Tìm hiểu về quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải

Quá trình sinh học kỵ khí là hình thức xử lý sinh học hoạt động dựa trên nguyên tắc chính là sử dụng vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải. Ngoài ra quá trình sinh học kỵ khí còn sở hữu những đặc điểm nào? Bài viết này hãy cùng Biohency  tìm hiểu chi tiết nhé!

Tìm hiểu về quá trình sinh học kỵ khí

Công nghệ sinh học kỵ khí là phương pháp sử dụng vi sinh vật kỵ khí để phân hủy các chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, trong điều kiện không có oxy hòa tan, thích hợp để tạo thành các sản phẩm ở thể khí (chủ yếu là CO2, CH4) trong các điều kiện như nhiệt độ và pH ở mức cao.

Chất hữu cơ -> CH4 + CO2 + H2O + NH4 + H2S

Quá trình sinh học kỵ khí là quá trình phân hủy các chất bẩn, trong đó xảy ra một loạt các phản ứng sinh hóa rất phức tạp. Với sản phẩm cuối cùng là khí sinh học, chủ yếu là khí CH4 và CO2, phần nhỏ chứa hơi nước, khí hydro, nito, sunfua. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình sinh học kỵ khí hầu hết tồn tại trong chất thải hữu cơ có tải lượng thấp, khả năng thích ứng với môi trường hạn chế và hiệu quả xử lý thấp hơn so với quá trình xử lý hiếu khí. 

Quá trình sinh học kỵ khí gồm có 4 giai đoạn

Kỵ khí thực chất là quá trình phân hủy sinh học do vi sinh vật thực hiện qua nhiều giai đoạn khác nhau mà không có sự tham gia của khí oxy. Hệ thống xử lý nước thải kỵ khí được chia thành 4 giai đoạn: thủy phân, lên men (axit hóa), axetat hóa và metan hóa.

+ Giai đoạn thủy phân

Các chất hữu cơ như protein, lipid và carbohydrate được chuyển đổi và phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản hòa tan trong nước, chẳng hạn như axit amin, axit béo và đường. Chúng có khả năng tiết ra các enzym ngoại bào như cellulase, protease, lipase làm chất xúc tác để phân hủy chất hữu cơ.

Trong khi các hợp chất glucose phân hủy nhanh chóng, các hợp chất chứa nitơ và các hợp chất hữu cơ lớn thường phân hủy chậm hơn, đặc biệt là cellulose và lignocellulose. Do đó, nếu nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước thải cao, quá trình thủy phân thường diễn ra chậm và bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, pH và nồng độ chất hữu cơ.

+ Giai đoạn axit hóa (lên men kỵ khí)

Tại bề mặt xử lý nước thải, vi khuẩn lên men hấp thụ và chuyển hóa thành các axit hữu cơ, rượu, CO2 và H2O,… Để chuyển hóa các giai đoạn này, hầu hết các sản phẩm lên men phụ thuộc vào bản chất của các chất bẩn, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường. Các vi sinh vật xử lý nước thải tham gia vào quá trình xử lý có thể kể đến bao gồm Bacillus, Clostridium, Pseudomonas, Micrococcus, …

+ Quá trình axetat hóa

Trong quá trình lên men, vi khuẩn hình thành metan chỉ sử dụng trực tiếp axit acetate, và các chất khác phải mất thời gian để phân hủy thành nhiều hợp chất đơn giản hơn. Ở giai đoạn này, các sản phẩm được tạo thành bao gồm hidro, CO2,… nhưng quá nhiều hydro sẽ cản trở và kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển của nhóm vi sinh vật axetat hóa.

Do vi sinh vật thường rất nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường nên chúng chỉ có thể tồn tại dưới áp suất hydro thấp trong bể kỵ khí. Từ đó, quá trình phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng hydro của vi sinh vật. Quá trình tiêu thụ hydro chậm lại, chúng sẽ tích tụ nhiều hơn trong bể phản ứng, làm cho áp suất riêng của nó tăng lên khiến quá trình axetat giảm hiệu suất tối đa.

+ Giai đoạn metan hóa

Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình kỵ khí và chỉ hiệu quả sau khi các chất trung gian được xử lý hoàn toàn. Đây là quá trình khí CH4 được hình thành dựa trên hoạt động của 3 nhóm vi sinh vật chính là vi sinh metan sử dụng hydro, vi sinh metan dùng axetat và vi sinh metan dùng methanol.

Cơ chế của giai đoạn này bao gồm việc vi sinh vật sử dụng hydro để khử CO2 và tạo ra khí CH4 (30%) trong giai đoạn lên men. Các vi sinh vật phổ biến bao gồm các chi Methanospirillum, methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, methanomicrobium. Mặc dù hàm lượng CH4 không cao nhưng vai trò của vi sinh vật là duy trì áp suất riêng phần của hydro trong quá trình xử lý nước thải để duy trì điểm mạnh đặc trưng của quá trình axetat.

• Vi sinh vật sử dụng axit axetic cho quá trình metan hóa: vi sinh vật chuyển axit axetat thành CH4, CO2 và giải phóng và khử CH4 bởi nhóm vi sinh vật dinh dưỡng Hydrogenotrophic.
• Vi sinh vật sử dụng methanol: Các vi sinh vật phân hủy các hợp chất metyl thành CH4. Nhưng lượng khí CH4 sinh ra trong quá trình này là không đáng kể.

Tham khảo: Các quá trình chuyển hóa trong phân hủy kỵ khí

Vậy bùn kỵ khí có đặc điểm gì?

 

Bùn vi sinh kỵ khí thường xuất hiện trong bể kỵ khí của bể tự hoại và công nghệ xử lý AAO. Bùn vi sinh kỵ khí có màu đen, người ta chia bùn vi sinh làm 2 loại là bùn kỵ khí lơ lửng và bùn kỵ khí dạng hạt .

• Bùn kỵ khí lơ lửng (hay còn gọi là bùn cám): Được khuấy trộn bằng máy khuấy hoặc máy bơm để tăng sự tiếp xúc giữa các bông cặn và vi sinh vật.
• Bùn kỵ khí dạng hạt: thường xuất hiện trong bể UASB, bùn có dạng hạt với các bông cặn lớn, lắng nhanh, khối lượng bùn này càng lớn thì lớp vi sinh vật phát triển càng mạnh.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh học kỵ khí

• Nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ lý tưởng là 5-70 độ C, được chia thành 3 khoảng quan trọng: vi sinh vật ưa lạnh (15-20 độ C), ưa ấm (30-35 độ C). ) và ưa nhiệt (45 – 70 độ C).
• Nồng độ pH: Đây là yếu tố không thể thiếu trong quá trình sinh học kỵ khí. Trong giai đoạn thủy phân-axit hóa, khoảng pH thích hợp là 5,5-6,5, và giai đoạn axetat và giai đoạn metan hóa là 6,5-8,2. Nếu trong giai đoạn metan hóa, khi giá trị pH dưới 6,5 sẽ ảnh hưởng đến quá trình xử lý, khi giá trị pH <6,2 có thể ức chế và gây độc cho vi sinh vật.
• Amoni: là sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất nitơ, chủ yếu là protein và ure. Do đó, khi hàm lượng amoni cao sẽ ức chế quần thể vi sinh vật và trở thành chất độc đối với chúng.

Tham khảo: Chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh học kỵ khí 

Ứng dụng quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải

Xử lý nhân tạo

• Lọc kỵ khí

Bể lọc chứa các vi sinh vật kỵ khí cố định trên bề mặt. Giá thể bao gồm đá, sỏi, than, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, vòng sứ,… Nước thải chảy từ dưới lên trên và tiếp xúc với lớp màng vi sinh bám dính. Thời gian lưu bùn lâu và khả năng tăng sinh khối của bể sẽ phụ thuộc rất nhiều vào lớp màng bám dính này.

• Kỵ khí tiếp xúc

Công đoạn xử lý nước thải kỵ khí tiếp xúc bao gồm bể phản ứng riêng biệt và bể lắng điều chỉnh bùn tuần hoàn. Nguồn nước thải thô sẽ được khuấy trộn, tuần hoàn và phân hủy trong bể phản ứng kín không cho khí lọt vào. Sau đó, bùn đi vào bể lắng, nước sạch đi ra ngoài và bùn lắng xuống đáy.

• Bể UASB

Bể UASB hoạt động với dòng nước thải đi vào bể và được dẫn từ dưới lên trên qua một lớp đệm bùn hoạt tính bao gồm: các hạt bùn lớn và nhỏ, giúp tăng quá trình tiếp xúc giữa nước thải, bùn và chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải.

Xử lý tự nhiên

Bằng cách sử dụng ao, hồ tĩnh có độ sâu lớn, tại đây các vi sinh vật kỵ khí có bản chất thích nghi trong điều kiện không cung cấp oxy. Các hợp chất oxy hóa như nitrat. sulfat,… sẽ oxy hóa các chất hữu cơ thành axit, rượu, khí metan, CO2,… Cuối giai đoạn, bùn sẽ lắng lại dưới đáy, phần nước sau xử lý kỵ khí được tách ra khỏi ao và tiếp tục vào công đoạn xử lý tiếp theo. 

Tham khảo: Các phương pháp xử lý nước thải

_______________________

Mong rằng qua bài viết trên có thể giúp bạn hiểu rõ hơn về quá trình sinh hóa kỵ khí, từ đó có thể ứng dụng quá trình này tại cơ sở của mình. Ngoài ra để được tư vấn chi tiết hơn về các phương pháp xử lý nước thải ứng dụng công nghệ sinh học, xin hãy liên hệ ngay với Biogency theo Hotline: 0909 538 514

Chịu trách nhiệm nội dung

Phó Giám Đốc - Đồng Thị Tú Anh