Về nguyên tắc quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị
khí gồm 2 giai đoạn chính:
+ Giai đoạn 1. ( giai đoạn thủy phân ) dưới tác dụng của men do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ trong nứơc thải sẽ bị thủy phân cacbonhyđrat phức tạp sẽ thành đường đơn giản, protit sẽ thành peptit thấp phân tử và axit amin, mỡ sẽ
thành glyxerin và axit béo.
+ Giai đoạn 2 ( giai đoạn tạo khí ) sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ
tiếp tục bị phân giải và tạo sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các khí chủ yếu là CO2 và CH4, ngồi ra cịn tạo một ít muối khống. Tốc độ và mức độ phân hủy kị
khí các chất bẩn hữu cơ tùy thuộc bản chất hĩa học của chúng.
Những cacbonhydrat bị phân hủy nhanh nhất và hầu hết chuyển thành CO2 và CH4. Các hợp chất hữu cơ hịa tan cũng bị phân hủy hầu như hồn tồn: axit béo tự do khoảng 80% - 90%, axit béo loại este khoảng 65%-68%, linhin khĩ bị phân giải nhất và là nguồn gốc tạo ra mùn đất.
Theo Eckenfelder w.w., quá trình lên men kị khí nước thải chứa các chất hữu cơđược chia ra 3 giai đoạn:
- Giai đoạn từ từ chấm dứt lên men axit. - Giai đoạn lên men kiềm ( tạo khí metan ).
Giai đoạn lên men axit.
H2A → Các axit hữu cơ: CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH
Ở giai đoạn này những cacbonhydrat ( đường, tinh bột, chất xơ...) rất dễ bị
phân hủy sinh hĩa và thành axit béo với trọng lượng phân tử thấp như: axit axetic, butyric, propinic. Một phần những chất béo – mỡ cũng phân hủy ở giai
đoạn này thành axit béo. Đặc trưng cho giai đoạn này là tạo thành axit, pH của mơi trường giảm xuống 5 và thấp hơn nữa, cĩ kèm theo mùi thối.
Giai đoạn chấm dứt lên men axit.
Các axit hữu cơ và các hợp chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo thành các hợp chất amon, amin, muối của axit cacbonic, một ít khí CO2, N2, CH4, H2... pH của mơi trường dần dần tăng lên. Mùi của hỗn hợp lên men rất khĩ chịu do thành phần H2S, Indol, Skatol và mercaptan. Dưới tác dụng của các loại men bùn cĩ màu đen, nhớt và tạo bọt nổi lên rồi thành màng.
VK Tạo axit
Giai đoạn tạo khí metan.
Các sản phẩm thủy phân của pha axit của cơ chất được lên men metan và tạo thành CO2, CH4. pH của pha này chuyển hồn tồn sang kiềm do amin tác dụng với CO2 thành muối cacbonat, tạo cho mơi trường cĩ tính đệm rất cao, thậm chí cho thêm nhiều axit vào mơi trường, nồng độ H+ vẫn khơng thay đổi.
Các phản ứng chính tạo thành metan xảy ra.
CO2 + 4 H2A → CH4 + 4A + 2H2O. Trong đĩ H2A là axit hữu cơ chứa hyđro.
- Khi cĩ và khơng cĩ H2 xảy ra phản ứng khác sau đây:
CO + 3 H2 → CH4 + H2O. 4 CO + 2H2O → 3CO2 + CH4.
- Metan cĩ thể tạo thành do phân rã axit axetic. CH3COOH → CH4 + CO2. CO2 + 4H2 → CH4 +2H2O.
- Trong quá trình xử lí nước thải cơng nghiệp chứa SO42-, ởđiều kiện yếm khí vi khuẩn khử sunfat sẽ khử SO42- thành H2S như sau.
5AH2 + SO42- → 5A + H2S + 4H2O.
Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình phân hủy yếm khí tạo khí metan.
+ Nhiệt độ:
Nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này là 350C. Như vậy quá trình cĩ thể thực hiện ở điều kiện ấm ( 30- 350C) hoặc nĩng ( 50- 550C ). Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo metan hầu như khơng hoạt động.
+ Liều lượng nạp nguyên liệu ( bùn ) và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp cho quá trình cần cĩ hàm lượng chất rắn khoảng 7%-9%. Tác dụng của khuấy trộn là phân bốđều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với vi sinh vật và giải phĩng khi sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng – rắn.
+ PH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 – 8. Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pH thay
đổi nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo CH4.
Ngồi ra phải kểđến ảnh hưởng của dịng vi khuẩn thời gian lưu cần đủ để bảo đảm hiệu suất khử các chất gây ơ nhiễm và điều kiện khơng chứa các hĩa chất độc đặc biệt là kim loại nặng ( Cu, Zn, Ni,...) hàm lượng NH3 và sunfua quá dư cùng một số hợp chất hữu cơ khác.
Bảng: Một số nồng độ giới hạn cho phép của các chất độc đối với quá trình lên men CH4.
Các chất Toluen Axeton Benzen Cr3+/Cr5+ đồng
Nồng độ giới hạn cho phép mg/l
200 200 200 25/3 25
+ Các độc tố.
Oxygen được coi là độc tố của quá trình này. Do vậy, khi tiến hành quá trình phải tuyệt đối khơng cĩ oxy.
Một số hợp chất là dẫn xuất của metan như: CCl4, CHCl3, CH2Cl2, và một số kim loại nặng( Cu, Ni, Zn,…) cĩ nồng độ 1mg/l sẽ gây độc với vi sinh vật kỵ
khí.
Các chất như: HCHO, SO2, H2S với nồng độ 50- 400mg/l cũng gây độc cho vi sinh vật kỵ khí.
NH4+ ở nồng độ 1,5- 2mg/l gây ức chế cho quá trình kỵ khí và S2- được coi là chất gây ức chế cho quá trình metan hố.
Các chất cĩ tính oxy hố mạnh như KMnO4, các halogen và các muối cĩ oxy của nĩ, ozone… được coi là chất diệt khuẩn hữu hiệu hiện nay.
+ Chất dinh dưỡng.
Cũng như các vi sinh vật khác, các vi sinh vật tham gia phân hủy kỵ khí cũng cần cĩ đầy đủ các chất dinh dưỡng chủ yếu. Đĩ là các chất chứa nguồn
cacbon, nitơ, photpho và một số nguyên tố vi lượng với một tỷ lệ thích hợp. Điều này cĩ nghĩa là thành phần nước thải hay bùn cặn cĩ ảnh hưởng lớn tới quá trình lên men. Hiện nay, chưa thấy một tài liệu nào nĩi tới tỷ lệ các nguyên tố dinh dưỡng tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí.