1.3. Phương pháp lên men phân hủy yếm khí trong xử lý bùn thải đô thị và rác thải hữu cơ
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí
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 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 vườn sẽ khác nhau về khả năng phân hủy bởi rác vườn chủ yếu là cành lá cây với thành phần lignocenlulô 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 lƣợng 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.
1.3.2.2. pH, độ kiềm và tỷ lệ axít béo dễ bay hơi/độ kiềm
Mỗi một nhóm vi khuẩn thường 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 quá trình phân hủy yếm khí là nguyên nhân làm giảm pH. pH giảm thường 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 không 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 quá 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 tương 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 phương pháp phân hủy yếm khí thường được tiến hành trong các khoảng nhiệt độ nêu trên trong sự tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ phản ứng nhằm đạt hiệu suất sinh khí CH4 cao nhất.
Rõ ràng nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng mạnh lên hoạt động của tập đoàn vi sinh vật qua đó ảnh hưởng lên hiệu quả của quá 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 hưởng rõ nét đối với áp suất riêng phần của khí H2 trong hệ phân hủy yếm khí qua đó ảnh hưởng 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 không 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 cường 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 quá 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) thường 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 phương 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 hưởng đến hoạt động của vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn sinh CH4 [12].
1.3.2.3. Thời gian lưu trong lên men phân hủy yếm khí
Thời gian lưu của chất rắn (SRT) là thời gian lưu trung bình của chất hữu cơ rắn trong thiết bị phản ứng. Thời gian lưu thủy lực (HRT) là thời gian lưu của hỗn hợp bùn lỏng trong thiết bị phản ứng.
Thời gian lưu trong phân hủy yếm khí phụ thuộc vào nhiệt độ, lượng 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 lưu 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 hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất phân hủy thường được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhằm tìm hiểu mối tương 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 lưu < 5 ngày là không đủ ổn định quá 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 không hoàn toàn 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 lưu chất rắn (SRT) là đại lượng quan trọng trong tính toán thiết kế hệ phân hủy yếm khí.
1.3.3. Các kỹ thuật ứng dụng phương pháp lên men yếm khí trong xử lý bùn thải đô thị và rác thải hữu cơ
Khi áp dụng phương pháp lên men yếm khí xử lý bùn thải thoát nước đô 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 tượng thường gặp. Bởi vậy, việc phát triển các kỹ thuật dựa trên nguyên lý của phương pháp lên men yếm khí là cần thiết để có thể áp dụng một cách linh động phương pháp này đối với nhiều loại chất thải hữu cơ khác nhau với điều kiện ban đầu khác nhau, nhằm tối ƣu hóa quá 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 trường hợp lên men yếm khí khô 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, nước thường được bổ sung vào đối với trường hợp lên men ướt sao cho đạt độ ẩm tối ưu.
Trong phương pháp lên men ướt hai giai đoạn, nguyên liệu được đưa 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 quá trình sinh khí CH4 chiếm đầy thể tích của thiết bị phản ứng. Tuy nhiên, phương pháp lên men ướt còn hạn chế bởi hiện tượng 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 hoàn (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 quá trình phân hủy. Kỹ thuật này rất thích hợp trong việc xử lý bùn thải đô 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 quá trình.
Thông thường các kỹ thuật lên men như: lên men khô, lên men ướt, 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 - 57oC. Tuy nhiên, trong từng trường hợp cụ thể có thể lựa chọn nhiệt độ phù hợp ở mỗi khoảng nhiệt độ nói trên để tiến hành quá trình phân hủy yếm khí.
Bảng 1.4. Tổng hợp các kỹ thuật trong phương 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 hoàn (percolate).
- Cánh khuấy (elute).
Loại rác thích hợp Rác thải hữu cơ từ rác thải sinh hoạt, rác chợ.
Bùn thải thoát nước, rác từ dịch vụ nhà hàng, khách sạn.
Bùn thải thoát nước, 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 giảm ẩm sau lên men.
- Thiết bị phản ứng cần có thể tích lớn.
- Dòng nguyên liệu vào lớn.
- Tiêu tốn cho việc giảm ẩm sau lên men.
1.3.3.1. Quy trình xử lý rác thải bằng kỹ thuật lên men yếm khí khô
Thông thường phương pháp này áp dụng với thành phần rác hữu cơ được phân loại từ rác thải sinh hoạt. Rác đƣợc phân loại, loại bỏ tạp chất sau đó đƣợc nghiền nhỏ và đưa vào thiết bị lên men, nước được bơm bổ sung vào thiết bị phản ứng tới khi độ ẩm của nguyên liệu đạt 65 - 70%. Thời gian lưu khoảng ba tuần đối với trường hợp lên men ấm (mesophilic) và hai tuần trong điều kiện lên men nóng (thermophilic). Trong trường hợp lên men nóng thiết bị lên men thường được tích hợp với hệ thống gia nhiệt sử dụng nhiên liệu bằng chính nguồn biogas thu đƣợc. Sau khi ra khỏi thiết bị lên men nguyên liệu đƣợc làm giảm ẩm và chuyển sang công đoạn xử lý hiếu khí (composting).
Hình 1.2. Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí khô Rác hữu cơ,
bùn thải
Loại bỏ tạp chất, nghiền
Bổ sung nước
Thiết bị lên men
Tách nước Xử lý hiếu khí
(composting) Cải tạo đất
Thu khí biogas Cung cấp
năng lƣợng
1.3.3.2. Quy trình xử lý rác thải bằng kỹ thuật lên men ƣớt một giai đoạn Quy trình lên men ƣớt một giai đoạn đã đƣợc phát triển, ứng dụng và kiểm chứng rộng rãi trên quy mô công nghiệp tại nhiều nhà máy xử lý chất thải rắn trên thế giới, đặc biệt tại các quốc gia châu Âu [17]. Quy trình này thích hợp cho xử lý rác hữu cơ và bùn thải có độ ẩm từ 80% trở lên. Nguyên liệu đƣợc nghiền nhỏ và được bổ sung thêm nước sao cho độ ẩm đạt khoảng 80 - 95%
trước khi đưa vào thiết bị phản ứng lên men.
Hình 1.3. Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí ƣớt một giai đoạn Trong khâu tiền xử lý của quy trình này (Hình 1.3) thường bao gồm công đoạn tách tuyển bằng nước chủ yếu áp dụng đối với rác hữu cơ. Dưới tác dụng của trọng lực phần chất trơ chìm xuống phía dưới thiết bị tuyển cùng với phần rác nhẹ nổi lên phía trên thiết bị tuyển đƣợc loại bỏ. Rác hữu cơ tập trung tại khoang giữa của thiết bị tuyển đƣợc bơm bằng bơm chuyên dụng vào thiết bị lên men. Trong thiết bị lên men, rác đƣợc khuấy đảo liên tục bằng cánh khuấy trong thời gian lưu 12 - 15 ngày trong điều kiện lên men ấm hoặc lên men nóng. Sau khi ra khỏi thiết bị lên men, bùn đƣợc làm khô đến 38% khối lƣợng rắn và đƣợc đƣa sang công đoạn ủ hiếu khí.
1.3.3.3. Quy trình xử lý chất thải bằng kỹ thuật lên men yếm khí ƣớt hai giai đoạn
Quy trình lên men yếm khí ƣớt hai giai đoạn là quy trình đƣợc thiết lập với một thiết bị phản ứng thủy phân đứng trước thiết bị phản ứng sinh khí CH4.
Loại bỏ phần cặn và phần rác nhẹ
Rác hữu cơ, bùn thải
Tuyển trọng lực bằng nước
Phần hữu cơ Thiết bị lên men
Tách nước Xử lý hiếu khí
(composting) Cải tạo đất
Thu khí biogas Cung cấp
năng lƣợng
Các chất khó phân hủy trong nguyên liệu đầu vào đƣợc xử lý thông qua quá trình thủy phân và quá trình axít hóa đảm bảo rút ngắn thời gian lưu của nguyên liệu trong giai đoạn sinh khí CH4. Quy trình kỹ thuật này đã đƣợc kiểm chứng qua hoạt động của nhiều nhà máy với quy mô công nghiệp trên thế giới. Quy trình này thường cho hiệu suất sinh khí CH4 cao, đảm bảo quá trình phân hủy sinh học diễn ra ổn định ngay cả đối với các chất hữu cơ khó phân hủy.
Hình 1.4. Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí ƣớt hai giai đoạn Chất thải hữu cơ đầu vào đƣợc nghiền nhỏ và loại bỏ các tạp chất bằng các công đoạn tách, tuyển. Trong quá trình tuyển trọng lực bằng nước, rác hữu cơ đƣợc hòa tan và giảm tạp chất bằng một quá trình khuấy mạnh trong vòng 20 phút, phần rác nhẹ nổi và phần rác trơ chìm xuống đƣợc loại bỏ, phần hữu cơ lơ lửng đƣợc nghiền và đƣa sang xử lý tại thiết bị thủy phân. Trong một hệ thống hoạt động liên tục, phần rác hữu cơ liên tục đƣợc đƣa sang thiết bị thủy phân.
Sau khoảng thời gian 2 - 5 ngày trong thiết bị thủy phân, nguyên liệu đƣợc đƣa sang thiết bị sinh khí CH4 (Hình 1.4). Sau khi tách nước phần rắn của nguyên liệu sau công đoạn xử lý yếm khí đƣợc tiếp tục xử lý hiếu khí (composting) trước khi đem sử dụng cho mục đích nông nghiệp. Phần nước thải được xử lý theo quy trình xử lý nước thải thông thường.
Loại bỏ phần cặn và phần rác
nhẹ Rác hữu cơ,
bùn thải
Tuyển trọng lưc bằng nước
Thiết bị thủy phân
Xử lý hiếu khí (composting)
Cải tạo đất Tách nước
Thiết bị lên men sinh khí Thu khí
biogas Cung cấp
năng lƣợng
Phần hữu cơ