Sự hình thành bùn hạt kỵ khí là quá trình gồm nhiều bước phức tạp liên quan đến áp lực vật lý, hóa học và sinh học. Hulshoff và cộng sự (2004) đã chia quá trình hình thành bùn hạt thành 3 cơ chế: vật lý, vi sinh vật và nhiệt động học [70].
1.5.4.1. Cơ chế vật lý
Theo cơ chế vật lý, hạt bùn được hình thành do sự phát triển của “chất rắn lơ lửng có bản chất vi sinh vật” dưới tác động của áp suất chọn lọc [58, 70].
23
Pareboom (1994) chỉ ra các hạt bùn bắt đầu hình thành từ các cụm vi sinh vật. Các tế bào vi sinh vật lơ lửng gắn kết vào nhau và hình thành lên cụm tế bào vi sinh vật. Các tế bào vi sinh vật không có khả năng bám dính sẽ bị rửa trôi (hình 1.7).
Hình 1.7. Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom [125]
Dưới các điều kiện vận hành thông thường lực cắt ngoài, áp suất khí bên trong hoặc tốc độ tuần hoàn khí cao không làm vỡ hạt bùn. Lực cắt chỉ tách các phần hạt nhỏ hơn từ các hạt bùn này [50, 70, 126].
b. Mô hình hạt nhân trơ
Các hạt siêu nhỏ, trơ về mặt hóa học được sử dụng làm giá thể để các vi sinh vật bám dính vào tạo thành màng sinh học [92, 142, 157]. Hạt bùn được hình thành khi các vi sinh vật trên lớp màng sinh vật sinh trưởng và phát triển trong điều kiện vận hành hệ thống UASB (hình 1.8).
Hình 1.8. Mô hình hạt nhân trơ
Mô hình này đã được thực hiện bằng việc bổ sung hạt zeolite hoặc hydro-anthracite với kích thước 100µm [72], hạt polime hấp phụ nước (WAP) [77] để xúc tiến cho quá trình hình thành bùn hạt.
24
Áp suất chọn lọc tương đương tổng thủy lực do tốc độ chảy của nước và sự thoát khí tạo ra. Dưới áp suất chọn lọc cao, bùn phân tán nhẹ được tách khỏi hệ thống. Kết quả là bùn phân tán bị giảm, sự phát triển của vi sinh vật tập trung bên trong hạt nhân tạo thành bùn hạt có tính lắng tốt. Ngược lại, áp suất chọn lọc thấp dẫn đến việc phân tán sinh khối và sinh khí kém tạo ra bùn hạt ở trạng thái lơ lửng [98].
1.5.4.2. Cơ chế nhiệt động học
Theo cơ chế này, quá trình hình thành bùn hạt được miêu tả do sự thay đổi điện tích của các hạt diễn ra theo ba mô hình sau đây: mô hình 4 bước, mô hình chuyển vị nước và mô hình liên kết đa ion miêu tả quá trình hình thành bùn hạt.
a. Mô hình bốn bước
Sự hình thành bùn hạt theo mô hình 4 bước được mô tả như hình 1.9: đầu tiên, (i) các tế bào di chuyển đến bề mặt vật liệu trơ hoặc các tế bào khác; tiếp theo, (ii) các tế bào hấp phụ thuận nghịch trên bề mặt vật liệu trơ nhờ lực hóa lý; sau đó (iii) các tế bào bám dính chặt chẽ trên bề mặt vật liệu trơ nhờ sự gắn kết của các vi sinh vật và/hoặc polime và cuối cùng (iv) các tế bào sinh trưởng và phát triển thành hạt bùn [147].
i – Sự hấp phụ thuận nghịch của hai tế bào do ECP, ii- sự phân chia tế bào, iii – sự hình thành hạt các cụm tế bào, iv- Hình thành hạt hoàn chỉnh
Hình 1.9. Mô hình bốn bước [147]
Sự di chuyển các tế bào vi sinh vật do sự chuyển dịch của dòng chất lỏng và khí mà chúng phụ thuộc vào lưu lượng dòng vào, tốc độ sinh khí và lắng cặn. Khi hai tế bào va chạm với nhau, xảy ra việc hấp phụ thuận nghịch và vật liệu trơ đóng vai trò là tâm hạt. Sự bám dính không thuận nghịch xảy ra khi các mối liên kết bền vững được xây dựng giữa hạt nhân và tế bào hình thành nên các cụm tế bào dưới sự trợ giúp của ECP. Nhiều cụm tế bào bám dính với nhau tạo thành bùn hạt [58, 98].
b. Mô hình chuyển vị proton và khử nước
Theo cơ chế này, sự hình thành bùn hạt khởi đầu bằng sự khử nước trên bề mặt tế bào do hoạt động chuyển vị proton. Mô hình này gồm 4 bước (hình 1.10): i - Khử nước trên bề mặt tế
25
bào; ii –Hình thành cụm tế bào; iii- Hình thành hạt bùn hoàn chỉnh; iv –Hạt bùn sau khi đã hoàn chỉnh [170].
Khi nhóm acidogen giải phóng H+ từ tế bào chất đến thành tế bào dẫn đến sự khử nước. Tiếp theo, xảy ra sự khử nước trên bề mặt tế bào do H2O phản ứng với phần mang điện tích âm của màng tế bào. Khi hình thành các cụm tế bào, nhóm acidogen phân hủy các chất hữu cơ cung cấp cơ chất cho nhóm acetogen và methanogen. Nhờ áp suất thủy lực các vi sinh vật tự bám dính vào nhau và xúc tiến bài tiết ECP. Sau khi hình thành cụm tế bào, các thành phần phân tán có thể bám dính vào chúng hình thành nên hạt trưởng thành. ECP bảo vệ hạt bùn, chống lại lực cắt.
Hình 1.10. Mô hình chuyển vị proton và khử nước [170]
c. Mô hình liên kết ion đa hóa trị
Theo cơ chế này, sự hình thành hạt bùn do sự tương tác giữa các vi khuẩn tích điện âm và các ion tích dương (hình 1.11).
Các cation tác động tích cực đến quá trình hình thành hạt bùn bao gồm: Ca2+ [146, 191], Al3+[9, 30, 190], Mg2+ và Fe3+ [103]. Các cation kích thích sự hình thành bùn hạt bằng cách thay đổi điện tích âm trên bề mặt vi sinh vật, kết quả làm thay đổi độ lớn của lực hấp dẫn Van der Waals mà có chức năng là cầu nối giữa các cation và các vi sinh vật [58, 98].
26
Hình 1.11. Mô hình liên kết ion đa hóa trị [170] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.5.4.3. Cơ chế vi sinh vật
Các vi sinh vật kỵ khí có thể bài tiết ECP là chìa khóa trong quá trình hình thành bùn hạt. Các mô hình sau đây mô tả cơ chế liên kết các vi khuẩn để hình thành bùn hạt.
a. Mô hình liên kết ECP
Theo mô hình này, ECP có thể thay đổi điện tích của bề mặt hai tế bào vi sinh vật đứng cạnh nhau nên chúng có thể kết hợp với nhau hoặc kết hợp với hạt nhân trơ (hình 1.12).
Hình 1.12. Mô hình liên kết ECP [98]
Việc tăng OLR đã thúc đẩy chi Methanosarcina phát triển đưa đến việc bài tiết ECP và hình thành các cụm tế bào lớn hơn [37, 98]. ECP có chức năng như một vật liệu bao gói và tạo màng. Giả thuyết rằng ECP trong các hạt bùn được sử dụng để làm cầu nối giữa các tế bào vi sinh vật đứng gần nhau hoặc kết hợp một chất trơ với một tế bào khác theo cơ chế vật lý. Các gen điều khiển quá trình tổng hợp ECP được biểu hiện trước và sau quá trình bám dính vi sinh vật, nghĩa là vi sinh vật đầu tiên tạo ECP sẽ bám dính với các vi sinh vật khác và tiếp tục sản sinh ECP [147].
b. Mô hình Capetown
Người ta cho rằng nhóm methanogen có chức năng sản xuất ECP, dưới điều kiện áp suất H2 cao, các axit amin được bài tiết quá mức kích thích sản xuất ECP. Các vi sinh vật sẽ bị bắt giữ trong mạng lưới ECP dẫn đến khởi tạo hạt bùn. Các vi sinh vật kỵ khí khác có những đặc
27
điểm tương tự như nhóm methanogen và cũng đóng góp vào quá trình hình thành hạt bùn. Hình 1.12 cũng xác định mô hình này tương tự với mô hình liên kết ECP [70, 98, 169].
c. Cơ chế spaghetti
Cơ chế này miêu tả sự hình thành hạt bùn trong hệ thống UASB xử lý nước thải bị axit hóa. Các loài trong chi Methanosaeta có tiêm mao bị các vi sinh vật khác tấn công để hình thành các cụm vi sinh vật. Các vi sinh vật trong các cụm này tự nhân đôi và phát triển thành các quả bóng “spaghetti”. Mật độ tế bào trong cấu trúc quả bóng “spaghetti” cũng tăng và hình thành nên hạt bùn [70, 98].