CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.3. Phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình phân hủy yếm khí
1.3.3.1. Nguyên liệu đầu vào
Trong quá trình phân hủy yếm khí, khi có đủ thành phần hữu cơ dễ phân hủy sẽ tạo điều kiện cho quá trình phân hủy diễn ra ổn định. Sự phân hủy yếm khí xảy ra nhanh hơn đối với các chất hữu cơ có khối lƣợng phân tử nhỏ hay dễ phân hủy và chậm hơn đối với các chất có khối lƣợng phân tử lớn hay khó phân hủy. Ví dụ: rác nhà bếp và rác vƣờn sẽ khác nhau về khả năng phân hủy bởi rác vƣờn chủ yếu là cành lá cây với thành phần lignocenlulơ khá lớn sẽ khó phân hủy hơn so với rác nhà bếp có độ ẩm cao, chứa nhiều chất dinh dƣỡng và có cấu trúc xốp hơn. Hơn nữa, các chất ức chế có trong thành phần nguyên liệu đầu vào có thể làm giảm sự sinh trƣởng của hệ vi sinh vật hoặc làm ngừng toàn bộ hoạt động của chúng. Trong quá trình lên men yếm khí xử lý chất thải hữu cơ, các chất ức chế nhƣ: chất kháng khuẩn và khử trùng, muối ăn, kim loại nặng ở nồng độ cao cần phải đƣợc loại bỏ nếu có thể. Tuy nhiên, trong q trình phân hủy yếm khí vi sinh vật vẫn cần sử dụng
hợp cần bổ sung thêm các yếu tố vi lƣợng nhƣ các kim loại thiết yếu cho sự hoạt động của vi sinh vật nếu nguyên liệu đầu vào bị hạn chế quá mức các yếu tố này.
Tỷ lệ cacbon và nitơ C/N: Tỷ lệ giữa lƣợng cacbon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó. Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 25-30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng
đến
là tối ƣu. Tỷ lệ này q cao thì khơng đủ dinh dƣỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngƣợc lại, tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao, ngồi ra cần có những nguyên tố vi lƣợng cần thết cho sự phát triển và hoạt động của các vi sinh vật.
Nguồn cacbon của vi sinh vật yếm khí chính là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản nhƣ các axit fomic, butiric, propionic, axetic, metanol, khí CO2, CO….còn nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn là amoni cacbonat và amoni clorua. Đặc biệt là vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin.
1.3.3.2. PH, độ kiềm và tỷ lệ axít béo dễ bay hơi/độ kiềm
Mỗi một nhóm vi khuẩn thƣờng chỉ thích nghi trong một khoảng giá trị pH tối ƣu. Vi khuẩn sinh CH4 rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH, giá trị pH trong khoảng 6,6 - 7,2 là thích hợp nhất đối với nhóm vi khuẩn này. Nhóm vi khuẩn lên men ít nhạy cảm hơn và có thể hoạt động trong khoảng pH rộng hơn từ 4,0 đến 8,5. Khi pH của hệ phản ứng xuống thấp có nghĩa sản phẩm trong giai đoạn axít chủ yếu là axít axetic và axít butyric. Trong khi đó tại giá trị pH = 8, sản phẩm tạo thành lại chủ yếu là axít axetic và axít propionic. Các axít béo bay hơi (Volatile Fatty Acid) tạo thành trong quá trình phân hủy yếm khí là ngun nhân làm giảm pH. pH giảm thƣờng làm giảm khả năng hoạt động của vi khuẩn sinh CH4, NH3, CO32- và HCO3- là những yếu tố có tính kiềm giúp điều chỉnh cân bằng pH của hệ phân hủy. pH của hệ phân hủy đƣợc điều chỉnh bằng nồng độ của CO2 trong pha khí và nồng độ HCO3- trong pha lỏng. Nếu nồng độ CO2 trong pha khí khơng đổi, sự bổ sung HCO3- sẽ làm tăng pH của hệ phân hủy và tăng khả năng sinh khí CH4. Với một tỷ
lệ tối thiểu 1,4:1 của HCO3-/VFA (axít béo bay hơi) mới có thể duy trì tốt một hệ đệm trong q trình phân hủy qua đó duy trì ổn định toàn hệ thống [10].
1.3.3.3. Nhiệt độ
Một số nhóm vi khuẩn sinh CH4 khác nhau, trong quá trình tiến hóa đã phát triển và tách thành các nhóm thích hợp với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Có ba khoảng nhiệt độ mà tại đó tƣơng ứng với hiệu quả sinh khí CH4 cao đƣợc xác định bao gồm:
- Xung quanh khoảng nhiệt độ 10oC (psychrophilic).
- Trong khoảng từ 32 - 50oC (mesophilic).
- Trong khoảng nhiệt độ từ 50 - 70oC (thermophilic).
Tăng nhiệt độ đối với phản ứng phân hủy yếm khí thu đƣợc nhiều ích lợi. Khi tiến hành lên men ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic) sẽ làm tăng khả năng hòa tan của các hợp chất hữu cơ, tăng tốc độ các phản ứng sinh hóa và tăng cƣờng khả năng tiêu diệt mầm bệnh. Theo nghiên cứu của tác giả Bolzonella và cộng sự (2012), khi tiến hành phân hủy yếm khí bùn hoạt tính trong điều kiện mesophilic (35oC) và thermophilic (55oC), kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD tăng từ 35% trong điều kiện mesophilic lên đến 45% trong điều kiện thermophilic [12]. Nghiên cứu của tác giả Cecchiet và cộng sự (1991), khi tiến hành xử lý bùn thải trong hai điều kiện phân hủy yếm khí với q trình nạp liệu liên tục (thời gian thí nghiệm là 20 ngày) cho thấy tổng lƣợng chất rắn (VS) bị loại bỏ tăng từ 20% trong điều kiện mesophilic lên 44% trong điều kiện thermophilic [17]. Tuy nhiên, tiến hành phản ứng phân hủy yếm khí ở điều kiện nhiệt độ cao cũng có một số yếu tố bất lợi nhƣ làm tăng nồng độ NH3 tự do dẫn đến ức chế khả năng hoạt động của vi sinh vật; các axít béo dễ bay hơi (VFA) đƣợc sinh ra làm tăng pKa sẽ gây ức chế cho hệ phản ứng. Tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao (thermophilic) thƣờng phải duy trì nhiệt độ ổn định nên khó khống chế hơn so với tiến hành ở nhiệt độ trung bình (mesophilic) [18]. Điều quan trọng trong tiến hành xử lý bằng phƣơng pháp phân hủy yếm khí cả
thay đổi nhiệt độ đột ngột hay dao động đều đặn lên xuống trong một khoảng rộng cũng sẽ ảnh hƣởng đến hoạt động của vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn sinh CH4 [10].
1.3.3.4. Thời gian lƣu trong lên men phân hủy yếm khí
Thời gian lƣu của chất rắn (SRT) là thời gian lƣu trung bình của chất hữu cơ rắn trong thiết bị phản ứng. Thời gian lƣu thủy lực (HRT) là thời gian lƣu của hỗn hợp bùn lỏng trong thiết bị phản ứng.
Thời gian lƣu trong phân hủy yếm khí phụ thuộc vào nhiệt độ, lƣợng hỗn hợp nguyên liệu trong thiết bị phản ứng, hàm lƣợng chất hữu cơ dễ phân hủy và mức độ phân hủy mong muốn đạt đƣợc.
Sự phát triển chậm của hệ vi sinh vật dẫn đến khó rút ngắn thời gian lƣu trong thiết bị phản ứng. Lƣợng sinh khối đã hoạt hóa cần đƣợc giữ lại và bổ sung vào hệ phản ứng để bù đắp lại lƣợng đã bị lấy ra nhằm giữ ổn định cho toàn bộ hệ phản ứng. Ảnh hƣởng của thời gian lƣu tới hiệu suất phân hủy thƣờng đƣợc nghiên cứu trong phịng thí nghiệm nhằm tìm hiểu mối tƣơng quan giữa sự sinh khí và thời gian bán phân hủy (CSRT) của chất rắn trong hệ phản ứng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: thời gian lƣu < 5 ngày là không đủ ổn định q trình phân hủy vì nồng độ axít béo dễ bay hơi tăng lên làm hạn chế vi khuẩn sinh CH4. Thời gian phân giải chất rắn (SRT) từ 5 - 8 ngày sẽ dẫn đến sự phân giải khơng hồn tồn các hợp chất hữu cơ đặc biệt nhƣ lipit (mỡ). Phân giải ổn định đạt đƣợc sau khoảng 8 - 10 ngày. Khi nồng độ của các axít béo dễ bay hơi giảm xuống và quá trình phân giải lipit bắt đầu xảy ra. Thời gian lƣu chất rắn (SRT) là đại lƣợng quan trọng trong tính tốn thiết kế hệ thống phân hủy yếm khí.
1.3.3.5. Ảnh hƣởng của các chất khống và một số độc tố trong nguyên liệu
Các chất khống trong ngun liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến q trình sinh khí metan. Các chất khống này còn gây hiện tƣợng cộng hƣởng hoặc đối kháng. Hiện tƣợng cộng hƣởng là hiện tƣợng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác. Hiện tƣợng đối kháng là hiện
tƣợng giảm độc tính của một ngun tố do sự có mặt của một nguyên tố khác. Một số chất gây ức chế trong q trình sinh khí metan đƣợc chỉ ra nhƣ ở bảng 1.5.
Bảng 1.5. Một số chất ức chế q trình sinh khí metan Nhân tố Nồng độ gây ức chế mg/L
Axit hữu cơ > 2000(a) 1500 -3000 (ở pH > 7,6) Nitơ amôn > 200
Sulfide (hòa tan) > 3000 gây độc
Ca 2500 – 4500 và 8000 ức chế mạnh Mg 1000 – 1500 và 3000 ức chế mạnh K 2500 – 4500 và 12000 ức chế mạnh Na 3500- 5500 và 8000 ức chế mạnh Đồng 0,5 Cadimi 150 Sắt 1710 Cr6+ 3 Cr3+ 500 Nikel(b) 2
(a)Trong khoảng pH từ 6,6 - 7,4 và với khả năng đệm thích ứng, các VK có thể chịu đƣợc nồng độ axit hữu cơ từ 6000- 8000mg/L.
(b)Nikel ở nồng độ thấp làm tăng q trình sinh khí metan.
1.3.3.6. Sự cạnh tranh giữa vi khuẩn lƣu huỳnh và vi khuẩn metan
Vi khuẩn lƣu huỳnh và vi khuẩn metan có thể cạnh tranh các chất cho điện tử nhƣ axetat và hiđro. Các nghiên cứu về động thái học của 2 nhóm vi khuẩn này cho thấy vi khuẩn khử lƣu huỳnh có ái lực với axetat cao hơn vi khuẩn metan, điều này có nghĩa là vi khuẩn lƣu huỳnh sẽ thắng thế so với vi khuẩn metan ở nồng độ axetat thấp. Vi khuẩn lƣu huỳnh và vi khuẩn metan cạnh tranh mạnh ở tỷ lệ COD/SO42- từ 1,7 – 2,7. Khi tỉ lệ này tăng vi khuẩn metan sẽ thắng thế và ngƣợc lại [10].
1.3.3.7. Tính chất của chất nền và các chất gây độc
Hàm lƣợng tổng chất rắn của mẫu ủ có ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu suất phân hủy, hàm lƣợng chất rắn hịa tan q cao khơng đủ hịa tan các chất cũng nhƣ khơng đủ pha lỗng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Hàm lƣợng tổng chất rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền.
Một số dẫn xuất metan nhƣ: CCl4, CHCl3, và các chất HCHO, SO2… gây độc cho VSV kỵ khí.
Đặc biệt là các ion kim loại nặng, chúng đóng vai trị là các ngun tố vi lƣợng giúp cho các VSV phát triển thuận lợi nhƣng nếu với tốc độ quá các giá trị cho phép sẽ gây độc cho các VSV yếm khí. Ngƣời ta đã xác định đƣợc tính độc của các ion kim loại đến hệ VSV này nhƣ sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni. Giới hạn nồng độ cho phép của các ion kim loại này là: Cr: 690 mg/L; Cu: 150 – 500 mg/L; Pb: 900 mg/L; Ni: 73 mg/L [10].
1.4. So sánh q trình xử lý yếm khí và hiếu khí
Với cùng mục đích xử lý hợp chất hữu cơ, so sánh với xử lý hiếu khí, xử lý yếm khí có những lợi thế nhƣ ít tốn kém năng lƣợng vận hành, lƣợng bùn thải thấp, nhu cầu về thành phần dinh dƣỡng (N, P, K) thấp, mức độ chịu tải cao, thu hồi nhiên liệu ở dạng khí metan. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp thể hiện qua các đặc trƣng: tốc độ chậm, dễ nhạy cảm bởi các độc tố, sản phẩm tạo thành có mùi hơi, tính ăn mịn cao và khơng bền, hoạt động trong vùng pH hẹp, không chịu đƣợc pH thấp. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của xử lý yếm khí so với xử lý hiếu khí đƣợc tóm tắt trong bảng 1.6.
Bảng 1.6. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của ủ yếm khí so với hiếu khí
- Giá thành vận hành thấp - Lƣợng bùn hình hành thấp - Ít gây phát tán dạng sol khí - Bùn có tính bền cao
- Sản phẩm metan sử dụng làm nhiên liệu - Nhu cầu dinh dƣỡng thấp do tốc độ phát triển chậm và mức độ phân hủy nội sinh cao - Có thể hoạt động theo mùa do khả năng tồn tại dài ngày trong điều kiện bị bỏ đói
- Giá thành xây dựng cao - Thƣờng phải cấp thêm nhiệt - Thời gian lƣu thủy lực dài
- Hình thành sản phẩm gây mùi hổi và ăn mòn cao
- Khả năng diệt khuẩn gây bệnh kém - Hình thành khí H2S
- Tốc độ phát triển chậm dẫn đến kéo dài thời gian khởi động hệ xử lý - Chỉ sử dụng làm giai đoạn tiền xử lý.
Qua bảng ta thấy rõ ƣu điểm của xử lý yếm khí là tạo ra một lƣợng khí sinh học là nguồn năng lƣợng có ích mới với chi phí vận hành thấp quy mơ có thể áp dụng với các hộ dân.
Ngồi các tiêu chí so sánh liệt kê trong bảng 1.6, hình ảnh tổng quát về kỹ thuật hiếu khí và yếm khí trong xử lý chất hữu cơ đƣợc thể hiện trong hình 1.3.
Với cùng một nguồn COD đầu vào mơ hình xử lý hiếu khí tạo ra sản phẩm khí là CO2 và lƣợng bùn thải ra là 50 - 60% nhƣng với yếm khí thì lại tạo ra 70 - 90% khí biogas và lƣợng bùn thải ra rất thấp 5 - 15%. Do đó xử lý yếm khí có ƣu thế về mặt thực hiện cũng nhƣ hiệu quả kinh tế cao hơn xử lý hiếu khí.
Một trong những khác biệt quan trọng giữa xử lý yếm khí và hiếu khí là xử lý yếm khí thực hiện trong khơng gian kín, mơi trƣờng khí do chính hoạt động của chúng tạo thành và có thành phần khác hẳn so với khơng khí. Sản phẩm chính hình thành từ sự phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí là khí cacbonic và metan. Trong quá trình phân hủy hiếu khí, khí cacbonic hình thành đƣợc nhanh chóng chuyển vào khơng khí, trong khi khí cacbonic trong xử lý yếm khí thì chịu trạng thái cân bằng giữa pha khí và pha lỏng do tồn tại ở trong vùng không gian cô lập. Trong pha nƣớc, khí cacbonic tồn tại dƣới dạng một axit yếu. Nồng độ của axit cacbonic trong nƣớc tỷ lệ thuận với nồng độ của cacbonic trong pha khí. Vì vậy so với môi trƣờng nƣớc trong xử lý hiếu khí thì nồng độ axit cacbonic trong môi trƣờng yếm khí cao hơn nhiều. Cụ thể về một số tiêu chí thể hiện ở bảng 1.7 bên dƣới:
Bảng 1.7. So sánh các đặc điểm giữa phƣơng pháp kỳ khí và phƣơng pháp hiếu khí
Các đặc điểm Phƣơng pháp kỳ khí Phƣơng pháp hiếu khí
Nguồn nƣớc thải Thích hợp cho các loại nƣớc thải ô nhiễm nặng, COD và BOD cao tới hàng ngàn mg/L, nhƣng nồng độ các ion kim loại cần phải thấp
Thích hợp với các loại nƣớc thải
Ơ nhiễm trung bình hoặc nhẹ, nếu nồng độ ô nhiễm cao phải pha loăng
Hiệu quả xử lý Loại bỏ đƣợc BOD kém hơn (85%), thời gian dài hơn. Nƣớc ra từ kỵ khí nên tiếp tục xử lý hiếu khí
Loại bỏ đƣợc BOD nhiều hơn trong thời gian ngắn hơn và còn loại bỏ đƣợc Nitơ cũng nhƣ Phốt pho. Hiệu quả khử BOD cao nhất có thể đạt Khả năng bị ức chế Các vi sinh vật rất nhạy cảm đối với các chất có tác dụng ức chế nhƣ kim loại
Phụ thuộc vào oxi cấp liên tục vào
Mùi Sinh ra nhiều mùi hôi thối: H2S từ nƣớc thải có chứ sunfat, scatol từ các
Sản phẩm sinh ra chủ yếu CO2
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu 2.1. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu
2.1.1.1. Cơ sở lựa chọn phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu
Thành phố Hà Nội là một trong hai đô thị lớn nhất cả nƣớc, trải qua nhiều thời kỳ lịch sử, đặc điểm của đơ thị tại Hà Nội có những điểm rất riêng biệt nhƣng kết cấu hạ tầng đô thị lại mang nét đặc trƣng cho các đô thị tại Việt Nam. Với thành phần nƣớc thải bao gồm cả nƣớc thải công nghiệp và nƣớc thải tại các bệnh viện nên tính chất của bùn thải tại các con sông tiếp nhận nƣớc thải sinh hoạt nhƣ: sông Kim Ngƣu, sông Tô Lịch tại Hà Nội rất phức tạp với nồng độ một số tác nhân gây ô