Đánh giá: lên men kỵ khí nước thải thực phẩm sữa

TÓM TẮT Xử lý nước thải thực phẩm sữa là một vấn đề môi trường lớn. Đánh giá này thảo luận về các vi sinh vật liên quan đến quá trình phân hủy kỵ khí của nước thải thực phẩm sữa, sinh hóa của quá trình, các yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy kỵ khí và nỗ lực phát triển công nghệ xác định. Quá trình phân hủy kỵ khí của nước thải thực phẩm sữa có nhiều lợi thế so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ đạt được mức độ ổn định chất thải cao với mức bùn thấp hơn nhiều. Ngoài ra, quá trình này tạo ra khí mêtan dễ sử dụng với nhu cầu dinh dưỡng thấp và không có oxy. Phân hủy kỵ khí là một loạt các phản ứng phức tạp bao gồm 2 nhóm vi sinh vật kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện: axitogens và methanogens. Nhóm vi sinh vật đầu tiên phá vỡ các hợp chất hữu cơ thành CO2 và axit béo dễ bay hơi. Một trong số các sinh vật này là acetogen, chuyển đổi axit béo chuỗi dài thành acetate, CO2 và hydro. Methanogens chuyển đổi các sản phẩm của axit thành metan. Sự mất cân bằng giữa các nhóm vi sinh vật khác nhau có thể dẫn đến không chỉ sản sinh mêtan ít hơn mà còn dẫn đến thất bại trong quá trình. Điều này là do sự tích tụ của các hợp chất trung gian, chẳng hạn như axit béo dễ bay hơi, ức chế methanogens. Các tiêu chí được sử dụng để đánh giá quá trình phân hủy kỵ khí bao gồm mức độ hydro và axit béo dễ bay hơi, tỷ lệ metan: carbon và tốc độ sản sinh khí. Một trạng thái ổn định đạt được trong bể xử lý kỵ khí khi pH, nhu cầu oxy hóa học của nước thải, chất rắn lơ lửng của nước thải và sản sinh khí hàng ngày không đổi. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả và tính ổn định của quá trình là các loại vi sinh vật, tỷ lệ C: N, thời gian lưu, thiết kế bể phản ứng, nhiệt độ, kiểm soát pH, áp suất hydro và các chất phụ gia như phân chuồng và chất hoạt động bề mặt. Khi các chất phân hủy kỵ khí ngày càng được sử dụng trong các nhà máy sữa, cần nghiên cứu nhiều hơn về việc lựa chọn các công nghệ tốt nhất để tối đa hóa sản sinh mêtan từ chất thải thực phẩm từ sữa. Từ khóa: chất thải thực phẩm từ sữa, phân hủy kỵ khí, metan, váng sữa

Đánh giá: lên men kỵ khí nước thải thực phẩm sữa

A N Hassan* and B K Nelsonf

* Khoa Khoa học Sữa, Đại học Bang Nam Dakota, Brookings 57007

Daisy Brand LLC, Garland, TX 75041

TÓM TẮT

Xử lý nước thải thực phẩm sữa là một vấn đề môi trường lớn Đánh giá này thảo luận về các vi sinh vật liên quan đến quá trình phân hủy kỵ khí của nước thải thực phẩm sữa, sinh hóa của quá trình, các yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy kỵ khí và nỗ lực phát triển công nghệ xác định Quá trình phân hủy kỵ khí của nước thải thực phẩm sữa có nhiều lợi thế so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ đạt được mức độ ổn định chất thải cao với mức bùn thấp hơn nhiều Ngoài ra, quá trình này tạo ra khí mê-tan dễ

sử dụng với nhu cầu dinh dưỡng thấp và không có oxy Phân hủy kỵ khí là một loạt các phản ứng phứctạp bao gồm 2 nhóm vi sinh vật kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện: axitogens và methanogens Nhóm vi sinh vật đầu tiên phá vỡ các hợp chất hữu cơ thành CO2 và axit béo dễ bay hơi Một trong số các sinh vật này là acetogen, chuyển đổi axit béo chuỗi dài thành acetate, CO2 và hydro Methanogens chuyển đổi các sản phẩm của axit thành metan Sự mất cân bằng giữa các nhóm vi sinh vật khác nhau có thể dẫn đến không chỉ sản sinh mêtan ít hơn mà còn dẫn đến thất bại trong quá trình Điều này là do sự tích tụ của các hợp chất trung gian, chẳng hạn như axit béo dễ bay hơi, ức chế methanogens Các tiêu chí được sử dụng để đánh giá quá trình phân hủy kỵ khí bao gồm mức độ hydro và axit béo dễ bay hơi, tỷ

lệ metan: carbon và tốc độ sản sinh khí Một trạng thái ổn định đạt được trong bể xử lý kỵ khí khi pH, nhu cầu oxy hóa học của nước thải, chất rắn lơ lửng của nước thải và sản sinh khí hàng ngày không đổi Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả và tính ổn định của quá trình là các loại vi sinh vật, tỷ lệ C: N,thời gian lưu, thiết kế bể phản ứng, nhiệt độ, kiểm soát pH, áp suất hydro và các chất phụ gia như phânchuồng và chất hoạt động bề mặt Khi các chất phân hủy kỵ khí ngày càng được sử dụng trong các nhàmáy sữa, cần nghiên cứu nhiều hơn về việc lựa chọn các công nghệ tốt nhất để tối đa hóa sản sinh mêtan từ chất thải thực phẩm từ sữa

Từ khóa: chất thải thực phẩm từ sữa, phân hủy kỵ khí, metan, váng sữa

GIỚI THIỆU

Lượng chất hữu cơ trong nước thải ngành công nghiệp sữa thay đổi đáng kể (Gough et al., 1987) Mức chất béo, đường lactose và protein nằm trong khoảng từ 35 đến 500, 250 đến 930 và 210 đến 560 mg / L, tương ứng (Lalman et al., 2004) Nước thải từ ngành sản sinh thực phẩm sữa có nhu cầu oxy hóa học (COD) cao, nhu cầu oxy sinh học (BOD) và chất rắn dễ bay hơi (Demirel et al., 2005) COD cao này chủ yếu là do đường lactose, là thành phần rắn chính trong nước thải từ thực phẩm từ sữa Nhu cầu về whey protein cô đặc và các sản phẩm cô lập đã làm giảm chất thải thực phẩm

từ các cơ sở sản xuất; tuy nhiên, đường lactose không được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm thực phẩm Do đó, đường lactose, chất rắn sữa dồi dào nhất, nói chung vẫn là một sản phẩm thải Hobman (1984) đã nhận ra vấn đề này và mô tả quá trình phân hủy kỵ khí để tạo ra khí mê-tan như là một cách

sử dụng có khả năng sinh lợi của đường lactose trong serum sữa khử protein Ông liệt kê 11 nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô thí điểm sử dụng whey phô mai hoặc serum sữa khử protein

để phân hủy kỵ khí Mặc dù lượng đường lactose bị đánh giá thấp đang tăng lên, việc chuyển đổi đường lactose thành metan bằng quy trình kỵ khí thương mại là không phổ biến.

Do khối lượng sản phẩm phụ chế biến sữa tăng (whey hoặc permeate), kích thước của các nhà máy sữa tăng và yêu cầu pháp luật nghiêm ngặt, việc tìm ra phương pháp xử lý hoặc sử dụng hiệu quả chi phí mới cho chất thải là một vấn đề quan trọng đối với ngành sữa (Mawson, 1994) Việc xả chất thải từ sữa, như whey phô mai vào đất có thể có tác động tiêu cực đến cấu trúc hóa học và vật lý của đất, làm giảm năng suất cây trồng và gây ô nhiễm nước ngầm (Ben-Hassan và Ghaly, 1994) Chất lượng không khí cũng có thể bị ảnh hưởng, theo báo cáo của Bullock et al (1995) đã phát hiện ra rằng hàm lượng CO cao đã được giải phóng khi whey thấm vào trên đất đá vôi phù sa

Xử lý hiếu khí và kỵ khí có thể là lựa chọn khả thi cho các nhà máy sữa vì chi phí đầu tư cao cho chế biến whey và các vấn đề môi trường liên quan đến thải xuống đất Phân hủy hiếu khí đã được

sử dụng để xử lý nước thải đô thị Trong quá trình lên men hiếu khí, vi sinh vật phát triển nhanh chóng

và hầu hết năng lượng được sử dụng cho sự phát triển của tế bào vi khuẩn, chứ không phải sản xuất khí sinh học (Gough et al., 1987) Chỉ khoảng một nửa các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy trong nước thải có thể được ổn định bằng quá trình tiêu hóa hiếu khí, trong khi đó có tới 90% có thể bị phân hủy trong quá trình phân hủy kỵ khí (McCarty, 1964; Demirel et al., 2005) Ngoài ra, ít hoặc không pha loãng chất thải cường độ cao là cần thiết trong quá trình kỵ khí Chất dinh dưỡng thấp hơn và không có oxy là cần thiết cho phân hủy kỵ khí Nếu khí mê-tan được sử dụng để sản xuất điện, xử lý

kỵ khí đối với chất thải đô thị dẫn đến cân bằng năng lượng dương Sự cân bằng năng lượng âm của quá trình phân hủy hiếu khí phần lớn là do mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống sục khí (Speece, 2008) Phát sinh bùn, đầu vào năng lượng và ô nhiễm không khí bằng các vật liệu có mùi được giảm mạnh với quá trình phân hủy kỵ khí (Ryhiner et al., 1993) Quá trình phân hủy kỵ khí đòi hỏi các phản ứng phức tạp, liên quan đến các nhóm vi sinh vật kỵ khí không xác định bao gồm cả vi khuẩn cổ sinh sản mêtan (Demirel et al., 2005) Chi phí thấp hơn của thiết bị xử lý kỵ khí làm cho điều này trở thành một sự thay thế hấp dẫn cho ngành công nghiệp sữa Tuy nhiên, các nguyên tắc hoạt động phức tạp hơn Tổng quan này đề cập đến nhiều chủ đề khác nhau liên quan đến quá trình phân hủy kỵ khí của nước thải thực phẩm từ sữa, bao gồm vi sinh vật, hóa sinh, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

và phát triển nuôi cấy hiệu quả

VI SINH VẬT LIÊN QUAN ĐẾN SẢN SINH METAN

Thành phần vi sinh vật của hệ thống phân hủy kỵ khí không được xác định Sản phẩm thương mại cho phân hủy kỵ khí của chất thải sữa là không có sẵn Thay vào đó, bùn từ các hệ thống xử lý chất thải thường được sử dụng để bắt đầu quá trình phân hủy mới (Chartrain et al., 1987) Mặc dù các

vi sinh vật liên quan đến quá trình phân hủy kỵ khí không được xác định đầy đủ, nhưng có ít nhất 4 nhóm vi sinh vật tham gia vào quá trình này (Chartrain et al., 1987; Lee và cộng sự, 2008) Nhóm đầu tiên là các vi khuẩn thủy phân phân hủy OM phức tạp (protein, carbohydrate và chất béo) thành các hợp chất đơn giản hơn, chẳng hạn như axit hữu cơ, rượu, CO2 và hydro Nhóm thứ hai là các vi khuẩn acetogen sản sinh hydro sử dụng axit hữu cơ và rượu để sản sinh acetate và hydro Áp suất riêng phần

H2 thấp là điều cần thiết để các phản ứng acetogen trở nên thuận lợi về mặt nhiệt động (Stams et al., 1998) Chuyển hóa trao đổi chất khác nhau tạo ra các mức độ hydro khác nhau từ một chất nền cụ thể Việc chuyển đổi 1 mol glucose thành butyrate đi kèm với việc sản sinh chỉ 2 mol H2 Chuyển đổi toàn

bộ glucose thành axit propionic và ethanol dẫn đến sản lượng hydro âm tương ứng Glucose có thể được chuyển đổi trực tiếp thành axit axetic mà không sản sinh hydro Tuy nhiên, có thể tạo ra tới 4

mol hydro từ glucose trong quá trình lên men axit axetic (Venetsaneas et al., 2009) Nhóm thứ ba là vi khuẩn đồng hợp tử chỉ tạo thành acetate từ hydro và CO2, axit hữu cơ, rượu và carbohydrate Các axit béo (FA) dài hơn 2 nguyên tử carbon, rượu với hơn 1 nguyên tử carbon và FA chuỗi nhánh và FA thơmkhông thể được sử dụng trực tiếp trong quá trình sinh methan Các phân tử lớn như vậy cần phải được oxy hóa thành acetate và H2 bởi các vi khuẩn khử proton bắt buộc trong mối quan hệ trợ dưỡng với vi khuẩn methanogen Nhóm thứ tư bao gồm methanogens tạo thành metan từ acetate, CO2 và hydro Các

vi sinh vật thủy phân, acetogen và methanogen đóng vai trò quan trọng trong sản sinh mêtan

Sản sinh mêtan tối ưu chỉ đạt được với sự tương tác của vi sinh vật (Chartrain et al., 1987) Mấtcân bằng giữa các nhóm vi sinh vật khác nhau có thể dẫn đến không chỉ sản sinh mêtan ít hơn mà còn dẫn đến thất bại trong quá trình (Lee et al., 2008) Điều này là do sự tích tụ của các hợp chất trung gian

ức chế methanogens (Lee và cộng sự, 2008) Trong một bể xử lý kỵ khí whey màng cố định, 55% các chủng được lên men, 5% acetogen và 40% methanogen (Zellner và Winter, 1987) Trong một bể xử lý

kỵ khí khác của whey ngọt, số lượng vi khuẩn thủy phân đường lactose, acetogens sản sinh hydro và methanogens lần lượt là 1010, 108 đến 1010 và 106 đến 109 (Chartrain và Zeikus, 1986a) Phân hủy sinh học của OM trong nước thải sữa phụ thuộc vào hoạt động của tất cả các nhóm vi sinh vật tham gia

Sự khác biệt chính được tìm thấy trong tốc độ tăng trưởng của các nhóm vi sinh vật khác nhau liên quan đến quá trình lên men kỵ khí Ví dụ, thời gian nhân đôi tối thiểu ở 35 ° C là 30 phút đối với

vi khuẩn tạo axit lên men đường, 6 giờ đối với methanogens phát triển trên hydro hoặc formate, 1,4 ngày đối với vi khuẩn acetogen lên men butyrate, 2,5 ngày đối với vi khuẩn acetogen lên men

propionate và 2,6 ngày đối với methanogen sử dụng acetate (Mosey và Fernandes, 1989) Hai bước chính (acidogenesis và methanogenesis) thường không cân bằng (2 tỷ lệ khác nhau) ngay cả ở tốc độ thức ăn phân hủy thấp (Yan et al., 1993) Nếu chúng vẫn cân bằng, các sản phẩm trung gian như VFA

sẽ không thể phát hiện được (Yan et al., 1993)

Các kỹ thuật phân tử đã được sử dụng để điều tra sự dịch chuyển của quần thể vi khuẩn và liên quan đến những thay đổi sinh hóa trong quá trình lên men kỵ khí Sản sinh mêtan trong bể phản ứng khuấy liên tục được cho ăn whey thấm bắt đầu từ 4,7 ngày lên men khi quần thể vi sinh vật chuyển sang Archaea, với sự suy giảm axitogen (Lee et al., 2008) Sự khử khí metan dừng lại ở 18,9 ngày khi acetate được tiêu thụ hoàn toàn và bắt đầu lại vào 29,9 ngày khi acetate được sản sinh từ propionate (Lee et al., 2008) Sự phát triển của vi khuẩn tiếp tục trong giai đoạn methanogen (Lee et al., 2008) Thời gian lưu (HRT) có ảnh hưởng đáng kể đến số lượng và sự đa dạng của quần thể vi sinh vật Quầnthể thủy phân đường lactose không bị ảnh hưởng bởi HRT trong khoảng từ 25 đến 100 giờ (Chartrain

et al., 1987) Tuy nhiên, các sinh vật phân hủy acetate giảm xuống mức không đáng kể ở HRT dưới 12 giờ (Chartrain et al., 1987) Nhiệt độ lên men và pH là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến thành phần loài và sự thống trị của các nhóm vi khuẩn trong quá trình lên men kỵ khí (Brummeler et al., 1985; Tzeng, 1985) Ái lực cao của vi sinh vật bám vào bề mặt ngăn cản quá trình rửa trôi của chúng,

có thể ảnh hưởng đến thành phần vi sinh vật và quá trình lên men ở bể phản ứng sinh học sử dụng công nghệ tế bào bất động (Yang và Guo, 1990)

Vi khuẩn lên men phổ biến bao gồm Lactobacillus, Eubacterium, Clostridium, Escherichia coli,Fusobac- terium, Bacteroides, Leuconostoc, và Klebsiella Ví dụ về acetogens là Acetobacterium, Clostridium, và Desulfovibrio

Theo Boone và Castenholz (2001), các sinh vật sản sinh mêtan được phân loại theo miền Archaea, phylum AII, Euryarchaeota Archaea là một nhóm prokaryote khác với vi khuẩn Một số Archaea có thể tồn tại trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt, chẳng hạn như quá mẫn hoặc nhiệt độ cao

(lên đến 110 ° C) Thành tế bào của chúng thiếu peptidoglycan chứa axit muramic và trình tự

nucleotide của 5S, 16S và 23S rRNA khác với vi khuẩn Các vết gram của Archaea thay đổi do sự khác biệt lớn trong thành phần của lớp vỏ tế bào trong cùng một nhóm Methanogens có dạng hình que, hình lưỡi liềm hoặc coccoids Chúng làm giảm CO2 hoặc đôi khi các hợp chất methyl và tạo ra metan là sản phẩm chính, trong khi hydro, formate hoặc rượu thứ cấp đóng vai trò là các chất cấp electron Có 5 bộ methanogens: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicro- biales,

Methanosarcinales, và Methanopyrales và 9 họ: Methanobacteriaceae, Methanothermaceae,

Methanococcaceae, Methanocaldococcaceae, Methano- microbiaceae, Methanocorpusculaceae, Methanospiril- laceae, Methanosarcinaceae, và Methanosaetaceae Các đặc điểm của họ Archaea đượcthể hiện trong Bảng 1 và 2 Các sinh vật có nhiệt độ tăng trưởng tối ưu cao hơn 60 ° C không được đưavào các bảng do tính không thực tế của chúng Khi nhiệt độ của các sản phẩm chất thải từ sữa phổ biến, như whey và thấm, dưới 60 ° C, nhiệt độ lên men kỵ khí cao hơn sẽ cần nhiều năng lượng hơn đểlàm ấm Lên men ở nhiệt độ cao như vậy sẽ tốn kém và cần thiết kế thiết bị đặc biệt

HÓA SINH CỦA PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT THẢI SẢN PHÂM SỮA

Phân hủy kỵ khí của chất béo

Chất béo sữa chiếm 4 đến 22% DM nước thải từ các nhà máy sữa (Sage et al., 2008) Nó bao gồm chủ yếu là hỗn hợp triglyceride (hơn 97%) Ngoài triglyceride, lipit sữa còn chứa một số hợp chất

bổ sung như mono- và diglyceride, FFA, phospholipids và vitamin (E, D, A và K) Khoảng 60% FA trong sữa đã bão hòa, với oleic và linoleic đại diện cho hầu hết FA không bão hòa Oleate và palmitate

là FA phổ biến nhất trong nước thải thực phẩm từ sữa (Hanaki et al., 1981; Lalman et al., 2004) Sự chuyển hóa chất béo sữa trong quá trình phân hủy kỵ khí được thể hiện trong Hình 1 Chất béo sữa được thủy phân đầu tiên bởi lipase từ vi khuẩn gây axit, như clostridia và micrococci (Miyamoto, 1997), thành glycerol và FFA chuỗi dài Bên trong tế bào vi khuẩn, acidogenesis chuyển đổi glycerol thành acetate Acetyl-CoA và FA đã được rút ngắn 2 carbons được tạo ra bởi quá trình oxy hóa P của FFA bão hòa Chu kỳ này lặp lại cho đến khi tất cả FFA đã được khử hoàn toàn thành acetyl-CoA hoặcthành acetyl-CoA và 1 mol propionyl-CoA / mol FA (trong FA với số lượng nguyên tử carbon lẻ) Propionate sau đó được khử carboxyl thành acetate, CO2 và H2 Do đó, sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa P của FA là acetate, H2 và CO2 Ví dụ về vi khuẩn chịu trách nhiệm oxy hóa P là

Syntrophomonas wolfei và Sytro- phobacter wolinii (Miyamoto, 1997)

Sản lượng của metan được sản sinh từ lipid cao hơn nhiều so với từ carbohydrate hoặc protein Tuy nhiên, lipid có thể can thiệp về mặt vật lý và hóa học đối với quá trình phân hủy hiếu khí (Kim et al., 2004; Cirne et al., 2007; Sage et al., 2008) Do tính kỵ nước cao, chất béo sữa sẽ hấp thụ vào sinh khối, cản trở sự ổn định sinh học và hạn chế xâm nhập vào các chất nền khác Sự hấp phụ của chất béogây ra sự nổi của khối vi sinh vật và rửa trôi, đặc biệt là với các hệ thống bể phản ứng kỵ khí tốc độ cao, chẳng hạn như Công nghệ chăn bùn kỵ khí ngược dòng, hoặc bể phản ứng bùn hạt mở rộng (Cammarota et al., 2001) Cirne và cộng sự (2007) và Vidal et al (2000) báo cáo rằng mức chất béo lên tới 18 và 16% (trọng lượng / trọng lượng, theo COD), không ảnh hưởng đến tốc độ sản sinh mêtan

FA tự do do thủy phân chất béo có thể ức chế vi khuẩn sản sinh hydrogen chịu trách nhiệm oxyhóa P, vi khuẩn acetoclastic (chuyển acetate thành metan) và methanogens hydrotrophic (sản sinh metan từ hydro; Hanaki et al., 1981; Kim et al., 1981 2004) Sự ức chế này dẫn đến một giai đoạn trễ trong vài ngày, làm giảm tốc độ sản sinh mêtan (Lalman và Bagley, 2000; Sage et al., 2008) Sự ức chế

vi khuẩn kỵ khí bằng FA phụ thuộc vào nồng độ, chiều dài chuỗi và mức độ không bão hòa (Lalman

và Bagley, 2000; Kim et al., 2004) Sage và cộng sự (2008) cho thấy giai đoạn trễ chủ yếu là do FFA chưa bão hòa Perle et al (1995) báo cáo rằng chất béo sữa tạo ra kết quả tương tự như oleate cộng vớiglycerol trong việc giảm sản sinh khí sinh học và hàm lượng ATP Điều này cho thấy sự ức chế sinh hóa của việc sản sinh mêtan bằng FA không bão hòa Dữ liệu của Pereira và cộng sự (2005) ủng hộ giả thuyết rằng tác dụng ức chế của FA chưa bão hòa trong sản sinh mêtan chủ yếu là do sự hấp phụ của chúng vào sinh khối, ngăn cản sự chuyển chất và sản phẩm Các methanogens bị ức chế đã phục hồi hoạt động của chúng sau khi FA chuỗi dài liên quan đến sinh khối được chuyển đổi thành metan (Cavaleiro et al., 2008) Pereira và cộng sự (2004) chỉ ra rằng nồng độ FA chuỗi dài dưới 1.000 mg / gchất rắn dễ bay hơi sẽ không ức chế sản sinh mêtan Sự hội tụ SFA thành metan xảy ra với tốc độ thấp hơn FA không bão hòa do độ hòa tan thấp hơn (Sage et -

Bảng 1 Đặc điểm1 của họ Methanobacteriaceae, Methanomicrobiaceae, và Methanocorpusculaceae

4Muối củng cố tăng trưởng

5Muối có thể cần hoặc không cần cho tăng trưởng, phụ thuộc vào sinh vật

6Họ không xác định nhưng có liên quan gần với Methanocorpusculaceae

Bảng 2 Đặc điểm1 của họ Methanospirillaceae, Methanosarcinaceae, và Methanosaetaceae

Họ Methanospirillaceae

Độ dày tế bào (^m)

2 Một, một vài hoặc toàn bộ sinh vật

3 R-S = methyl sulfide hoặc dimethyl sulfide

4R-NH = methyl-, dimethyl-, hoặc trimethylamine

5Muối củng cố tăng trưởng

- al., 2008) Quá trình tiền thủy phân chất béo bằng lipase dẫn đến sự tích lũy của FFA không bão hòa, làm tăng giai đoạn trễ trước khi sản sinh mêtan (Cirne et al., 2007; Sage et al., 2008) Tuy nhiên, Rosa et al (2009) đã phát hiện ra rằng quá trình thủy phân chất béo sữa bằng lipase nấm đã cải thiện hiệu quả loại bỏ COD Họ liên quan đến hiệu ứng tiền xử lý này với những thay đổi ở vi khuẩn chiếm ưu thế và Archaea Cirne và cộng sự (2006), sử dụng chủng lipolytic phân hủy sinh học

Clostridium lundense trong chất thải giàu lipid, đã chứng minh tăng năng suất và tỷ lệ sản sinh mêtan

do tăng khả dụng sinh học của chất nền Ngoài ra, chủng lipolytic tăng cường ß -oxi hóa, giải phóng hydro, do đó kích thích methanogens hydrotrophic

Hình 1 Quá trình phân hủy kỵ khí của chất béo sữa (phỏng theo Sage và cộng sự, 2008, J Dairy Sci 91: 4062-4074, với sự cho phép của nhà xuất bản) LCFA = FA chuỗi dài

Phân hủy kỵ khí của Lactose

Lactose được chuyển đổi thành một số chất trung gian khác nhau trước khi chuyển đổi cuối cùng thành metan (Hình 2) Hầu hết các vi khuẩn kỵ khí sử dụng chuyển hóa Emden Meyerhof-Parnas

để chuyển hóa đường lactose Chuyển hóa này tạo ra pyruvate và giảm NAD (NADH), được chuyển

hóa thành lactate, acetate, ethanol và các chất chuyển hóa khác Chartrain và Zeikus (1986a) đã phát hiện ra rằng các chất chuyển hóa trung gian chính của quá trình tiêu hóa đường lactose kỵ khí là acetate, lactate, ethanol và formate, với mức độ propionate và valat thấp hơn Acetate chiếm hơn 70% các chất chuyển hóa trung gian được sản sinh từ đường lactose (Chartrain và Zeikus, 1986a) Các sản phẩm cuối cùng bao gồm metan, CO2 và carbon tế bào theo tỷ lệ 1: 0,94: 0,25 (Chartrain và Zeikus, 1986a) Ngoài ra, các sản phẩm cuối cùng bao gồm acetate, lactate, propionate, butyrate, ethanol và H2 (Chartrain và Zeikus, 1986a)

Các vi khuẩn phân hủy Lactose được phân lập từ whey phân hủy kỵ khí bao gồm Leuconostoc mesenteroides, Klebsiella oxytoca và Clostridium butyricum (Chartrain và Zeikus, 1986b)

Leuconostoc lên men đường lactose thành glucose, acetate và ethanol Clostridium lên men đường lactose thành butyrate, acetate, ethanol, hydro và CO2 Klebsiella lên men đường lactose thành acetate,ethanol, lactate, hydro và acetoin (Chartrain và Zeikus, 1986b) Desulfovibrio Vulgaris là một loại vi khuẩn acetogen sản sinh hydro phổ biến sử dụng lactate, ethanol và hydro (Chartrain et al., 1987) Với

sự hiện diện của sulfate, nó lên men lactate thành acetate, H2S và một lượng nhỏ ethanol với một lượng hydro (Chartrain et al., 1987) Desulfovibrio Vul-garis cũng sản sinh acetate, H2S và theo dõi lượng hydro từ ethanol Clostridium propionicum là một acetogen lên men sữa mẹ thành acetate, propionate, hydro và CO2 Sự tích tụ của các sản phẩm trung gian từ quá trình lên men đường lactose dẫn đến sự ức chế các vi sinh vật với việc sản sinh mêtan thấp hơn (Aguilar et al., 1995) Trong quá trình khởi động, nếu giá trị pH dưới 4,5, quá trình lên men của đường lactose sẽ tạo ra CO2 hoặc hydro Sự hiện diện của CO2 trong giai đoạn đầu của quá trình lên men làm giảm VFA có sẵn cho sản sinh mêtan Thông thường, khoảng 70% khí mêtan được sản sinh từ axit axetic và 30% từ CO2 và hydro (McCarty và Smith, 1986)

Hình 2 Các Chuyển hóa có thể xảy ra đối với quá trình chuyển đổi kỵ khí của đường lactose thành metan Ví dụ về các vi sinh vật liên quan đến các phản ứng trên như sau: phản ứng 1: Leuconostoc mesenteroides, Escherichia coli; phản ứng 2: L mesenteroides, E coli; phản ứng 3: Clostridium butyricum; phản ứng 4: L mesenteroides, C butyricum, Eubacterium spp.; phản ứng 5: Streptococcus thermophilus, Lactococcus lactis, Lactobacillus delbrueckii ssp bulgaricus; phản ứng 6: Clostridium pro- pionicum; phản ứng 7: Strep thermophilus, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia

succiniciproducens, E coli; phản ứng 8: Methanomicrobium, Methanobrevibacter, Methanocalculus; phản ứng 9: Desulfovibrio spp., Clostridium tyrobutyricum; phản ứng 10: Syntrophomonas wolfei; phản ứng 11: Clostridium formicoaceticum, Acetobacterium woodii, Desulfovibrio spp.; phản ứng 12:

Methanosarcina, Methanosaeta; phản ứng 13: Syntrophobacter wolinii; phản ứng 14:

Methanomicrobium, Methanoculleus, Methanofollis; phản ứng 15: Methanosarcina, Methanosaeta

Phân hủy kỵ khí của protein

Quá trình thủy phân protein, phụ thuộc chủ yếu vào sự tích lũy của các vi sinh vật, chậm hơn

so với carbohydrate (Yu và Fang, 2001) Sự thăng hoa của vi sinh vật trong bùn thành casein làm tăng đáng kể sự phân giải protein (Perle et al., 1995) Bằng cách so sánh nguyên liệu thức ăn whey ngọt vớiđường lactose, Kisaalita et al (1990) đã chứng minh rằng sự hiện diện của protein whey, mặc dù làm chậm quá trình lên men, tạo ra các sản phẩm phụ tương tự trong giai đoạn xử lý axit Các bước liên quan đến việc chuyển đổi protein thành metan được thể hiện trong Hình 3 Protein được thủy phân bởi các protease ngoại bào thành peptide Peptide bị phá vỡ bởi peptidase thành axit amin Các axit amin

bị phân hủy theo các chuyển hóa khác nhau đến các sản phẩm cuối cùng khác nhau, bao gồm axit hữu

cơ, amoniac, CO2 và một lượng nhỏ các hợp chất chứa hydro và lưu huỳnh Trong quá trình oxy hóa một axit amin, chất nhận electron có thể là một axit amin khác (phản ứng Stickland) hoặc vi khuẩn tiêu thụ hydro (methanogens; Ramsay và Pullammanap-pallil, 2001) Các axit amin đơn có thể được lên men với sự hiện diện của vi khuẩn sử dụng hydro (như methanogens) Nagase và Matsuo (1982) phát hiện ra rằng phản ứng Stickland là phản ứng oxy hóa axit amin phổ biến nhất trong quá trình phân hủy kỵ khí; tuy nhiên, Ramsay và Pullammanappallil (2001) đã báo cáo rằng 60% axit amin (từ casein) liên quan đến sự phân hủy axit amin (axit amin không đóng vai trò là chất nhận electron )

Hình 3 Phân hủy kỵ khí của protein sữa

Các vi khuẩn phân giải protein chiếm ưu thế trong các bể phân hủy kỵ khí là gram dương (chủ yếu là Clostridium spp.; McInerney, 1988) Các vi khuẩn phân giải protein khác bao gồm Bacteroides, Butyrivibrio, Fusobacterium, Selenomonas (Miyamoto, 1997) và vi khuẩn axit lactic Ngoài

Clostridium spp., Các vi sinh vật phân giải axit amin khác bao gồm Peptostreptococcus,

Campylobacter spp., Acidaminococcus fermentans, Acidaminobacter hydrooformans, Megasphaera elsdenii, Eubacterium acid Pullammanappallil, 2001) Mặc dù nồng độ lên tới 200 mg / L của am-monia có thể kích thích vi khuẩn methanogen, nhưng mức độ cao hơn của dạng kết hợp của nó có thể gây độc (Anderson et al., 1982; Parkin et al., 1983; Koster và Lettinga, 1988)

YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG SẢN SINH MÊTAN TỪ CHẤT THẢI SẢN PHẨM SỮA

Thiết kế bể phản ứng

Quá trình phân hủy kỵ khí của OM là một quá trình chậm đòi hỏi HRT dài Về mặt kinh tế, HRT ngắn sẽ là mục tiêu tốt (Mawson, 1994) Các hệ thống phân hủy kỵ khí khác nhau được tóm tắt trong Bảng 3 Dữ liệu có sẵn từ các hoạt động quy mô lớn rất ít Nói chung, có thể đạt được tốc độ tải lên tới 10 kg COD / m3 mỗi ngày với mức giảm hơn 75% với sản lượng khí lên tới 38 m3 chứa

khoảng 60% khí mêtan (Clark, 1988; Kemp và Quickenden, 1988; Mawson, 1994 ) Một trong những thiết kế đơn giản nhất là bể phản ứng khuấy liên tục, nhưng một thách thức là mất tế bào trong nước thải Duy trì tế bào có thể đạt được bằng cách tái sử dụng bên trong hoặc bên ngoài sinh khối hoặc cố định tế bào (Mawson, 1994) Ví dụ về các hệ thống phân hủy tốc độ cao là các bể phản ứng lai dòng ngược xuôi (DUHR), bể phản ứng kỵ khí màng sinh học di chuyển (AMBBR), bể phản ứng chặn bùn

kỵ khí ngược dòng (UASBR), bể sinh học cố định cell, bể kỵ khí cố định phim mở rộng, bể phản ứng xuôi dòng cố định phim, bể phản ứng ngược dòng vòng lặp cố định phim và bể phản ứng tiếp xúc sinh học quay kỵ khí (ARBCR)

Bể phản ứng chăn bùn kỵ khí ngược dòng UASBR là cấu hình phổ biến và phù hợp nhất để

xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm do khả năng xử lý khối lượng lớn trong một khoảng thời gian tương đối ngắn (Demirel et al., 2005) Trong thiết kế này, nước thải chảy ngược lên trên qua một lớp bùn hạt Các tế bào được giữ lại trong bể phản ứng vì một phần bùn kết tụ dày đặc lắng trong bể Yan

et al (1993), sử dụng UASBR mà không kiểm soát pH, đạt được độ pH cao hơn, VFA thấp hơn và giảm COD cao hơn ở phần methanogen trên so với phần tạo axit thấp hơn của bể phản ứng từ whey pha loãng được điều chỉnh thành pH 7.0 Tăng tốc độ tải chất nền sẽ mở rộng phản ứng sinh axit vào phần trên và gây ra sự thất bại trong quá trình Yan et al (1993) đã quan sát nồng độ ảnh hưởng tối ưu cho một USABR trong khoảng từ 5 đến 28 g COD / L với 5-d HRT

Bể phản ứng kỵ khí vách ngăn là một sửa đổi của UASBR, hoạt động mà không tạo hạt bùn nhiều do các ngăn giữa các vách ngăn Skiadas và Lyberatos (1998) đã phát triển bể phản ứng kỵ khí vách ngăn định kỳ, cho phép linh hoạt hoạt động để phù hợp với điều kiện tải Một bể phản ứng kỵ khívách ngăn định kỳ có thể được vận hành như một bể phản ứng kỵ khí hoặc UASBR ở HRT cao hoặc thấp, tương ứng

Bể phản ứng lai dòng ngược xuôi Khả năng phân hủy sinh học cao của whey (khoảng 70 g

COD / L), độ kiềm thấp và khó thu được hạt khiến UASBR khó sử dụng DUHR được phát triển đặc biệt cho whey phô mai (Malaspina et al., 1996) Hệ thống hỗn hợp này bao gồm một buồng axit hóa làmột bể phản ứng lọc polyurethane cố định, dòng chảy cố định mở ra ở phía dưới một buồng dòng chảyvới một bộ lọc tương tự ở 40% phía trên của buồng Tỷ lệ thể tích của buồng axit hóa và methanogen

là 1: 5 Thiết kế của phần này đã làm giảm sự đi qua của các axitogen vào buồng dòng chảy và làm cho việc sử dụng whey cô đặc hơn có thể Tuần hoàn từ đầu buồng thứ hai cung cấp độ kiềm và làm loãng ảnh hưởng Trong thiết kế này, các pha được tách ra và chất ảnh hưởng được đưa vào ở đầu bể phản ứng dòng chảy nơi có hoạt động trộn và vi khuẩn cao Thiết kế này giúp giảm nguy cơ giảm pH nếu bơm tuần hoàn bị lỗi DHUR cho phép độ ổn định cao ở tốc độ tải hữu cơ cao mà không cần kiểm soát pH Nó duy trì độ pH ở khoảng 6,5 đến 6,7 ở phần dòng chảy và 7,5 trong buồng dòng chảy nơi khí metan được sản xuất

Bể phản ứng kỵ khí màng sinh học di chuyển Bể phản ứng này được phát triển để giữ lại

sinh khối để giảm COD tốt hơn Các hạt mang biofilm cung cấp diện tích bề mặt lớn cho màng sinh học hình thành Sự hình thành màng sinh học trên các hạt mang lại sự ổn định bằng cách ngăn chặn sự

mất tế bào trong nước thải Bởi vì các hạt mang nhỏ không được gắn vào bể phản ứng, chúng có thể dichuyển khi chất thải được trộn lẫn Wang và cộng sự (2009) đã sử dụng máy bơm chìm để di chuyển chất thải trong bể phản ứng Khả năng trộn tốt bên trong tránh axit hóa quá mức liên quan đến nước thải sữa nguyên chất không pha loãng (Wang et al., 2009) Trong AMBBR, tải trọng thể tích cao có thểđược áp dụng và khả năng chịu tải mạnh đã đạt được (Wang et al., 2009).

Bể sinh học cố định cell Bể phản ứng sinh học này sử dụng các hạt lớn, chẳng hạn như

Intalox gốm 6,35 mm, để cố định cell Những hạt này không di chuyển với chất lỏng, như với

AMBBR Tuần hoàn bên ngoài cung cấp trộn hoàn chỉnh Hệ thống được vận hành thành công ở chế

độ liên tục để tiêu hóa whey hấm với độ pH duy trì ở mức 7.0 (Yang và Guo, 1990) Tỷ lệ pha loãng cao có thể ảnh hưởng đến sự hình thành sản phẩm trung gian, vì nó cho phép chiếm ưu thế của các nhóm vi sinh vật có đặc tính kết dính cao Yang và Guo (1990) đã báo cáo rằng các vi sinh vật bất động có thể phục hồi hoạt động của chúng trong vòng một tuần sau nhiều tháng bị đói Sản lượng khí sinh học cao nhất (3,3 L / L mỗi ngày) và tỷ lệ khí mêtan (69%) thu được trong bể phản ứng được đóng gói bằng than củi (Patel et al., 1999) Điều này là do than cung cấp một bề mặt tốt hơn để gắn, hình thành màng sinh học và các vị trí hấp phụ cho chất nền (Patel et al., 1999) Sự tắc nghẽn là một vấn đề lớn liên quan đến bể phản ứng sinh học này

Bể phản ứng xuôi dòng cố định phim Bể phản ứng này được thiết kế để ngăn chặn việc xả

nước thải bởi nồng độ chất rắn lơ lửng cao Chất thải thực phẩm từ sữa thường không có nồng độ chất rắn lơ lửng cao trừ khi phô mai không được loại bỏ khỏi váng sữa Canovas-Diaz và Howell (1987) đã

sử dụng bể phản ứng xuôi dòng cố định phim để xử lý whey phô mai bị khử protein Khi chỉ có một phần ba phim bị ngập nước, hiệu suất của bể phản ứng là 90 đến 95% với tốc độ tải hữu cơ 12,5 kg COD / m3 mỗi ngày với HRT từ 2 đến 2,5 ngày Tuy nhiên, trong chế độ ngập hoàn toàn, tốc độ tải hữu cơ thấp được sử dụng để ngăn ngừa tích lũy VFA và hỏng bể phản ứng

Bể kỵ khí mở rộng đính kèm phim Một bể mở rộng màng gắn phim cố định (cố định) bao

gồm một cột chứa các hạt kích thước cát trơ mở rộng với dòng chất thải đi lên qua cột Các hạt làm tăng diện tích bề mặt và cung cấp hỗ trợ cho sự phát triển của phim sinh học (Switzenbaum và

Danskin, 1982) Hệ thống này cho phép tiếp xúc tốt giữa sinh khối và chất nền trong khi đạt được nồng độ sinh khối cao

Bể phản ứng vòng lặp cố định phim ngược dòng Trong hệ thống này, các hạt đất sét xốp đã

được sử dụng để cố định vi sinh vật Độ pH được duy trì ở mức 6,7 và hàm lượng của chất khử được tuần hoàn 4 lần mỗi giờ để tạo điều kiện tách khí khỏi chất lỏng (Wildenauer và Winter, 1985) Khi bơm tuần hoàn thất bại, khí thay thế chất lỏng trong thiết bị lên men, làm giảm hiệu quả (Wildenauer

và Winter, 1985)

Bể phản ứng tiếp xúc sinh học quay kỵ khí Trong ARBCR, một loạt các đĩa và bộ lọc được

lắp đặt bên trong bể phản ứng Các đĩa quay hoạt động như một cấu trúc hỗ trợ phim cố định và xoay của chúng cung cấp sự pha trộn và tăng cường truyền khí vào không gian đầu Bể duy trì khối lượng hoạt động (Lo và Liao, 1986) Trong quá trình lên men 2 giai đoạn, Lo và Liao (1986) đã sử dụng một

bể phản ứng hỗn hợp hoàn toàn trong giai đoạn sinh axit và ARBCR trong giai đoạn methanogen

Bảng 3 Ví dụ về các điều kiện lên men mesophilic (trừ khi có ghi chú khác) và sản sinh khí từ chất thải chế biến sữa

Thức ăn 1 (pH) Phản ứng 2 Kiểm soát pH

(giai đoạn 1, 2)

HRT 3

(d) OLR 4 Sản sinh biogas CH(%)44 Tham khảo

AW NMAD-NMAD Không 15 488 g/ngày 0.05-0.10 m 3 CH 4 /kg of VS 18-22 Ghaly (1989)

AW NMAD-NMAD Không, 5.7-6.0 20 — 0.224 m 3 /kg COD added 71 Ghaly (1996)

AW NMAD-NMAD Không, 5.7 15 9.7 L/ngày 0.096 L biogas/L mỗi ngày 77 Ghaly and Pyke (1991)

AW (6.5) CSTR-MCAB Không 5 — 0.3 L CH 4 /g COD removed 70 Saddoud et al (2007)

AW UFFLR 6.7 5 14.1 kg COD/m 3 mỗi ngày 5.6 m 3 /m 3 mỗi ngày 79 Wildenauer and Winter (1985)

CPW CSTR-CSTR 6.0, 7.0 5.7 60 g COD/L 0.28 L CH 4 /g COD 74 Hwang (1997)

DPW 5 DFR 7.25 5 2.8 kg COD/m 3 mỗi ngày 27 m 3 CH 4 /kg COD 50 De Haast et al (1986)

3.2 1.6 g COD/dm3 mỗi ngày 0.236 dm3 CH4 /g

COD degraded

70 Goblos et al (2008)

FW (7.2) UAFR Không 2 3 g COD/L mỗi ngày 280 L CH 4 /kg COD

PUFM 6 (7.0) AMBBR Không 3.2 17 g TCOD/L mỗi ngày 0.24 L CH 4 /g TCOD — Wang et al (2009)

PUFW 7 UASBR 6.8 4 2.52 kg COD/m 3 mỗi ngày 0.25 L CH 4 /g COD removed 73 Hwang and Hansen (1992)

SW, DWW (7.0) UFFR Không 2 15 g COD/L mỗi ngày 3.3 L biogas/L day 69 Patel et al (1999)

SW, DWW 8 (7.0) UFFR Không 2 — 5.7 L biogas/L mỗi ngày 77 Patel and Madamwar (1998)

SW, PW/CM Batch Không 9 2 g TS/L mỗi ngày 0.4 L/L mỗi ngày 64 Patel and Madamwar (1996)

W CSTR-PABR 5.2, Không 5.4 — 7.06 L biogas/L mỗi ngày 71 Antonopoulou et al (2008)

lactose

51 Chartrain and Zeikus (1986a)

W UFFR 6.9 6.4 — 1,790 L/m 3 mỗi ngày 85.9 Fox et al (1992)

W CSTR-CSTR 5, Không 1 — 0.182 L CH 4 /d 69 Gough et al (1987)

W CSTR-ARBCR Không 6.1 8 g VS/L mỗi ngày 3.75 L CH 4 /L mỗi ngày 52 Lo and Liao, 1988

W DUHR Không — 10 g COD/L mỗi ngày 0.33 nL CH 4 /g COD 53 Malaspina et al (1996)

W NMAD-NMAD Không, 7.0 15 3.16 kg VS/m 3 mỗi ngày 0.18 biogas/L mỗi ngày 25 Ramkumar et al (1992)

W CSTR-CSTR 5.2, Không 21 — 6.7 L CH 4 /L đầu vào 68 Venetsaneas et al (2009)

W CSTR-CSTR 10 6.0, 7.0

Không

6 10 g COD/L 0.60 L CH 4 /L mỗi ngày 68.3 Yang et al (2003)

W, CM ARBCR 3 16.4 g VS/L mỗi ngày 3.74 L CH 4 /L mỗi ngày 44 Lo et al (1988)

W, CN, PW 11 ISTR Không 10 6 g TS/L mỗi ngày 4 L CH 4 /L mỗi ngày 73 Desai and Madamwar (1994a)

W, CM, PW 8 ISTR Không 10 6 g TS/L mỗi ngày 3.0 L biogas/L mỗi ngày 65 Patel et al (1996)

1 AW = acid whey; CM = phân gia súc / sữa; CPW = chất thải nhà máy phô mai; DPW = whey khử protein; DWW = nước thải sữa; FAW = tiền lên men acid whey; FW = tiền lên men whey; PUFM = thấm từ UF của milk; PUFW = thấm từ UF của whey; PW = chất thải chăn nuôi; SW = muối whey; W = whey Thêm pH được ghi chú chỉ khi có sự thay đổi tạo ra

2 AMBBR = bể phản ứng kỵ khí màng sinh học di chuyển; ARBCR = bể phản ứng tiếp xúc sinh học quay kỵ khí; ASBR = bể phản ứng chặn bùn kỵ khí; CSTR = bể phản ứng khuấy liên tục; DFR = bể phản ứng cố định xuôi dòng; DUHR = bể phản ứng lai dòng ngược xuôi; ISTR = bể phản ứng khuấy không liên tục; MCAB = bể phản ứng sinh học màng; NMAD = bể phân hủy kỵ khí không khuấy; PABR = bể phản ứng kỵ khí vách ngăn định kỳ; UAFR = bể lọc kỵ khí ngược dòng; UASBR = bể chặn bùn kỵ khí ngược dòng; UFFR = bể phản ứng phim cố định ngược dòng; UFFLR = bể phản ứng ngược dòng vòng lặp cố định phim.

3 Thời gian lưu.

4 Tỷ lệ tải trọng hữu cơ COD = nhu cầu oxy hóa học; TCOD = tổng COD; VS = chất rắn lơ lửng.

Sự phân tách vật lý của 2 pha cho phép tạo ra nhiều ethanol và VFA hơn Thiết kế 2 giai đoạn tăng cảhàm lượng và sản sinh mêtan (Lo và Liao, 1986).

Bể sinh học màng kỵ khí kết hợp Hầu hết các bể phân hủy kỵ khí được sử dụng hiện nay là

đơn không có tái chế rắn chọn lọc, làm giảm tốc độ tải và nồng độ sinh khối (Saddoud et al 2007) Kiểm soát độc lập thời gian lưu giữ chất rắn có thể đạt được bằng cách thay thế hệ thống lắng bằng màng tách (Kang et al 2002; Saddoud et al 2007) Saddoud et al (2007) kết hợp vi lọc với bể phản ứng sinh học 2 giai đoạn để loại bỏ nước thải hòa tan và giữ lại sinh khối Chất lưu giữ vi lọc được tái chế thành bể phản ứng methanogen Mặc dù bể phản ứng kỵ khí kết hợp màng có thể giải quyết vấn đềtổn thất sinh khối và tạo ra nước thải chất lượng tốt hơn, nhưng màng sinh học là một hạn chế lớn của công nghệ này Áp suất xuyên màng tối ưu cho thông lượng được báo cáo bởi Saddoud et al (2007) là

175 kPa Kang và cộng sự (2002) đã báo cáo rằng backflushing cải thiện tốc độ từ thông trong cả màng hữu cơ và vô cơ Lỗi của màng hữu cơ là do một lớp bánh bề mặt của sinh khối và struvite (MgNH4PO4 6H2O) Tuy nhiên, struvite đã được tìm thấy bên trong lỗ chân lông của màng vô cơ (Kang et al., 2002)

Lên men hai giai đoạn

Quá trình phân hủy kỵ khí của chất thải thực phẩm từ sữa như whey và permeate là một thách thức do độ kiềm bicarbonate thấp, COD cao và axit hóa nhanh Nồng độ axit hữu cơ cao, chất nền của methanogenesis, có thể ức chế methanogens, dẫn đến thất bại trong quá trình Quá trình phân hủy kỵ khí liên quan đến nhiều loài vi sinh vật cộng sinh có thể được phân chia thành 2 nhóm rộng: axitogen

và methanogens Hai nhóm này khác nhau đáng kể về sinh lý, động học và yêu cầu tăng trưởng (Yang

et al., 2003) Hoạt động của 2 loại riêng biệt trong chuỗi cho phép tối ưu hóa các điều kiện cho mỗi trong số 2 nhóm vi sinh vật, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả của quá trình (Gough et al., 1987; Yang

et al., 2003; Ke và Shi, 2005; Saddoud et al., 2007) Xử lý kỵ khí 2 giai đoạn là thích hợp nhất đối với nước thải có chứa chất rắn hữu cơ cao (Demirel et al., 2005) Mặc dù có những ưu điểm của quy trình

2 giai đoạn, axit hóa hoàn toàn trong một bước riêng biệt có thể ngăn ngừa sự hình thành sinh khối hạt trong bể xử lý kỵ khí (Speece, 2008), điều này rất quan trọng đối với hoạt động của nhiều thiết kế bể (ví dụ, UASBR) Axit hóa một phần với các chất phân hủy nhỏ trong giai đoạn đầu tiên có thể được sửdụng để giảm chi phí (Yang et al., 2003) Tỷ lệ loại bỏ COD và sản sinh mêtan trong bể phản ứng 2 giai đoạn cao hơn lần lượt là 116 và 43% so với một đơn vị riêng lẻ (Yang et al., 2003) Các điều kiện tối ưu trong bể phản ứng axit hóa là 0,4-d HRT, 10.000 mg COD / L, pH 6.0 và nhiệt độ 54,1 ° C, trong khi các giá trị tương ứng trong bể phản ứng methogen là 9,6 d HRT, pH 7,0 và 55 ° C (Yang và cộng sự, 2003) Theo những phát hiện của Saddoud et al (2007), pH tối ưu cho các giai đoạn sinh axit

và methanogen lần lượt là 6,5 và 7,3 đến 8,5 Tuy nhiên, Gough et al (1987) đã phát hiện ra rằng việc duy trì giá trị pH là 5,0 trong bể phản ứng sinh axit với HRT là 24 giờ tạo ra mức VFA và metan cao nhất và mức CO2 và COD thấp nhất

Một quy trình gồm 2 giai đoạn trong đó màng vi lọc giữ lại các vi sinh vật, tăng chất rắn hòa tan dễ bay hơi từ 6,4 đến 10 g / L và đạt mức loại bỏ 98,5% COD với sản lượng khí vượt quá 10 lần thể tích của bể phản ứng (Saddoud et al., 2007 ) Mặc dù không có khí mêtan được sản sinh trong giai đoạn đầu tiên, 18% COD đã được loại bỏ Tốc độ tải hữu cơ cao hơn 8 kg COD / m3 mỗi ngày đòi hỏi phải kiểm soát pH trong bể phản ứng sinh axit (Garcia et al., 1991) Sự tuần hoàn của nước thải từ bể phản ứng methanogen đã làm loãng chất ảnh hưởng và ổn định pH mà không cần thêm bazơ (Garda et al., 1991)