Hình 3.1. Các giai đoạn phân hủy kỵ khí Trong đó, các phản ứng hóa học chính bao gồm:
Cao p.tử CO2 + H2 + CH3COO- + C2H5COOH + C3H8COOH CH3COO- + H2O CH4 +HCO3- + Q
4H2 + HCO3- +H2O CH4 + H2O + Q
Để thực hiện các quá trình trên 2 nhóm vi khuẩn cần thiết cho phân hủy kị khí thường hiện diện là Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí metan. Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể Biogas tùy thuộc loại cơ chất sử dụng và điều kiện nhiệt độ.
Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose:
Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử. Chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Chúng biến dưỡng trong điều kiện yếm khí cho ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine. Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí metan.
Nhóm vi khuẩn sinh khí metan:
Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định. Do đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan. Có như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng CO2 đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon.
Trong quá trình lên men kỵ khí các loài vi sinh vật gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng... Mức độ tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100% (đối với Myobacterium: thời gian lưu trong bể biogas từ 6-20 ngày).Việc thống kê 2 nhóm vi khuẩn trên là cơ sở cho việc lựa chọn các chế phẩm sinh học tham gia xử lý nước thải với mục tiêu tăng tải trọng và thu hồi hiệu quả hàm lượng khí sinh học.
Quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ chia làm 4 giai đoạn
3.1.1 Giai đoạn thủy phân
Trong bước này, các chất hữu cơ phức tạp được chuyển hoá thành những hợp chất hoà tan đơn giản có khối lượng phân tử nhỏ. Quá trình này có sự tham gia của chất xúc tác sinh học tiết ra bởi vi khuẩn lên men, thường diễn ra chậm và COD trong quá trình này hầu như không thay đổi. Proteins bị phân hủy thành amino acids, carbonhydrates được chuyển hoá thành đường hoà tan (monosaccharides và disaccharides) và lipids được chuyển hóa thành acid béo mạch dài và glyderine.
Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
3.1.2 Giai đoạn axit hóa
Những hợp chất hoà tan tạo ra trong bước thủy phân, được vi khuẩn lên men sử dụng, và sau khi acid hoá tạo thành những hợp chất hữu cơ đơn giản như acid béo bay hơi, alcohol, lactic acid, và những hợp chất vô cơ như khí CO2, hydrogen, ammonia và hydrogen sulphide. Các sản phẩm chính trong quá trình này là:
Acid formic HCOOH.
Acid acetic CH3COOH.
Acid propionic CH3CH2COOH.
Acid iso – butylic CH3CH2CH2COOH.
Acid iso – valeric CH3CH2CH2CH2COOH.
Thành phần và tỷ lệ những sản phẩm này phụ thuộc vào cấu tạo và thành phần chất hữu cơ đầu vào. Quá trình này cũng được diễn ra nhanh chóng. Khi khí H2
được sinh ra (với điều kiện bùn được tích lũy trong hệ thống), nồng độ COD giảm nhẹ, thông thường nhỏ hơn 10%. Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống 4.
3.1.3 Giai đoạn acetat hóa
Sản phẩm acid hoá bị chuyển hoá thành sản phẩm cuối cùng: acetate, hydrogen, và carbon dioxide. Khoảng 70% COD hiện diện trong dòng vào bị chuyển hoá thành acid acetic và phần còn lại là chất nhường điện tử hydrogen. Tuỳ thuộc vào trạng thái oxy hoá của chất hữu cơ ban đầu, sự hình thành acetic acid có thể theo sau bởi sự hình thành carbon dioxide hoặc hydrogen. Điều này có thể thấy từ những phương trình sau đây :
Khi y<2z :
CxHyOz + 14(4x – y – 2z) H2O18 (4x + y – 2z) CH3COOH + (2z – y) CO2 Khi y>2z:
CxHyOz + (x –z) H2O x2CH3COOH + 12 (y – 2z) H2
Trong hỗn hợp chất ô nhiễm hữu cơ, cả hai quá trình trên có thể xảy ra đồng thời nhưng thông thường hydrogen hình thành nhiều hơn CO2. Do đó, sự chuyển hoá chất hữu cơ dòng vào thành acetic acid thường theo sau là sự hình thành hydrogen.
3.1.4 Giai đoạn metan hóa
Methane hóa là giai đoạn cuối cùng trong toàn bộ quá trình phân hủy, tiếp tục chuyển hoá những thành phần đã được tạo ra trước đó (hydrogen, acid formic, methanol, methylamine, và acid acetic) theo các phương trình sau:
Hydrogen: 4 H2 + HCO3- CH4 + 3 H2O - 136 kJ
Acid formic: 4 HCOO- + H+ + H2O CH4 + 3 HCO3- - 130 kJ Methanol: 4 CH3OH 3 CH4 + HCO3- + H+ + H2O - 105 kJ
+ - + +
Phương trình thứ 1 (sinh CH4 từ H2) tạo ra enthalpy lớn hơn so với phương trình thứ 5 (sinh CH4 từ CH3COO-). Do đó, vi khuẩn sinh methane từ hydrogen phát triển mạnh hơn vi khuẩn sinh methane từ acetate.
Methane được tạo ra từ acetate (vi khuẩn acetotrophic) hoặc từ sự khử carbon dioxide bởi hydrogen (vi khuẩn hydrogenotrophic). Khí methane được giải phóng khỏi dung dịch, vì thế nồng độ COD giảm đáng kể, từ 70 – 95 %. HCO3- trong dung dịch ở trạng thái cân bằng với khí CO2 (phụ thuộc vào pH), do đó khí biogas sinh ra có chứa CH4 và CO2 (thông thường 70 – 90 % CH4 và 10 – 30 % CO2).
Những nhóm vi khuẩn khác nhau trong quá trình chuyển hoá chất hữu cơ dòng vào sử dụng hoạt tính đồng hoá và dị hoá. Do đó, song song với việc tạo ra những sản phẩm lên men khác nhau, sinh khối mới được hình thành kết hợp với bốn quá trình đã nêu ở trên. Để thuận tiện, ba quá trình đầu đôi khi được gộp lại với nhau và gọi là lên men acid, trong khi đó quá trình thứ tư gọi là lên men methane.
Hai điểm quan trọng đối với các giai đoạn khác nhau diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ khí là:
1) Khử chất hữu cơ – COD trong giai đoạn lên men acid bị giới hạn vào việc giải phóng khí H2. Chỉ có khoảng 30% chất hữu cơ chuyển hóa thành khí CH4 theo con đường hydrogenotrophic. Do đó, điều kiện cần thiết để khử chất hữu cơ hiệu quả trong hệ thống xử lý kỵ khí là hàm lượng Acetotrophic methanogen phát triển đầy đủ.
2) Quá trình lên men acid có xu hường gây ra sự giảm pH do việc tạo thành acid béo bay hơi và những chất trung gian có khả năng phân ly tạo ra ion H+. Do vi khuẩn methane chỉ phát triển tốt ở pH trung tính, sự không ổn định sẽ gia tăng nếu vì lý do nào đó, tốc độ tạo ra khí methane từ acid nhỏ hơn tốc độ tạo acid: việc
kém hiệu quả. Sự cố lên men chua có thể tránh được bằng cách duy trì sự cân bằng hợp lý giữa lên men acid và methane, có nghĩa là khả năng phân hủy methane vả khả năng đệm của hệ thống phải đủ cao.
Trong công trình xử lý kị khí cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng:
Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt.
Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn.
Khi 2 yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kị khí có thể áp dụng tải trọng rất cao.
3.2 CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ