1. Môi trường
Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong đó các vi khuẩn sinh mêtan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các VK này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện yếm khí tuyệt đối.
2. Nhiệt độ
Trong tự nhiên mêtan được sản sinh ra bởi các vi khuẩn trong một khoảng nhiệt độ rất rộng. Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy yếm khí. Thông thường thì biên độ nhiệt độ sau đây được chú ý đến quá trình sinh khí biogas. (Bảng 2.4)
Bảng 2.7. Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV Nhiệt độ, oC Nhóm VSV Khoảng Tối ưu Ưa lạnh (Psychrophilic) -10-30 15 Ưa ấm (Mesophilic) 20-50 35 Ưa nhiệt (Thermophilic) 45-75 55
Tốc độ sinh khí phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động của nhóm vi khuẩn (Hình 2.2), khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả 2 loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC thì tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí có thể bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65oC.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60 70 Temperature, oC Rate of AD process
Psichrophilic Mesophilic Thermophilic
Hình 2.2. Khoảng nhiệt độ trong phân hủy yếm khí. [18]
Để có thể tăng cường quá trình xử lý, thu về giá trị mêtan cao nhất thì cần phải đảm bảo tốt nhiệt độ tối ưu, trong thực tế người ta thường thực hiện phân hủy yếm khí ở nhiệt độ mesophilic vì sẽ tiêu tốn ít nhiệt cung cấp cho quá trình và chất lượng mêtan tốt hơn do khả năng cầm khí tốt, còn mong muốn thời gian xử lý nhanh thì thường thực hiện ở dải nhiệt độ thermophilic.
3. Độ pH.
pH trong thiết bị nên được điều chỉnh ở mức 6,6 – 7,6, tối ưu trong khoảng 6,8 – 7,2. Mặc dù vi khuẩn tạo axit có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo mêtan lại bị ức chế ở pH này. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các axit béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn mêtan.
Giá trị pH cho một số thông tin về quá trình hoạt động ổn định của thiết bị, sự thay đổi giá trị pH của nó tùy thuộc vào sự biến đổi của môi trường đệm. pH của hệ thống là một cân bằng phức tạp có liên quan tới các cơ chất trong thiết bị như nồng độ bicarbonate (HCO3), axit béo dễ bay hơi (VFA) và amoniac (NH4-N). Sự thay đổi pH liên quan tới sự thay đổi của các thông số này.
4. Chất dinh dưỡng
Tỷ lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó. Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon
Nhiệt độ, 0C T ố c độ sinh khí
nhiều hơn nitơ khoảng 25 – 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 25 - 30 1 là tối ưu. Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dưỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao, ngoài ra cần có những nguyên tố vi lượng cần thết cho sự phát triển và hoạt động của các VSV.
5. Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ. Nhưng đối với các nguyên liệu ủ mà đã có sẵn nhiều VSV và chủng VSV yếm khí như phân lợn đặc biệt là phân bò có nhiều chủng VSV yếm khí thì không cần thiết khuấy trộn.
6. Chất độc và chất kìm hãm
Có một số chất ở nồng độ nhất định sẽ gây kìm hãm hoạt động của vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn mêtan. Những chất này có thể ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí, chúng được coi là độc chất hoặc chất kìm hãm ở một ngưỡng nồng độ xác định. Các chất chủ yếu là VFA, pH, NH3 tự do và H2S.
Axit béo bay hơi không phân ly ion
VFA là hợp chất quan trọng trong phân hủy yếm khí chất hữu cơ. Các thành phần không phân ly được xác định là độc hơn vì chúng có thể khuếch tán dễ hơn vào bên trong tế bào. Do đó, pH cùng với độ kiềm gây ra ảnh hưởng nhất định đến VFA và ngưỡng giới hạn phụ thuộc vào các thông số này. Trong số các VFA, axit propionic và butyric là những chất kìm hãm chính. Theo Boone và Xuni (1987) nồng độ axit propionic vượt quá 3000 mg/L sẽ gây độc và hỏng quá trình phân hủy.
Cũng theo Vavilin [35], sự khuếch tán và đối lưu VFA kìm hãm cả quá trình thủy phân hợp chất cao phân tử và sự sinh mêtan. Sự gia tăng tốc độ thủy phân ban đầu trên giá trị tới hạn sẽ gây kìm hãm, trước hết là quá trình sinh mêtan rồi đến thủy phân. Sự giảm tốc độ mêtan hóa ban đầu dưới giá trị tới hạn cũng gây ảnh hưởng
tương tự. Theo Veeken [36] sự tích tụ VFA trong giai đoạn axit hóa sẽ giảm thiểu tốc độ thủy phân chất phân hủy sinh học do tính kìm hãm của VFA.
Amoni
Amoni là một thành phần cần thiết trong dinh dưỡng nhưng ở một số nồng độ sẽ kìm hãm quá trình mêtan hóa. Tương tự, pH cũng có ảnh hưởng đến các mức giới hạn. Lý do cũng giống trường hợp của VFA, trong đó các thành phần độc là không phân ly. Đối với CTR-HC và hệ thống lên men khô ở nhiệt độ thermophilic, các nghiên cứu thí nghiệm trong thời gian dài trên quy mô pilot đã chỉ ra rằng sự kìm hãm của amoni xuất hiện ở nồng độ 1200 mg/L [15]. Để khắc phục vấn đề này có thể sử dụng hai cách sau: (1) pha loãng lượng chất phân hủy bằng nước thải phù hợp và (2) điều chỉnh tỉ lệ C/N của nguyên liệu [18]. Nồng độ đó của NH4+-N cũng giảm tốc độ sinh biogas, điều này đã được chứng minh rõ ràng trong giai đoạn hai của quá trình lên men chất thải hữu cơ [36]. Điều này cũng được khẳng định bởi Lay [16], theo đó sự sản sinh mêtan phụ thuộc vào lượng amoni (NH4+), nhưng không phụ thuộc vào amoni tự do (NH3), tức là NH4+là yếu tốảnh hưởng đáng kể hơn NH3 trong quá trình sản sinh mêtan.
Ion kim loại tồn tại ở mức vết là dinh dưỡng thiết yếu cho VSV. Tuy nhiên, nồng độ ion kim loại cao trong môi trường yếm khí có thể gây tác dụng như chất kìm hãm. Nồng độ kim loại nặng lớn hơn 1 mg/L và nồng độ kim loại nhóm II lớn hơn 5-8 g/L có thể gây độc [18]. Các giá trị này dao động ở các trường hợp khác nhau vì chúng phụ thuộc vào các nhân tố môi trường.
7. Nước trong hỗn hợp xử lý
Nước là một trong những yếu tố góp phần làm chậm tốc độ phân hủy yếm khí đối với chất thải nồng độ rắn cao. Độ ẩm (MC) của chất thải hữu cơ đem xử lý phải được xác định, đặc biệt nếu quá trình phân hủy là quá trình khô. Trong phân hủy yếm khí, việc thêm nước là cần thiết để duy trì hoạt động tối ưu của vi khuẩn. Bổ sung nước trong quá trình lên men yếm khí sẽ phụ thuộc vào đặc tính của chất thải hữu cơ và loại quá trình yếm khí sử dụng.
Trong quá trình phân hủy thường sử dùng nồng độ chất rắn để biểu đạt nước trong hỗn hợp đem xử lý. Nồng độ rắn dao động từ 5 đến 8% thường được xem xét vì ở giá trị này, quá trình khuấy trộn dễ dàng hơn. Tuy nhiên, quá trình có thể vận hành tốt ở nồng độ rắn cao hơn, lên tới 30-35%. Hai dải nồng độ rắn này áp dụng lần lượt đối với quá trình khô và ướt.
8. Độ kiềm
Độ kiềm là khả năng trung hòa axit của môi trường. Đó là khả năng chống lại sự thay đổi pH gây bởi các axit gia tăng trong môi trường. Nó là kết quả sự có mặt của các hydroxide, carbonat, bicarbonats của các nguyên tố natri, kali hoặc amoni. Giá trị điển hình của độ kiềm trong phân hủy yếm khí nằm trong phạm vi 2000-4000 mg CaCO3/L.
Thông số này đặc biệt quan trọng trong việc kiểm soát sựổn định của quá trình phân hủy yếm khí. VSV mêtan hóa có mức độ phát triển chậm. Nồng độ các axit béo sẽ tăng và làm pH giảm. Vì vậy độ kiềm của hệ thống trở nên đặc biệt quan trọng vì nó đại diện cho khả năng đệm của hệ thống. Khả năng đệm trong phân hủy yếm khí là nhờ sự hiện diện của amoni từ sự phân rã protein và HCO3- từ quá trình hòa tan CO2 vào pha lỏng.
9. Axit béo bay hơi (VFA)
VFA thường được coi là thông số ổn định của quá trình phân hủy yếm khí. Bolzonella [1]chỉ ra rằng nồng độ VFA là một thông số tốt để đánh giá sự biến động của các điều kiện ổn định. Nồng độ axit béo bay hơi và thước đo gián tiếp của nó, độ kiềm ở pH = 4, là thông số kiểm soát tốt nhất. Các thông số ổn định quan trọng nhất là nồng độ VFA, độ kiềm (ở pH = 4), tốc độ sinh khí, nồng độ mêtan, độ kiềm ở pH = 6 và cuối cùng là pH.