6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
2.2.1Phương pháp xử lý sinh học kị khí
Sự phân hủy kị khí cĩ thể được định nghĩa là sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện khơng cĩ mặt của oxy. Quá trình phân hủy kị khí là quá trình bao gồm nhiều phản ứng sinh hĩa phức tạp phân huỷ các chất hữu cơ, tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian.
Sự phân hủy kị khí của các hợp chất hữu cơ cĩ thể được chia làm 6 quá trình:
• Quá trình thủy phân các polymer: - Thủy phân protein
- Thủy phân các polysaccharide - Thủy phân các chất béo
• Lên men các amino acid và các đường.
• Oxy hĩa kị khí các acid béo và alcohol.
• Oxy hĩa kị khí các acid béo bay hơi (trừ acetic).
• Tạo thành metan từ hydro và carbon dioxide. Các quá trình này cĩ thể nhĩm lại thành 4 giai đoạn như sau:
Giai đoạn thủy phân
Các vi khuẩn tiết ra các loại enzym để chuyển các chất hữu cơ phức tạp và các chất khơng tan (như: polysaccharide, lipit…) thành các chất hịa tan đơn giản cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn hoặc chất hịa tan. Trong giai đọan này, các protein được chuyển thành amino acid, carbonhydrat được chuyển thành đường hịa tan, lipids chuyển thành các acid mạch dài và glycerin.
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.
Giai đoạn acid hĩa
Các loại vi sinh vật lên men chuyển hĩa các chất hịa tan thành các chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohol, acid lactic, metanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid cĩ thể làm pH giảm xuống 4.0. Giai đoạn này được thực hiện chủ yếu do vi khuẩn kị khí bắt buộc.
Các amino acid được phân hủy tạo thành NH3 là một hợp chất rất quan trọng trong quá trình phân hủy kị khí. Ở nồng độ thấp nĩ cần thiết cho quá trình phát triển của vi khuẩn. Ở nồng độ cao nĩ rất độc đối với vi khuẩn metan hĩa.
Giai đoạn acetic
Dưới tác dụng của vi khuẩn acetic, các sản phẩm của quá trình acid hĩa được chuyển hĩa thành acetat và H2, CO2 và sinh khối mới.
Các vi khuẩn acetat hĩa trở nên bị ức chế ở nồng độ H2 cao. Sự ức chế này cĩ thể đưa đến sự tích lũy các acid. Tốc độ phân huỷ acid acetic giảm cĩ thể làm giảm pH bởi vì các vi khuẩn metan hĩa sử dụng acetat phát triển rất chậm nên acid acetic cĩ thể tích lũy sau khi tải trọng tăng đột biến.
Giai đoạn metan hĩa
Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kị khí. Vi sinh vật metan chuyển hĩa acid acetic, H2, CO2, acid formic và metanol thành metan, CO2 và sinh khối mới. Vi sinh vật metan gồm 2 loại chính:
Vi sinh biến đổi acetat Vi sinh biến đổi hydrogen
Nĩi chung 70-80% metan được tạo thành từ acetat. Vi khuẩn tạo metan từ acetat cĩ tốc độ phát triển tương đối chậm. Đây là lý do chính tại sao quá trình phân huỷ kị khí địi hỏi thời gian lưu sinh khối cao.
Vi khuẩn tạo metan từ CO2 và H2 cĩ tốc độ phát triển nhanh hơn vi khuẩn tạo metan từ acetat. Một sự tăng nhẹ nồng độ hydro sẽ đưa đến các sản phẩm khác nhau của vi khuẩn tạo acid.
Sự hiện diện của các chất nhận điện tử như là nitrat hoặc sunfat cĩ thể ức chế giai đoạn tạo metan bởi vì các vi khuẩn làm giảm sunfat cĩ thể cạnh tranh trội hơn các vi khuẩn tạo metan.
Các phương trình phản ứng xảy ra như sau: 4H2 + CO2→ CH4 + 2H2O
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH → CH4 + CO2
4 CH3OH → 3CH4 + CO2 + H2O
4(CH3)3N + H2O → 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Trong 3 giai đoạn thủy phân, acid hĩa và acetic hĩa, COD trong dung dịch hầu như khơng giảm, COD chỉ giảm trong quá trình metan hĩa.
Các yếu tố của nước rác cĩ ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí:
• pH:
Thơng thường các vi sinh vật kị khí cĩ thể thích nghi với một khoảng pH tương đối rộng, tuy nhiên những biến đổi pH đột ngột cĩ thể gây tổn thương cho màng lasma hoặc ức chế hoạt động của các enzym và các protein cĩ chức năng vận chuyển qua màng vi sinh. Các vi khuẩn cĩ thể chết nếu pH nội bào giảm xa dưới 5. Ngồi ra, những biến thiên pH trong mơi trường bên ngồi làm thay đổi mức ion hĩa của các chất dinh dưỡng và làm cho các vi khuẩn sẽ thiếu các chất này. Giá trị của pH sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện kị khí. Các vi sinh vật kị khí sẽ phân huỷ chất hữu cơ tốt ở pH trung tính. Trong quá trình nếu pH thấp hơn 6.3 và cao hơn 7.8 tốc độ phân hủy thành metan giảm. Giá trị pH tối ưu cho quá trình hình thành metan là từ 6.4 đến 7.5. Khoảng pH chính xác khơng thể cho trước, vì trong một vài trường hợp giá trị pH cĩ thể dao động rộng. Tuy nhiên, khi pH dưới 6.0, sự phân hủy hình thành metan hầu như là khơng thể diễn ra. Chỉ cĩ metan sinh ra trực tiếp từ metanol mới cĩ khoảng pH dao động rộng hơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ảnh hưởng của pH lên sự tạo thành metan cĩ liên quan đến nồng độ của các acid béo bay hơi. Các dạng phi ion của các acid này rất độc cho quá trình hình thành metan.
Giá trị pH thấp gây ra các tác động gián tiếp: một vài protein bị biến đổi tại pH thấp. Những protein bị biến đổi này rất khĩ bị phân hủy và làm cho hệ số sinh bùn cao làm bùn bị trơi ra ngồi bể phản ứng (khi lượng protein này lớn).
Giá trị pH cao ít nguy hiểm hơn là pH thấp. Khi pH cao, quá trình hình thành metan làm cho pH trở lại khoảng giá trị thích hợp. Thậm chí khi pH = 10.6, quá trình tạo thành metan cũng cĩ thể làm cho khoảng pH về lại 6.5 – 7.5.
Nước ép rác tại trạm trung chuyển cĩ pH nghiêng về tính axit. Do đĩ, để quá trình xử lý lọc sinh học kị khí đạt hiệu quả cao, cần đưa pH về gần khoảng trung tính.
• Độc tính của NH3 và NH4+
Trong mơi trường nước, ammonia cĩ thể tồn tại dưới dạng ion ammonium (NH4+) hoặc dưới dạng khí amoniac hịa tan (NH3), phụ thuộc vào giá trị pH theo phương trình cân bằng sau:
NH4+↔ NH3 + H+ pKa =9.27 ở 350C
Như vậy, việc xác định độc tính hay ức chế của ammonia đối với các vi sinh vật cần phải dựa trên khơng những tổng hàm lượng ammonia mà phải tính đến hàm lượng từng thành phần, các ion ammonia NH4+ cũng như NH3 tự do (Kroeker et al., 1979). Điều này quan trọng vì khơng những NH3 tự do cĩ độc tính cao đối với các vi sinh vật mà ngay các NH4+ cũng cĩ khả năng gây ức chế đối với các vi sinh vật metan của quá trình kị khí (De Baere et al., 1984; McCarty, 1964; và Van Velsen, 1979). NH3 tự do cĩ tác dụng ức chế cao hơn nhiều so với NH4+ đối với khả năng sinh metan. Tuy nhiên, các vi sinh vật kị khí vẫn cĩ khả năng sinh metan khi cĩ mặt NH3 với một hàm lượng đặc thù sau một thời gian thích nghi tương đối.
Thời gian trễ pha (lag – phase) là khoảng thời gian cần thiết để các vi khuẩn thích nghi với các cơ chất đặc thù và các điều kiện mơi trường của quá trình. Lay và những người khác (1996, 1997) đã nghiên cứu sự trễ pha với các pH khác nhau và các hàm lượng NH4+ khác nhau. Với mỗi giá trị pH, thời gian trễ pha tăng khi hàm lượng NH4+ tăng lên, nhưng khơng thấy một quan hệ định lượng rõ ràng nào giữa hàm lượng NH4+ và thời gian trễ pha. Nhưng khi xây dựng đồ thị mối tương quan giữa thời gian trễ pha và hàm lượng NH3 tự do, các tác giả đã quan sát được một quy luật xác định. Như vậy, cĩ thể thấy là NH3 tự do ảnh
hưởng mạnh đến thời gian trễ pha, cịn NH4+ cĩ độc tính với các vi khuẩn sinh metan.
• Ảnh hưởng của hàm lượng Ca2+
Bản thân canxi là một nguyên tố cần thiết cho sự phát triển của vi khuẩn, kể cả hiếu khí và kị khí. Tuy nhiên trong trường hợp nước thải cĩ hàm lượng Ca cao (từ khoảng 250mg/l trở lên như với nước rác), cĩ hiện tượng các muối CaCO3
hay (Ca)3(PO4)2 kết tủa.
Sự tạo thành các muối canxi, bao gồm carbonat, photphat hay polyphotphat trong thiết bị kị khí thường dẫn đến nhiều vấn đề, chẳng hạn:
- Đĩng cặn trên thành bể phản ứng và đường ống
- Làm mất tính đệm của mơi trường sinh hĩa trong bể kị khí
- Giảm hiệu quả do bùn bị rửa trơi và đặc biệt là là mất hoạt tính metan hĩa đặc thù của sinh khối kị khí.
- Mất khơng gian thiết bị do bị kết tủa vơ cơ chiếm chỗ.
• Ảnh hưởng của kim loại nặng:
Kim loại nặng gây ra những tác động tiêu cực cho hệ vi sinh vật kị khí. Người ta cũng đã xác định được tính độc lên hệ vi sinh này như sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni. Giới hạn nồng độ của kim loại này cho phép lên vi sinh là:
Cr: 690 mg/l, Cu:500 mg/l, Pb: 900 mg/l, Zn: 690 mg/l, Ni: 73 mg/l.
• Ảnh hưởng của nồng độ muối:
Nồng độ muối là một yếu tố ảnh hưởng đáng kể trên quần thể vi khuẩn tạo metan. Từ 5000 mg/l đến 15000 mg/l thì cĩ thể coi là độc đối với quần thể vi khuẩn metan. Nồng độ muối gây độc và tác động của từng loại muối lên quá trình phân hủy kị khí tuỳ thuộc vào bản chất của từng loại muối.
2.2.1.1 Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng
Bể xử lý bằng lớp bùn kị khí với dịng nước đi từ dưới lên (UASB)
Hiện nay hệ thống xử lý kị khí bằng bể UASB (Upflow anaerobic Sludge Blanket) là hệ thống phổ biến trong xử lý nước rác. Bể UASB cĩ những đặc điểm sau:
• Về cấu trúc: bể UASB là một bể xử lý với lớp bùn dưới đáy, cĩ hệ thống tách và thu khí, nước ra ở phía trên. Khi nước thải được phân phối từ phía dưới lên sẽ đi qua lớp bùn, các vi sinh vật kị khí cĩ mật độ cao trong bùn sẽ phân huỷ
các chất hữu cơ cĩ trong nước thải. Bên trong bể UASB cĩ các tấm chắn cĩ khả năng tách bùn bị lơi kéo theo nước đầu ra.
• Về đặc điểm: Cả ba quá trình phân hủy – lắng bùn – tách khí được lắp đặt trong cùng một cơng trình. Sau khi hoạt động ổn định trong bể UASB hình thành loại bùn hạt cĩ mật độ vi sinh vật rất cao, hoạt tính mạnh và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Ưu điểm của bể UASB: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Ít tiêu tốn năng lượng vận hành.
• Cĩ khả năng xử lý với tải trọng cao hơn nhiều so với phương pháp sử dụng bùn hoạt tính
• Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn.
• Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng.
• Cĩ thể tận dụng nguồn năng lượng từ khí metan sinh ra. Nhược điểm của bể UASB:
• Thời gian thích nghi dài (1-3 tháng). Pha nghỉ cũng kéo dài.
• Vận hành phức tạp, các điều kiện nước thải đầu vào khắt khe hơn so với bể xử lý bằng bùn hoạt tính.
• Chi phí đầu tư xây dựng ban đầu thường cao hơn nhiều so với bể xử lý bằng bùn hoạt tính.
Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc
Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn được trộn đều bằng các phương tiện khuấy trộn. Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hồn tồn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng để tách riêng bùn và nước. Bùn tuần hồn trở lại bể kị khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm. Bể phản ứng tiếp xúc thực sự là một bể biogas cải tiến với cánh khuấy tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp xúc với các chất ơ nhiễm trong nước thải. So với bể UASB, bể phản ứng yếm khí tiếp xúc cĩ chi phí xây dựng thấp hơn, tuy vậy cần phải xây dựng thêm bể lắng và phải hồn lưu bùn. Vấn đề vận hành bể yếm khí tiếp xúc đơn giản hơn.
2.2.1.2 Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám
Bể lọc kị khí
Bể lọc kị khí là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ chứa nhiều cacbon trong nước thải. Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên hoặc từ trên xuống, tiếp xúc với lớp vật liệu trên đĩ cĩ vi sinh vật kị khí sinh trưởng và phát triển. Vì vi sinh vật được giữ trên bề mặt vật liệu tiếp xúc và khơng bị rửa trơi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu của tế bào sinh vật rất cao (khoảng 100 ngày), mật độ vi sinh vật tập trung lớn.
Ưu điểm của bể lọc kị khí:
• Bể lọc kị khí cĩ khả năng chịu sốc tải lớn, thích nghi nhanh.
• Pha nghỉ chiếm thời gian ngắn.
• Vi sinh vật thích nghi nhanh chĩng trong giai đoạn khởi động,
• Cĩ khả năng giảm hàm lượng hữu cơ xuống mức rất thấp.
• Giảm diện tích lắp đặt, cấu tạo đơn giản.
• Vận hành đơn giản. Nhược điểm của bể lọc kị khí:
• Chi phí xây dựng khá cao (do giá thành của các giá thể).
• Tải trọng hữu cơ (kg/m3.ngđ) thấp hơn.
Một số kết quả nghiên cứu xử lý nước rác bằng quá trình sinh học kị khí được trình bày ở bảng 2.3:
Bảng 2.3 Một số kết quả xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học kị khí
COD vào,
mg/l BOD5/COD xử lý (%)Hiệu quả HRT,ngày Nguồn
10.000 0,79 93 10 Boyle & Ham (1974) 12.900 0,45 92 10 Foree & Reid (1972) 16.500 0,62 99 15 Karr (1972)
5.500 0,78 93 10 Karr (1972) 1.300 0,81 87 12 Rodgers (1973) 30.000 0,65 97 27 Chian & DeWalle (1976)
(Nguồn: [12])
Các nghiên cứu cho thấy rằng nước rác mới từ các bãi chơn lấp sau khi xử lý kị khí cĩ tính chất tương tự nước rác từ bãi chơn lấp sau một thời gian đĩng cửa, thể hiện qua tỷ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lệ BOD/COD giảm đáng kể. Điều này chứng tỏ quá trình sinh học kị khí cĩ hiệu quả rất tốt khi được sử dụng để xử lý nước rác mới cĩ nồng độ chất hữu cơ cao, đặc biệt là nước ép rác tại các trạm trung chuyển.
Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh quá trình kị khí cĩ thể khử 90 – 99 % BOD5; tỉ số BOD5/COD tương ứng là 0,68 (Boyle và Ham 1974; Pohlvà 1975; Chian và DeWalle 1977).
Schafer (1986) đã nghiên cứu xử lý nước rác mới với nồng độ cao (BOD5 = 38.500 mg/l và COD = 60.000mg/l) bằng bể phản ứng màng cố định dịng hướng lên, khử được 95%BOD5 và TSS.
Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu sử dụng quá trình xử lý kị khí đã được thực hiện. Các nghiên cứu ứng dụng quá trình kị khí trên mơ hình pilot UASB xử lý nước rác mới của CENTEMA cho hiệu quả xử lý cĩ thể đạt 93,57% ở tải trọng chất hữu cơ 3 – 4 kgCOD/m3.ngđ. Nồng độ COD giảm từ 1.824 – 4.381mg/l xuống cịn 214 mg/l, HRT = 24h, pH tăng từ 6,41 – 7,77. Ở tải trọng 6 kgCOD/m3.ngđ hiệu quả đạt 94,63 – 95,54%, nồng độ giảm từ 63.000 mg/l xuống cịn 260 mg/l. Khi tải trọng từ 40 – 50 kgCOD/m3.ngđ hiệu quả đạt 92 – 94% theo COD, HRT = 12h, nồng độ COD từ 20.844 – 24.848mg/l giảm xuống cịn 1.196 – 2.027mg/l.
Tĩm tại, quá trình sinh học kị khí áp dụng để xử lý nước rác, đặc biệt là nước rác mới đạt được hiệu quả rất đáng khích lệ, phần lớn chất ơ nhiễm hữu cơ trong nước rác được loại bỏ. Nước rác sau khi xử lý bằng phương pháp kị khí cĩ thể xử lý hiếu khí hoặc hĩa học tùy vào chất hữu cơ cĩ khả năng phân hủy cịn lại nhiều hay ít.