Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí

XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ

1. Quá trình lên men phân huỷ sinh học kỵ khí

Phân huỷ sinh học kỵ khí đã được ứng dụng từ rất lâu trong cuộc sống của nhân loại, bể tự hoại một ngăn là loại công trình phân huỷ kỵ khí tiêu biểu được sử dụng cách đây vài ngàn năm. Quá trình xử lý sinh học kỵ khí thường được ứng dụng xử lý sơ bộ các loại nước thải có hàm lượng COD, BOD cao  (>1000mg/L), làm giảm tải trọng hữu cơ và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý hiếu khí tiếp theo diễn ra có hiệu quả.

Quá trình phân huỷ kỵ khí là quá trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kỵ khí và sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp bao gồm các khí (đôi khi được gọi là hỗn hợp khí Biogas): CH₄, CO, H₂S, các dạng khí có chứa nitơ, nhưng chiếm phần lớn là khí CH₄ nên đôi khi được gọi là quá trình lên men mêtan.

Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất là chất ô nhiễm hiện diện trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng (thức ăn) và tạo năng lượng, xây dựng tế bào vi sinh vật, giúp vi sinh vật sinh trưởng và sinh sản vi sinh vật kỵ khí mới nên sinh khối (bùn, nồng độ bùn, mật độ bùn) của chúng tăng lên, từ đó chúng tham gia tiếp tục chu trình nêu trên góp phần làm giảm COD, BOD trong nước thải. Xử lý sinh học kỵ khí còn được áp dụng để xử lý các loại bùn, cặn (cặn tươi từ bể lắng đợt I, bùn hoạt tính dư sau khi nén cặn,…) trong xử lý nước thải đô thị, xử lý nước thải ngành chế biến thuỷ sản, ngành sơ chế mủ cao su, ngành thực phẩm, ngành chăn nuôi và một số ngành công nghiệp khác có nồng độ COD và BOD cao.

Quá trình phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hoá phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian trong điều kiện kỵ khí. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ   —^{Vi sinh vật kỵ khí} —> CH₄ + CO₂ + H₂ + NH₃ + H₂S + Tế bào mới.

Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của biogas sinh ra từ quá trình lên men kỵ khí như sau:

Quá trình lên men sinh học kỵ khí xử lý nước thải gồm 2 dạng phổ biến:

• Quá trình sinh trưởng lơ lửng, các quần thể vi sinh vật kỵ khí (bùn) ở trạng thái lơ lửng là nhờ quá trình xáo trộn thuỷ lực, xáo trộn bằng khí hỗn hợp khi biogas, xáo trộn bằng cơ khí.

• Quá trình sinh trưởng dính bám, các quần thể vi sinh vật kỵ khí (bùn) dính bám vào một loại vật liệu (vật liệu dính bám sinh học, vật liệu đệm sinh học), vật liệu này do quá trình thiết kế đưa vào trong bể kỵ khí ở dạng cố định vị trí hay dạng không cố định có thể xáo trộn hoặc lơ lửng. Vật liệu này phải “trơ” với môi trường tiếp xúc, nghĩa là phải có độ bền cơ học cao, không gây phản ứng môi trường nước thải, không tan trong môi trường nước thải, có khối lượng càng nhẹ càng tốt, sẵn có tại địa phương để giảm giá thành đầu tư.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ kỵ khí

a) Oxy

Trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí thì oxy được coi là độc tố đối với các vi sinh vật. Do đó người thiết kế công nghệ phải có giải pháp để điều kiện kỵ khí tuyệt đối diễn ra, không được có oxy hoà tan trong nước thải (nghĩa là trị số DO = 0, hoặc lân cận 0).

b) Chất dinh dưỡng

Chất dinh dưỡng có ảnh hưởng đến sự trưởng thành và phát triển của vi sinh vật, liên quan mật thiết đến các quá trình phân huỷ các chất hữu cơ chứa trong chất thải. Do đó việc cung cấp đầy đủ các dinh dưỡng cho vi sinh vật trong quá trình phân huỷ nói trên là rất cần thiết. Cũng như các vi sinh vật khác, vi sinh vật phân hủy kỵ khí đòi hỏi các chất dinh dưỡng chính yếu bao gồm các hợp chất chứa carbon, nitơ, phốtpho và một số nguyên tố vi lượng với một tỷ lệ thích hợp. Nếu không cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng sẽ ảnh hưởng đến các quá trình phân giải các chất trong nước thải. Chẳng hạn, nếu không đủ nitơ sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các enzym thực hiện quá trình phân giải. Nhưng nếu cung cấp quá nhiều nitơ sẽ làm hạn chế sự phát triển của vi sinh vật có trong nước thải. Việc cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết sẽ tạo cho bùn có tính lắng tốt và hoạt tính cao, hoạt động tốt trong quá trình xử lý.

c) Nhiệt độ

Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa trong năm ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phân huỷ chất hữu cơ của quá trình phân huỷ kỵ khí.

Nhóm các vi sinh vật kỵ khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ, và ở mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp với mỗi nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau.

• Vùng nhiệt độ cao: 45 – 65^oC (Thermophilic)
• Vùng nhiệt độ trung bình: 20 – 45^oC (Mesophilic)
• Vùng nhiệt độ thấp: dưới 20^oC (Psychrophilic)

Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm các vi sinh vật lên men mêtan, ở vùng nhiệt độ này lượng khí mêtan tạo thành nhiều. Đối vùng nhiệt độ cao (45 – 65^oC), để duy trì nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp thêm lượng nhiệt, điều này sẽ gây tốn kém cho công trình, tính kinh tế của công trình xử lý sẽ bị hạn chế.

Tại Việt Nam, nhiệt độ trung bình từ 20 – 32^oC, sẽ thích hợp cho nhóm vi sinh vật ở vùng nhiệt độ trung bình phát triển.

d) pH

Trị số pH cao (môi trường mang tính kiềm) hay thấp (môi trường mang tính axit) sẽ gây ức chế quá trình trao đổi chất của vi khuẩn, như vậy hiệu quả tiêu thụ chất ô nhiễm bằng vi khuẩn sẽ giảm xuống hoặc gây chết vi khuẩn sẽ ngưng quá trình xử lý chất ô nhiễm.

Trong quá trình xử lý kỵ khí, pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ, cụ thể là ảnh hưởng đến 4 quá trình chuyển hoá của sự phân huỷ kỵ khí. Ở các quá trình xử lý, người ta nhận thấy các quá trình cơ bản chịu ảnh hưởng trực tiếp lẫn nhau, khi một trong các quá trình này bị cản trở hoặc thúc đẩy sẽ ảnh hưởng tới quá trình xảy ra tiếp theo, do đó sẽ làm tốc độ  phân huỷ các chất chậm lại hoặc nhanh hơn. Ví dụ: khi nhiệt độ thay đổi hoặc khi thành phần nước thải thay đổi (do nạp nước thải mới vào công trình) thì nhóm vi sinh vật axit hoá thích nghi hơn so với nhóm vi sinh vật sinh mêtan. Khi pH giảm mạnh (ví dụ pH<6) sẽ làm giảm quá trình sinh khí CH₄. Hơn nữa khi pH giảm, các axit trung gian tích luỹ nhiều, làm các phản ứng phân huỷ khó thực hiện và dẫn đến dừng quá trình acetat hoá…

• pH hoạt động: 6.7 – 7.4;
• pH tối ưu: 7.0 – 7.2

Quá trình phân huỷ kỵ khí sẽ không hiệu quả nếu pH<6.

e) Thời gian lưu nước trong công trình xử lý

Tuỳ thuộc vào loại nước thải và điều kiện môi trường và thời gian cần đủ lâu để cho phép các hoạt động trao đổi kỵ khí xảy ra.

f) Sự canh tranh giữa vi khuẩn mêtan và vi khuẩn khử sulfat

Vi khuẩn mêtan và vi khuẩn khử sunfat trong nước thải có tính cạnh tranh nhau rất mạnh, thông thường dựa vào tỷ số COD/SO₄ có trong nước thải để không chế vi khuẩn khử sulfat, cần duy trì tỷ số COD/SO₄ trong khoảng 1.7 – 2.7. Tỷ số này có lợi cho vi khuẩn mêtan hoạt động mạnh.

g) Các yếu tố gây độc

Các yếu tố gây độc gồm: amoni, hydrocarbon có chứa clo, hợp chất có vòng benzen, formadehyde, axit bay hơi, axit béo mạch dài, kim loại nặng, cyanic, sulfite, tanin, độ mặn, chất sát khuẩn, chất khử trùng,…

Qua tìm hiểu đặc điểm sinh lý các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí, người ta nhận thấy:

• Một số hợp chất như CCl₄, CHCl₃, CH₂Cl₂,…và các ion tự do của các kim loại nặng có nồng độ 1mg/L sẽ thể hiện tính độc đối với các vi sinh vật kỵ khí.
• Các hợp chất như formadehyde, SO₂, H₂S với nồng độ 50 – 400mg/L sẽ gây độc hại với các vi sinh vật kỵ khí trong công trình xử lý nước thải.
• S^2- được coi là tác nhân gây ức chế qúa trình tạo mêtan. Sở dĩ có lập luận này là do nhiều nguyên nhân khác nhau: S^2- làm kết tủa các nguyên tố vi lượng như Fe, Ni, Co, Mo,… do đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, đồng thời, các electron giải phóng ra từ quá trình oxy hoá các chất hữu cơ sử dụng cho quá trình sulfat hoá và làm giảm quá trình sinh mêtan.
• Các hợp chất amoni ở nồng độ 1.5 – 2mg/L gây ức chế quá trình lên men kỵ khí.
• Duy trì độ kiềm khoảng 1000 – 1500mg/L để ngăn cản pH xuống dưới 6.2.
• Cần có đủ chất dinh dưỡng theo tỷ lệ COD:N:P = 350: 5:1.

Liên hệ Công Ty TNHH Công Nghệ Môi Trường Dovitech để được hỗ trợ.