max
à tốc độ tăng trưởng riờng cực đại của vi sinh vật, l/s.
(Trong quỏ trỡnh hiếu khớ thỡ ta cần hạn chế giỏ trị à, cũn trong quỏ trỡnh yếm
khớ ta cần đẩy à tiến tới àmaxđể tạo mựn sinh học.)
• Giai đoạn 3: giai đoạn phỏt triển ổn định.
Trong giai đoạn này, số lượng tế bào vi khuẩn được giữ ở mức khụng đổi. Nghĩa là số lượng tế bào vi khuẩn già bị chết xấp xỉ với lượng tế bào mới được sinh ra. Tuy nhiờn, tớnh chất sinh lý của vi sinh vật bị thay đổi, tốc độ ( cường độ) trao đổi chất bị giảm rừ rệt do trong mụi trường sống của vi sinh vật đó thiếu một hoặc nhiều phần tử cần thiết cho sự tăng trưởng của chỳng.
X = Xmax. Xmax: nồng độ sinh khối cực đại, mg/l.
• Giai đoạn 4: giai đoạn hụ hấp nội bào (giai đoạn suy vong).
Ở cuối giai đoạn, tốc độ sinh sản của vi sinh vật giảm rừ rệt và dần dần tốc độ sinh sản nhỏ hơn so với tốc độ chết. Khi đú pha chết của vi sinh vật tuõn theo hàm logarit, nguyờn nhõn là do:
Tốc độ tăng trưởng sinh khối:
Xdt dt
dX
rg =− =−à⋅ (g/m3.s)
IV.2. Cơ sở sinh học của phương phỏp xử lý yếm khớ. IV.2.1. Cơ chế phõn giải yếm khớ.
Quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ cỏc hợp chất hữu cơ là một quỏ trỡnh phức tạp gồm nhiều giai đoạn, cú thể được túm tắt trong hỡnh 4.2 sau:
1 2 4 3 1 5 t X 1-2: Giai đoạn tiềm phát.
2-3: Giai đoạn luỹ tiến. 3-4: Giai đoạn ổn định. 4-5: Giai đoạn suy vong.
Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phõn. (Hydrolyse).
Cỏc hợp chất hữu cơ phõn tử lượng lớn nh: protờin, gluxit, lipit,… sẽ bị phõn huỷ dưới tỏc dụng của cỏc enzim Hydrolaza của vi sinh vật thành cỏc chất hữu cơ phõn tử lượng nhỏ nh đường đơn giản, axớt amin, axớt bộo, rượu,…
Trong giai đoạn này, phần lớn cỏc hợp chất gluxớt được phõn huỷ nhanh, cũn cỏc hợp chất protein bị phõn huỷ chậm hơn. cỏc hợp chất hữu cơ phõn tử lượng lớn như xenlulo, liguoxenlulo,… thường được phõn huỷ chậm và khụng triệt để do cấu trỳc phức tạp.
Giai đoạn 2: Giai đoạn lờn men axit hữu cơ ( Acidogene).
Các hợp chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ (đường, axit amin, axit béo, )…
Lên men axit hữu cơ và các chất trung tính.
Axit propionic, axit butyric, rư
ợu, andehit, axeton. CO2, H2 NHCác chất khí3, H2S,..
Axit axetic Decacboxyl hoá Khử CO2 CH4 + H2O 8H+ Thuỷ phân
Lên men axit hữu cơ
Axetic hoá
Lên men CH4
Hình IV.2. Sơ đồ cơ chế phân giải yếm khí [5].
Protein Proteaza Peptit Peptidaza Axit amin
Tinh bột Amylaza Đường
n.C6H12O6 Lipit Lypaza Glyxerin + Axit béo
Xenlulaza
(n/2). C12H22O11 Xenlobioza (n/2).H2O Xenlulo
butyric, axớt lactic, axớt bộo,… cỏc rượu, andehit, axeton, một số axit amin và một sơ khớ như: CO2, CH4, NH3, H2S, H2, indol, scatol, mercaptan,… Thành phần của cỏc sản phẩm trong giai đoạn lờn men phụ thuộc vào bản chất cỏc chất ụ nhiễm, tỏc nhõn sinh học và điều kiện mụi trường.
Đặc biệt trong giai đoạn này, cỏc axit amin hỡnh thành do thuỷ phõn protein cũng sẽ được khử amin, một phần gốc amin (-NH2) được vi sinh vật sử dụng cho sinh trưởng và phỏt triển, phần cũn lại trong nước thải được chuyển hoỏ thành NH4+.
Ở giai đoạn này, pH cú thể giảm mạnh do sản phẩm của qỳa trỡnh chuyển hoỏ là cỏc axớt nhưng COD và BOD5 giảm khụng đỏng kể.
Giai đoạn 3: Giai đoạn lờn men tạo axit acetic ( Acetogene).
Cỏc sản phẩm lờn men phõn tử lượng lớn nh axớt bộo, axit lactic,.. sẽ từng bước được chuyển hoỏ thành axit axetic ( CH3COOH).
3.CH3_CHOH_COOH 2.CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + 2.H2O A.lactic A.propionic A.acetic
Với cỏc axớt bộo cú phõn tử lượng lớn, chỳng sẽ được phõn cắt từng bước tại nguyờn tử C ở vị trớ β.
Rn_CH2_CH2_COOH + 2.H2O R(n-2)_CH2_CH2_COOH + CH3 _COOH Axớt bộo mạch dài Axớt bộo mạch ngắn hơn Axớt Acetic
Giai đoạn 4: Giai đoạn mờtan hoỏ (Methanogene).
Đõy là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quỏ trỡnh xử lý yếm khớ, nhất là khi quỏ trỡnh thực hiện với mục đớch xử lý thu biogas. Hiệu quả xử lý cao khi cỏc sản phẩm trung gian được khớ hoỏ hoàn toàn, cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh trao đổi chất sẽ được chuyển thành khớ metan theo 2 cơ chế chủ yếu:
1. Cơ chế Decacboxyl hoỏ: hay khử cacboxyl để tạo ra khớ mờtan nhờ enzim Decacboxylaza. Cơ chế này tạo ra khoảng 70% tổng lượng khớ mờtan.
CH3COOH CH4 + CO2 4.CH3CH2COOH 7.CH4 + 5.CO2
2.CH3CH2 CH2COOH 5.CH4 + 3.CO2 2.CH3CH2OH 3.CH4 + CO2 CH3-O-CH3 2.CH4 + CO2
2. Cơ chế khử CO2: cơ chế này tạo ra khoảng 30% tổng lượng khớ mờtan và nú được
chia thành 2 loại.
• Khử CO2 bằng quỏ trỡnh khử cú sự tham gia của cỏc enzim ụxi hoỏ khử.
2.H2O 2.H2O
• Khử CO2 bằng hyđro phõn tử.
Trong giai đoạn này cỏc hợp chất chậm và khú phõn giải sẽ tiếp tục được vi sinh vật chuyển hoỏ và tạo ra một lượng khớ rất lớn. Do cỏc axớt hữu cơ được tạo ra ở giai đoạn trước bị phõn huỷ nờn pH của mụi trường bị giảm và chuyển sang kiềm nhẹ.
IV.2.2. Tỏc nhõn sinh học.
Nh phần trờn, trong quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ gồm cú 4 giai đoạn, mỗi giai đoạn lại thớch hợp với cỏc loại vi khuẩn khỏc nhau nờn tỏc nhõn sinh học trong quỏ trỡnh yếm khớ là rất đa dạng.