1.5.2.1. Cấu trúc vật lý
Các hạt bùn có cấu trúc xốp ở phía ngoài (khoảng 0,1 mm) và dạng tinh thể ở phần lõi [175]. Hình 1.5 chỉ ra bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB của nhà máy giấy. Mũi tên màu đỏ chỉ ra các lỗ thoát khí. Bùn hạt kỵ khí màu đen hoặc màu xám trắng, kích thước hạt từ 0,25 mm đến 5 mm.
Sự phân bố kích cỡ bùn hạt trong hệ thống UASB là kết quả của quá trình phát triển kích cỡ hạt từ nhỏ đến lớn. Sự phát triển của vi sinh vật tạo ra các lớp cấu trúc trong hạt bùn (hình 1.5). Sự khuấy trộn không làm vỡ hạt bùn, hoạt động của vi sinh vật không bị mài mòn dẫn đến giảm kích cỡ hạt. Sự rửa trôi sinh khối chủ yếu từ bùn không hình thành hạt [128].
Hình 1.5. Bùn hạt kỵ khí [70]
1.5.2.2. Cấu trúc siêu vi
Khi quan sát trên kính hiển vi, mô hình cấu trúc nhiều lớp của hạt bùn được ghi nhận (hình 1.6). Lớp ngoài cùng là nhóm acidogen có chức năng lên men đường tạo thành VFA. Do sự chênh lệch nồng độ, các VFA này sẽ khuếch tán vào phía trong và trở thành nguồn thức ăn cho nhóm acetogen là nhóm chiếm ưu thế vượt trội ở lớp giữa. Ở đây VFA được bẻ gẫy và tạo thành các cơ chất chính cho các loài cổ khuẩn sinh metan ở trung tâm hạt [31].
18
Hình 1.6 cũng mô tả sơ lược về quá trình phân hủy chất hữu cơ trong hệ vi sinh vật của hạt bùn gồm các bước như sau:
Bước 1: Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng tiết ra các enzym ngoại bào phân hủy các hợp chất cao phân tử thành đơn phân từ (đường, axit amin, axit béo) và được tiêu thụ bởi các vi khuẩn ở lớp ngoài cùng. Các sản phẩm đơn phân từ này cũng được khuếch tán vào phía trong và được nhóm acidogen lên men thành VFA và alcohol.
Bước 2: VFA và alcohol được nhóm acetogen ở lớp giữa chuyển hóa thành axetat, H2 và là nguồn thức ăn cho nhóm methanogentrong lõi hạt. Sản phẩm phân hủy của cổ khuẩn sinh metan(biogas) đi ra theo lỗ thoát khí.
Hình 1.6. Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn [31]
Một số hạt bùn có cấu trúc không đồng nhất cũng được phát hiện. Trong các hạt bùn này, các vi khuẩn có tiêm mao chiếm ưu thế không chỉ trên bề mặt mà còn ở trung tâm hạt bùn. Cấu trúc phân lớp và cấu trúc đồng nhất của hạt bùn phát triển tương ứng với nguồn cơ chất là hydratcacbon và protein [49]. Người ta nhận thấy phân hủy hydratcacbon nhanh hơn phân hủy
19
của các vật chất trung gian và phân giải protein bị giới hạn tốc độ. Do đó, các loại bùn hạt khác nhau hình thành trên cơ chất tương ứng. Cấu trúc vi mô của hạt bùn phụ thuộc vào động học phân hủy của các cơ chất [83].