Quá trình xử lý sinh học kỵ khí tạo ra năng lượng cung cấp cho hoạt động sinh hoạt, sản xuất. Vậy cơ chế sinh năng lượng từ quá trình xử lý kỵ khí diễn ra như thế nào? Cùng BIOGENCY tìm hiểu chi tiết hơn qua bài viết sau.
Xử lý sinh học kỵ khí là gì?
Xử lý sinh học kỵ khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí. Quá trình này hình thành các chất khí trong điều kiện không có oxy, trong đó chiếm chủ yếu là khí Methane (CH4) và Carbon Dioxide (CO2).
Việc chuyển hóa các axit hữu cơ thành khí Metan sản sinh ra ít năng lượng. Quá trình xử lý sinh học kỵ khí chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố: nhiệt độ, nồng độ pH và Amoni. Trong xử lý nước thải, quá trình này thường áp dụng cho những loại hình nước thải có hàm lượng COD đầu vào cao > 1500 mg/l.
Quá trình phân hủy kỵ khí được tóm tắt theo sơ đồ dưới đây:
Tại sao xử lý sinh học kỵ khí tạo ra năng lượng?
Xử lý sinh học kỵ khí tạo ra năng lượng nhờ quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy, được thực hiện bởi các vi sinh vật kỵ khí. Quá trình này trải qua nhiều giai đoạn phức tạp, có thể gói gọn trong 4 giai đoạn chính là Thuỷ phân, Axit hoá, Axetat hoá và Methane hoá.
Một trong những sản phẩm chính của quá trình xử lý sinh học kỵ khí là khí sinh học, trong đó chủ yếu là CH4 và CO2 chiếm 50-60%, một phần nhỏ là nước, khí Hydro, Nito, Sunfua.
Chất hữu cơ -> CH4 + CO2 + H2O + NH4 + H2S
CH4 hay khí Methane là một loại khí có khả năng cháy, được tận dụng để tạo ra năng lượng, sử dụng trong các hoạt động nấu nướng thay thế cho gas, củi, than,…; sử dụng tạo nguồn điện năng chiếu sáng, nhất là các vùng sâu, vùng xa ; sử dụng với bùn ủ làm phân bón cho cây trồng; vv….
Xử lý sinh học kỵ khí tạo ra khí CH4, tận dụng loại khí này không chỉ giúp tiết kiệm điện năng mà còn hạn chế phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu. Cũng vì vậy, các công trình ứng dụng xử lý sinh học ngày nay thường sử dụng thêm men vi sinh để tăng khí Biogas.
Cơ chế sinh ra năng lượng từ quá trình xử lý sinh học kỵ khí
Cơ chế sinh ra năng lượng từ quá trình xử lý sinh học kỵ khí được chia thành 4 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1: Thuỷ 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 2: 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, …
Giai đoạn 3: Axetat hoá
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 4: Methane hoá
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.
Ứng dụng quá trình xử lý sinh học kỵ khí vào xử lý nước thải
Trong xử lý nước thải, quá trình xử lý sinh học kỵ khí được ứng dụng để loại bỏ chất thải.
Trong đó, các công trình thường thấy có thể kể đến như:
Lọc kỵ khí
Bể lọc kỵ khí là bể chứa các vi sinh vật kỵ khí cố định trên bề mặt giá thể. Giá thể bao gồm đá, sỏi, than, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, vòng sứ,… Nước thải sẽ chảy từ dưới lên trên và tiếp xúc với lớp màng vi sinh bám dính. Màng vi sinh sẽ phân huỷ các chất hữu cơ trong nước thải thành sản phẩm cuối cùng là khí CH4, CO2 và nước. 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
Bể kỵ khí tiếp xúc được ứng dụng lâu đời cho các công nghệ xử lý nước thải cần đầu tư chi phí thấp, diện tích lớn. Bể gồm 2 ngăn: ngăn phản ứng và ngăn lắng. Trong ngăn phản ứng, nước thải được khuấy trộn và tiếp xúc với bùn hoạt tính kỵ khí. Lớp bùn này sẽ phân huỷ các chất hữu cơ trong nước thải thành sản phẩm cuối cùng là khí CH4, CO2 và nước.
Bể UASB
Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là một bể kỵ khí tiếp xúc đặc biệt. Tại bể, nước thải dẫn từ dưới lên qua một lớp đệm bùn hoạt tính kỵ khí (các hạt bùn lớn và nhỏ), lớp bùn này sẽ phân huỷ chất hữu cơ trong nước thải thành sản phẩm cuối cùng là khí CH4, CO2 và nước.
Ngoài các công trình nhân tạo, quá trình xử lý sinh học kỵ khí cũng được ứng dụng trong tự nhiên như 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.
Để tăng hiệu quả của quá trình xử lý sinh học kỵ khí, người ta thường sử dụng thêm men vi sinh, điển hình như Microbe-Lift BIOGAS hay Microbe-Lift SA.
Như vậy, trên đây là những chia sẻ về quá trình xử lý sinh học kỵ khí tạo ra năng lượng, về cơ chế cũng như ứng dụng trong xử lý nước thải, mong rằng đã giúp bạn hiểu rõ hơn. 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.
>>> Xem thêm: Vi khuẩn kỵ khí là gì? Khi nào cần sử dụng vi khuẩn kỵ khí trong xử lý nước thải?
