Đề tài Nghiên cứu xử lý hỗn hợp chất thải nhiều dầu của nhà máy chế biến mì ăn liền Uni President - Khu công nghiệp Sóng Thần 2 - Bình Dương bằng phương pháp sinh học kỵ khí

ơn giản và giá thành không cao Chi phí vận hành về năng lượng thấp Khả năng thu hồi 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 đựng được sự thay đổi đột ngột về năng 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 thay đổi bất thường về tải trọng 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. Mô tả quá trình sinh học kỵ khí Sự tạo thành khí sinh vật là quá trình phân hủy 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 kỵ 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 số yếu tố bất lợi đối với bất kỳ giai đoạn nào đều có thể gây ra sự cố kiềm hãm cả quá trình. Các giai đoạn đó có thể được mô tả bằng sơ đồ trong hình 4.1. Hình 3.1. 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 khí + CH4 + CO2 + NH3 Hóa sinh học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí 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 cenluloza và tinh bột), protein được thủy phân thành những chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glycerin, acid béo, acid amin,... (để có thể thâm nhập được vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân. 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 acid amin nhờ proteaza, hydratcacbon chuyển thành đường đơn nhờ cenllulaza, amylaza và lipit được chuyển hóa thành các acid béo mạch dài tương ứng và glycerin nhờ vào enzym lipaza. Giai đoạn acid 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 acid amin, đường đơn và acid béo mạch dài đều biến đổi về các acid hữu cơ mạch ngắn hơn (acid propionic, acid valeric, acid acetic), rượu (ethanol), keton, một ít khí hydro và khí CO2... Giai đoạn này có tên gọi là giai đoạn lên men, các acid được sinh thành nhiều nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh. (4 - 5). Cơ chế acid hóa acid béo và glycerin là sản phẩm giai đoạn thủy phân dầu mỡ tương đối phức tạp và có thể tóm tắt như sau: 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. Acid béo mạch yếu phân giải khá phức tạp như sau: Acid béo + CoA ↔ Acyl-CoA Acyl-CoA Oxy hóa β Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA Acetyl-CoA + H2+ năng lượng tích lũy ATP Acid acetic + Co-A (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-) Oxy hóa β lặp lại liên tục Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm ở trong màng tế bào vi khuẩn. Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là acid acetic nên đây cũng chính là giai đoạn acetate hóa của chất thải dầu mỡ. Khi phân giải cơ chất giàu mỡ thì điều khó khăn nhất là sự ức chế của các acid béo dài tạo thành từ giai đoạn thủy phân có ảnh hưởng đến toàn bộ các giai đoạn sau. Do đó quá trình phân giải kỵ khí chất béo có đặc điểm khác với quá trình phân giải chất khác (đường, tinh bột...) ở tốc độ giai đoạn acid hóa chậm hơn. Giai đoạn acetate hóa Các vi khuẩn tạo methane không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình acid hóa nêu trên, ngoại trừ acid acetic, do vậy các phân tử này cần được phân giải thành các phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là acid acetic, khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn acetate đồng hình. Bảng 3.1. Các phản ứng sinh acetate Phản ứng CH3CHOHCOO-+2H2O→CH3COO-+HC03-+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) Đối với chất thải giàu dầu mỡ, do sự phân hủy acid béo mạch dài cho sản phẩm là acid acetic mà không phải là aicd béo mạch cao hơn nên giai đoạn acetate hóa cũng chính là giai đoạn acid hóa. Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetate hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật methane ở giai đoạn sau sử dụng như 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 acetate hóa sẽ giảm mạnh. Khi đó acid béo bay hơi tích tụ lại kéo theo sự không phân giải các acid béo dài tạo thành dây chuyền, đến mức nào đó sẽ ức chế các vi khuẩn acid hóa, acetate hóa và methane hóa. Ngoài ra acid tích tụ làm pH của môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợp methane 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 methane) là vô cùng quan trọng nhằm duy trì áp suất hydro ở mức thấp từ 10-6 atm đến 10-4 atm để đảm bảo quá trình tạo methane tiến triển bình thường. Trong khi acetate (sản phẩm giai đoạn acetate hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh methane sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các acid béo bay hơi khác, ví dụ 15 mmol acid acetic ức chế phân giải acid propionic và 100 mmol acid aceic ức chế phân giải acid butyric, do đó làm chậm tốc độ acid hóa. Bản thân acid acetic nồng độ quá cao cũng gây pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải acid 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 - 420C. Ngoài ra, một con đường acetate 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 methane (từ hydro) mạnh hơn của homoacetogen, nên lượng acid acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể. Giai đoạn tạo methane Là giai đoạn cuối cùng trong cả quá trình phân hủy kỵ khí, trong giai đoạn này sản phẩm của hai giai đoạn trên như acetate, hydrogen và cacbonate, formate hay methanol được biến đổi tạo ra khí CO2, CH4 và một số chất khác. Khí methane được tạo ra chủ yếu bằng tổ hợp các con đường sau. Mỗi con đường ứng với nhóm cơ chất sử dụng và nhóm vi sinh vật sinh methane khác nhau (trong tổng thể các cơ thể sinh methane). Con đường 1: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Loại vi sinh vật Hydratgenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là hydro và cacbonic. Dưới 30% lượng methane sinh ra bằng con đường này. Con đường 2: 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CO2 + H2O → CH4 + 3CO2 Loại vi sinh vật Acetrophic Methanogen chuyển hóa acetate thành methane và cacbonic. Khoảng 70% lượng methane sinh ra là qua con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con đường này tương đối nhỏ. Cacbonic giải phóng ra lịa được khử thành methane bằng con đường 1. Chỉ có một số loài vi sinh vật sinh methane sử dụng được cơ chất là cacbon monoxit. Con đường 3: CH3OH + H2 → CH4 + H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Ngoài ra các vi sinh vật sinh methane cũng có thể thực hiện quá trình lên men sinh methane bằng các con đường sau nhưng lượng methane sinh ra không đáng kể. 4H2 + HCO3- + H+ ↔ CH2 + 3H2O CH3CH2OH + CO2 ↔ CH3COO- + H+ +CH4 CH3CHOHCOO- + H2O → 2CH3COO- + CH4 + HCO3- 4CH3CH2OH + 3H2O ↔ 4CH3COO- + H+ + 3CH4 + HCO3- CH3CH2COO- + 2H2O + HCO3- ↔ 4CH3COO- + H+ + CH4 CH3COO- + H2O →CH4 + HCO3- 4HCOOH + H2O → CH4 + 3HCOO- + 3H+ Methanol: 4CH3OH → 3CH4 + HCOO- + 4NH4+ + H+ Methylamine thủy phân tạo methane: 4CH3NH3+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+ 2(CH3)3NH+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+ 4(CH3)3NH+ + 9H2O → 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + 3H+ Nhiều nghiên cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp do đó từng được coi là giai đoạn giới hạn tốc độ của cả quá trình. Phương trình động học Monod được coi là nền tảng của hầu hết các nghiên cứu với giả thiết tốc độ sinh trưởng tế bào chỉ phụ thuộc vào chất nền (acid acetic) trong bể phân hủy. Tuy nhiên, các mô phỏng này chỉ đặc trưng được một giai đoạn nhất định của cả quá trình hoặc chưa bao quát được tương đối đủ các yếu tố ảnh hưởng. Trong các nghiên cứu gần đây các giả thiết trên được coi là không còn mang tính đại diện khi một loạt các yếu tố ảnh hưởng khác được tính đến làm tiền đề cho những mô hình nghiên cứu đầy đủ hơn, cặn kẻ hơn, phức tạp hơn rất nhiều cùng với sự trợ giúp đắc lực của máy tính điện tử bao gồm nồng độ chất nền, sự ức chế bởi các sản phẩm trung gian và cân bằng ion của chúng, sự tương tác giữa các nhóm vi khuẩn khác nhau của mỗi giai đoạn, cấu trúc bể phân hủy (kích thước hình học, kết cấu bể, hình thức tập hợp vi khuẩn), các thông số thủy lực (lưu lượng chất thải, ảnh hưởng của sự truyền khối cơ chất đến hoạt động của vi sinh vật và sự chuyển khí sinh học từ trong hỗn hợp phân hủy ra ngoài...). Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của nhiều chất khác nhau (bao gồm cả chất béo, hydratcacbon và protein) càng đòi hỏi các nghiên cứu chi tiết hơn và mô phỏng chính xác hơn quá trình xảy ra để từ đó dự đoán được xu hướng và diễn biến của quá trình. Tóm lại, phân tích khá chi tiết các khía cạnh quan trọng và mối liên quan chặt chẽ lẫn nhau của từng giai đoạn ở trên cho thấy để cả quá trình phân giải kỵ khí có thể diễn biến thuận lợi như mong muốn, cần duy trì một cân bằng giữa tốc độ sinh acid (bởi giai đoạn thủy phân, acid hóa và acetate hóa) với tốc độ tiêu thụ acid (bởi giai đoạn tạo methane). Sự sản xuất quá mức các acid dẫn đến sự tích tụ các sản phẩm lên men đến ngưỡng gây ức chế và tiến tới chấm dứt quá trình. Trong thực tế bể phân hủy kỵ khí cả giai đoạn xảy ra cùng một lúc và đồng bộ với nhau để đạt đến sự cân bằng và hiệu quả mong muốn. Vi sinh vật học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Công tác nghiên cứu vi sinh vật của quá trình phân hủy kỵ khí nhìn chung gặp nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng vi sinh vật chậm và nhiều loài thậm chí không sinh trưởng trong môi trường thuần khiết mà chỉ tồn tại trong điều kiện cộng sinh với loài khác hoặc cho các sản phẩm khác với môi trường tự nhiên. Mỗi giai đoạn trong quá trình liên quan có đến một số vi sinh vật khác nhau, mỗi nhóm gồm nhiều loài khác nhau. Ngoài ra, bản chất của chất nền cùng với điều kiện tiến hành phân hủy kỵ khí như nhiệt độ, pH, tốc độ nạp chất nền, thời gian lưu... có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần và số lượng loài của khu hệ vi sinh vật. Các kỹ thuật truyền thống và gần đây là các phương pháp sinh học phân tử hiện đại đã được ứng dụng để nghiên cứu ngày một sâu sắc hơn về khu hệ vi sinh vật gắn liền với quá trình phân hủy kỵ khí. Một số loài nấm protozoa cũng đã đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ kỵ khí chủ yếu phụ thuộc vào các vi sinh vật nhân sơ (Procaryotes) bao gồm vi khuẩn (Bacteria) và vi sinh vật cổ (Archaea). Vi sinh vật thủy phân Nhóm này phân hủy các phân hủy hữu cơ phức tạp (protein, cenllulose, lignin, lipids) thành những chất đơn phân tử hòa tan như acid amin, acid béo và glycerol. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn lên men acid trực tiếp sử dụng ngay. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzym ngoại bào như cenllulosase, protease, lipase... Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.Coli và B.Subtilus. Vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy phân dầu mỡ quan trọng nhất trong điều kiện kỵ khí là Anaerovibrio lipolytica, sau đó là một loài thuộc giống Clostridium như Clostridium botilinum, Clostridium noviy. Chúng đều có khả năng tiết ra enzym lipaza ở pha logarit. Clostridium là giống vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, gram dương, sinh bào tử, hình que. Đối với cơ chất là protein thì các vi khuẩn thủy phân protein phải tiết ra enzym protease. Các vi khuẩn chiếm ưu thế loại này bao gồm Clostridium peptococcus, Bifido bacterium, Bacillus, là các vi khuẩn gram âm không sinh bào tử, là các vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy protein. Trong bùn cặn các vi khuẩn này xuất hiện với tỷ lệ khá cao 6,5 x 107 tế bào/ml. Vi sinh vật acid hóa Sản phẩm thủy phân của dầu mỡ là glycerin và acid béo tự do mạch dài được thực hiện nhờ các vi khuẩn thủy phân. Trong khi glycerin bị phân giải tiếp cũng chính là nhờ các vi khuẩn thủy phân đó (khi này chúng đóng vai trò là vi khuẩn lên men) thì sự acid hóa các acid béo tự do mạch dài lại được diễn ra bởi vi khuẩn acetate hóa để tạo thành acid acetic. Vi khuẩn này sẽ được đề cập đến trong mục kế tiếp. Vi sinh vật acetate hóa Các vi khuẩn acetate hóa thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí sinh acid. Quá trình acetate hóa là phản ứng trong đó cơ chất oxy hóa xảy ra cùng với quá trình khử proton và sản phẩm cuối cùng là hydro và acetate. Quá trình này được thực hiện bởi hai nhóm vi sinh vật, được chia thành: Các vi khuẩn khử proton kỵ khí bắt buộc: chuyển hóa cơ chất thành acetate và methane. Các vi khuẩn lên men (vi khuẩn khử proton kỵ khí tùy tiện): hoạt động như các chất khử proton thông qua cơ chế tách hydro ra khỏi cơ chất và chuyển đến chất nhận điện tử cuối cùng là chất hữu cơ. Sản phẩm của phản ứng ngoài H2 còn có thêm sản phẩm oxy hóa khác. Quá trình oxy hóa cơ chất của vi sinh vật lên men tạo ra một năng lượng đáng kể, năng lượng này đạt tối đa nếu H2 được hình thành. Nhưng nồng độ H2 tăng lên sẽ ức chế sự hình thành H2 tiếp tục, khi đó các vi sinh vật tạo ra các sản phẩm khử hữu cơ khác có năng lượng như quá trình lên men. Tốc độ sinh sản của vi khuẩn acetate tương đối chậm với thời gian thế hệ thường từ 3 - 7 ngày, ngay cả khi có sự hiện diện của vi sinh vật sinh methane. pH tối ưu cho các vi khuẩn acetate nằm trong khoảng 6 - 7. Cũng như vi sinh vật sinh methane, chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường. Các giống vi sinh vật acetate hóa quan trọng gồm Syntrophus, Syntrophobacter. Syntrophomonas. Đối với chất béo, hai loài Syntrophomonas wolfei subsp. Saponavida và Syntrophomonas sapovorans là những vi khuẩn quan trọng tham gia vào sự oxy hóa β các acid béo dài ở nhiệt độ ưa ấm (30 - 400C). Chúng là những vi khuẩn không sinh bào tử, gram âm, thuộc loại hóa dưỡng hữu cơ, hình que hơi xoắn, đầu hơi tròn, có từ 2 đến 8 tiên mao phân bố xung quanh dọc theo bờ lõm của tế bào. Vi sinh vật sinh methane Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh methane không thuộc giới vi khuẩn (Bacteria) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộc giới vi sinh vật cổ hay vi khuẩn cổ (Archaea) do có cấu tạo thành và màng tế bào khác biệt. Chúng đã xuất hiện từ rất lâu, được phân thành nhánh riêng trong cây phân loại nên được nghiên cứu khá kỹ lưỡng. Chuỗi phân giải kỵ khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này. Các giống khác nhau có thành tế bào thuộc cả hai nhóm gram âm (Methanococcus) và gram dương (Methanobacterium). Đặc điểm chung của tất cả các cơ thể này là chịu được nhiệt độ khá cao (60 - 800C, tùy loài), sinh trưởng và phát triển trong môi trường có thể khử thấp (< -300 mV), rất mẫn cảm với sự biến động của các yếu tố môi trường như oxy, nhiệt độ, pH,... nhưng ít nhạy cảm với các chất khác sinh như penicilin. Coenzym của vi sinh vật sinh methane rất đặc biệt: coenzym M, coenzym F430 và F420 (khiến chúng có khả năng tự phát quang dưới vùng sống từ ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiện chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 550C đến 3 ngày ở 350C và tời 50 ngày ở 100C. Các chất có thể dùng để cung cấp nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh methane khá đơn giản. Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetate hóa. Tuy 70% lượng khí methane được sinh ra từ sự oxy hóa acetate, chỉ có một số loài vi sinh vật cổ có khả năng phân giả acetate, trong đó các giống quan trọng là Methanoseata, Methanosacina, Methanococcus. Trong khi đó có rất nhiều loài sinh methane có khả năng tạo methane từ hydro và cacbonic, trừ một số nhóm chỉ phân giải acetic và một nhóm chỉ phân giải hợp chất chứa metyl. Hai loài Methanosarcina barkeri và Methanococccus mazei là thường gặp nhất vì chúng có khả năng sử dụng bất cứ cơ chất nào. Ngày nay đã biết đến 83 loài vi sinh vật sinh methane, đều thuộc loại kỵ khí bắt buộc. Dựa vào sự khác nhau về khả năng sử dụng cơ chất để xếp loại chúng thành 3 nhóm lớn là: 61 loài sử dụng CO2và H2 tạo CH4 20 loài sử dụng hợp chất chứa metyl (13 loài bắt buộc) 9 loài sử dụng acetate tạo ra CH4 (2 loài bắt buộc) Khoảng 23% số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt (thermophllic). Cần phải nhấn mạnh rằng điều kiện vận hành phân hủy kỵ khí (pH, nhiệt độ, tính chất của chất nền, thời gian lưu cơ chất trong hệ thống...) sẽ quyết định loài vi sinh vật nào chiếm ưu thế. Nhu cầu chất dinh dưỡng thay đổi theo các loài khác nhau. Gần đây đã phát hiện một số loài có khả năng sử dụng nitơ phân tử ở thể khí. Biên độ pH môi trường khá đẹp, trong khoảng 6,5 - 7,6. Tuy nhiên có một số loài đặc biệt vẫn sinh trưởng được trong điều kiện pH thấp (5 - 5,5) hay pH cao (8 - 9,2). Các công cụ sinh học phân tử hiện đại ngày nay cho phép phân loại vi sinh vật sinh methane chi tiết và tường tận hơn theo trình tự phân tử DNA trong tế bào. Tuy nhiên, vấn đề đang bỏ ngỏ hiện nay là xác lập mối liên hệ nhất định giữa loại chất đem phân hủy và biến động vè quần xã vi sinh vật sinh methane tương ứng. Bảng 3.2. Các vi sinh vật chính tạo methane Loài Chất nền Methanobacterium H2/CO2 Methanobrevibacter H2/CO2 Methanococcus H2/CO2 Methanosacina H2/CO2/acetate Methanobacterium fomicicum H2, CO2, formiat Mathanococcus vannielli H2, formiat Methanosacina barkeri H2, CO2, methanol, acetate Methanobacterium runinatlum H2, CO2, formiat Methanobacterium suboxidans Butyrate, valerat, caproat Methanobacterium sohngeni Acetate, butyrate Methanobacterium methnica Acetate, mathanol, butyrate Methanobacterium mezei Acetate, butyrate Mathanothrix Acetate Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Nhiệt độ Vùng nhiệt độ để quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra là rộng và mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp cho từng nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau. Vùng nhiệt độ ưa ấm - trung bình: 20 - 400C và vùng nhiệt độ ưa nóng: 50 - 650C sẽ thích hợp cho sự hoạt động của nhóm vi sinh vật methane hóa. Một số vi sinh vật kỵ khí có khả năng hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp - lạnh: 10 - 150C. Khi nhiệt độ <100C thì hầu như vi khuẩn tạo methane không hoạt động. Nhiệt độ tối ưu đối với vi sinh vật tạo methane là 350C (ưa ấm) và 550C (ưa nóng). pH Trong quá trình xử lý kỵ khí, các giai đoạn phân hủy có ảnh hưởng trực tiếp qua lại lẫn nhau, làm thay đổi tốc độ quá trình phân hủy chung. Đối với nước thải mới nạp vào công trình thì nhóm vi sinh vật acid hóa dễ thích nghi hơn nhóm vi sinh vật methane hóa. Khi pH giảm mạnh (pH < 6) sẽ làm cho khí methane sinh ra giảm đi. Khoảng pH tối ưu dao động trong một khoảng hẹp từ 6,8 - 7,3. Tính chất của chất nền Hàm lượng tổng chất rắn của mẫu ủ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy. Hàm lượng chất rắn quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi của mẫu thể hiện bản chất của chất nền, bao gồm những chất dễ phân hủy (đường, tinh bột...) và những chất khó phân hủy (cellulose, dầu mỡ ở hàm lượng cao). Tốc độ và mức độ phân hủy của mẫu phụ thuộc rất lớn vào phần trăm của mỗi thành phần kể trên trong mẫu. Các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng Để đảm bảo quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra bình thường và liên tục thì cần phải cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật. Các chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong hệ thống phân hủy kỵ khí gồm N và P là chủ yếu. Tỷ lệ thích hợp đề nghị là 20:1 đến 30:1 cho C:N và 7:1 đối với N:P, trong đó N và P đều phải ở dạng dễ hấp thụ bởi vi sinh vật. Quá nhiều N có thể dẫn tới sự tích tụ amoni khiến pH tăng lên và ức chế vi sinh vật sinh methane. Trái lại, quá ít N không đủ cho vi sinh vật sinh methane tiêu thụ và sản lượng khí sinh học giảm. Nồng độ vủa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinh vật lên men methane thông qua sự ảnh hưởng lên hoạt tính enzyme của chúng. Các chất vi lượng cần có mặt trong enzyme bao gồm: Ba, Ca, Mg, Na, Co, Ni, Fe, H2S và một số nguyên tố dạng vết như Se, Tu, Mo. Thời gian lưu bùn Thời gian lưu bùn là thông số quan trọng thường được lựa chọn là thông số thiết kế bể phân hủy. Giá trị bể lưu bùn thông thường được chọn là 12 - 15 ngày. Nếu thời gian lưu bùn trong bể quá ngắn (< 10 ngày) sẽ xảy ra hiện tượng cạn kiệt vi sinh vật lên men methane, tức là vi sinh vật loại bỏ lớn hơn vi sinh vật tạo thành. Thời gian lưu nước cũng là một thông số quan trọng. Khi thời gian lưu ngắn, áp suất riêng phần khí hydro tăng lên, gây ức chế vi sinh vật sinh methane và ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học (hàm lượng khí methane thấp). Các chất gây độc Các chất có mặt trong môi trường ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật kỵ khí. Oxy được coi là độc tố của quá trình này. Một số dẫn xuất của methane như CCl4, CHCl3, CH2Cl2 và một số kim loại nặng (Cu, Ni, Zn...) các chất như HCHO, SO2, H2S cũng gây độc cho vi sinh vật kỵ khí. NH4+ gây ức chế cho quá trình kỵ khí và S2- được coi là chất gây ức chế cho quá trình methane hóa. Các kim loại nhẹ và cả kim loại nặng đều được xem là dinh dưỡng vi lượng nếu hiện diện với nồng độ đủ thấp và sẽ xem là chất độc nếu nồng độ của chúng vượt quá ngưỡng cho phép. Độc tính của kim loại nói chung tăng theo hóa trị và nguyên tử lượng của chúng. Dạng tồn tại của các kim loại cũng ảnh hưởng đến ngưỡng gây độc, các muối kết tủa hay các phức chất không thể di chuyển qua màng tế bào nên khả năng tác động ít hơn các muối hòa tan. Đối với chất nền chứa nhiều N, sự tạo thành và tích lũy ammoni (NH4+) và ammoniac (NH3) mang cả tính tích cực và tiêu cực. Nói chung, NH4+ có thể được vi sinh vật sử dụng như là chất dinh dưỡng, trong khi đó NH3 gây ức chế và gây độc cho quá trình phân hủy. Đối với quá trình kỵ khí nồng độ amoni trong khoảng 50 - 200 mg/l. Tuy nhiên, amoni thường hiện diện trong nước thải ở nồng độ cao và nếu nồng độ đạt tới mức nào đó sẽ trở thành chất gây độc. Bảng 3.3. Nồng độ các chất gây ức chế quá trình phân hủy của vi sinh vật kỵ khí Tên hóa học Hàm lượng SO42- 5.000 ppm NaCl 40.000 ppm NO2- 50 mg/l Cu 100 mg/l Cr 200 mg/l Ni 200 - 500 mg/l CN- 25 mg/l ABS 20 - 40 ppm NH3 1.500 - 3.000 mg/l Na 3.000 - 5.500 mg/l K 2.500 - 4.500 mg/l Ca 2.500 - 4.500 mg/l Mg 1.000 - 1.500 mg/l Sự khuấy đảo hỗn hợp phân hủy Sự đảo trộn hỗn hợp phân hủy có tác dụng làm tăng sự phân bố đồng đều và tăng cơ hội tiếp xúc giữa vi khuẩn, chất nền và các chất dinh dưỡng với nhau, đồng thời cũng có tác dụng điều hòa nhiệt độ tại mọi điểm trong bể phân hủy, giảm tình trạng tăng hay giảm nhiệt độ cục bộ. Kết cấu hệ thống Các bể phân hủy theo mẻ không khuấy trộn, không gia nhiệt và thời gian lưu dài (30 - 60 ngày): sản lượng khí và tốc độ nạp chất nền thấp vì xảy ra hiện tượng phân tầng trong bể, kết cấu này đơn giản, rẻ tiền và dễ vận hành, nhưng đòi hỏi diện tích mặt bằng lớn. Loại bể có kết cấu cho phép tốc độ nạp chất nền cao, được gia nhiệt và có thời gian lưu khoảng 15 ngày, khuấy trộn hoàn chỉnh, nồng độ chất nền (tính theo lượng chất khô) khoảng 10 - 15%. Loại bể này có hiệu quả phân hủy cao và chât lượng khí sinh học thu được tốt. Xuất phát từ hạn chế của kết cấu thông thường đòi hỏi phải pha loãng chất nền nguyên thủy để đạt hàm lượng chất rắn 5 - 15% (kết cấu ướt), kết cấu hệ thống phân hủy chất thải với hàm lượng chất rắn cao 20 - 40% (kết cấu khô) đã ra đời. Kết cấu khô cho phép đơn giản hơn trong khâu tách loại các hợp phần vô cơ, thể tích bể phân hủy nhỏ hơn, tốc độ nạp chất nền cao hơn, năng lượng cần thiết để gia nhiệt ít hơn trong khi mức độ nhạy cảm với các chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học cũng tương đương kết cấu ướt. Nhưng kết cấu mới đòi hỏi mức độ đầu tư khá cao cho bộ phận khuấy đả