Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí bao gồm: điều kiện môi trường phân hủy (nhiệt độ, pH), mức độ khuấy trộn (chuyển khối), đặc trưng ô nhiễm của nước thải, thành phần dinh dưỡng, các yếu tố gây độc, ức chế vi khuẩn hoạt động và chế độ vận hành (tải lƣợng thủy lực, tải lƣợng hữu cơ…..).
Ảnh hưởng của pH và độ kiềm
Vi sinh yếm khí thuộc loại nhạy cảm với pH, trong đó vi khuẩn metan hóa là loại nhạy cảm nhất với khoảng pH tối ƣu cho nó là 6,8 – 7,4. Do sự nhạy cảm của vi khuẩn metan hóa và sự dịch chuyển cân bằng của quá trình oxy hóa nên hệ sẽ hoạt động không ổn định trong vùng pH thấp. Ví dụ ở nồng độ axit cao trong hệ xử lý khi vận hành với hàm lƣợng hữu cơ cao. Nếu tốc độ hình thành axit cao hơn tốc độ metan hóa (chỉ sử dụng axit axetic và H2) thì lƣợng axit tích lũy sẽ làm giảm pH.
23
Giảm pH tiếp tục ảnh hưởng tiêu cực lên VK metan hóa và tiếp tục làm giảm pH môi trường phản ứng, pH thấp không những có tác động tiêu cực đến hoạt động của VSV mà trong điều kiện đó một loạt các chát hóa học có tính khử (chất cho điện tử) tồn tại ở trạng thái dễ bay hơi: axit hữu cơ, hiđrosun phua ở dạng trung hòa gây mùi, tại pH cao chúng tồn tại ở dạng phân ly.
Nhiệt độ
Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy mà còn ảnh hưởng tới cả hiệu quả xử lý. Vi sinh vật sinh khí metan có các loại (xung quanh khoảng 10ºC, ƣa ấm và ƣa nhiệt) ở các khoảng nhiệt độ khác nhau ví dụ với vi sinh vật sinh khí metan loại ƣa ấm chúng phát triển mạnh nhất trong khoảng 25- 40 ºC, nhiệt độ tối ƣu cho sự phân hủy là ở 35 ºC, loại ƣa nhiệt phát triển mạnh trong khoảng 50- 65 ºC, nhiệt độ tối ƣu là 55 ºC. Hệ thống phân hủy ƣa ấm và ƣa nhiệt là hai hệ thống thích hợp nhất cho quá trình phân hủy yếm khí, trong đó thì hệ thống ƣa nhiệt có khả năng sinh nhiều khí biogas hơn [15;16].
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 sẽ làm tăng khả năng hòa tan của các hợp chất hữu cơ, tăng tốc độ các phản ứng sinh hóa và tăng cường khả năng tiêu diệt mầm bệnh. Theo nghiên cứu của tác giả Bolzonella và cộng sự (2012) [15] khi tiến hành phân hủy yếm khí bùn hoạt tính trong điều kiện ƣa ấm (35ºC) và ƣa nhiệt (55ºC), kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD tăng từ 35% trong điều kiện ƣa ấm lên đến 45% trong điều kiện ƣa nhiệt. Nghiên cứu của tác giả Cecchiet và cộng sự (1991), khi tiến hành xử lý bùn thải trong hai điều kiện phân hủy yếm khí với quá trình nạp liệu liên tục (thời gian thí nghiệm là 20 ngày) cho thấy tổng lƣợng chất rắn (VS) bị loại bỏ tăng từ 20% trong điều kiện ƣa ấm lên 44% trong điều kiện ƣa nhiệt [15;16]. 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 đƣợc sinh ra làm tăng pKa sẽ gây ức chế cho hệ phản ứng. Tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao thường phải duy trì nhiệt độ ổn định nên khó khống chế hơn so với tiến hành ở nhiệt độ trung bình
24
[15]. Điều quan trọng trong tiến hành xử lý bằng phương pháp phân hủy yếm khí cả trong điều kiện ƣa nhiệt hay ƣa ấm 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 hưởng đến hoạt động của vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn sinh CH4 [15].
Hình 1.2. Nhiệt độ và các nhóm vsv tương ứng trong phân hủy yếm khí [15]
Thời gian lưu trong quá trình phân hủy yếm khí
Đối với phân động vật thời gian phân huỷ hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng. Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian này kéo dài tới hàng năm. Tuy nhiên tốc độ sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau tốc độ sinh khí càng giảm. Quá trình phân huỷ của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định. Vì thế người ta phải lựa chọn thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất và sản lƣợng khí thu đƣợc chiếm khoảng 75% tổng sản lƣợng khí của nguyên liệu.
Một số loại vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí
Những vi khuẩn yếm khí gặp ở tất cả mọi nơi trong thiên nhiên đặc biệt ở những nơi rác bẩn, cống rãnh…, ở những nơi có nhiều chất hữu cơ bị phân hủy.
Các nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí đƣợc chia thành hai nhóm: Nhóm vi khuẩn tạo axit và nhóm vi khuẩn sinh metan.
Nhóm vi khuẩn tạo axit: Nhóm này bao gồm cả vi khuẩn yếm khí và vi khuẩn yếm khí không bắt buộc.
Ƣa lạnh
Ƣa ấm
Ƣa nhiệt
25
Hình 1.3. Nhóm vi sinh vật thủy phân chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo axit [15].
Các vi khuẩn yếm khí loại này thường là gram (-), không sinh bào tử, chuyển hóa Polysacarit thành axit axetic, axit butyric và CO2, có một số loài còn sinh ra H2
[15].
Nhóm vi khuẩn sinh Metan: Những vi khuẩn này sống kỵ khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinh trưởng và phát triển chậm. Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính là gram(-), không di động, đa số không sinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt.
Hình 1.4. nhóm vi khuẩn tạo Metan [15]
26
Ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu ban đầu
Trong nước thải tồn tại thành phần chất hữu cơ tan và không tan.Thành phần hữu cơ tan đƣợc phân chia tiếp tục thành loại dễ và khó sinh hủy. Thành phần khó phân hủy là những chất hữu cơ có phân tử lƣợng lớn, cần đƣợc chuyển hóa thành loại nhỏ hơn qua quá trình thủy phân để vi khuẩn axit hóa có thể tiêu thu đƣợc. Để phân hủy các thành phần trên cần hệ hoạt động với tuổi bùn cao. Đặc trƣng quan trọng nhất của hệ xử lý yếm khí cao tải là khả năng tích lũy bùn, tăng thời gian lưu tế bào.
Hàm lượng tổng chất rắn (TS) của mẫu ủ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất phân hủy, hàm lƣợng chất rắn hòa tan quá cao không đủ hòa tan các chất cũng nhƣ không đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Hàm lƣợng tổng chất rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền [12].
Tỷ lệ cacbon và nitơ (C/N): Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 20 – 30 lần, tương ứng với đó là tỷ lệ C/N trong vùng thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí là 20/1 đến 30/1 và tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 25/1 là tối ƣu [17;21;25]. Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dƣỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngƣợc lại, tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao.
Quá trình phân hủy sinh học yếm khí có sự tham gia của rất nhiều vi khuẩn khác nhau, trong đó các vi khuẩn sinh metan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc. Quá trình phân hủy yếm khí cũng đòi hỏi thành phần dinh dưỡng như là photpho, nitơ, lưu huỳnh, vitamin và các yếu tố vi lƣợng nhƣ Fe, Ni, Mg, Ca, Ba, Tu, Mo, Se, Co. Các yếu tố này nếu ở hàm lƣợng thấp sẽ kích thích sự sinh trưởng của vi sinh vật. Tuy nhiên nếu ở hàm lượng cao sẽ trở thành yếu tố ức chế hoặc gây chết vi sinh vật. Các yếu tố gây độc đến vi sinh vật yếm khí rất nhiều nhƣ là oxi, hydrocarbon có Clo, hợp chất có vòng benzen, focmandehit, axit bay hơi, axit mạch kéo dài, kim loại nặng.
Trong quá 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, dễ phân hủy và chậm
27
hơn đối với các chất có khối lƣợng phân tử lớn, khó phân hủy. Ví dụ: rác nhà bếp và rác vườn sẽ khác nhau về khả năng phân hủy bởi rác vườn chủ yếu là cành lá cây với thành phần lignocenlulo 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 trưởng của hệ vi sinh vật hoặc làm ngừng toàn bộ hoạt động của chúng. Trong quá 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 quá trình phân hủy yếm khí vi sinh vật vẫn cần sử dụng các yếu tố vi lượng thiết yếu cho sự phát triển của chúng nên trong một số trường 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.
Bảng 1.10. Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA,1979) [12]
Nhân tố Nồng độ gây ức chế mg/L
Axit hữu cơ > 2000(a) 1500 -3000 (ở pH > 7,6)
Nitơ amôn > 2000
Sulfide (hòa tan) > 3000 gây độc
Ca 2500 – 4500 và 8000 ức chế mạnh
Mg 1000 – 1500 và 3000 ức chế mạnh
K 2500 – 4500 và 12000 ức chế mạnh
Na 3500- 5500 và 8000 ức chế mạnh
Đồng 0,5
Cadimi 150
Sắt 1710
Cr6+ 3
Cr3+ 500
Nikel(b) 2
Ghichú:
(a)Trong khoảng pH từ 6,6 - 7,4 và với khả năng đệm thích ứng, các VK có thể chịu được nồng độ axit hữu cơ từ 6000- 8000mg/L.
28
(b)Nikel ở nồng độ thấp làm tăng quá trình sinh khí metan.
Qua tìm hiểu đặc điểm sinh lý các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí ta nhận thấy có một số chất gây ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí:
+/ Một số các hợp chất nhƣ CCl4, CHCl3, CH2Cl2… và các ion tự do của các kim loại nặng có nồng độ 1 mg/l sẽ thể hiện tính độc đối với các vi sinh vật yếm khí.
+/ Các hợp chất nhƣ formandehit, SO2, H2S với nồng độ 50 – 400mg/l sẽ gây độc hại với các vi sinh vật yếm khí trong công trình xử lý nước thải.
+/ S2- đƣợc coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo metan. Vì S2- làm kết tủa các nguyên tố vi lƣợng nhƣ Fe, Ni, Co, Mo… do đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, đồng thời các electron giải phóng ra từ quá trình oxi hóa các chất hữu cơ sử dụng cho quá trình sunfat hóa và làm giảm quá trình sinh khí metan.
+/ Các ion kim loại nặng, chúng đóng vai trò là các nguyên tố vi lƣợng giúp cho các vi sinh vật phát triển thuận lợi nhƣng nếu vƣợt quá các giá trị cho phép sẽ gây độc cho các vi sinh vật yếm khí. Người ta xác định được tính độc của các ion kim loại đến vi sinh vật này nhƣ sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni.
Quá trình phân hủy yếm khí và hiếu khí
Với cùng chung mục đích xử lý hợp chất hữu cơ, ta có so sánh giữa xử lý hiếu khí và xử lý yếm khí thì xử lý yếm khí có những lợi thế nhƣ ít tốn kém năng lƣợng vận hành, lƣợng bùn thải thấp, nhu cầu về thành phần dinh dƣỡng (N, P, K) thấp, mức độ chịu tải cao, thu hồi nhiên liệu ở dạng khí metan. Nhược điểm của phương pháp thể hiện qua các đặc trƣng: tốc độ chậm, dễ nhạy cảm bởi các độc tố, sản phẩm tạo thành có mùi hôi, tính ăn mòn cao và không bền, hoạt động trong vùng pH hẹp, không chịu đƣợc pH thấp. Các ƣu và nhƣợc điểm của phân hủy yếm khí đƣợc thể hiện nhƣ ở Bảng 1.11 sau.
29
Bảng 1.11: Ƣu điểm và nhƣợc điểm của phân hủy yếm khí so với hiếu khí [11].
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
- Giá thành vận hành thấp - Lƣợng bùn hình hành thấp - Ít gây phát tán dạng sol khí - Bùn có tính bền cao
- Sản phẩm metan sử dụng làm nhiên liệu.
- Nhu cầu dinh dƣỡng thấp do tốc độ phát triển chậm và mức độ phân hủy nội sinh cao.
- Vi khuẩn có thể hoạt động theo mùa do khả năng tồn tại dài ngày trong điều kiện bị bỏ đói.
- Giá thành xây dựng cao - Thường phải cấp thêm nhiệt - Thời gian lưu thủy lực dài
- Hình thành sản phẩm gây mùi hổi và ăn mòn cao.
- Khả năng diệt khuẩn gây bệnh kém.
- Hình thành khí H2S
- Tốc độ phát triển chậm dẫn đến kéo dài thời gian khởi động hệ xử lý.
- Chỉ sử dụng làm giai đoạn tiền xử lý
Hình 1.5. Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí [12]
Hệ thống yếm khí
Hệ thống hiếu khí
70-90% biogas
40-50% CO2
COD đầu ra 10-30%
COD đầu vào 100%
Bùn thải 5-15%
COD đầu ra 10-30%
COD đầu vào 100%
Bùn thải 50-60%
30
Với cùng một nguồn COD đầu vào mô hình xử lý hiếu khí tạo ra sản phẩm khí là CO2 và lƣợng bùn thải ra là 50 - 60% nhƣng với yếm khí thì lại tạo ra 70 - 90%
khí biogas và lƣợng bùn thải ra rất thấp 5 - 15%. Do đó xử lý yếm khí có ƣu thế về mặt thực hiện cũng nhƣ hiệu quả kinh tế cao hơn xử lý hiếu khí.
Một trong những khác biệt quan trọng giữa xử lý yếm khí và hiếu khí là xử lý yếm khí thực hiện trong không gian kín, môi trường khí do chính hoạt động của chúng tạo thành và có thành phần khác hẳn so với không khí. Sản phẩm chính hình thành từ sự phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí là khí cacbonic và metan.
Như vậy trước thực trạng về các loại bùn thải và chất thải phát sinh ngày càng lớn, trong khi đó với những ưu điểm của phương pháp phân hủy kỵ khí nên tôi tiến hành nghiên cứu về khả năng đồng phân hủy kỵ khí bùn bể phốt, bùn hoạt tính dƣ từ trạm xử lý nước thải và chất thải rắn sinh hoạt giàu hữu cơ để xử lý các loại bùn thải, rác thải nhằm đánh giá khả năng thu hồi khí metan có giá trị nhƣ một nguồn năng lƣợng tái tạo.
31