Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí

ifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh. Quá trình sinh học xảy ra theo 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: hình thành bùn hoạt tính. Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzyme đạt tối đa và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Giai đoạn 3: tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Bể bùn hoạt được phân loại theo nhiều cách: chế độ thủy động lực dòng chảy vào, chế độ làm việc của bùn hoạt tính, cấu tạo của bể bùn,… II.3. Vai trò của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn và nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó mỗi phương pháp xử lý hiệu quả đối với các chất nhiểm bẩn khác nhau. Do đó ta không thể chỉ sử dụng một phương pháp để xử lý hiệu quả cho một loại nước thải nào đó. Phương pháp cơ học có khả năng loại bỏ các tạp chất rắn không tan như bao bì, rơm cỏ, giấy, giẻ, dầu mở, cát sỏi, vụn gạch ngói,…Ngoài ra còn có các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù. Đây là một bước đệm để đảm bảo cho các công trình sau được xử lý dễ dàng hơn, tránh tắt nghẽn thiết bị. Phương pháp hóa lý và hóa học có thể loại bỏ được các hạt nhỏ hơn mà phương pháp cơ học không thể loại bỏ được, điều chỉnh giá trị pH của nước thải và khử khuẩn nước sau xử lý để đảm bảo tiêu chuẩn đầu ra. Nhìn chung, bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học và phương pháp hóa lý là quá trình chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác chứ không xử lý triệt để. Cho nên nếu xử lý nước thải bằng phương pháp cơ hay phương pháp hoá lý thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao. Do đó, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học để xử lý các chất hữu cơ là phương pháp mang lại hiệu quả cao và chi phí thấp. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sản sinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hoà tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sulfite, muối amon, nitrate…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của quá trình phân huỷ này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat… CHƯƠNG III: TỒNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI III.1. Nguyên tắc chung của quá trình: Cở sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hóa vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có thể chia thành hai loại: Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Phương pháp kỵ khí: sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng các vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ và mức độ ổn định của lưu lượng nước vào hệ thống. Đồng thời cũng chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: chế độ thủy động, hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ, các chất dinh dưỡng,… Để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đạt hiệu quả thì nước thải đưa vào phải đạt được các điều kiện sau: Nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải (Sb > Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb > Cr+3 > Cd > Zn > Fe). Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và năng lượng cho vsv (hydratcarbon, protein, lipit hòa tan). Tỉ số COD/BOD≤2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5 thì áp dụng phương pháp xử lý sinh học hiếu khí. Nếu nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ quá cao hoặc có chứa các chất hữu cơ khó phân hủy (cellulose, hemixenlulose, protein, tinh bột chưa tan) thì xử lý bằng phương pháp sinh học kị khí. III.2. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải: Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là nước thải công nghiệp đã qua công đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn cũng đủ điều kiện để vi sinh vật thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, chất ức chế hoặc diệt vi sinh vật, như các loại nước thải có hàm lượng các kim loại nặng, các chất hữu cơ và vô cơ có tính độc,…). Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thủy sinh. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu để xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, indol, mecaptan, scatol, N2,…). Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào để chuyển vào quá trình phân hủy nội bào (hô hấp hay oxy hóa tiếp) hay chuyển sang quá trình đồng hóa. Quá trình tự làm sạch trong nước xảy ra rất phức tạp. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn. Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ ô nhiễm thấp hơn ở vùng xa. Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vật tiết ra thì ngược lại. Phân hủy các chất hữu cơ xảy ra chủ yếu trong tế bào vi sinh vật. Trong nước thải có rất nhiều các loại vi sinh vật khác nhau tham gia và quá trình phân hủy chất hữu cơ như: vi khuẩn, vi nấm, virus, tảo, nguyên sinh động vật,…Trong số đó vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu của quá trình phân hủy các chất hữu cơ, cùng với các khoáng chất khác dùng làm vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời làm sạch nước thải. III.2.1. Vi khuẩn: Các vi khuẩn được phân thành 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn hình cầu, dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong. Đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bong cặn dễ lắng. Vi khuẩn ký sinh là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong ruột của người và động vật, đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh dung chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân hủy cặn chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đống vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không cò hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó. Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần có thức ăn và oxy để đồng hóa. Một số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hòa tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, còn quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxy hóa. Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồn tại được khi có oxy hòa tan trong nước. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân hủy gọi là quá trình kỵ khí, quá trình này tạo ra các chất có mùi khó chịu. Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, nếu thiếu hoàn toàn oxy hòa tan, chúng có thể điều chỉnh để thích nghi với môi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi. Ngược lại, cũng tồn tại một số loài vi khuẩn kỵ khí, khi có oxy hòa tan trong nước chúng không bị chết mà lại làm quen được với môi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn kỵ khí lưỡng nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường có sự thay đổi của oxy hòa tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý. Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ 20 – 40oC. Một số loài vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 – 60oC. Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, không phải tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hóa, một vài trong số chúng là loài gây hại. Có hai loại vi khuẩn gây hại có thể phát triển trong hệ thống hiếu khí và thiếu khí. Một là vi khuẩn dạng sợi là các dạng phân tử trung gian, thường kết với nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên trên mắt nước và gây cản trở quá trình lắng đọng trầm tích, làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã qua xử lý ra ngoài. Một dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hóa, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống. Các sinh vật có hại thường xuất hiện trong hệ thống xử lý kỵ khí là các vi khuẩn khử sunfat. Nhìn chung, lợi ích thu được từ thiết kế vận hành hệ thống xử lý nước thải kỵ khí là tạo ra sản phẩm khí metan có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, nếu trong nước thải chứa sunfat ở nồng độ quá cao, lúc đó các vi khuẩn khử sunfat sẽ phải cạnh tranh với các chất nhường điện tử, kết quả là tạo ra sản phẩm sunfat. Điều này không những ảnh hưởng đến sản lượng khí metan tạo thành, mà còn tạo các sản phẩm không có lợi cho quá trình vận hành hệ thống. III.2.2. Vi nấm: Có cấu tạo cơ thể đa bào, sống hiếu khí, không quang hợp và là loài hóa dị dưỡng. Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải. Cùng với vi khuẩn, nấm chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Về mặt sinh thái học nấm có hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm có thể phát triển trong điều kiện ẩm độ thấp và pH thấp. Không có sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và các chất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong môi trường. Nấm men: Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, có hình dạng khác nhau và hầu như không ổn định. Thường chúng có hình cầu, hình elip, hình bầu dục và cả hình dài. Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp từ 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn. Kích thước trung bình của nấm men có chiều dài 9 – 10µm, chiều rộng 2 - 7µm. Chúng có thể lên men một số đường thành rượu, axit hữu cơ, glycerin và phát triển tăng sinh khối trong điều kiện kỵ khí. Nấm mốc (nấm sợi). Nấm mốc có khả năng phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy như xenlulozo, hemixnlulozo và lignin. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên, không phải là loài thuộc thực vật, cũng không phải là động vật và hoàn toàn khác vi khuẩn và nấm men. Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậy không tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nói cách khác, khi cung cấp không đủ oxy và nitơ, hoặc khi pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như vi khuẩn dạng sợi. III.2.3. Virut và thể thực khuẩn: Virut là một dạng sống khá đơn giản, có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ 10 - 450µm. Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào; thành phần hóa học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa AND hoặc ARN; không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp; một số có khả năng tạo thành ty thể. Sự hiện diện của virut trong nước thải sẽ có ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý. Vì chúng sinh trưởng bằng cách tấn công vào tế bào vật chủ (động vật, thực vật, vi khuẩn,…) mà các vi khuẩn thì đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình xử lý nước thải. Thể thực khuẩn là virus của vi khuẩn, có khả năng làm tan tế bào vi khuẩn rất nhanh. Trong nước thải có những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, bên cạnh đó cũng có thể thực khuẩn tương ứng với từng loại vi khuẩn đó. Do đó khi thấy thể thực khuẩn trong nước thải người ta có thể kết luận sự có mặt của vi khuẩn tương ứng. III.2.4. Tảo: Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ở chổ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các chất hữu cơ từ vô cơ dưới tác dụng của ánh sang mặt trời. Các loại tảo khác nhau có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chủ yếu gồm các dạng sau: Dạng đơn bào chuyển động: gồm các cơ thể đơn bào có khả năng chuyển động, thường có hình cầu, hình bầu dục hay hình quả lê. Tế bào thường có tiên mao. Những tảo này có khả năng hình thành các chân giả rất mảnh và dài. Dạng tập đoàn chuyển động: gồm những tế bào đồng nhất về hình dạng và chức phận, thường tập hợp trong một tập đoàn chuyển động. Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính. Mặc dù tảo không phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng có thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, thực chất là những màu sắc của tảo. Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Alabaena microcistic,…làm cho nước có màu xanh lam. Tảo Oscilatoria rubecent làm cho nước có màu hồng. Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu vàng nâu, Chrisophit làm cho nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển làm cho nước có nhiều mùi có chịu như mùi cỏ, mùi thối,… III.2.5. Nguyên sinh động vật (Protozoa): Động vật nguyên sinh cũng góp phần quan trọng trong quá trình xử lý nước thải, là một tổ chức lớn nằm trong nhóm eukaryotic với hơn 50.000 loài đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tạp hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng từ 4 – 500mm, chúng sống trôi nổi trên mặt nước, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí không bắt buộc chỉ có một số loài sống yếm khí. Các nguyên sinh động vật quan trọng trong xử lý nước thải bao gồm các chi Amoeba, Flagellate, và Viliate. Các nhóm chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng. Dạng thứ nhất là mastigophora, là các động vật nguyên sinh có nhiều roi – flagella. Dạng thứ hai là ciliophora, có rôi ngắn hơn hay còn gọi là long mao – cilia. Dạng thứ ba là Sarcodina, có kiểu chuyển động như amip. Các động vật nguyên sinh ăn chất hữu cơ để sống và thức ăn ưa thích của chúng là các vi khuẩn do đó nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng. Các động vật nguyên sinh có thể coi là chất chỉ thị của nước thải, vì sự xuất hiện của các động vật nguyên sinh cũng có nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất có trong nước thải. III.2.6. Archaea (cổ khuẩn): Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa. Khác với vi khuẩn, lipit của màng tế bào Archaea chứa lien kết ether giữa axit béo và glycerol, trong đó hai loại lipit chính là glycerol diether và diglycerol tetraether. Archaea còn chứa một lượng lớn axit béo không phân cực. Archaea có phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và có thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành metan. Chúng bao gồm các nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong các môi trường cực đoan. Những nghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng có mặt trong các loại môi trường sống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, chúng đóng vai trò khá quan trọng trong việc tạo ra CH4. III.3. Quá trình tăng trưởng của tế bào vi sinh vật: Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản và tăng sinh khối quần thể vi sinh vật. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “phát triển”. Sinh sản cũng là một kết quả của sự phát triển. Trong nước thải và quá trình xử lý nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào. Kích thước tế bào dao động xung quanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày. Khi các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH, nhiệt độ và các điều kiện khác của môi trường thay đổi ngoài các chỉ số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại. Các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng, chúng cần có trong môi trường các chất hữu cơ có thể đồng hóa làm cơ chất dinh dưỡng ở nước thải được biểu thị là BOD. Ngoài ra các chất dinh dưỡng nguồn nitơ là NH4+ và nguồn photpho là PO43-, các nguyên tố khoáng khác như K, Ca, Mg và các nguyên tố vi lượng (sắt, đồng, kẽm, mangan,…). Các chất khoáng và vi lượng này thường có đủ trong nước thải sinh hoạt. Các nguồn C, N, P dinh dưỡng cần cho sinh trưởng của vi khuẩn thường theo tỷ lệ BOD:N:P = 100:5:1. Khi xử lý nước thải công nghiệp (trừ công nghiệp thực phẩm) nhiều trường hợp phải bổ xung nguồn N và P hoặc phải khử trước các kim loại nặng gây độc hại cho đời sống vi sinh vật. III.3.1. Nuôi cấy tĩnh (nuôi cấy theo mẻ): Phương pháp nuôi cấy này thì quá trình sinh trưởng của tế bào chia thành 5 giai đoạn. Giai đoạn thích nghi. Giai đoạn sinh sản bằng cách phân đôi tế bào theo cấp số nhân. Giai đoạn chậm dần. Giai đoạn ổn địn. Giai đoạn suy vong. Hình 3.1: Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật. Vùng 1: Giai đoạn làm quen/pha tiềm phát/ pha lag. Pha lag bắt đầu từ lúc nuôi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trưởng. Trong pha này nồng độ bùn X = X0 (X0 là sinh khối ở thời điểm t = 0). Tốc độ sinh trưởng: rg = dX/dt = 0. Gần cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng tức tăng về kích thước, thể tích và khối lượng do tạo ra protein, axit nucleic, men proteinaza, amilaza nhưng chưa tăng về khối lượng. Vùng 2: Giai đoạn sinh sản theo cách phân đôi tế bào (theo cấp số nhân)/giai đoạn sinh trưởng logaric/pha số mũ (pha log). Trong pha log chất dinh dưỡng đáp ứng đầy đủ cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa. Sinh trưởng và sinh sản đạt mức độ cao nhất. Sinh khối và khối lượng tế bào tăng theo phương trình: N = N0 x 2n (n là số lần phân chia tế bào của tế bào ban đầu). Tốc độ sinh trưởng tăng tỷ lệ thuận với X (từ đó có đường cong hàm mũ) theo phương trình. rg = dX/dr = µ.X (3 – 1) trong đó: rg: tốc độ tăng trưởng vi sinh vật (mg/l.s). X: nồng độ sinh khối/nồng độ bùn (mg/l). µ: hằng số tốc độ sinh trưởng hay tốc độ sinh trưởng riêng vi sinh vật (l/s) Đường cong cho thấy sinh khối của bùn có xu hướng tăng theo cấp số nhân thuộc pha tiềm phát và pha sinh trưởng logaric. Trong pha sinh trưởng logaric tốc độ phân đôi tế bào trong bùn sẽ ổn định và đạt giá trị tối đa. Phần giữa của đường cong tốc độ sinh trưởng gần như tuyến tính với nồng độ sinh khối tương ứng với nồng độ chất dinh dưỡng dư thừa. Vùng 3: Giai đoạn sinh trưởng chậm dần/ pha sinh trưởng chậm dần. Trong giai đoạn này chất dinh dưỡng trong môi trường đã giảm sút và bắt đầu cạn kiệt cùng với sự biến mất của một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng hoặc do môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế vi sinh vật, được sinh ra trong quá trình chuyển hóa chất trong tế bào ở pha log. Sự sinh sản của vi sinh vật gần đạt đến tiệm cận tùy thuộc vào mức độ giảm nồng độ chất dinh dưỡng. X tiếp tục tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần khi chuyển dần dần từ pha sinh trưởng sang pha ổn định và đạt mức cân bằng ở cuối pha. Vùng 4: Giai đoạn sinh trưởng ổn định/pha ổn định: Chất dinh dưỡng trong pha này có nồng độ thấp, nhiều sản phẩm của quá trình trao đổi chất được tích lũy. X đạt tối đa, số lượng tế bào đạt cân bằng. Sự sinh trưởng dừng lại, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. Vùng 5: Giai đoạn suy tàn/pha suy vong/pha oxy hóa nội bào. Pha này biểu thị sự giảm sinh khối bùn bởi quá trình tự oxy hóa diễn ra. Trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo lũy thừa, các tế bào bị chết và tỷ lệ chết cứ tăng dần lên mà nguyên nhân là do chất dinh dưỡng đã quá nghèo hoặc đã hết, sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác dụng ức chế và đôi khi tiêu diệt cả vi sinh vật. Các tính chất lý, hóa môi trường thay đổi không có lợi cho tế bào, các tế bào già bị chết bị chết một cách tự nhiên,… Quá trình nuôi cấy tỉnh vi sinh vật được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải ở điều kiện tĩnh và hoạt hóa bùn. Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật theo thời gian đều đúng cho cả hai môi trường hiếu khí và kỵ khí. Giá trị các thông số của quá trình phụ thuộc vào các loài vi sinh vật, hàm lượng cơ chất, nhiệt độ và độ pH môi trường mà vi sinh vật sống trong đó. III.3.2. Nuôi cấy liên tục: Ngược với nuôi cấy tĩnh, nuôi cấy liên tục là phương pháp mà trong suốt thời gian nuôi cấy, liên tục cho thêm các chất dinh dưỡng mới vào và tiến hành loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất ra khỏi môi trường nuôi cấy. Do đó vi sinh vật luôn luôn ở trong điều kiện ổn định về chất dinh dưỡng cũng như sản phẩm trao đổi chất và tốc độ sinh sản phụ thuộc vào tốc độ cung cấp chất dinh dưỡng. Quá trình nuôi cấy liên tục, tốc độ sinh trưởng rg được biểu thị bằng phương trình: rg = dX/dt = (µ - D). X (3 – 2) trong đó: X: nồng độ sinh khối ban đầu/nồng độ bùn (mg/l). µ: hằng số tốc độ sinh trưởng (l/s). Hệ số pha loãng D = F/V. F: tốc độ cung cấp dinh dưỡng cho môi trường (ml/s). V: thể tích môi trường (ml). Quá trình nuôi cấy liên tục vi sinh vật được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải ở điều kiện động. CHƯƠNG IV: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN KỴ KHÍ IV.1. Lược sử phát triển quá trình và xu hướng hiện nay: Quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là một trong những kỹ thuật ứng dụng cổ xưa nhất. Khí sinh học đã được sử dụng để làm nóng nước tắm ở Assyria từ thế kỷ thứ 10 trước công nguyên. Cho đến thế kỷ 17, quá trình mới bắt đầu nghiên cứu một cách khoa học. Năm 1776, Count Alessandro Volta đã khẳng định có mối lien hệ giữa lượng chất hữu cơ phân hủy và lượng khí cháy được tạo thành. Sau đó, năm 1808, Sir Humphry Davy đã chứng minh được sự tạo thành khí metan qua quá trình phân hủy kỵ khí phân gia súc. Quá trình được ứng dụng mang tính công nghiệp đầu tiên là một nhà máy xây dựng ở Bombay, Ấn độ vào năm 1859 để sau đó nó bắt đầu thâm nhập vào anh. Những tiến bộ của ngành vi sinh vật học khi đó có tác dụng hỗ trợ phát triển kỹ thuật trong đó nghiên cứu của Buswell những năm 1930 đã đặt nền móng cho việc xác định các loài vi khuẩn kỵ khí và các điều kiện thúc đẩy sự sinh khí. Khi những hiểu biết về quá trình đầy đủ hơn, các kỹ thuật áp dụng trong vận hành và điều khiển ngày càng hoàn thiện với sự ra đời của những bể ủ kín cùng các thiết bị hâm nóng và khuấy đảo. Tuy nhiên, vì lúc đó giá than đá rẻ và trữ lượng dầu mỏ còn rất lớn nên khí sinh học không được quan tâm, một phần do sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phân hủy kỵ khí. Quá trình công nghiệp hóa cùng với giá điện rẻ đã dẫn tới kết quả là các kỹ thuật phân hủy hiếu khí chế biến compost và chôn lấp trở thành sự lựa chọn để xử lý nước thải cho tới ngày nay. Trong khí đó các hệ thống lên men kỵ khí cỡ nhỏ mọc lên rất nhiều tại các nước chậm phát triển hơn như Trung Quốc, Ấn độ chủ yếu tạo nguồn năng lượng phụ. Rồi hai cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973 và năm 1979 đã phát động mối quan tâm mới tới kỹ thuật phân hủy kỵ khí đơn giản thu metan làm năng lượng. Tuy nhiên những hiểu biết về quá trình còn hạn chế đã dẫn tới sự thất bại của 50% hầm ủ ở Ấn độ, Trung Quốc và 80% hầm ủ ở Mỹ và châu Âu. Tuy nhiên, đó lại chính là động lực để thúc đẩy sự nghiên cứu sâu hơn về quá trình. Cùng với thời gian, kỹ thuật phân hủy kỵ khí không chỉ được áp dụng để xử lý chất thải nông nghiệp hay chăn nuôi mà thậm chí để xử lý nước thải đô thị hay công nghiệp (chế biến hóa chất, sản xuất thực phẩm các loại…). Gần đây kỹ thuật phân hủy kỵ khí càng được lựa chọn nhiều hơn dưới áp lực của giá dầu mỏ cao và những quy định ngày càng chặt chẽ về môi trường để kiểm soát khắt khe về mùi và khối lượng của phần chất hữu cơ chôn lắp. Đức và Đan Mạch đã tăng sản lượng khí sinh học sản suất gấp đôi vào năm 2000 và gấp ba vào năm 2005. Ở Việt Nam, sản xuất khí sinh học đã được giới thiệu và áp dụng từ hơn 20 năm qua để thắp sang do thiếu điện một số khu vực ở nông thôn. Một loạt các hầm ủ sinh học vật liệu xi măng với thiết kế khác nhau đã được đưa vào thử nghiệm ở các vùng nông thôn dưới sự tài trợ của chính phủ Việt Nam và quốc tế, từ các hầm ủ kiểu Ấn độ đến kiểu Trung Quốc. Tuy nhiên, vì hầm ủ xi măng có giá cao, khó lắp đặt và sửa chữa nên thực tế còn ít được áp dụng. Sự ra đời của túi ủ hình ống bằng vật liệu PE sau đó đã giảm được đáng kể chi phí đầu tư và chi phí vận hành nên nhận được sự ủng hộ của nhiều hộ nông dân nghèo. Trong vòng 10 năm trở lại đây hơn 20.000 túi ủ như thế đã ra đời ở Việt Nam và đa phần do nông dân tự trang trải chi phí. Túi ủ với giá thành rẽ cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì. Tuy nhiên, những nghiên cứu về quá trình phân hủy đối với rác thải nông thôn Việt Nam (với một số đặc trưng riêng) để làm căn cứ khoa học và ứng dụng còn rất hạn chế. IV.2. Cơ sở lý thuyết: Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do quần thể vi sinh vật hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí có CH4 , CO2, N2, H2,…trong đó thông thường có tới 60 – 65% là CH4. Vì vậy quá trình này còn có thể gọi là quá trình lên men metan. Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu cơ trong nước thải để xây dựng tế bào, tăng sinh khối. Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí: (CHO)n →CO2 + H2O +CH4 +NH4 + H2 + H2S + tế bào VSV +… Trong 10 năm trở lại đây, do các phương pháp sinh học phát triển, quá trình xử lý kỵ khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lý các loại bả cặn chất thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao: BOD đến 10 – 30 (g/l). Hiện nay, đã có hàng trăm nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải ở các nước như: Hoa Kỳ, Hà Lan, Đức, Việt Nam,…đi vào hoạt động, do phương pháp này có các ưu điểm sau: Thiết kế đơn giản. Thể tích công trình nhỏ. Chiếm ít diện tích mặt bằng. Công trình có thiết kế đơn giản và giá thành không cao. Chi phí vận hành về năng lượng thấp. Khả năng thu hổi năng lượng cao, không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng. Lượng bùn sinh ra ít hơn 10 – 20 lần so với phương pháp hiếu khí và có tính ổn định tương đối cao. Có thể tồn trữ trong một thời gian dài và là một nguồn phân bón có giá trị. Tải trọng phân hủy chất bẩn hữu cơ cao. Chịu được sự thay đổi đột ngột về lưu lượng. Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thì công nghệ này cũng gặp phải một số khó khăn như: Rất nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thải đổi bất thường về tải trọng của công trình. Những hiểu biết về các vi sinh vật kỵ khí còn hạn chế. Thiếu kinh nghiệm về vận hành công trình. Xử lý nước thải chưa triệt để. IV.3. Mô tả quá trình sinh học kỵ khí: Sự tạo thành khí sinh vật là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí đã phân hủy từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hòa tan. Một yếu tố bất lợi đối với bất kỳ giai đoạn nào đều có thể gây ra sự cố và kìm hãm cả quá trình. Các giai đoạn đó có thể được mô tả bằng sơ đồ trong hình 4.1 THỦY PHÂN ACETAT HÓA Acetat Hydro, cacbonic Metan (CH4) METAN HÓA Lipit Protein Hydratcacbon Axit béo dài Glycerin Axit amin Đường đơn Axit béo bay hơi (số C>2) AXIT HÓA Hình 4.1: Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Phản ứng tổng quát của quá trình có thể được viết: Hợp chất hữu cơ + H2O → sinh khối + CH4 + CO2 + NH3 IV.4. Hóa sinh học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí: IV.4.1. Giai đoạn thủy phân: Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ phức tạp như chất béo, hydrat cacbon (chủ yếu là xenluloza và tinh bột), protein được thủy phân thành những chất hữu cơ đơn giản hơn dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glycerin, axit béo, axit amin,…(để có thể thâm nhập được vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia cửa các enzyme ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân (cũng là vi khuẩn lên men). Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loài vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như protein bị thủy phân thành axit amin nhờ proteaza, Hydratcacbon chuyển thành đường đơn nhờ cellulaza, amylaza và lipit được chuyển hóa thành các axit béo mạch dài tương ứng và glycerin nhờ vào enzyme lipaza. IV.4.2. Giai đoạn axit hóa: Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật hấp thụ nên cần được phân giải tiếp. Giai đoạn này được bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi đến tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển. Ở đó các axit amin, đường đơn và axit béo mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn (axit propionic, axit valeric, axit acetic), rượu (ethanol), keton, một ít khí hydro và khí CO2,… Giai đoạn này có tên gọi là giai đoạn lên men, các axit được sinh thành nhiều nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh (4 – 5). Cơ chế axit hóa axit béo và glycerin: Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian như 1,3-propandiol để tạo thành các sản phẩm cuối cùng là propionate và acetate. Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối. Axit béo mạch dài chủ yếu bị phân giải khá phúc tạp như sau: Axit béo + CoA ↔ Acyl-CoA Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme acyl-CoA synthetaza nằm ở màng trong tế bào vi khuẩn. Cơ chế axit hóa axit amin: Axit amin được tạo ra trong giai đoạn thủy phân sẽ được khuếch tán vào trong tế bào, một phần khá lớn các axit amin không tiếp xúc được với tế bào vi sinh vật sẽ được tiếp tục phân giải thành NH3 hoặc H2S, CO2, H2O. Khi các axit amin vào được trong tế bào vi sinh vật sẽ xảy ra hai trường hợp: Trường hợp thứ nhất là các axit amin sẽ được sử dụng nguyên vẹn như một vật liệu tham gia tổng hợp protein và các thành phần hữu cơ chứa nitơ khác trong cơ thể vi sinh vật. Trường hợp thứ hai một phần axit amin sẽ được deamin hóa để tạo ra năng lượng và giải phóng NH3. Quá trình khử amin trong tế bào vi sinh vật có thể xảy ra theo hai con đường sau. Khử amin có kèm theo decarbonyl hóa: R-CH-NH2 + 2H → R-CH3 + CO2 + NH3. Khử amin không kèm theo decarbonyl hóa: R-CH-NH2COOH + 2H → R-CH2-COOH + NH3. Trong nhiều trường hợp sản phẩm tạo thành dẫn xuất của H2S là mercaptan. Chất này có mùi hôi tanh rất mạnh. Ngoài ra, hai sản phẩm của quá trình phân giải axit amin là skatol và indol thường gây ra mùi rất nặng (nếu trong nước có chứa phân). Cơ chế lên men đường đơn: Quá trình lên men các đường đơn thường xảy ra qua hai pha rất rõ rệt. Pha đầu là pha tăng sinh khối, pha sau là pha tạo sản phẩm của quá trình lên men. Hexokinase Giai đoạn đường phân: con đường này glucose được photphoryl hóa ở vị trí thứ 6 với sự tham gia của enzyme hexokinase ATP và Mg2+ theo phương trình sau: Mg2+ Glucose + ATP Glucose-6-photphat +ADP Sau đó glucose-6-photphat sẽ tiếp tục chuyển hóa theo phương trình sau. Glucose + 2ADP + 2NADH + 2Pi → 2pyruvat + 2NADH + 2ATP + 2H2O Trong điều kiện kỵ khí oxygen không được cung cấp để oxy hóa NADH được tạo thành trong quá trình đường phân thì NAD+ sẽ được tái tạo lại ngay từ NADH nhờ quá trình khử pyruvate thành axit lactic được xúc tác bởi enzyme lactate dehydrogenase. Ngoài ra nấm men và một số vi sinh vật khác giải quyết vấn đề NAD+ bằng quá trình lên men rượu. Trong quá trình lên men rượu, pyruvate biến đổi thành ethanol và CO2 qua hai giai đoạn. Pyruvate bị decarboxyl hóa nhờ enzyme pyruvate decarboxulase xúc tác phản ứng giải phóng CO2 và tạo acetaldehyde. Acetaldehyde bị khử thành ethanol nhờ NADH được xúc tác bởi enzyme alcohol dehydrogenase. IV.4.3. Giai đoạn acetat hóa: Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình axit hóa nêu trên, ngoại trừ axit axetic, do vậy các phân tử này cần được phân giải thành các phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là axit axetic, khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn axetat đồng hình: Bảng 4.1: Các phản ứng sinh acetate và sự thay đổi năng lượng tự do (∆G): Phản ứng∆G (KJ/mol)CH3CHOHCOO- + 2H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 2H2 (lactate) CH3CH2OH + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2 (ethanol) CH3CH2CH2COO- + 2H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2 (butyrate) CH3CH2COO- + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2 (propionate) 4CH3OH + 2CO2 → 3CH3COOH + 2H2O (methanol) 2HCO3- + 4H2 + H+ → CH3COO- + 4H2O (bicacbonate)- 4,2 + 9,6 + 48,1 + 76,1 - 2,9 - 70,3 Đối với chất nền giàu dầu mỡ, do sự phân hủy axit béo mạch dài cho sản phẩm là axit acetic mà không phải là axit béo mạch cao hơn nên giai đoạn acetate hóa cũng chính là giai đoạn axit hóa. Giai đoạn acetate hóa có ảnh hưởng trực tiếp đến sự tạo thành metan. Nếu quá trình lên men quá nhanh hoặc trong dịch lên men có nhiều chất liên kết phân tử thấp sẽ dễ dàng bị thủy phân nhanh chống đưa đến tình trạng axit hóa và ngưng trệ quá trình lên men. Mặt khác vi sinh vật tham gia giai đoạn acetate hóa của quá trình phân hủy kỵ khí đều thuộc nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose. Nhóm vi khuẩn này hầu hết có các enzyme cellulosase và nằm rãi rác trong các họ khác nhau hầu hết là các trực trùng có bào tử. Theo A.R.Prevot chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Endosponus, Terminosponus, Caduceus. Đặc điểm nổi bật của giai đoạn axetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng vối CO2. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó bởi vi khuẫn acetate hóa sẽ giảm mạnh. Khi đó axit béo bay hơi tích tụ lại kéo theo sự không phân giải các axit béo dài tạo thành dây chuyền, đến mức nào đó sẽ ức chế các vi khuẩn axit hóa, acetate hóa và metan hóa. Ngoài ra axit tích tụ là pH của môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợp metan từ hydro và acetate. Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh hydro (vi khuẩn acetate hóa) với vi sinh vật tiêu thụ hydro (chính là vi sinh vật tạo metan) là vô cùng quan trọng nhằm duy trì áp suất hydro ở mức thấp từ 10-6atm đến 10-4atm để đảm bảo quá trình tạo metan tiến triển bình thường. Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết về nhiệt động học của các phản ứng trong giai đoạn này vì phản ứng sinh axit acetic và propionic, butyric hay etanol (phản ứng thu nhiệt) chỉ có thể xảy ra đồng thời với các phản ứng sinh metan trong giai đoạn metan hóa (phản ứng tỏa nhiệt). Trong khi axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay hơi khác, ví dụ 15mmol axit acetic ức chế phân giải axit propionic và 100mmol axit acetic ức chế phân giải axit butyric do đó làm chậm tốc độ axit hóa. Bản thân axit axetic ở nồng độ quá cao cũng gây pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải axit béo bay hơi. Nói chung, khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6,8 – 7,8 và nhiệt độ từ 35 – 42oC. Ngoài ra, một con đường axetat hóa khác có thể xảy ra bởi sự tham gia của nhóm vi khuẩn homoacetogen từ hydro và cacbonic (tự dưỡng) hay từ các chất hữu cơ (dị dưỡng). Tuy nhiên trong môi trường có nồng độ hydro thấp thì ái lực với hydro của vi sinh vật sinh metan (từ hydro) mạnh hơn của homoacetogen, nên lượng axit acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể. IV.4.4. Giai đoạn tạo metan: Là giai đoạn cuối cùng phân hủy kỵ khí trong giai đoạn này các sản phẩm của hai giai đoạn trên như acetate, hydrogen và carbonate, formate, hay methanol được biến đổi tạo ra khí CO2, CH4 và một số chất khác. Ở giai đoạn này pH của môi trường cao hơn 7 Các phản ứng phân giải quan trọng trong quá trình lên men bao gồm: Phản ứng của ammoniac và nước tạo thành hydroxit amon: NH3 + H2O → NH4OH Hydroxit amon sau khi trung hòa với các axit ở các giai đoạn trước sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự lên men trong môi trường kiềm yếu (pH201 – 1070-953UASB5 – 20>1000,25 – 180-950,5 năm4Lọc kỵ khí5 – 15>501,5 – 270-905Ky khí đệm giản nở10 – 40>1001/24 – 260-85 Phân hủy kỵ khí tải trọng thấp và cao được dùng để tiền xử lý nước thải công nghiệp và đôi khi là xử lý nước thải sinh hoạt. các thông số thiết kế cho mô hình phân hủy ky khí tải trọng thấp (khuấy trộn không liên tục) và tải trọng cao (có sự khuấy trộn đều trong bể) được trình bày ở bảng 5.2. Bảng 4.7: Thông số thiết kế cho mô hình phân hủy kỵ khí. Thông sốTải trọng thấpTải trọng caoThời gian phân hủy, ngày30 – 6010 – 20Chất rắn hữu cơ đầu vào, kg VSS/m3.ngày0,0025 – 0,0050,009 – 0,025Tiêu chuẩn thể tích, m3/ngày Bùn ban đầu Bùn ban đầu và bùn từ thiết bị lọc Bùn thứ cấp và bùn dư 0,566 – 0,849 1,132 – 1,416 1,132 – 1,698 0,4245 – 0,566 0,166 – 0,208 0,166 – 1,132Nguồn: Tom D.Reynolds – Texas A & M University. Thiết kế bể phản ứng UASB: Thông thường, các bể phản ứng kỵ khí được thiết kế với tải trọng lớn hơn so với yêu cầu thực tế, do vậy quá trình hoạt động sẽ an toàn hơn. Tùy vào mức độ axit hóa, thành phần các chất rắn lơ lửng và các chất độc có trong nước thải, tải trọng thiết kế sẽ tahi đổi theo. Phương pháp chung để thiết kế tải trọng trong trường hợp trên là ước tính sản lượng bùn tổng. Đối với nguồn nước thải phức tạp có chứa một lượng lớn các chất rắn lơ lửng, tiêu chuẩn thiết kế sẽ dựa vào yêu cầu loại bỏ các chất rắn lơ lửng đó. Bảng 4.8: Tải trọng thiết kế bể UASB ở các nhiệt độ khác nhau. Nhiệt độ, oCTải trọng thiết kế, kg COD/(m3.ngày)101 – 3153 – 7207 – 153015 – 204020 – 30Nguồn: Instruction manual for the understanding and use of anaerobic wastewater treatment method. Bảng 4.9: Các thông số thiết kế bể UASB đối với các loại nước thải khác nhau. Nước thảiCOD vào (mg/l)Thời gian lưu nước (h)Tải trọng (kgCOD/m3.ngày)Hiệu quả khử COD (%)Nước thải sinh hoạt500-8004 – 104 – 1070 – 75Nước thải nhà máy rượu cồn20.0005 – 1014 – 1560Chế biến tinh bột4.500-7.0005 – 108 – 975 – 80Chế biến sữa3.000-3.4005 – 101280Xí nghiệp hóa chất tổng hợp18.0005 – 107 – 990Chế biến rau quả8.3005 – 101855Giấy các loại7.7005 – 101280Chế biến thủy sản2.300-3.0005 – 108 – 1075 – 80Nguồn: Trịnh Xuân Lai, tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải. Có nhiều giá trị thiết kế khác nhau đối với thiết bị phân loại khí – bùn, một vài giá trị đã có sẵn. Chiều cao bể phản ứng: giá trị này được giới hạn bởi tốc độ dòng chảy ngược tối đa của bùn, thông thường tốc độ này khoảng 1m/h là tối đa. Đối với bùn dạng hột, tốc độ này có thể đạt đến 5m/h. Trong các bể FBR vận tốc dòng chảy ngược sẽ vào khoảng 15m/h. Lượng bùn hạt ban đầu: 20 – 30 g/l. Tải trọng khởi động: 0,5 kg COD/(m3.ngày). Thời gian lưu nước: 0,2 – 2 ngày. Tải trọng hữu cơ 2 – 25 kg COD/(m3.ngày). CODvào: có thể lên 20.000 mg/l. pH thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1.000 – 2.000mg/l). Bảng 4.10: Một số thông số cần thiết cho tình toán thiết kế bể metan. Thông sốBể tốc độ chuẩnBể tốc độ caoThời gian lưu của chất rắn (ngày)30 – 9010 – 20Tải lượng chất rắn bay hơi (kg/m3.ngày)0,5 – 1,6 1,6 – 6,4Nồng độ chất rắn tiêu hủy được (%)4 – 64 – 6Hiệu suất giảm chất rắn bay hơi (%)35 – 5045 – 55 Năng suất khí (m3/kg VSS nạp vào bể)0,5 – 0,550,6 – 0,65Hàm lượng CH4 (%)6565Nguồn: Lương Đức Phẩm, công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học. IV.10. Một số vấn đề cần lưu ý khi vận hành hệ thống xử lý nước thải trong điều kiện kỵ khí. Kiểm tra bể UASB: Kiểm tra thiết bị phân tách bùn – khí có được lắp đặt đúng hay không. Kiểm tra van khóa nước có được lắp đặt đúng hay không. Kiểm tra các điểm thử mẫu có đủ hay không. Thông thường số lượng mẫu thử khoảng 4 – 6 điểm dọc theo chiều cao của bể. Chuẩn bị các thí nghiệm theo mẻ: khi vận hành hệ thống thì hoạt động này rất quan trọng nhằm xác định hoạt động của vi khuẩn metan trong bùn hoạt tính. Kiểm tra nước thải: Kiểm tra nồng độ các hợp chất hữu cơ trong nước thải: nếu nồng độ COD 50.000mg/l thì có thể pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn dòng thải. Kiểm tra khả năng phân hủy sinh học của nước thải: có thể xác định được khi biết lượng COD trong bể phản ứng và metan sinh ra trong suốt quá trình phản ứng (khoảng 40 ngày). Kiểm tra xem nước thải có tính đệm hay không: có thể kiểm tra khả năng làm môi trường đệm của nước thải bằng cách thêm vào 1g/l hay 40% COD trong nước thải khi COD trong nước thải nhỏ hơn 2,5g/l. Khi pH của nước thải ở mức 6,5 hoặc cao hơn, nước thải đủ tốt để làm lớp đệm. Kiểm tra lượng dinh dưỡng trong nước thải có đủ dể duy trì sự sinh trưởng của vi khuẩn hay không. Nhu cầu dinh dưỡng cho vi khuẩn là rất thấp nhưng không thể không có. Nồng độ tối thiểu cần thiết của các chất dinh dưỡng (N, P, S) theo tỷ lệ sau: (COD/Y): N: P: S = (50/Y): 5:1: 1. Các vi khuẩn metan có liên quan mật thiết đến nồng độ các kim loại nặng trong nước thải (Fe, Ni, Co). Y (hệ số sinh khối). Kiểm tra xem nước thải có chứa nồng độ cao các chất rắn lơ lửng không. Trong trường hợp nước thải chứa các chất rắn lơ lửng với nồng độ cao, hoạt động của bể UASB không thể thích nghi được. Khi nồng độ này lên đến 3.000mg/l và các chất rắn lơ lửng không có khả năng phản ứng sinh học, chúng sẽ được giữ lại trong bể phản ứng hoặc theo dòng chảy ra ngoài tùy vào kích thước các hạt bùn, khi các hạt bùn có kích thước như nhau thì chúng sẽ tích lũy trong bể phản ứng. Kiểm tra xem nước thải có chứa các độc chất hay không (Kjehldal-N, NH3-N, SO4,…). Bể UASB sẽ không thích hợp để xử lý nước thải khi nồng độ các chất đạt đến một giá trị giới hạn, ảnh hưởng không tốt khi vận hành hệ thống (nồng độ NH3-N = 2.000mg/l, SO4 > 500mg/l, tỷ lệ COD/SO4 15,000mg/l,…). Kiểm tra nhiệt độ nước thải: khi nhiệt độ nước thải thấp hơn 20oC cần phải gia nhiệt cho hệ thống, nhiệt độ cao hơn 60oC thì khi khởi động hệ thống cần phải cẩn thận. Nhiệt độ thích hợp để vận hành hệ thống là từ 20 – 42oC. Hướng dẫn ứng dụng khả năng tuần hoàn: Nếu COD của nước thải không đạt đến 5 kg COD/m3, việc tuần hoàn là không cần thiết, ngoài trừ khi nồng độ sunfit đạt đến 200mg/l. Trong trường hợp này, việc tuần hoàn được chọn để làm giảm nồng độ sunfit ở dòng vào xuống 100mg/l. Khi nồng độ COD trong nước thải thai đổi từ 5 – 20 kg COD/m3, khi bắt đầu vận hành nên pha loãng nồng độ COD xuống còn 5 kg COD/m3. Với nồng độ nước thải quá cao, lên đến 20 kg COD/m3 thì nhất thiết phải pha loãng nước thải. Tuy nhiên, nồng độ nước thải quá cao thường kèm theo độ mặn cao, dẫn đến tốc độ tạo sản phẩm metan rất thấp. Vì vậy, quá trình tăng trưởng thu được sẽ tốt khi nước thải được pha loãng. Tốt nhất là được pha loãng đến nống độ 5 kg COD/m3, nhưng khi điều này là không thể, 20 kg COD/m3 là nồng độ tối đa. Cần duy trì nồng độ các axit béo dễ bay hơi (VFA) trong nước thải ở mức dưới 3 meq/l. Khởi động bể phản ứng UASB: Bước đầu tiên để khởi động hệ thống là rất quan trọng. Khi không có chất nền ban đầu tốt, vận hành bể phải hết sức cẩn thận. Khi vận tốc dòng chảy ngược quá lớn, các vi khuẩn sẽ bị đẩy ra khỏi bể phản ứng và việc khởi động sẽ phải bắt đầu lại. Để khởi động hệ thống hiệu quả, tải trọng chất nền vào khoảng 3 kg COD/(m3.ngày), với thời gian lưu nước tối thiểu là 24 giờ. Tiếp theo là cần kiểm tra các thông số. Nồng độ của nước thải là bao nhiêu: khi nồng độ nước thải < 5.000 mg COD/l thì không có vấn đề gì, ngoại trừ khi nước thải có chứa các chất độc với nồng độ cao. Khi nồng độ nước thải cao hơn 5.000 mg COD/l, nên pha loãng hoặc tuần hoàn nước thải khi vận hành. Kiểm tra hoạt tính của metan trong bùn nền ban đầu: Bắt đầu vận hành bể phản ứng bằng cách cung cấp tải lượng vào đến một nữa thể tích bể, với nồng độ tối thiểu là 0,2 kg COD/(m3.ngày) hoặc thời gian lưu nước tối thiểu là 24 giờ (trước khi bể phản ứng vận hảnh hoàn hảo). Sau khi chờ trong 5 ngày đầu tiên, kiểm tra xem lượng khí thoát ra có đạt được 0,1m3/ngày không. Nếu không đạt được giá trị này, tốt nhất nên dừng cung cấp dòng vào và chờ đến khi sản lượng khí tạo ra gia tăng trong 3 ngày kế tiếp, rồi sau đó lại tiếp tục cung cấp nước thải. Kiểm tra lượng VFA thấp hơn 3 meq/l không. Nếu không, dừng cung cấp dòng vào và chờ khoảng một tuần. Giá trị VFA này có thể là hơi thấp nhưng đối với hệ thống mới khởi động thì nó giúp cho sự vận hành hệ thống sau này sẽ tốt hơn. Sauk hi cung cấp lại dòng thải, nên kiểm tra lại nồng độ VFA 2 ngày 1 lần. khi đạt đến giá trị 8 meq/l thì lại dừng cung cấp nước thải và chờ cho giá trì này giảm xuống duới 3 meq/l. Một khi đã duy trì được tải trọng liên tục ở mức 0,2 kg COD/(m3.ngày), thì pha đầu tiên của quá trình khởi động đã hoàn thành. Bấy giờ có thể gia tăng tải trọng hữu cơ ở mức cao hơn. Kiểm tra nước thải có pha loãng không, nếu khộng thì gia tăng thể tích tải trọng hữu cơ. Sau khi chờ trong 3 ngày, kiểm tra nồng độ VFA có quay lại 3 meq/l không. Trong trường hợp VFA dòng ra thấp, có thể lại tăng tải trọng thể tích hữu cơ, đồng thời giảm tác nhân pha loãng hoặc gia tăng tốc độ dòng vào. Khi nồng độ VFA gia tăng đến giá trị 8 meq/l, giữ ổn định nhưng chú ý kiểm soát pH trong bể. Hoạt động bể phản ứng có thể không tốt khi môi trường có tính axit. Khi nồng độ VFA lên đến 15 meq/l, kiểm tra nếu pH không giảm xuống dưới 6,5, khi đó cần phải them NaOH, Ca(OH)2 hay NaHCO3, đồng thời quay lại bước đầu là giảm tải trọng xuống 30%. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ V.1. Kết luận: Xử lý nước hải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là phương pháp xử lý rất hiệu quả đối với các loại nước thải có nhiễm các chất hữu cơ cao khi mà phương pháp sinh học hiếu khí thường không được áp dụng. Đồng thời phương pháp này còn giúp thu hồi các sản phẩm có ích là khí sinh học được sử dụng như một nguồn năng lượng sạch và nguồn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Trong 12 tuần thực hiện đồ án, các vấn đề đã được tìm hiểu và trình bày trong đồ án bao gồm: Các biến đổi hóa sinh học mỗi giai đoạn trong cả quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Các vi sinh vật chiếm ưu thế theo từng giai đoạn phân hủy khác nhau theo hệ thống logic. Trong mỗi giai đoạn sẽ có một hoặc nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau tham gia vào quá trình phân hủy. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí ↔ Việc hiểu biết rõ các đặc điểm trên sẽ giúp cho công tác thiết kế cũng như vận hành các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí được dễ dàng và hiệu quả hơn. V.2. Kiến nghị: Do các công trình nghiên cứu về phương pháp phân hủy kỵ khí chất hữu cơ còn hạn chế, đồng thời tài liệu cũng mới chỉ đề cập nhiều đến các vi sinh vật xử lý các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy. Đó là một khó khăn hiện nay, do trong nước thải luôn có sự xuất hiện của các chất hữu cơ khó phân hủy. Do đó cần có nhiều nghiên cứu sâu hơn để tìm ra các vi sinh vật có khả năng phân giải các chất hữu loại này. Khi đó, những tài liệu còn thiếu về quá trình sẽ được bổ xung đầy đủ hơn, cho ta cái nhìn rõ nét hơn nữa về phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí.