Tài liệu môn công nghệ sinh học môi trường

8.5). Methanol và methyl amine (Weimer và Zeikus 1978) là sản phẩm trung gian có thể được phân giải sinh học thành CH4 và CO2. Bốn loại tế bào hình cầu của Methanosarcina barkeri thường phát triển trong một quần thể khép kín (hình 8.3a). Ngược lại với Methanosarcina, Methanotrix không sử dụng H2. Lần đầu tiên được phân lập bởi Zehnder và cộng sự (1980), nó có dạng hình que, tương tự như vi khuẩn Methano-bryantii (Hình 8.3d). M. ruminantium (Hình 8.3b) và M. bryantii (Hình 8.3d) có thể sản xuất ATP bằng cách sử dụng H2/CO2 và HCOOH, nhưng cả hai không phát triển trên acetate (Balch và cộng sự năm 1979.). Vi khuẩn sinh methan sử dụng H2/CO2 sản xuất ATP nhiều hơn so với vi khuẩn sử dụng acetate. Chúng có một tỷ lệ tăng trưởng tối đa cao hơn. Mặc dù chỉ có khoảng 30% lượng CH4 được sản xuất từ H2/CO2, vi khuẩn sinh methan là rất quan trọng đối với sự điều hòa quy trình xử lý nước thải kỵ khí. Điều này sẽ được giải thích trong phần kế tiếp. Thông tin chi tiết về các vi khuẩn kỵ khí đã được xuất bản bởi Zehnder và Wuhrmann (1977) và Zehnder (1988). Hình. 8,3 Ảnh vi khuẩn sinh methan dưới kính hiển vi điện tử.(A) Methanosarcina barkeri; (b) Methanobacteria ruminantium;(C) Methanospirillum hungatii; (d) Methanobacterium bryantii (Zehnder và Wuhrmann 1977). 8.1.3 Sự điều hòa vi khuẩn sinh acetate nhờ vi khuẩn sinh methan Bảng 8.1 trình bày một số phản ứng dị hóa sinh acetate và H2. Trước tiên chúng ta xem phản ứng (8.2), sự phân hủy của propionate thành acetate. Điều cần lưu ý là làm thế nào nồng độ của khí hydro giảm đi để giúp cho sự phân hủy của propionate có thể xảy ra.Điều này cần thiết để nghiên cứu sự cân bằng của phản ứng (8.2). Trước tiên, chúng ta viết các hằng số cân bằng: Nghe Đọc ngữ âm (8.6) Bảng 8.1 Bố trí một số phản ứng dị hóa kỵ khí quan trọng cho quá trình oxy hóa (phản ứng cho điện tử) và hô hấp (phản ứng nhận điện tử). Được cho bởi Harper và Pohland (1986) và Pohland (1992). Sau đó tính áp suất từng phần: trong đó R là hằng số khí lý tưởng và: Nghe Đọc ngữ âm Hằng số cân bằng có chức năng của những enthalpy tự do của phản ứng: Trong đó ∆G là entanpy tự do của phản ứng và ∆Go là enthalpy tự do tiêu chuẩn cho T = 0 K. Từ các biểu thức (8.9) và (8.10), có công thức tiếp theo: Đối với các giá trị SPR-, SAC-, S-HCO3-, pH và T, phản ứng của enthalpy có thể được tính toán giống như của pH2 (McInerney và Bryant năm 1981; Pohland năm 1992; McInerney 1999). Đường cong 1 trong hình 8.4 trình bày một số kết quả. Hình 8.4. Ảnh hưởng của áp suất từng phần của hydro pH2 đến enthalpy tự do ∆G cho sự phân hủy kỵ khí propionate (đường cong 1),butyrate (đường cong 2), ethanol (đường cong 3) và hình thành CH4- từ H2 (đường cong 4). Đường 1 được tính từ biểu thức (8.12) bằng cách sử dụng SPR-= 1 mmol L-1, SAC-= 1 mmol L-1, SHCO-3 = 50 mmol L-1, pH 7, T = 25 ° C (McInerney và Bryant 1981). Chỉ ở áp suất từng phần pH2 10 Pa > 10-4 bar thì ∆G có giá trị dương, Kc giảm và làm nồng độ propionate tăng. Nhưng có một phản ứng dị hóa quan trọng được sử dụng bởi một số vi khuẩn sinh methan mà sản sinh CH4 từ H2 (xem biểu thức 8.5). Sự kết hợp này của các vi khuẩn sinh acetate để sản sinh H2 từ butyrate và propionate (phản ứng 8.2 và 8.3), nhưng không có khả năng chuyển hydro từ các sản phẩm β-oxy hóa khác và các vi khuẩn sinh methan sử dụng H2 được gọi là β-oxy hóa (Stronach và cộng sự 1986) . Nếu sự cân bằng nhiệt động lực học được tính bằng cách sử dụng phương pháp tương tự như mô tả ở trên, một đường thẳng với giá trị dương giảm dần, kết quả từ giá trị âm của enthalpy tự do ∆Go= -135,6 kJ mol-1 (hình 8,4, đường 2). Đối với pH2 = 2.10-6 bar, sự khác biệt của các phản ứng enthalpy gần như bằng không. Khí methan không thể được sản sinh thông qua phản ứng (8.5) và pH2 phải tăng lên. Phản ứng có thể chỉ "di chuyển dọc theo hai bên của tam giác" được hình thành bởi các đường cong 1, 4 và đường thẳng đứng cho ∆G = 0. Nhưng đối với T thì khác, pH và nồng độ của propionate, acetate và CO2, tam giác với hai con đường của phản ứng là chuyển một phần cao hơn hoặc thấp hơn của pH2 cần phải đạt đến. Sau khi xem xét cùng một nhiệt động lực học, đường 2 có thể thu được butyrate và đường 3 cho ethanol. Đối với điều kiện nhất định (không trình bày ở đây) ∆G âm cho pH2~10-1 bar (ethanol) và pH2 ~10-3 bar (butyrate). Các quá trình lên men butyrate hoặc ethanol, trong từng trường hợp của một quá trình lên men thuần túy, bị ức chế bởi áp suất từng phần cao hơn của H2. Tuy nhiên, các thí nghiệm với môi trường hỗn hợp giá trị thấp nhất của pH2=10-4 bar là rất quan trọng đối với toàn bộ quá trình. Trong tự nhiên vấn đề này đã được giải quyết cách đây hàng tỷ năm bằng cách hình thành các quần thể trong đó gồm vi khuẩn sinh methan có thể sử dụng H2 và acetate. 8.1.4. Sự khử sulfate và nitrate Vi khuẩn khử sulfate của các chi Desulfovibrio và Desulfotomaculum phát triển trong nước thải có chứa sulfate đã được xử lí bằng vi sinh vật kỵ khí (Zeikus 1979). Một số hợp chất hữu cơ có thể được khoáng hóa hoặc được sử dụng một phần với lactate, tức là Desulfovibrio de-sulfuricans (Gottschalk 1986; Yoo 2000): và acetate bởi Desulfobacter postgateii (Widdel và Pfennig 1981): Bên cạnh các vi khuẩn hóa dị dưỡng hữu cơ khử sulfate thì vi khuẩn hóa tự dưỡng vô cơ cũng đã được phân lập (Brandis và Thauer 1981; Nethe Jaenchen và Thauer 1984): Tùy thuộc vào độ pH, lưu huỳnh tồn tại chủ yếu dưới dạng S2- (pH cao) hoặc H2S (pH thấp): Sự hình thành H2S là một vấn đề nghiêm trọng vì tác dụng ăn mòn và mùi của nó. Vì vậy, nó phải được tách ra từ biogas, ví dụ: phản ứng ăn mòn sắt. Một bất lợi của việc khử sulfate là việc tiêu thụ các acetate (phản ứng 8.14) và hydro (phản ứng 8.15). Qua các phản ứng này, vi khuẩn khử sulfate và một số vi khuẩn khử nitơ cạnh tranh với các vi khuẩn sinh methan để lấy hydro: và hàm lượng CH4 trong các biogas bị giảm. 8.2. Động lực học – Mô hình và hệ số8.2.1. Giới thiệu Chúng ta phải phân biệt giữa sự thủy phân các chất rắn và các chất hữu cơ hòa tan. Quá trình xử lý kỵ khí của các chất rắn và việc làm ổn định bùn thường được sử dụng trong các đô thị để thu hồi các chất rắn còn sót lại mà vi sinh vật không sử dụng thêm nữa như nguồn carbon và nguồn năng lượng của chúng. Việc xử lý này sẽ không để lại mùi và nó có thể khử nước một cách dễ dàng. Khoảng 25-30% trọng lượng khô được biến đổi thành khí bùn có chứa CH4. Do đó, nó có thể được sử dụng như là một dạng năng lượng khí. Quá trình này sẽ không được thảo luận cụ thể ở đây: Quá trình thủy phân các chất hữu cơ hòa tan là bước đầu tiên của xử lý nước thải kị khí . Nước thải ô nhiễm nặng được thải ra từ ngành công nghiệp bia và thực phẩm, xảy ra các khả năng phân tách, tập trung và phục hồi các vi khuẩn kị khí từ nước thải đã được xử ký hoặc các vi khuẩn cố định trên vật liệu rắn (mục 8.4). Hiệu quả của các quá trình này có thể được tăng lên và nó có thể được tối ưu hóa đáng kể. Động học tối thiểu và tối đa là nền tảng của quá trình xây dựng và kiểm soát. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ thảo luận về các kiến thức hiện tại của động học tối thiểu phân giải kị khí. 8.2.2. Sự thủy phân và sự hình thành các axit béo bậc thấp nhờ vi khuẩn sinh acid Tỷ lệ hình thành các amino acid từ protein, glycerine và acid béo từ chất béo và monosacarit từ hydrocarbon bậc cao phụ thuộc vào:• Khối lượng mol của polymer.• Sự ổn định của chúng trong suốt quá trình thủy phân.• Trạng thái của chất keo.• Nồng độ của các enzym. Thông thường, nồng độ enzyme cao được cho rằng có liên quan đến tổng số cơ chất, được đo bằng COD hay DOC, kết quả là phản ứng đầu tiên có liên quan đến nồng độ cơ chất: ở đây kH là hệ số tỷ lệ (h-1) và S là nồng độ polymer (mg L-1COD). Đối với hầu hết các loại nước thải, sự thủy phân và hình thành các axit béo bậc thấp do vi khuẩn sinh acid là không hạn chế tỷ lệ cho cả quá trình. Điều này có từ những nghiên cứu động học của sự thủy phân polymer và lên men glucose để tạo ra axit béo bậc thấp (Bảng 8.2). Một lượng tương đối cao năng lượng có thể được cung cấp cho sản xuất và đồng hóa ATP. Hệ số năng suất Y °x / S = 0,162-0,310 g MLSS (g COD) -1 đã được đo. Giá trị trung bình của Y°x / S = 0,236 là khoảng 50% cho sự khoáng hóa hiếu khí của glucose. Sự ảnh hưởng của nồng độ glucose đến tốc độ tăng trưởng được mô tả bằng động học Monod: Với Giá trị của KS = 24,1 mg L-1COD và 73,4 mg L-1COD thu được từ hệ số bão hòa mà dựa vào đó biết được phạm vi sử dụng giới hạn của cơ chất. Chỉ có một giá trị KS rất cao và có thể được xác định bằng các phép đo khác. Phản ứng phân giải của các sản phẩm thủy phân (như glucose) thành butyrate và propionate được gọi là quá trình lên men. Các hệ số và tài liệu khác được biên soạn trong Bảng 8.2. 8.2.3. Sự biến đổi của acid béo bậc thấp nhờ vi khuẩn sinh acetate: Trong việc nghiên cứu sự hình thành acetate từ butyrate và propionate nhờ vi khuẩn sinh acetate, việc cần thiết là phải giảm áp suất từng phần của H2 xuống pH2 = 10-3 bar (đối với butyrate) hoặc giữa 10-4 bar và 2.10-6 bar (propyonate; mục 8.4). Điều này có ích để khảo sát sự tăng trưởng của Synthrophobacter wolinis trên n-butyrate (phản ứng 8.2) hoặc sự tăng trưởng của Synthrophomonas wolfeii trên propionate (phản ứng 8.3) trong môi trường hỗn hợp cùng với vi khuẩn sinh methan vì chúng làm giảm pH2 (phản ứng 8.5) và nồng độ acetate. Việc tiêu thụ acetate là hoàn toàn cần thiết để ngăn chặn các sản phẩm ức chế. Hai kết quả của sự biến đổi butyrate tạo thành acetate trong các thí nghiệm được trình bày ở bảng 8.2. Hệ số năng suất YoX/S = 0.0094…0.022 = 0.014 gMLSS (gCOD)-1 và tỉ lệ tăng trưởng tối đa là µmax = 0.17…0.39 = 0.28d-1 thấp hơn đáng kể so với vi khuẩn sinh acid: µmax thấp hơn trong khoảng 100 và YoX/S trong khoảng 15. Từ các giá trị này, sau đây là tỉ lệ tiêu thụ cơ chất tối đa thu được từ butyrate: Bảng 8.2 : Sự lên men, sự β-oxi hóa, sự sinh methan, hệ số cân bằng hóa học và hệ số động lực học Và đối với propionate: Nếu kết quả của 3 nghiên cứu dược xem như ở bảng 8.2. Tỉ lệ tiêu thụ cơ chất tối đa của prpionate là thấp hơn so với butyrate gần bằng 7. Nhưng trong thực tế, phản ứng 8.2 dễ bị tác động bởi những ảng hưởng sau đây: - Như đã đề cập ở phần 8.1.3, áp suất từng phần của pH2 phải giảm xuống 10-4 bar nhờ vi khuẩn sinh methan. - Sự biến đổi của propionate để tạo acetate có thể bị kìm hãm bởi nồng độ cao của phi ion propionate SHPr. Qua sự trình bày của một số tác giả, ảnh hưởng của SHPr đến tốc độ tăng trưởng cụ thể có thể được miêu tả bởi động học Haldane (An – drews 1969; Attal et al 1988; Fukuzaki et al 1990) - Ngoài SHPr, nồng độ của phi ion acetate SHAC ảnh hưởng đến µ bởi sự ức chế phi cạnh tranh (Mosey; 1983; Denac 1986; Fukuzaki et al 1990; Kus 1993) Vì vậy, sự hình thành methan từ H2 và acetate không bị xáo trộn. Mặt khác, propyonate và butyrate không bị vi sinh vật phân giải. 8.2.4. Sự biến đổi của acetate và hydro tạo CH4 : Như đã mô tả ở hình 8.4, áp suất từng phần của H2 phải giảm xuống nhỏ hơn 10-4 bar bởi vi khuẩn Methanosarcina và Methanobacterium cho phép sự biến đổi của propionate tạo acetate (xem mục 8.1.3). Tốc độ tăng trưởng cụ thể đã được mô tả bằng cách sử dụng động học Monod (bảng 8.2). Nếu tốc độ của quá trình oxi hóa H2 được đo bằng COD, tỉ lệ tiêu thụ trung bình cụ thể được tính như sau: Với giá trị trung bình của µmax = 1.3 d-1 và Y0X/S = 0.04g MLSS (gCOD)-1. Tỉ lệ cụ thể này cao hơn so với sự phân hủy propionate (xem mục 8.2.3). Nếu không có những ảng hưởng độc hại từ các ion kim loại nặng, những vi khuẩn này sẽ tăng trưởng một cách nhanh chóng và sự phân hủy propionate không bị ức chế bởi pH2. Sự hình thành methan từ acetate nhờ vi khuẩn Methanosarcina và Methanotrix (phản ứng 8.4) là một phản ứng rất chậm. Từ 3 nghiên cứu (bảng 8.2) tỉ lệ tiêu thụ cơ chất trung bình có thể được tính toán: Với µmax = 0.18 d-1 và YoX/S= 0.037 gMLSS(gCOD)-1. Gía trị này thấp hơn so với sự hình thành acetate từ propionate. Vì vậy, nó là bước quan trọng nhất của sự phân giải kị khí và thường được nghiên cứu hơn cả. Tất cả các tác giả đã đề cập ở bảng 8.2 đều xem động học Haldane với phi ion acetate như là cơ chất. Việc thường xuyên quan sát sự gián đoạn của quá trình phân hủy với việc giảm pH và làm giàu acid béo bậc thấp có thể được giải thích một phần bởi sự ức chế cơ chất. Như đã trình bày ở biểu thức 8.2.2, một số tác giả đã quan sát thấy sự ức chế của việc hình thành methan bởi propionate được mô tả như một chất ức chế phi cạnh tranh. Vì chúng ta phải phân biệt 3 nhóm hoàn toàn khác nhau của vi khuẩn kị khí, chúng ta đòi hỏi phải đo nồng độ của những nhóm X này. Điều này thực sự khó khăn và thường không nhận ra được mặc dù nó là một yêu cầu để xác định chính xác các giá trị µmax. Thông thường, các đơn vị L-1MLSS hoặc MLVSS (hỗn hợp chất lỏng, huyền phù chất rắn) được sử dụng (bảng 2.6). 8.2.5. Kết luận Sự phân giải kị khí các chất hữu cơ là quá trình phức tạp. Ngay cả khi chúng ta chỉ muốn thảo luận đến sự phân giải glucose, chúng ta phải đưa vào giải thích cho 3 nhóm vi khuẩn khác nhau. Đây là việc không dễ dàng để phân tách chúng và trong trường hợp sự biến đổi của propionate tạo acetate và hydro, vi khuẩn sinh acetate và methan phụ thuộc vào nhau. Mặc dù đây là điều quan trọng để biết giá trị của X, mật độ của vi khuẩn chịu trách nhiệm cho phản ứng dị hóa đặc biệt, sự đo lường là thường không thể thực hiện được và X phải thu được bằng cách tính toán bởi sự cân bằng khối lượng Trong nhiều nghiên cứu về nồng độ: và Là được sử dụng trong động học Monod và Haldane thay vì CHAC và CHPr trong những xuất bản gần đây. Chúng ta viết: và Rồi thì tương ứng Cũng như Và Sau khi thay biểu thức 8.27 vào biểu thức 8.24 chúng ta thu được: Và Lưu ý rằng, trái ngược với KS và Ki, KSH và KiH không đóng vai trò như pH, dựa vào biểu thức 8.25 có hiệu suất: Điểm quan trọng tiếp theo là tính toán như thế nào để lượng methan sinh ra là bao nhiêu nếu 1mol CH3COOH hoặc 1mol C6H12O6 bị phân hủy ki khí. Chúng ta có thể so sánh với cả hai cơ chất theo COD của chúng. Hãy bắt đầu với CH3COOH. Đối với quá trình oxy hóa hóa học của CH3COOH chúng ta viết: CH3COOH + 2O2 2CO2 + 2H2O Và do đó 1 mol CH3COOH cần 2mol O2 hoặc 60 g HAc cho 64 g COD. Sự sản sinh methan từ CH3COOH có thể được tính toán: CH3COOH CH4 + CO2 Đưa ra một hệ số năng suất: Bây giờ chúng ta tính toán hiệu suất của CH4 từ glucose: quá trình oxy hóa hóa học của C6H12O6 được viết: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Do đó, 1mol C6H12O6 cần 6mol O2; hoặc 180 g C6H12O6 tương đương với 193 g COD. Sự sản sinh methan từ C6H12O6 có thể được tính toán bằng cách tóm tắt các phản ứng 8.1; 8.2; 8.4 và 8.5 Chúng ta đưa ra một hệ số năng suất: Kết luận: Từ lượng nước thải thêm vào với hidrocacbon (CH2O) và cho tỉ lệ phản ứng của kg COD (m3d)-1 có thể được khoáng hóa bởi quá trình kị khí (phân hủy), tỉ lệ tối đa của việc sản sinh methan có thể được tính toán ở biểu thức 8.31 bất kể là các polysaccharid, monosaccharid hay acetate có mặt trong nước thải. 8.3. Đồng hóa và dị hóa Sự biến đổi dị hóa của acetate tạo CH4 và CO2 (phản ứng 8.4) là một phản ứng rất đơn giản. Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp nhận ra nhờ vi khuẩn sinh methan Methanotrix như một ví dụ cho việc đánh giá phương trình cân bằng hóa học mô tả sự đồng hóa và dị hóa. Bắt đầu từ việc khái quát chung ta xem như chỉ có C, H, O như những nguyên tố của khối lượng vi khuẩn, chúng ta không cần bổ sung chất dinh dưỡng và có thể viết: Lưu ý rằng phân tử cơ chất và “phân tử vi khuẩn” là có liên quan đến nguyên tử C, kết quả về hệ số năng suất, 3 trong số đó có thể được tính toán Theo các công thức trên, hàm lượng của H2 và O2 trong phân tử cơ chất và “phân tử vi khuẩn” được cho bởi SH và SO cũng như BH và BO, chúng tách biệt nhau. Bây giờ chúng ta đã biết sẽ có được 3 cân bằng khối lượng cho 3 nguyên tố C, H, và O. Vì vậy chúng ta có thể tính toán chỉ 3 trong 4 hệ số hiệu suất. Để hoàn thành phương trình cân bằng hóa học mô tả quá trình đồng hóa và dị hóa, 1 trong 4 hệ số hiệu suất phải được đo lường (xem mục 4.2.1). Chúng ta sử dụng acetate như là các cơ chất với CH2O (CH3COOH, được viết C2H4O2 và chia 2 tạo thành CH2O) và CH1.8O0.5 được đánh giá là giá trị trung bình cho khối lượng vi khuẩn. Thay vì biểu thức 8.33 chúng ta viết: Các cân bằng cho 1 trong 3 nguyên tố là: Cân bằng C: Cân bằng H: Cân bằng O: Từ 3 cân bằng này, 3 trong 4 hệ số hiệu suất có thể được tính toán. Để tìm thấy sự cân bằng hoá học của biểu thức 8.34, một trong các hiệu suất này phải được đo lường, chúng ta thừa nhận rằng khi đo YoCH4-C/S-C và thu được: Cần nhớ rằng chỉ duy nhất quá trình dị hóa chúng ta có thể viết Và Hiệu suất của 3 cân bằng: Các phản ứng mô tả những nguyên tố sử dụng cho quá trình đồng hóa và dị hóa đã thu được sau khi nhân lên gấp đôi, ta tính đến 2 nguyên tử C trong 1 phân tử acetate: Chỉ có 3% C của acetate là được sử dụng cho sự tăng trưởng! 8.4. Tốc độ cao của các quá trình: 8.4.1. Giới thiệu: So với xử lý bùn kị khí, xử lý nước thải kị khí cho phép chúng ta tăng nồng độ của vi khuẩn một cách đáng kể kết quả làm tăng tốc độ phản ứng( tốc độ cao của các quá trình). 3 cơ chế khác nhau có ảnh hưởng đến việc tăng nồng độ vi khuẩn: + Sự lắng cặn của vi khuẩn floc – forming và việc tái chế bùn đáy đưa vào các biorector. + Sự lắng cặn và sự định hình các hạt (phần tử) được hình thành từ vi khuẩn và các chất khoáng bên trong biorector. + Việc giữ cố định vi khuẩn ở bề mặt của các vật rắn đứng yên hoặc lơ lửng cũng như tại các đĩa rắn quay vòng. So sánh với tỉ lệ tiêu thụ tối đa cụ thể: Quá trình hiếu khí và kị khí (sự phân hủy của acetate nhờ vi khuẩn sinh methan) và việc sử dụng giá trị trung bình cho µmax và YoX/S từ bảng 8.2 (vi khuẩn hiếu khí) và bảng 8.2 (vi khuẩn sinh methan) để hạn chế việc tiêu thụ cơ chất, chúng ta thu được từ quá trình hiếu khí: Và với quá trình kị khí: Điếu này thực sự khác biệt với một trong 4 hệ số là thấp một cách đáng kể vì: + Những kết quả là mật độ bùn cao hơn ở một nồng độ vi khuẩn cao hơn trong các phản ứng kị khí. + Có ít sự ảnh hưởng từ việc chuyển khối lượng và sự khuếch tán trong phản ứng hiếu khí, có thể hạn chế bởi mức độ oxy hòa tan thấp. Một số hiệu quả và giá trị kinh tế cao từ quá trình xử lý kị khí mang lại những thuận lợi đã đi vào hoạt động trong những thập kỉ gần đây (Dauber 1993) Trong tất cả các quá trình với tốc độ cao này nhiệt độ được tăng lên khoảng 35oC. Do đó, nó hoàn toàn cần thiết để xây dựng biorector với 1 vật liệu cách nhiệt và 1 hệ thống gia nhiệt cho dòng vào và tái chế nước thải và việc ổn đinh bùn, đặc biệt là ở các vùng phía Bắc. Biogas được sản xuất và được sử dụng gần như hoàn toàn và chỉ có 1 lượng rất nhỏ được đốt cháy bởi 1 ngọn lửa. Nồng độ cơ chất thấp nhất có thể làm giảm vi sinh vật kị khí 1 cách kinh tế trong khoảng So = 2000 – 3000 mg L-1COD Khoảng 80 – 90% số BOD5 có thể tiêu thụ: Nếu nó được dùng để đưa lượng nước đã xử lý thành lượng nước bề mặt, nó phải được xử lý kị khí trong giai đoạn thứ 2 để tuân theo quy định của từng địa phương. 8.4.2. Các quá trình tiếp xúc Trong quá trình tiếp xúc kị khí, nồng độ vi khuẩn cao hơn thường thu được phản ứng không đầy đủ trong tank hỗn hợp (tăng trưởng bị hạn chế) như là kết quả của việc tái chế bùn sau khi xử lý trong bể trầm tích (hình 8.5), tương tự như bể phản ứng bùn hoạt tính. Các phản ứng được xáo trộn bằng cách sử dụng:• Các cánh khuấy• Sự phân bố của nước thải tái chế bên ngoài gần cuối phản ứng,• Sự tái chế của việc nén khí sinh học (không phải trình bày trong hình 8.5). Trong một vài bể phản ứng, hai hoặc ba của các quá trình xáo trộn được áp dụng. Tuy nhiên, trường hợp gần như xáo trộn lý tưởng hiếm khi có thể đạt được. Điều đó là hoàn toàn cần thiết để lắp đặt một hệ thống khử hỗn hợp dung dịch, tức là nước thải được xử lý, đình chỉ vi khuẩn flocs và bọt khí, trước khi lắng. Một số phương pháp có thể dùng được. Trong hầu hết các hệ thống khử, nước chảy qua các bể lưu giữ dưới một phần chân không. Ngoài ra, việc chuyển tỷ lệ khối lượng và bề mặt phân cách khí / lỏng là tăng việc sử dụng các cánh khuấy quay hoặc hình thành các giọt hoặc các màng nhỏ giọt. Nhiệt độ giảm xuống trong quá trình khử, kết quả là tỉ lệ CH4 và CO2 sinh ra thấp và nồng độ bão hòa của cả hai chất khí là cao hơn. Điều này làm giảm đáng kể lượng bọt khí tạo thành trong quá trình lắng. Một quá trình xử lý nước thải kỵ khí có thể được tính toán một cách dễ dàng nếu có các điều kiện sau đây:• Các quá trình được điều khiển bởi sự phân hủy acetate.• Một quá trình ổn định.• Các bể phản ứng được xáo trộn hoàn toàn .• Lượng vi khuẩn dư thừa được tiêu thụ với sự bài tiết quá mức.• Sự thối rữa của vi khuẩn được bỏ qua.Chúng ta muốn ước tính nồng độ acetate Se phụ thuộc vào thời gian trung bình duy trì thủy lực tR. Nhìn vào hình. 8.5, chúng ta viết sự cân bằng vi khuẩn cho các bể phản ứng: Đối với mật độ vi khuẩn tại các điểm bị xáo trộn M, chúng ta có được: Với: là tỷ lệ tái chế bùn Mật độ của các vi khuẩn trong bùn tái chế XR phải được tính toán từ cân bằng của bể lắng: Với Q0 ,Xe là tốc độ dòng chảy và QR XR là tốc độ lưu lượng bùn tái chế.Nó rất hữu ích để xác định β, hệ số phân tách của bể lắng: và xem biểu thức (6.39): sau đó, tương ứng: Với biểu thức (8.43): Ta có biểu thức (8.47) khi thay vào biểu thức (8.41): Dựa vào sự cân bằng của phản ứng (biểu thức 8.40) và xem xét QM = Q0 + QR, chúng ta có : Sử dụng động học Monod: Nồng độ acetate trong các dòng chảy được tính bởi: Và giá trị trung bình tới hạn của thời gian duy trì, cho Se = S0: Thế chúng ta thu được giá trị đơn giản cho một thể ổn định hóa tính: Trong bể phản ứng tiếp xúc ở mật độ lớn, việc xáo trộn năng lượng là không đủ để nhận ra các điều kiện không đổi (nồng độ, nhiệt độ, độ pH), có nghĩa là sự khác biệt đáng kể giữa lý thuyết và thực hành. Tuy nhiên, ảnh hưởng của tR, β và nR có thể được thảo luận cơ bản và thường có thể được so sánh một cách thành công với các dữ liệu. Hai giai đoạn quá trình tiếp xúc kỵ khí có thể được thuận lợi, với giai đoạn đầu chủ yếu cho sự hình thành các axit béo bậc thấp tại pH thấp 5,5-6,5 và giai đoạn thứ hai chủ yếu cho quá trình methan hóa ở độ pH cao hơn 6,5-7,5. Do hệ số cao hơn của vi khuẩn sinh acid (Bảng 8.2; YoX / S = 0,23 g MLSS (g COD) -1) so với sự methan hóa (YoX / S = 0,04 g MLSS (g COD) -1) và tốc độ phản ứng cao hơn trong giai đoạn đầu tiên, nồng độ bùn thường cao và không tăng sự lắng đọng và bùn tái chế. Trong tất cả các hệ thống được mô tả dưới đây, các vi khuẩn được giữ lại trực tiếp bên trong bể phản ứng. Bể phản ứng kị khí trên nền bùn Trong các loại phản ứng bể phản ứng kị khí trên nền bùn (UASB), sự phân tách hệ thống các khí / rắn / lỏng được tổng hợp vào các ống (Hình 8.6). Bể phản ứng này chỉ có thể được sử dụng nếu lớn, dày, những phần tử lắng dễ dàng được hình thành hạt bùn cho phép nồng độ cao của huyền phù chất rắn từ 20 g L-1 MLSS và 30 g L-1 MLSS (Lettinga và Hueshoff 1991, 1992). Hình 8.6 Bể phản ứng kị khí trên nền bùn Các nước thải chảy vào được phân phối ở phía dưới bằng một hệ thống ống chảy qua một bể chứa hạt bùn. Bên trong các lớp xốp này, axit béo và khí sinh học được hình thành. Tốc độ phản ứng của quá trình được kiểm soát bởi khuếch tán, sự đối lưu và phản ứng bên trong các lỗ. Tăng dần các bọt khí sinh học giữ một phần ở tầng sôi. Tùy thuộc vào loại nước thải, bùn có xu hướng kết bông nhiều hoặc ít hơn, điều này xác định dạng huyền phù như thế nào trong tầng sôi của bùn (Hình 8,6). Ở phía trên của UASB, các bọt khí được tách ra từ các nước trong các nón chụp và các flocs tăng lên mà có tỉ lệ lắng thấp được biểu diễn bởi lưu lượng khí / chất lỏng. Khí được thu thập trong nón chụp và được đưa ra ngoài. Sự phân tách lỏng / rắn diễn ra trong bể lắng.  Nước thải đã được xử lý chảy qua đập nước trong khi xả vào hệ thống kênh nước thải để xử lý tiếp cùng với nước thải đô thị hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng quy trình dành riêng cho nó, chẳng hạn như sự làm sạch hiếu khí. Khối lượng của lớp phủ bông và hạt bùn phải được kiểm soát bởi lượng bùn thải qua xiphong. Tùy thuộc vào nước thải, thời gian duy trì lưu lượng nước tR=0,2-2,0d là đặc trưng cho tải trọng BV = 2-25 kg COD m-3 d-1 (Grady et al 1999). Bể phản ứng kỵ khí cố định Một bể phản ứng cố định được lấp đầy với chất rắn ở lớp giữa để tạo điều kiện hình thành các màng sinh học với vi khuẩn kỵ khí. Thông thường, sự tổng hợp trung gian được sử dụng giống như trong bể lọc nhỏ giọt(Hình 8.7a; Young 1991), hoặc, một cách khác, chúng là những hạt xốp polyurethane có đường kính từ 0,3 cm và 1,0 cm và được sử dụng với các bề mặt bên trong cho sự cố định của vi khuẩn (Hình 8.7b; Spieß năm 1991; Kus 1993). Ví dụ về các giá vật liệu đó được trình bày trong hình. 8,7. Diện tích bề mặt cho vi khuẩn phát triển là khoảng 100m2 m-3 với một phần thể tích 90-95% (Grady và cộng sự 1999). Sự hình thành các màng sinh học và dòng chảy hai pha phải tạo điều kiện cho sự phân tách lỏng / khí và phải tránh tắc nghẽn bởi màng sinh học dày hoặc các hạt bùn lớn . Đối với những lý do này, nước thải được tái chế để tăng tốc độ dòng chảy và bắt buộc phải dịch chuyển trong bể cố định (hình 8.8a).