SINH HỌC KỊ KHÍ
6.1. Khái niệm
Phương pháp xử lý kị khí dùng để loại bỏ các chất hữu cơ trong phần cặn của nước thải bằng vi sinh vật tuỳ nghi và vi sinh kị khí.
Hai cách xử lý yếm khí thơng dụng là:
• Lên men axit: Thuỷ phân và chuyển hố các sản phẩm thuỷ phân (như axit béo, đường) thành các axit và rượu mạch ngắn hơn và cuối cùng thành khí cacbonic.
• Lên men metan: Phân huỷ các chất hữu cơ thành metan (CH4) và khí cacbonic (CO2) việc lên men metan nhạy cảm với sự thay đổi pH. pH tối ưu cho quá trình là từ 6,8 đến 7,4. Thí dụ về phản ứng metan hố:
Methanosarcina
CH3COOH → CH4+ CO2
2CH2(CH2)COOH3 → CH4+ 2CH3COOH + C2H5COOH + CH4+ CO2
Các phương pháp kị khí thường được dùng để xử lý nước thải cơng nghiệp và chất thải từ trại chăn nuơi.Tùy theo điều kiện cụ thể (tính chất, khối lượng nước thải, khí hậu, địa
hình, mặt bằng, kinh phí...) người ta dùng một trong những phương pháp trên hoặc kết hợp chúng với nhau.
6.2. Cơ sở hĩa sinh của quá trình phân hủy kị khí 6.2.1. Cơ chế phân giải yếm khí
Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện khơng cĩ oxy. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hĩa chúng bằng phương trình sau đây:
Chất hữu cơ
lên men
--->
yếm khí
CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S
Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas như sau:
Methane (CH4) 55 - 65%
Carbon dioxide (CO2) 35 - 45%
Hydrogen (H2) 0 - 1%
Hydrogen Sulphide (H2S) 0 - 1%
Methane cĩ nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m3). Do đĩ, nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500 - 6.000 kcal/m3, tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong Biogas.
Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau: 1. Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử.
2. Tạo nên các axít. 3. Tạo methane.
Hình 6.1: Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981)
Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn cĩ thể tĩm tắt trong sơ đồ sau:
a. Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân
Các hợp chất hữu cơ phân tử lương lớn như protein, gluxit, lipit,… bị phân hủy dưới tác dụng của các enzim hydrolaza của vi sinh vật thành các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ như đường đơn giản, axit amin, rượu, axit béo,…
Trong giai đoạn thủy phân, phần lớn các hợp chất gluxit được phân hủy nhanh. Các hợp chất protein được phân giải chậm hơn. Các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như xenlulo, liguoxenlulo,…thường được phân hủy chậm và khơng triệt để do cấu trúc phức tạp.
b. Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ
Các sản phẩm thủy phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hĩa. Trong điều kiện yếm khí, sản phẩm phân hủy là các hợp chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit béo,… các rượu, andehit, axeton và cả một số ít axit amin. Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ơ nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện mơi trường.
Đặc biệt trong giai đoạn này, các axit amin hình thành do thủy phân protein cũng sẽ được khử amin, một phần các gốc amin (- NH2) được vi sinh vật sử dụng cho sinh trưởng và phát triển, phần cịn lại trong nước thải được chuyển hĩa thành - NH4+.
c. Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men tạo axit axxetic
Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic,… sẽ được từng bước chuyển hĩa đến axit axetic.
3CH3-CHOH-COOH → 2CH3-CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + 2H2O Các axit béo phân tử lượng lớn được phân cắt từng bước tại nguyên tử caacbon ở vị trí β .
Rn-CH2-CH2-COOH + 2H2O → R(n-2)-COOH + CH3-COOH
d. Giai đoạn 4: Giai đoạn metan hĩa
Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong tồn bộ quá trình xử lý yếm khí, nhất là khi quá trình được thực hiện để thu biogas. Hiệu quả xử lý sẽ cao khi các sản phẩm trung gian được khí hĩa hồn tồn.
Trong xử lý yếm khí sự hình thành khí metan thường xảy ra theo hai cơ chế chủ yếu:
+ Sự hình thành do decacboxyl hĩa:
CH4 được hình thành do decacboxyl axit axetic CH3-COOH → CH4 + CO3
CH4 hình thành do decacboxyl hĩa các axit hữu cơ khác 4CH3-CH2-COOH →2H O2 7CH4 + 5CO2 2CH4-(CH2)2-COOH →2H O2 5CH4 + 3CO2 CH4 cũng cĩ thể hình thành do decacboxyl các chất trung tính 2C2H5OH → 3CH4 + CO2 CH3-CO-CH3 H O2 → 2CH2 + CO2 + Sự hình thành CH4 theo cơ chế khử CO2
Hydro được hình thành do quá trình lên men các axit hữu cơ trong điều kiện yếm khí sẽ được hầu hết các vi khuẩn metanogene sử dụng như nguồn năng lượng để khử CO2.
8H+ + CO2 → CH4 + 2H2O Khoảng 30% CH4 được hình thành theo cơ chế này.
6.2.2. Tác nhân sinh học
Trong phân giải yếm khí các quá trình thủy phân và lên men xảy ra dưới tác dụng của nhiều loại vi khuẩn khác nhau. Thành phần của khu hệ vi sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của các chất ơ nhiễm cĩ trong nước thải.
Ba nhĩm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình là nhĩm vi sinh vật thủyphân ch6át hữu cơ, nhĩm vi sinh vật tạo acid bao gồm các lồi: Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli, và nhĩm vi
sinh vật sinh methane gồm các lồi dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina).
- Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ
+ Mơi trường giàu xenlulo thường cĩ các vi khuẩn: Bacillus, Pseudocuonas, Alcaligenes.
+ Mơi trường giàu tinh bột: Micrococus, Lactobacilleu, Pseudoconas spe, Clostridium.
+ Mơi trường giàu protein: Bacillus, Bacterium coli và E. coli, Clostridium, Proteus.
+ Mơi trường giàu lipit: Bacterioides, Bacillus, Alcaligenes, Pseudodonionas. Trong đĩ các chủng: Bacillus, Clotridium, Lactobacillus, Bacterioides, Pseudomonas và Enterobacter chiếm đa số.
Phần lớn các vi khuẩn thủy phân và lên men axit hữu cơ ít nhạy cảm với mơi trường. Chúng cĩ thể phát triển trong giải pH = 2 – 7. Tuy nhiên pH tối ưu từ 5 – 7 ở nhiệt độ 33 – 40oC.
- Vi khuẩn Axetogene
Vi khuẩn tạo axit axetic thường phát triển trong mơi trường cùng với vi khuẩn metan hĩa. Vi khuẩn Axetogen tạo ra H2 trong quá trình lên men nhưng nĩ lại bị chính sản phẩm này bị ức chế vì vậy trong mơi trường cĩ các vi khuẩn metan hĩa, khí H2 hoặc H+ sẽ được sử dụng để khử CO2.
Một số chủng vi khuẩn Acetogen cĩ hiệu quả metan hĩa cao như: + Syntrophobacter wolonii, Syntro. wwolfei và Syntro. Buswelii.
Nhiệt độ tối ưu: 33 – 40oC, pH: 6 – 8.
Hai nhĩm vi khuẩn khác cũng cĩ khả năng tạo Axetic như:
+ Nhĩm vi khuẩn khử sunfat: Selenomonas, Clostridium, Riminococcus và Desulfovibrio. Trong mơi trường hỗn hợp với vi khuẩn metan hĩa, tạo sản phẩm chủ yếu là axit axetic.
+ Nhĩm vi khuẩn Homoacetogen, chúng tạo axit acetic từ CO2 và H2. 2CO2 + 4H2 → CH3 COOH + 2H2O
Nhĩm này cĩ ý nghĩa đặc biệt vì chúng cạnh tranh với vi khuẩn metan trong việc sử dụng H2.
- Vi khuẩn metan hĩa
Vi khuẩn metan hĩa khá đa dạng. Chúng được chia thành hai nhĩm chính:
+ Nhĩm vi khuẩn ưa ấm (Mesophyl) gồm: Methanococcus, Methanobacterium, Methanosarcina. Phát triển ở nhiệt độ 35 – 38oC, pH: 6,8 – 7,5.
+ Nhĩm vi khuẩn ưa nĩng (Thermophyl): Methanobacillus, Methanothrix và Methanospirillum. Phát triển tốt ở nhiệt độ 55 – 60oC.
Vi khuẩn lên men metan là những vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt, chúng rất mẫn cảm với sự cĩ mặt của O2 vì vậy yêu cầu thiết bị lên men phải kín, pH tối ưu: 6,8 – 7,5.
6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học nước thải lên men yếm khí
6.3.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thơng thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí:
− 25 - 40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm. − 50 - 65oC: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt.
Nĩi chung khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 - 45oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này khơng thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hồn tồn ở 65oC trở lên.
Hình 6.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ
(Price and Cheremisinoff, 1981, Trích dẫn bởi Chongrak, 1989)
Ở các nước vùng ơn đới nhiệt độ mơi trường thấp; do đĩ tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta cĩ thể dùng Biogas đun nĩng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nĩng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lịng hầm ủ. Ngồi ra người ta cịn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ mơi trường từ 5 - 10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nĩng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với mơi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ.
pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 - 7,6 tối ưu trong khoảng 7 - 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid cĩ thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đĩ. pH của hầm ủ cĩ khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngồi ra người ta cĩ thể dùng vơi để trung hịa pH của hầm ủ.
Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 - 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp.
6.3.3. Ảnh hưởng của độ mặn
Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. Khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane cĩ khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí khơng bị giảm đáng kể. Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khơ khơng gặp trở ngại nhiều (Lê Hồng Việt, 1988).
6.3.4. Các chất dinh dưỡng
Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 - 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25 - 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định.
6.3.5. Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp
Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp cĩ thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau: Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT
Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 khơng sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane.
6.3.6. Ảnh hưởng của các chất khống trong nguyên liệu nạp
Các chất khống trong nguyên liệu nạp cĩ tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí.
Các chất khống này cịn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự cĩ mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự cĩ mặt của một nguyên tố khác.
6.3.7. Ảnh hưởng của các sản phẩm trao đổi chất
Các sản phẩm trao đổi chất thường là rượu, axit,... Một hệ thống hoạt động ổn định thường cĩ nồng độ cơ chất cân bằng. Tuy nhiên, axit hữu cơ hình thành thường được phân ly:
R COOH ↔ R COO- + H+
Sự phân ly của chúng phụ thuộc vào pH, khi pH thấp thành phần axit khơng phản ứng sẽ tăng, khơng cĩ lợi cho vi khuẩn metan hĩa.
6.3.8. Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Nĩ cịn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ
6.4. Các cơng trình kỵ khí xử lý nước thải 6.4.1. Bể metan
Trong các quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ, xử lí nước thải bằng phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng được phổ biến. Đĩ là quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hồn tồn và được thực hiện trong cơng trình thường được gọi là bể metan (methantank). Ngồi ra hai quá trình tiếp xúc kị khí, quá trình với lớp bùn hoạt tính cĩ dịng hướng lên …cũng đang được ứng dụng rộng rãi.
Phân hủy kị khí với sinh trưởng lơ lửng là một trong những quy trình xử lí bùn cặn lâu đời nhất. Trong quy trình này khơng cần cĩ mặt oxi phân tử (O2). Sinh khí metan hay phân hủy các chất hữu cơ trong bể metan cĩ thể thực hiện ở 35 – 370C hoặc 50 – 550C. Ở nhiệt độ 35 – 370C, khối nguyên liệu trong bể khơng được gia nhiệt và xáo trộn, do vậy thời gian lên men là khá dài: 30- 60 ngày (lên men ở tốc độ tiêu chuẩn).
6.4.2. Xử lí bằng phương pháp “tiếp xúc kị khí”
Nguyên lí của phương pháp đã được đề cập tới ở phần trên. Theo phương pháp này, cơng trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hồn. Giữa 2 thiết bị chính cĩ đặt một thiết bị khư khí để loại khí tác trong các cục vĩn. Các cục vĩn tác khí sẽ làm ảnh hưởng xấu tới quá trình lắng.
Hình 6.3: Thiết bị tiếp xúc kỵ khí
Bể phản ứng cĩ thể làm bằng bêtơng, bằng thép hay chất dẻo, cĩ chống ăn mịn ở phía trong, cĩ cách nhiệt để duy trì nhiệt độ mong muốn ở khu vực giữa. Khuấy trộn bằng cách bơm khí vào bình chứa làm bằng vật liệu khơng gỉ.
Bể lắng coi như một thiết bị cơ đặc, vì bùn tách ra cĩ nồng độ cao và từ đáy cho bùn hồi lưu trở lại bể phản ứng. Tỉ lệ bùn tuần hồn khoảng 50 – 100%.
Phương pháp này ít chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng, thích hợp đối với việc xử lí phân chuồng, xử lí nước thải đặc như trong cơng nghiệp đồ hộp, cất cồn, cơng nghiệp hĩa chất, cơng nghiệp bột giấy, cơng nghiệp đường…
Với 2 bể (metan và lắng) tách riêng cho phép phản ứng ở mỗi bể độc lập với nhau và tạo ra một số thuận lợi:
+ Chuyển bùn từ bể này sang bể khác dễ dàng, quá trình bảo dưỡng với khởi động lại đơn giản.
+ Lọc bỏ H2S (sinh ra do khử sulfat và khí này sẽ ức chế quá trình) xử lí khí gaz ở ngồi.
+ Tách được một phần các chất khống của bùn nhờ máy li tâm.
Hiệu quả của phương pháp: loại bỏ được BOD5 cao, xử lí bằng phương pháp tiếp