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

Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí


24






3.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học kị khí
3.1.1 Giới thiệu
Quá trình xử lý sinh học kị khí là quá trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ thành
những sản phẩm cuối cùng là CH
4
và CO
2
nhờ vi sinh vật trong điều kiện không có ôxy.
Vào những năm 1970, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải
và phân, sau đó phát triển mạnh trong xử lý nước thải nhờ những ưu điểm:
¾ Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí.
¾ Thời gian lưu bùn không phụ thuộc thời gian lưu nước, kết quả là 1 lượng
sinh khối lớn được giữ
lại trong bể.
¾ Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp năng lượng như quá trình hiếu
khí).
¾ Tạo ra 1 nguồn năng lượng có thể tái sử dụng (khí sinh vật).
¾ Hệ thống xử lý đa dạng: UASB, lọc kị khí, kị khí xáo trộn hoàn toàn, kị khí
tiếp xúc……
Bên cạnh những ưu điểm trên, quá trình xử lý kị khí có 1 số hạn chế:
¾ Nhạy cảm với môi trườ

ng (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng…).
¾ Kém bề vững trong xử lý.
¾ Phát sinh mùi.
¾ Tốc độ phát triển sinh khối chậm.
Trong công nghệ kị khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng:
- Duy trí sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt.
- Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn.


Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí


25
PROTEIN
TẾ BÀO
VI SINH V
ẬT
ACID AMIN
NH
3

AXIT BÉO
M
ẠCH DÀI
H
2
, CO
2
CHẤT
BÉO

, DẦU
CARBON
HIDRAT
ĐƯỜNG
ĐƠN
ACETATE
AXIT BÉO
DỄ BAY HƠI
CO
2


,CH
4
Giai đoạn
thu
ỷ phân
Giai đoạn
acid hoá
Giai đoạn
methane hóa
Quá trình phân huỷ kị khí vật chất hữu cơ là 1 quá trình diễn biến sinh hóa phức
tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi
những enzym đặc biệt hay còn gọi là chất xúc tác. Tuy nhiên có thể biễu diễn tổng quát
quá trình phân huỷ kị khí theo phản ứng đơn giản sau:




3.1.2. Quá trình phân huỷ kị khí của hợp chất hữu cơ

Hình 3.1: Quá trình phân huỷ kị k í của các hợp chất hữu cơ

9 Giai đoạn 1: giai đoạn thuỷ phân
Nước thải ô nhiễm hữu cơ chứa nhiều polymer hữu cơ phức tạp không tan như
protein, chất béo, carbon hydrat, cellulose, lignin…Trong giai đoạn này, những polymer
Vật chất hữu cơ
phân huỷ
kị khí
CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH

3
+ H
2
S
Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí


26
hữu cơ sẽ bị bẽ gãy mạch bởi các enzym ngoại bào (extracellular enzymes) do vi sinh vật
thuỷ phân (hydeolytic bacteria) sinh ra để tạo thành những hợp chất đơn giản hơn hay dễ
hoà tan.
Ở giai đoạn này, phản ứng thuỷ phân sẽ chuyển hoá protein thành các acid amin,
carbon hidrat thành các đường đơn và chất béo thành các acid hữu cơ mạch dài. Tuy
nhiên, phản ứng thuỷ phân cenllulose và các hợp chất phức tạp khác thành các monomer
đơn giản có thể là bước giới hạn tố
c độ trong quá trình phân huỷ kị khí, khi những phản
ứng này xãy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 cũng như ở các giai đoạn sau.
Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố
môi trường như pH, nhiệt độ.
9 Giai đoạn 2: giai đoạn acid hoá
Những hợp chất đơn giản được giải phóng từ phản
ứng thuỷ phân ở giai đoạn 1 sẽ
được chuyển hoá xa hơn thành acid acetic (acetate), H
2
và CO
2
nhờ vi khuẩn acetogenic
(acetogenic bacterial). Các axit hữu cơ dễ bay hơi sinh ra như là những sản phẩm cuối
cùng của sự trao đổi chất của vi khuẩn với prôtêin, chất béo, carbon hydrat, trong đó acid
acetic, acid propionic, axit lactic là những sản phẩm chính.

Chất nền ÆCO
2
+ H
2
+ acetate ,(1) : phản ứng Acetogenic dehydrogenation
Chất nền Æ propionate + butyrate + ethanol, (2).
Sau đó, các propionate, butyrate sẽ tiếp tục được các vi khuẩn acetogenic chuyển
hoá xa hơn thành acetate.
CO
2
và H
2
cũng được giải phóng trong suốt quá trình dị hoá cacbon hyđrat. Ngoài
ra, quá trình dị hoá carbon hydrat có thể sinh ra methanol và các rượu đơn chức khác.
Một số loài vi khuẩn acetogenic còn chuyển hoá H
2
và CO
2
thành acetate.
Các sản phẩm ở giai đoạn này phụ thuộc và sự hiện diện của hệ vi sinh và các yếu
tố môi trường.
9 Giai đoạn 3: Giai đoạn methane hoá
Những sản phẩm của giai đoạn 2 cuối cùng được chuyển hoá thành khí methane và
những sản phẩm cuối khác bởi các vi khuẩn methane (methanogenic bacteria). Nhìn
chung tốc độ phát triển của vi khuẩn methane chậm hơn các loài vi khuẩn ở giai đoạn
thu
ỷ phân và acid hoá.

Vi khuẩn mêtan sử dụng acid actic, methanol hay CO
2

và H
2
để sản xuất ra CH
4
.
Trong đó axit acetic là chất nền sản sinh CH
4
quan trọng nhất, khoảng 70% CH
4
được sinh
ra từacid acetic. Lượng CH
4
còn lại được tạo ra từ CO
2
và H
2
. Một vài chất nền khác cũng
Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí


27
Tiếp xúc
k
ị khí
Công nghệ xử lý kị khí
Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng bám dính
Xáo trộn
hoàn toàn
Tầng lơ
lửn

g
Lọc kị
khí
UASB
Vách
n
găn
được sử dụng cho việc tạo khí CH
4
như acit formic, methanol…. nhưng những chất này
không quan trọng vì chúng không thường xuất hiện trong quá trình lên men kị khí.
- Phản ứng tạo CH
4
từ acetate:
CH
3
COO
-
+ H
2
O Æ CH
4
+ HCO
3
-
+ Năng lượng , (3)
:phản ứng Acetate decarboxylation
- Phản ứng tạo CH
4
từ H

2
và CO
2
:
4H
2
+ HCO
3
-
+ H
+
Æ CH
4
+ H
2
O + Năng lượng , (4)




3.1.3 Phân loại

Hình 3.2: Sơ đồ phân loại các công nghệ xử lý kị khí


Chương 3 Cơ sở lý thuyết của q trình lọc sinh học kị khí


28
3.2 Tổng quan q trình màng vi sinh vật
3.2.1 Giới thiệu:
Q trình màng vi sinh vật bám dính là một q trình xử lý nước thải bằng phương
pháp sinh học. Trong q trình màng, vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề
mặt vật liệu đệm dạng rắn và tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms). Trong q trình
hoạt độngvi sinh vật tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng,
khống chất) có trong nước thải và làm sạch nước.
3.2.2 Cấu tạo và hoạ
t động của màng vi sinh vật
3.2.2.1 Cấu tạo màng vi sinh vật

Hình 3.3: Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản
của một hệ thống màng vi sinh vật bao gồm:
1. Vật liệu đệm (đá sỏi, chất dẻo, than, xơ dừa… với nhiều loại kích thước và
hình dạng khác nhau) có bề mặt rắn làm mơi trường dính bám cho vi sinh
vật.
Biofilm
Bề mặt vật
liệu đệm
Màng nền
Chất lỏng
Màng
bề mặt
Khí
Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí


29
2. Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp
màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base
film) và lớp màng bề mặt (surface film).
Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật hiếu khí bao gồm những đám vi sinh vật và một
số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do vi
sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu
huỷ tế bào và do có sẵ

n trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các loại polymer ngoại
tế bào nay là polysaccharides, proteins.
Trong khi đó quá trình tạo màng trong điều kiện kỵ khí như sau: đầu tiên một số vi
khuẩn như methane hoá sẽ liên kết với giá thể theo cơ chế giống như phẩy khuẩn, sau quá
trình đó sẽ tạo thành một lớp vi khuẩn filamentous bám dính trên bề mặt và cuối cùng
hình thành một ma trận filamentous. Với cấu trúc lỗ xốp có khả n
ăng lưu giữ các vi sinh
kỵ khí có khả năng dính bám kém bên trong tốt hơn.
Hầu hết các mô hình toán về hệ thống màng vi sinh vật chỉ chú ý tới lớp màng nền
mà không quan tâm tới lớp màng bề mặt. Nhưng nhờ sự phát triển của các công cụ mới
nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về các cấu trúc nội tại của lớp màng
nền dần dần dược đưa ra. Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh v
ật là một cấu trúc không
đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên
trong ma trận polymer ngoại tế bào, tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào
theo chiều ngang và chiều đứng. Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ trống
theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang. Kết quả là sự phân bố
sinh khố
i trong màng vi sinh vật không đồng nhất.Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ
chất từ chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối
bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan niệm cũ. Chất lỏng có thể lưu chuyển qua
những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu và khuếch
tán đem vật chất tới cụm sinh khố
i và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theo mọi hướng
trong đó. Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận
điện tử (chất oxy hoá)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng,
và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý.

Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí


30

3.2.2.2 Hoạt động của màng

Hình 3.4: Hoạt động của màng vi sinh vật

a. Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước
Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ,
oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước
thải tiếp xúc với màng.
Quá trình tiêu thụ cơ chất nh
ư sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề
mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh vật theo cơ chất khuếch tán phân tử.
Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi
sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử
khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ
bị phân huỷ thành dạng có phân
tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ
trong màng vi sinh như trên. Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển
ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả bởi công thức
chung như sau:
Màng hiếu khí:
Chất hữu cơ + O
2
+ nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối

Màng kị khí:
Bề mặt vật
li
ệu đệm
Acid hữu cơ
H
2
S
NO
3
-

NO
2
-

O
2

NH
4
+

BOD
Lớp kị khí
Biofilm
Nước
thải
Lớp hiếu khí