Sử dụng nhĩm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện khơng cĩ ơxy.
Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hĩa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phương trình phản ứng sinh hĩa trong điều kiện kị khí cĩ thể biểu diễn đơn giản như sau:
Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kị khí xảy ra theo 04 giai đoạn: Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử.
Giai đoạn 2: Acid hĩa. Giai đoạn 3: Acetate hĩa. Giai đoạn 4: Methane hĩa.
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều hợp chất cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin … trong giai đoạn thủy phân sẽ cắt mạch tạo thành các phân tử đơn giản hơn, dễ thủy phân hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hĩa protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hĩa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp
tục chuyển hĩa thành acetic acid, H2 và CO2. Vi khuẩn methane chỉ cĩ thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamine và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2
4 CH3OH 3CH4 + CO2 + H2O
4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Một số cơng trình kị khí cĩ thể được áp dụng để xử lý nước thải chăn nuơi heo
Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc:
Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hồn. Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hồn tồn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng hoặc bể tuyển nổi để tách riêng bùn và nước. Bùn tuần hồn trở lại bể kị khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm.
Bể xử lý bằng lớp bùn kị khí với dịng nước đi từ dưới lên (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Hình 2.2. Cấu tạo của bể UASB
Đây là một trong những quá trình kị khí ứng dụng rộng rãi nhất trên thế do hai đặc điểm chính sau:
Cả ba quá trình phân hủy – lắng bùn – tách khí được lắp đặt trong cùng một cơng trình.
Tạo thành các loại bùn hạt cĩ mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Bên cạnh đĩ, quá trình xử lý sinh học kị khí UASB cịn cĩ những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
Ít tiêu tốn năng lượng vận hành. Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn.
HƯ thèng èn g ki Ĩm tra TÊm ch¾n khÝ vµ h-íng dßng TÊm ch¾ n kh Ý HƯ thèng ph©n phèi n-íc th¶i HƯ thèng thu khÝ biogas
Bùn sinh ra dễ tách nước.
Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng. Cĩ khả năng thu hồi năng lượng từ khí Methane.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9 m/h, pH thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đĩ cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để đảm bảo pH của nước luơn lớn hơn 6,2 vì ở pH < 6,2 vi sinh vật chuyển hĩa Methane khơng hoạt động được. Do đĩ, trong quá trình vận hành ban đầu tải trọng chất hữu cơ khơng được quá cao vì vi sinh vật acid hĩa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hĩa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hĩa. (7)
Bể Biogas
Đây là phương pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, thấy ở hầu hết các cơ sở chăn nuơi quy mơ trang trại, kể cả quy mơ hộ gia đình. Ưu điểm của bể Biogas là cĩ thể sản xuất được nguồn năng lượng khí sinh học để thay thế được một phần các nguồn năng lượng khác.
Trong bể Biogas các chất hữu cơ được phân hủy một phần, do đĩ sau Biogas nước thải cĩ hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn. Bùn cặn trong bể biogas cĩ thể sử dụng để cải tạo đất nơng nghiệp. Cùng với việc cĩ nguồn năng lượng mới sử dụng, cịn gĩp phần giảm thiểu hiện tượng chặt phá rừng và bảo vệ mơi trường. Khí Biogas là một nguồn năng lượng cĩ triển vọng trong tương lai đồng thời gĩp phần bảo vệ mơi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên.
Bảng 2.5. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas Loại khí Thành phần khí CH4 55-65% CO2 35-45% N2 0-3% H2 0-1% H2S 0-1% Khi đốt cháy 1m3
hỗn hợp khí biogas sinh ra nhiệt lượng khoảng 4.500-6.000 calo/m3 tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thơ, 1,4 kg than hoa hay 2,2 kW điện. (10)
Tùy thuộc vào thành phần và tính chất nước thải chăn nuơi, thời gian lưu nước, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ… mà lượng khí sinh ra là khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các quá trình sinh hĩa trong bể Biogas:
Cĩ 2 nhĩm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhĩm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhĩm vi khuẩn sinh khí metan.
+ Nhĩm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều cĩ enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, cĩ bào tử. Theo A.R.Prevot, chúng cĩ mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Trong điều kiện yếm khí chúng phân hủy tạo ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như formandehit, acetat, ancol methylic.. Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhĩm vi khuẩn sinh khí metan.
+ Nhĩm vi khuẩn sinh khí metan: Nhĩm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cs.., 1997 ở Mỹ, được xếp thành 3 bộ, 4 họ, 17 lồi. Mỗi lồi vi khuẩn metan chỉ cĩ thể sử dụng một số chất nhất định. Do đĩ việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều lồi vi khuẩn metan, như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển cần
cĩ lượng CO2 đủ trong mơi trường, nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 20:1. Trong quá trình lên men kỵ khí các lồi VSV gây bệnh bị tiêu diệt khơng phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đĩ cĩ mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng,… Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100%.
Các yếu tố ảnh hưởng và duy trì hệ thống Biogas:
- Nguyên liệu đƣa vào: cần phải bổ sung hàng ngày khối lượng phân đầy đủ,
nếu quá nhiều hoặc quá ít phân đều cĩ thể sản sinh ra ít khí hoặc khơng cĩ khí. Do đĩ cần phải duy trì sự cân bằng giữa các nhĩm vi khuẩn trên, nếu dư các chất hữu cơ nhĩm sinh vật thứ nhất sản sinh ra nhiều acid gây ức chế sự phát triển và hoạt động của nhĩm vi khuẩn thứ hai. Cơng thức pha trộn chung là: 1,5kg phân tự nhiên + 30 lít nước = hỗn hợp bùn lỏng cĩ nồng độ căn lơ lửng 5%. Sản phẩm khí tạo ra 0,35-0,40m3 khí/1kg cặn lơ lửng, thời gian lưu nước trong bể Biogas đối với phân lợn là 10-15 ngày.
- Ảnh hƣởng của tỷ lệ C/N: quá trình phân huỷ kỵ khí tốt nhất nếu nguyên
liệu đưa vào đảm bảo tỷ lệ C/N=30/1. (11)
Chất lượng nguyên liệu và tỷ lệ hỗn hợp phân/nước: dung dịch lên men phải đảm bảo hàm lượng chất khơ 2-4%, với chất dễ tiêu khoảng 7%. Thơng thường tỷ lệ phân/nước=1/1-1/5.
- Nhiệt độ: lý tưởng là 350C, tuy nhiên quá trình phân huỷ vẫn xảy ra ở nhiệt
độ 15-200
C. Nếu nhiệt độ thấp hơn thì VSV khĩ phát triển, dưới 100
C thì gần như quá trình sinh khí khơng diễn ra. Theo Mignotte lượng khí sinh ra trên 1 tấn phân ở các nhiệt độ khác nhau trong khoảng thời gian khác nhau được thể hiện trong bảng sau:
- áp suất: Vi khuẩn tạo khí methane rất nhạy cảm với áp suất, chúng chỉ hoạt
động bình thường trong điều kiện áp suất <40mm cột nước. (12)
- Quá trình khuấy trộn: phải thường xuyên thực hiện phá lớp váng nổi trong bể Biogas để tạo điều kiện cho khí thốt lên vịm bể và thúc đẩy quá trình sinh khí. Đồng thời trong các vi khuẩn sinh khí cĩ lồi thụ động cĩ lồi năng động, do đĩ cần khuấy trộn để cung cấp thức ăn cho lồi vi khuẩn thụ động.
- Hố chất, các độc tố: các hĩa chất như thuốc kháng sinh hoặc các sản phẩm hố học khác cĩ thể gây ức chế cho quá trình phát triển của VSV. Vi sinh vật cĩ thể ngừng làm việc và hiệu quả sinh khí thấp, vì vậy cần hạn chế sự cĩ mặt của các chất hố học trong bể Biogas.
Bể lọc kỵ khí
Bể lọc kỵ khí là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ chứa carbon trong nước thải. Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên hoặc từ trên xuống, tiếp xúc với lớp vật liệu trên đĩ cĩ vi sinh vật kị khí sinh trưởng và phát triển. Vì vi sinh vật được giữ trên bề mặt vật liệu tiếp xúc và khơng bị rửa trơi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu của tế bào sinh vật rất cao (khoảng 100 ngày).
Quá trình lọc kỵ khí dính bám, sử dụng giá thể mang vi sinh như sỏi, đá, vịng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, xơ dừa.. để xử lý nước thải trong điều kiện khơng cĩ oxy. Bể lọc kỵ khí cĩ dịng chảy hướng lên hoặc dịng chảy ngang. Nước thải đi qua và tiếp xúc với tồn bộ lớp vật liệu lọc.