Xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp yếm khí

a) Cơ sở lý thuyết

Quá trình xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp yếm khí dựa trên khả năng phân hủy các chất ô nhiễm trong điều kiện không có ôxy của các vi khuẩn hô hấp yếm khí và tùy tiện.

Cơ chế của quá trình phân giải yếm khí gồm 3 giai đoạn nhƣ sau: - Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân.

Dƣới tác dụng của các enzim hydrolaza của VSV, các hợp chất hữu cơ phức tạp nhƣ gluxit, lipit, protein… đƣợc phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản hơn, dễ tan trong nƣớc nhƣ đƣờng, peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin….

Gluxit enzim tuongung

Glucoza, axit galacturonic, pentoza… Protein  proteaza

peptit peptidaza

Triglyxerit lipaza 

Glyxerin + axit béo - Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men các axit hữu cơ.

Các sản phẩm thủy phân sẽ đƣợc phân giải yếm khí tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lƣợng nhỏ hơn nhƣ axit butyric, axit propionic, axit axetic, axit foocmic tiền đê của quá trình tạo khí mê tan. Ngoài ra, quá trình này cũng tạo thành các rƣợu tƣơng ứng, andehyt và các chất khí nhƣ: CO2, H2, NH3, H2S…. Trong giai đoạn này một phần gốc amin đƣợc VSV sử dụng cho sự sinh trƣởng, một phần đƣợc vô cơ hóa thành NH4, do tạo nhiều axit hữu cơ nên pH ở giai đoạn này giảm mạnh.

- Giai đoạn 3: Giai đoạn sinh khí mêtan .

Dƣới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính…. bị phân giải tạo khí mêtan.

Sự hình thành khí mêtan thƣờng theo 2 cơ chế sau :

- Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính tạo 70% khí mêtan CH3COOH VK CH4 CH4 + H2O 4CH3CH2COOH + 2H2O VK CH4 7CH4 +5 CO2 2CH3 (CH2 )2COOH + 2H2O VK CH4 5CH4 +3CO2 CH3COCH3 + H2O VK CH4 2CH4 + CO2 - Khử CO2 tạo ra 30% khí mêtan + Khử bằng phản ứng ôxy hóa khử: CO2 + 8H+ VK CH4 CH4 + 2H2O + Khử bằng H2: CO2 + 4H2 VK CH4 CH4 + 2H2O b) Tác nhân sinh học

Trong phân giải yếm khí các quá trình thủy phân và lên men xẩy ra dƣới tác dụng của nhiều loại vi khuẩn khác nhau. Thành phần của khu hệ sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất các chất có trong nƣớc thải.

Tác nhân sinh học của giai đoạn 1 và giai đoạn 2 là các vi khuẩn hô hấp yếm khí hoặc hô hấp tuỳ tiện thuộc các nhóm: Bacillus, Pseudomonas, Proteus, Micrococus, Clostridum….

Tác nhân sinh học của giai đoạn tạo khí metan là vi khuẩn metan hóa, bao gồm 2 nhóm chính:

- Nhóm ƣa ấm (Mesophyl, lên men tạo CH4 ở nhiệt độ 35  370C): + Methanobacterium.

+ Methanococus. + Methanosarcina.

- Nhóm ƣa nóng (Thermophyl, lên men tạo CH4 ở 55  600C): + Methanobacillus

+ Methanospirillium + Methanothrix

c) Động học của quá trình yếm khí

- Giai đoạn thủy phân: Tốc độ tăng trƣởng của vi sinh vật: rg = Kh B s x B s X X K X X / /

Trong đó: Kh: Hệ số thủy phân.

Xs: Nồng độ các chất rắn lơ lửng.

XB: Nồng độ sinh khối vi sinh vật, mg/l.

Kx: Hệ số bán bảo hòa của qúa trình thủy phân. - Giai đoạn lên men axit (axits hóa):

rg = μXB, S = μmax S K S S  XB, S

Trong đó: S: Nồng độ cơ chất dƣới dạng các chất hữu cơ hòa tan, mg/l. KS: Hằng số bán bảo hòa đối với cơ chất S.

XB, S: Nồng độ sinh khối của vi khuẩn tạo axit. - Giai đoạn metan hóa:

rg = μXB, M = μmax M S K S S ,  XB, M

Trong đó: S: Nồng độ các axit hữu cơ, mg/.

KS, M: Hằng số bán bảo hòa đối với cơ chất S. XB, M: Nồng độ sinh khối của vi khuẩn tạo Metan. - Xác định thể tích của bể yếm khí: V = 1 2 1 2 2 2 t V t V V   V: Thể tích bể tiêu hủy.

V1: Lƣu lƣợng bùn thô nạp vào bể, m3/ngày. V2: Lƣu lƣợng bùn giữ trong bể, m3/ngày. t1: Thời gian tiêu hủy, ngày.

T2: Thời gian bùn lƣu giữ lại trong bể, ngày.

d) Các yếu tố ảnh hưởng

- Nhiệt độ: (Biểu thức sự phụ thuộc của nhiệt độ đến quá trình sinh học yếm khí cũng giống nhƣ quá trình hiếu khí).

Nhiệt độ là yếu tố quyết định đến hiệu quả thu khí CH4.

Nhiệt độ tối ƣu cho hình thành khí metan với các vi khuẩn ƣa ấm là: 35  370C [9].

Nhiệt độ lớn hơn 370C thì vi khuẩn ƣa nhiệt hoạt động mạnh, tốc độ sinh khí tăng nhƣng khả năng cầm khí giảm, do đó tổng số khí tạo đƣợc trên một đơn vị nguyên liệu giảm.

- Độ pH:

Trong xử lý yếm khí pH biến động và phụ thuộc vào từng giai đoạn của quá trình. Ở giai đoạn thủy phân và lên men các axit hữu cơ thƣờng có pH ≤ 4 là điều kiện thuận lợi cho các vi khuẩn hoạt động. Ngƣợc lại, độ pH thích hợp cho các vi khuẩn sinh khí metan ở giai đoạn 3 từ 6,5 - 8,5. Độ pH là yếu tố quyết định hiểu quả thu biogas.

- Tỷ lệ C/N:

Tỷ lệ C/N tối ƣu cho quá trình là 30/1 trong điều kiện yếm khí, các vi khuẩn phát triển rất chậm hơn nữa Nitơ là nguyên liệu để tổng hợp nên sinh khối do đó nhu cầu sử dụng Nitơ là rất thấp.

Nếu thiếu N (C/N > 30/1) dẫn đến quá trình tạo sinh khối kém, dẫn đến thiếu sinh khối làm thời gian lƣu kéo dài.

Nếu dƣ N (C/N < 30/1) thì hàm lƣợng NH4+

lớn, nên pH thấp sẽ ức chế vi sinh vật, hoạt lực vi khuẩn metan hóa giảm làm cho pH càng giảm dẫn đến hiệu quả quá trình thấp.

Tỷ lệ N/P = 7/1.

- Thời gian lƣu và đặc tính nguyên liệu:

Thời gian lƣu phụ thuộc chủ yếu vào hàm lƣợng và bản chất nguyên liệu khó hay dễ phân hủy sinh học và hoạt lực của vi sinh vật. Nếu nguyên liệu chứa nhiều ligin thƣờng khó phân hủy nên thời gian lƣu sẽ phải kéo dài.

Thời gian lƣu thủy lực đối với bể UASB, khi nhiệt độ 22 – 26 0C đối với nƣớc thải đô thị thì trung bình HRT = 7 - 9 h, tối ƣu = 5 - 7h.

Tuổi của bùn hay thời gian lƣu bùn, SRT = 12 - 15 ngày. - Các chất độc (không khí và độc tố):

Thiết bị xử lý yếm khí phải đảm bảo kín vì vi sinh vật sinh khí mê tan rất mẫn cảm với với oxy. Nếu trong môi trƣờng có chứa các chất độc hại sẽ ảnh hƣởng đến quá trình sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật nhƣ các kim loại nặng với hàm lƣợng cao.

- Ảnh hƣởng của mức độ khuấy trộn:

Khuấy trộn tăng tiếp xúc pha giữa vi sinh vật và cơ chất, tăng tốc độ chuyển khối và tốc độ phân hủy chất bẩn. Thƣờng phải tồn tại tầng bùn, cấu trúc dòng phải đảm bảo giữ tầng bùn ở trạng thái lơ lửng trong bể, với UASB tốc độ dòng từ 0,6 - 0,9 m/h.

e) Dạng xử lý yếm khí sử dụng

Thiết bị yếm khí sử dụng trong mô hình là thiết bị có khuấy trộn, dạng UASB (Upflow Anarobic Sludge Blanket). Thiết bị này có nhiều dạng khác nhau có thể có giá thể (đệm) để vi sinh vật bám dính cũng có thể không có đệm (vi sinh vật ở trạng thái lơ lửng, chuyển động). Tuy nhiên, nguyên tắc chung của thiết bị này là dòng thải đƣợc đi vào từ dƣới chảy qua lớp vi sinh vật kỵ khí và đi ra ở phía trên của thiết bị. Thông thƣờng thiết bị này đƣợc áp dụng để xử lý các loại nƣớc thải có chứa hàm lƣợng chất ô nhiễm cao đến rất cao (COD > 3000mg/l) và thu hồi khí sinh học (biogas). Hiệu suất xử lý COD của thiết bị này có thể đạt > 75% tùy thuộc vào từng loại nƣớc thải, thời gian lƣu….

Đối với nƣớc rỉ rác phƣơng pháp này cũng đã đƣợc áp dụng nhiều trên thế giới và ngay cả Việt Nam, hiệu quả đạt đƣợc cũng rất cao, hiệu xuất khử COD có thể đạt 81% (COD vào = 1430 - 3810mg/l) với thời gian lƣu 46h trong hệ thống UASB [22].