1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KĨ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ
1.2.1. Quá trình phân hủy yếm khí
Phương trình tổng quát của phản ứng yếm khí phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ như sau:
CxHyOzNtSu + 1/4(4x - y - 2z + 3t + 2u) H2O 1/8(4x - y + 2z + 3t + 2u) CO2 + 1/8(4x + y - 2z - 3t - 2u) CH4 + tNH3 + uH2S (1)
Các phản ứng tạo thành khí mêtan từ axit axetic, CO2 và H2 dưới dạng các phương trình [75].
CH3COOH CH4 + CO2 (2) CH3COOH + 4H2 2CH4 + 2H2O (3) 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O (4)
Tính chung cho cả quá trình sinh học, các chất hữu cơ ban đẩu trải qua quá trình phân hủy yếm khí và sản phẩm cuối cùng chính là khí biogas (CH4 + CO2), trong đó CH4 chiếm khoảng 60% thể tích. Quá trình phân hủy yếm khí là tập hợp các phản ứng nối tiếp, song song và chia làm 4 giai đoạn được mô tả như sơ đồ trong Hình 1.1 [51].
Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí Thủy phân
Thủy phân là giai đoạn đầu tiên trong quá trình phân hủy yếm khí. Ở giai
đoạn này, các hợp chất hữu cơ không tan, phức tạp như cacbonhydrat (bao gồm cả xenlulo), protein và lipit bị thủy phân thành các phân tử hữu cơ hòa tan trong nước như đường, amino axit và các axit béo bởi các enzym như xenlulaza, amylaza, proteaza hay lipaza, … [81]. Quá trình thủy phân có thể là bước quyết định tốc độ phản ứng nếu chất phản ứng là các hạt chất rắn hoặc các hạt keo [101]. Trong khi đó nếu các chất phản ứng là chất dễ phân hủy thì bước quyết định tốc độ phản ứng là axetat hóa và mêtan hóa [32]. Sau khi các tiền chất được thủy phân, giai đoạn tiếp theo là chuyển hóa bởi các vi khuẩn lên men trong giai đoạn axit hóa.
Axit hóa
Trong giai đoạn axit hóa, các phân tử hữu cơ hòa tan sẽ được vi khuẩn lên men hoặc ôxi hóa yếm khí [47]. Các vi khuẩn này có thể là các vi khuẩn yếm khí bắt buộc hoặc tùy nghi. Trong hệ thống yếm khí ổn định, sản phẩm chính của quá trình này là axetat, carbon đioxit và hiđrô, các hợp chất trung gian như các axit béo, alcol không có nhiều. Giai đoạn này có hiệu suất tạo năng lượng cao hơn cho vi khuẩn và sản phẩm của quá trình có thể được sử dụng trực tiếp bởi các vi khuẩn mêtan hóa [93]. Tuy nhiên, khi nồng độ hiđrô và fomat cao, các vi khuẩn lên men sẽ đổi hướng, quá trình mêtan hóa sẽ bị ức chế. Các sản phẩm của giai đoạn axit hóa bao gồm khoảng 51% axetat, 19%
H2/CO2, và 30% các sản phẩm có tính khử, chẳng hạn như các axit béo dễ bay hơi (VFAs - Volatile Fatty Acids), rượu hoặc lactat [25]. Giai đoạn axit hóa thường được coi là giai đoạn nhanh nhất trong chuỗi các phản ứng phân hủy yếm khí các chất hữu cơ phức tạp [76].
Axetat hóa
Các chất trung gian được tạo thành trong gian đoạn axit hóa, bao gồm axit béo chứa hơn hai nguyên tử carbon, rượu có hơn một nguyên tử cacbon và các axit béo thơm phân nhánh. Những sản phẩm này không sử dụng được trực
tiếp trong mêtan hóa và cần tiếp tục bị oxy hóa thành acetat và H2 trong bước axetat hóa bằng vi khuẩn khử proton kết hợp với nguồn sử dụng hiđrô. Áp suất riêng phần H2 thấp là điều kiện thuận lợi cho phản ứng này [93]. Các sản phẩm từ axetat hóa trở thành các cơ chất cho giai đoạn cuối cùng của quá trình yếm khí là giai đoạn mêtan hóa.
Mêtan hóa
Trong giai đoạn mêtan hóa, axetat, H2 và CO2 được chuyển hóa thành CH4 và CO2 bởi vi khuẩn archaea (xem các phương trình 2-4). Nhóm vi khuẩn này có thể tiêu thụ trực tiếp axetat, H2/CO2 và các hợp chất chứa một cacbon khác, chẳng hạn như fomat và metanol [93]. Trong hệ yếm khí thông thường, axetat là tiền chất để tạo khoảng 70% mêtan, 30% còn lại là từ H2/CO2 [64].
Hơn nữa, chuyển hóa qua lại giữa hiđrô và axetat được xúc tác bởi các vi khuẩn axetat hóa đồng thể cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành mêtan. Các vi khuẩn này có thể oxy hóa hoặc tổng hợp axetat tùy thuộc vào nồng độ hiđrô trong hệ [65]. Quá trình mêtan hóa hiđrô tốt hơn ở áp suất riêng phần hiđrô cao, trong khi quá trình mêtan hóa axit axetic không phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hiđrô. Ở nhiệt độ cao hơn, hướng ôxi hóa axetat thuận lợi hơn [93]. Sự tạo thành mêtan từ bước ôxi hóa axetat có thể đóng góp tới 14% tổng chuyển hóa axetat thành mêtan trong điều kiện nhiệt độ 60°C [84].