Chƣơng 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí trong xử lý bùn thải đơ thị
1.3.1. Cơ sở của phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí
Trong tự nhiên, vi khuẩn sinh khí CH4 đƣợc tìm thấy tại những nơi có sự
phân hủy của các hợp chất hữu cơ trong điều kiện thiếu O2 nhƣ khu vực đầm lầy hay trầm tích sơng, hồ, biển…Ngồi ra, vi khuẩn sinh khí CH4 cũng đƣợc tìm
thấy trong dạ dày của lồi động vật nhai lại. Hệ vi sinh vật phân giải chất hữu cơ sinh khí CH4 là hệ vi sinh vật kỵ khí. Do chúng chỉ sống, sinh trƣởng và hoạt động trong môi trƣờng không tồn tại O2.
Khi năng lƣợng đƣợc giải phóng trong q trình phân hủy của chất hữu cơ trong điều kiện khơng có O2, nếu trong hỗn hợp tồn tại 1/7 tỷ lệ vi sinh vật hiếu khí so với vi sinh vật kỵ khí sẽ làm cho tốc độ phát triển của hệ vi sinh vật kỵ khí bị chậm lại [17]. Q trình phân hủy yếm khí là một q trình phức tạp, địi hỏi khắt khe điều kiện khơng tồn tại ơxi trong hệ phân hủy (thế ơxi hóa khử của hệ phân hủy phải luôn < -200 mV) [12]. Ngồi ra, q trình này cũng phụ thuộc
hồn tồn vào sự hoạt động tƣơng hỗ và kết hợp phức tạp của tập đồn vi sinh vật trong việc chuyển hóa tối đa chất hữu cơ thành CO2 và CH4.
Quá trình phân giải chất hữu cơ và tạo thành CH4 phải trải qua các giai đoạn trung gian do chức năng và sự hoạt động của mỗi nhóm vi sinh vật trong tập đồn vi sinh vật là khác nhau. Dựa trên các yếu tố tác động tới q trình sinh khí CH4, có thể chia q trình hình thành khí CH4 thành 03 giai đoạn khác nhau (Hình 1.1).
Hình 1.1. Các giai đoạn trong q trình phân hủy yếm khí [5, 17]
Trong giai đoạn đầu, các hợp chất hydrocacbon có khối lƣợng phân tử lớn (chất béo, protein), cũng nhƣ các hợp chất hữu cơ khó tan tác dụng với nƣớc tạo thành đƣờng, axít béo, amino axít, axít nucleic và các hợp chất hữu cơ có khối lƣợng phân tử nhỏ dễ tan vào trong nƣớc hơn dƣới tác dụng của nhóm vi sinh vật lên men. Giai đoạn này đƣợc gọi là giai đoạn thủy phân (hydrolysis).
Giai đoạn tiếp theo là sự hình thành các axít (acidogenesis). Các hợp chất hữu cơ bị lên men dƣới tác dụng của nhóm vi khuẩn tạo axít hình thành axít propionic, butyric, khí H2, khí CO2. Một lƣợng nhỏ rƣợu cùng với một số sản phẩm phụ khác (NH3, H2S…) cũng đƣợc sinh ra trong giai đoạn này.
Trong tập đồn vi sinh vật, các nhóm vi sinh vật khác nhau có sự cộng sinh với nhau. Khi H2 sinh ra trong giai đoạn trƣớc với lƣợng quá cao sẽ gây ức
chế cho nhóm vi sinh vật tạo axeton, nhóm vi sinh vật này muốn hoạt động đƣợc Vi sinh vật lên men
Thủy phân
Hình thành axít
Hình thành axít axetic
Sinh khối đầu vào
Đƣờng, amino axít Axít béo
Axít hữu cơ, rƣợu
Axít axetic H2, CO2
Metan
Vi sinh vật lên men
Vi sinh vật sinh axeton
phải phụ thuộc vào nhóm vi sinh vật sinh CH4 lấy bớt đi H2 để tạo môi trƣờng thuận lợi cho sự phát triển của chúng. Kết hợp hai q trình tạo axít và q trình sinh CH4 là giai đoạn thứ 3 của q trình phân hủy yếm khí hay cịn gọi là giai đoạn sinh khí metan (methanogenesis) (Hình 1.1).
1.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình phân hủy yếm khí 1.3.2.1. Ngun liệu đầu vào
Trong q 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 tồn bộ hoạt động của chúng. Trong q 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 các yếu tố vi lƣợng thiết yếu cho sự phát triển của chúng nên trong một số trƣờng 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.
1.3.2.2. 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 (VFA) tạo thành trong q 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 [12].
1.3.2.3. 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).
Dựa trên các khoảng nhiệt độ tối ƣu cho hoạt động của nhóm vi khuẩn sinh khí CH4, khi xử lý chất thải hữu cơ bằng phƣơng pháp phân hủy yếm khí thƣờng đƣợc tiến hành trong các khoảng nhiệt độ nêu trên trong sự tối ƣu các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ phản ứng nhằm đạt hiệu suất sinh khí CH4 cao nhất.
Rõ ràng nhiệt độ là yếu tố ảnh hƣởng mạnh lên hoạt động của tập đoàn vi sinh vật qua đó ảnh hƣởng lên hiệu quả của q trình phân hủy yếm khí. Nhóm vi khuẩn sinh axeton (acetotropic) và nhóm vi khuẩn sinh metan (methanogens) là những vi khuẩn rất nhạy cảm với sự tăng nhiệt độ phản ứng. Sự phân hủy của các muối propionat và butyrat cũng rất nhạy cảm với điều kiện nhiệt độ cao hơn 71oC. Nhiệt độ ảnh hƣởng rõ nét đối với áp suất riêng phần của khí H2 trong hệ phân hủy yếm khí qua đó ảnh hƣởng đến động học của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Một số phản ứng thu nhiệt nhƣ đối với phản ứng chuyển hóa muối propionat thành axetat, CO2 và H2 sẽ diễn ra thuận lợi hơn trong điều kiện
nhiệt độ cao. Trong khi đó, các phản ứng tỏa nhiệt sinh ra H2 và CH4 lại khơng thích hợp với điều kiện nhiệt độ cao.
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 et al., 2012)[19] 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. Nghiên cứu của tác giả (Cecchi et al., 1991)[28], khi tiến hành xử lý bùn thải trong hai điều kiện phân hủy yếm khí với q trình nạp liệu liên tục (HRT = 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. 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) [27]. Điều quan trọng trong tiến hành xử lý bằng phƣơng pháp phân hủy yếm khí cả trong điều kiện thermophilic hay mesophilic là phải duy trì một nhiệt độ ổn định, sự 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 [12].
1.3.2.3. 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 khơng 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 phân hủy yếm khí.
1.3.3. Các kỹ thuật ứng dụng phƣơng pháp lên men yếm khí trong xử lý bùn thải đô thị và rác thải hữu cơ
Khi áp dụng phƣơng pháp lên men yếm khí xử lý bùn thải thốt nƣớc đơ thị cũng nhƣ một số loại chất thải hữu cơ khác, hiện tƣợng tạo váng, tạo mảng bám dính vào thiết bị gây khó khăn trong hoạt động của hệ thống là các hiện tƣợng thƣờng gặp. Bởi vậy, việc phát triển các kỹ thuật dựa trên nguyên lý của phƣơng pháp lên men yếm khí là cần thiết để có thể áp dụng một cách linh động phƣơng pháp này đối với nhiều loại chất thải hữu cơ khác nhau với điều kiện ban đầu khác nhau, nhằm tối ƣu hóa q trình xử lý sao cho hiệu quả thu đƣợc cao nhất.
Một số kỹ thuật phổ biến đƣợc nghiên cứu và ứng dụng bao gồm: - Kỹ thuật lên men khô.
- Kỹ thuật lên men ƣớt một giai đoạn. - Kỹ thuật lên men ƣớt hai giai đoạn.
Nguyên liệu đầu vào trong trƣờng hợp lên men yếm khí khơ có độ ẩm khoảng 65%. Trong khi đó nguyên liệu đƣa vào hệ lên men ƣớt độ ẩm phải từ 80 - 95%. Khi nguyên liệu đầu vào không đạt độ ẩm mong muốn, nƣớc thƣờng đƣợc bổ sung vào đối với trƣờng hợp lên men ƣớt sao cho đạt độ ẩm tối ƣu. Trong phƣơng pháp lên men ƣớt hai giai đoạn, nguyên liệu đƣợc đƣa vào hệ phân hủy qua hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất, nguyên liệu trải qua quá trình thủy phân giúp phân giải các chất khó phân hủy thành chất dễ phân hủy. Giai
đoạn thứ hai, nguyên liệu đƣợc chuyển sang thiết bị sinh khí CH4 sau khoảng thời gian trong thiết bị sinh CH4, sản phẩm rắn còn lại tiếp tục đƣợc chuyển qua giai đoạn phân hủy hiếu khí chế biến phân hữu cơ. Kỹ thuật lên men yếm khí ƣớt hai giai đoạn làm tăng hiệu quả xử lý lên rất nhiều do phần hữu cơ dễ phân hủy đƣợc chọn lọc cho q trình sinh khí CH4 chiếm đầy thể tích của thiết bị
phản ứng. Tuy nhiên, phƣơng pháp lên men ƣớt còn hạn chế bởi hiện tƣợng tạo váng và bám dính. Vấn đề này đƣợc giải quyết bằng hai kỹ thuật đƣợc áp dụng phổ biến hiện nay đó là sử dụng bơm tuần hồn (percolate) và khuấy trộn bằng động cơ cánh khuấy (elute) nguyên liệu trong quá trình phân hủy. Lên men ƣớt hai giai đoạn mang lại hiệu quả cao bởi nó cho phép tạo ra điều kiện tối ƣu tại các giai đoạn của q trình phân hủy. Kỹ thuật này rất thích hợp trong việc xử lý bùn thải đơ thị. Hơn nữa, biogas sinh ra có chất lƣợng tốt, hàm lƣợng khí CH4 cao hơn do khí CO2 đã bị loại bỏ trong quá trình thủy phân tại giai đoạn đầu của q trình.
Thơng thƣờng các kỹ thuật lên men nhƣ: lên men khô, lên men ƣớt, lên men ƣớt hai giai đoạn đều có thể tiến hành ở điều kiện lên men ấm (mesophilic) với nhiệt độ trong khoảng 37 - 38oC hay điều kiện lên men nóng (thermophilic) với nhiệt độ 50 - 57o
C. Tuy nhiên, trong từng trƣờng hợp cụ thể có thể lựa chọn nhiệt độ phù hợp ở mỗi khoảng nhiệt độ nói trên để tiến hành q trình phân hủy yếm khí.
Bảng 1.4. Tổng hợp các kỹ thuật trong phƣơng pháp lên men yếm khí
Kỹ thuật/điều kiện Lên men khô Lên men ƣớt
Một giai đoạn Hai giai đoạn
Các kỹ thuật phụ trợ áp dụng
- Bơm tuần hoàn (percolate). - Cánh khuấy (elute).
- Bơm tuần hồn (percolate). - Cánh khuấy (elute).
Loại rác thích hợp Rác thải hữu cơ từ
rác thải sinh hoạt, rác chợ. Bùn thải thoát nƣớc, rác từ dịch vụ nhà hàng, khách sạn. Bùn thải thoát nƣớc, rác từ dịch vụ nhà hàng, khách sạn.
Điều kiện nhiệt độ - Mesophilic
- Thermophilic - Mesophilic - Thermophilic - Mesophilic - Thermophilic Độ ẩm vật liệu 65 - 70% 80 - 95% 80 - 95%
Ƣu điểm - Thiết bị phản
ứng nhỏ gọn. - dòng vật liệu - Dễ dàng áp dụng các thiết bị khuấy trộn phụ trợ. - Dễ dàng áp dụng các thiết bị khuấy trộn phụ trợ.
Kỹ thuật/điều kiện Lên men khô Lên men ƣớt
Một giai đoạn Hai giai đoạn
không quá lớn. - Biogas tạo thành
và thoát ra dễ dàng.
- Biogas tạo thành và thoát ra dễ dàng.
- Hiệu suất sinh biogas cao. - Hàm lƣợng khí metan cao.
Nhƣợc điểm - Khó khăn khi áp
dụng kỹ thuật đảo trộn. - Khó phân hủy. - Thiết bị phản ứng cần có thể tích lớn. - Dòng nguyên liệu vào lớn.
- Tiêu tốn cho việc