Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát bằng mắt thường. Nó phân bố khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không khí... Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn bật chất trong tự nhiên. Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái. Nó đóng vai trò quyết định quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên. Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng VSV trong đời sống hằng ngày. Các quá trình làm rượu, làm dấm, muối chua... đều ứng dụng đặc tính sinh học của các nhóm VSV. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của VSV thì việc ứng dụng trong sản xuất và đời sống hằng ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn. Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, con người đã sử dụng VSV làm sạch môi trường, xử lý các chất độc hại, sử dụng VSV trong việc chế tạo phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc đến môi trường và bảo vệ sự cân bằng sinh thái. Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan, bay hơi, không bay hơi, dễ phân hủy, khó phân hủy,... Phần lớn các chất hữu cơ trong nước đóng vai trò là cơ chất đối với vi sinh vật. Nó tham gia vào quá trình dinh dưỡng và tạo năng lượng cho vi sinh vật. Vì thế, công nghệ xử lý nước thải bằng sinh học thường được áp dụng vì dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải, các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm chất dinh dưỡng và tạo năng lượng. Chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa, nhưng do trong môi trường có các vi khuẩn giúp cho quá trình chuyển hóa, phân hủy chất hữu cơ nên khi xử lý nước thải cần xem xét nước thải có các vi sinh vật hay không để lợi dụng sự có mặt của nó và nếu có thì tạo điều kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển. Phương pháp xử lý sinh học được chia làm 2 loại: Phương pháp kỵ khí: sử dụng vi sinh vật kỵ khí , hoạt động trong môi trường không có Oxy. Phương pháp hiếu khí: sử dụng vi sinh vật hiếu khí hoạt động trong điều kiện cung cấp Oxy liên tục. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như sau: Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào. Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống nước xử lý.Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng. CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ Cơ sở lý thuyết Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kị khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (CO2, CH4). Quá trình phân hủy kị khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát: (CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào VI SINH Quá trình sinh học kị khí có thể xử lý nước thải có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao BOD ≥ 10 – 30 (g/l). Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học. Các công nghệ xử lý kị khí Quá trình phân hủy kỵ khí Lên men Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Yếm khí Chất hữu cơ ---------à CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới. Quá trình kỵ khí sử dụng CO2 làm chất nhận điện tử, không cần oxy. Đây có thể trở nên một yếu tố làm giảm chi phí xử lý nước thải. Quá trình kỵ khí sản xuất lượng bùn ít hơn từ 3 – 20 lần so với quá trình hiếu khí, bởi vì sự sản sinh năng lượng từ các quá trình kỵ khí tương đối thấp. Hầu hết năng lượng có được từ sự phá hủy cơ chất đều được tìm thấy trong các sản phẩm cuối của quá trình, đó là CH4. Nói về sản lượng tế bào, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối trong điều kiện kỵ khi, trong khi với quá trình hiếu khí tỷ lệ này là 5%. Cứ từ 1 tấn khối lượng COD bị phân hủy thì có 20 – 150 kg khối lượng thô của tế bào sinh ra, so sánh với quá trình hiếu khí thì con số này là 400 – 600 kg (Speece, 1983, Switzenbaun, 1983). Quá trình xử lý kỵ khí thích hợp cho các loại nước thải ô nhiễm nặng . Bể phản ứng kỵ khí có thể hoạt động ở chế độ tải trọng cao. Hệ thống kỵ khí có thể phân hủy sinh học các hợp chất tổng hợp như các hydrocacbon béo có chlor như trichloroethylene, trihalomethan) và một số hợp chất khó phân hủy như lignin. Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như sau: Methane (CH4) 55,65 % Carbon dioxite (CO2) 35,45 % Nitrogen (N2) 0,3 % Hydrogen (H2) 0,1 % Hydrogen Sulphide (H2S) 0,1 % Biogas có trị nhiệt cao 4500 – 6000 kcal/m3 tùy vào thành phần % methan có trong biogas. Methane có trị nhiệt cao 9000 kcal/m3) Metan có thể dùng để đốt, tạo nhiệt cung cấp cho lò phản ứng hoặc tạo ra điện. Một lượng nhỏ năng lượng (khoảng 3 – 5 % ) bị mất bởi nhiệt trong quá trình kỵ khí . Sự tạo thành metan giúp giảm thiểu BOD trong bùn đã phân hủy. Phân hủy kị khí có thể làm sáu quá trình: Phân hủy polimer: Thủy phân các protein Thủy phân polysaccharide Thủy phân chất béo Lên men các amino axit và đường Phân hủy kị khí các axit béo mạch dài và rượu (alcohols) Phân hủy kị khí các axit béo dễ bay hơi (ngoại trừ axit acetic) Hình thành khí mêtan từ axit acetic Hình thành khí mêtan từ hydrogen và CO2. Các quá trình này có thể họp thành bốn giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ: Giai đoạn thủy phân Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn giản hơn (để có thể thâm nhập vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzyme ngoại bào của các vi khuẩn (vi khuẩn lên men). Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loại vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu có đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axit béo như axit axetic, axit butyric, axit propionic, axit lactic.... và các khí CO2, H2 và NH3. 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 bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng 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, một ít khí hydro và khí CO2,... Giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men. Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương đối phức tạp, có thể tóm tắt như sau: Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian để tạo sản phẩm cuối cùng. Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối. Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức 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. Acyl-CoA → Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA Acyl-CoA + H2 + năng lượng tích lũy (ATP) ↓ Axit axetic + CoA (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-) ↓ Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic. Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit axetic là chủ yếu còn chứa cả axit propionic. Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt) trước khi trải qua quá trình oxy hóa β. Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peronic, các axit trung gian cung cơ thể được tạo thành từ các con đường khác (oxy hóa α, oxy hóa ω,...) bởi một số nhóm vi khuẩn và nấm. Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, indol, scatol,... được sinh ra và pH của môi trường tăng dần lên. Giai đoạn axetat 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 acetic, do vậy các chất này cần được phân giải tiếp thành những phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là axit acetic, khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn axetat hóa: CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2 CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2 CH3(CH2)2COO- (butyric) +H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2 Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat 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 với 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 khuẩn axetat hóa) sẽ giảm mạnh. 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. Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6.8 – 7.8 và 35 – 42oC. Giai đoạn tạo metan Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng các tổ hợp các con đường sau: Con đường 1: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Loại VSV hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất là hydro và CO2. Dưới 30% lượng metan sinh ra bằng con đường này. Con đường 2: CH3COOH → CO2 + CH4 4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2 Loại VSV acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành metan và CO2. Khoảng 70% lượng metan sinh ra bằng con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con đường này nhỏ. CO2 giải phóng ra lại được khử thành metan bằng con đường 1. Chỉ có 1 số loài VSV metan sử dụng được cơ chất là CO. Con đường 3: CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Loài VSV methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl. Chỉ một lượng không đáng kể metan được sinh ra từ con đường này. Nhiều nghiên cứ trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp. Về hóa sinh trong giai đoạn lên metan tất cả các hợp chất hữu cơ phức tạp đều chuyển về sản phẩm cuối cùng là CO2, H2 và CH4 được mô ta như sau: i Trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa và acetic hóa) thì lượng COD hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa. Ngược với quá trình hiếu khí, trong xử lý nước thải bằng phân hủy kị khí, tải trọng tối đa không bị hạn chế bởi chất phản ứng như oxy. Nhưng trong công nghệ xử lý kỵ khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt; Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn. Khi hai yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải trọng rất cao. Nguyên lý xử lý kỵ khí: Quá trình lên men acid (phân hủy hợp chất cao phân tử): Cellulose à acetate + rượu Lipid à acid hữu cơ Protein à H2 + CO2 + NH3 + H2S Chất hữu cơ đơn giản à acid béo + chất hữu cơ hòa tan Quá trình methane hóa (lên men metan) Lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH4 Không có sự hiện diện của Oxy Cần nhiệt độ cao Các nhóm vi sinh vật tham gia quá trình xử lý kỵ khí Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Có nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa hỗn hợp chất hữu cơ phức tạp thành CH4, CO2 và chúng hoạt động theo mối quan hệ synergy (Archer và Kirsop,1991; Barner và Fitzgeral,1987; Sahm, 1984; Sterritt và Lester, 1988; Zeikus, 1980). Nhóm VK thủy phân – Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số vi sinh vật) Nhóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (Protein , Cellulose, Lignin, Lipids) thành những đơn phân tử hòa tan như Acid Amin, Glucose, Acid béo, Glycerol. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn thứ 2 trực tiếp sử dụng ngay. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như Cellulose, Protease, Lipase. Tuy nhiên quá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm và có thể giới hạn khả năng phân hủy kỵ khí của một số chất thải nguồn gốc cellulose, có chứa lignin. VK lên men acid – Fermentative acidogenic bacteria Acetate là sản phẩm chính của quá trình lên men Carbonhydrat. Các sản phẩm được tạo thành rất khác nhau tùy theo loại vi khuẩn và các điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa). Hình: Fermentative bacteria Nhóm VK acetic – Acetogenic bacteria Nhóm này gồm các vi khuẩn như Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas wolfei. Chuyển hóa acid béo, alcol à acetate, CO2 và H2. Đòi hỏi thế Hydro thấp để chuyển hóa các acid béo. Thế Hydro cao: acetate tạo thành giảm, các chất chuyển hóa thành acid propionic, butyric, ethanol à Metan giảm. Mối quan hệ cộng sinh giữa VK acetogenic và VK Metan. Vi khuẩn Metan sẽ giúp đạt được thế hydro thấp mà vi khuẩn acetogenic cần. Ethanol , acid propionic và butyric được chuyển hóa thành acid acetic bởi nhóm vi khuẩn acetogenic theo phương trình sau: CH3CH2OH(ethanol) + CO2 à CH3COOH(acid acetic) + 2H2 CH3CH2COOH (acid propionic) + 2H2O à CH3COOH(acid acetic) + 2H2 +CO2 CH3CH2CH2COOH(acid butyric) + 2H2O à 2CH3COOH(acid acetic) + 2H2 Vi khuẩn acetogenic tăng trưởng nhanh hơn nhiều so với vi khuẩn metan với μmax lần lượt là 1 hr-1 và 0,04 hr-1 (Hammer,1986). Vi khuẩn : Clostridium spp, Peptococcus anaerobes, Bifidobacterium spp, Desulphovibrio spp, Corynebacterium spp, Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia Coli. Nấm : penicilium, Furasium, Mucor,… Protozoa: thảo trùng, trích trùng, … VK metan – Methanogens Nhóm vi khuẩn metan bao gồm cả gram âm và gram dương với các hình dạng rất khác nhau . Vi khuẩn metan tăng trưởng chậm trong nước thải và thời gian thế hệ của chúng thay đổi từ 3 ngày ở 350C và lên đến 50 ngày ở 100C. Vi khuẩn metan được chia thành 2 nhóm phụ. Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydrogen hóa tự dưỡng, chuyển hóa hydro và CO2 thành metan: CO2 + 4H2 à CH4 + 2H2O Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa acid bay hơi và alcol thành acetate. Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic , còn gọi là vi khuẩn phân giải acetate, chúng chuyển acetate thành metan và CO2 CH3COOH à CH4 + CO2 CHƯƠNG 3 : BỂ UASB Tổng quan và vị trí của UASB: UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process – Quy trình kỵ khí có tầng bùn dòng chạy ngược. UASB được nghiên cứu và phát triển vào cuối những năm 1970 bởi Tiến sĩ Gatze Lettinga và các đồng nghiệp tại trường đại học Wageningen (Hà Lan). Lúc đầu công nghệ UASB được xây dựng thí điểm để xử lý nước thải của một nhà máy sản xuất đường từ củ cải ở Hà Lan. Sau đó, công nghệ này được nhanh chóng phát triển và ứng dụng trên quy mô lớn trong XLNT nhà máy đường, chế biến tinh bột khoai tây, và các ngành công nghiệp thực phẩm khác cũng như các nhà máy tái chế giấy trên khắp đất nước Hà Lan cuối những năm 1970. Năm 1980, công nghệ UASB được công bố và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. UASB là một trong những phương pháp XLNT bằng biện pháp sinh học kỵ khí được ứng dụng rộng rãi do các đặc điểm sau: Cả 3 quá trình: Phân hủy – Lắng bùn – Tách khí được đặt chung trong một công trình Tạo thành các loại bùn hạt kỵ khí có mật độ VSV cao và tốc độ lắng vượt xa do với lớp bùn hiếu khí lơ lửng. Do đặc tính của bể UASB xử lý được chất hữu cơ có hàm lượng cao nhưng không triệt để. Do đó, đối với nước thải có hàm lượng BOD cao thì trong sơ đồ công nghệ vị trí bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí Aerotank nhằm để xử lý triệt để chất hữu cơ trong nước thải, vì vể UASB chỉ xử lý BOD giảm về một mức độ nhất định, không triệt để, còn bể Aerotank thì có thể xử ký được chất hữu cơ có nồng độ thấp đạt hiếu quả cao. Do đó, bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí. Tùy vào chất lượng nước ra thì sau bể UASB có thể có hoặc không có bể xử lý hiếu khí. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động bể UASB: Cấu tạo Bể UASB chia thành 2 vùng chính: Vùng chứa bùn phân hủy kỵ khí: (không chiếm quá 60% thể tích bể). Là lớp bùn hoạt tính chứa các VSV kỵ khí có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, nước thải vào được chảy qua lớp bùn này để xử lý. Vùng lắng: nằm phí trên lớp bùn kỵ khí. Nước thải sau khi phân hủy sẽ di chuyển lên vùng này để thực hiện quá trình lắng cặn. Ngoài ra còn có hệ thống phân phối nước vào, hệ thống thu nước ra, hệ thống thu khí và một số hệ thống phụ trợ khác. Nguyên tắc hoạt động của bể UASB: Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây, quá trình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5 – 10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng xuống. Nước thải theo máng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo. Sự xử lý xảy ra khi nước thải đến và tiếp xúc với các hạt sinh khối và sau đó đi ra khỏi thiết bị từ phía trên của thiết bị. Trong suốt quá trình này thì sinh khối với đặc tính lắng cao sẽ được duy trì trong thiết bị. Một trong những bộ phận quan trọng của thiết bị UASB đó là bộ phận tách khí - lỏng - rắn ở phía trên của thiết bị. Trong quá trình xử lý nước thải, lượng khí tạo ra chủ yếu là CH4 và CO2 tạo nên sự lưu thông bên trong giúp cho việc duy trì và tạo ra hạt sinh học. Các bọt khí tự do và các hạt khi thoát lên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thu khí. Dịch lỏng chứa một số chất còn lại và hạt sinh học chuyển vào ngăn lắng, ở đó chất rắn được tách khỏi chất lỏng và quay trở lại lớp đệm bùn, nước thải sau đó được thải ra ngoài ở phía trên của thiết bị. Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9m/h (nếu bùn ở dạng bùn hạt), 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 (1000 – 5000 mg/L) để bảo đảm pH của nước thải luôn luôn > 6,2 vì ở pH < 6,2 – vi sinh vật chuyển hóa methane không hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2 – 3 giờ ở 350C so với 2 – 3 ngày, ở điều kiện tối ưu). Do đó, trong quá trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa. Hoạt động của bùn trong bể UASB Đóng vai trò quyết định trong việc phân huỷ và chuyển hoá chất hữu cơ. Chia thành 2 vùng rõ rệt và chiều cao ¼ bể từ đáy tính lên. Lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ nồng độ 5 ÷ 7%. Lớp bùn lơ lửng nồng độ 1000 ÷ 3000mg/l. Nồng độ cao của bùn cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao. Bùn nuôi cấy ban đầu Bùn nuôi cấy ban đầu phải có độ hoạt tính metan. Độ hoạt tính metan ngày càng cao thì thời gian khởi động càng ngắn. Nếu sử dụng được bùn hạt hoặc bùn lấy từ một bể xử lý kỵ khí là tốt nhất. Ngoài ra có thể sử dụng bùn chứa nhiều chất hữu cơ như bùn từ bể tự hoại, phân gia súc hoặc phân chuồng. Loại bùn Hoạt tính mêtan (kg CH4 – COD/kg VSS) Hàm lượng(kg VSS/m3) Bùn hạt 0,8 ÷ 1,5 15 ÷ 35 Bùn từ các bể xử lý lý kỵ khí khác 0,4 ÷ 1,2 10 ÷ 25 Bùn cống rãnh 0,02 ÷ 0,1 8 ÷ 20 Phân chuồng 0,02 ÷ 0,08 20 ÷ 80 Bùn bể tự hoại 0,01 ÷ 0,02 15 ÷ 50 Phân bò tươi 0,001 ÷ 0,006 30 ÷ 100 Phân gia súc khác 0,001 ÷ 0,004 30 ÷ 100 Nồng độ bùn nuôi cấy ban đầu cho bể UASb tối thiêt là 10 kgVSS/m3. Lượng bùn cho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể. Khi mới nuôi cấy, vận tốc nước bơm vào bể phải đủ nhỏ để không đẩy bùn ra ngoài. Mặt khác, chất lượng nước đầu vào nên pha loãng trước khi bơm vào bể để giảm nồng độ COD nhằm giúp VSV phát triển tốt. Cần chú ý đến lượng khí sinh ra để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh metan. Lý thuyết Spaghetti trong việc tạo thành bùn hạt  Những đặc tính của bùn hạt kỵ khí Bùn hạt được xem là một sinh khối có một số đặc tính xác định. Các đặc tính của bùn hạt được nêu lên bởi bao gồm: vận tốc lắng cao, có một độ bền cơ học nhất định, hoạt tính tạo khí methan và hoạt tính khử sunfate cao. Về phương diện vi sinh học, bùn hạt bao gồm một hệ vi sinh vật cân bằng, nó bao gồm tất cả các loài vi khuẩn cần thiết cho quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước thải. Về mặt hình thái học, bùn hạt được mô tả là một hạt rắn có kích thước tương đối lớn (d > 0.5 mm) với một bề mặt rõ ràng. Cùng với mật độ tương đối cao, hình thái học ổn định, bùn hạt có khả năng lắng rất tốt. Trái ngược với các dạng sinh khối ổn định khác, các phần tử vật chất mang tính trơ không những đóng vai trò hết sức cần thiết trong sự hình thành bùn hạt kỵ khí mà còn là một trong những yếu tố rất quan trọng có liên quan đến khả năng ổn định của chúng. Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt của bùn được mô tả trong Hình 1. Hình 1. Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt của bùn [5] Chất lượng bùn hạt Chất lượng của bùn hạt phụ thuộc vào nhiều đặc tính: các đặc tính sinh học và các đặc tính vật lý của bùn. Các đặc điểm lý học quan trọng nhất của bùn hạt trong các mô hình là: khả năng lắng và độ bền cơ học. Tất nhiên các quá trình sinh học được xác định chủ yếu bởi thành phần và số lượng các loài vi sinh vật, nhưng các nhân tố khác cũng đóng vai trò quan trọng, ví dụ như độ xốp của bùn hạt, kích thước hạt nhân của bùn và độ thẩm thấu của cơ chất và các sản phẩm khác vào bùn hạt. Cơ chế tạo hạt của bùn Sự hình thành bùn hạt trong thực tế là  một quá trình tự nhiên. Hiện tượng này thường xuất hiện trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải dùng công nghệ sinh học đáp ứng được những điều kiện cơ bản. Một trong những lý thuyết để giải thích quá trình tạo hạt của bùn là lý thuyết “spaghetti”, trong đó vi sinh vật dạng sợi đan xen vào nhau tạo thành một viên nấm (viên spaghetti). Các viên ban đầu này có thể hình thành một bề mặt lôi kéo các vi sinh vật khác tham gia vào quá trình phân huỷ kỵ khí và hình thành bùn hạt. Cơ chế tạo thành bùn hạt có thể được minh hoạ trong Hình 2. Hình: Viên nấm (viên spaghetti) Hình 2. Lý thuyết spaghetti trong việc tạo thành bùn hạt [1] I: Các vi khuẩn methan khác nhau     II: Đan chéo nhau tạo thành bông III: Tạo thành viên spaghetti            IV: các vi khuẩn kỵ khí gắn lên bề mặt viên spaghetti và tạo thành bùn hạt Những phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo hạt của bùn Để quá trình tạo hạt của bùn thuận lợi, cần một số yêu cầu như sau: Thêm vào mô hình những hạt rắn hay những vật làm nhân để vi sinh vật bám dính và phát triển. Những hạt này phải đủ nặng để lưu lại trong mô hình. Phải loại bỏ liên tục và hoàn toàn những phần tử  nhẹ trong bùn làm nhân ban đầu (seed sludge) vì nếu vi sinh vật phát triển trên những cuộn bùn này sẽ dễ dàng trôi ra ngoài hệ thống. Không sử dụng lại những cuộn bùn đã bị trôi ra ngoài hệ thống. Quá trình tạo hạt sẽ xảy ra nhanh hơn trong điều kiện nồng độ cơ chất đầu vào thấp, từ 1 ÷ 3gCOD/L. Sử dụng tuần hoàn dòng thải trong giai đoạn đầu khởi động hệ thống khi COD vượt mức 3g/L. Tải trọng hữu cơ (OLR) cần tăng lên theo dạng bậc thang, khi hiệu suất loại bỏ COD đạt 80%. Duy trì nồng độ acetat ở mức thấp (<200mg/L). Điều này sẽ làm giới hạn những vi sinh vật có hệ số ái lực cơ chất cao (như Methano Sarcinas). Những vi sinh vật này không nên tồn tại quá nhiều trong bùn, sẽ làm giảm hiệu suất xử lý. Khi cơ chất một phần  acid hoá thì quá trình hình thành bùn hạt xảy ra nhanh hơn là chỉ đơn thuần là acid béo bay hơi (VFA). Sự phát triển nhanh của bùn hạt trên cơ chất một phần acid hóa cũng quan sát được trong điều kiện nhiệt độ cao. SS trong dòng vào sẽ làm chậm quá trình tạo hạt, khi nồng độ SS rất cao làm quá trình tạo hạt khó xảy ra. Do đó, cần sử dụng các công trình đơn vị khác để loại bỏ SS trong dòng vào, sao cho SS < 200mg/L.    Nếu nồng độ muối Canxi cao có thể làm dẫn đến CaCO3 kết tủa trên bùn, làm chậm quá trình tạo hạt và làm giảm hoạt tính bùn. Nhiệt độ phù hợp cho quá trình tạo hạt là ở nhiệt độ trung bình (20 ÷ 45oC – mesophilic) và nhiệt độ cao (45 ÷ 70oC – thermophilic). pH nên duy trì ở mức lớn hơn 6,2. Ưu – nhược điểm của quá trình kỵ khí trong bể UASB Ưu điểm Ít tiêu tốn năng lượng vận hành: do quá trình phân hủy là quá trình giả lập tự nhiên với cường độ ca, sự phân hủy xảy ra chủ yếu do các VSV kỵ khí tạo ra cho nên khi vận hành bể tốn ít chi phí. Chi phí chủ yếu là quá trình bơm nước vào bể và quá trình tuần hoàn bùn, hút bùn. Công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp: khi bể đã đi vào hoạt động thì quá trình vận hành dễ dàng, không dòi hỏi sử dụng công nghệ cao Quá trình hoạt động của bể tạo ra được lượng bùn hoạt tính cao nhưng lượng bùn sinh ra không nhiều dẫn đến giảm được chi phí xử lý bùn phát sinh. Lượng bùn sinh ra dễ dàng tách khỏi nước. Đạt hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao. Tạo nguồn năng lượng có ích từ khí metan. Nhược điểm Diện tích xây dựng mặt bằng tương đối lớn. Quá trình khởi động bể tốn thời gian (giai đoạn nuôi cấy bùn hạt), khó kiểm soát quá trình. Tăng sinh khối chậm. Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn hiếu khí. Nhạy cảm với nhiệt độ, pH, chất độc. Dễ mất ổn định. Không xử lý được hoàn toàn chất ô nhiễm. Các yếu tố kiểm soát Nhiệt độ: Nhóm sinh vật kỵ khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự phân hủy các chất hữu cơ: Vùng nhiệt độ cao: 45 ÷ 60oC (thermophilic). Vùng nhiệt độ trung bình: 20 ÷ 45oC (mesophilic). Vùng nhiệt độ thấp: dưới 20oC (psychrophilic). Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm VSV sinh metan. ở nước ta, nhiệt độ trung bình: 20 ÷ 32oC thích hợp cho nhóm VSV ở nhiệt độ trung bình phát triển. Dưới 10oC, VSV metan hầu như không hoạt động. Trong nhiều tài liệu đã nghiên cứu, ở nhiệt độ 45 ÷ 55oC, hiệu quả xử lý cao hơn rất nhiều so với ở nhiệt độ thường. Về mùa hè với nhiệt độ cao các VSV hoạt động mạnh hơn do đó quá trình xử lí cũng tốt hơn. Về mùa đông nhiệt độ giảm xuống thấp các VSV bị ức chế hoạt động do đó hiệu quả xử lí thấp (78,3%) hơn nhiều so với mùa hè (92,8%). Trong hệ thống xử lí nước thải công suất lớn có thể sử dụng khí CH4 để gia nhiệt dòng nước thải đầu vào làm tăng nhiệt độ môi trường vào mùa đông làm hiệu quả xử lí sẽ tốt hơn.Trong khoảng nhiệt độ 40 ÷ 55o hiệu quả xử lí sẽ cao hơn rất nhiều so với ở nhiệt độ thường. Thời gian lưu: Thời gian lưu (HRT) tùy theo loại nước thải và điều kiện môi trường , phải đủ lâu để cho phép các hoạt động trao đổi chất kỵ khí xảy ra. Bể phân hủy kỵ khí tăng trưởng dính bám (attached growth) có HTR 1-10 ngày trong khi bể kỵ khí tăng trưởng lơ lửng đòi hỏi 10 – 60 ngày (Polprasert, 1989). pH Trong xử lí kị khí pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động, sinh sản và phát triển của sinh vật. Đối với từng nhóm từng loài vsv có một khoảng pH TỐI ƯU. Trong xử lí kị khí mêtan thì có 2 nhóm thực hiện: nhóm VSV thực hiện quá trình axit hóa làm pH môi trường giảm đi. Khi độ pH xuống thấp thì quá trình axit hóa chậm lại. Nhóm thứ 2 thực hiện quá trình metan hóa phát triển tốt ở giá trị PH gần trung tính hoặc gần trung tính. pH là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu xuất quá trình xử lí nước thải. Với pH = 7 hiệu xuất xử lí đạt giá trị cao nhất (88,3%). Hiệu xuất xử lí thấp nhất với pH = 6 (63,8%). Ở pH kiềm tính VSV ít bị ảnh hưởng hơn so với pH axit. Ở pH axit VSV hoạt động kém hiệu quả hơn so với trong môi trường kiềm và ở giá trị kiềm nhẹ nhóm vi khuẩn sinh metan cũng ít bị ảnh hưởng. Vi khuẩn metan hoạt động ở pH 6.7 – 7.4 ; tối ưu 7 – 7.2 ; quá trình có thể thất bại nếu pH gần đến 6 .Vi khuẩn acidogenic tạo các acid làm cho bể phản ứng có khuynh hướng dẫn đấn pH thấp . Cạnh tranh giữa VK metan và vi khuẩn khử Sunfat Vi khuẩn metan và VK khử sunfat rất cạnh tranh ở tỷ số COD/SO4 = 1,7 – 2,7 Tỷ số này tăng có lợi cho vi khuẩn metan. Các yếu tố gây độc Oxy Ammonia Hydrocabon có Clo Hợp chất có vòng Benzen Formadehyd Acid bay hơi Acid béo mạch dài Kim loại nặng Cyanide, Sulfide, Tanin. Độ mặn Các hợp chất vô cơ độc và ức chế Các hợp chất hữu cơ độc và ức chế Các chất dinh dưỡng Để bảo đảm năng suất sinh khí của bể, 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. Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có 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 bể HRT Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane. Ảnh hưởng của các chất khoáng trong nguyên liệu nạp Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có 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 khoáng này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác.  Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá trình lên men yếm khí (EPA, 1979, trích dẫn bởiChongrak, 1989) Cations gây độc Cations cộng hưởng Cations đối kháng Ammonium - N Ca, Mg, K Na Ca Ammniu - N, Mg K, Na Mg Ammonium - N, Ca K, Na K K, Na Na Ammonium - N, Ca, Mg K Vận hành bể UASB và các thông só kỹ thuật, thiết bị cần thiết để vận hành Kiểm tra bể UASB: Kiểm tra thiết bị phân tách bùn – khí có được lắp đặt đúng không. Kiểm tra water-lock có được lắp đặt đúng 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 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 methan trong bùn hoạt tính. Kiểm tra nước thải: Kiểm tra nồng độ các hợp chất hữu cơ trong nước thải: nếu nồng độ COD 50.000 mg/l thì có thể pha loãng nước thải tuần hoàn dòng chảy. 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 methane sinh ra trong suốt quá trình phản ứng (khoảng 40 ngày). Kiểm tra xem nước thải có tính đệm không: có thể kiểm tra khả năng làm môi trường đệm của nước thải bằng cách thêm vào 1 g/l hay 40% COD trong nước thải khi COD trong nước thải nhỏ hơn 2,5 g/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 để 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 methan có liên quan mật thiết đến nồng độ các kim loại nặng trong nước thải (sắt, Ni, Co). Kiểm tra xem nước thải có chứa nồng độ cai 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 có thể không thích nghi được. khi nồng độ này lên đến 3.000 mg/l và các chất rắn lơ lửng này không có khả năng phân hủy 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 không (Kjehldal-N, NH3-N, SO4,…). Bể UASB sẽ không thích hợp để xử lý nước thải khi nồng độ các chất đạt một giá trị giới hạn, ảnh hưởng không tốt khi vận hành hệ thống ( nồng độ NH3-N = 2.000 mg/l, SO4 > 500mg/l, tỷ lệ COD/SO4 15000 mg/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 – 40oC. Thông số động học trong thiết kế bể UASB ( Nguồn Metcalf and Eddy, 2003) Độ kiềm tối thiểu để duy trì pH = 7