5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.2 Tổng quan về q trình phân hủy kỵ khí
1.2.4 Các thơng số q trình phân hủy kỵ khí
Các yếu tố mơi trường ảnh hưởng đến q trình hoạt động và phát triển của vi sinh vật lên men kỵ khí bao gồm: Các yếu tố vận hành (nhiệt độ, khuấy trộn, thời gian lưu, tải trọng chất hữu cơ); ảnh hưởng của thành phần chất nền (tỷ lệ C/N, pH, nồng độ chất ức chế, chất dinh dưỡng). Sự thay đổi đột ngột hay rõ rệt bất kỳ các yếu tố trên sẽ làm thay đổi đáng kể tính chất hoạt động của q trình lên men.
❖ Nhiệt độ
Nhiệt độ là thông số động học ảnh hưởng đến tốc độ của q trình phân hủy kỵ khí nhưng cần phải kiểm sốt nhiệt độ ở một giá trị nhất định trong thiết kế bể phản ứng. Theo các nghiên cứu cho thấy. Qúa trình sinh khí methane có thể xảy ra ở nhiệt độ từ 4 – 100oC và về mặt phương diện kinh tế thì có thể thực hiện q trình phân hủy kỵ khí lên tới 80oC [22]. Nhiệt độ tốt nhất cho sinh vật sinh methane ưu ấm phát triển là 20-37oC, tương tự như nhiệt độ tìm thấy ở các sinh vật đường ruột [22], [23]. Nhiệt độ trong bể phản ứng kỵ khí thích hợp cho vi sinh vật ưu lạnh là 10 – 20oC [23]. Nhiệt độ tăng lên 10oC thì tốc độ hoạt động sinh học của vi sinh vật tăng lên gấp đơi. Một đặc tính quan trọng của vi khuẩn kỵ khí là tốc độ phân hủy
20
của chúng trong môi trường nhiệt độ dưới 15oC là rất chậm. Hay theo S.Antony Raja cho rằng: Khả năng phân hủy ở nhiệt độ cao hơn sẽ tiến hành nhanh hơn so với ở nhiệt độ thấp hơn và tốc độ tăng hiệu suất khí tăng gấp đơi khi nhiệt độ tăng khoảng 5oC [24]. Như vậy, ở nhiệt độ mơi trường thấp thì thời gian phân hủy diễn ra lâu hơn mà điều này khơng có lợi về mặt kinh tế. Qúa trình phân hủy trong điều kiện ưu ấm hay ưa nhiệt, nhiệt độ tối ưu cho q trình ấy cịn tùy theo loại bể phản ứng, thời gian phân hủy, tỷ lệ nhập liệu của chất thải. Nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi sẽ ảnh hưởng đến q trình sinh khí. Khoảng nhiệt độ thermophilic thường cho hiệu suất phản ứng cao hơn và tạo ra nhiều khí methane hơn [22]. Khoảng nhiệt độ thermophilic (55oC) cho phản ứng gần như hoàn toàn, và lượng khí methane sinh ra cao gấp 2 đến 3 lần so với nhiệt độ mesophilic (37oC) [22]. Tuy nhiên, để duy trì khoảng nhiệt độ thermophilic thì cần phải cấp thêm nhiệt độ cho phản ứng, quy trình vận hành cũng như bảo dưỡng hệ thống sẽ phức tạp và tốn kém hơn so với việc vận hành ở khoảng nhiệt độ mesophilic.
❖ pH
Vi sinh vật tồn tại trong các giai đoạn là khác nhau và cần giá trị pH khác nhau để phát triển tốt nhất trong mơi trường [21]. Vì vậy cần phải đảm bảo cân bằng giữa quá trình tiêu thụ và sản xuất các hợp chất acid để vi sinh vật trong bể phản ứng có điều kiện sống thích hợp.
pH trong bể phản ứng phải duy trì ở tỷ lệ 6,5 - 8. Gía trị pH tối ưu và tỷ lệ pH sẽ thay đổi trong các hệ thống phản ứng khác nhau để xử lý các hợp chất hữu có khác nhau. Đối với vi khuẩn sinh methane gái trị pH thích hợp là 6,5 – 8,0 [21] . Gía trị pH thấp sẽ có hại đến vi sinh vật sinh khí methane. Giá trị pH dưới 6 sẽ bắt đầu gây ức chế vi sinh vật sinh khí methane và sẽ ức chế mãnh liệt khi pH dưới 5,5 [22]. Đối với vi khuẩn lên men có khoảng pH hoạt động rộng hơn tứ 4,0 – 8,5 [21].
❖ Tỷ lệ chất rắn và bùn mồi
Ảnh hưởng của tỷ lệ chất rắn và bùn mồi: Nồng độ chất rắn và bùn mồi có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phản ứng phân hủy. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu đánh
21
giá ảnh hưởng của tỷ lệ hai thơng số này đến lượng khí methane tạo thành. Mới nhất là nghiên cứu của Boulanger (năm 2014) cho thấy khi tỷ lệ giữa bùn mồi và chất rắn tăng thì hiệu suất sinh khí tăng [25].
❖ Tỷ lệ C:N
Carbon và nitơ là nguồn chất dinh dưỡng chính cho vi khuẩn kỵ khí. carbon cung cấp năng lượng cho quá trình hoạt động và nitơ là thành phần cần thiết để xây dựng cấu trúc tế bào của vi sinh vật [24].
Tỷ lệ carbon với tỷ lệ Nitơ (C / N) trong một chất nền là rất quan trọng. Tỷ lệ C:N tối ưu trong q trình phân hủy kỵ khí khoảng 20-30:1 [24], [3], [26]. Ở mức độ tỷ lệ thấp hơn, nitơ thừa và sinh khí NH3, gây ức chế q trình sinh khí CH4. Ở mức độ tỷ lệ cao hơn phân hủy xảy ra chậm. Sự kết hợp các chất nền khác nhau với tỷ lệ thích hợp sẽ cho hỗn hợp có tỷ lệ C:N tối ưu, cũng như tỷ lệ C:P. Q trình phân hủy kỵ khí khi trộn các chất nền khác nhau sẽ cho hiệu quả khí biogas cao hơn, giảm khối lượng chất thải rắn do phân hủy chất nền được khối lượng cao hơn [27]. Rác thải hữu cơ đa dạng về thành phần, nhưng thường thiếu cân bằng các chất dinh dưỡng cần thiết cho phản ứng phân hủy sinh học hoạt động ổn định. Các chất dinh dưỡng thiếu bao gồm cả các nguyên tố dinh dưỡng chính (C, N và P), và các nguyên tố vi lượng [28]. Do đó khi vận hành phản ứng phân hủy kỵ khí cần phải bổ sung chất dinh dưỡng bằng cách trộn rác thải sinh hoạt với bùn thải, với hoá chất, hoặc với phế thải nông nghiệp [28].
❖ Hàm lượng nước
Nước là thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Độ ẩm tối ưu cần phải được duy trì trong phân tử. Khi hàm lượng nước quá cao, lượng khí sinh học giảm xuống. Nếu hàm lượng nước quá thấp, axit tích lũy tích lũy tăng lên và cản trở q trình lên men. Tổng nồng độ rắn tối ưu là 7 đến 9% [24].
22 ❖ Chất độc và chất ức chế
Các chất độc tố và các chất ức chế trong q trình phân hủy kỵ khí đa dạng bao gồm các chất ở nồng độ cao để tạo ảnh hưởng ức chế, được phân loại theo nguồn gốc: Chất ức chế từ chất nền (chất tẩy rửa, thuốc kháng sinh chứa dịch bệnh động vật…) và chất ức chế từ chất chuyển hóa trung gian. Thuốc diệt cỏ, trừ sâu, muối, kim loại nặng bao gồm cả kim loại nặng cần thiết có thể gây độc khi nồng độ đủ cao. Ức chế xảy ra khi chất nền chứa hàm lượng cao carbonhydrat, chất béo. Sự phân hủy protein tạo axit axetic, amoniac, hidro sunfua tạo ra chất độc sinh học, nhất là khi pH và nhiệt độ cao.
❖ Thời gian lưu (HRT)
Thời gian lưu là yếu tố quan trọng và phụ thuộc vào loại bể phản ứng và loại chất nền [21]. Trong các nhà máy khí sinh học phức tạp hơn đặc trưng bởi thiết kế dùng cho xử lý nước thải, mục đích là để giữ lại các vi khuẩn trong các lò phản ứng để thời gian lưu giữ vi khuẩn là nhiều lớn hơn so với thời gian lưu nước. HRT thấp có thể dẫn đến tình trạng q tải, các hợp chất khơng được phân hủy hoàn toàn bởi các vi khuẩn trong khi một thời gian lưu là quá cao và cho hiệu suất sinh khí thấp (Nm³/biogas m3 của khối lượng phân hủy).