7 10 18a 20a 21 23a 23b 24 25a 25b
3.6.2. Vận hành mơ hình
Q trình chuyển hóa chất hữu cơ tại các mơ hình được đánh giá thơng qua mức giảm COD hòa tan và tăng tỷ lệ methane trong khí biogas sinh ra (Bảng 3.7, Hình 3.17).
Có thể thấy rằng khi khơng bổ sung nguồn BKM vào các mơ hình làm đối chứng MH1A và MH1B, quá trình loại COD diễn ra ở mức thấp (loại được 23% COD sau 90 ngày trong mơ hình MH1B (với bùn đầm tôm là
nguồn cơ chất) hoặc hồn tồn khơng diễn ra ở mơ hình MH1A (với rong biển là cơ chất).
Bảng 3.7. Sự biến động của COD (mg/L) trong các mơ hình nghiên cứu
Mơ hình
Hàm lượng COD (mg/L) Tỷ lệ COD được loại (%) Ban đầu 60 ngày 90 ngày 60 ngày 90 ngày
MH1A 7200 7200 7200 0 0 MH1B 3900 3170 3000 18,7 23 MH2 9760 6240 2640 36 73 MH3A 12560 4520 2800 64 77,7 MH3B 12560 4480 240 64,4 98
Hình 3.17. Sự biến động COD (A) và tỷ lệ methane (B) trong các mơ hình
thí nghiệm phân hủy kỵ khí
Việc bổ sung nguồn BKM để khởi động có tác dụng rõ rệt tại các mơ hình cịn lại (MH2, MH3A, MH3B). Q trình phân hủy kỵ khí trong các mơ hình MH2, MH3A và MH3B đã diễn ra tích cực (Hình 3.17A). Đặc biệt ở mơ hình MH3B, 64,4 % COD đã bị loại sau 60 ngày (từ 12560 mg/L còn 4480 mg/L) và 98% COD đã bị loại tiếp tục (còn 240 mg/L) sau 90 ngày.
A B T ỷ lệ CH4 sin h r a (%)
Kết quả xác định thành phần methane sinh ra trong các mơ hình cũng tỷ lệ thuận với sự biến động hàm lượng COD (Hình 3.17B). Ở thời điểm 60 ngày, khí methane chiếm 25,5% tổng lượng khí sinh ra trong mơ hình MH2 và tới gần 40% trong các mơ hình MH3A và MH3B. Ở thời điểm 90 ngày, trong khi tỷ lệ methane ở mơ hình MH2 và MH3A chỉ tăng tới mức 50% thì ở mơ hình MH3B tỷ lệ methane lên tới 81,8%. Đây là hiệu suất chuyển hóa sinh học rất cao, thậm chí tương đương hoặc cao hơn so với một số hệ thống phân hủy kỵ khí sinh methane ở điều kiện nước ngọt như cơng trình của Nasir và cộng sự đã cơng bố (Nasir et al, 2012).
Mặc dù vậy, thời gian phân hủy kỵ khí ở điều kiện nước mặn trong các mơ hình thí nghiệm dài hơn đáng kể so với ở điều kiện nước ngọt (thường loại được tới 90% COD trong 30 ngày) (Lettinga, 1995). Sự có mặt của các nguồn chất thải hữu cơ dễ phân hủy như bùn đầm tôm, hay đặc biệt là chất thải chăn nuôi là một yếu tố làm tăng hiệu suất cũng như tốc độ phân hủy. Hàm lượng muối cao (như tại mơ hình MH1A, 26 g NaCl/L) có thể đã ức chế q trình phân hủy.
Bên cạnh đó, việc bổ sung Na-molybdate (1 mM) vào mơ hình MH3B khơng những làm tăng mức chuyển hóa sinh methane mà cịn tăng cả hiệu suất loại COD nói chung. Hiện tượng này có thể giải thích là việc bổ sung Na- molybdate vào mơ hình đã làm ức chế vi khuẩn khử sulfate, tạo điều kiện cho VSVSMT sinh trưởng. Tác dụng của Na-molybdate trong các bể lên men kỵ khí sinh methane cũng đã được chứng minh ở nhiều công bố quốc tế khác (Oremland và Cappon, 1988; Schulz và Zabel, 2006).
Một trong những nghiên cứu đầu tiên về khả năng sử dụng rong biển làm cơ chất để sinh biogas được nhóm nghiên cứu ở Đại học Kiel (Đức) thực hiện (Schramm và Lehnberg, 1984). Nhóm tác giả đã sử dụng tảo lục Percusaria
percursa làm nguồn chất hữu cơ cho q trình phân hủy kỵ khí ở độ muối 15
– 17 g/L và bổ sung 10 – 30% bùn hoạt tính đã thích nghi trước đó với điều kiện nước mặn để khởi động. Thí nghiệm đã được vận hành theo mẻ tạo biogas với tỷ lệ methane đo được cao nhất đạt 58,3% sau 90 ngày. Kết quả cho thấy vận hành ở mơi trường có hàm lượng muối cao khơng đáp ứng mục đích sản xuất biogas với hiệu quả cao, do vậy các bể phân hủy kỵ khí sau này với các nguồn cơ chất từ môi trường biển thường sử dụng muối ở nồng độ thấp hơn bằng cách bổ sung nước ngọt vào hỗn hợp cơ chất. Một nhóm các nhà khoa học của Nhật Bản thực hiện nghiên cứu phân hủy kỵ khí nguồn cơ chất rong biển Ulva sp. và Laminaria sp. với nước ngọt được bổ sung vào bể phản ứng để tạo điều kiện phù hợp cho chuyển hóa sinh học (Matsui et al,
2006). Quy trình vận hành liên tục với thời gian lưu của cơ chất trong trong khoảng 25 – 30 ngày ở chế độ phân hủy kỵ khí nóng (55C) tạo được khí sinh học với 60% methane, qua đó ước tính 1 tấn rong có thể tạo ra 22 kl methane.
Mặt khác, với mục tiêu chính là xử lý chất thải trong môi trường, vận hành các hệ thống phân hủy kỵ khí ở điều kiện nước mặn vẫn được quan tâm nghiên cứu. Gamal-El-Din đã tiến hành nghiên cứu so sánh việc sử dụng nước biển và nước lợ để bổ sung vào hỗn hợp phân hủy kỵ khí với nồng độ muối tương ứng 40 g/L và 20 g/L (Gamal,1986). Kết quả cho thấy sau 60 ngày vận hành hệ thống, tổng lượng khí sinh ra ở điều kiện nước lợ cao gấp 2,3 lần so với ở điều kiện nước biển, tuy nhiên sự tăng tốc độ tạo khí sinh học đã quan sát thấy được ở giai đoạn cuối của hệ thống vận hành ở điều kiện nước biển, chứng tỏ việc thích nghi chậm của hệ vi sinh vật (trong đó có VSVSMT) ở đây.
Trong một nghiên cứu gần đây sử dụng sinh khối vi tảo để tạo khí sinh học ở điều kiện muối khác nhau từ 15 đến 150 g/L, nghiên cứu của Mottet và
cộng sự cho thấy q trình tạo khí methane bị ức chế ở nồng độ muối trên 35 g/L, trong khi đó các nhóm vi sinh vật thủy phân, phân hủy kỵ khí sinh axit và nhóm vi khuẩn sinh acetate vẫn hoạt động tốt ở nồng độ muối lên tới 150 g/L (Mottet et al, 2014). Như vậy, nếu có các nguồn VSVSMT thích nghi với điều kiện muối cao thì việc vận hành hệ thống xử lý ở điều kiện nước lợ và nước mặn hồn tồn có thể chủ động thực hiện.