CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
1.2.3 Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải
Các chất hữu cơ và chất khống có trong nước thải sẽ được vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn để tạo năng lượng và tăng sinh khối, do đó các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy. Tùy thuộc vào cơ chế của quá trình phân hủy mà người ta chia phương pháp xử lý sinh học thành 2 loại: quá trình xử lý sinh học hiếu khí và q trình xử lý sinh học kị khí.
Theo quan điểm hiện đại nhất, quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình gồm 3 giai đoạn [11]:
- Giai đoạn 1: khuếch tán và chuyển chất từ nước thải tới bề mặt các tế bào vi sinh vật.
- Giai đoạn 2: khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm vào trong tế bào.
- Giai đoạn 3: q trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán và hấp thụ ở trong tế bào vi sinh vật để ra tạo năng lượng và tổng hợp các chất mới của tế bào.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ bằng vi sinh vật có thể biểu diễn bằng phương trình tổng qt sau:
Chất hữu cơ + O2 + VSV CO2 + H2O + năng lượng + sinh khối Năng lượng sinh ra được vi sinh vật sử dụng để sinh trưởng, sinh sản, trao đổi chất, vận động.
1.2.3.1 Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí
Theo Erkenfelder w.w và Connon DJ (1961) thì q trình xử lý sinh học hiếu khí gồm 3 giai đoạn sau [11], [1]:
Các chất đầu tiên bị oxi hóa là hidratcacbon và một số chất hữu cơ khác. Men của vi sinh vật sẽ tách hidro khỏi mắt xích và đem phối hợp với oxi của khơng khí để tạo thành nước. Phản ứng oxi hóa khử giữa các hợp chất hữu cơ với oxi có thể biểu diễn như sau:
VSV
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Enzim
- Giai đoạn 2: Q trình đồng hóa và xây dựng tế bào
Đường, rượu và các chất hữu cơ khác là các sản phẩm đặc trưng nhất của q trình oxi hóa bởi vi sinh vật hiếu khí. Các chất đó khi phân hủy hồn tồn sẽ tạo thành CO2 và H2O, một phần được tổng hợp thành nguyên sinh chất của tế bào vi sinh vật.
Enzim
CxHyOz + NH3 + O2 CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H
Trong đó : C5H7NO2 là nguyên sinh chất trong tế bào vi sinh vật. - Giai đoạn 3: q trình dị hóa
Q trình dị hóa là q trình phân hủy các chất có trong tế bào sống, như vậy một phần trong số các chất sống đã được tổng hợp lại tự bị oxi hóa.
C5H7NO2 + O2 2CO2 + 5H2O + NH3 ± ∆H
1.2.3.2 Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí
Khi nước thải rất đậm đặc (BOD ≥ 10 – 30 g/l) thì khơng thể xử lý bằng phương pháp hiếu khí mà phải xử lý bằng phương pháp kị khí để làm giảm bớt hàm lượng BOD của nước [1]. Về nguyên tắc, quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí gồm 2 giai đoạn chính [11]:
- Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân enzim
Dưới tác dụng của men do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ trong nước thải sẽ bị thủy phân: hidratcacbon phức tạp sẽ thành đường đơn giản, protit sẽ thành peptit và các axit amin, mỡ sẽ thành glyxerin và các axit béo.
- Giai đoạn 2: giai đoạn tạo khí
Sản phẩm của q trình thủy phân sẽ tiếp tục bị phân giải và tạo sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các loại khí (chủ yếu là CO2 và CH4), ngồi ra cịn có một ít muối khống.
Tốc độ và mức độ thủy phân kị khí các chất hữu cơ tùy thuộc vào bản chất hóa học của chúng.
Theo Erkenfelder w.w các q trình lên men kị khí được chia thành 3 giai đoạn [11]:
- Giai đoạn 1: giai đoạn lên men axit
Những hidratcacbon rất dễ bị phân hủy sinh hóa thành axit béo với trọng lượng phân tử thấp. Khi đó pH của mơi trường giảm xuống đến 5 hoặc thấp hơn nữa và có kèm theo mùi hơi.
- Giai đoạn 2: giai đoạn chấm dứt lên men axit
Các axit hữu cơ và các hợp chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo thành các amoni, amin, các khí CO2, CH4, H2S… pH mơi trường tăng dần lên. Mùi hơi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do thành phần H2S, indol (do E.Coli trong mơi trường có pepton sinh ra indol), scaton và mecaptan. Dưới tác dụng của các loại men, bùn có màu đen, nhớt và tạo bọt rồi nổi lên thành màng.
- Giai đoạn 3: giai đoạn lên men kiềm hay lên men metan
Các sản phẩm trung gian chủ yếu là xenlulozo, axit béo, các hợp chất chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo thành khí CO2 và CH4, pH của môi trường tiếp tục tăng lên và chuyển sang môi trường kiềm. Lúc này amoniac
tác dụng với CO2 tạo ra muối cacbonat và tạo cho mơi trường có tính đệm rất cao, nên pH của dung dịch ít bị thay đổi.