Item: Cơ chế phân hủy chất hữu cơ của công nghệ sinh học kỵ khí
Rating: 6
Author: Tài liệu môi trường

Trong điều kiện không có ô xy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ vi sinh vật và sản phẩm cuối cùng của quá trình này là các chất khí như mêtan (CH4) và cácbonic (CO2) được tạo thành. Quá trình chuyển hoá chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kỵ khí chủ yếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các bước sau đây.

Cơ chế phân hủy chất hữu cơ của công nghệ sinh học kỵ khí

1. Quy trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ

Bước 1: Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn như monosacarit, amino axit hoặc các muối pivurat khác. Đây là nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi khuẩn hoạt động.

Bước 2: Các nhóm vi khuẩn kỵ khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hoá các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit axetic hoặc glixerin, axetat...

CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2

axit prifionic axit axetic

CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2

axit butiric axit axetic

Bước 3: Các nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩn lên men metan như Methanosarcina và Methanothrix) đã chuyển hoá axit axetic và hyđro thành CH4 và CO2 .

CH3COOH → CO2 + CH4

axit axetic

CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3-

HCO3- + 4H2 → CH4 + OH- + 2H2O

Theo các phản ứng trên khi lên men hoàn toàn, 113g chất hữu cơ có thể tạo thành 2,5 mol CH4 hay là 0,98 Nm3 khí sinh học/kg chất hữu cơ trong điều kiện tiêu chuẩn. Nếu một người trong 1 ngày nếu xả vào môi trường 100g COD thì lượng chất hữu cơ này có thể tạo nên được 35 lít CH4. Quá trình lên men bùn cặn có hiệu quả khi tỷ lệ COD:N:P = 350:5:1

Quá trình lên men kỵ khí diễn ra trong 2 điều kiện nhiệt độ: Lên men ấm ở nhiệt độ từ 29 đến 380C và lên men nóng ở nhiết độ 49 đến 570C. Khi lên men nóng, tốc độ phân hủy chất hữu cơ tăng gần 2 lần so với lên men ấm. Tuy nhiên ổn định được nhiệt độ cao trong công trình rất phức tạp và chi phí năng lượng lớn.

Độ pH thích hợp nằm từ 6,6 đến 7,6 với giá trị tối ưu xấp xỉ 7,0. Trong quá trình lên men, pH của hỗn hợp chất hữu cơ sẽ thay đổi từ mức thấp lên mức cao. Để duy trì pH, người ta thường bổ sung thêm kiềm (canxi cácbonat , natri bicacbonat ,...) để hàm lượng bicacbonat nằm ở mức 2.500 - 5.000 mg/l.

Yêu cầu nồng độ các chất dinh dưỡng của nước thải là: COD:N:P = 350:5:1.

Trong hỗn hợp bùn cặn phân hủy kỵ khí, nồng độ một số ion phải nằm ở mức nhất định: nồng độ lớn nhất của ion Na+ là 0,3 mol/l; của NH4+ là 0,1 mol/l; ion K+ là 0,09 mol/l .... Hàm lượng kim loại nặng trong bùn cặn như đồng, kẽm và niken phải nằm ở mức thấp.

2. Điều kiện áp dụng

- Bùn nuôi cấy ban đầu: nồng độ tối thiểu là 10 kg VSS/m3. Lượng bùn cho vào không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.

- Hàm lượng chất hữu cơ: COD 50.000mg/l thì cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra.

- Chất dinh dưỡng: nồng độ nguyên tố N, P, S tối thiểu có thể tính theo biểu thức sau:

(COD/Y) : N :P : S = (50/Y) : 5: 1 :1 (Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào loại nước thải. Nước thải dễ acid hóa Y= 0,03, khó acid hóa Y= 0,15.)

- Hàm lượng cặn lơ lửng: nước thải có hàm lượng SS lớn không thích hợp cho mô hình này. SS > 3.000 mg/l khó phân hủy sinh học sẽ lưu lại trong bể sẽ ngăn cản quá trình phân hủy nước thải.

- Nước thải chứa độc tố: UASB không thích hợp với loại nước thải có hàm lượng amonia > 2.000 mg/l hoặc hàm lượng sulphate > 500 mg/l. Khi nồng độ muối cao cũng gây ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn methane. Khi nồng độ muối nằm trong khoảng 5.000 – 15.000 mg/l thì có thể xem là độc tố.

- Hiệu suất của bể UASB bị phụ thuộc vào các yếu tố như: nhiệt độ, pH, các chất độc hại trong nước thải,…