Cở sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí

Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 24 3.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học kị khí 3.1.1 Giới thiệu Quá trình xử lý sinh học kị khí là quá trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ thành những sản phẩm cuối cùng là CH4 và CO2 nhờ vi sinh vật trong điều kiện khơng cĩ ơxy. Vào những năm 1970, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải và phân, sau đĩ phát triển mạnh trong xử lý nước thải nhờ những ưu điểm: ¾ Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí. ¾ Thời gian lưu bùn khơng phụ thuộc thời gian lưu nước, kết quả là 1 lượng sinh khối lớn được giữ lại trong bể. ¾ Chi phí xử lý thấp (khơng phải cung cấp năng lượng như quá trình hiếu khí). ¾ Tạo ra 1 nguồn năng lượng cĩ thể tái sử dụng (khí sinh vật). ¾ Hệ thống xử lý đa dạng: UASB, lọc kị khí, kị khí xáo trộn hồn tồn, kị khí tiếp xúc…… Bên cạnh những ưu điểm trên, quá trình xử lý kị khí cĩ 1 số hạn chế: ¾ Nhạy cảm với mơi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng…). ¾ Kém bề vững trong xử lý. ¾ Phát sinh mùi. ¾ Tốc độ phát triển sinh khối chậm. Trong cơng nghệ kị khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng: - Duy trí sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt. - Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 25 PROTEIN TẾ BÀO VI SINH VẬTACID AMIN NH3 AXIT BÉO MẠCH DÀI H2 , CO2 CHẤT BÉO, DẦU CARBON HIDRAT ĐƯỜNG ĐƠN ACETATE AXIT BÉO DỄ BAY HƠI CO2 ,CH4 Giai đoạn thuỷ phân Giai đoạn acid hố Giai đoạn methane hĩa Quá trình phân huỷ kị khí vật chất hữu cơ là 1 quá trình diễn biến sinh hĩa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt hay cịn gọi là chất xúc tác. Tuy nhiên cĩ thể biễu diễn tổng quát quá trình phân huỷ kị khí theo phản ứng đơn giản sau: 3.1.2. Quá trình phân huỷ kị khí của hợp chất hữu cơ Hình 3.1: Quá trình phân huỷ kị k í của các hợp chất hữu cơ 9 Giai đoạn 1: giai đoạn thuỷ phân Nước thải ơ nhiễm hữu cơ chứa nhiều polymer hữu cơ phức tạp khơng tan như protein, chất béo, carbon hydrat, cellulose, lignin…Trong giai đoạn này, những polymer Vật chất hữu cơ phân huỷ kị khí CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 26 hữu cơ sẽ bị bẽ gãy mạch bởi các enzym ngoại bào (extracellular enzymes) do vi sinh vật thuỷ phân (hydeolytic bacteria) sinh ra để tạo thành những hợp chất đơn giản hơn hay dễ hồ tan. Ở giai đoạn này, phản ứng thuỷ phân sẽ chuyển hố protein thành các acid amin, carbon hidrat thành các đường đơn và chất béo thành các acid hữu cơ mạch dài. Tuy nhiên, phản ứng thuỷ phân cenllulose và các hợp chất phức tạp khác thành các monomer đơn giản cĩ thể là bước giới hạn tốc độ trong quá trình phân huỷ kị khí, khi những phản ứng này xãy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 cũng như ở các giai đoạn sau. Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố mơi trường như pH, nhiệt độ. 9 Giai đoạn 2: giai đoạn acid hố Những hợp chất đơn giản được giải phĩng từ phản ứng thuỷ phân ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hố xa hơn thành acid acetic (acetate), H2 và CO2 nhờ vi khuẩn acetogenic (acetogenic bacterial). Các axit hữu cơ dễ bay hơi sinh ra như là những sản phẩm cuối cùng của sự trao đổi chất của vi khuẩn với prơtêin, chất béo, carbon hydrat, trong đĩ acid acetic, acid propionic, axit lactic là những sản phẩm chính. Chất nền ỈCO2 + H2 + acetate ,(1) : phản ứng Acetogenic dehydrogenation Chất nền Ỉ propionate + butyrate + ethanol, (2). Sau đĩ, các propionate, butyrate sẽ tiếp tục được các vi khuẩn acetogenic chuyển hố xa hơn thành acetate. CO2 và H2 cũng được giải phĩng trong suốt quá trình dị hố cacbon hyđrat. Ngồi ra, quá trình dị hố carbon hydrat cĩ thể sinh ra methanol và các rượu đơn chức khác. Một số lồi vi khuẩn acetogenic cịn chuyển hố H2 và CO2 thành acetate. Các sản phẩm ở giai đoạn này phụ thuộc và sự hiện diện của hệ vi sinh và các yếu tố mơi trường. 9 Giai đoạn 3: Giai đoạn methane hố Những sản phẩm của giai đoạn 2 cuối cùng được chuyển hố thành khí methane và những sản phẩm cuối khác bởi các vi khuẩn methane (methanogenic bacteria). Nhìn chung tốc độ phát triển của vi khuẩn methane chậm hơn các lồi vi khuẩn ở giai đoạn thuỷ phân và acid hố. Vi khuẩn mêtan sử dụng acid actic, methanol hay CO2 và H2 để sản xuất ra CH4. Trong đĩ axit acetic là chất nền sản sinh CH4 quan trọng nhất, khoảng 70% CH4 được sinh ra từacid acetic. Lượng CH4 cịn lại được tạo ra từ CO2 và H2. Một vài chất nền khác cũng Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 27 Tiếp xúc kị khí Cơng nghệ xử lý kị khí Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng bám dính Xáo trộn hồn tồn Tầng lơ lửng Lọc kị khí UASB Vách ngăn được sử dụng cho việc tạo khí CH4 như acit formic, methanol…. nhưng những chất này khơng quan trọng vì chúng khơng thường xuất hiện trong quá trình lên men kị khí. - Phản ứng tạo CH4 từ acetate: CH3COO- + H2O Ỉ CH4 + HCO3- + Năng lượng , (3) :phản ứng Acetate decarboxylation - Phản ứng tạo CH4 từ H2 và CO2: 4H2 + HCO3- + H+ Ỉ CH4 + H2O + Năng lượng , (4) 3.1.3 Phân loại Hình 3.2: Sơ đồ phân loại các cơng nghệ xử lý kị khí Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 28 3.2 Tổng quan quá trình màng vi sinh vật 3.2.1 Giới thiệu: Quá trình màng vi sinh vật bám dính là một quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Trong quá trình màng, vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạng rắn và tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms). Trong quá trình hoạt độngvi sinh vật tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khống chất) cĩ trong nước thải và làm sạch nước. 3.2.2 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật 3.2.2.1 Cấu tạo màng vi sinh vật Hình 3.3: Cấu tạo màng vi sinh vật Màng vi sinh vật cĩ cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật bao gồm: 1. Vật liệu đệm (đá sỏi, chất dẻo, than, xơ dừa… với nhiều loại kích thước và hình dạng khác nhau) cĩ bề mặt rắn làm mơi trường dính bám cho vi sinh vật. BiofilmBề mặt vật liệu đệm Màng nền Chất lỏng Màng bề mặt Khí Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 29 2. Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film). Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật hiếu khí bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu huỷ tế bào và do cĩ sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các loại polymer ngoại tế bào nay là polysaccharides, proteins. Trong khi đĩ quá trình tạo màng trong điều kiện kỵ khí như sau: đầu tiên một số vi khuẩn như methane hố sẽ liên kết với giá thể theo cơ chế giống như phẩy khuẩn, sau quá trình đĩ sẽ tạo thành một lớp vi khuẩn filamentous bám dính trên bề mặt và cuối cùng hình thành một ma trận filamentous. Với cấu trúc lỗ xốp cĩ khả năng lưu giữ các vi sinh kỵ khí cĩ khả năng dính bám kém bên trong tốt hơn. Hầu hết các mơ hình tốn về hệ thống màng vi sinh vật chỉ chú ý tới lớp màng nền mà khơng quan tâm tới lớp màng bề mặt. Nhưng nhờ sự phát triển của các cơng cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về các cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần dược đưa ra. Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc khơng đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại tế bào, tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng. Những khoảng trống này cĩ vai trị như những lỗ trống theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang. Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật khơng đồng nhất.Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từ chất lỏng ngồi vào màng và giữa các vùng bên trong màng khơng chỉ bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan niệm cũ. Chất lỏng cĩ thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán cĩ thể xảy ra theo mọi hướng trong đĩ. Do đĩ, hệ số khuếch tán hiệu quả mơ tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hố)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tán hiệu quả là khơng hợp lý. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 30 3.2.2.2 Hoạt động của màng Hình 3.4: Hoạt động của màng vi sinh vật a. Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đĩ chuyển vận vào màng vi sinh vật theo cơ chất khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc cĩ phân tử khối lớn khơng thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân huỷ thành dạng cĩ phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đĩ mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên. Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mơ tả bởi cơng thức chung như sau: Màng hiếu khí: Chất hữu cơ + O2 + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối Màng kị khí: Bề mặt vật liệu đệm Acid hữu cơ H2S NO3- NO2- O2 NH4+ BOD Lớp kị khí Biofilm Nước thải Lớp hiếu khí Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 31 Chất hữu cơ + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối b. Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thối của màng vi sinh vật Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất cĩ trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất cĩ dạng logarithm, khi màng vi sinh vật cịn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng. Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai đoạn hai,tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiêụ quả khơng thay đổi bất chấp sự thay đổi của tồn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng khơng đổi trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và khơng cĩ sự gia tăng sinh khối. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu khơng sẽ cĩ sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 32 Hình 3.5: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh Trong giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đĩ tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa bởi lực cắt của dịng chảy. Bảng 3.2.3 cho thấy sự tích luỹ của lớp màng vi sinh vật. Trong quá trình phát triển của màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng (hình 3.2.3). Lúc đầu, hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đĩ protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái. Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật và làm giảm lượng bùn dư. Tuy nhiên, trong một điều kiện mơi trường nào đĩ, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước. Nghiên cứu của Inamori cho thấy cĩ hai lồi thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật. Một lồi ăn vi khuẩn lơ lửng thải ra chất kết dính. Kết quả là làm tăng tốc độ làm sạch nước. Lồi kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đĩ thúc đẩy sự phân tán sinh khối. Và nếu hai lồi này cĩ sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khống hố chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao. Thời gian, ngày metazoa So á lư ợn g bacteria algae protozoa Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 33 3.2.3 Tính chất của màng vi sinh vật 3.2.3.1 Đặc tính sinh học của màng Sinh khối trong thiết bị xử lý và sự đa dạng sinh học: Nĩi chung, sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng quá trình màng vi sinh vật tương đối lớn. Nồng độ sinh khối (giống như MLSS) khoảng 20 – 40 kg/m3 trong thiết bị tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m3 trong thiết bị lọc ngập nước, và 5 – 7 kg/m3 trong thiết bị lọc nhỏ giọt. Mặt khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ít bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn. Thương số của tổng chất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hàng ngày (DS) cho ta thời gian lưu bùn ( hay tuổi bùn AS): S SAS Δ= ; Tuổi bùn AS cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý. Trong trạng thái tĩnh, bùn dư trong hệ thống cân bằng với lượng bùn lấy ra khỏi hệ thống. Trong hệ thống như vậy, sự thay đổi về số lượng của một loại vi sinh vật (n) trong bùn sinh học được cho bởi phương trình: n AA nn dt dn S ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=−= S 1μμ ; Trong đĩ: m = tốc độ phát triển của vi sinh vật. t = thời gian Từ phương trình trên cho thấy, nếu m < 1/AS, n sẽ giảm theo thời gian tới khi lồi đĩ biến mất. Nĩi cách khác, đối với những lồi vi sinh vật với tốc độ phát triển nhỏ, để cĩ thể phát triển, tuổi bùn, hay thời gian lưu bùn AS phải đủ lớn. Trong quá trình màng vi sinh vật, lượng chất rắn sinh học trong thiết bị xử lý lớn, và nếu lượng bùn dư nhỏ thì AS sẽ rất lớn. Do đĩ, số lượng lồi vi sinh vật trong màng trở nên phong phú, và vi sinh vật chiếm vai trị cao hơn trong chuỗi thức ăn. Hơn nữa, một hệ sinh thái với hệ vi sinh vật đa dạng cao là một hệ thống ổn định với hiệu quả xử lý ổn định. Những lồi vi khuẩn sử dụng cơ chất đồng hố chậm hay cơ chất cĩ giá trị phát triển sinh khối thấp sẽ cĩ tốc độ phát triển nhỏ tương ứng. Như vậy, quá trình màng vi sinh vật cĩ những ưu điểm lớn trong quá trình loại bỏ những cơ chất như vậy. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 34 3.2.3.2 Đặc tính về sự loại bỏ cơ chất Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính. Sự khác biệt chủ yếu ở 2 quan điểm: Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi 2 yếu tố : sự khuyếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng. Quá trình khuếch tán sẽ là quá trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới 1 giá trị đủ lớn. Quá trình khuếch tán là 1 quá trình hố lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học như trao đổi chất hay tiêu thụ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật, do dĩ sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt độ ít hơn so với quá trình vi sinh vật lơ lửng và khả năng xử lý ổn định hơn. Quan điểm thứ 2 liên quan đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng, cũng như vấn đề liên quan đến sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuyếch tán. Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễ hồ trộn với vi sinh vật và được tiêu thụ trao đổi chất ngay lập tức. Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn hầu như khơng thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuyếch tán phân tử của cơ chất tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử của chúng, hệ số khuyếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử lên đến hàng ngàn đvC nhỏ hơn nhiều so với những hợp chất cĩ khối lượng phân tử nhỏ. Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng, và trước khi cĩ thể xâm nhập vào màng, quá trình thuỷ phân phải được diễn ra trước để bẽ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn. 3.2.3.3 Một số đặc tính khác a. Vận hành hoạt động của thiết bị xử lý Ưu điểm quan trọng nhất của qúa màng vi sinh vật so với qúa trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý .Trong việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính ,cĩ rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì như ổn định nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bơng bùn cho những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dịng nước xử lý, tuần hồn bùn và loại bỏ bùn dư….Đặc biệt, sự phát triển quá mức của vi khuẩn filamentous như Sphaelotius natans,beggiatoa…làm khả năng lắng của bùn và gây khĩ khăn cho quá trìng vận hành hệ thống .Trái lại, trong quá trình màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành như trên hầu như khơng cần phải quan tâm tới. Trong khi bể lắng sau thiết bị xử lý bằng bùn hoạt tính cịn cĩ nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ cĩ tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học - lớp màng bị bong ra trong nước thải ra khỏi thiết bị xử lý, mà khơng cĩ ảnh hưởng gì tới hoạt động của thiết bị màng vi sinh vật. Lượng bùn Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 35 dư nhỏ như đã đề cập tới ở những phần trên, do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh, cĩ tác dụng làm giảm rắc rối trong quá trình vận hành hệ thống ,và cịn làm cho hệ thống xử lý nhỏ hơn . Tuy nhiên, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng của cơng trình sử lý trong quá trình vận hành thấp. Thí dụ, đối trong cơng trình bùn hoạt tính, nồng độ bùn trong cơng trình xử lý cĩ thể được điều chỉnh thơng qua lượng bùn tuần hồn từ bể lắng, thời gian lưu bùn cĩ thể tăng lên trong quá trình loại bỏ nitơ ,và các điều kiện vận hành cĩ thể được điều chỉnh thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitơ. Thế nhưng đối với quá trình màng vi sinh vật khơng thể điều khiển chính xác sinh khối trong hệ thống, các chủng vi sinh vật bởi vì khơng cĩ một phưong pháp hiệu quả nào được phát triển nhằm điều khiển quá trình này. Và cĩ thể nĩi rằng, những điều kiện để điều khiển vận hành hệ thống vi sinh vật duy nhất là chỉ lượng nước đầu vào và cường độ sục khí (nếu cĩ) b. Khởi động nhanh chĩng Trong quá trình bùn hoạt tính ,thời gian khởi động: khoảng thời gian cần thiết để đạt được hiệu quả ổn định, cần tối thiểu là 1 tháng, và thơng thường là 2 tháng. So sánh với quá trình màng vi sinh vật, thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với lọc sinh học nước và thiết bị tiếp xúc quay, và cần một thời gian hơi dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt. Nguyên nhân làm cho thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh vật ngắn hơn là: hầu hết sinh khối sinh ra tích luỹ lại mà khơng bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động, khi màng vi sinh vật cịn mỏng. Cũng vì vậy mà việc khơi phục vận hành cũng rất nhanh ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bị suy giảm do một ly do nào đĩ. Quá trình cũng chịu đựng sự thay đổi lớn bất thường về tải trọng hữu cơ. c. Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm Cĩ thể giải thích trên hai quan điểm về khả năng loại bỏ nhưng cơ chất phân huỷ chậm của quá trình màng vi sinh vật. Những cơ chấtcĩ chứa các loại hợp chất hưu cơ như Polyvinyl Alcohol (PCA), Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS), ligin,các hợp chất clo hữu cơ …,hay các chất vơ cơ như nitrat,tuy cyanid,…Những hợp chất này đều là các chất cĩ thể phân huỷ sinh học, tuy nhiên tốc độ phân huỷ rất chậm, và tốc độ tăng trưởng của các loại vi sinh vật sử dụng các hợp chất đĩ làm cơ chất chính rất thấp .Thí dụ như tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitơ Nitosomons chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của Escherichia coli. Các loại vi sinh vật cĩ tốc độ tăng trưởng nhỏ ncĩ khả năng phát triển trong màng vi sinh vật. Vì vậy, đây là một nguyên nhân mà quá trình màng cĩ khả năng loại bỏ các loại cơ chất phân huỷ chậm. Nguyên nhân thứ hai liên quan đến tỉ lệ của bề dày màng hiệu Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 36 quả với bề dày tổng của màng. Nĩi chung, tốc độ tiêu thụ một cơ chất chậm liên quan so sánh với sự vận chuyển bởi quá trình khuếnh tán phân tử của nĩ, độ sâu nĩ cĩ thể vào trong màng vi sinh vật, tương ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả. Nĩi cách khác, thậm chí nếu tốc độ tiêu thụ một cơ chất nhỏ thì lượng vi sinh cần thiết sẽ lớn tương ứng, và ngược lại. Vì vậy, sự khác biệt về khả năng phân huỷ sinh học sẽ khơng ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tiêu thụ của màng vi sinh vật. Vì vậy, màng vi sinh vật thích hợp để sử lý những loại nước thải cĩ chứa những cơ chất phân hửy sinh học chậm d. Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ơ nhiễm Cả tốc độ khuếch tán và phản ứng sinh học đều giảm khi nhiệt độ giảm, và mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học quan trọng hơn sự khuếch tán. Năng lượng hoạt hố được dùng để đánh giá mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học vào nhiệt độ , năng lượng càng lớn, sự phụ thuộc càng cao. Năng lượng hoạt hố của khuếch tán phân tử chừng vài kcal/mol trong khi đĩ năng lượng hoạt hố của phản ứng sinh học khoảng20-30 kcal/mol. Do đĩ, ngay cả khi nhiệt độ nước thải xuống thâp tốc độ tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật cũng khơng ảnh hưởng lớn bằng bản thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại, với động lực phản ứng giống như đối với cơ chất phân huỷ sinh học chậm. Bởi vì tốc độ khuếch tán phân tử giảm chậm hơn nhiều tốc độ phản ứng – theo nhiệt độ. Ngược lại, khi nhiệt độ nước thải tăng, tốc độ tiêu thụ cơ chất cũng khơng tăng nhiều như phản ứng sinh học nội. Vậy hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật ổn định, ít phụ thuộc vào sự biến thiên nhiệt độ. Tương tự như vậy, hiệu quả xử lý cũng ổn định khi tải lượng ơ nhiễm biến đổi. Khi tải lượng đầu vào tăng lên, nồng độ cơ chất trên bề mặt màng tăng tương ứng dẫn tới bề dày của lớp màng hiệu quả tăng theo. Kết quả là hiệu xuất xử lý được giữ ổn định. e. Hiệu quả cao đối với nước thải cĩ nồng độ ơ nhiễm thấp Thực nghiệm cho thấy khơng thể xử lý nước thải cĩ nồng độ BOD thấp hơn 20 mg/l bằng bùn hoạt tính, vì rất khĩ duy trì giá trị MLSS và hiệu quả xử lý. Tuy nhiên, đối với quá trình màng vi sinh vật, chỉ cần nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết để duy trì sự trao đổi chất (giá trị rất thấp), nước thải với nồng độ cơ chất thay đổi trong khoảng rộng được xử lý hiệu quả. Hơn nữa, nước thải với nồng độ càng thấp càng dễ xử lý. f. Thiết bị xử lý đa dạng Mặc dù cĩ tên chung, hay cùng những đặc tính làm sạch nước, quá trình màng vi sinh vật cĩ sự đa dạng về thiết bị. Trong mỗi loại thiết bị lọc ngập nước, tiếp xúc quay hay lọc nhỏ giọt, hình dạng, kích thước, vật liệu, phương pháp sắp xếp bố trí vật liệu đệm cũng rất đa dạng. Mặc dù khơng cĩ sự khác biệt nhiều về diện tích bề mặt riêng (diện tích Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 37 màng/thể tích thiết bị) giữa các loại thiết bị trên, nhưng đối với thiết bị sử dụng vật liệu lơ lửng cĩ diện tích bề mặt màng lớn hơn nhiều, và tương ứng là tải trọng hữu cơ cũng lớn hơn. Hơn nữa, những loại thiết bị trên cĩ thể áp dụng được cho cả quá trình hiếu khí và kị khí, trừ thiết bị lọc nhỏ giọt. Vì vậy, quá trình màng vi sinh vật cĩ thể dùng để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau.Cụ thể, thiết bị sử dụng vật liệu đệm dùng để lý nước thải cĩ nồng độ hữu cơ từ vài trăm tới vài nghìn mg/l vì chúng thích hợp với tải lượng cao, lọc sinh học ngập nước thiết bị tiếp xúc quay và lọc nhỏ giọt thích hợp xử lý nước thải nồng độ thấp, từ vài chục tới vài trăm mg/l, hay dùng làm thiết bị xử lý bậc hai. Quá trình màng vi sinh vật khơng những đa dạng về chủng loại, phương cách áp dụng, điều kiện vận hành như đã đề cập ở trên, mà cịn cĩ nhiều ưu điểm về cấu tạo và vận hành khác.Tuy nhiên quá trình màng vi sinh vật cịn cĩ những nhược điểm như sau: g. Khơng cĩ khả năng điều khiển sinh khối Thơng thường khơng dễ dàng để điều khiển sinh khối trong màng vi sinh vật. Hơn nữa, sự tăng bề dày màng vựơt quá một gía trị bề dày hiệu quả khơng đĩng gĩp gì vào việc sử lý ơ nhiễm, mà cịn làm giảm diện tích hiệu quả của màng vi sinh vật và thời gian lưu nước trong thiết bị xử lý. Khơng cĩ khả năng kiểm sốt được sinh khối do khơng thể kiểm sốt được thời gian lưu bùn và do đĩ cũng khơng thể kiểm sốt được các lồi vi sinh vật cĩ trong màng. Trong quá trình bùn hoạt tính để ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn nitơ hố, nhằm kìm hãm quá trình nitrat hố, thời gian lưu bùn chỉ cần rút ngắn lại. Ngược lại, để thúc đẩy quá trình nitrat hố hay phát triển protozoa và metazoa chỉ cần tăng thời gian lưu bùn bằng cách giảm lượng bùn dư lấy ra.Vì vậy hồn tồn cĩ thể điều khiển được các lồi vi sinh trong bùn. Đối với quá trình màng vi sinh vật ,sự đa dạng sinh học cao, dẫn tới chuỗi thức ăn được kéo dài và làm giảm lượng bùn dư. Khơng cĩ phương pháp nào được phát triển để kiểm sốt lượng vi sinh trong màng, và do đĩ, sự phát triển quá mức của một số vi sinh vật cỡ lớn như Daphnia hay Nais sẽ xâm chiếm bậc cao trong chuỗi thức ăn và làm giảm khả năng xử lý của hệ thống vì chúng ăn một lượng lớn các vi sinh khác và sản sinh ra các sản phẩm bền, khĩ lắng trong nước đầu ra. Do vậy, quá trình màng vi sinh vật cĩ rất ít các yếu tố điều khiển, cĩ nghĩa là dễ vận hành, nhưng cũng khĩ để vận hành trong một điều kiện tốt. h. Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán Trong quá trình màng vi sinh vật, các yếu tố điều khiển quá trình làm sạch nước là sự vận chuyển cơ chất và oxy vaị màng vi sinh vật và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh. Trong đa số trường hợp, sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán trở thành yếu tố Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 38 hạn chế tốc độ phản ứng (sự hạn chế khuếch tán), nồng độ cơ chất trở thành yếu tố điều khiển phản ứng làm sạch. Màng vi sinh vật càng dày, nồng độ oxy trong nước thải càng cao thì tốc độ phản ứng càng cao. Nồng độ oxy hồ tan phải được duy trì cao trong nước thải trong thiết bị lọc sinh học, do đĩ năng lượng sục khí cũng phải cao tương ứng. Do đĩ, để hạn chế ảnh hưởng của quá trình khuếch tán, diện tích màng vi sinh phải đủ lớn, tương ứng với lượng sinh khối đủ lớn. Như vậy cần phải sử dụng vật liệu lọc cĩ diện tích bề mặt riêng lớn. Thêm vào đĩ vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn để duy trì bề dày lớp màng đủ nhỏ để tăng cường khả năng khuếch tán của cơ chất và oxy vào trong lớp màng, tương ứng với năng lượng để bơm nước tiêu tốn hơn. Hơn nữa, cần phải thiết kế thiết bị xử lý sao cho vận tốc nước chảy đều mọi nơi trong khối vật liệu đệm. Với những thuận lợi như trên việc ứng dụng phương pháp xủ lý bằng màng sinh vật vào quá trình xử lý nước thải chăn nuơi là rất phù hợp. 3.3 Ảnh hưởng của amonia trong quá trình lọc kị khí Trong nước thải chăn nuơi, hàm lượng NH3 khá cao, cụ thể ở trại heo Xuân Thọ III, từ 300-400 mg/l. Amonia được sinh ra trong suốt quá trình phân huỷ kị khí các hợp chất hữu cơ chứa N như protein, acid amin. Đồng thời một lượng amonia được vi khuẩn sử dụng trực tiếp để tổng hợp tế bào và tăng sinh khối. Sự chuyển đổi giữa NH4+ và NH3 thể hiện trong phương trình sau: NH4+ ⇔ NH3 + H+ , pKa = 9.27 ở 35o C Khi pH tăng lên, cân bằng dịch chuyển về bên phải, NH3 tăng lên Cũng như acid béo bay hơi, amonia cịn tạo nên khả năng đệm cho nước vì chúng là các acid yếu và baz yếu. Do đĩ ta cĩ mối quan hệ giữa độ kiềm và acid béo bay hơi như sau: Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 39 S T ` Hình 3.6: Cân bằng acid – baz và khả năng đệm của quá trình biến đổi kị khí Điều này làm thay đổi pH của nước. Đây là cơ sở để giải thích các kết quả thí nghiệm ở chương sau 3.4. Động học phản ứng trong quá trình lọc sinh học kị khí Mơ hình động học hình thức: Khơng quan tâm đến bùn ở dạng màng sinh học hay bùn hoạt tính. Đơn thuần xem phản ứng phân huỷ cơ chất như như một phản ứng hố học cĩ vận tốc phản ứng như sau: r = - m V dt dS = kSn Cơng thức trên đúng khi S >> E cĩ nghĩa là cơng thức chỉ sử dụng được cho khoảng thời gian đầu của quá trình xử lý. Trong đĩ: S: Nồng độ cơ chất tham gia phản ứng E: Nồng độ của men vi sinh V: Thể tích nước trong mơ hình m: Khối lượng vật liệu lọc trong mơ hình n: Bậc phản ứng k: Hằng số tốc độ phản ứng CHONS Chất hữu cơ RCOOH Acid béo bay hơi CO2, H2O, NH3, H2S H2CO3 ⇔ NH4+ + HCO3- RCOO- + NH4+ + H2O + CO2 Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 40 t ln 0S S V m k t k m V S 1 9 n = 1 Phương trình vận tốc trở thành: r = - m V dt dS = kS Lấy tích phân 2 vế: - m V ∫ S dS = ∫kdt ⇔ - m V lnS = kt + C Điều kiện biên: t = 0, S = S0 ⇒ C = - m V lnS0 Suy ra: - m V lnS = kt - m V lnS0 ln 0S S = V m kt Từ thực nghiệm, ta xác định được S(t), vẽ đồ thị ln 0S S theo t, suy ra hệ số gĩc V m k. Từ đây, tính được k 9 n = 2: Phương trình vận tốc trở thành: r = - m V dt dS = kS2 Tích phân 2 vế: - m V ∫ 2S dS = ∫kdt ⇔ m V S 1 = kt + C Điều kiện biên: t = 0, S = S0, được C = m V 0 1 S Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 41 Suy ra m V S 1 = kt + m V 0 1 S Vẽ đồ thị với trục hồnh là t, trục tung là m V S 1 , suy ra được hệ số gĩc k. 9 Với phản ứng bậc n r = - m V dt dS = kSn - m V ∫ nS dS = ∫kdt ⇔ - m V n−1 1 S1-n = kt +C Điều kiện biên: t = 0, S = S0, ta được C = - m V n−1 1 S01-n Suy ra: - m V n−1 1 S1-n = kt - m V n−1 1 S01-n m V 1 1 −n S 1-n = kt + m V 1 1 −n nS S 0 0 m V 1 1 −n S 1-n = n n Snm VSnmktS 0 00 )1( )1( − +− VS1-n = [ ] nn SSVnmktS 0010 )1( +−− VS1-n = [ ] nn SVnmktS −− +− 1010 )1( S = S 0 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 42 0S S = 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Độ chuyển hố cơ chất X = 0 0 S SS − Thay vào trên ta được: (1-X) n−1 = V nmktSV n )1(10 −− − ⇒ kt = [ ] )1( )1(1 110 nm XVS nn − −− −− Để xác định bậc phản ứng n, ta tiến hành đo nồng độ cơ chất theo thời gian để cĩ S0 , S(t1) , S(t2). Trong đĩ phải thỗ điều kiện vi sinh vật ở thời điểm t1, t2 đang nằm trong pha log, để phù hợp với điểu kiện của phương trình là S >> E. Lập tỉ lệ: 2 1 kt kt = [ ][ ]nn nn XS XS −− −− −− −− 1 2 1 0 1 1 1 0 )1(1 )1(1 ⇔ 2 1 t t = [ ][ ]n n X X − − −− −− 1 2 1 1 )1(1 )1(1 Cĩ t1, t2 và X1, X2 ta suy ra được bậc phản ứng n. Từ đĩ tính được k bằng cơng thức: k = [ ] tnm XVS nn )1( )1(1 110 − −− −−