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

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 (pH<7,5). Phản ứng của NH3 với HCO3- tạo thành NH4CO3 và (NH4)2CO3. Những sản phẩm này tạo ra môi trường tốt cho quá trình lên men như độ kiềm, hàm lượng nitơ của muối amon… Khí metan 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 metan khác nhau (trong tổng thể các cơ thể sinh metan). Con đường 1: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Loại vi sinh vật Hydratgenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là hydro và cacbonic. Dưới 30% lượng metan sinh ra bằng con đường này. Con đường 2: 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CO2 + H2O → CH4 + 3CO2 Loại vi sinh vật Acetotrophic Methanogen chuyển hóa acetate thành metan và cocbonic. Khoảng 70% lượng metan sinh ra là qua con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con đường này tương đối nhỏ. Cacbonic giải phóng ra lại được khử thành metan bằng con đường 1. Chỉ có một số loại vi sinh vật sinh metan 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 metan cũng có thể thực hiện quá trình lên men sinh metan bằng các con đường sau nhưng lượng metan 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 metan: 4CH3NH3+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+ 2(CH3)2 NH2+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+ 4(CH3)3NH+ + 9H2O → 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + 3H+ Sau quá trình phân hủy, tính chất của cặn thay đổi, hàm lượng hữu cơ trong cặn đã lên men giảm tới 75 - 90%, đồng thời thể tích của chúng cũng giảm xuống. 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 cho hầu hết các nghiên cứu với giả thiết tốc độ sinh trưởng tế bào chỉ phụ thuộc vào chất nền (axit 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 long hỗn hợp phân hủy ra ngoài)…Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của những chất khác nhau (bao gồm cả chất béo, hydratcabon 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. Quá trình lên men metan có thể xảy ra ở điều kiện ưa lạnh (10 – 150C), ưa ấm (30 – 400C) và thậm chí ở điều kiện ưa nóng (55 – 600C). 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 tiến thuận lợi như mong muốn, cần duy trì một cân bằng giữa tốc độ sinh axit (bởi giai đoạn thủy phân, axit hóa và acetate hóa) với tốc độ tiêu thụ axit (bởi giai đoạn tạo metan). Sự sản suất quá mức các axit dẫn đến sự tích tụ của 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 các giai đoạn xảy ra cùng một lúc và đồng bộ với nhau để đạt đến sự cân bằng và hiệu quả mong muốn. IV.5. 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 phải nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng vi sinh 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 có liên quan đến một số nhóm 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 loại nấm và protozoa cũng đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ kỵ khí chủ yếu thuộc về các vi sinh vật nhân nguyên thủy (Procaryotes) bao gồm vi khuẩn (Bacteria) và vi sinh vật cổ (Archaea). IV.5.1. Vi khuẩn thủy phân: Nhóm này phâ