Phản ứng sinh học màng kỵ khí (AnMBR) được chứng minh là rất hấp dẫn đối với công nghệ xử lý nước thải vì chúng ngăn chặn sự mất mát của sinh khối từ các phản ứng sinh học và sản xuất ra một lượng nước thải cuối cùng với hiệu quả cao. Hơn nữa, giống như với các q trình yếm khí thơng thường, AnMBRs địi hỏi ít năng lượng và sản xuất khí biogas có chứa metan và hydro. Các khí sinh học được sản xuất từ AnMBRs có thể được đốt cháy để tạo ra năng lượng điện để sản xuất một phần đáng kể năng lượng cần thiết phục vụ các nhà máy xử lý nước thải, trong một số trường hợp, tính bền vững năng lượng có thể đạt được.
Các thử nghiệm đầu tiên của công nghệ AnMBR cho xử lý nước thải đã được tiến hành bởi Grethlein vào năm 1978, và các hoạt động nghiên cứu AnMBR có xuất hiện kể từ đó. Về sau cơng nghệ AnMBRs sản xuất khí sinh học và sản xuất hydro sẽ được nghiên cứu sâu hơn.[3]
2.2.1 Sản xuất khí methan
Methan được sản xuất trên cơ sở thủy phân kỵ khí có thể thay thế và tái tạo nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch. Trong quy mơ phịng thí nghiệm nghiên cứu gần đây, tiến hành trên các AnMBR chính: mơ hình với dịng chảy bên ngồi (Hình 2.4a), màng ngập nước ( Hình 2.4b) và màng ngập nước với bể màng bên ngồi (Hình 2.4c). Nhiều nguồn sinh khối, trong cluding nước thải (trong nước, lò mổ, bãi rác, kraft bay hơi ngưng tụ, TMP nước sủi bọt), và chất thải rắn (phân heo, rác, bã, chất thải hữu cơ), đã được sử dụng làm nguyên liệu cho các hệ thống AnMBR. Hệ thống có khả năng thích ứng AnMBR với nhiệt độ tốt phù hợp với điều kiện ưa nhiệt và ưa lạnh. COD đạt được cao (thường là >90%) với tải trọng hữu cơ (OLR) trong khoảng 0,23-24 kg COD/m3/d. Tại một nhà máy quy mơ thí điểm, mức sản xuất khí sinh học khác nhau 0-220 L/d trong khi tại các nhà máy quy mơ đầy đủ có thể được tăng cao năng xuất sản xuất 800 Nm3/d. Các khí sinh học được sản xuất thường chứa hơn 60% khí mê tan có thể đạt 90%. Để tăng cường sản xuất CH4, Jeong et al. (2010) đã sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để tối ưu hóa hệ thống hai giai đoạn kỵ khí tiêu hóa (TPAD) bao gồm một giai đoạn
acidogenesis và một lị phản ứng sinh học kỵ khí màng ngập nước (SAnMBR).
axit béo bay hơi (VFA) trong nước thải acidogenic thành CH4 với mức sản xuất bình quân 0,28 m3/m3/d với HRT là 14 ngày.
Hình 2.4. Thiết bị phản ứng sinh học màng kỵ khí a.Cấu hình qua dịng chảy bên ngồi
b.Cấu hình với màng ngập nước
c.Cấu hình kết hợp màng ngập nước với màng bên ngồi
Hình 2.4a. Nguyên liệu sau khi xử lý sơ bộ được đưa vào thiết bị phản ứng
sinh học kỵ khí. Tại đây xảy ra q trình thủy phân, sản phẩm khí metan thu được ở đỉnh thiết bị, chất thải sinh khối được thải ra ngoài, và một phần sản phẩm sẽ được bơm qua thiết bị màng lọc, màng lọc có tác dụng làm tinh khiết sản phẩm khí được đưa ra ngồi, phần cịn lại sẽ được tuần hồn lại thiết bị phản ứng sinh học kỵ khí.
được đặt trong thiết bị phản ứng sinh học kỵ khí. Khí sinh học được nén trước rồi mới đưa qua thiết bị màng lọc. Hình 2.4c cũng tương tự, thiết bị màng lọc được đặt ở khoang ngồi của thiết bị phản ứng.
Q trình AnMBR là một cơng nghệ đầy hứa hẹn đáp ứng cả hai vấn đề là bảo vệ môi trường và sản xuất năng lượng. Thách thức chính của AnMBRs là vấn đề tắc nghẽn màng. Luồng màng bền vững trong AnMBRs thường nhỏ hơn so với các MBRs hiếu khí, do màng bám bẩn trong AnMBRs ngày một tăng. Vì vậy chiến lược kiểm sốt ơ nhiễm màng cần phải được nghiên cứu để giảm thiểu tắc nghẽn màng và tăng luồng màng. Ngoài ra, tối ưu hóa các điều kiện hoạt động cũng cần được kiểm tra để nâng cao năng suất metan và đạt được hiệu suất phục hồi năng lượng tốt hơn.
2.2.2 Sản xuất khí hydro
Hydro là một nguồn năng lượng lý tưởng. Nó đốt cháy để tạo thành chỉ có nước và có hàm lượng năng lượng cao. Gần đây, quá trình sản xuất H2 sinh học của quá trình lên men đã nhận được nhiều sự chú ý. Sản xuất H2 bằng quá trình lên men thường được thực hiện trong một lị phản ứng khuấy bình liên tục (CSTR) sử dụng vật liệu tái tạo như đường hoặc tinh bột. Việc kiểm soát tốc độ sản xuất hydro và sử dụng chất nền được giới hạn trong một CSTR thơng thường, tuy nhiên, vì thời gian lưu giữ chất rắn (SRT) là bằng với thời gian lưu trữ nước (HRT). MBRs có thể cải thiện sản xuất hydro sinh học bởi vì nó có thể duy trì mật độ tế bào cao hơn trong các phản ứng sinh học và tách các SRT từ HRT.
Tất cả các nghiên cứu được tiến hành ở quy mơ phịng thí nghiệm và chất trợ màng từ 5-60 L/m2/h đã đạt được . Đường đã được sử dụng như nguồn carbon, và các hệ thống AnMBR vận hành ở nhiệt độ trung bình, ngoại trừ một số nghiên cứu được áp dụng xử lý nước thải và vận hành ở nhiệt độ cao. Các cấu hình qua dịng chảy bên ngồi (Hình 2.4a), cấu hình màng ngập nước (Hình 2.4b) và màng ngập nước với màng bên ngồi (Hình 2.4c ) đều được sử dụng. Màng lọc sử dụng là màng vi lọc hoặc màng siêu lọc. Hiệu quả sử dụng nguồn carbon cao hơn 45% và đạt 100% trong hai nghiên cứu. Mức sản xuất hydro dao động từ 0-42 L/d hoặc 0,1- 2,75 L/L/h và lượng hydro chiếm 40-60% lượng khí sinh học. Lee et al. (2009b) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ FeSO4 như là một nguồn hợp chất sắt ảnh hưởng đến hiệu quả của sản xuất H2 liên tục trong một hệ thống MBR ngập nước. Nhận thấy rằng tỷ lệ sản xuất H2 tăng lên cùng với sự gia tăng nồng độ FeSO4 mặc
dù tỷ lệ F/M (nguyên liệu) đã được giảm. Do đó, họ đề xuất rằng hàm lượng FeSO4 là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cách lên men để sản xuất H2 trong MBRs.
Quy trình AnMBR là một cơng nghệ đầy hứa hẹn cho sản xuất hydro. Tuy nhiên, việc xác minh những lợi thế của AnMBRs thu được từ các nghiên cứu trong phịng thí nghiệm rất ít thực hiện. Một lĩnh vực thú vị là việc sử dụng cơng nghệ màng tách khí để tách hydro sinh học từ các khí sinh học được sản xuất, cung cấp sản phẩm H2 độ tinh khiết cao. Ngoài ra, vấn đề tắc nghẽn màng nên được giải quyết, khi hydro sản xuất các vi sinh vật có thể có những đặc điểm khác biệt so với các hệ thống MBR khác. Hơn nữa, các khía cạnh kinh tế của AnMBRs cần phải xem xét. Cuối cùng, chiến lược để cải thiện năng suất hydro cần phải được phát triển từ các nguồn carbon khác (ví dụ như xử lý nước thải và chất thải rắn) sản xuất hydro cần phải được kiểm tra.