L- uý về công chúng:
4H 2+ CO2 CH4 + 2H2O
Cỏc vi khuẩn tổng hợp mờtan từ hydro và dioxit cacbon phỏt triển nhanh hơn cỏc vi khuẩn sử dụng acetat [Henzen and Harremoes 1983], vỡ vậy quỏ trỡnh tổng hợp mờtan bởi cỏc vi khuẩn lờn men giấm thường chiếm tỉ lệ giới hạn trong suốt quỏ trỡnh chuyển húa cỏc hợp chất hữu cơ cao phõn tử cú trong nước thải thành khớ sinh học. Cỏc nhúm vi khuẩn khỏc nhau tham gia trong quỏ trỡnh chuyển húa cỏc chất hữu cơ đều cú khả năng đồng húa và dị húa. Vỡ vậy, song song với quỏ trỡnh giải phúng ra cỏc sản phẩm lờn men khỏc nhau, lượng sinh khối mới cũng được tạo thành trong bốn giai đoạn chuyển húa được mụ tả trờn. Để thuận tiện, ba quỏ trỡnh đầu tiờn đụi khi được gộp lại với nhau và được gọi là quỏ trỡnh lờn men axit, và quỏ trỡnh thứ tư được gọi là quỏ trỡnh mờtan húa.
Quỏ trỡnh lờn men axit cú khuynh hướng làm giảm pH do làm phỏt sinh cỏc axit bộo dễ bay hơi và cỏc chất trung gian dễ phõn ly. Vỡ quỏ trỡnh mờtan húa chỉ tiến triển tốt trong điều kiện pH trung tớnh, nờn vỡ lý do nào đú, phản ứng cú thể trở nờn khụng ổn định do tốc độ khử axit trong quỏ trỡnh mờtan húa giảm so với tốc độ phỏt sinh axit, tổng lượng axit cũn lại sẽ làm giảm pH, và vỡ vậy gõy ức chế khả năng phỏt triển hoạt động của cỏc vi khuẩn mờtan húa. Trờn thực tế, hiện tượng này, được gọi là “chua” trong cỏc bể phản ứng kỵ khớ, và cũng là sự cố rất thường gặp trong vận hành cỏc hệ thống xử lý kỵ khớ. Để trỏnh hiện tượng “chua”, cần duy trỡ cõn bằng giữa cỏc quỏ trỡnh lờn men axit và mờtan húa.
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ
Cỏc yếu tố mụi trường ảnh hưởng đến quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ nước thải gồm nhiệt độ, pH, cỏc thành phần dinh dưỡng chớnh và cỏc hợp chất độc hại trong nước đầu vào. Đối với nước thải sinh hoạt, thụng thường ba yếu tố cuối khụng cần phải cõn nhắc. Điều kiện pH thớch hợp và ổn định trong nước thải sinh hoạt thường được tạo nờn nhờ sự cú mặt của cỏc hợp chất axit cacbonic và khụng cần sử dụng húa chất nào để hiệu chỉnh pH. Cỏc chất dinh dưỡng (cả cỏc chất dinh dưỡng vĩ mụ, nitơ và phốt pho và dinh dưỡng vi mụ) cú rất nhiều trong nước thải. Cỏc hợp chất cú tớnh độc rừ rệt đối với cỏc vi khuẩn nhỡn chung khụng cú trong nước thải sinh hoạt. Ảnh hưởng độc hại của sunfua khụng nghiờm trọng và ảnh hưởng của ụxy hũa tan chỉ cú thể xuất hiện khi hệ thống xử lý kỵ khớ cú thiết kế khụng hợp lý.
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ
Đối với cỏc loại nước thải cú nồng độ chất ụ nhiễm cao, nhiệt độ vận hành đối với một quy mụ cụng suất nào đú cú thể được xem như một quỏ trỡnh cú thể điều chỉnh hệ thống xử lý kỵ khớ, vỡ trong giới hạn cho phộp, nú cú thể được kiểm soỏt bằng việc sử dụng mờtan sinh ra để làm ấm nước thải. Hỡnh thức này khụng ỏp dụng được cho trường hợp cỏc loại nước thải nồng độ thấp như nước thải sinh hoạt vỡ năng lượng thu được từ mờtan sinh ra khụng đủ để làm tăng nhiệt độ của hệ thống. Nhiệt lượng lớn nhất được sinh ra từ sự đốt chỏy mờtan thu được từ quỏ trỡnh phõn
hủy 500 mg/L COD (giỏ trị điển hỡnh cho nước thải thụ) là 1,5 kcal/L. Về lý thuyết việc làm tăng nhiệt độ lờn 1,5oC là cú thể thực hiện được, nhưng giỏ trị tối đa này chỉ cú thể đạt được khi cỏc chất ụ nhiễm được chuyển húa hoàn toàn thành mờtan-COD và nhiệt lượng chứa trong mờtan được khai thỏc toàn bộ. Vỡ thế, nước thải sinh hoạt cần phải được xử lý tại nhiệt độ nú đạt được khi vào hệ thống, nhiệt độ này luụn thấp hơn nhiệt độ tối ưu cho quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ.
Cũng như cỏc quỏ trỡnh sinh học khỏc, hiệu suất phõn hủy kỵ khớ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Tốc độ chuyển húa của cỏc quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ diễn ra nhanh nhất với cỏc điều kiện “mesophilic” trong khoảng từ 35 đến 40oC và “thermophilic” khoảng 55o
C.
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ khụng bị hạn chế khi thay đổi tốc độ của quỏ trỡnh. Với tất cả cỏc quy mụ cụng suất, khả năng ỏp dụng quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ tại cỏc khu vực cú điều kiện khớ hậu nhiệt đới (nhiệt độ nước thải trờn 20oC) và cận nhiệt đới (nhiệt độ nước thải trờn 15oC) thường khả thi hơn so với cỏc vựng khớ hậu ụn đới và lạnh (nhiệt độ trờn 10o
C).
Ảnh hưởng của pH
Giỏ trị và độ ổn định của pH trong bể phản ứng kỵ khớ là yếu tố quan trọng vỡ quỏ trỡnh mờtan húa chỉ đạt hiệu suất cao trong điều kiện pH được duy trỡ ở mức trung tớnh. Khi giỏ trị pH thấp hơn 6,3 hoặc cao hơn 7,8, hiệu suất của quỏ trỡnh mờtan húa giảm. Cỏc vi khuẩn lờn men axit ớt nhạy cảm với cỏc giỏ trị pH cao hay thấp, vỡ vậy quỏ trỡnh lờn men axit sẽ chiếm ưu thế hơn mờtan húa, điều đú cú thể gõy nờn hiện tượng làm “chua” cỏc thành phần trong bể phản ứng.
Giỏ trị pH trong bể phản ứng được thiết lập sau khi đạt được mức cõn bằng ion trong cỏc thành phần gốc axit khỏc nhau cú mặt trong hệ thống. Cỏc thành phần gốc axit yếu cú ảnh hưởng lớn và đặc biệt là cỏc hợp chất của axit cacbonic thường là yếu tố quyết định, vỡ nồng độ của chỳng nhỡn chung thường vượt quỏ mức cơ bản so với cỏc hợp chất khỏc như phụtphat, amonia, hoặc sunphat.
Ảnh hưởng của cỏc chất độc hại
Ngoài nồng độ ion hydrụ, một số cỏc thành phần khỏc cũng ảnh hưởng đến hiệu suất phõn hủy kỵ khớ, thậm chớ với nồng độ rất thấp, như cỏc kim loại nặng và cỏc hợp chất hữu cơ – axit. Tuy nhiờn, sự cú mặt của cỏc hợp chất này với nồng độ gõy hại thường hiếm xảy ra trong nước thải. Cỏc hợp chất cú thể gõy ảnh hưởng xấu thường là ụxy và sunphớt. Khả năng xõm nhập của ụxy cú thể xảy ra thụng qua hệ thống phõn phối nước thải, nhưng sẽ được tiờu thụ cho sự chuyển húa ụxy húa trong quỏ trỡnh lờn men axit. Vỡ vậy thường khụng cú ụxy hũa tan trong bể phản ứng kỵ khớ, mặc dự khụng khớ cú thể xõm nhập vào cựng nước thải đầu vào, vỡ vậy sự xõm nhập của nú sẽ khụng gõy ảnh hưởng đối với hoạt động của bể phản ứng. Sunphớt cú thể được tạo thành trong quỏ trỡnh từ phản ứng khử sunphỏt. Tuy nhiờn, theo cụng bố của Rinzema (1989) nồng độ sunphớt cú trong hệ thống xử lý kỵ khớ nước thải đụ thị (tới 50mg/l) thấp hơn nhiều so với giỏ trị nồng độ tối thiểu cú thể gõy tỏc hại đối với hệ thống. Vỡ vậy, tỏc hại của cỏc độc tố thường khụng phải là vấn đề cần lưu tõm đối với cỏc hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt.
Ưu điểm của quỏ trỡnh kỵ khớ
Cỏc quỏ trỡnh kỵ khớ yờu cầu ớt năng lượng, phỏt sinh ớt bựn dư, yờu cầu chất dinh dưỡng ớt, và cú thể chịu được tải lượng thể tớch lớn:
Phỏt sinh năng lượng mới; quỏ trỡnh xử lý kỵ khớ làm phỏt sinh năng lượng mới tương đương 10.4ì106 kJ/ngđ, trong khi cỏc quỏ trỡnh hiếu khớ lại yờu cầu sử dụng năng lượng - 1.9ì106 kJ/ngđ (xem bảng 4.16).
Sản lượng sinh khối thấp hơn; quỏ trỡnh kỵ khớ làm giảm lượng sinh khối dư với hệ số 6 đến 8, và điều này sẽ làm giảm chi phớ cho cụng đoạn xử lý bựn cặn. Nhu cầu cỏc chất dinh dưỡng thấp hơn; Đối với cỏc quỏ trỡnh xử lý hiếu khớ
nước thải là BOD: N: P = 100: 5: 1. Tuy nhiờn, trong quỏ trỡnh xử lý kỵ khớ, nhu cầu sử dụng cỏc chất dinh dưỡng ớt hơn theo tỷ lệ BOD: N: P = 350ữ500: 5: 1.
Nước thải cú đủ nitơ và phốtpho và cỏc thành phần vi lượng khỏc nhau để đỏp ứng nhu cầu về dinh dưỡng trong xử lý kỵ khớ. Ngược lại, đối với cỏc quỏ trỡnh xử lý hiếu khớ thường cần bổ sung thờm cỏc chất dinh dưỡng.
Tải lượng thể tớch cao hơn; quỏ trỡnh kỵ khớ thường đạt được tải lượng hữu cơ cao hơn so với quỏ trỡnh hiếu khớ (tải lượng hữu cơ là 3,2ữ32 kg COD/m3.ngđ đối với quỏ trỡnh kỵ khớ cao hơn nhiều so với mức 0,5ữ3,2 COD/m3.ngđ đối với quỏ trỡnh hiếu khớ) [Speece, 1996]. Lượng chất hữu cơ được loại bỏ nhiều hơn trờn đơn vị thể tớch cụng trỡnh.
Nhược điểm của quỏ trỡnh kỵ khớ
Trỏi lại, xử lý kỵ khớ đũi hũi thời gian khởi động lõu hơn, bổ sung thờm cỏc chất kiềm, xử lý nước thải và vi khuẩn kỵ khớ thường rất nhạy cảm với cỏc chất độc.
Thời gian khởi động lõu hơn; tốc độ phỏt triển của cỏc vi khuẩn kỵ khớ thường chậm hơn vỡ vậy đũi hỏi thời gian khởi động hệ thống lõu hơn, thường từ 8 đến 12 tuần.
Yờu cầu bổ sung kiềm; cần đảm bảo nồng độ kiềm ở mức từ 2.000 đến 3.000 mg/L (theo CaCO3) để trung hũa lượng khớ CO2 và cỏc axit hữu cơ dễ bay hơi phỏt sinh từ quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ cỏc chất hữu cơ và duy trỡ độ pH thớch hợp với sự phỏt triển của cỏc vi khuẩn. Nếu lượng kiềm này khụng cú sẵn trong nước thải hoặc khụng được tạo ra bởi quỏ trỡnh phõn hủy cỏc chất đạm hay axit aminụ, nhu cầu bổ sung thờm cỏc chất kiềm sẽ làm tăng chi phớ húa chất đỏng kể.
Yờu cầu xử lý bổ sung; khả năng chịu tải lượng hữu cơ cao hơn, lượng chất hữu cơ được xử lý nhiều hơn, và thụng thường nồng độ hữu cơ trong nước thải đầu vào cao hơn nờn nước thải sau quỏ trỡnh xử lý kỵ khớ thường cũn dư nhiều chất hữu cơ hơn so với nước sau xử ký hiếu khớ và cần được xử lý bổ sung nhằm đỏp ứng yờu cầu chất lượng xả. Một chuỗi cỏc bể phản ứng kết hợp cỏc quỏ trỡnh kỵ khớ và hiếu khớ cú thể được ứng dụng trong xử lý nước thải đụ thị ở những vựng cú khớ hậu ấm, nhằm làm giảm bớt nhu cầu sử dụng năng lượng và giảm lượng bựn thải phỏt sinh [Goncalves and Avaujo, 1999; Garuti et al., 1992].
Cỏc quỏ trỡnh xử lý kỵ khớ nước thải
Hệ thống xử lý kỵ khớ cổ điển
Những ứng dụng đầu tiờn
Ứng dụng đầu tiờn của quỏ trỡnh phõn hủy kỵ khớ để xử lý nước thải được tiến hành trong bể kớn khớ được Mouras triển khai tại Phỏp vào cuối thể kỷ trước. Vào khoảng đầu thế kỷ XX, một số hệ thống xử lý kỵ khớ mới đó được triển khai vớ dụ như bể tự hoại của Cameron ở Anh, bể lắng hai vỏ của Imhoff ở Đức. Trong cả hai hệ thống này, nước thải chảy qua phần trờn của hệ thống, bựn cặn lắng xuống tạo ra vựng kỵ khớ ở đỏy bể. Cỏc thành phần chất rắn lắng được cú trong nước thải sẽ lắng xuống vựng đỏy và được phõn hủy trong điều kiện kỵ khớ. Trong bể tự hoại, hiệu suất lưu giữ cỏc chất rắn lắng được cú thể bị ảnh hưởng bởi cỏc chất trụi nổi dõng lờn từ đỏy, hoặc do sự kết dớnh cỏc chất rắn bởi cỏc bọt khớ sinh học tạo thành hỗn hợp vỏng. Điều này khụng xảy ra trong bể lắng hai vỏ do cỏc chất rắn được lắng xuống khoang phõn hủy riờng và bọt khớ phỏt sinh dõng lờn từ đỏy khụng vào được khoang lắng. Trong thời gian sau, xuất hiện cỏc bể lắng hai vỏ cải tiến. Tại cỏc bể này, cỏc chất rắn tớch tụ trong khoang phõn hủy được gia nhiệt, vỡ vậy làm tăng tốc độ phõn hủy kỵ khớ. Thời gian lưu nước trong bể tự hoại và bể lắng hai vỏ là một đến hai ngày, đủ để loại bỏ cỏc chất rắn lắng được. Do vậy, cỏc hệ thống này trờn thực tế là cỏc hệ thống xử lý sơ cấp kết hợp xử lý sinh học cỏc chất rắn lắng được.
Trong cỏc hệ thống xử lý kỵ khớ thời đầu, việc xử lý được tiến hành trờn cơ sở quỏ trỡnh lắng cỏc chất hữu cơ lơ lửng. Do chỉ một phần cỏc chất hữu cơ chảy vào là cú thể lắng được (một phần ba tới một nửa), nờn hiệu suất xử lý tối đa của cỏc hệ thống này chỉ đạt 3050% tớnh theo chất hữu cơ dễ phõn hủy sinh học và phụ thuộc nhiều vào tớnh chất của nước thải và khả năng lắng cặn.
Hiệu quả xử lý thấp của cỏc hệ thống sơ cấp cú thể được cho là do thiết kế chưa hợp lý. Do khả năng tiếp xỳc kộm giữa cỏc VSV kỵ khớ trong hệ thống và cỏc thành phần chất hữu cơ khụng lắng được trong nước thải đầu vào, phần lớn chất hữu cơ hoà tan hoặc đó được thủy phõn khụng được chuyển hoỏ bị cuốn trụi theo dũng thải ra khỏi hệ thống. Tại thời điểm đú, cỏc khỏi niệm và ý nghĩa của việc tạo khả năng tiếp xỳc tốt giữa chất hữu cơ và quần thể vi khuẩn chưa được nhận thức đầy đủ. Khả năng hoạt động kộm của hệ thống kỵ khớ đó làm xuất hiện cỏc thành kiến cho rằng khả năng xử lý của cỏc hệ thống này kộm hơn so với cỏc hệ thống hiếu khớ, cỏc thành kiến này vẫn cũn tồn tại đến ngày nay. Tuy nhiờn, trong cựng khoảng thời gian đú, từ cỏc kết quả nghiờn cứu được triển khai trong thực tế đó cho thấy rằng hệ thống xử lý kỵ khớ hiện đại được thiết kế hợp lý cú thể đạt hiệu suất xử lý cao đối với cỏc chất hữu cú thể phõn hủy sinh học, thậm chớ với thời gian lưu nước rất ngắn.
Hồ sinh học kỵ khớ
Hồ sinh học kỵ khớ về cơ bản khụng khỏc biệt với cỏc hệ thống xử lý kỵ khớ thời đầu được mụ tả trong phần trờn. Chỳng cũng là cỏc hệ thống lưu chuyển với cặn lắng kỵ khớ được tớch tụ ở phần đỏy. Cỏc hồ kỵ khớ cú khối tớch lớn hơn cỏc hệ thống xử lý bước đầu rất nhiều, và thường khụng được che đậy. Việc khuấy trộn nước trong hệ thống (độ sõu 2ữ5 m) cú thể xảy ra nhờ chuyển động dõng lờn của cỏc bọt khớ sinh học, và cũng do tỏc động của giú và ỏnh nắng mặt trời (khuấy trộn cơ học và khuấy trộn nhiệt). Hồ kỵ khớ thường chỉ dựng riờng cho xử lý nước thải, đặc biệt là được sử dụng như bước tiền xử lý trong một chuỗi cỏc hồ làm ổn định nước thải. Thời gian lưu nước thải trong cỏc hồ kỵ khớ (thụng thường từ hai đến năm ngày) thường lõu hơn trong cỏc hệ thống xử lý bước đầu và do đú hiệu suất xử lý chất hữu cơ cũng cao hơn. Với thời gian lưu nước từ một đến năm ngày, hồ kỵ khớ cú thể xử lý BOD trong nước thải sinh hoạt đạt hiệu suất 50ữ70% [Mara, 1976].
Trờn hỡnh 2.12 biểu thị kết quả một số nghiờn cứu về quan hệ hàm số giữa hiệu suất xử lý BOD và thời gian lưu nước.
Từ cỏc kết quả thớ nghiệm cú thể xõy dựng cụng thức thực nghiệm xỏc định quan hệ giữa hiệu suất xử lý và thời gian lưu (hydraulic retention time - HRT). Quan hệ tuyến tớnh của đồ thị logarit trờn hỡnh 2.12 sẽ là:
0,50
2,4 E =1-
HRT
Để đạt hiệu suất xử lý BOD trờn 80%, cần thời gian lưu nước lõu xấp xỉ sỏu ngày. Với tải lượng hữu cơ dưới 1.000 kg BOD/ha.ngày hay 0,1 kg BOD/m2.ngày, chức năng xử lý của hồ sẽ cú xu hướng tựy tiện (tức là cú điều kiện hiếu khớ tại lớp nước bề mặt) hơn là kỵ khớ. Với cỏc giỏ trị điển hỡnh về độ sõu (2ữ3 m) và BOD đầu vào (250 mg/L hay 0,25 kg/m3), hồ cú thể đạt được mức tải 0,1 kg-BOD/m2.ngày với thời gian lưu bằng 0,25ì(2ữ3) / 0,1= = (5 ữ7) ngày. Vỡ vậy, cần cú thời gian lưu hơn sỏu ngày nhằm đảm bảo điều kiện kỵ khớ trong hồ.
Cỏc hệ thống xử lý kỵ khớ tốc độ cao
Trờn hỡnh 2.13 mụ tả sơ đồ nguyờn lý hoạt động của cỏc hệ thống xử lý kỵ khớ hiện đại.