Quá trình phân hủy kỵ khí đã được ứng dụng nhiều trong cuộc sống và hiện nay có thấy khá phổ biến trong các hệ thống xử lý nước thải. Vậy phân hủy kỵ khí trong nước thải bao gồm các giai đoạn nào? Chúng diễn ra chi tiết ra sao? Và gồm những nhóm vi sinh vật nào tham gia? Hãy cùng Biogency giải đáp chi tiết qua bài viết này nhé!
Các nội dung chính
1/ Tổng quan về giai đoạn chuyển hóa kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải xảy ra theo 4 giai đoạn giống như sơ đồ sau đây:
Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mặt các hợp chất cao phân tử mạch cacbon dài, mạch vòng (các hợp chất cao phân tử này khó bị phân hủy bằng phương pháp sinh học hiếu khí) thành các hợp chất mạch ngắn, hợp chất đơn giản;
Giai đoạn 2: Axit hóa các các sản phẩm ở giai đoạn 1
Giai đoạn 3: Axetat hóa các sản phẩm ở giai đoạn 2
Giai đoạn 4: Metan hóa các sản phẩm ở giai đoạn 3 thành dạng khí.
Ở giai đoạn cuối cùng, các chất ô nhiễm có trong nước dạng CxHyOzNtSh chuyển hóa thành một số khí bay ra khỏi môi trường nước như khí CH4, CO2, H2, NH3, H2S và một phần CxHyOzNtSh đi vào cơ thể vi sinh vật, một số vi sinh vật này chết hình thành bùn lắng xuống đáy của công trình xử lý. Hỗn hợp khí bay ra ngoài khỏi môi trường nước và lượng bùn chết được thu ra nên thành phần CxHyOzNtSh có trong nước thải mất đi, nước thải từ đó sẽ giảm xuống mức độ ô nhiễm ban đầu.
Các chất thải hữu cơ gồm các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, hydrat cacbon, xenlulo, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành các phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành axit amin, hydrat cacbon thành đường đơn và chất béo thành các axit béo. Trong giai đoạn axit hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành axit axetic, H2 và CO2. Các axit béo dễ bay hơi chủ yếu là axit propionic và axit lactic.
Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành qua quá trình cắt mạch hydrat cacbon. Vi sinh vật chuyển hóa metan chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, metylamin và CO. Dưới đây là sơ đồ mô tả 4 giai đoạn lên men và tỷ lệ phân hủy các chất hữu cơ phức tạp.
Các phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình này:
+ 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
+ 4 HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O
+ CH3COOH → CH4 +CO2
+ 4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
+ 4(CH3)3N + H2O → 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Tham khảo: Các yếu tố liên quan đến quá trình phân hủy kỵ khí
2/ Các quá trình chuyển hóa trong phân hủy kỵ khí
Như đã giải thích phía trên, quá trình phân hủy kỵ khí sẽ bao gồm 4 giai đoạn chính, cụ thể đó là:
+ Quá trình thủy phân (hydrolysis)
+ Quá trình axit hóa (acidogenesis)
+ Quá trình acetat hóa (acetogenesis)
+ Quá trình metan hóa (Methanogenesis)
2.1 Quá trình thủy phân (Hydrolysis)
Trong giai đoạn này các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, xenlulozo, lignin,… bị thủy phân và cắt mạch để tạo thành các phân tử đơn giản, dễ phân hủy. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino axit, hydrat cacbon thành đường đơn và chất béo thành các axit béo.
Muốn hấp thụ được các chất hữu cơ trong nước thải, vi sinh vật phải thực hiện các công đoạn chuyển hoá các chất này. Việc đầu tiên là phải thủy phân các chất có phân tử lượng cao thành các polyme có phân tử lượng thấp và monome. Khi đó các chất polyme có phân tử lượng thấp và monome này mới có khả năng được hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật.
Đế thực hiện quá trình thủy phân, các vi sinh vật này phải có hệ enzym các loại như proteinas, lipase, senlulas,… Sau thủy phân, các sản phẩm đó sẽ được tạo thành các amin axit, đường, rượu, các axít béo mạch dài,… Quá trình thủy phân theo như ghi nhận thì thường xảy ra khá chậm, nó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố thuộc về môi trường như nhiệt độ, pH, cấu trúc của các chất hữu cơ cần phân giải.
2.2 Quá trình axit hóa (Acidogenesis)
Các sản phẩm của quá trình thủy phân ở trên sẽ được tiếp tục phân giải dưới tác động của các vi sinh vật lên men axit béo dễ bay hơi như axit axetic, axit fomic, axit propionic. Ngoài ra còn có một số dạng như rượu methanol, ethanol, acetol, NH3, CO2, H2,…
2.3. Quá trình axetat hóa (Acetogenesis)
Các axit là sản phẩm của quá trình trên lại được tiếp tục thủy phân để tạo lượng axit acetic cao hơn. Sản phẩm của quá trình này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của H, trong môi trường. Áp suất riêng phần của H2, được giữ < 10-3 atm để vi sinh vật có thể dễ dàng thực hiện biến đổi H2, thành CH4, theo phản ứng sau:
4H₂+ CO₂ → CH4 + 2H₂O
Thực tế ghi nhận là khi áp suất riêng phần của H2 lớn thì sản phẩm của quá trình này chứa nhiều axit béo trung gian như axit propionic (C3), axit butyric (C4),… Do vậy làm chậm quá trình tạo metan.
2.4 Quá trình metan hoá (Methanogenesis)
Đây chính là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy các sản phẩm hữu cơ đơn giản của những giai đoạn trước để tạo thành CH4, và CO2, nhờ các vi khuẩn lên men metan. Chúng có hai nhóm sau:
– Nhóm biến đổi acetat: Nhóm này có tốc độ phát triển chậm và đây chính là nguyên nhân đòi hỏi toàn bộ quá trình xử lý kỵ khí phải có thời gian lưu các chất thải ở công trình lâu.
CH3COOH → CH4 + CO2
– Nhóm biến đổi hydro: Nhóm này thì được ghi nhận là có tốc độ phát triển nhanh hơn nhiều, do đó có khả năng giữ áp suất riêng phần của H thấp, tạo điều kiện tốt cho quá trình biến đổi axetat từ các axit béo.
CO2 + 4H2 → CH, + 2H2O
Trong giai đoạn này, khoảng 72% lượng CH4 là được chuyển hóa từ H2 và CO2, còn
lại 28% CH4 từ axit axetic.
3. Vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy kỵ khí
Có bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình phân hủy kỵ khí này gồm có:
* Nhóm 1: vi khuẩn thủy phân – Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số vi sinh vật)
Chuyển hóa protein, xenlulo, lignin, lipid → axit amin, glucozơ, axit béo, glycerol.
Quá trình có sự xúc tác của enzyme ngoại bào: senlulas, proteas, lipas.
* Nhóm 2: Vi khuẩn lên men axit – Fermentative acidogenic bacteria
Chuyển hóa đường, axit amin, axit béo → axit hữu cơ (acetic, formic, propionic, lactic, butylic, succinic), alcol và kentôn (êtanol, metanol, glycerol, aceton, acetat, H2, và CO2).
*Nhóm 3: Vi khuẩn acetic – Acetogenic bacteria
Chuyển hóa axit béo, alcol → axetat, CO2 và H2.
Đòi hỏi thế hydro thấp. Ở thế hydro cao: axetat tạo thành giảm, các chất chuyển hóa thành axit propionic, butyric, etanol → metan giảm.
Mối quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn acetic và vi khuẩn metan gồm: vi khuẩn (spp., Lactobacillus, Actonomyces, Clostridium spp., Peptococcus – anaerobius, Bifidobacterium spp., Desulfovibrio spp., Corynebacterium Staphylococcus và Escherichia coli), nấm (penicillium, Furasium, Mucor,…), Protozoa (thảo trùng, trích trùng,…)
Ghi chú: “sp” là viết tắt của “species” (loài), “spp” là viết tắt của “species pluriel” (nhiều loài).
* Nhóm 4: Vi khuẩn metan – Methanogens
Vi khuẩn (VK) metan chia thành 3 nhóm phụ:
+ VK metan hydrogenotrophic:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
+ VK metan acetotrophic:
CH3COOH → CH4 + CO2
+ Methylotrophic methanogens:
3CH3OH + 6H+ → 3CH4 + 3H2O
4(CH3)3N + 6H2O → 9CH3 + 3CO2 + 4NH3
Nhóm VK metan bao gồm cả gram âm và gram dương, tăng trưởng chậm.
Với thời gian một thế hệ: 3 ngày ở 35°C; 50 ngày ở 10°C.
_______________________
Qua bài viết này, mong rằng các bạn có thể hiểu rõ hơn về bản chất của các quá trình chuyển hóa kỵ khí trong nước thải. Để được tư vấn chi tiết hơn về các phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học hiện đại tối ưu nhất, xin hãy liên hệ ngay với Biogency theo Hotline: 0909 538 514
Chịu trách nhiệm nội dung
Phó Giám Đốc - Đồng Thị Tú Anh
