Xử lý sinh học yếm khí

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải.Xử lý sinh học kỵ khí là quá trình phân hủy s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BÀI BÁO CÁO

XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

GVHD: Dương Nguyên Khang

Nhóm sinh vien thực hiện: Nhóm VI – DH11SM

TP.Hồ Chí Minh 3/2014

I. MỞ ĐẦU

Ở nước ta vừa qua, Cục Chăn nuôi (Bộ Nông Nghiệp và Phát Triền Nông Thôn) vừa đưa ra con số đáng “giật mình” khi tổng khối lượng chất thải chăn nuôi từ gia súc, gia cầm thải ra môi trường hàng năm khoảng 73 triệu tấn, còn 90% khối lượng chất thải rắn trong sản xuất nông nghiệp chưa được xử lý, thải ra môi trường hàng năm nhưng vẫn chưa có phương án xử lý triệt để nguồn ô nhiễm này

Đa số được đốt bỏ thu tro làm phân bó Việc đốt bỏ này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng về sương mù quang hóa rất độc hại, đặc biệt ở vùng ven các thành phố lớn

và dọc các đường cao tốc làm giảm tầm nhìn dễ dẫn đến tai nạn giao thông, tăng đột biến

về lượng bệnh nhân các bệnh mắt, phổi sau mỗi vụ thu hoạch, lãng phí lượng chất hữu cơ

có giá trị nếu sử dụng trong các lĩnh vực khác như dùng làm giá thể trồng các loại nấm, ủ làm phân bón…

Chính vì vậy, vấn đề cấp bách hiện nay là phải tìm ra những phương pháp xử lý vừa hiệu quả vừa thân thiện với môi trường

Công nghệ xử lý chất thải nông nghiệp hiện nay sử dụng rất nhiều phương pháp như: phương pháp lý học, hóa học, sinh học Theo các nhà khoa học, phương pháp xử lý phổ biến và có hiệu quả cao nhất là phương pháp sinh học, cụ thể là xử lý bằng công nghệ sinh học yếm khí sản xuất khí sinh học

II. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1. Tổng quan về xử lý sinh học yếm khí.

1.1 Khái niệm

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải.

Xử lý sinh học kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng, xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên, từ đó làm giảm COD, BOD trong nước thải

1.2 Quy trình xử lý khí sinh học yếm khí.

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Hầu hết tất cả các dạng nước thải công nghiệp, với nồng độ chất độc hại quá cao, thì hệ thống xử lý kỵ khí đều có thể sử dụng để

xử lý Hệ thống xử lý kỵ khí còn có hiệu suất xử lý cao đối với nước thải sinh hoạt và nước thải cống rãnh

Xử lý sinh học kỵ khí chia làm 6 quá trình:

1. Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo

2. Lên men các amino acid và đường

3. Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu

4. Phân hùy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi

5. Hình thành khí methane từ acid acetic

6. Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2

 Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí:

Chất hữu cơ -> CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới

 Xảy ra theo 3 giai đoạn :

- Giai đoạn 1: Thủy phân

- Giai đoạn 3: Acetate hóa và khử hydro ;

- Giai đoạn 4: Methane hóa

Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2 Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO

Phức chất hữu cơ Acid hữu cơ

Giai đoạn methane hóa

Hình 5.1 Giai đoạn phân hủy kỵ khí.

1.3 Phân loại, cơ chế hoạt động và ứng dụng của vi sinh vật trong hệ thống xử lý sinh học yếm khí.

 Ba nhóm vi sinh vật chính tham gia vào quá trình là:

− Nhóm vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ Clostridium spp.,Hydrolitic bacteria, Thermocellem.

− Nhóm vi sinh vật tạo acid bao gồm các loài Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli

a) Nhóm vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ

Clostridium spp

b) Nhóm vi sinh vật tạo acid

Escherichia coli Peptococcus anaerobes Bifidobacterium spp

c) Nhóm vi sinh vật sinh methane

Dạng que:

Meth anobacterium (khoahoc.com Methanobacillus(totha.vn)

Dạng cầu:

Methanosarcina (kenh14.vn)

Cơ chế hoạt động của các vi sinh vật trong hệ thống xử lí chất thải yếm khí sản xuất khí sinh học:

− Một nhóm vi sinh vật thuỷ phân các hợp chất hữu cơ phức tạp: protein, xenlulô, gỗ

và mỡ thành các hợp chất hữu cơ đơn giản có trọng lượng nhẹ như : : axit amin, glucô, axít béo và glycerin Các đơn phân tử này sẵn sàng làm thức ăn cho nhóm

vi khuẩn kế tiếp Sự thủy phân các phân tử phức hợp được sự xúc tác của các enzym ngoại bào như: cellulases, proteases, và lipases Tuy nhiên giai đoạn thủy phân này tương đối chậm và có thể bị giới hạn trong quá trình phân hủy chất thải yếm khí như chất thải xenlulô thủy phân thô, có chứa chất gỗ

− Nhóm vi khuẩn tạo axít (Acidogenic) chuyển đường, axít amin, axít béo thành những axít hữu cơ (như các axít acetic, propionic, formic, lactic, butyric, succinic), rượu và các ketone (như ethanol, methanol, glycerol, acetone), acetate, CO2, và

H2 Acetate là sản phẩm chính của quá trình lên men cácbon hydrát Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại vi khuẩn cũng như điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ,

độ pH, khả năng ôxy hóa và khử ôxy) Nhóm vi sinh vật này đòi hỏi thế H2 để chuyển hóa acid béo thấp vì vậy cần giám sát nồng độ H2

− Nhóm vi khuẩn tạo metan chuyển hoá hydro và acid acetic thành khí mêtan và carbonic Nhóm vi khuẩn này thường được gọi là mêtan focmơ, chúng cớ rất nhiều trong dạ dày của động vật nhai lại Vai trò quan trọng của nhóm vi khuẩn này là tiêu thụ hydro và acid acetic , chúng tăng trưởng rất chậm và quá trình xử lý yếm khí chất thải được thực hiện khi khí mêtan và carbonic thoát ra khỏi hỗn hợp.Nhóm này được tạo thành bởi các vi khuẩn gram âm và gram dương với các hình dạng khác nhau Các vi sinh tạo mêtan sinh trưởng chậm trong nước thải, chu

kỳ sinh có thể từ 2 ngày ở 350C cho đến 50 ngày ở 100C Khoảng 2/3 mêtan được tạo ra từ sự chuyển hoá acetate của nhóm vi khuẩn này 1/3 còn lại là do sự giảm

CO2 tạo ra bởi hydro

− Ngoài ra còn có vi khuẩn tạo Aceton chuyển các axít béo (như: axít propionic và butyric) và rượu thành acetate, hydro, and CO2, những chất này sẽ được sử dụng bởi nhóm vi khuẩn tạo metan Nhóm này đòi hỏi nồng độ hydro thấp để chuyển hoá các axít béo và do đó cần phải theo dõi sát nồng độ hydro Dưới điều kiện nồng độ hydro cục bộ cao, sự tạo thành acetate giảm và chất nền sẽ chuyển thành axít propionic, butyric và ethanol thay vì metan

Nước thải sẽ được phân phối từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật và được khống chế vận tốc phù hợp (v<1m/h) Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, tại đây thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình

xử lý tiếp theo

-Ưu điểm: Không tốn nhiều

năng lượng;không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp;tạo ra lượng bùn có hoạt tính cao, giảm chi phí xử lý;loại bỏ chất hữu

cơ với lượng lớn, hiệu quả,

có thể xử lý một số chất khó phân hủy;có thể thu hồi nguồn khí sinh học sinh ra từ

hệ thống;

-Nhược điểm:Cần diện tích

và không gian lớn để xử lý chất thải;quá trình tạo bùn hạt tốn nhiều thời gian và khó kiểm soát

Lọc kỵ khí.

Vật liệu lọc: hạt Biolite có kích thước nhỏ hơn 0.5mm Cấu tạo lỗ nên diện tích riêng là khá lớn, khối lượng riêng nhỏ, chịu được va đập

Nguyên tắc hoạt động: Nước thải được bơm hướng lên qua lớp vật liệu lọc Vi sinh vật trong nước thải được cố định trên lớp vật liệu hạt Lớp vật liệu này không được đặt cố định

và có khuynh hướng giản nở khi có dòng nước đi qua

Ưu điểm :Ít bị tắt nghẽn trong quá trình làm việc Không tẩy trôi các quần thể sinh học bám trên vật liệu.Nhược điểm: giữ lưu lượng 5 – 10 m3/h để giữ cho lớp vật liệu ở trạng thái xốp – trương nở.Phải thu hồi các hạt vật liệu theo dòng nếu muốn loại

bỏ huyền phù cần phải đặt them thiết bị lắng trong tiếp theo Trong nhiều trường hợp, phải thực hiện axit hoá

Đây là loại ao hồ phổ biến trong thưc tế Nước thải có thể giảm được 90 ÷98% BOD, N chỉ giảm được 30 ÷ 40% và khoảng 30% lượng P Đây là quá trình chuyển hóa Nitrat thành N trong điều kiện không cấp thêm oxy từ ngoài vào

- Vùng nhiệt độ cao: 45 ÷ 60°C (thetmophilic).

- Vùng nhiệt độ trung bình: 20 ÷ 45°C (mesophilic)

- Vùng nhiệt độ thấp: dưới 20°C (psychrophilic)

Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm vi sinh vật sinh metan Dưới 10°C, vi sinh vật metan hầu như không hoạt động Ở nhiệt độ 45 ÷ 50°C, hiệu quả

xử lý cao hơn rất nhiều so với ở nhiệt độ thường

Ở nước ta, nhiệt độ trung bình 20 ÷ 32°C thích hợp cho nhóm vi sinh vật ở nhiệt

độ trung bình phát triển Về mùa hè với nhiệt độ cao các vi sinh vật hoạt động mạnh hơn

do đó quá trình xử lý cũng tốt hơn.Về mùa đông nhiệt độ giảm xuống thấp các VSV bị

ức chế hoạt động do đó hiệu quả xử lí thấp (78,3%) hơn nhiều so với mùa hè (92,8%).Trong hệ thống xử lý nước thải công suất lớn có thể sử dụng khí CH4 để gia nhiệt dòng nước thải đầu vào làm tăng nhiệt độ môi trường vào mùa đông làm hiệu quả xử lí

sẽ tốt hơn Trong khoảng nhiệt độ 40 ÷ 55°C hiệu quả xử lí sẽ cao hơn rất nhiều so với ở nhiệt độ thường

2.2.2.Thời gian lưu:

Thời gian lưu (HRT) tùy theo loại nước thải và điều kiện môi trường, phải đủ lâu

để cho phép các hoạt động trao đổi chất kỵ khí xảy ra

Bể phân hủy kỵ khí tăng trưởng dính bám (attached growth) có HTR 1 – 10 ngày, trong khi bể kỵ khí tăng trưởng lơ lửng đòi hỏi 10 – 60 ngày (Polprasert, 1989)

2.2.3.pH:

Trong xử lý kị khí pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động, sinh sản

và phát triển của sinh vật Đối với từng nhóm từng loài VSV có một khoảng pH tối ưu

Trong xử lí kị khí metan thì có 2 nhóm thực hiện: nhóm VSV thực hiện quá trình axit hóa làm pH môi trường giảm đi Nhóm thứ 2 thực hiện quá trình metan hóa phát triển tốt ở giá trị pH gần trung tính hoặc gần trung tính.

pH là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất quá trình xử lí nước thải Với pH = 7 hiệu suất xử lý đạt giá trị cao nhất (88,3%) Hiệu suất xử lý thấp nhất với pH = 6 (63,8%) ở pH kiềm tính VSV ít bị ảnh hưởng hơn so với pH axit

2.2.3.Cạnh tranh giữa vi khuẩn metan và vi khuẩn Sunfat:

Vi khuẩn metan và vi khuẩn khử sunfat rất cạnh tranh ở tỷ số COD/SO4 = 1,7 – 2,7 Tỷ số này tăng có lợi cho vi khuẩn metan

- Acid bay hơi

- Acid béo dài mạch

- Kim loại nặng

- Cyanide, sulfide, tannin

- Độ mặn

2.2.5.Các chất dinh dưỡng:

Để đảm bảo năng suất sinh khí của bể, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được

tỉ số C/N từ 25/1, 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ

25, 30 lần Các nguyên tố khác như P, Na, K, Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định

2.2.6.Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp:

Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:

- Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày

- Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong bể HRT

Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các axit béo do các vi khuẩn ở giai đoạn

3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane

2.2.7.Ảnh hưởng của các chất khoáng trong nguyên liệu nạp:

Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí

Các chất khoáng này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng.

Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác

Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác

3. Ưu điểm và nhược điểm của xử lý sinh học yếm khí.

 Ưu điểm

Quá trình phân hủy yếm khí dùng CO2 có sẵn như một tác nhân nhận điện tử làm nguồn ôxy của nó Quá trình này không đòi hỏi ôxy vì việc cung cấp ôxy sẽ làm tăng đáng kể chi phí xử lý nước thải

Hệ thống xử lý kỵ khí tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành

Trong trường hợp nước thải được xử lý ở nhiệt độ từ 25-35oC thì năng lượng yêu cầu trong khoảng từ 0.05-0.1 kWh/m3 nước thải (0.18-0.36 MJ/m3) (Lettinga và ctv., 1998)

Đó là năng lượng cung cấp cho máy bơm để bơm nước thải từ công trình đơn vị này đến công trình đơn vị khác hoặc để bơm tuần hoàn nước thải.Quá trình phân hủy yếm khí tạo

ra lượng bùn thấp hơn (từ 3 đến 20 lần so với quá trình hiếu khí vì năng lượng do vi

khuẩn yếm khí tạo ra tương đối thấp) dẫn đến việc giảm chi phí xử lý bùn thải Hầu hết

năng lượng rút ra từ sự phân hủy chất nền là từ sản phẩm cuối cùng đó là CH4 Lượng bùn thải trong quá trình xử lý kỵ khí phụ thuộc nồng độ phốtphát trong nước thải Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và quá trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí

Hệ thống xử lý kỵ khí là một hệ thống sản sinh ra năng lượng, đó là methan

Chất khí này có chứa 90% năng lượng, có thể dùng để đốt tại chỗ cho các lò phân hủy chất thải, hay dùng để sản xuất điện năng Khoảng 3 -5% bị thải bỏ dưới hình thức nhiệt Việc tạo ra mêtan góp phần làm giảm BOD (nhu cầu oxygen sinh hóa) trong bùn đã bị phân hủy Mức độ sinh khí methane phụ thuộc vào tốc độ phân hủy COD đầu vào

Yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử

lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật hiếu khí

Có khả năng chịu được tải trọng cao (thích hợp cho chất thải có độ ô nhiễm

cao): những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể xử lý với hiệu suất từ 85-90% COD với tải trọng hữu cơ đầu vào khoảng 30g COD/L/ngày ở 30oC và 50g COD/L/ngày ở nhiệt độ

40oC với nước thải với nồng độ chất hữu cơ trung bình Đối với những nước thải có thành

phần phức tạp khác (không tan, khó phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ

có thể giảm hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí

Có thể bảo quản trong một thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần nuôi dưỡng bằng dưỡng chất Hoạt tính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ

nhỏ hơn 15oC Do đó, có thể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm thời gian vận hành hệ thống

Có khả năng tăng công suất của hồ phản ứng

Hệ thống yếm khí có thể phân hủy sinh học các hợp chất xenobiotic như: chlorinated aliphatic hydrocarbons (ví dụ như trichloroethylene, trihalomethanes) và các hợp chất recalcitrant tự nhiên như lignin (các chất có chứa gỗ)

 Nhược điểm

Quá trình này xảy ra chậm hơn quá trình hiếu khí

Rất nhạy với chất độc

Đòi hỏi một thời gian dài để khởi đầu qúa trình này

Vì được coi là phân hủy sinh học các hợp chất qua một quá trình đồng trao đổi chất, quá trình phân hủy yếm khí đòi hỏi nồng độ chất nền ban đầu cao

III. HỆ THỐNG XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC: BIOGAS

1.Khái niệm

Biogas hay còn gọi là khí sinh học (KSH), là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ

sự phân huỷ những chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí Trong đó thành phần chủ yếu là khí mêtan (CH4)

2.Khí sinh học được sinh ra như thế nào?

Để sản xuất khí sinh học, người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị khí sinh học.Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học là những chất hữu cơ như phân động vật, các loại thực vật như bèo, cỏ, rơm rạ Nguyên liệu được nạp vào các thiết bị khí sinh học.Thiết bị giữ kín không cho không khí lọt vào nên nguyên liệu bị phân huỷ kỵ khí và tạo ra khí sinh học

 Việc nạp nguyên liệu được thực hiện theo 2 cách chủ yếu sau: