng trưởng khi hydro được tiêu thụ bằng sinh vật tiêu thụ hydro như methanogen hoặc chất khử sulfate

Trong thời gian phân hủy kỵ khí glucose 1 mol, khoảng 95% carbon glucose được sử dụng để hình thành khí sinh học (171 g = 127,7 L CH4 + CO 2), và chỉ có khoảng 5% của các chất nền carbon (9 g) chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học

(Bảng 1.1) năng lượng nhiệt ít hơn nhiều được phát hành trong khi chuyển hóa kỵ khí hơn so với trong quá trình hô hấp hiếu khí (131 kJ mol-1 so với 890 kJ mol-1, tương ứng), và biogas chứa gần 90% năng lượng của cơ chất lên men (Hình 1.2)

Do yêu cầu năng lượng nhiệt để làm ấm nước thải và do tổn thất nhiệt qua chiếu

xạ từ các ống dẫn và các bức tường lò phản ứng, nhiệt thế hệ không phải là gần đủ

để duy trì nhiệt độ lên men mesophilic không đổi Vì lý do này, phân hủy kỵ khí phải được đun nóng

Trong bùn thải với 36 g L-1 hàm lượng hữu cơ chất khô và 50% phân hủy sinh học, 0,9 g thặng dư bùn và 17,1 g khí sinh học (tương đương với 12,75 L) được hình thành trong quá trình ổn định kỵ khí Chỉ có 13,1 kJ năng lượng nhiệt trên mỗi mol của glucose được phát hành, dẫn đến một tiềm năng tự làm nóng 3,1 ° C

Vì năng lượng nhiệt được phát hành chỉ trong thời gian cư trú thủy lực của nước thải trong các lò phản ứng, mà thường là hơn 10 ngày (trừ các khu công nghiệp cao xử lý nước thải, nơi mà trong những tình huống đặc biệt HRT có thể ngắn hơn một ngày), năng lượng nhiệt nhiều hơn là bị mất bởi chiếu xạ thông qua các bức tường lò phản ứng hơn là cần thiết để duy trì nhiệt độ Nếu dòng nước thải tập trung cao của ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát đang ổn định kỵ khí tại thời gian lưu thủy lực của <1 d (không gian cao tải), nhiều năng lượng nhiệt được tạo ra từ các nguồn bên ngoài phải được cung cấp để duy trì nhiệt độ 30-

37ᵒC Cách nhiệt thích hợp của lò phản ứng kỵ khí có thể giảm thiểu nhưng ko thay thế sởi ấm bên ngoài của lò phản ứng Metan trong khí sinh học, tạo ra trong quá trình bùn hoặc ổn định nước thải kị khí, chứa khoảng 90% năng lượng cơ chất lên men Vì metan là một chất khí liên quan đến khí hậu có thể nó ko đc phát thải vào bầu khí quyển, nhưng phải được đốt cháy thành CO2 metan từ các lò phản ứng kỵ khí có thể được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ khí để tạo ra điện và/ hoặc năng lượng nhiệt (2)

2.2 Xem xét sự lựa chọn hệ thống xử lí nước thải kỵ bằng hiếu khí hoặc kỵ khí:

Những điểm cần lưu ý khi quyết định lắp đặt hệ thống xử lý nước thải hiếu khí hay kỵ khí:

- Xử lý kỵ khí nhìn chung không dẫn đến các mức ô nhiễm thấp COD, BOD5 hay TOC, có thể đáp ứng với hệ thống xử lý hiếu khí và hợp quy định về luật môi trường Đây là quá trình tiền xử lý nhằm hạn chế nhu cầu Oxy và sự hình thành cặn bùn cho các giai đoạn xử lý hiếu khí sau này Sau khi xử lý hiếu khí có thể nồng độ COD, BOD5 hay TOC đạt được giới hạn cho phép Nếu giới hạn nồng độ Nitơ và Phosphat cũng đạt yêu cầu thì các bước xử lý tiếp theo như nitrat hóa, khử nitơ hoặc loại bỏ phosphate sinh học và hóa học sẽ được xem xét

- Nước thải tập trung nên được xử lý kỵ khí bởi vì có thể thu hồi khí sinh học (biogas) và chi phí loại bỏ cặn bùn cũng thấp hơn Xử lý hiếu khí đòi hỏi tốc độc sục khí cao dẫn dến hình thành cặn bùn và sơn khí, sau đó phải lọc bỏ

- Hiệu quả của việc giảm thiểu COD cho khối lượng lớn nước thải hoặc bùn (độ phân hủy chất thải hữu cơ) nhìn chung tương tự đối ở vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí Tuy nhiên, tỷ lệ phân hủy trong quy trình xử lý hiếu khí nhanh hơn so với kỵ khí

- Nước thải có nồng độ chất thải hữu cơ thấp cần được xử lý hiếu khí do tính ổn định của nó cao hơn, mặc dù tốn kém và cặn bùn vẫn còn Nếu bùn khoáng là cần thiết thì xử lý hiếu khí với lượng nạp thấp hoặc kéo dài thài gian lưu giữ sẽ tăng cường tích tụ nguyên liệu

- Hệ thống xử lý kỵ khí có chi phí xây dựng cao nhưng chi phí vận hành thấp hơn so với hệ thống hiếu khí

2.3 Sự thủy phân Biopolymers ở vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí: Về mặt động lực

học

Quá trình thủy phân các polymer sinh học hoặc phân giải các monomer có thể được tác động bởi các vi sinh vật kỵ khí, kỵ khí tùy ý và hiếu khí Một số trường hợp (VD: phân tử protein nhỏ, dextran) có polymer dạng sợi và không tan (cellulose), tinh bột hoặc các giọt (casein), chất tan chảy hoặc nhũ hóa (chất béo) Henze et al (1997) đã báo cáo hằng số thủy phân kh phân giải polymer hữu cơ là 3-20 d-1 ở điều kiện hiếu khí và 2-20 d-1 ở điều kiện kỵ khí, trong khi đối với chất rắn lơ lửng thì hằng số thủy phân kh là 0.6-1.4 d-1 ở điều kiện hiếu khí và 0.3-0.7 d-1 ở điều kiện kỵ khí Từ khí quá trình thủy phân được xúc tác không chỉ bởi các exoenzyme dễ tan, pha loãng trong lượng lớn chất lỏng, nhưng đến mức độ cao hơn bởi enzyme được tiết ra từ các khuẩn lạc lân cận phát triển gắn kiền với

bề mặt các tiểu phần Mô tả trên không phải là luôn đúng trong quá trình lên men phức tạp Cellulase có thể được phân bố trong các cellulosome, các hạt này thực hiện như người vận chuyển cho đến khi cần sẽ tự phân hủy Shin và Song (1995) đã xác định được

tỷ lệ tối đa của quá trình acid hóa và methan hóa cho nhiều chất Đối với thủy phân các chất hữu cơ, tỷ lệ diện tích bề mặt tiếp xúc với các phân tử là quan trọng Họ phát hiện rằng đối với glucose, tinh bột, carboxymethyl cellulose, casein và thức ăn thừa, quá trình thủy phân tiến hành nhanh hơn methanogenesis, trong khi đối với giấy báo và lá thì bước thủy phân bị hạn chế

2.4 Sự thủy phân cellulose bởi vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí: Về mặt sinh học

Cellulose và lignin là những hợp chất chính kết cấu nên cây, cả hai là các polymer sinh học phong phú nhất trên trái đất

Sợi cellulose được hình thành từ các chuỗi dài 100-1400 đơn vị glucose liên kết với nhau bởi cầu nối β-1,4-glycosidic Các liên kết hydro nội phân tử và các liên kết Van de Waals

có sự tương tác trong sắp xếp cấu trúc vùng xơ (vùng tinh thể), thay thế các cấu trúc vô định hình trong các sợi cellulose Các sợi được gắn vào ma trận của các hemicellulose, pectin hoặc lignin Các hemicellulose chủ yếu bao gồm xylans hoặc glucomannans, trong

đó có các vị trí gắn các phân acetyl, gluconuryl hoặc arabinofuranosyl Để cho các sợi cellulose có thể tiếp cận các vi sinh vật, các hemicellulose, pectin hoặc ma trận lignin sẽ

bị chuyển hóa sinh học hoặc phân giải hóa học Cellulose bị phân hủy bởi oxy trong đất hoặc kỵ khí trong các dạ cỏ của động vật nhai lại, trong dung dịch, phân giải kỵ khí là chủ yếu để tạo ra các khoáng chất, nguyên liệu từ thực vật bị phân hủy

Sinh vật phân hủy cellulose được tìm thấy trong:

- Nấm đất hiếu khí, VD: các chi Trichoderma và Phanaerochaete

từ phần đuôi không được cắt giảm trong cấu trúc vô định hình và cuối cùng cấu trúc tinh thể cũng bị thủy phân

Sự phân cắt cellobiose thành glucose bởi β-glucosidases là cần thiết để ngăn chặn tích lũy cellobiose, ức chế cellobiohydrolases

Các vi khuẩn kỵ khí như Clostridium thermocellum tạo ra các phức hợp enzyme ổn định,

các cellulosome ở bề mặt tế bào (Lamed và Bayer, 1988) Các tiểu đơn vị xúc tác của cellulosome như endoglucanase, xylanase sẽ phân cắt mạch cellulose thành các đoạn ngắn, sau đó sẽ được phân cắt tiếp tục bởi β-glucosidase thành các đơn phân glucose

Cellulosome cũng được tìm thấy ở Ruminococcus sp và Fobrobacter sp Các enzyme

liên bào được gắn vào các hạt mang hoặc tiết ra màng ngoài, chúng được gắn riêng biệt hoặc liên kết phổi thể với cellulose Một số vi khuẩn bắm lên cellulose thông qua các cellulosome nhằm liên kết chặt chẽ với cơ chất và thủy phân tạo glucose sau đó hấp thu vào sử dụng, chúng được giữ để tiếp xúc trực tiếp với các cellobiose nhằm năng cao hiệu quả hoạt động của cellulase Tuy nhiên sự tích tụ của sản phẩm glucose có thể ức chế hoạt động của cellulose

Trong tự nhiên, phân lớn cellulose bị phân hủy hiếu khí, chỉ khoảng 5-10% là được phân hủy kỵ khí Hầu hết các hệ sinh thái chứ nhiều chất giàu carbon nhưng ít hợp chất nitơ, nhiều nhóm vi khuẩn phân giải cellulose có thể phân giải dinitrogen Điều này là có lợi đối với các sinh vật hội sinh hoặc cộng sinh (Leschine, 1995), ví dụ như các tương tác sinh học giữ các loài vi khuẩn kỵ khí vận chuyển hydro, các loài sản xuất ra các hợp chất lên men cho các đối tác (các vi khuẩn trong dạ cỏ)

Việc thủy phân các thành phần cấu trúc sinh học như cellulose, lignin, các chất dự trữ hoặc các polymer là việc rất khó khăn (Bảng 1.2) Bước hạn chế của quá trình thủy phân

là sự phân tách hoàn toàn sản phẩm Sự thủy phân cellulose khó chủ yếu là do sự ngưng kết của lignin, tinh bột thì dễ dàng thủy phân hơn Cấu trúc cellulose là các mạng sợi với phần lớn bề mặt được phủ lignin, trong khi tinh bột có cấu trúc phân nhánh và xoắn ốc dễ

dàng cho sự thủy phân hơn Tuy nhiên, tỷ lệ diện tích bề mặt với khối lượng của các hạt tinh bột lớn gây hạn chế tốc độ thủy phân do enzyme amylase bị giới hạn bề mặt tiếp xúc Trong khi cellulose và tinh bột có thể phân hủy, các carbohydrate có nguồn gốc từ không thể phân hủy sinh học sẽ phản ứng với các protein (dạng acid humic) tạo cặn như trong phản ứng Maillard

2.5 Sự phân hủy sinh khối bởi sự hiện diện của các chất nhận điện tử vô cơ và chuỗi thức ăn kỵ khí

Lượng O2 có sẵn trong tự nhiên, sinh khối động-thực vật bị biến đổi thành CO2 và H2O

bởi một trong một trong hai loài vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí, hoặc cả hai trong cuộc đấu tranh giành dinh dưỡng Sinh vật duy nhất có thể thủy phân các polymer và oxy hóa các monomer thành CO2 và H2O nhờ O2 Trong các môi trường thiếu O2 (đầm lầy, đường tiêu hóa động vật, sông hồ…) thì quá trình oxy hóa kỵ khí sinh khối chết bằng cách khử Oxy từ các chất nhận e- như nitrate , nitrite hoặc sulfate, Fe3+, Mn4+, CO2

Các quá trình oxy hóa các nguồn carbon hoàn toàn hoặc một phần có thể sinh ra acetate Trong trường hợp không nhận các điện tử vô cơ, oxy hóa các chất chuyển hóa như pyruvate hoặc acetate được chuyển thành lactate, ethanol hoặc các chất chuyển hóa sinh học (n-butyrate, n-butanol) Trong môi trường kỵ khí với sự overfeeding theo mùa, các chất chuyển hóa được tích lũy, ví dụ mùa thu lượng lá rụng nhiều, thối rữa giúp cung cấp lượng lớn cơ chất gây tích lũy các hợp chất chuyển hóa Các polymer trong thực vật bị phân giải thành monomer, và được tiến hành lên men tạo sản phẩm, các sản phẩm lên men có thể bị phân hủy thành các khí sinh học bởi các vi khuẩn acetogenic và methanogenic Nuôi cấy các vi sinh hiếu khí có thể khoáng hóa hoàn toàn tạo CO2 và

H2O, trong khi vi sinh kỵ khí không thể phân hủy các polymer sinh học thành CH4 và

CO2 và H2 Nếu ethanol được sinh ra thì cũng bị oxy hóa thành acetate và H2

Bảng 1.3 tóm tắt các phản ứng có thể được xúc tác bởi vi khuẩn methanogen và góp phần thải khí methan ra môi trường Trong hầm nước thải có 2/3 số methan có nguồn góc từ phân tách acetate, 1/3 từ phân hủy CO2 với H2

Nếu hexose là cơ chất và đường phân là quá trình phân giải chính thì 2 mol pyruvate có thể được khử thành 2 mol acetate và 2 mol CO2 Các hydro của 2 mol NADH2 từ đường phân và 2 mol FdH2 từ khử carbon pyruvate thoát ra như các phân tử hydro tại áp suất riêng phần thấp 2 mol CH4 hình thành acetate và 1 mol thì từ phân hủy CO2 (phản ứng 1,

2 trong Bảng 1.3)

1 mol glucose → 2 mol acetate + 2 mol CO2 + 4 mol H2 (at low pH2)

Môi trường giàu formate được hình thành nếu nồng độ hydro tích lũy cao Tương tác syntrophic thường gắn với sự chuyển hydro giữ các loài, bằng chứng cho việc chuyển đổi formate giữ các loại cũng đã được đề cập (Thiele et al 1988) Hoạt tính của chất mang điện tử phụ thuộc và độ tan của nó, hệ số khuếch tán trong nước Hiệu suất chuyển giao e-

phụ thuộc khoảng cách nơi sản xuất và tiêu thụ của vi khuẩn Chuyển formate thích hợp khi khoảng liên lạc giữ các vi khuẩn là cao và chuyển hydro khi khoảng cách nhỏ (de Bok et al 2004)

Chuyển formate giữa các loài đóng vai trò lơn trong sự phân giải butyrate syntrophic (Boone et al., 1989) và propionate (Stams, 1994; Schink, 1997) Tuy nhiên khi tăng áp suất riêng phần H2 formate được sản xuất bởi methanogen hoặc trong nuôi cấy vi khuẩn, trong nước thải ô nhiễm (Bleicher and Winter, 1994) Trên mặt khác của vi khuẩn methanogenic (Bảng 1.3), lượng methanol (có nguồn gốc từ methoxy của monemer lignin) hoặc methyl-amine (từ methylsulfonopropionate trong tảo; Fritsche, 1998) có liên quan đến môi trường nơi nó được tạo ra trong quá trình phân hủy các chất Một số methanogens có thể sử dụng phân giải sản phẩm như các alcohol tạo nguồn điện tử phân giải CO2 (Widdel, 1986; Zellner and Winter, 1987a; Bleicher et al., 1989; Zellner et al., 1989)

2.6 Vai trò của hydrogen phân tử và acetate trong phân hủy kỵ khí polymer

sinh học

 Phân tử hydro được sản xuất trong các giai đoạn khác nhau của phân hủy kỵ khí

Trong giai đoạn lên men, các sinh vật như vi khuẩn Clostridium sp và Eubacterium sp

sản xuất acid béo, CO2 và hydro từ các carbohydrate Trong giai đoạn acetic hóa, các vi

khuẩn acetogen như Syntrophobacter wolinii và Syntrophomonas wolfei sản xuất acetate,

CO2 và hydro hoặc acetate và hydro bởi sự oxy hóa kỵ khí propionate và n-butyrate Vi khuẩn lên men giải phóng phân tử hydro ngay cả ở áp suất riêng phần H2 cao và đồng

thời tiết các sản phẩm khử (ví dụ, clostridia, Ruminococcus, Eubacterium sp.) Tuy nhiên,

sự giải phóng các phân tử hydro trong giai đoạn acetic hóa của các acid béo hoặc các chất chuyển hóa khử khác có thể chỉ xảy ra khi hydro không tích tụ, vì lý do nhiệt động lực học

Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetate hóa trong phân hủy kỵ khí là sự thành tạo nhiều khí hydrogen mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật sinh methane ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với khí carbonic Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydrogen trong bể phân hủy

kỵ khí

Hydro phân tử được tiêu thụ bởi các vi khuẩn methanogen (Bảng 1.4, phản ứng 1) hoặc bởi các methanogen khử sulfate (Bảng 1.4, phản ứng 2) thông qua các loài chuyển hydro Trong dạ cỏ và bể phân hủy bùn thải, nồng độ hydro có thể được giảm bằng cách hình thành acetate từ CO2 và H2 (Bảng 1.4, phản ứng 3) bởi vi khuẩn như Acetobacterium woodii và Clostridium thermoaceticum Một số phản ứng phụ tiêu thụ hydro để làm giảm

nồng độ của nó cũng được liệt kê trong Bảng 1.4 (phản ứng 4-6)

Để duy trì một áp suất riêng phần của H2 thấp, sự tương tác trợ dưỡng của vi khuẩn

acetogen sản xuất hydro và vi khuẩn methanogen sử dụng hydro là điều cần thiết Phân hủy kỵ khí hoàn toàn các acid béo cùng với sự hình thành hydro bằng vi khuẩn acetogen khử proton bắt buộc chỉ có thể xảy ra ở áp suất riêng phần của H2 <10-4 atm (n-butyrate) hoặc 10-5 atm (propionate), mà không thể được duy trì bởi vi khuẩn methanogen hoặc khử sulfat Tuy nhiên, bằng electron vận chuyển điện tử đảo ngược có thể được chuyển đến một thế oxi hóa khử thấp thích hợp cho việc khử proton Nếu hydro tích tụ quá nồng

độ ngưỡng này, quá trình oxy hóa kỵ khí của các acid béo trở nên hấp thu năng lượng và không tiến hành (xem chi tiết ở Chương 8) Vì hydro ngăn chặn quá trình oxy hóa dạng β của acid béo bởi vi khuẩn acetogen ngay cả ở áp suất riêng phần H2 rất thấp, nồng độ acetate cao hơn nhiều (phạm vi mmol) là cần thiết để cho kết quả tương tự

Các trao đổi chất lên men của vi khuẩn acidogen thải năng lượng ngay cả ở áp lực riêng phần H2 > 10-4 atm Trong khi đó, vi khuẩn acetogen dường như phụ thuộc chủ yếu vào sự tạo thành ATP bởi sự phosphoryl hoá thẩm thấu, vi khuẩn lên men sản xuất hầu hết các ATP của chúng bằng cách phosphoryl chuỗi chất nền Đây có thể là lý do tại sao

vi khuẩn lên men không phụ thuộc vào tương tác trợ dưỡng với vi khuẩn dùng điện tử, chẳng hạn như các vi khuẩn methanogen hoặc vi khuẩn khử sulfate

 Trong khi acetate (sản phẩm giai đoạn acetate hóa) là cơ chất mà vi sinh vật tạo methane sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó cũng sẽ gây ức chế sự phân giải các acid béo bay hơi khác, ví dụ 15 mmol acid acetic ức chế sự phân giải propionic acid (Fukuzaki và cs, 1990) và 100 mmol acetic acid ức chế sự phân giải acid butyric (Ahring, Westermann, 1988) và do đó làm chậm tốc độ acetate hóa Bản thân acetic acid ở nồng độ quá cao (6.000 mg/l) (Zehnder, 1988) cũng khiến pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải acid béo bay hơi

Ngoài khả năng oxy hóa yếm khí các hợp chất hữu cơ thông qua các tương tác trợ dưỡng giữa các vi khuẩn acetogenic và vi khuẩn acetoclastic + hydrogenotrophic methanogen (xem thêm phần 1.2.5), các sự liên kết trợ dưỡng khác giữa các vi khuẩn oxy hóa acetate và vi khuẩn methanogen sử dụng H2 / CO2 dưới điều kiện tăng trưởng ưa nhiệt và ưa nhiệt trung bình đã được xem xét Phân tích nhiệt động của tương tác trợ dưỡng của sự ưa nhiệt trung bình và sự oxy hóa acetate đã phát hiện một áp suất riêng phần H2 <0,1-2,6 Pa, đó là trong phạm vi được tìm thấy trong các hệ sinh thái vi khuẩn methanogen Trong các phản ứng của vi khuẩn methanogen ưa nhiệt, acetate bị giảm đi bởi tương tác oxi hóa acetate (quá trình chủ yếu ở nồng độ acetate thấp) và bởi vi khuẩn methanogen phân hủy acetate (nồng độ acetate trên nồng độ ngưỡng) hoặc bởi

methanogen sử dụng acetate của các chi Methanosaeta hoặc Methanosarcina Sự tương

tác oxy hóa acetate và sự hình thành khí methane từ sự phân tách sản phẩm từ có thể giải

thích sự thiếu methanogen acetoclastic (Methanosarcina sp Hoặc Methanosaeta sp.)

trong các phản ứng kỵ khí

2.7 Sự chuyển đổi kỵ khí của các polymer sinh học thành methane và CO 2

Quá trình phân hủy kỵ khí các polymer sinh học nói chung có thể được chia thành các giai đoạn: thủy phân (hydrolysic), lên men (fermentation), acetic hóa (acetogenesis)

và methane hóa (methanogenensis) Thủy phân và lên men các sản phẩm thủy phân có thể được xúc tác bởi các nhóm vi sinh vật có dinh dưỡng gần như nhau

Các chất thải hữu cơ chứa nhiều các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin, trong giai đoạn thủy phân sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ thủy phân hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa các protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn và chất béo thành các acid béo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại tiếp tục được chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2

Bốn giai đoạn được phân chia như trên thực sự chỉ mang tính quy ước mà thôi Thực tế trong bể phân hủy kỵ khí các giai đoạn xảy ra cùng một lúc và đồng bộ với nhau để đạt đến cân bằng và hiệu quả mong muốn

Khi sự acid hóa các hợp chất hữu cơ không phải là dầu mỡ (carbohydrate, protein) thì

vi khuẩn acid hóa đồng nghĩa với vi khuẩn lên men Một số các vi khuẩn lên men cũng đồng thời đảm nhiệm cả vai trò thủy phân cơ chất nếu chúng có khả năng sản sinh emzyme ngoại bào tương thích với nhóm cơ chất mà chúng tiếp xúc Đối với các cơ chất này, nhóm vi khuẩn lên men quan trọng nhất phải kể đến Clostridia Đối với chất béo, sản

phẩm thủy phân là glycerine và acid béo mạch dài (LCFA) được thực hiện nhờ các vi khuẩn thủy phân Trong khi glycerine bị phân giải tiếp cũng chính nhờ vi khuẩn thủy phân đó (khi này chúng đóng vai trò là vi khuẩn lên men) thì sự phân giải tiếp theo của các LCFA lại được diễn ra bởi vi khuẩn acetate hóa bằng quá trình oxy hóa β lặp lại liên tục để tạo thành acetic acid.

2.7.1 Sự phân hủy kỵ khí các carbohydrate trong nước thải

Carbohydrate là homo hoặc heteropolymer của các hexose, pentose, hoặc các dẫn xuất đường, thường gặp ở dạng hòa tan hoặc dạng hạt, tạo thành các hạt hoặc sợi có kích thước khác nhau Trong một vài thực vật, tinh bột tạo thành hạt có đường kính lên đến 1

mm, gấp 1000 lần đường kính của vi khuẩn Quá trình chuyển hóa tinh bột bởi vi khuẩn đòi hỏi sự thủy phân bởi amylase để tạo thành các monome hoặc dime hòa tan để có thể được đưa vào và chuyển hóa

Liên quan đến tốc độ phản ứng trong một thiết bị lên men methane một chất nền hạt, bước hạn chế tốc độ là thủy phân sẽ hơn là quá trình lên men tiếp theo của các monomer, nếu quá trình acetic hóa và methane hóa tiến hành nhanh hơn Mức thủy phân các polymer có thể rất khác nhau Như hemicellulose và pectin bị thủy phân nhanh hơn mười lần so với cellulose có lớp lignin (Buchholz et al., 1986, 1988) Trong lò phản ứng acid hóa của một quá trình kỵ khí hai giai đoạn, quá trình thủy phân các polymer thành monomer là chậm hơn bình thường so với quá trình lên men của monomer thành các acid béo và các sản phẩm lên men khác Trong lò phản ứng methane, oxy hóa dạng β của các acid béo, đặc biệt là propionate hoặc n-butyrate, là bước hạn chế tốc độ (Buchholz et al., 1986) Phân hủy acid béo là phản ứng chung chậm nhất trong lò phản ứng methane hai giai đoạn xử lý nước thải (chứa carbohydrate) từ sản xuất đường Do đó, các lò phản ứng methane có thể lớn hơn so với các lò phản ứng acid hóa để cho phép thời gian lưu giữ thủy lực lâu hơn

+ Quá trình phân hủy kỵ khí cellulose và lignocellulose trãi qua 4 giai đoạn như ở hình

3 Tốc độ phân hủy cellulose phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái của cellulose trong nước thải Nếu cellulose có lớp lignin, lignin ngăn cản sự tiếp cận của cellulase vào các sợi cellulose Nếu cellulose là chủ yếu ở dạng tinh thể, cellulase có thể dễ dàng gắn vào nó, và sau đó quá trình thủy phân có thể xảy ra tương đối nhanh Trong một

lò phản ứng kỵ khí khi tăng cung cấp cellulose tinh thể, acetic hóa trở thành quá trình hạn chế tốc độ, dẫn đến hình thành propionate và butyrate Trong các vật chất thực vật thối rữa, cellulose thường có lớp vỏ lignin Do việc tiếp cận đến những phức hợp

đó của cellulase rất hạn chế, nên thủy phân cellulose là bước hạn chế tốc độ phân hủy của nó thành methane và CO2 Việc các vi sinh vật có khả năng phân hủy lignin trong

điều kiện yếm khí hay không vẫn đang được thảo luận Và sự xuất hiện của than đá

và dầu hóa thạch cho thấy rằng các hợp chất lignin có khả năng chống lại sự tấn công của vi khuẩn

+ Trong phân hủy kỵ khí tinh bột, thủy phân bởi amylase tiến hành với vận tốc cao nếu duy trì sự tiếp xúc tốt giữa các hạt tinh bột và amylase Trong một lò phản ứng kỵ khí nạp liệu thấp, sự phân hủy tinh bột có thể tiến hành trong sự vắng mặt của vi khuẩn acetogen, như trong hình 1.4 (đường a); khi nạp liệu cao, các vi khuẩn acetogen là cần thiết cho toàn bộ quá trình phân hủy và các acid béo dễ bay hơi được hình thành (Hình 1.4, đường b)

Hình 1.4 minh họa sự hạn chế tốc độ phản ứng acetic hóa có thể tránh được bằng cách điều chỉnh các điều kiện để thủy phân và lên men xảy ra không nhanh hơn methane

hóa Lý do là nhiều vi khuẩn lên men chỉ sản xuất acetate, formate, CO2 và hydro trong khi vi khuẩn methanogen thu H2 hoặc khử sulfate có thể duy trì một áp suất riêng phần của H2 đủ thấp, nhưng một phổ rộng các sản phẩm lên men, tiêu biểu cho sự chuyển hóa của các loài vi khuẩn tương ứng trong nuôi cấy thuần, được sản xuất tại áp suất riêng phần của H2 cao hơn(Winter, 1983, 1984) Methane hóa trong nuôi cấy vi khuẩn methanogen có trợ dưỡng liên tục có thể bị rối loạn bởi nồng độ tăng vọt của các loại đường hoặc ở nồng độ thấp của các loại đường, bởi sự hiện diện của các chất ức chế như

NH3, H2S, kháng sinh hoặc các xenobiotic Kết quả là, các áp suất riêng phần của H2 tăng

và các acid béo dễ bay hơi được tạo ra Khi propionate hoặc n-butyrate được sản xuất, phân hủy kỵ khí đòi hỏi các vi khuẩn acetogen cho sự oxy hóa dạng β (Hình 1.4, đường b)

2.7.2 Sự phân hủy kỵ khí Protein

Protein là đại phân tử sinh học, dạng hòa tan hoặc rắn (ví dụ: lông, tóc, móng tay) Bên ngoài các tế bào tại pH acid hoặc có sự hiện diện của các enzyme, protein hòa tan kết

tủa, ví dụ, kết tủa của casein bằng cách bổ sung enzyme rennet Các chuỗi phản ứng cần thiết cho sự phân hủy protein trong một hệ sinh thái vi khuẩn methanogen được trình bày trong Hình 1.5

Thủy phân protein kết tủa hoặc tan được xúc tác bởi một số loại protease phân giải acid amin, các dipeptide hoặc oligopeptit thấm qua màng Trái ngược với sự thủy phân tinh bột thuận lợi tại pH hơi acid, thủy phân tối ưu của các protein đòi hỏi pH trung tính hoặc kiềm yếu Ngược lại với sự lên men của các carbohydrate, làm giảm pH do sự hình thành acid béo dễ bay hơi, quá trình lên men của các acid amin trong lò xử lý nước thải không dẫn đến sự thay đổi pH đáng kể, do sự hình thành acid và amoniac

Quá trình acid hóa nước thải chứa protein tiến hành tối ưu ở pH 7 hoặc cao hơn, và các ion amoni cùng với hệ thống đệm CO2-bicarbonat-carbonate ổn định pH Quá trình acetic hóa của các acid béo từ khử amin của acid amin cần một áp suất riêng phần của H2thấp vì những lý do tương tự như đối với sự phân hủy carbohydrate Điều này có thể được duy trì bởi sự tương tác trợ dưỡng của lên men, vi khuẩn phân hủy protein và các vi khuẩn acetogen và methanogen hoặc vi khuẩn khử sunfat Ngoại trừ sự tương tác trợ dưỡng của vi khuẩn phân hủy acid amin với vi khuẩn methanogen, để duy trì một áp suất riêng phần của H2 thấp, clostridia và có thể cũng có một số vi khuẩn bùn khác có thể kết hợp oxy hóa và khử acid amin chuyển đổi thông qua phản ứng Stickland Một acid amin,

ví dụ, alanine (4) được oxi hóa khử carboxyl và hydro hoặc các sự khử tương đương trong phản ứng này được sử dụng để chuyển đổi khử một acid amin, ví dụ, glycine, thành acetate và amoniac (5)

valine + 2 H2O → i-butyrate + CO2 + NH3 + 2 H2 (6)

leucine + 2 H2O → i-valerate + CO2 + NH3 + 2 H2 (7)

i-leucine + 2 H2O → 2-methylbutyrate + CO2 + NH3 + 2 H2 (8) glutamate + 2 H2O → propionate + 2 CO2 + NH3 + 2 H2 (9)

Với phân hủy carbohydrate, sự cần thiết cho vi khuẩn acetogen phân hủy propionate-

và butyrate có thể bị phá vỡ bằng hạn chế cơ chất(Hình 1.4a), trong quá trình phân hủy protein thì ngược lại, các acid béo là một sản phẩm của sự khử amin, và sự hình thành chúng không thể tránh được bằng cách duy trì một áp suất riêng phần của H2 thấp Trong giai đoạn methane hóa không có sự khác biệt trong hoạt động của methanogen dù lên men carbohydrate hoặc protein , ngoại trừ các methanogen trong lò phản ứng protein cần chịu được với ammonia và pH cao hơn

2.7.3 Phân hủy kỵ khí chất béo trung tính và lipid

Chất béo và lipid là một nhóm các polymer sinh học góp phần đáng kể vào chỉ số COD trong bùn thải, phân bón và nước thải từ ngành công nghiệp thực phẩm, ví dụ, các lò giết

mổ hoặc nhà máy chế biến khoai tây (Winter và cộng sự., 1992; Broughton

và cs, 1998) Để cung cấp một bề mặt tiếp xúc tối đa cho phản ứng phân cắt của các lipase hay phospholipase; chất béo rắn, dầu và lipid phải được nhũ hóa Glycerol, acid bão hòa và acid chưa bão hòa (palmitic acid, linolic acid, linolenic acid, stearic acid, v.v) được hình thành từ chất béo trung tính Sự phân giải phospholipid tạo ra axit béo, glycerol, rượu (serine, ethanolamin, choline, inositol), và phosphate Sự phân giải sphingolipid tạo ra acid béo và rượu amin (vd, sphingosine); và sự phân giải glycolipid tạo thành acid béo, rượu amin và đường hexose (glucose, galactose) Sơ đồ phân giải kỵ khí chất béo được thể hiện ở hình 1.6 Các gốc đường và glycerol có thể được chuyển hóa thành khí metan và CO2 bởi sự tương tác giữa các vi khuẩn lên men và methanogen (vi khuẩn sinh metan) trong hệ thống tải trọng thấp hoặc sự phối hợp giữa các vi khuẩn lên men, acetogen (vi khuẩn sinh acetate) và methanogen trong hệ thống tải trọng cao Các axit béo chuỗi dài bị phân hủy bởi vi khuẩn acetogenic qua quá trình oxy hóa β (β-oxidation) tạo thành acetate và hydro phân tử Nếu acetate và phân tử hydro tích lũy, quá trình phân hủy kỵ khí bị ức chế (Hanaki và cs, 1981) Axit béo có mạch C lẻ bị phân hủy thành acetate, propionate, và hydro; và axit béo có mạch C chẵn phân hủy thành acetate

và hydro phân tử (Bryant, 1979) Chỉ khi áp suất riêng phần H2 rất thấp, điều kiện này được duy trì bởi vi khuẩn methanogen xử dụng hydro hoặc các chất khử sulfate, thì sự oxi hóa β ít tạo ra các sản phẩm n-butanate (mạch 4C) và propionate (mạch 3C) Methanol, ethanol, ammoniac được hình thành từ cholin (Hình 1.6) Sau quá trình thủy phân, lên men, và acetate hóa các thành phần chất béo, trong giai đoạn metan hóa acetate,

CO2 và hydro được chuyển đổi thành khí sinh học Tất cả các phản ứng trong tế bào tiếp theo có thể bị ảnh hưởng bởi sự tương tác cộng dưỡng thông qua trao đổi hydro cùng loài, trừ các phản ứng lipase ban đầu ngoại bào

Carbohydrate, protein, chất béo và các loại dầu hữu cơ thể cũng bị phân giải kỵ khí trong điều kiện nhiệt Sơ đồ phân giải cơ bản là như nhau, nhưng quần thể vi sinh vật khác nhau (ví dụ, Winter và Zellner, 1990) Phân giải chất béo bởi các vi khuẩn ưa nhiệt rất quan trọng trong thực tế, vì mỡ thải từ ngành công nghiệp thực phẩm thường được lên men hầm ủ biogas (biogas plants) Để đáp ứng yêu cầu vệ sinh, vật liệu đưa vào hầm ủ phải được khử trùng bằng quá trình sử dụng nhiệt, giữ chất béo ở dạng nóng chảy và hòa tan để tăng hiệu quả chuyển hóa Hầm ủ biogas lên men mỡ thải được coi là một hệ thống

xử lý rác thải và phải được thiết kế đảm bảo các yêu cầu vệ sinh phù hợp với loại rác thải tương ứng