Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ (0C) Axit bị chuyển hóa
Methanobacterium omeliankii
6,5 - 8 37 - 40 CO2, H2, rượu I và II
Methanopropionicum Axit propionic
Methanoformicum CO2, H2, formic axit
Methanosochngenii Axit axetic
Methanosuboxydans Axit butyric, axit valeric,
caprionic
Methanoruminanticum H2, axit formic
Methanococcus vanirielii 1,4 – 9,0 Axit formic và H2
Methanococcuss mazei 30 – 37 Axit axetic, axit butyric
Methanosarcina methanica 35 – 37 Axit axetic, butyric
Do các phản ứng thủy phân và các phản ứng oxi hoá khử xảy ra một cách nhanh chóng và đồng bộ trong cùng một pha nên sự sắp xếp các phản ứng khi khơng có sự tham gia của oxy nêu trên chỉ mang tính quy ước. Nhu cầu oxy sinh học của toàn bộ q trình gần như bằng khơng. Do sinh ra nhiều axit nên độ pH của mơi trường có thể giảm mạnh.
Phản ứng chính tạo thành metan có thể xảy ra như sau:
CO2 + 4H2A CH4 + 4A + 2H2O (1.39)
Trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro
Cũng có thể xảy ra phản ứng khác (khi có và khi khơng có hydro):
CO + 3H2 CH4 + H2O (1.40)
4CO + 2H2O 3CO2 + CH4 (1.41)
Metan cũng có thể được tạo thành do sự phân rã axit axetic:
CH3COOH CH4 + CO2 (1.42)
CO2 + H2 CH4 + 2H2O (1.43)
Trong quá trình xử lý nước thải cơng nghiệp chứa SO42- ở điều kiện yếm khí vi khuẩn khử sunfat sẽ khử SO42- thành H2S như sau:
5H2A + SO42- 5A + H2S + 4H2O (1.44)
Ngồi ra cịn có cả q trình đề nitrat hóa:
6H2A + 2NO3- 6A + H2O + N2 (1.45)
Tóm lại q trình lên men metan gồm ba giai đoạn:
Giai đoạn lỏng hóa nguyên liệu đầu để vi khuẩn sử dụng các chất dinh dưỡng.
Giai đoạn thành axit :
H2A các axit hữu cơ ( CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH)
Giai đoạn thành metan:
Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất q trình phân hủy yếm khí tạo khí metan
Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này là 350C. Như vậy q trình này có thể thực hiện ở điều kiện ấm (30 350C) hoặc nóng (50 550C). Khi nhiệt độ ở dưới 100C vi khuẩn tạo nên metan hầu như không hoạt động.
Liều lượng nạp nguyên liệu và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp cho q trình cần có hàm lượng chất rắn 7 9%. Tác dụng của khuấy trộn là phân bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng khí sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng – rắn.
Tỷ số C/N: Tỷ số C/N tối ưu cho quá trình là (25 30)/1.
pH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 đến 7,5. Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng giảm trước khi quan sát thấy pH thay đổi, nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả làm chết các vi khuẩn tạo CH4.
Ngồi ra cịn kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn, thời gian lưu cần đủ để đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ơ nhiễm và điều kiện khơng chứa các hóa chất độc, đặc biệt là các kim loại nặng (Cu, Ni, Zn...), hàm lượng NH3 và sunfua quá dư cùng một số hợp chất hữu cơ khác.
1.4.6. Quá trình hiếu khí [6, 7]
Đây là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cấp oxi liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng từ 20 đến 40oC.
Phương trình tổng quát các phản ứng tổng hợp của q trình oxy hóa sinh hóa ở điều kiện hiếu khí như sau:
CxHyOzNt + (x + 4 y - 2 z - 4 3t ) O2 xCO2 + 2 ) 3 (y t H2O + tNH3 + H (1.46) CxHyOzNt + tNH3 + (x + 4 y - 2 z - 4 43t
)O2 2tC5H7NO2 + (x – 10t)CO2
+
2 ) 11
(y t H2O + H (1.47) Trong phản ứng trên, CxHyOzN là tất cả các chất hữu cơ của nước thải, cịn C5H7NO2 là cơng thức theo tỉ lệ trung bình các ngun tố chính trong tế bào vi sinh vật,
H là năng lượng.
Phản ứng (1.46) là phản ứng oxi hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, còn phản ứng (1.47) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào. Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải.
Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hóa thì khơng đủ chất dinh dưỡng, q trình chuyển hóa các chất của tế bào xảy ra theo giai đoạn sau:
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O + H (1.48)
NH3 + O2 HNO2 + O2 HNO3 (1.49)
Tổng lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng trên cần gấp hai lần lượng oxy tiêu tốn của hai phản ứng đầu. Từ các phản ứng trên thấy rõ sự chuyển hóa hố học là nguồn năng lượng cần thiết cho các vi sinh vật.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến q trình phân hủy hiếu khí:
pH: Đây là yếu tố có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình xử lý. Khoảng pH tối ưu cho quá trình xử lý thường nằm gần vùng trung tính.
Lượng oxy cung cấp cho q trình xử lý phụ thuộc nhiều vào sự khuấy trộn, sục khí,... Lượng oxy cung cấp càng nhiều thì càng làm tăng tốc độ quá trình xử lý
Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxi hố tăng. Trong thực tế nhiệt độ nước thải trong hệ thống xử lý được duy trì trong khoảng từ 20 đến 30oC.
vi sinh vật
vi sinh vật
vi sinh vật vi sinh vật
độ sẽ bị giảm, q trình thích nghi của vi sinh vật với mơi trường mới sẽ bị chậm lại.
Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng: Để có phản ứng sinh hóa nước thải cần chứa các hợp chất của các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng. Đó là các nguyên tố N, P, K, Mg, Ca, Na, Fe, Mn,...Trong đó N, P, K là các nguyên tố chủ yếu.
1.4.7. Q trình chuyển hóa nitơ trong nước thải do vi sinh vật
NH4+ được tạo thành trong q trình amoni hóa nhờ rất nhiều lồi vi sinh vật, được các loài vi khuẩn sử dụng làm nguồn N dinh dưỡng, đồng hóa để xây dựng tế bào mới. Ngoài ra NH4+ còn nhờ vi khuẩn nitrat hóa chuyển thành NO2-, NO3- rồi bị vi khuẩn đenitrat hóa chuyển thành nitơ phân tử bay vào khơng khí. [7]
Nitơ hữu cơ (protein, peptit, amino axit ...), ure
N – NH4+ Nitrit (NO2-) Nitrat (NO3-) Nitơ trong thành phần tế bào vi khuẩn Tế bào vi khuẩn chết Nitơ phân tử (N2) Đồng hóa
Oxi hố nội sinh
Tự phân
Thuỷ phân và oxi hoá do vi khuẩn Nitrosomonas O2 Nitrobacter O2 Nitrat hóa Khử nitrat: (P. denitrificans, B. lichenifomis, Thiobacillus denitrificans)
Cacbon hữu cơ
anoxic (thiếu khí)
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Nước thải thủy sản (nước tôm) tự pha chế: lấy 100 gam tôm thẻ chân trắng, bóc vỏ, xay nhỏ và lọc lấy nước để tiến hành thí nghiệm.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu q trình phân giải yếm khí và hiếu khí đối với nước thải thủy sản tự pha từ tơm. Nước thải này có hàm lượng protein cao, đó cũng là nguyên nhân làm cho nước thải có hàm lượng các hợp chất nitơ cao.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Phân tích hàm lượng các hợp chất Nitơ trong quá trình xử lý. Từ các kết quả thu được, đánh giá q trình chuyển hóa Nitơ trong xử lý yếm khí và hiếu khí.
2.4. Phương pháp phân tích [4, 8]
2.4.1. Phương pháp xác định COD bằng kalibicromat
Nguyên tắc
Dùng dung dịch K2Cr2O7 là chất oxy hóa mạnh để oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong môi trường axit H2SO4 đặc và dùng tinh thể Ag2SO4 làm xúc tác cho phản ứng xảy ra hồn tồn theo phương trình:
Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + 2H+ → CO2 + H2O + 2Cr3+ + 2K+
Lượng K2Cr2O7 dư được chuẩn độ lại bằng dung dịch muối Mohr [Fe(NH4)2(SO4)2] với chỉ thị Feroin.
Cl- thường xuyên có mặt trong nước gây ra sai số cho kết quả phân tích: Cr2O72- + 6 Cl- + 14H+ → 3Cl2 +2Cr3+ + 7H2O
Lấy Vm = 5 mL mẫu cần phân tích cho vào bình cầu, thêm V1 = 5 mL hỗn hợp dung dịch K2Cr2O7 0,25N và HgSO4, thêm tiếp 10ml hỗn hợp dung dịch Ag2SO4 trong H2SO4 đặc với hàm lượng Ag2SO4 là 11 gam/lít dung dịch H2SO4 đặc, thêm 2 – 3 viên đá bọt, lắc đều. Lắp bình cầu vào sinh hàn hồi lưu. Đun hồi lưu trong 2 giờ, để nguội đến nhiệt độ phịng rồi chuyển tồn bộ dung dịch trong bình cầu sang bình nón, tráng bình cầu 2 – 3 lần bằng nước cất. Thêm 1 – 2 giọt chỉ thị Feroin, lắc đều. Chuẩn độ K2Cr2O7 dư bằng dung dịch muối Mohr 0,1N cho đến khi dung dịch chuyển từ màu xanh sang màu nâu đỏ thì kết thúc phép chuẩn độ.
Chỉ số COD được xác định theo công thức: COD = m Morh V N V N V . . ) ( 1 1 2 8 1000 Trong đó: Vm: Thể tích mẫu đem phân tích (mL).
V1: Thể tích dung dịch K2Cr2O7 (mL)
Vmohr: Thể tích muối Mohr để chuẩn lượng K2Cr2O7 dư (mL). N1: Nồng độ đương lượng của K2Cr2O7 (N)
N2: Nồng độ đương lượng của muối Morh (N).
8: Đương lượng gam của oxy
1000: Hệ số chuyển đổi thể tích từ lít sang mL
2.4.2. Xác định hàm lượng amoni
* Nguyên tắc:
Đo quang phổ ở bước sóng khoảng 655 nm của hợp chất màu xanh được tạo bởi phản ứng của amoni với salixylat và ion hypoclorit có sự tham gia của natri nitrosopentaxyano sắt (III) hai phân tử nước. Các ion hypoclorit được tạo trong situ bằng cốc thuỷ phân kiềm của N, N/ đicloro- 1,3,5- triazin 2,4,6 (1H,3H,5H) trion, muối natri (natri điclorosoxyanurat). Phản ứng của cloramin với natri salixylat xảy ra ở độ pH 12.6 có sự tham gia của natri nitroprusiat.
Bất kỳ chất cloramin nào có mặt trong mẫu thử cũng đều được xác định. Natri xitrat có trong thuốc thử để cản sự nhiễu do các cation, đặc biệt là canxi và magiê. * Chuẩn bị hoá chất:
Chuẩn bị dung dịch tiêu chuẩn NH4: - Dung dịch A (1000 mg N/lít):
+ Hồ tan 3.819 g ± 0.004 g amoni clorua (đã được sấy khô ở 1050C ít nhất 2 giờ) vào bình định mức dung tích 1000 ml. Pha lỗng đến vạch mức bằng nước. + Bảo quản trong lọ thuỷ tinh nút kín, dung dịch bền ít nhất trong một tháng. - Dung dịch B (100 mg N/lít):
+ Dùng pipet lấy 100 ml dung dịch A cho vào bình định mức dung tích 1000 ml. Pha lỗng bằng nước tới vạch.
+ Bảo quản trong lọ thuỷ tinh nút kín, dung dịch bền ít nhất trong một tuần. - Dung dịch C (dung dịch chuẩn 1 mg N/lít):
+ Dùng pipet lấy 1 ml dung dịch B cho vào bình định mức dung tích 100 ml. Pha lỗng bằng nước tới vạch.
+ Chuẩn bị dung dịch này ngay trước khi sử dụng. Chuẩn bị thuốc thử màu
Hoà tan 130 gam ± 1 gam natri salixylat (C7H6O3Na) và 130 gam ± 1 gam trinatri xytrat ngậm hai phân tử nước ((C6H5O7Na3.2H2O) vào nước trong bình định mức 1000 ml. Thêm một lượng nước đủ để cho tổng thể tích chất lỏng bằng khoảng 950 ml và sau đó thêm 0.970 g ± 0.005 gam natri nitrosopentaxyano sắt (III) 2 phân tử nước (natri nitroprusiat, {Fe(CN)5NO}Na2.2H2O}) vào dung dịch. Hoà tan chất rắn trong dung dịch, sau đó pha lỗng bằng nước tới vạch.
Hoà tan 32.0 gam ± 0.1 gam natri hyđroxit trong 500 ml ± 50 ml nước. Làm nguội dung dịch đến nhiệt độ trong phòng và thêm 2.00 gam ± 0.02 gam natri điclorosoxyanurat 2 phân tử nước (C2N3O3Cl2Na.2H2O) vào dung dịch. Hoà tan chất rắn và chuyển tồn bộ dung dịch sang bình định mức dung tích 1000 ml. Thêm nước tới vạch.
Bảo quản trong lọ thuỷ tinh màu hổ phách, thuốc thử này ổn định ít nhất trong hai tuần. Chuẩn bị dung dịch rửa
Hoà tan 100 gam ± 2 gam kali hyđroxyt trong 100 ml nước ± 2 ml nước. Làm nguội dung dịch và thêm vào 900 ml ± 50 ml etanol 95%
Bảo quản trong lọ polyetylen.
* Tiến hành phân tích:
Phân tích mẫu thực: Pha lỗng mẫu bằng nước cất sao cho nồng độ mẫu nằm trong khoảng đường chuẩn. Lấy 40 ml mẫu đã lọc cho vào bình định mức 50 ml, thêm 4,00 ml ± 0,05 ml thuốc thử mầu và lắc kỹ sau đó thêm 4.00 ml ± 0.05 ml dung dịch natri đicloroxyanuarat và lại lắc kỹ. Để yên 60 phút cho màu ổn định và đo quang ở bước sóng 655 nm. Tính tốn nồng độ amoni trong mẫu theo phương trình đường chuẩn.
Dựng đường chuẩn cho phép phân tích: Lấy vào các bình định mức 50 ml các dung dịch tiêu chuẩn C (1 mg/L) như bảng sau. Sau khi cho thuốc thử, lắc đều các bình, để yên 60 phút rồi đem đo màu ở bước sóng 655nm. Từ kết quả đo mật độ quang thu được xây dựng đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ amoni trong mẫu.