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

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU. I.1. Lý do hình thành đề tài: Lên men sinh metan là hình thức biến đổi sinh khối thành năng lượng đã được biết từ lâu. Về bản chất đó là quá trình lên men kỵ khí các dạng nguyên liệu rất khác nhau: phế thải nông nghiệp, phế thải các nhà máy thực phẩm, nhà máy đường, nước thải sinh hoạt của các thành phố cụm dân cư thành năng lượng tái sinh là CH4 và CO2. Quá trình lên men tạo CH4 được thực hiện bởi quần thể của nhiều loài vi sinh vật khác nhau ở điều kiện kỵ khí. Theo tính toán nếu tận dụng hết các nguồn phế thải trên trái đất thì hang năm chúng ta có thể tạo được khoảng 200 tỉ m3 khối khí sinh học, tương đương khoảng 150 - 200 triệu tấn nhiên liệu và khoảng 20 triệu tấn bã là nguồn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Việt Nam là nước có mật độ dân số cao. Dân số chủ yếu là sản xuất nông nghiệp. Trong những năm gần đây công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa được xem là chìa khóa để phát triển đất nước. Do đó, hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất và các cơ sở sản xuất đã và đang được hình thành. Từ đó các vấn đề ô nhiểm môi trường cũng phát sinh và ngày càng nóng bỏng. Trong quá trình sản xuất nông nghiệp ngoài những sản phẩm thu được còn tạo ra một lượng chất thải cũng như nước thải khá lớn. Phần lớn lượng nước thải này chưa được xử lý. Đặc biệt là nước thải chăn nuôi có chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao, có thể xử lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí để thu hồi khí sinh học tạo năng lượng là biogas và phân hữu cơ để bón cho cây trồng. Ngược lại nếu nước thải loại này không được xử lý triệt để sẽ dể dàng gây ra mùi hôi thối, khó chịu, ô nhiễm môi trường xung quanh. Mặt khác sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa cũng phát sinh ra nhiều loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ rất cao, như nước thải từ các nhà máy sản suất chế biến thực phẩm. Các loại nước thải này không thể xử lý đạt hiệu quả bằng các phương pháp sinh học hiếu khí, hay các phương pháp cơ học, hóa học và hóa lý do đặc trưng ô nhiểm chất hữu cơ nồng độ cao của chúng. Để giải quyết những khó khăn trên thì phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí là một lựa chọn khá phù hợp, xét trên cả chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này đã và đang áp dụng tại một số hệ thống xử lý nước thải và chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao, nhưng tài liệu lý thuyết của phương pháp vẫn còn rất hạn chế, chưa được nghiên cứu nhiều, tài liệu còn rời rạc chưa sắp xếp lại thành hệ thống có tính logic chặt chẽ. Do đó, đề tài “bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí” được hình thành với mong muốn bổ sung và hoàn chỉnh hơn cơ sở lý thuyết có liên quan về quá trình phân hủy kỵ khí nước thải sinh hoạt và công nghiệp. I.2. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu: I.2.1. Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng bổ sung, biên hội, sắp xếp, lựa chọn tài liệu làm cơ sở lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí. I.2.2. Nội dung nghiên cứu: Tổng quan về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải. Tổng quan quá trình sinh học trong xử lý nước thải. Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí: hóa sinh học của quá trình, vi sinh vật học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình,… I.2.3. Phương pháp nghiên cứu: Do đề tài chỉ hình thành trên cở sở lý thuyết mà không tiến hành thí nghiệm hay tiến hành làm thực nghiệm nên phương pháp nghiên cứu ở đây chủ yếu là phương phương pháp hồi cứu: Trong quá trình thực hiện đề tài, tiến hành thu thập, sưu tầm các thông tin, tài liệu, số liệu, có liên quan đến nội dung nghiên cứu từ các tạp chí, sách báo, giáo trình, internet,…từ đó các kiến thức sẽ được lựa chọn và tổng hợp lại làm cơ sở cho quá trình thực hiện đề tài. I.2.4. Giới hạn của đề tài: Thời gian nghiên cứu: 12 tuần. CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI II.1. Tổng quan về nước thải: II.1.1. Khái niệm: Nước thải là nước đã qua sử dụng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc nước chảy tràn qua các vùng ô nhiễm. tùy vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải là nước mưa chảy tràn. Như vậy nước bị ô nhiễm các có nguồn gốc từ tự nhiên và do con người gây ra: Nguồn gốc tự nhiên: do mưa, lũ lụt, gió bão,…các tác nhân trên đưa vào nguồn nước các chất thải bẫn, các vi sinh vật có hại, kể cả xác chết của chúng. Nguồn gốc con người: là các chất thải độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng do các hoạt động của con người gây ra như: nước thải sau khi đã dùng trong sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, bệnh viện,… II.1.2. Phân loại nước thải: II.1.2.1. Nước thải sinh hoạt: Là nước thải sau khi được con người sử dụng vào các mục đích như tắm, giặt, nhà vệ sinh, nước rửa, hồ bơi…Chúng chứa khoảng 52% chất hữu cơ và 48% chất khoáng. Ngoài ra, trong nước thải sinh hoạt còn chứa nhiều loài sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng. Phần lớn các virut, vi khuẩn gây bệnh tả, vi khuẩn gây bệnh lỵ, vi khuẩn gây bệnh thương hàn. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng chất hữu cơ cao và không bền sinh học. Nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hộ dân cư, có lưu lượng nhỏ nhưng bố trí trên địa bàn rộng lớn, khó thu gom triệt để được xếp vào nguồn phát tán. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydratcacbon (40 – 50%); và các chất béo (5 – 10%). Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường trầm trọng. Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và các thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước cấp. Nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt quá cả yêu cầu cho xử lý sinh học. Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các hợp chất hữu cơ đều có thể phân hủy sinh học và khoảng 20 – 40% BOD thoát ra khỏi quá trình xử lý sinh học cùng với bùn lắng. Bảng 2.1: Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng (g/người.ngày) Tải lượng ô nhiễm (kg/ngày) Chất rắn lơ lửng 70 – 145 89 – 184,5 Amoni (N-NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 – 54 57,2 – 68,7 Nitơ tổng 6 – 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 – 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO – 1992. Bảng 2.2: Thành phần trung bình của nước thải sinh hoạt. STT Các chất có trong nước thải (mg/l) Mức độ ô nhiễm Nặng Trung bình Nhẹ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tổng chất rắn Chất rắn hòa tan Chất rắn không hòa tan Tổng chất rắn lơ lửng Chất rắn lắng Oxy hòa tan Ni tơ tổng Ni tơ hữu cơ N-NH3 N-NO2 N-NO3 Clorua Độ kiềm (mg CaCO3) Chất béo Tổng photpho 1.000 700 300 600 12 0 85 35 50 0,1 0,4 175 200 40 - 500 350 150 350 8 0 50 20 30 0,05 0,2 100 100 20 8 200 120 8 120 4 0 25 10 15 0 0,1 15 50 0 - Nguồn: Nguyễn Văn Phước - xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh hoc - 2007. II.1.2.2. Nước thải công nghiệp: Là nước thải sau quá trình sản xuất, phụ thuộc vào loại hình công nghiệp xuất hiện khi khai thác và chế biến các nguyên liệu hữu cơ và vô cơ. Nước thải công nghiệp thường có lưu lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm cao và có mức độ rất khác nhau tùy thuộc vào từng loại hình công nghiệp và công nghệ lựa chọn. Nhìn chung, nước thải của các nhà máy thực phẩm chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng thích hợp cho xử lý sinh học. Còn nước thải của các nhà máy hóa chất lại chứa rất nhiều các chất không thích hợp cho phương pháp sinh học. Bảng 2.3: Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải một số ngành công nghiệp. Ngành công nghiệp Các chất ô nhiễm Nồng độ (mg/l) Nhà máy luyện thép NH3-N 200 N hữu cơ 100 Phenol 2.000 Xi mạ Cr+6 3 – 550 Nhựa dẻo COD 23.000 TOD 8.800 Hồ thải từ công đoạn dán gỗ COD 2.000 Phenol 200 – 2.000 P-PO4 9 – 15 Phân bón BOD5 4.500 Chất rắn lơ lửng 10.000 Giết mổ gia xúc BOD5 400 – 2.500 Chất rắn lơ lửng 400 – 1.000 Bột giấy và giấy BOD5 100 – 350 Chất rắn lơ lửng 75 – 300 Thuộc da BOD5 700 – 7.000 Chất rắn lơ lửng 4.000 – 20.000 Nguồn: Nguyễn Văn Phước - xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học - 2007. II.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải: Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và những hợp chất tan trong nước. Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng. Để đạt được những mục đích đó chúng ta thường dựa vào đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp. Thông thường có các phương pháp xử lý nước thải sau: Xử lý bằng phương pháp cơ học. Xử lý bằng phương pháp hóa lý và hóa học. Xử lý bằng phương pháp sinh học. Xử lý bằng phương pháp tổng hợp. II.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học: Trong nước thải thường có các loại tạp chất cỡ khác nhau cuốn theo, như rơm cỏ, gỗ mẩu, bao bì chất dẻo, giấy, giẻ, dầu mỡ nổi, cát sổi, các vụn gạch ngói,…Ngoài ra còn có các loại hạt lơ lửng ở dạng huyền phù rất khó lắng. Tùy theo kích cỡ, các hạt huyền phù được chia thành hạt chất rắn lơ lửng có thể lắng được, hạt chất rắn keo được khử bằng đông tụ. Các loại tạp chất trên dùng các phương pháp xử lý cơ học là thích hợp nhất (trừ hạt dạng chất rắn keo). Phương pháp này dùng để tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Sau đây là một số công trình xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học phổ biến. II.2.1.1. Song chắn rác: Có chức năng giữ lại những rác thô, như giẻ, giấy, rác,vỏ hợp, mẩu đất đá, gỗ,… nhằm đảm bảo cho máy bơm, các công trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định. Tùy vào kích thước mà ta phân loại song chắn rác thô, trung bình, hay song chắn rác tinh. Song chắn rác làm bằng sắt tròn hoặc vuông (sắt tròn có đường kính từ 8 – 10mm), hai thanh cách nhau một khoảng bằng 60 – 100mm để chắn vật liệu thô và 10 – 20mm để chắn vật liệu nhỏ hơn, đặt nghiêng theo dòng chảy một góc 60 – 75o. Vận tốc dòng chảy thường lấy từ 0,8 – 1m/s để tránh lắng cát. II.2.1.2. Lưới lọc: Sau chắn rác, để có thể loại bỏ các tạp chất có kích thước nhỏ hơn, mịn hơn ta có thể đặt thêm lưới lọc. Các vật thải được giữ lại trên mặt lọc, phải cào lấy ra khỏi làm tắt dòng chảy. Người ta còn thiết kế lưới lọc hình tang trống cho nước chảy từ ngoài vào hay từ trong ra. Trước chắn rác còn có khi lắp thêm máy nghiền để nghiền nhỏ các tạp chất. II.2.1.3. Thiết bị nghiền rác: Dùng để cắt và nghiền rác thành các hạt, mảnh nhỏ hơn để trành làm tắc ống không gây hại cho bơm. Tuy nhiên trong thực tế việc dùng máy nghiền rác thay cho xong chắn rác gặp nhiều khó khăn cho các công trình xử lý tiếp theo do lượng cặn tăng lên gây tắc nghẽn hệ thống phân phối khí và các thiết bị làm thoáng khí trong các bể ( đĩa, lỗ phân phối khí và các tuabin…). II.2.1.4. Bể lắng cát: Dựa vào nguyên lý trọng lực, dòng nước thải được cho chảy qua bể lắng. Bể lắng là các loại bể, hố, giếng,…cho nước thải chảy vào theo nhiều cách khác nhau : theo tiếp tuyến, theo dòng chảy ngang, theo dòng từ trên xuống và tỏa ra chung quanh,…Nước qua bể lắng dưới tác dụng của trọng lực cát nặng sẽ lắng xuống đáy và kéo theo một phần chất đông tụ. Cát lắng ở đáy bể thường ít chất hữu cơ. Sau khi lấy ra khỏi bể lắng cát, sỏi được loại bỏ. II.2.1.5. Tách dầu mỡ: Nước thải của một số xí nghiệp ăn uống, chế biến bơ sữa, các lò mổ, xí nghiệp ép dầu,…thường có lẫn dầu mỡ. Các chất này thường nhẹ hơn nước và nổi lên trên mặt nước. Nước thải sau khi xử lý không có lẫn dầu mỡ mới được phép cho chảy vào các thủy vực. Hơn nữa, nước thải có lẫn dầu mỡ khi vào xử lý sinh học sẽ làm bít các lỗ hổng ở vật liệu lọc, ở pin lọc sinh học và còn làm hỏng cấu trúc bùn hoạt tính trong aeroten… Ngoài cách làm các gạt đơn giản bằng các tấm sợi quét trên mặt nước, người ta chế tạo ra các thiết bị tách dầu, mỡ đặt trước dây chuyền công nghệ xử lý nước thải. II.2.1.6. Lọc cơ học: Lọc được dùng trong xử lý nước thải để tách các tạp chất phân tán nhỏ khỏi nước mà bể lắng không lắng được. Trong các loại phin lọc thường có loại phin lọc dùng vật liệu lọc dạng tấm và loại hạt. Vật liệu lọc dạng tấm có thể làm bằng tấm thép có đục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken, đồng thau,…và cả các loại vải khác nhau (thủy tinh, amiăng, bông, len, sợi tổng hợp. Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủ bền và dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc. Vật liệu lọc dạng hạt là các thạch anh, than gầy, than cốc, sỏi, đá nghiền, thậm chí cả than nâu, than bùn hay than gỗ. II.2.2. Phương pháp hóa lý: Cơ sở của phương pháp hóa lý để xử lý nước thải là dựa vào các phản ứng hóa học và các quá trình hóa lý diễn ra giữa chất bẩn trong nước thải và hóa chất thêm vào. II.2.2.1. Trung hòa: Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau. Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về vùng 6,6 – 7,6. Trung hòa bằng cách dung dung dịch axit hoặc kiềm để trung hòa dịch nước thải. II.2.2.2. Keo tụ: Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước ≥10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lằng được. Bằng phương pháp keo tụ ta có thể làm tăng kích thước các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết lại với nhau để có thể lắng được. Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt có nguồn gốc silic và các hợp chất hữu cơ mang diện tích âm, các hạt hydroxit sắt và hydroxit nhôm mang điện tích dương. Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các hạt bông keo, các hạt bông keo này có tác dụng làm tăng tốc độ lắng và giảm thời gian lắng. Các chất keo tụ thường dung là muối sắt (Fe2(SO4)3.2H2O, FeSO4.7H2O,…), muối nhôm (Al2(SO4)3.18H2O,…) hoặc hỗn hợp của chúng. II.2.2.3. Hấp phụ: Phương pháp hấp phụ được dùng để loại bỏ hết các chất bẩn hòa tan trong nước mà phương pháp sinh học và các phương pháp khác không thể loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hay các chất có màu và mùi vị khó chịu. Các chất hấp phụ thường dung là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất, như xỉ tro, xỉ mạt sắt,…Trong đó than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất. Lượng chất hấp phụ tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có thể hấp phụ được 58 – 95% các chất hữu cơ và màu. II.2.2.4. Tuyển nổi: Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt nước. Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước. Thực chất đây là quá trình tách bọt hoặc làm đặc bọt. Trong một số trường hợp, quá trình này cũng được dung để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Phương pháp tuyển nổi được dung rộng rãi trong luyện kim, thu hồi khoáng sản quý và cũng được dung trong lĩnh vực xử lý nước thải. II.2.2.5. Trao đổi ion: Phương pháp này được dung làm sạch nước nói chung, trong đó có nước thải, loại ra khỏi nước các ion kim loại như: Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd,…cũng như các hợp chất chứa asen, phosphor, xianua và chất phóng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca+2 và Mg+2 ra khởi nước cứng. Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp. II.2.2.6. Phương pháp trích ly: Trích ly là phương pháp tách các chất bẩn hoà tan ra khỏi nước thải bằng dung môi nào đó nhưng với điều kiện dung môi đó không tan trong nước và độ hoà tan chất bẩn trong dung môi cao hơn trong nước. II.2.2.7. Xử lý bằng màng: Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khác nhau. Nó có thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung môi hoặc thậm chí cả một chất lỏng. Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm của các hợp chất đó qua màng. Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương tự khác ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải. II.2.2.8. Khử khuẩn: Dùng các hóa chất có tính độc đối với vi sinh vật, tảo , động vật nguyên sinh, gian, sán,… để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng. Khử khuẩn hay sát khuẩn có thể dùng hóa chất hoặc các tác nhân vật lý như: ozon, tia tử ngoại,… Hóa chất sử dụng để khử khuẩn phải đảm bảo có tính độc đối với vi sinh vật trong một thời gian nhất định, sau đó phải được phân hủy hoặc bay hơi, không còn dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào các mục đích sử dụng khác. Các chất khử khuẩn hay dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước javel, vôi clorua,… II.2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải và một số hợp chất vô cơ như H2S, sunfit, nitơ,…dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm, vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Có hai loại công trình trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng lọc, hồ sinh học. Các quá trình biến đổi hiếu khí và kỵ khí đều xảy ra đan xen lẩn nhau trong các công trình tự nhiên. Trong điều kiện nhân tạo: có thể chia thành 2 loại: + Phương pháp hiếu khí (nhân tạo): sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Gồm các công trình như: bể lọc sinh học, bể aerotank… + Phương pháp kỵ khí (nhân tạo): sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Gồm các công trình như: bể UASB, sinh học kỵ khí hai giai đoạn, lọc kỵ khí bám dính cố định,…(như đã trình bày ở trong phần IV.7) II.2.3.1. Cánh đồng lọc: Trong môi trường tự nhiên, các quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra khi đất, nước, sinh vật và không khí tác động qua lại với nhau. Lợi dụng các quá trình này, người ta thiết kế các hệ thống tự nhiên để xử lý nước thải. Các quá trình xảy ra trong tự nhiên giống như các quá trình xảy ra trong các hệ thống nhân tạo, ngoài ra còn có thêm các quá trình quang hợp, quang oxy hóa, hấp thu dưỡng chất của hệ thực vật. Trong các hệ thống tự nhiên các quá trình diễn ra ở vận tốc "tự nhiên" và xảy ra đồng thời trong cùng một hệ sinh thái, trong khi trong các hệ thống nhân tạo các quá trình diễn ra tuần tự trong các bể phản ứng riêng biệt. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính toán để đạt được một mức xử lý nào đó thông qua quá trình lý, hóa và sinh học tự nhiên của hệ đất - nước - thực vật của hệ thống. Ở các nước đang phát triển, diện tích đất còn thừa thải, giá đất còn rẻ do đó việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc được coi như là một biện pháp rẻ tiền. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt được ba mục tiêu: Xử lý nước thải. Tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để sản xuất. Nạp lại nước cho các túi nước ngầm. So với các hệ thống nhân tạo thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hoàn lưu nước thải và bùn... Do ít sử dụng các thiết bị cơ khí, việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cũng có những hạn chế như cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc vào cấu trúc đất và điều kiện khí hậu. Tùy theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia cánh đồng lọc ra làm 3 loại: Cánh đồng lọc chậm (SR). Cánh đồng lọc nhanh (RI). Cánh đồng chảy tràn (OF). II.2.3.2. Hồ sinh học: Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxy hóa từ không khí để oxy hóa các chất hữu cơ, rong tảo lại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân hủy, oxy hóa các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ không được thấp hơn 60C. Hồ sinh học được ứng dụng trong xử lý nước thải đô thị hoặc nước thải công nghiệp. Với ưu điểm chi phí thấp, vận hành đơn giản, ở những nới có diện tích mặt bằng lớn việc áp dụng công trình này là rất thích hợp. Hồ sinh học còn được dùng trong công đoạn tiền xử lý đối với các công trình xử lý công nghiệp, do đó khi đưa nước thải vào xử lý không cần qua giai đoạn xử lý sơ bộ. Ngoài việc xử lý nước thải còn có nhiệm vụ: Nuôi trồng thuỷ sản. Nguồn nước để tưới cho cây trồng. Điều hoà dòng chảy. Có các loại hồ sinh học sau đây: Hồ kỵ khí. Hồ kỵ hiếu khí Hồ hiếu khí. II.2.3.3. Bể lọc sinh học: Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp vật liệu lọc. Bể lọc hiện đại bao gồm một lớp vật liệu dễ thấm nước với vi sinh vật dính kết trên đó. Nước thải đi qua lớp vật liệu này sẽ thấm hoặc nhỏ giọt trên đó. Vật liệu lọc thường là đá dăm hoặc các khối vật liệu dẻo có hình thù khác nhau. Nếu vật liệu lọc là đá hoặc sỏi thì kích thước hạt dao động trong khoảng 25 – 100 mm, chiều sâu lớp vật liệu dao động trong khoảng 0,9 – 2,5 m, trung bình là 1,8m. Bể lọc với vật liệu đá dâm thường có dạng tròn. Nước thải được phân phối trên lớp vật liệu lọc nhờ bộ phận phân phối. Bể lọc với vật liệu lọc là chất dẻo có thể có dạng tròn, vuông hoặc nhiều dạng khác nhau với chiều cao biến đổi từ 4 – 12 m. Các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 – 0.2 mm và bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, do đó oxy đã bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày lớp màng sinh vật. Như vậy, môi trường kỵ khí được hình thành ngay sát bề mặt vật liệu lọc. Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hoá chất hữu cơ xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu liệu lọc, và bị rửa trôi. Bể lọc sinh học có các loại sau: Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu là các hạt cố định. Đĩa quay sinh học RBC. II.2.3.4. Bể bùn hoạt tính: Là bể chứa hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở tình trạng lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxi cho vi sinh vật oxy hoá chất hữu cơ có trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng tổng hợp các chất hữu cơ thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong bể bùn hoạt tính như: các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh. Quá trình sinh học xảy ra theo 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: hình thành bùn hoạt tính. Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzyme đạt tối đa và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Giai đoạn 3: tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Bể bùn hoạt được phân loại theo nhiều cách: chế độ thủy động lực dòng chảy vào, chế độ làm việc của bùn hoạt tính, cấu tạo của bể bùn,… II.3. Vai trò của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn và nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó mỗi phương pháp xử lý hiệu quả đối với các chất nhiểm bẩn khác nhau. Do đó ta không thể chỉ sử dụng một phương pháp để xử lý hiệu quả cho một loại nước thải nào đó. Phương pháp cơ học có khả năng loại bỏ các tạp chất rắn không tan như bao bì, rơm cỏ, giấy, giẻ, dầu mở, cát sỏi, vụn gạch ngói,…Ngoài ra còn có các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù. Đây là một bước đệm để đảm bảo cho các công trình sau được xử lý dễ dàng hơn, tránh tắt nghẽn thiết bị. Phương pháp hóa lý và hóa học có thể loại bỏ được các hạt nhỏ hơn mà phương pháp cơ học không thể loại bỏ được, điều chỉnh giá trị pH của nước thải và khử khuẩn nước sau xử lý để đảm bảo tiêu chuẩn đầu ra. Nhìn chung, bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học và phương pháp hóa lý là quá trình chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác chứ không xử lý triệt để. Cho nên nếu xử lý nước thải bằng phương pháp cơ hay phương pháp hoá lý thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao. Do đó, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học để xử lý các chất hữu cơ là phương pháp mang lại hiệu quả cao và chi phí thấp. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sản sinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hoà tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sulfite, muối amon, nitrate…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của quá trình phân huỷ này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat… CHƯƠNG III: TỒNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI III.1. Nguyên tắc chung của quá trình: Cở sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hóa vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có thể chia thành hai loại: Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Phương pháp kỵ khí: sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng các vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ và mức độ ổn định của lưu lượng nước vào hệ thống. Đồng thời cũng chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: chế độ thủy động, hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ, các chất dinh dưỡng,… Để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đạt hiệu quả thì nước thải đưa vào phải đạt được các điều kiện sau: Nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải (Sb > Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb > Cr+3 > Cd > Zn > Fe). Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và năng lượng cho vsv (hydratcarbon, protein, lipit hòa tan). Tỉ số COD/BOD≤2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5 thì áp dụng phương pháp xử lý sinh học hiếu khí. Nếu nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ quá cao hoặc có chứa các chất hữu cơ khó phân hủy (cellulose, hemixenlulose, protein, tinh bột chưa tan) thì xử lý bằng phương pháp sinh học kị khí. III.2. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải: Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là nước thải công nghiệp đã qua công đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn cũng đủ điều kiện để vi sinh vật thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, chất ức chế hoặc diệt vi sinh vật, như các loại nước thải có hàm lượng các kim loại nặng, các chất hữu cơ và vô cơ có tính độc,…). Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thủy sinh. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu để xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, indol, mecaptan, scatol, N2,…). Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào để chuyển vào quá trình phân hủy nội bào (hô hấp hay oxy hóa tiếp) hay chuyển sang quá trình đồng hóa. Quá trình tự làm sạch trong nước xảy ra rất phức tạp. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn. Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ ô nhiễm thấp hơn ở vùng xa. Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vật tiết ra thì ngược lại. Phân hủy các chất hữu cơ xảy ra chủ yếu trong tế bào vi sinh vật. Trong nước thải có rất nhiều các loại vi sinh vật khác nhau tham gia và quá trình phân hủy chất hữu cơ như: vi khuẩn, vi nấm, virus, tảo, nguyên sinh động vật,…Trong số đó vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu của quá trình phân hủy các chất hữu cơ, cùng với các khoáng chất khác dùng làm vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời làm sạch nước thải. III.2.1. Vi khuẩn: Các vi khuẩn được phân thành 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn hình cầu, dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong. Đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bong cặn dễ lắng. Vi khuẩn ký sinh là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong ruột của người và động vật, đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh dung chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân hủy cặn chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đống vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không cò hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó. Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần có thức ăn và oxy để đồng hóa. Một số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hòa tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, còn quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxy hóa. Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồn tại được khi có oxy hòa tan trong nước. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân hủy gọi là quá trình kỵ khí, quá trình này tạo ra các chất có mùi khó chịu. Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, nếu thiếu hoàn toàn oxy hòa tan, chúng có thể điều chỉnh để thích nghi với môi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi. Ngược lại, cũng tồn tại một số loài vi khuẩn kỵ khí, khi có oxy hòa tan trong nước chúng không bị chết mà lại làm quen được với môi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn kỵ khí lưỡng nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường có sự thay đổi của oxy hòa tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý. Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ 20 – 40oC. Một số loài vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 – 60oC. Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, không phải tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hóa, một vài trong số chúng là loài gây hại. Có hai loại vi khuẩn gây hại có thể phát triển trong hệ thống hiếu khí và thiếu khí. Một là vi khuẩn dạng sợi là các dạng phân tử trung gian, thường kết với nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên trên mắt nước và gây cản trở quá trình lắng đọng trầm tích, làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã qua xử lý ra ngoài. Một dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hóa, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống. Các sinh vật có hại thường xuất hiện trong hệ thống xử lý kỵ khí là các vi khuẩn khử sunfat. Nhìn chung, lợi ích thu được từ thiết kế vận hành hệ thống xử lý nước thải kỵ khí là tạo ra sản phẩm khí metan có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, nếu trong nước thải chứa sunfat ở nồng độ quá cao, lúc đó các vi khuẩn khử sunfat sẽ phải cạnh tranh với các chất nhường điện tử, kết quả là tạo ra sản phẩm sunfat. Điều này không những ảnh hưởng đến sản lượng khí metan tạo thành, mà còn tạo các sản phẩm không có lợi cho quá trình vận hành hệ thống. III.2.2. Vi nấm: Có cấu tạo cơ thể đa bào, sống hiếu khí, không quang hợp và là loài hóa dị dưỡng. Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải. Cùng với vi khuẩn, nấm chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Về mặt sinh thái học nấm có hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm có thể phát triển trong điều kiện ẩm độ thấp và pH thấp. Không có sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và các chất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong môi trường. Nấm men: Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, có hình dạng khác nhau và hầu như không ổn định. Thường chúng có hình cầu, hình elip, hình bầu dục và cả hình dài. Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp từ 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn. Kích thước trung bình của nấm men có chiều dài 9 – 10µm, chiều rộng 2 - 7µm. Chúng có thể lên men một số đường thành rượu, axit hữu cơ, glycerin và phát triển tăng sinh khối trong điều kiện kỵ khí. Nấm mốc (nấm sợi). Nấm mốc có khả năng phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy như xenlulozo, hemixnlulozo và lignin. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên, không phải là loài thuộc thực vật, cũng không phải là động vật và hoàn toàn khác vi khuẩn và nấm men. Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậy không tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nói cách khác, khi cung cấp không đủ oxy và nitơ, hoặc khi pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như vi khuẩn dạng sợi. III.2.3. Virut và thể thực khuẩn: Virut là một dạng sống khá đơn giản, có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ 10 - 450µm. Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào; thành phần hóa học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa AND hoặc ARN; không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp; một số có khả năng tạo thành ty thể. Sự hiện diện của virut trong nước thải sẽ có ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý. Vì chúng sinh trưởng bằng cách tấn công vào tế bào vật chủ (động vật, thực vật, vi khuẩn,…) mà các vi khuẩn thì đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình xử lý nước thải. Thể thực khuẩn là virus của vi khuẩn, có khả năng làm tan tế bào vi khuẩn rất nhanh. Trong nước thải có những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, bên cạnh đó cũng có thể thực khuẩn tương ứng với từng loại vi khuẩn đó. Do đó khi thấy thể thực khuẩn trong nước thải người ta có thể kết luận sự có mặt của vi khuẩn tương ứng. III.2.4. Tảo: Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ở chổ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các chất hữu cơ từ vô cơ dưới tác dụng của ánh sang mặt trời. Các loại tảo khác nhau có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chủ yếu gồm các dạng sau: Dạng đơn bào chuyển động: gồm các cơ thể đơn bào có khả năng chuyển động, thường có hình cầu, hình bầu dục hay hình quả lê. Tế bào thường có tiên mao. Những tảo này có khả năng hình thành các chân giả rất mảnh và dài. Dạng tập đoàn chuyển động: gồm những tế bào đồng nhất về hình dạng và chức phận, thường tập hợp trong một tập đoàn chuyển động. Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính. Mặc dù tảo không phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng có thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, thực chất là những màu sắc của tảo. Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Alabaena microcistic,…làm cho nước có màu xanh lam. Tảo Oscilatoria rubecent làm cho nước có màu hồng. Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu vàng nâu, Chrisophit làm cho nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển làm cho nước có nhiều mùi có chịu như mùi cỏ, mùi thối,… III.2.5. Nguyên sinh động vật (Protozoa): Động vật nguyên sinh cũng góp phần quan trọng trong quá trình xử lý nước thải, là một tổ chức lớn nằm trong nhóm eukaryotic với hơn 50.000 loài đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tạp hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng từ 4 – 500mm, chúng sống trôi nổi trên mặt nước, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí không bắt buộc chỉ có một số loài sống yếm khí. Các nguyên sinh động vật quan trọng trong xử lý nước thải bao gồm các chi Amoeba, Flagellate, và Viliate. Các nhóm chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng. Dạng thứ nhất là mastigophora, là các động vật nguyên sinh có nhiều roi – flagella. Dạng thứ hai là ciliophora, có rôi ngắn hơn hay còn gọi là long mao – cilia. Dạng thứ ba là Sarcodina, có kiểu chuyển động như amip. Các động vật nguyên sinh ăn chất hữu cơ để sống và thức ăn ưa thích của chúng là các vi khuẩn do đó nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng. Các động vật nguyên sinh có thể coi là chất chỉ thị của nước thải, vì sự xuất hiện của các động vật nguyên sinh cũng có nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất có trong nước thải. III.2.6. Archaea (cổ khuẩn): Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa. Khác với vi khuẩn, lipit của màng tế bào Archaea chứa lien kết ether giữa axit béo và glycerol, trong đó hai loại lipit chính là glycerol diether và diglycerol tetraether. Archaea còn chứa một lượng lớn axit béo không phân cực. Archaea có phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và có thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành metan. Chúng bao gồm các nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong các môi trường cực đoan. Những nghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng có mặt trong các loại môi trường sống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, chúng đóng vai trò khá quan trọng trong việc tạo ra CH4. III.3. Quá trình tăng trưởng của tế bào vi sinh vật: Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản và tăng sinh khối quần thể vi sinh vật. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “phát triển”. Sinh sản cũng là một kết quả của sự phát triển. Trong nước thải và quá trình xử lý nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào. Kích thước tế bào dao động xung quanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày. Khi các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH, nhiệt độ và các điều kiện khác của môi trường thay đổi ngoài các chỉ số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại. Các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng, chúng cần có trong môi trường các chất hữu cơ có thể đồng hóa làm cơ chất dinh dưỡng ở nước thải được biểu thị là BOD. Ngoài ra các chất dinh dưỡng nguồn nitơ là NH4+ và nguồn photpho là PO43-, các nguyên tố khoáng khác như K, Ca, Mg và các nguyên tố vi lượng (sắt, đồng, kẽm, mangan,…). Các chất khoáng và vi lượng này thường có đủ trong nước thải 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 phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, cellulose, lignin, lipids) thành những đơn phân tử hòa tan như axit amin, glucose, axit béo và glycerol. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn lên men axit trực tiếp sử dụng ngay. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như cellulose, 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. Cl. thermocellum là loài vi khuẩn được phân lập đầu tiên từ phân ngựa, lúc còn non có hình que ngắn, khi trưởng thành có hình uốn cong với kích thước khá dài, bào tử sinh ra ở một đầu của tế bào. Loài vi khuẩn này có thể phát triển được trên các môi trường tổng hợp đơn giản chứa nguồn cacbon và xenlulose, nguồn ni tơ là muối NH4+. Chúng không thể sử dụng glucose và nhiều loại đường khác, chúng phát triển và lên men mạnh mẽ ở nhiệt độ 60 – 650C, giới hạn nhiệt độ cao nhất thường là 700C còn ở 40 – 500C thì chúng bắt đầu kém phát triển. Vi khuẩn ưa ấm Cl. omelianski có hình que, kích thước 0,5 - 8µm, có khả năng di động. bào tử được hình thành một đầu là cho vi khuẩn có hình dáng giống cái dùi trống. Loại vi khuẩn này phát triển và lên men mạnh mẽ nhất ở nhiệt độ 30 – 400C. Cl. thermocellum, Cl. omelianski là hai loài vi khuẩn có khả năng thủy phân xenlulose. Sản phẩm của quá trình lên men này là etanol, axit acetic, axit lactic, axit formic, H2 và CO2. Ngoài ra còn có các loài: Ruminococcus flavefaciens, R. allbus. R. flavefaciens là loại cầu khuẩn gram dương, thường xếp thành hình chuỗi, có khả năng sinh sắc tố vàng. Có khả năng lên men xenlulose và xenlobioza. 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 botulinum, Clostridium noviy. Chúng đều có khả năng tiết ra enzyn 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 cácvi khuẩn thủy phân protein phải tiết ra enzyme 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 6,5.107 tế bào/ml. IV.5.2. Vi khuẩn axit hóa: Vi khuẩn lên men axit cũng là các vi khuẩn tham gia và quá trình thủy phân. Vi sinh vật chịu trách nhiệm lên men cơ chất là các nhóm vi khuẩn, nấm mốc và protozoa không tạo CH4. Chúng lên men axit các monomer của cơ chất ban đầu (glucose, acit béo) thành các axit hữu cơ đơn giản. Trong số các nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khí tùy tiện thì vi khuẩn kỵ khí tùy tiện là nhóm axit hóa chủ yếu. Những vi khuẩn kỵ khí tùy tiện phân hủy protit và axit amin, thường gặp có thể kể đến là Clostridium spp; Lactobacillus spp; Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococus; E.Coli. Vài loài vi khuẩn hiếu khí cũng tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình lên men kỵ khí axit như loài Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Micrococcus, Sarcinovulgaris, E.Coli. Khi oxy trong bể phân hủy kỵ khí chưa hoàn toàn vắng mặt thì trong bể phân hủy còn có thể thấy sự có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio. Nhiều loại nấm mốc như Penicillium, Fusarium, Mucor,…các Protozoa cũng tham gia vào quá trình tạo axit. Nhưng nhìn chung trong giai đoạn này vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò chủ yếu còn vi khuẩn hiếu khí, nấm mốc, Protozoa chỉ đóng vai trò thứ yếu. IV.5.3. Vi khuẩn acetate hóa: Các vi khuẩn acetate hóa thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí sinh axit. Có hai cơ chế hình thành acetate: hydro hóa và dehydro hóa. Quá trình dehydro hóa tạo acetate (acetagenic dehydrogenation): Quá trình dehydro hóa tạo acetate là phản ứng trong đó cơ chất oxy hóa xảy ra cùng với quá trình khử proton và sản phẩm cuối cùng là hydrogen 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 metan. 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 các sản phẩm oxy hóa khác. Để phân biệt hai nhóm vi sinh vật này phải dựa trên cơ chất được sử dụng và năng lượng tạo ra. 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 khi 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. Năng lượng của quá trình oxy hóa bởi vi khuẩn khử bắt buộc tương đối nhỏ, nồng độ H2 tạo thành thấp. Lúc nồng độ H2 tăng, sự oxy hóa trở thành quá trình thu nhiệt. Vi khuẩn khử proton chỉ sử dụng một lượng nhỏ năng lượng của cơ chất để tạo ra một vài sản phẩm oxy hóa khử. Quá trình hydro hóa tạo acetate (acetogenic hydrogenations): Quá trình này xảy ra không đáng kể trong bể phản ứng kỵ khí. Là quá trình lên men đồng hình acetate (homoacetate fermentation), chỉ tạo ra sản phẩm duy nhất là acetate. Trong quá trình lên men đồng hình acetate của hexoses, có hai phản ứng xảy ra: C6H12O6 + H2O → CH3COCOOH + CH3COOH + CO2 + 6H CH3COCOOH + CO2 + 6H → 2CH3COOH + H2O Quá trình hydro hóa acetogenic xảy ra không chỉ với những cơ chất nội sinh mà còn với những cơ chất ngoại sinh như CO2 và H2O. Bảng 4.2: Các vi khuẩn có khả năng chuyển hóa đường thành axit acetic: Vi sinh vật Nguồn Acetobacterium wieringae Acetobacterium woodii Acetogenium kivui Clostridium aceticum Clostridium acetium Clostridium thermoaceticum Bể phân hủy bùn Bùn Bùn Bùn Bùn Bùn Nguồn: Dolfing, 1998. IV.5.4. Vi khuẩn sinh metan: Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh metan 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 thế 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 kháng sinh như penicillin. Coenzym của vi sinh vật sinh metan rất đặc biệt: coenzyme M, coenzyme F430 và F420 (khiến chúng có khả năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiện chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện hiện nay). Thời gian thế hệ của chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 550C đến 3 ngày ở 350C và tới 50 ngày ở 100C. Các chất có thể dùng để cung cấp nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh metan khá đơn giản. Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetate hóa. Tuy 70% lượng khí metan được sinh ra từ sự oxy hóa acetate, chỉ có một số loài vi sinh vật cổ có khả năng phân giải acetate, trong đó các giống quan trọng là Methanosaeta, Methanosacina, Methanococcus. Trong khi đó có rất nhiều loài sinh metan có khả năng tạo metan 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 Methanococcus 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 metan, đều thuộc loài 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: a) 61 loài sử dụng CO2 và H2 tạo CH4; b) 20 loài sử dụng hợp chất chứa metyl (13 loài bắt buộc); c) 9 loài sử dụng acetate tạo ra CH4 (2 loài bắt buộc). Khoảng 23% số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt (thermophillic). Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic (sử dụng hydrogen hóa tự dưỡng): chuyển hóa hydro và CO2 thành metan: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa axit bay hơi và alcol thành axetat. Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic, còn gọi là vi khuẩn phân giải axetat, chúng chuyển axetat thành metan và CO2. CH3COOH → CH4 + CO2 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 còn 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 metan chi tiết và tường tận hơn theo trình tự phân tử DNA trong tế bào. Tuy nhiên, vấn đề vẫn đang bỏ ngỏ hiện nay là xác lập mối liên hệ nhất định giữa loại chất đem phân hủy và biến động về quần xã vi sinh vật sinh metan tương ứng. Bảng 4.3: Các vi khuẩn chính tạo metan: Loài Chất nền Methanobacterium H2/CO2 Methanobrevibacter H2/CO2 Methanococcus H2/CO2 Methanosacrina H2/CO2/axetat Methanobacterium fomicicum H2,CO2, formiat Methnococus vannielli H2, formiat Methnosacina barkeri H2, CO2, methanol, acetat Methanobacterium runinatlum H2, formiat Methanobacterium suboxidans Butyrate, valerat, caproat Methanobacterium sohngeni Axetat, butyrat Methanobacterium methnica Axetat, methanol, butyrat Methanobacterium mazei Axetat, butyrat Methanothrix Axetat IV.5.5. Các vi khuẩn khử sulfate: Trong điều kiện kỵ khí, các vi khuẩn khử sunfate sẽ sử dụng các cơ chất hữu cơ với tư cách là các chất cho điện tử (electrodonor) để chuyển hóa SO42- thành S2-. Các vi khuẩn khử sulfate thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, rất đa dạng trong khả năng sử dụng các cơ chất khác nhau trong quá trình trao đổi chất với tư cách là chất cho electron như nguyên tử hydrogen, acetate, formate, propionate, butyrate, axit mạch dài, axit mạch ngắn, lactate, methanol, ethanol, các alcohols mạch dài, fumarate, succinate, malate, và các hợp chất vòng thơm. Ngoài quá trình khử sulfat, khử sulfite và khử thiosulfite cũng rất phổ biến đối với các vi khuẩn khử sulfate. Các vi khuẩn khử sulfate có thể chia làm hai loại chính: nhóm các chủng hình que, tạo bào xác (sporeforming) với lượng G + C thấp (Desulfotomaculum), và các chủng không tạo bào xác, là các vi khuẩn hình sợi xoắn với lượng G + C cao (Desulfovibrio). Gần đây các vi khuẩn khử sulfate đã được sắp xếp lại thành hai nhóm chủ yếu. Các vi khuẩn khử sulfate oxy hóa cơ chất không hoàn toàn thành CO2. Nhóm này bao gồm những loài như sau: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium, Desulfonema. Các vi khuẩn khử sunfate oxy hóa cơ chất hoàn toàn thành CO2. Nhóm này bao gồm những loài như sau: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium, Desulfonema. Trong trường hợp không có chất nhận điện tử chứa lưu huỳnh, các vi khuẩn khử sulfate có thể phát triển bằng các phản ứng lên men hoặc acetogenic. Như pyruvate, lactate và ethanol có thể dễ dàng lên men bởi nhiều chủng khử sulfate khác nhau. IV.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí: IV.6.1. Thời gian lưu bùn: Thời gian lưu bùn là thông số quan trọng thường được lựa chọn làm 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 metan, 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 metan và ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học (hàm lượng khí metan thấp). IV.6.2. Nhiệt độ: Vùng nhiệt độ để quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra là khá rộng và mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp cho từng nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau. Vùng nhiệt độ ấm – trung bình : 20 – 45oC và vùng nhiệt độ cao – nóng: 45 – 65oC sẽ thích hợp cho sự hoạt động của nhóm vi sinh vật lên men metan. Một số nhóm vi sinh vật kỵ khí có khả năng hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp – lạnh: 10 – 15oC. Khi nhiệt độ <10oC thì hầu như vi khuẩn tạo metan không hoạt động. Nhiệt độ tối ưu đối với vi sinh vật tạo metan là ưa ấm 35oC và hiếu nhiệt 55oC. Hình 4.2: ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh khí của các vi sinh vật tạo metan (Price and Cheremisinoff, 1981). IV.6.3. pH: Trong quá trình xử lý kỵ khí, các giai đoạn phân 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 axit hóa thích nghi hơn nhóm vi sinh vật metan hóa. Khi pH giảm mạnh (pH<6) sẽ làm cho khí metan sinh ra giảm đi. Khoảng pH tối ưu giao động trong một khoảng hẹp từ 6,8 – 8,5. IV..4. Tính chất của chất nền: Hàm lượng tổng chất rắn của mẩu 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. IV.6.5. 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 C và N là chủ yếu. Thành phần C thì ở dạng Cacbonhydrate (C: tạo năng lượng), N ở dạng nitrate, protein, ammoniac (N: tham gia cấu trúc tế bào) 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 metan. Trái lại, quá ít N không đủ cho vi sinh vật sinh metan tiêu thụ và sản lượng khí sinh học giảm. Nồng độ vừa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinh vật lên men metan 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. Bảng 4.4: tỷ lệ C/N trong một số loại phân: Loại phân Tỷ lệ C/N Trâu bò Heo Gà Cừu Ngựa Người 25/1 13/1 5/1 – 10/1 29/1 24/1 2,9/1 IV.6.6. 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. Oxygen được coi là độc tố của quá trình này. Một số dẫn xuất của metan 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 metan hóa. Các chất có tính oxy hóa mạnh như thuốc tím, các halogen và các muối có oxy của nó, ozon,… được xem là chất diệt khuẩn hữu hiệu hiện nay. 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 được 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 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 tụ amoni (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 – 200mg/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. Amoni có thể có mặt trong dòng nước thải đầu vào, hoặc có thể được tạo thành do sự phá vỡ các hợp chất hữu cơ có chứa N, ví dụ như protein. NH3 + H2O → NH4+ +OH- Cả hai dạng NH3 và NH4+ đều ảnh hưởng đến quá trình nhưng ở những nồng độ khác nhau. NH3 thường có ảnh hưởng nhiều hơn và có thể gây độc cho quá trình phân hủy ở nồng độ khoảng 100mg/l. Trong khi đó, nồng độ NH4+ thường cao ở mức từ 7.000 – 9.000mg/l và rất tốt cho quá trình xử lý, không gây ức chế cho quá trình. Nếu tổng nồng độ NH3 và NH4+ quá cao trong nước thải sẽ trở thành chất ức chế cho quá trình xử lý, và nồng độ này thay đổi tùy thuộc vào pH và nhiệt độ. Trong điều kiện mesophilic (25 – 30oC), nồng độ tổng amoni có thể đạt được giá trị 10.000mg/l và nồng độ NH3 vẫn thấp hơn 100mg/l ở khoảng pH = 7. Khi nồng độ tổng amoni đat 2.000mg/l có thể khiến cho nồng độ NH3 ở mức gây độc khi pH lên đến 7,5 – 8. Tuy nhiên, trong điều kiện thermophilic (55oC) nồng độ tổng amoni phải duy trì dưới 2.000mg/l, khi đó nồng độ NH3 dưới mức gây độc. Bảng 4.5: Nồng độ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí. Tên hóa học Hàm lượng SO42- NaCl NO2- Cu Cr Ni CN- ABS NH3 Na K Ca Mg 5.000 ppm 40.000 ppm 50mg/l 100mg/l 200mg/l 200 – 500mg/l 25mg/l 20 – 40 ppm 1.500 – 3.000mg/l 3.000 – 5.500mg/l 2.500 – 4.500mg/l 2.500 – 4.500mg/l 1.000 – 1.500mg/l IV.6.7. 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. IV.6.8. 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 chất 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 mứa 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 đời hỏi mức độ đầu tư khá cao cho bộ phận khuấy đảo. IV.7. Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải trong điều kiện kỵ khí: IV.7.1. Quá trình tăng trưởng của tế bào vi sinh vật: Việc mô tả quá trình động học của sự phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ theo phương thức toán học rất khó vì tính chất phức tạp của cơ chất và thành phần vi sinh vật, sự biến động của chúng theo các điều kiện môi trường. Tuy nhiên, trong thực tiễn, động học của quá trình này có thể được miêu tả bằng mo hình động học Monod. Biểu thức toán học mô tả tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật theo mô hình Monod được biểu diễn như sau: µ = µmax trong đó: µ: là tốc độ tăng trưởng riêng (ngay-1). µmax: là tốc độ tăng trưởng lớn nhất (ngày-1). S: là nồng độ cơ chất (g/l). KS: là hệ số ái lực (nồng độ của cơ chất khi µ = 1/2µmax). Mô hình động học của Monod giúp mô tả khá chính xác tốc độ sinh metan và mối liên hệ giữa tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật với hoạt tính của bùn. Vì phương trình này không tính đến tốc độ tự phận hủy (chết) của vi sinh vật, do đó cần kết hợp với công thức sau: µn = µ - b trong đó: µn: là tốc độ tăng trưởng cuối (ngày-1). b: là tốc độ tự phân hủy (ngày-1). Thay thế vào phương trình ta được: µn = µmax - b Phương trình này có thể được phối hợp với phương trình có độ hoạt tính lớn nhất µmax bằng tích số giữa tốc độ phân hủy cơ chất đặc trưng với hệ số tăng trưởng của vi sinh vật. µmax = rx,max.Y trong đó: Y: là hệ số tăng trưởng vi sinh vật (gVSStạo thành/gCODloại bỏ). rx.max: là tốc độ phân hủy cơ chất đặc trưng (gCODloại bỏ/gVSS.ngày). Thế vào phương trình ta có kết quả sau: µ = Y - b Những mối liên hệ này cũng có thể được áp dụng cho các hệ thống lên men hỗn hợp, có hoặc không có lưu bùn hay tuần hoàn bùn. IV.7.2. Năng suất tạo sinh khối: Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí có liên quan trực tiếp đến quá trình tạo ra khí metan. Sản lượng khí sinh học có thể dự báo từ phương trình sau: CxHyOz + (x – y/2 – z/4)H2O →(x/2 – y/8 – z/4)CO2 + (x/2 – y/8 – z/4)CH4 Sản lượng thực tế của khí sinh học luôn nhỏ hơn sản lượng tính toán theo phương trình, bởi vì chỉ có một phần các chất dễ bị phân hủy sinh học thậm chí còn có một số chất ngăn cản quá trình phân hủy trong bể. IV.8. Các dạng công trình xử lý nước thải trong điều kiện kỵ khí: IV.8.1. Các dạng bể kỵ khí IV.8.1.1. Bể tự hoại: Được xây dựng bằng các cấu kiện bê tong đúc sẵn, gạch đá,…một ngăn hay nhiều ngăn với hai chức năng: lắng và lên men cặn lắng, thường dùng cho các hộ gia đình. Bể tự hoại cũng được sử dụng trong xử lý cặn bùn của hệ thống sử lý nước thải chế biến thủy sản, với thời gian lưu bùn từ 1 – 2 tháng, bùn được nâng nhiệt đến 35oC và đáy bể có van tháo cặn. Quá trình phân hủy bùn cặn được tăng cường khi bùn được khuấy trộn. IV.8.1.2. Bể lắng hai vỏ: Được xây bằng gạch hoặc bê tong cốt thép hình tròn hay chữ nhật, có đáy hình nón hay hình chop cựt để chứa và phân hủy bùn cặn. bể lắng hai vỏ có chức năng tương tự như bể tự hoại, nhưng có công suất lớn hơn. Phía trên bể là các máng lắng đóng vai trò như bể lắng ngang. Nước chuyển động chậm qua máng lắng. Bùn lắng theo khe trượt xuống ngăn lên men, phân hủy và ổn định bùn cặn. Bể lắng hai vỏ được xử dụng cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt có công suất nhỏ và trung bình (Q<10.000m3/ngày đêm). Bùn cặn lưu trong bể từ 1 – 6 tháng. Hiệu suất lắng từ 55 – 60%. Tất cả các trạm xử lý nước thải sinh hoạt và công nghệp đều có thể xử dụng công trình này. IV.8.1.3. Bể metan: Được xây dựng bằng bê tong cốt thép hình trụ, đáy và nắp hình nón. Bể được sử dụng để phân hủy cặn lắng từ bể lắng I và II cũng như bùn hoạt tính dư của trạm xử lý nước thải. Ngoài ra, bể còn được dùng để phân hủy rác nghền, phế tahi3 rác hữu cơ. Các trạm xử lý nước thải đều có thể xử dụng công trình này. IV.8.2. Sinh học kỵ khí hai giai đoạn: Hệ thống sinh học phân hủy kỵ khí hai giai đoạn thường được thiết kế cho khu dân cư từ 30.000 – 50.000 người. Ở giai đoạn đầu, các hoạt động sinh hóa chính là sự lỏng hóa các chất rắn hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hòa tan và quá trình axit hóa các hợp chất hữu cơ. Ở giai đoạn thứ hai xảy ra chủ yếu là sự khí hóa (tạo metan), tuy nhiên, vẫn có sự phân chia ở bề mặt và phân hủy bùn. Giai đoạn đầu thường là quá trình phân hủy tải trọng cao với sự khấy trộn lien tục hỗn hợp, trong khí đó ở giai đoạn hai thường có tải trọng thấp với sự phân riêng bùn và nước. Các chất hữu cơ cung cấp ban đầu ở dòng vào trong giai đoạn một thường lớn hơn so với giai đoạn hai. Hầu hết các bể phân hủy được giữ ở nhiệt độ 29,4oC – 37,8oC để đẩy mạnh thời gian phân hủy. Khí thoát ra từ hệ thống được sử dụng cho mục đích giữ nhiệt. khoảng pH thuận lợi nhất từ 7 – 7,2 có thể được duy trì nếu lượng bùn sạch được cung cấp hang ngày ở dạng hạt, và lượng bùn them cũng như lượng bùn thải không quá dư thừa. Thông thường, sự axit hóa sẽ không xảy ra nếu bùn khô được them vào hoặc lượng bùn dư hằng ngày không vượt quá 3 – 5% lượng bùn khô có trong hệ thống. Sự axit hóa thể hiện ở sự giảm pH, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn metan, giảm khả năng tạo khí,…vì vậy, có thể phát sinh ra mùi khó chịu, tạo bọt và bùn nổi. Chất lỏng trên bề mặt chính là nước thoát ra trong quá trình phân hủy, có thể có BOD5 cao đến 2.000mg/l và nồng độ các chất rắn lơ lửng lên đến 1.000mg/l. Lượng nước này thường được đưa trở lại dòng nước ban đầu để lắng sơ bộ. Mức độ phân hủy bùn có thể được ước tính bằng cách tính qua lượng chất rắn bay hơi, trong bùn là lượng khí sinh ra. IV.8.3. Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược – UASB (upflow anaerobic sludge blanket reactor): Bể UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy công nghiệp thực phẩm. Bể chia làm hai ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men. Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí – lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ có trong nước thải và quá trình phân hủy xảy ra tích cực. Nhờ các vi sinh vật có trong bùn hoạt tính mà các chất bẩn trong nước thải đi từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể, các vi sinh vật lien kết nhau và hình thành các hạt bùn lớn đủ nặng để không bị cuốn trôi ra khỏi bể. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ, giúp cho việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Các bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên trên mặt tạo thành hỗn hợp phái trên bể. Khi va phải lớp lưới chắn phía trên, các bọt khí vỡ ra và các hạt bùn được tách ra khỏi hỗn hợp lại lắng xuống dưới. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lững, vận tốc dòng nước hướng lên phải giữ ở khoảng 0,6 – 0,9m/h. Bùn được xả ra khỏi bể UASB từ 3 – 5 năm/lần nếu nước thải đưa vào đã qua bể lắng I, hoặc 3 – 6 tháng/lần nếu nước thải đưa vào xử lý trực tiếp. Bể được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Ưu điểm: Chi phí đầu tư, vận hành thấp. Lượng hóa chất cần bổ xung ít. Không đòi hỏi cấp khí, do đó ít tiêu hao năng lượng. Có thể thu hồi tái sử dụng năng lượng từ biogas. Lượng bùn sinh ra ít. Cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao. Giảm diện tích công trình. Khuyết điểm: Giai đoạn khởi công kéo dài. Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động. Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại. Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động. IV.8.4. Bể phản ứng liên tục – CSTR (continuously stirred tank reator): Bể phản ứng khuấy liên tục còn được gọi là bể phản ứng khuấy trộn hoàn toàn. Bể có thể tích V, tiếp nhận dòng chất thải với tốc độ dòng F chứa các chất có thể hòa tan, các chất hữu cơ nền có thể bị phân hủy bởi vi khuẩn có nồng độ SSo, và một lượng đủ các chất dinh dưỡng vô cơ để tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trưởng của vi sinh vật. Lưu lượng dòng vào và các thông số như: nồng độ, giá trị pH, nhiệt độ, cũng như các điều kiện môi trường khác là không đổi. Trong bể phản ứng sinh học, sinh khối của các sinh vật dị dưỡng sử dụng các chất hữu cơ (hòa tan và lơ lững) làm nguồn thức ăn, vì vậy sự tăng trưởng của chúng đạt đến nồng độ XBH trong khi nồng độ các chất lơ lững giảm xuống SS. Có hai dòng chảy thoát ra từ bể phản ứng, nhưng do bể này được khuấy trộn hoàn toàn nên nồng độ của tất cả các chất cấu thành nên chúng là như nhau tại bất kỳ điểm nào trong bể phản ứng. Dòng thứ nhất với tốc độ dòng là Fw, chảy trực tiếp ra khỏi bể phản ứng và mang theo sinh khối cũng như các tế bào vỡ vụn có nồng độ cân bằng với bể phản ứng. Dòng chảy còn lại có vận tốc (F – Fw), chảy qua thiết bị tách sinh khối trước khi thảy ra ngoài, nhằm mục tiêu giải phóng các chất lơ lững. Toàn bộ các hạt lơ lững được tách bởi thiết bị phân riêng ở quá trình trên sẽ được quay trở lại bể phản ứng sinh học ban đầu. IV.8.5. Bể phản ứng dòng chảy đều – PFR (plug flow reator): Bể phản ứng dòng chảy đều có thể đơn giản chỉ là một ống hay một hộp kín có kèm theo chất xúc tác. Dòng thải cần xử lý có chứa các cơ chất được cung cấp liên tục qua các đường ống nhỏ vào bể phản ứng, trong khi đó dòng chảy ra chứa các sản phẩm và các chất không phản ứng, được đưa ra ngoài qua các đường ống thoát. Dòng chảy bên trong bể có vận tốc khá ổn định và nồng độ được phân tán đồng đều theo tiết diện ống, đồng thời không có sự phối trộn dọc, vì vậy các thành phần trong chất lỏng di chuyển qua bể phản ứng trong cùng một điều kiện như nhau. Ngoài ra, bởi vì các phản ứng xảy ra dọc theo chiều dài của bể phản ứng nên nồng độ của cơ chất và sản phẩm thay đổi dọc theo trục. Do đó, bể phản ứng dòng chảy đều còn được gọi là bể phản ứng dạng ống. IV.8.6. Lọc kỵ khí bám dính cố định – AFR (anaerobic filter reator): Hệ thống lọc kỵ khí bám dính cố định sử dụng các vi sinh vật bám dính trên các vật liệu lọc đặt trong bể có dòng nước thảy chảy từ dưới lên hoặc từ trên xuống và màng vi sinh vật bám dính này không bị rửa trôi trong quá trình xử lý. Dòng nước thảy vào và dòng tuần hoàn ra được phân bố từ bên này sang bên kia của bể phản ứng sinh học, chảy cắt ngang hoặc chảy ngược qua màng sinh học. Quá trình xử lý xảy ra là kết quả của bùn lơ lửng và hòa trộn sinh khối được giữ lại bởi màng lọc. Dòng chảy ra ở phần trên của màng, là tập hợp của các tác nhân bị đào thải. Khí nằm ở phía dưới bể phản ứng được thu lại và được chuyển đi nơi khác để xử dụng sau. Dòng chảy ra được tuần hoàn lại để duy trì điều kiện nạp nước được đồng nhất trong bể phản ứng. việc thiết kế bể phản ứng sinh hóa dựa vào thời gian lưu nước với tải trọng thể tích chất hữu cơ từ 5 – 15kgCOD/(m3.ngày). Sinh khối phải thường xuyên được kiểm tra và nếu có sự dư thừa sinh khối thì chúng sẽ được tách ra khỏi hệ thống theo dòng chảy. IV.8.7. Bể phản ứng đệm ky khí giản nở - FBR (fluidized bed reator): Các vi sinh vật bám dính trên các chất mang ( thường là các hạt cát lơ lửng với đường kính từ 0,2 – 0,5mm) sẽ được phân bố đều khắp thiết bị nhờ tốc độ dòng nước thải chảy ngược thích hợp, làm giản nở lớp cát (đệm giản nở). Trong hệ thống bể phản ứng kỵ khí có đệm giãn, tốc độ dòng chảy ngược đủ lớn để ngăn sự gắn kết sinh khối của các hạt magn này, kết quả là làm gia tăng thể tích đệm so với thể tích của nó. Trong các đệm giản nở, vận tốc dòng chảy ngược có thể làm giãn đệm từ 15 – 30%. Với thể tích giản nở này, sự kết dính sinh khối chỉ được ngăn chặn một phần nào đó bởi dòng chảy và một phần khác là do sự tiếp xúc với các khối sinh khối kết dính liền kề nhau, cho nên chúng có xu hướng giữ nguyên trạng thái trong môi trường đệm. Dưới những điều kiện này, sinh khối kết dính sẽ bị ngăn chặn hoàn toàn bởi dòng chảy ngược và di chuyển tự do trong môi trường đệm. Khí sinh ra ở đây cũng là kết quả của sự tiếp xúc này. Trong bất kỳ quá trình sinh hóa nào, lượng sinh khối thừa cũng phải được đưa ra khỏi bể phản ứng sinh hóa để ổn định lượng sinh khối. Quá trình tích lũy sinh khối trên các hạt cát lơ lững sẽ làm gia tăng đường kính của hạt sinh khối kết dính và đồng thời cũng làm giảm mật độ của chúng. Kết quả của hai quá trình trái ngược này là làm giảm tốc độ lắng đọng của sinh khối kết dính và có xu hướng tích lũy sinh khối ở tầng trên của bể phản ứng sinh hóa. IV.9. Các thông số tính toán công trình xử lý sinh học kỵ khí: Bảng 4.6: Tóm tắt các thông số thiết kế cho các công trình sinh học kỵ khí: STT Thiết bị Tải trọng kg COD/m3.ngày Thời gian lưu bùn (ngày) Thời gian lưu nước (ngày) E% COD Thời gian xả bùn (năm) 1 Hồ kỵ khí: 1 – 6m 1,5 – 2 10 – 90 30-90 2-3 năm 2 Kỵ khí tiếp xúc 1 – 5 >20 1 – 10 70-95 3 UASB 5 – 20 >100 0,25 – 1 80-95 0,5 năm 4 Lọc kỵ khí 5 – 15 >50 1,5 – 2 70-90 5 Ky khí đệm giản nở 10 – 40 >100 1/24 –