KN: Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí. Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình trong tự nhiên: 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 (alcohols). 4. Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic). 5. Hình thành khí methane từ acid acetic. 6. Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2.
Trang 1PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY CHẤT THẢI LÊN MEN KỴ KHÍ
I. Giới thiệu:
K/N: Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và
vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình trong tự nhiên:
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 (alcohols)
4 Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic)
5 Hình thành khí methane từ acid acetic
6 Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2
Các quá trình này có thể họp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:
- Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo) Quá trình này xảy ra chậm Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất Chất béo thủy phân rất chậm
- Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0
- Acetic hoá (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới
- Methane hóa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ
kỵ khí Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, COD hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn methane
Trang 2Sơ đồ quá trình vi sinh hóa lên men metan, như sau:
Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn
b- Quá trình các phản ứng vi sinh hóa xảy ra trong quá trình sản xuất Biogas (CH4) có thể được chia/ phân làm 4 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: (Giai đoạn thủy phân) Phân mới nạp vào BSK, bắt đầu quá trình lên men vi sinh Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loại vi sinh vật tiết ra (vi khẩn Closdium, bipiclobacterium, bacillus gram âm không sinh bào tử, staphy loccus), các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit
dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu có đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axit béo như axit axetic, axit butyric, axit propionic, axit lactic và các khí
Quá trình này tương ứng khi phân tươi mới nạp vào, sự lên men kỵ khí được diễn ra nhanh chóng, các “túi khí” được tạo thành, như là chiếc phao, làm cho nguyên liệu nhẹ và nổi lên, thành váng ở lớp trên + Giai đọan 2: (Giai đoạn Axit hóa) là giai đoạn lên men, hay giai đoạn đầu của
Trang 3quá trình bán phân hủy, nhờ các vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp axetat), chuyển hóa các hydrater carbon và các sản phẩm của giai đoạn 1 như Albumozpepit, Glyxerin và các axit béo thành các axit có phân tử lượng thấp hơn, như C2H5COOH, C3H7COOH2, CH3COOH, một ít khí hydro và khí CO2,
Quá trình này sản sinh các sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối như H2S, indol, scatol , pH của môi trường dịch phân hủy ở dưới 5 + Giai đoạn 3: (Giai đoạn Axetat hóa) Các vi khuẩn tạo Metan chưa thể sử dụng được các sản phẩm của các giai đoạn trước (1 và 2) để tạo thành Metan, nên phải phân giải tiếp tục để tạo thành các phân tử đơn giản nhỏ hơn nữa (trừ axit acetic), nhờ các vi khuẩn Axetat hóa Sản phẩm của quá trình phân giải này
CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2 CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2 CH3(CH2)2COO- (butyric) +H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2 Giai đoạn này, nhờ các vi khuẩn Axetat hóa phân giải các sản phẩm của giai đoạn trước tạo nhiều sản phẩm H2, và nó được vi khuẩn Metan sử dụng cùng với CO2 để hình thành Metan (CH4), bắt đầu giai đoạn phân hủy Lúc này các chất bã hữu cơ phân hủy mủn ra thành các phần tử nhỏ, lơ lửng trong dịch thải
pH của môi trường dịch bể phân hủy chuyển sang kiềm và tối ưu ở khoảng 6,8 – 7,8
+ Giai đoạn 4: hình thành khí Metan Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân giải kỵ khí tạo thành hỗn hợp sản phẩm, trong đó khí Metan chiếm thành phần lớn Quá trình hình thành khí Metan được đồng thời, bằng 3 con đường: 1- Nhờ vi khuẩn hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất là hydro và CO2:
2- Nhờ vi khuẩn acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành metan và CO2 acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành metan và CO2 Khoảng
3- Nhờ vi khuẩn methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl:
4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Trong các nghiên cứu, người ta thấy rằng: trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân,
Trang 4acid hóa và acetic hóa) thì: (1) lượng COD hầu như không giảm COD chỉ giảm trong giai đoạn metan hóa, giai đoạn cuối cùng của quá trình phân giải kỵ khí; (2) ngoài các sản phẩm chính tạo metan, còn có các sản phẩm NH3, H2S, indol,
Như vậy, các sản phẩm tạo/ gây mùi thối chỉ tạo ra trong quá trình lên men và bán phân hủy chất hữu cơ, nếu bị đẩy ra ngoài BSK, kéo mùi thối ra cùng, là nguyên nhân gây thối và ô nhiễm môi trường thứ cấp
Khí sinh học là khí được tao ra trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều yếm khí, trong đó chúng ta sử dụng methan là khí đốt
CaHbNcOd + mH2O nCwHxOyNz + sCO2 + mCH4 + (d-nz)NH3 + Q + bùn +
TB mới
Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí:
Methan hóa:
Các phản ứng của các giai đoạn methan hóa
lipid polysacarid protit axit nucleic chất thơm axit béo monosacarid axit amin axit nucleic chất thơm
Sản phẩm lên men
axit Axetic,Propylic
Lactic,Butylic
Sacarit
H2, CO2, HCOOH,
CH3COOH, CH3OH, (CH3)3N
CH4 + CO2
Trang 5H2 + CO2 CH4 + 2H2O HCOOH CH4 + CO2 + H2O
CH3COOH CH4 + CO2
CH3OH CH4 + CO2 + H2O (CH3)3N + H2O CH4 + CO2 + NH3
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí
+ Nguyên liệu: càng nhiều phân hữu cơ phân hủy sinh học càng tốt, phải tách các chất không thể phân huỷ sinh học ra
+ Kích thước càng nhỏ mặt tiếp xúc càng lớn do đó phân hủy càng nhanh
+ Nước là một yếu tố quan trọng đối với quá trình phân huỷ yếm khí
- Loãng: 4 -8% pha rắn còn lại là nước
- Đặc thì chiếm từ 20 -30% pha rắn và phần cón lại là nước
+ Vi sinh vật tham gia vào quá trình: Tất cả những yếu tố ảnh hưởng đến
sự phát triển của VSV giống đối với quá trình hiếu khí
Tỷ lệ C:N=30:1 (với tỷ lệ này thích hợp nhất cho quá trình phân hủy của các vi sinh vật yếm khí)
nước
nhiệt độ
50 0 C
bùn khí biogas
khí này chiếm 50%
là CH4
Trang 6Ưu nhược điểm của pp vi sinh:
Ưu điểm:
Tiết kiệm được chi phí xử lí rác thải, đem lại hiệu quả kinh tế cao Khắc phục được tình trạng ô nhiễm không khí và nước do rác thải để lại, tạo nguồn năng lượng, xử lí sự tồn đọng ở các bãi rác
Giảm diện tích đất chôn lấp chất thải, tăng khả năng chống ô nhiễm môi trường
Sử dụng lại được 50% các chất hữu cơ có trong thành phần chất thải để chế biễn làm phân bón
Phân loại được các loại rác thải có thể tái sử dụng phục vụ cho công nghiệp
Vận hành đơn giản
Nhược điểm:
Mức độ tự động hóa của công nghệ chưa cao
Việc phân loại vẫn phải thực hiện thủ công nên ảnh hưởng đến sức khỏe của người công nhân
Chất lượng sản phẩm chưa cao, không đồng đều
Vẫn chưa được phổ biến rộng rãi, chỉ tập trung tái chế rác hữu cơ
Công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phương pháp yếm khí tùy nghi A.B.T (Anoxy Bio Technology):
Các giai đoạn trong quá trình xử lý rác thải theo Công nghệ A.B.T:
Trang 7Giai đoạn xử lý sơ bộ: Rác thải thu gom được đưa về sân thao tác Xé các túi
nilong đựng rác để rác được thoát ra ngoài Nhặt loại riêng rác có kích thước lớn; Phun, rải, trộn đều rác với chế phẩm sinh học P.MET và phụ gia trước khi đưa vào hầm ủ
Giai đoạn ủ: Rác sau khi đã trộn đều cùng các chế phẩm sinh học P.MET và
phụ gia, được đưa chuyển vào hầm ủ theo từng lớp dày 20cm; Mỗi lớp rác 20cm đều được phun P.MET và rải phụ gia bột, làm các lớp rác như vậy cho đến khi đầy hầm ủ Miệng hầm ủ được phủ kín bằng vải bạt không trong suốt; Thời gian
ủ rác (28-30) ngày Trong quá trình ủ rác, thực hiện phun P.MET để bổ sung vi sinh và độ ẩm giúp cho các vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ nhanh
Giai đoạn sàng phân loại: Rác sau khi ủ (28 -30) ngày được đưa lên sàng
phân loại thu được mùn thô Nghiền mùn thô rồi tiến hành tách mùn hữu cơ, cát đất, đá,…bằng khí tuyển Mùn tinh thu được là nguyên liệu để sản xuất phân bón và các sản phẩm khác;
Các thành phần phi hữu cơ được đem tái chế hoặc chôn lấp (tùy theo khối lượng
và điều kiện kinh tế)
Sơ đồ công nghệ :
Ưu điểm:
+ Tái chế các chất không phân hủy thành những vật liệu có thể tái sử dụng được
+ Không tốn đất chôn lấp chất thải rắn
+ Không có nước rỉ rác và các khí độc hại, khí dễ gây cháy nổ sinh ra trong quá trình phân hủy hữu cơ do đó không gây ô nhiễm môi trường
Trang 8+ Không phân loại ban đầu, do đó không làm ảnh hưởng đến công nhân lao động trực tiếp
+ Thiết bị đơn giản, chi phí đầu tư thấp
+ Vận hành đơn giản, chi phí vận hành thường xuyên không cao
Nhược điểm: Chỉ tập trung ở các khu dân cư đông đúc, khu công nghiệp…
Phạm vi áp dụng: Có thể áp dụng cho nhiều quy mô công suất khác nhau, có
thể áp dụng ở các khu vực nông thôn, thành thị Khu xử lý có thể xây dựng không quá xa đô thị do không có nước rỉ rác và các khí độc hại thải ra