II. NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO CÁC THIẾT BỊ XỬ LÝ SINH HỌC VÀ CÁCH TÍNH TOÁN
2.4.1 Cơ chế quá trình: các phản ứng xảy ra và tác nhân sinh học, các yếu tố ảnh
hưởng
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí là do sự hoạt động của các vi sinh vật trong môi trường mà không cần sự có mặt của oxi không khí và sản phẩm cuối cùng tạo ra gồm CH4, CO2, N2, H2,… và trong đó khí CH4(metan) chiếm tới 65%. Quá trình này còn có thể gọi là quá trình lên men metan. Quá trình phân hủy kỵ khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:
(CHO)nNS → CO2 +H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + tế bào vi sinh
Quá trình xử lý kỵ khí trong điều kiện nhân tạo có thể được áp dụng để xử lý các loại cặn bã chất thải công nghiệp có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao BOD 10-30(g/l). Quá trình phân hủy kỵ khí chất bẩn là quá trình diễn ra hàng loạt các phản ứng sinh hóa phức tạp và có thể họp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy các chất thải hữu cơ như sau:
Trong 3 giai đoạn đầu thì lượng COD hầu như không giảm, COD chủ yếu chỉ giảm trong giai đoạn metan hóa. Trong xử lý kỵ 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 sinh vật
Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình phân huỷ kỵ khí (nhiệt độ, pH, tải lượng dòng vào, khuấy trộn, tỷ lệ C/N, các chất độc,...)
Oxy
Ở điều kiện kỵ khí thì khi phân hủy các chất hữu cơ, oxi được coi là độc tố đối với các loại vi sinh vật. Chính vì vậy người thiết kế hệ thống phải có những biện pháp để điều kiện kỵ khí bên trong bể là 100% không được có oxi hòa tan trong nước thải. Có nghĩa là chỉ số DO phải bằng không hoặc là tiệm cận 0.
Chất dinh dưỡng
Vi sinh vật muốn phát triển được thì phải cần có các chất dinh dưỡng. Do đó quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vào vi sinh vật thì cũng liên quan khá mật thiết tới lượng chất dinh dưỡng bên trong bể cho các vi sinh vật. Cho nên ta phải cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật ăn. Những hợp chất dinh dưỡng mà các vi sinh vật phân giải kỵ khí cần bao gồm carbon, nitơ, phốt pho và những nguyên
tố vi lượng khác. Tất cả phải có một tỷ lệ phù hợp. Nếu không cung cấp chất dinh dưỡng một cách đúng và đầy đủ thì sẽ ảnh hưởng rất lớn tới quá trình phân hủy các chất trong nước thải.Một ví dụ điển hình như nếu không có đủ lượng nito thì sẽ ảnh hưởng tới quá trình hình thành các enzym để thực hiện phân giải. Nhưng nếu cung cấp quá nhiều nito thì sự phát triển của vi sinh vật sẽ bị hạn chế. Việc biết liều lượng như thế nào cho đúng là điều cực kì quan trọng, nếu cung cấp đủ và chuẩn thì sẽ tạo cho bùn có tính lắng tốt hơn, hoạt tính cao hơn và toàn quá trình xử lý diễn ra tốt hơn
Nhiệt độ
Nhiệt độ cũng là yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước thải trong bể kỵ khí. Ở môi trường tại Việt Nam thì nhiệt độ thay đổi khá thất thường do đó đây cũng là một vấn đề hết sức cần quan tâm tới. Có 3 vùng nhiệt độ khác nhau mà tại đây các vi sinh vật kỵ khí có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ khác nhau. 3 vùng nhiệt độ này là:
- Nhiệt độ cao: 45 - 65 độ C
- Nhiệt độ trung bình: 20 - 45 độ C - Nhiệt độ thấp: dưới 20 độ C
Ở hai vùng nhiệt độ đầu thì thích hợp cho hoạt động lên men metan của các nhóm vi sinh vật. Đối với vùng nhiệt này thì cần phải có thêm hệ thống làm tăng nhiệt độ dẫn tới tăng chi phí tác động tới tính hiệu quả của phương pháp. Ở Việt Nam thì nhiệt độ môi trường thường rơi vào khoảng 20 tới 32 độ C nên thích hợp cho các nhóm vi sinh vật ở vùng nhiệt độ trung bình phát triển.
Độ pH
Đây là chỉ số để xác định môi trường đang trong tính kiềm hay tính axit, nó có ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Dẫn tới hiệu quả xử lý chất thải bị thay đổi hoặc chúng có thể bị chết nếu trong môi trường có độ pH không phù hợp. Để các vi sinh vật hoạt động được thì độ pH của môi trường phải nằm trong khoảng 6,7 - 7,4. Tối ưu nhất là trong khoảng 7,0 tới 7,2. Quá trình phân hủy kỵ khí sẽ không được diễn ra nếu độ pH nhỏ hơn 6, lúc này cần phải bổ sung thêm CaC03, NaOH, NaHCO3.
Thời gian lưu nước cần phải đủ lâu để các vi sinh vật có thể thực hiện quả trình xử lý tốt nhất. Yếu tố này cũng còn phụ thuộc vào loại nước thải và điều kiện môi trường nữa.
Sự cạnh tranh giữa vi khuẩn metan và vi khuẩn sunfat
2 loại vi khuẩn này cạnh tranh nhau khá mạnh trong nước thải. Người ta thường dựa vào tỷ số COD/SO4 để khống chế vi khuẩn khử sunfat. Tỷ số này trong khoảng 1,7 tới 2,7 là tốt nhất, lúc này vi khuẩn Mê tan hoạt động mạnh hơn.
Những yếu tố gây độc
Một số yếu tố gây độc đối với các loại vi sinh vật kỵ khí có thể kể tới như: Amoni, Hydrocarbon có Clo, hợp chất vòng benzen,. axit bay hơi, chất khử trùng, chất sát trùng, kim loại nặng, sulfic, tanin,...