Chế tạo và vận hành thực nghiệm mô hình UASB xử lý nước thải chế biến thủy sản

Sau quá trình sản xuất lượng nước thải được thải ra với số lượng rất lớn cùng với các chất thải rắn và các chất hữu cơ rất dễ bị phân hủy thành các sản phẩm cấp thấp gây ra ô nhiễm môi t

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây khi mà khoa học ngày càng phát triển thì sức khỏe của con người cũng đang bị đe dọa bởi những căn bệnh hiểm nghèo Điều này có thể được giải thích bởi sự ô nhiễm môi trường ngày càng tăng Trong đó ngành Thủy Sản cũng là một trong những nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm của môi trường, ảnh hưởng đến đời sống của động, thực vật và con người Do đó vấn

đề người ta quan tâm là làm sao xử lý được nguồn nước thải làm giảm độ ô nhiễm cho môi trường Y thức được phần trách nhiệm của mình, ngành Thủy Sản Việt Nam đã có những giải pháp cho vấn đề này Tuy nhiên hiện nay do sự phát triển mạnh của mặt hàng thủy sản do đó xử lý nước thải vẫn chưa được quan tâm và đầu tư đúng mức

Nhằm góp phần cho quá trình nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thuỷ sản bằng phương pháp sinh hoá Tôi được khoa Chế Biến trường Đại Học Thủy

Sản giao cho đề tài: Chế tạo và vận hành thực nghiệm mô hình UASB xử lý nước thải chế biến thủy sản

Mục đích là làm quen với công việc nghiên cứu xử lý nước thải trên mô hình tại phòng thí nghiệm, sau đó áp dụng vào thực tế sản xuất Mặt khác giúp sinh viên vận dụng những kiến thức đã học để giải quyết vấn đề thực tế

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Phước Hòa và sự giúp đỡ của các thầy cô tại trung tâm CNSH

và môi trường, bộ môn hoá cơ bản của Trường Đại Học Thủy Sản đã giúp tôi hoàn thành đồ án này Do thời gian có hạn, kiến thức của bản thân tôi còn nhiều hạn chế nên báo cáo này còn nhiều thiếu sót Kính mong được sự giúp đỡ của quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp

Nha Trang, 25/11/2005 Sinh viên thực hiện

Bùi Thị Phượng

CHƯƠNG1

NHỮNG NÉT CƠ BẢN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN

1.1 Nguồn gốc và lưu lượng nước thải ở một số xí nghiệp tại Nha Trang 1.1.1 Nguồn gốc

Nước thải có nguồn gốc từ nước cấp, ở các xí nghiệp chế biến thủy sản trung bình sử dụng 70 ÷150 m3/tấn sản phẩm để sử dụng trong quá trình sản xuất chế biến thủy sản Sau quá trình sản xuất lượng nước thải được thải ra với số lượng rất lớn cùng với các chất thải rắn và các chất hữu cơ rất dễ bị phân hủy thành các sản phẩm cấp thấp gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng ảnh hưởng tới sức khỏe con người

1.1.2 Lưu lượng nước thải ở một số xí nghiệp tại Nha Trang

TT Cơ sở sản xuất Địa chỉ Mặt hàng chính Lưu lượng

(m 3 /Ng đêm)

1 Nha Trang Seafood

2 Doanh nghiệp Việt Thắng Nha Trang Tôm, cá, mực, ghẹ…

70

3 Công ty thực phẩm Anh Đào Nha Trang Tôm, cá, mực, sò 100

4 XN Dịch vụ khai thác Thuỷ

5 Công ty Sao Đại Hùng

Khu công nghiệp Suối Dầu - Nha Trang

Đồ hộp cá, gà, hoa quả

1000

6 Công ty TNHH Long Shin

Khu công nghiệp

Suối Dầu – Nha Trang

Tôm, cá, mực

500

8 Công ty Hải Vương

Khu công nghiệp

Suối Dầu – Nha Trang

Cá ngừ đại dương

500

9 Công ty Trúc An

Khu công nghiệp Suối Dầu – Nha Trang

Tôm, cá, mực

400

10 Công ty Hải Long

Khu công nghiệp Suối Dầu – Nha Trang

Cá ngừ đại dương

200

1.2 Thành phần tính chất và đặc tính của nước thải 1.2.1 Thành phần tính chất của nước thải

Nước thải là hỗn hợp phức tạp trong đó chất bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hoà tan, dạng keo và dạng hoà tan Thành phần

và tính chất của nước thải chế biến thuỷ sản phụ thuộc nhiều yếu tố như lĩnh vực sản xuất nguyên liệu tiêu thụ, quy trình công nghệ, lưu lượng đơn vị tính trên sản phẩm…

1.2.1.1 Đặc điểm vật lý

Nước thải được chia thành

- Chất không hoà tan ở dạng lơ lửng kích thước lớn hơn 10-4 mm Có thể ở dạng huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi…

- Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt 10-4 ÷ 10-6 mm

- Các tạp chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10-6mm, có thể ở dạng phân tử hoặc phân ly thành ion

Nước thải chế biến thuỷ sản có mùi hôi thối do xuất hiện khí H2S

1.2.1.2 Đặc điểm hoá học

Nước thải chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ như: Fe, Mg, Ca, Si… Nhiều chất hữu cơ sinh hoạt như phân, nước tiểu và các chất thải khác như : cát, sét, dầu, mỡ Các chất hữu cơ có thể chia thành các chất chứa nitơ và các chất chứa cacbon Các hợp chất chứa nitơ chủ yếu là: ure, protein, amin, axit amin Các hợp chất chứa cacbon như mỡ, xà phòng, hyđrocacbon

1.2.1.3 Đặc điểm sinh vật, vi sinh

Vi sinh trong nước thải chế biến thuỷ sản được chia theo hình dạng, vi sinh xử lý nước thải có thể chia thành 3 nhóm: vi khuẩn, nấm và nguyên sinh động vật

- Vi khuẩn dạng nấm ( Fungi Bacteria ) có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong quá trình phân huỷ ban đầu của chất hữu cơ trong quá trình xử lý

- Vi khuẩn dạng nấm phát triển thường kết thành lưới nối trên mặt nước gây cản trở dòng chảy và quá trình thuỷ động học

- Nguyên sinh động vật đặc trưng bằng một vài hoạt động trong quá trình sống của nó thức ăn chính của nguyên sinh động vật là vi khuẩn cho nên chúng là chất chỉ thị quá trình thể hiện hiệu quả xử lý của các quá trình xử lý sinh học nước thải

1.2.2 Đặc tính của nước thải

Giống như hầu hết các loại nước thải khác, nước thải trong chế biến thuỷ sản chứa hỗn hợp các chất gây ô nhiễm, phần lớn là các chất hữu cơ Mức độ gây

ô nhiễm phụ thuộc vào sự có măt của một số yếu tố quan trọng, nhất là phương pháp chế biến và loại thuỷ sản đươc chế biến Việc phân tích chi tiết đối với mẫu thành phẩm không có ý nghĩa ( hoặc gần như không thực hiện được) đối với quá trình xử lý nước thải Người ta có thể thực hiện các phương pháp định lượng các chất hữu cơ cũng như các thông số hoá lý cơ bản, vì đây là một thông số chính về

có tính kiềm do quá trình phân huỷ đạm và thải amoniac

+ Hàm lượng chất rắn: tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng

quan trọng của nước thải Nó bao gồm các chất rắn lơ lửng dạng keo và tan Dạng lơ lửng đáng quan tâm nhất vì nếu có nó sẽ lắng đọng trong ống dẫn nước thải, hiệu quả thải sẽ kém, nếu như lắng trong hồ chứa nước thải sẽ ảnh hưởng tới

hệ thực vật đáy và chuỗi thức ăn, nếu nổi cường đô ánh sáng qua bề mặt sẽ giảm đến hệ sinh thái

+ Nhiệt độ: Trừ nước thải của quá trình nấu và khử trùng ở các xí nghiệp

đồ hộp

+ Mùi : Nước thải từ các xí nghiệp chế biến thuỷ sản có mùi do các chất

hữu cơ phân huỷ tạo ra các loại khí như amin, diamin, NH3 Nước thaỉ tự hoại

có mùi H2S, CH4… Dấu hiệu của mùi rất quan trọng trong việc đánh giá và chấp nhận hệ thống nước thải của xí nghiệp Mùi có thể gây khó chịu và buồn nôn và khi hàm lượng lớn sẽ ảnh hưởng tới sức khoẻ của con người

+ Hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải chế biến thuỷ sản

Có nhiều cách đánh giá hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm Thông dụng nhất

là các phương pháp xác định nhu cầu oxy sinh hoá (BOD5) hoặc nhu cầu oxy hoá học (COD) nhưng cũng có thể dùng phương pháp đo cacbon hữu cơ Số liệu ước tính đầu tiên là lượng oxy cần thiết để ổn định hàm lượng chất hữu cơ trong

chất thải Hai phương pháp phổ biến nhất là xác định nhu cầu oxy sinh hoá và oxy hoá học

+ Nhu cầu oxy sinh hoá ( BOD ):

Là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải công nghiệp BOD được định nghĩa là lượng oxy mà vi sinh sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hoá chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí

Phương trình tổng quát:

Chất hữu cơ +O2→ CO2 + H2O + Tế bào mới + sản phẩm cố định Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan Vì vậy việc xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là công việc quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước BOD biểu thị lượng các chất hữu

cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật

••Những hạn chế của phép phân tích BOD:

- Yêu cầu mật độ vi sinh vật trong mẫu phân tích phải đủ lớn và các vi sinh vật bổ sung vào cần được thich nghi với môi trường

- Khi chất thải có chứa các chất độc hại cần xử lý sơ bộ trước khi phân tích, đồng thời cần chú ý giảm ảnh hưởng của các vi sinh vật Nitrat hoá

- Phép phân tích BOD không có giá trị cân bằng sau khi các chất hữu cơ hoà tan trong dung dịch đã bị sử dụng

- Chỉ đo được hàm lượng các chất hữu cơ có thể bị phân huỷ bằng con đường sinh học

- Thời gian phân tích quá dài, sau năm ngày mới có kết quả

+ Nhu cầu oxy hoá học (COD): chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị

hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải bị oxy hoá bởi chất oxy hoá và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên

COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước Lượng oxy này tượng đương với hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu nước có thể bị oxy hoá, được sử dụng khi

VSV

sử dụng tác nhân oxy hoá mạnh trong môi trường axit Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp bicromat

- Cơ chế của nó theo phương trình sau:

Các chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ CO2 + H2O + 2Cr3+

Lượng Cr2O72- dư được chuẩn độ bằng dung dịch FAS (Fe(NH4)2(SO4)2)

và sử dụng dung dịch Feroin làm chất chỉ thị Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm khi dung dịch chuyển tử màu xanh lam sang màu nâu đỏ nhạt theo phản ứng sau:

6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+→ 6Fe3+ +2Cr3+ + 7H2O

- Các chất dinh dưỡng trong nước thải chế biến thuỷ sản:

Ag 2 SO 4

T0sôi

+ Hàm lượng Nitơ:

Là nguyên tố chủ yếu cần thiết cho vi sinh vật nguyên sinh và thực vật phát triển, chúng được biết đến như là những chất dinh dưỡng hay là kích thích sinh học

Nitơ tồn tại ở các dạng: Nitơ hữu cơ (N-HC), nitơ amoniac (N-NH3), nitơ nitrit (N-NO2), nitơ nitrat (N-NO3) và nitơ tự do Vì Nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào, tổng hợp Protein, do đó số lượng về Nitơ sẽ rất cần thiết để xác định khả năng có thể xử lý một loại nước thải nào đó bằng các phương pháp sinh học, trong trường hợp không đủ Nitơ, có thể bổ sung thêm để cho chất thải đó có khả năng xử lý bằng phương pháp sinh học

Chỉ tiêu hàm lượng Nitơ trong nước cũng được xem như là chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nước vì NH3 tự do là sản phẩm phân huỷ các chất Protein Nitơ không những gây ra các vấn đề phù dưỡng môi trường sinh thái vựa nước mà chỉ tiêu N-NO3 trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45mg NO3/l cũng có thể gây ra mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ con người

+ Hàm lượng phospho

Phospho tồn tại trong nước thải ở các dạng như: Orthophosphate (PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4) hay polyphosphate và phosphate hữu cơ Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thuỷ vực Phospho là một chỉ tiêu có ý nghĩa quan trọng trong cấp nước để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ, ăn mòn và xử

lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Nitơ và phospho thường xuyên có mặt trong nước thải chế biến thuỷ sản nên không cần bổ sung thêm trong quá trình xử lý sinh học

1.3 Ảnh hưởng của các chất có trong nước thải chế biến thuỷ sản đối với môi trường

1.3.1 Ảnh hưởng của các chất hữu cơ

Các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học bao gồm các hợp chất chứa cacbon, nitơ, phospho ( cacbonhydrat, protein, chất béo…) Khi thải ra thuỷ vực làm tăng độ phù dưỡng của nguồn nước, đồng thời dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật gây mùi thối và giảm oxy hoà tan trong nước ( chỉ số BOD và COD cao ), dẫn

đến suy thoái tài nguyên thuỷ sản và giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt

Ngược lại với các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học là các chất hữu cơ bền sinh học ( khó bị phân huỷ sinh học ), chúng có độc tính cao đối với sinh vật

và con người Chúng lại có khả năng tồn tại lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật nên có khả năng tích luỹ và gây tổn hại lâu dài

Ngoài các chất thải là hợp chất hữu cơ, công nghiệp thực phẩm còn thải ra môi trường một lượng lớn vi sinh vật và nồng độ chất rắn cao

Lượng chất lơ lửng nếu không được xử lý trước khi thải ra có thể đọng ở cống thải, làm tắc hệ thống thoát nước, gây ô nhiễm môi trường

Một lượng lớn vi sinh vật từ nước thải của các cơ sở sản xuất chế biến thuỷ sản nếu không có biện pháp quản lý hiệu quả thì rất dễ gây bệnh, gây độc cho nguồn nước sử dụng và những vấn đề khác vì sự phát triển không lường trước được của vi sinh vật thải ra cùng nước thải

1.3.2 Ảnh hưởng của các chất vô cơ

Chất vô cơ trong nước thải như: NO2-, NH3, SO42-, NO3-, PO43-, các kim loại nặng Trong đó đặc biệt NO3-, PO4- là môi trường dinh dưỡng cho tảo, rong phát triển Nếu với nồng độ cao sẽ dẫn đến hiện tượng”nở hoa” trong thuỷ vực ( hiện tượng phiêu sinh thực vật tăng đột ngột nhày nhụa cho thuỷ vực) SO42- gây nhiễm mặn, nước phèn chua làm giảm năng lực nuôi trồng thuỷ sản NH3 và muối NH4+ làm hư hỏng các vật dụng bằng đồng thau và hợp kim đồng

Ngoài những chất vô cơ thông thường, Clo được xem là chất vô cơ độc, nguy hiểm, các hợp chất của Clo độc hơn 50-100 lần Việc thải Clo ra môi trường sẽ tạo điều kiện để thu nhận những hợp chất có tính độc cao hơn Clo Nó được bảo tồn trong tự nhiên và có thể biến đổi dưới các dạng khác nhau với tính năng còn mạnh hơn, nguy hiểm hơn là các chất ban đầu Theo chu trình sinh học, hóa học, nó tan vào môi trường nước, khí, đất, tương tự vào các mô động vật, hoặc thực vật và theo con đường thực phẩm đi trở lại con người và tích tụ lai trong cơ thể Khi lượng độc tố này đủ lớn sẽ tiêu diệt sự sống Vòng biến đổi sinh học chính là cơ chế nâng cao nồng độ của các chất độc nguyên sinh- hay con gọi

là tích tụ sinh học

Kim loại trong nước mặn có thể gây độc cấp tính hoặc mãn tính cho cá và các động vật khác kể cả con người Dạng ion thường gây chết cá tức thì, trong khi các hợp chất kim loại có xu hướng tác động bằng cách tích tụ trong mô cơ thể trong thời gian dài Dạng ion của kim loại nặng tạo ra sự kích thích mang cá làm

CHƯƠNG 2

TÌM HIỂU CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ

KỴ KHÍ

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình

Xử lý sinh học nước thải thực chất là lợi dụng sự sống và hoạt động của các vi sinh vật để thực hiện các dạng phân hủy khác nhau Sự phân hủy chất hữu

cơ thường kèm theo sự thoát khí dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra Nhiệm vụ của công trình kĩ thuật xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là tạo điều kiện sống và hoạt động tốt nhất cho các vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ được nhanh chóng

2.2 Quá trình sinh học trong điều kiện kị khí

Quá trình sinh học trong điều kiện kị khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải nhờ các vi khuẩn kị khí trong điều kiện không có oxy Thông thường phương pháp xử lí này được áp dụng để lên men ổn định cặn

và xử lí nước thải công nghiệp có nồng độ BOD, COD hoặc tổng cacbon cao Hiện nay người ta còn sử dụng phổ biến phương pháp này để xử lí nước thải sinh hoạt, công nghiệp hoặc hỗn hợp nước thải sinh hoạt và công nghiệp có nồng độ BOD cao Khi nồng độ BOD trong nước thải cao hơn 500mg/l nên áp dụng quy trình 2 bậc

- Sau đó nhóm vi khuẩn tạo men axit ( nhóm axit focmơ) biến đổi các chất hữu cơ đơn giản thành các axit hữu cơ, giai đoạn này gọi là lên men axit

- Cuối cùng nhóm vi khuẩn tạo men metan ( nhóm metan fomic ) chuyển hóa hyđro và các axit được tạo thành ở giai đoạn tạo men axit thành khí metan và cacbonic Vai trò quan trọng của nhóm vi khuẩn metan fomic là tiêu thụ hyđro và axit axetic Chúng tăng trưởng rất chậm và quá trình được thực hiện khi khí metan và cacbonic thoát ra

Để cho quá trình sinh học kị khí diễn biến được bình thường cần đảm bảo các điều kiện sau:

+ Trong nước thải không có oxy hòa tan

+ Hàm lượng các kim loại nặng không vượt quá mức quy định

+ Các giá trị pH trong nước thải từ 6,7 – 7,4

+ Duy trì độ kiềm khoảng 1000 -1500 mg/l làm dung dịch đệm để ngăn cản pH giảm xuống dưới 6,2

+ Nhiệt độ của nước thải từ 270C – 380C

+ Có đủ chất dinh dưỡng theo tỉ lệ COD: N: P là 350: 5: 1

2.3 Sơ lược hệ vi sinh vật trong nước thải

- Phần lớn vi sinh vật xâm nhập vào nước là từ đất, phân, nước tiểu, các nguồn thải từ bụi trong không khí rơi xuống Số lượng và chủng loại vi sinh vật trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là những chất hữu cơ hòa tan trong nước; hàm lượng N, P; các chất độc; tia tử ngoại; pH môi trường là những yếu tố quyết định đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Nước càng bẩn, càng nhiều chất hữu cơ, nếu thích nghi được thì sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật càng nhanh

- Trong nước có rất nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virut, thực khuẩn thể, nhưng chủ yếu là vi khuẩn

Nói chung trong nước, số vi sinh vật không sinh bào tử chiếm ưu thế (gần 87% ), còn trong bùn số vi sinh vật bào tử lại chiếm ưu thế ( gần 75% )

- Nước sông luôn thay đổi theo dòng chẩy Vì vậy, hệ vi sinh vật và số lượng vi sinh vật luôn thay đổi Ơ vùng gần thành phố nước sông có số lượng vi sinh vật lớn, còn ở phía xa thành phố chúng lại giảm số lượng nhanh Điều này được giải thích, vì ở nước sông ở gần thành phố được nhận một lượng nước thải

từ nước sinh hoạt của dân cư, cống rãnh đô thị, rác chứa nhiều cặn bã hữu cơ kèm theo một số lớn vi sinh vật Dòng sông càng chảy, càng bị pha loãng nên khi

xa thành phố lượng chất hữu cơ giảm dần và như thế các chất dinh dưỡng vi sinh vật ngày càng cạn kiệt Bên cạnh đó vi sinh vật còn bị tiêu diệt bởi ánh sáng mặt trời có tia tử ngoại, vi sinh vật đối kháng, nguyên sinh động vật ăn vi sinh vật, thực khuẩn thể dung giải vi sinh vật

Nước thải đặc biệt là nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng vi sinh vật trong nước thải là rất lớn ( 105- 106 tế bào/ml ) Trong số này chủ yếu là vi khuẩn chúng đóng vai trò phân hủy các chất hữu cơ, cùng với các chất khoáng khác dùng làm vật liệu xây dựng tế bào đồng thời làm sạch nước thải Ngoài ra còn

các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các bệnh đường ruột như: thương hàn, tả, lị và các vi rut, thực khuẩn thể

2.3.1 Vi khuẩn

Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, kích thước rất nhỏ từ 0,3 - 0,5 µm( chỉ nhìn thấy ở kính hiển vi phóng đại 1000 lần) Vi khuẩn có hình cầu, hình que, hình sợi xoắn Chúng đứng riêng rẽ hoặc xếp thành đôi, thành 4 tế bào hoặc hình thành khối 8 tế bào, xếp thành chuỗi hoặc thành chùm Vi khuẩn sinh sản bằng cách nhân đôi tế bào Nếu các điều kiện về chất dinh dưỡng, oxy, pH, và nhiệt độ môi trường thích hợp thì thời gian thế hệ là 15- 30 phút

Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng đầu tiên trong việc phân hủy chất hữu

cơ, nó là cơ thể sống đơn bào, có khả năng phát triển và tăng trưởng trong các bông cặn lơ lửng hoặc dính bám vào bề mặt vật cứng Vi khuẩn có khả năng sinh sản rất nhanh, khi tiếp xúc với chất dinh dưỡng có trong nước thải chúng hấp thụ nhanh thức ăn qua thành tế bào

Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có ảnh hưởng cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 20-400C Một số loài vi khuẩn trong quá trình

xử lí cặn phát triển ở nhiệt độ từ 50- 600C

2.3.2 Siêu vi khuẩn và thực khuẩn thể (virut và bacteriophage)

Siêu vi khuẩn là những sinh vật cực nhỏ( có kích thước vào khoảng 100nm), chỉ có thể nhìn thấy ở dưới kính hiển vi điện tử Chúng là tác nhân gây

20-ra nhiều bệnh hiểm nghèo cho con người, động vật và thực vật Virut không thể sống độc lập mà phải kí sinh vaò tế bào chủ và lúc đó mới thể hiện đặc tính sống của mình

Virut có phần chính ở giữa là một axit nucleic (AND hoặc ARN) thường

là ARN Phần ngoài là vỏ capsule Nếu virut lớn còn có thêm vỏ ngoài Vỏ giữ chức năng bảo vệ có cấu tạo bằng một loại protein đặc biệt Phần axit nucleic bên trong rất quan trọng, nó giữ vai trò di truyền khi vào tế bào chủ, phần này quyết định việc tổng hợp nên các phần tử axit nucleic và vỏ bọc protein mới để phục vụ cho sinh sản

Mỗi virut có một loại tế bào chủ tương ứng Virut bám vào tế bào chủ rồi xâm nhập vào nội bào, phần axit nucleic được giải phóng ra khỏi vỏ bọc Khi virut đã ở trong tế bào chất, chúng nhanh chóng vào nhân để bắt đầu sinh sản Ở đây, vi khuẩn bắt tế bào vật chủ tổng hợp ra các axit nucleic mới theo khuôn axit nucleic virut từ ngoài vào Các nguồn vật liệu như: axit amin, các nucleotic và nguồn năng lượng của tế bào vật chủ đều phải phục vụ cho nhu cầu của virut Trong nước thải thường có những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, kèm theo có cả những thực khuẩn thể tương ứng với từng loại vi khuẩn Có trường hợp các tế bào vi khuẩn chủ đã chết mà trong quá trình phân tích vi sinh vật không phát hiện được nhưng thấy có thực khuẩn thể tương ứng người ta có thể kết luận được sự có mặt của những vi khuẩn này có trong nước thải

2.3.3 Nấm (fungi)

Gồm nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có trong nước thải nhưng ít hơn vi khuẩn Những nhóm này phát triển mạnh trong vùng nước tù, chúng có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân hủy ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lí nước thải

Các giống nấm thường gặp trong nước thải là: Saprolegia và Leptomus Giống Leptomus có loài Leptomuslacteus thường gây khó khăn trong việc thải

nước Sống quanh năm ở sông ngoài, nhưng phát triển mạnh vào mùa đông Điều kiện cần thiết cho phát triển của nó là sự có mặt của các chất hữu cơ có trong

nước Nó phát triển thành khối nhày cùng với vi khuẩn Sphaerotilusnatas trong

vòng 90- 120 phút và có thể bịt kín hoàn toàn các song lưới chắn rác làm cản trở dòng chảy hoặc bịt kín các màng lọc không cho nước đi qua các phin lọc

2.3.4 Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải

Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là thải công nghiệp qua công đoạn xử lý nhiệt có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật Nước thải trong hệ thống thoát nước qua một thời gian dù rất ngắn cũng đủ cho vi sinh vật thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối ( trừ những nước thải có chất độc, ức chế hoặc diệt vi sinh vật như các loại nước thải có hàm lượng cao các kim loại năng, các chất hữu cơ và vô cơ có độc tính, ) Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có trong nước thải đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thủy sản

Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau, mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng Song nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng, chúng không thể tự tổng hợp các chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng Trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O hoặc tạo thành các loại khí khác (

CH4, H2S, N2, Indol, )

Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các hợp chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp thụ hay là keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình đồng hóa và dị hóa Quá trình dị hóa là quá trình phân giải các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng tế bào và trong tế bào để chuyển vào quá trình phân hủy nội bào ( hô hấp hay oxy hóa tiếp ) hay chuyển sang quá trình đồng hóa

Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn sau:

- Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật

- Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật

- Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật

Các giai đoạn này có mối liên quan với nhau rất chặt chẽ Kết quả là nồng

độ các chất gây nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ ô nhiễm thấp hơn vùng ở xa

2.3.5 Sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải

- Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, số lượng tế bào (sinh sản), phát triển tăng khối lượng quần thể vi sinh vật (tăng sinh khối) Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “phát triển” Sinh sản cũng là kết quả của sự phát triển

Trong nước thải và quá trình xử lý nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào Kích thước tế bào dao động xung quanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật

Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào Thời gian phân cắt này thường gọi là thời gian sinh sản hoặc thời gian thế hệ Thời gian này của vi khuẩn thường là 20 phút có khi vài ngày Chúng không thể sinh sản vô tận được

vì quá trình sinh sản phụ thuộc vào môi trường, khi chất dinh dưỡng trong môi trường cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài các trị số tối ưu thì sinh sản sẽ

bị ngừng lại trong nước thải nói chung xét quá trình sinh trưởng không phải riêng một tế bào vi sinh vật riêng biệt mà xét cả một nhóm tế bào hoặc một quần thể vi sinh vật sự sinh trưởng của một quần thể vi sinh vật trong môi trường theo quy luật đường cong sinh trưởng vi sinh vật được trình bày bởi hình sau

Quá trình sinh trưởng chia làm 5 giai đoạn:

1 Giai đoạn làm quen của pha tiềm phát (pha lag)

2 Giai đoạn sinh sản theo cách phân đôi tế bào (theo cấp số nhân ) hay pha logarit (pha số mũ- pha log)

3 Giai đoạn chậm dần (pha sinh trưởng chậm dần)

4 Giai đoạn ổn định (pha ổn định)

5 Giai đoạn suy giảm (pha suy vong hoặc pha nội sinh)

+ Giai đoạn làm quen:

Vi khuẩn vào môi trường chưa sinh sản ngay mà còn cần một thời gian làm quen với môi trường, cần cảm quan tổng hợp các enzyme thích hợp với cơ chất

X= CTc = X0 Trong đó: X: là mật độ tế bào

X0: là mật độ tế bào ở thời gian t= 0

+ Giai đoạn theo số mũ

Các tế bào vi khuẩn sản sinh theo cách phân đôi tế bào đạt đến mức

độ cao nhất theo tỷ lệ tái tạo tế bào với nồng độ cơ chất không hạn chế Tốc độ sinh trưởng tính theo % là không đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg ( thời gian thế hệ ) Ơ giai đoạn này tốc độ sinh trưởng

m

µ

693 , 0

+ Giai đoạn chậm dần:

Trong giai đoạn này cơ chất dinh dưỡng trong môi trường đã cạn kiệt gần hết cùng với sự biến mất một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn Trong một số trường hợp phát triển chậm dần là do trong môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hóa chất trong tế bào vi khuẩn X tiếp tục tăng nhưng

+ Giai đoạn suy vong hay hô hấp nội bào:

Ơ giai đoạn này các chất dinh dưỡng đã hết Mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết và tỷ lệ chết cứ tăng dần lên Tế bào vi khuẩn bị phân hủy nội sinh hoặc hô hấp nội bào và bị tự phân

2.4 Các phương pháp kị khí

2.4.1 Các quá trình phân hủy kỵ khí

Các phương pháp lên men yếm khí dựa trên sự chuyển hóa vật chất hữu

cơ trong điều kiện không có ôxy nhờ rất nhiều loài vi sinh vật yếm khí tồn tải trong nước thải

Sản phẩm của quá trình chuyển hóa vật chất trong điều kiện yếm khí như:

CH4, CO2, N2, H2S, NH3 trong đó CH4 thường chiếm nhiều nhất Ơ điều kiện lên men yếm khí chuẩn CH4 có thể đạt từ 65% - 75% tổng số khí tạo thành

Phân huỷ kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình:

1 Thuỷ phân polymer

- Thuỷ phân các protein

- Thuỷ phân polysaccharide

- Thuỷ phân chất béo

2 Lên men các amino và đường

3 Phân huỷ kỵ khí các axit béo mạch dài và rượu

4 Phân huỷ kỵ khí các axit béo dễ bay hơi ( trừ axit axetic )

6 Hình thành khí metan từ hydro và CO2

6 quá trình này thường phân chia 4 giai đoạn

Thuỷ phân: trong giai đoạn này dưới tác dụng của enzyme do vi

khuẩn tiết ra, các chất phức tạp và chất không tan như: polysaccharide, proteins, lipids chuyển hoá thành các chất đơn giản hơn hoặc chất hoà tan như: đường, các amino axit, axit béo

Quá trình này xảy ra chậm Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân huỷ của cơ chất, chất béo thuỷ phân rất chậm

Axít hoá: trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hoá các

chất hoà tan thành các chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi, alcohols, axit lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống 4

Axetic hoá: vi khuẩn axetic chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn

axit hoá thành axetate, H2, CO2 và sinh khối mới

Methan hoá: đây là giai đoạn cuối của quá trình thuỷ phân kỵ khí

Axit axetic, H2, CO2, axit formic và methanol chuyển hoá thành methane, CO2 và sinh khối mới

Trong 3 giai đoạn: thuỷ phân, axit hoá, axetic hoá, COD trong dung dịch hầu như không giảm mà COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hoá

Ngược với quá trình hiếu khí, trong xử lý nước thải bằng phân huỷ

kỵ khí, tải trọng tối đa không bị hạn chế bởi chất phản ứng như oxy Nhưng trong công nghệ xử lý kỵ khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng

- Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt

- Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn

Khi đáp ứng 2 yếu tố trên, quá trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải trọng cao, có thể tóm tắt trên sơ đồ

Sơ đồ cân bằng vật chất xảy ra trong điều kiện yếm khí

Sơ đồ này mang y nghĩa tương đối vì không phải tất cả hợp chất hữu cơ được chuyển hóa thành CH4 mà còn khá nhiều hợp chất hữu cơ tồn tại trong những sản phẩm trung gian và một phần không nhỏ được chuyển thành các loại khí khác nhau Một phần khác các chất hữu cơ không được phân hủy

2.4.2 Các thiết bị kỵ khí và quá trình xử lý kỵ khí ứng với mỗi bể

Xử lý yếm khí nước thải được chia ra những phương pháp khác nhau như sau

- Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc: người ta trộn nước thải với bùn yếm khí ở quá trình lên men yếm khí, tuần hoàn lại vào bể yếm khí

- Bể phản ứng vi sinh dính bám và tấm phẳng: các vật dính bám là những tấm mặt phẳng được đặt trong bể Dòng nước thải sẽ đi từ dưới lên hoặc đi từ trên xuống

- Bể phản ứng vi sinh dính bám vào các hạt: dòng chảy sẽ đi từ dưới lên làm xáo trộn vật dính bám cùng vi sinh vật

- Bể UASB (Upflow Anaerobic Sluged Blanket) dòng nước thải chảy từ

dưới lên làm xáo trộn lớp cặn lơ lửng

- Bể phản ứng gần giống UASB nhưng có trang bị thêm một tấm vật liệu lọc cố định

- Hồ xử lý yếm khí

- Bể kỵ khí methane

- Bể lọc kị khí dòng chảy ngược (UAF- Upflow Anaerobic Filter )

- Bể lọc kị khí dòng chảy xuôi (ADF- Downflow Anaerobic Filter)

2.4.2.1 Bể lọc yếm khí có vật liệu lọc (AF)

Các bể lọc yếm khí không phải là hệ thống lọc cơ học mà là hệ thống lọc sinh học trong điều kiện yếm khí Trong các bể lọc này người ta đặt vào đó những vật liệu được gọi là chất mang Nhơ đó mà vi sinh vật sẽ bám vào và không bị rửa trôi theo dòng chảy Phương pháp này tỏ ra có hiệu quả cao vì khi

đó vi sinh vật không lắng xuống phía đáy bể Toàn bộ vị trí vật chất hữu cơ có

trong bể được tiếp xúc với vi sinh vật nhờ đó phản ứng sinh hóa được xảy ra mạnh

Nước thải có thể được cung cấp từ trên bể xuống và cũng có thể được chuyển từ dưới ngược lên được mô tả trên hình sau

a Hệ thống nước đi từ dưới lên b Hệ thống nước đi từ trên xuống

Bể lọc yếm khí có khả năng khử 70% - 90% BOD và nó có những

ưu nhược điểm sau

+ Ưu điểm:

- Khả năng khử BOD cao

- Thời gian lưu nước ngắn

- Vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải

- Tiến hành rất đơn giản

- Chất mang thường được chế tạo từ những vật liệu có khả năng chịu

pH thấp, khả năng bám dính vi sinh vật cao và khả năng chịu nhiệt tốt Do đó giá thành của chúng thường rất cao

2.4.2.2 Bể yếm khí dòng chảy ngược (Bể UASB)

Người ta không sử dụng vật liệu bám mà sử dụng lớp cặn có chứa nhiều

vi sinh vật yếm khí tồn tại lơ lửng trong dịch, lên men nhờ hệ thống nước thải chảy từ dưới lên Bể UASB được ứng dụng nhiều trong các công trình xử lý nước thải Bể phản ứng có thể làm bằng bê tông, thép không gỉ được cách nhiệt với bên ngoài Trong bể phản ứng với dòng nước dâng lên qua nền bùn rồi tiếp tục vào bể lắng đặt cùng với bể phản ứng Khí metan được tạo ra ở giữa lớp bùn, hỗn hợp khí- lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng lơ lửng Với quy trình này, bùn tiếp xúc được nhiều với chất hữu cơ có trong nước thải và quá trình phân huỷ xảy

ra tích cực Các loại khí tạo ra trong điều kiện kỵ khí chủ yếu là CH4 và CO2 sẽ tạo ra dòng tuần hoàn

Bể UASB có những ưu, nhược điểm sau

+ Ưu điểm:

- Hiệu quả xử lý cao

- Thời gian lưu nước trong bể ngắn

- Ít có nhu cầu năng lượng khi vận hành

- Thu được CH4 phục vụ cho nhu cầu về năng lượng

+Nhược điểm:

- Khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn

- Sự kiểm soát phân định các tầng hoạt động của bùn cũng như tính chất kị khí của hệ thống

Các hạt bùn thường không ổn định và rất dễ bị phá vỡ khi có sự thay đổi môi trường đặc biệt là khi chịu tác động cơ học

2.4.2.3 Bể methan (bể khí sinh học)

Khi lên men vật chất có trong bể methan được biến đổi rất mạnh tạo ra những lớp rất rõ theo chiều cao của bể methan Khí được tạo ra do quá trình chuyển hóa nhiều giai đoạn, lớp váng tập trung ở nơi phân cách giữa pha lỏng và pha khí, nó thường ngăn cản lượng khí thoát ra từ pha lỏng sang pha khí Do đó trong vận hành bể methan cần phải làm giảm lượng váng này càng nhiều càng tốt

Khi vận hành bể methan người ta thường lấy nước trong ra liên tục và bổ sung nước thải mới vào Do đó lượng cặn tạo ra liên tục Có 2 lớp bùn cặn lơ lửng phía trên và lớp bùn cặn đã được lắng xuống đáy bể Người ta phải lấy lượng cặn lắng ở đáy bể ra theo chu kì hoặc liên tục để tăng khả năng phân hủy vật chất hữu cơ và tăng thể tích hữu ích của bể

2.4.2.4 Bể phân huỷ kỵ khí xáo trộn hoàn toàn

Bể phân huỷ kỵ khí xáo trộn hoàn toàn là bể xáo trộn liên tục, không có tuần hoàn bùn Bể này thích hợp để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hoà tan dễ phân huỷ nồng độ cao hoặc xử lý bùn hữu cơ Thiết bị xáo trộn có thể dùng hệ thống cách khuấy cơ khí hoặc tuần hoàn khí biogas Trong quá trình phân huỷ, lượng sinh khối mới sinh ra và phân bố đều trong toàn bộ thể tích bể Hàm lượng chất lơ lửng ở dòng ra phụ thuộc vào thành phần nước thải vào và yêu cầu xử lý, do bể phân huỷ kỵ khí xáo trộn hoàn toàn không có biện pháp nào lưu giữ sinh khối bùn, nên thời gian lưu sinh khối bùn chính là thời gian lưu nước Thời gian lưu bùn trong phân huỷ kỵ khí thường từ 12- 30 ngày Như vậy thể tích bể xáo trộn hoàn toàn đòi hỏi lớn hơn nhiều so với các công đoạn xử lý

kỵ khí khác

Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp và thời gian lưu nước lớn bể kị khí xáo trộn hoàn toàn có thể chịu đựng tốt trong trường hợp có độc tố hoặc khi tải trọng tăng đột ngột Tải trọng đặc trưng cho bể này là 0,5- 6,0 kg VS/m3.ngày

2.4.2.5 Bể kỵ khí tiếp xúc

Một số loại nước thải công nghiệp có NOS khá cao có thể ổn định rất hiệu quả bằng xử lý kị khí Ơ quá trình tiếp xúc kị khí chất thải chưa xử lý được khuấy trộn với bùn hoạt tính tuần hoàn và sau đó được phân huỷ trong bể đậy kín Sau khi phân huỷ hợp chất được lắng trong hoặc biến đổi và phần nước trong phía trên được xả đi như dòng ra khỏi bể, thường được xử lý tiếp theo Bùn kị khí sau khi lắng lại được quay vòng tuần hoàn mới đưa đến vì tốc độ tổng hợp của vi sinh vật kị khí rất thấp nên bùn dư được xả đi thường rất ít Quá trình này

đã được áp dụng để ổn định có hiệu quả đối với nước thải nhà máy thịt hộp hoặc nước thải chứa chất hữu cơ tan nồng độ đậm đặc

Hệ thống tiếp xúc kỵ khí xử dụng lắng trọng lực phụ thuộc nhiều vào tính chất bông bùn kỵ khí Các bọt khí biogas sinh ra trong quá trình phân huỷ kỵ khí thường bám dính vào các hạt bùn làm giảm tính lắng của bùn Vì vậy để tăng cường khả năng lắng của bông bùn trước khi lắng, hỗn hợp nước và bùn đi qua

bộ phận tách khí như thùng quạt gió, khuấy cơ khí hoặc tách khí chân không và

có thể thêm chất keo tụ đẩy nhanh quá trình tạo bông Hệ thống tiếp xúc kỵ khí

có thể hoạt động ở tải trọng hữu cơ từ 0,5- 10kgCOD/m3/ngày

2.4.2.6 Bể lọc kỵ khí bám dính xuôi dòng

Trong quá trình này nước thải chảy từ trên xuống qua lớp giá thể module Giá thể này tạo nên các dòng thể nhỏ tương đối thẳng hướng từ trên xuống Đường kính dòng chảy nhỏ có đường kính xấp xỉ 4cm Với cấu trúc này tránh được hiện tượng bịt tắc và tích luỹ chất rắn không bám dính và thích hợp cho xử

lý nước thải có hàm lượng SS cao

2 4.2.7 Bể kỵ khí tầng giá thể lơ lửng

Trong quá trình này, nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu hạt

là giá thể cho vi sinh vật sống bám Vật liệu này có đường kính nhỏ, vì vậy tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích rất lớn (cát, than hoạt hạt…) tạo sinh khối bám dính lớn Dòng ra được tuần hoàn trở lại để tạo vận tốc nước đi lên đủ lớn cho lớp vật liệu hạt ở dạng lơ lửng, giãn nở khoảng 15- 30% hoặc lớn hơn Hàm lượng sinh khối trong bể có thể lên đến 10000- 40000 mg/l Do vậy lượng sinh khối lớn và thờigian lưu nước nhỏ, quá trình này có thể ứng dụng xử lý nước thải có nồng độ

chất hữu cơ thấp như nước thải sinh hoạt 2.5 Cơ chế của quá trình lên men kị khí

Về nguyên tắc quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí gồm 2 giai đoạn chính:

+ Giai đoạn 1 ( giai đoạn thủy phân ) dưới tác dụng của men do vi sinh

vật tiết ra, các chất hữu cơ trong nứơc thải sẽ bị thủy phân cacbonhyđrat phức tạp

sẽ thành đường đơn giản, protit sẽ thành peptit thấp phân tử và axit amin, mỡ sẽ thành glyxerin và axit béo

+ Giai đoạn 2 ( giai đoạn tạo khí ) sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ

tiếp tục bị phân giải và tạo sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các khí chủ yếu là

CO2 và CH4, ngoài ra còn tạo một ít muối khoáng Tốc độ và mức độ phân hủy kị khí các chất bẩn hữu cơ tùy thuộc bản chất hóa học của chúng

Những cacbonhydrat bị phân hủy nhanh nhất và hầu hết chuyển thành

CO2 và CH4 Các hợp chất hữu cơ hòa tan cũng bị phân hủy hầu như hoàn toàn: axit béo tự do khoảng 80% - 90%, axit béo loại este khoảng 65%-68%, linhin khó bị phân giải nhất và là nguồn gốc tạo ra mùn đất

Theo Eckenfelder w.w., quá trình lên men kị khí nước thải chứa các chất hữu cơ được chia ra 3 giai đoạn:

- Giai đoạn từ từ chấm dứt lên men axit

- Giai đoạn lên men kiềm ( tạo khí metan )

Giai đoạn lên men axit

H2A → Các axit hữu cơ: CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH

Ở giai đoạn này những cacbonhydrat ( đường, tinh bột, chất xơ ) rất dễ bị phân hủy sinh hóa và thành axit béo với trọng lượng phân tử thấp như: axit axetic, butyric, propinic Một phần những chất béo – mỡ cũng phân hủy ở giai đoạn này thành axit béo Đặc trưng cho giai đoạn này là tạo thành axit, pH của môi trường giảm xuống 5 và thấp hơn nữa, có kèm theo mùi thối

Giai đoạn chấm dứt lên men axit

Các axit hữu cơ và các hợp chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo thành các hợp chất amon, amin, muối của axit cacbonic, một ít khí CO2, N2, CH4,

H2 pH của môi trường dần dần tăng lên Mùi của hỗn hợp lên men rất khó chịu

do thành phần H2S, Indol, Skatol và mercaptan Dưới tác dụng của các loại men bùn có màu đen, nhớt và tạo bọt nổi lên rồi thành màng

VK Tạo axit

Giai đoạn tạo khí metan

Các sản phẩm thủy phân của pha axit của cơ chất được lên men metan và tạo thành CO2, CH4 pH của pha này chuyển hoàn toàn sang kiềm do amin tác dụng với CO2 thành muối cacbonat, tạo cho môi trường có tính đệm rất cao, thậm chí cho thêm nhiều axit vào môi trường, nồng độ H+ vẫn không thay đổi

Các phản ứng chính tạo thành metan xảy ra

CO2 + 4 H2A → CH4 + 4A + 2H2O

Trong đó H2A là axit hữu cơ chứa hyđro

- Khi có và không có H2 xảy ra phản ứng khác sau đây:

350C) hoặc nóng ( 50- 550C ) Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo metan hầu

như không hoạt động

+ Liều lượng nạp nguyên liệu ( bùn ) và mức độ khuấy trộn: Nguyên

liệu nạp cho quá trình cần có hàm lượng chất rắn khoảng 7%-9% Tác dụng của khuấy trộn là phân bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với vi sinh vật

và giải phóng khi sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng – rắn

+ Tỉ số C/N: tỉ số C/N tối ưu cho quá trình là ( 25-30 )/l

+ PH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 – 8

Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pH thay đổi nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo

CH4 Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn thời gian lưu cần đủ

để bảo đảm hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hóa chất độc đặc biệt là kim loại nặng ( Cu, Zn, Ni, ) hàm lượng NH3 và sunfua quá

dư cùng một số hợp chất hữu cơ khác

Bảng: Một số nồng độ giới hạn cho phép của các chất độc đối với quá trình lên men CH 4

Nồng độ giới hạn cho phép mg/l

+ Các độc tố

Oxygen được coi là độc tố của quá trình này Do vậy, khi tiến hành quá trình phải tuyệt đối không có oxy

Một số hợp chất là dẫn xuất của metan như: CCl4, CHCl3, CH2Cl2, và một

số kim loại nặng( Cu, Ni, Zn,…) có nồng độ 1mg/l sẽ gây độc với vi sinh vật kỵ khí

Các chất như: HCHO, SO2, H2S với nồng độ 50- 400mg/l cũng gây độc cho vi sinh vật kỵ khí

NH4+ ở nồng độ 1,5- 2mg/l gây ức chế cho quá trình kỵ khí và S2- được coi là chất gây ức chế cho quá trình metan hoá

Các chất có tính oxy hoá mạnh như KMnO4, các halogen và các muối có oxy của nó, ozone… được coi là chất diệt khuẩn hữu hiệu hiện nay

+ Chất dinh dưỡng

Cũng như các vi sinh vật khác, các vi sinh vật tham gia phân hủy kỵ khí cũng cần có đầy đủ các chất dinh dưỡng chủ yếu Đó là các chất chứa nguồn