Quy trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện kỵ khí là quy trình sinh học phân huỷ một cách yếm khí các chất hữu cơ chứa trong nước thải để tạo thành khí CH4, các sản phẩm vô cơ kể cả CO2 và NH3.
Phương pháp sinh học kỵ khí có những ưu điểm sau:
– Nhu cầu về năng lượng không nhiều.
– Ngoài vai trò xử lý nước thải, bảo vệ môi trường, quy trình còn tạo được nguồn năng lượng mới là khí sinh học, trong đó CH4 chiếm tỷ lệ 70 – 75%.
– Cũng như xử lý sinh học hiếu khí, ở quy trình này, bùn hoạt tính cũng được sử dụng làm tác nhân gây biến đổi thành phần của nước thải. Bùn hoạt tính được sử dụng ở đây có lượng bùn dư thấp, có tính ổn định khá cao, để duy trì hoạt động của bùn không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, bùn có thể tồn trữ trong thời gian dài.
– Về mặt thiết bị: Công trình cấu tạo khá đơn giản, có thể làm bằng vật liệu tại chỗ với giá thành không cao.
Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí cũng còn có nhưng hạn chế sau :
– Quy trình này nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng của công trình. Do vậy, khi sử dụng cần có sự theo dõi sát sao các yếu tố của môi trường.
– Xử lý nước thải chưa triệt để, cần phải xử lý hiếu khí sau đó.
Thấy được những ưu điểm của loại quy trình này nên các nhà khoa học đã cố gắng đầu tư nghiên cứu từ quy mô pilot với các mô hình có khối tích nhỏ: 6m3, 30 m3, 200 m3… đến quy mô lớn. Đến nay đã có trên dưới vài chục nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải ở các nước như Hà Lan, Hoà Kỳ, Thuỵ Sĩ, Cộng hoà Liên bang Đức ….
a. Các quá trình chuyển hoá chủ yếu trong phân huỷ kỵ khí:
– Quá trình thuỷ phân (Hydrolysis):
Muốn hấp thụ được các chất hữu cơ có trong nước thải, vi sinh vật phải thực hiện các công đoạn chuyển hoá các chất này. Việc đầu tiên là phải thuỷ phân các chất có phân tử lượng cao thành các polymer có phân tử lượng thấp và monomer. Vì chỉ khi đó các chất này mới có khả năng được hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật. Để thực hiện quá trình thuỷ phân, các vi sinh vật này phải có hệ enzyme các loại như proteinase, lipase, cellulase … Sau thuỷ phân, các sản phẩm đố sẽ được tạo thành như các amino acid, đường, rượu, các acid béo mạch dài …
Quá trình thuỷ phân xảy ra khá chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố của môi trường như nhiệt độ, pH, cấu trúc của các chất hữu cơ cần phân giải.
– Quá trình acid hoá (Acidogenesis) :
Các sản phẩm của quá trình thuỷ phân sẽ được tiếp tục phân giải dưới tác động của các vi sinh vật lên men acid béo dễ bay hơi như acid acetic, acid formic, acid propionic. Ngoài ra còn có một số dạng như rượu methanol, ethanol, aceton, NH3, CO2. H2 …
– Quá trình acetate hoá (Acetogenesis) :
Các acid là sản phẩm của quá trình trên lại được tiếp tục thuỷ phân để tạo lượng acid acetic cao hơn. Sản phẩm của quá trình này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của H2 trong môi trường. Áp suất riêng phần của H2 được giữ < 10-3 atm để vi sinh vật có thể thực hiện biến đổi H2 thành CH4 theo phản ứng sau:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
Thực tế cho thấy khi áp suất riêng phần của H2 lớn thì sản phẩm của quá trình này chứa nhiều acid béo trung gian như acid propionic (C3). acid butyric (C4) … Do vậy, làm chậm quá trình tạo methane.
– Quá trình methane hoá (Methanogenesis) :
Đó là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy các sản phẩm hữu cơ đơn giản của những giai đoạn trước để tạo thành CH4 và CO2 nhờ các vi khuẩn lên men methane. Chúng có hai nhóm sau :
+ Nhóm biến đổi acetate: Nhóm này có tốc độ phát triển chậm và đây là nguyên nhân đòi hỏi công trình xử lý kỵ khí phải có thời gian lưu các chất thải ở công trình lâu.
+ Nhóm biến đổi hydrogen : Nhóm này có tốc độ phát triển nhanh hơn nhiều, do đó có khả năng giữ áp suất riêng phần của H2 thấp, tạo điều kiện tốt cho quá trình biến đổi acetate từ các acid béo.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ kị khí :
– Oxygen : Trong xử lý kị khí nước thải, oxygen được coi là độc tố đối với các vi sinh vật. Do đó lý tưởng nhất là tạo được điều kiện kị khí tuyệt đối trong bể xử lý.
– 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 hủy nói trên là rất cần thiết. Cũng như các vi sinh vật khác, vi sinh vật phân giải kị khí đòi hỏi các chất dinh dưỡng chính yếu bao gồm các hợp chất chứa carbon, nitrogen, phosphor và một số các 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 nitrogen sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các enzyme thực hiện quá trình phân giải. Nhưng nếu cung cấp quá nhiều nitrogen 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.
– Nhiệt độ:
Nhóm các vi sinh vật kị 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 kị khí khác nhau.
+ Vùng nhiệt độ cao: 450C – 65 0C (thermophilic).
+ Vùng nhiệt độ trung bình : 200C – 450C (mesophilic)
+ Vùng nhiệt độ thấp : dưới 200C (psychrophilic).
Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm các vi sinh vật lên men methane, ở vùng nhiệt độ này lượng khí methane tạo thành cao. Đối với vùng nhiệt độ cao (450C – 650C), 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.
Ở nước ta, nhiệt độ trung bình từ 200C – 320C, sẽ thích hợp cho nhóm vi sinh vật ở vùng nhiệt độ trung bình phát triển.
– pH :
Trong quy trình xử lý kị 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 kị 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 mới vào công trình) thì nhóm vi sinh vật acid hoá thích nghi hơn so với nhóm vi sinh vật sinh methane. Khi pH giảm mạnh (ví dụ: pH < 6) sẽ làm giảm quá trình sinh khí CH4. Hơn nữa khi pH giảm, các acid trung gian tích luỹ nhiều, làm các phản ứng phân hủy khó thực hiện và dẫn đến dừng quá trình acetate hoá…
pH tối ưu trong quá trình phân huỷ kị khí là 6,5 – 8,5.
– Các độc tố:
Qua tìm hiểu đặc điểm sinh lý các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí, người ta nhận thấy:
+ Một số các 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 kị khí.
+ Các hợp chất như formadehyde, SO2, H2S với nồng độ 50 – 400mg/l sẽ gây độc hại với các vi sinh vật kị khí trong công trình xử lý.
+ S2- được coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo methane. Sở dĩ có lập luận này là do nhiều nguyên nhân khác nhau: S2- 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 sulfate hoá và làm giảm quá trình sinh methane.
+ Các hợp chất NH4+ ở nồng độ1,5 – 2mg/l gây ức chế quá trình lên men kị khí.
c. Các dạng công trình xử lý kị khí nước thải:
Các công trình xử lý kị khí đã được ứng dụng từ rất lâu đời và có quá trình phát triển từ đơn giản đến phức tạp, ngày một hoàn thiện hơn, đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải.
Vào nửa đầu thế kỷ XX, Công nghệ sinh học kị khí đã được ứng dụng để xử lý cặn, chất thải đậm đặc … được thể hiện qua một số công trình quen biết cổ điển như:
– Bể tự hoại: Đây là công trình xử lý nước thải loại nhỏ dùng cho từng hộ gia đình. Loại công trình này thực hiện hai chức năng: lắng và chuyển hoá cặn lắng của nước thải (chủ yếu là nước thải từ các nhà vệ sinh) bằng quá trình phân giải sinh học kị khí.
– Bể lắng hai vỏ: Có nguyên tắc hoạt động và thực hiện hai chức năng tương tự như bể tự hoại, nhưng ở quy mô lớn hơn, xử lý nước thải với công suất lớn hơn.
Từ những năm của thập niên 70 trở về sau, công trình xử lý nước thải áp dụng biện pháp sinh học kị khí đã phát triển thêm một bước mới hoàn thiện hơn. Thời gian này xuất hiện hàng loạt các công trình nghiên cứu đã được đưa vào ứng dụng thực tế để xử lý nước thải sinh hoạt và cả một số loại nước thải công nghiệp giàu chất hữu cơ. Trong số đó, đáng lưu ý có các dạng công trình sau :
– Bể methan cổ điển: Được ứng dụng để xử lý cặn lắng (từ bể lắng) và bùn hoạt tính dư của trạm xử lý nước thải. Hầu hết các trạm xử lý nước thải của thành phố đều xử dụng loại công trình này.
– Bể lọc kị khí AF (Anaerobic Filter) : Ở công trình này quá trình xử lý thực hiện qua vật liệu lọc để vi sinh vật kị khí dính bám vào và thực hiện quá trình chuyển hoá sinh hoá các chất hữu cơ chứa trong nước thải và đồng thời tránh sự rửa trôi của màng vi sinh vật.
– Bể xử lý sinh học kị khí với dòng chảy ngược qua bông bùn hoạt tính UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Loại công trình này không có vật liệu đỡ (vật liệu học) như ở bể lọc kị khí AF. Ở đây các vi sinh vật kị khí liên kết và tập hợp lại thành đám lớn dạng hạt và có vai trò chủ yếu để chuyển hoá các hợp chất hữu cơ. Chúng đủ nặng để tránh hiện tượng rửa trôi ra khỏi công trình. Bể UASB có cấu tạo gồm hai ngăn: ngăn lắng và ngăn phân hủy. Bằng biện pháp thiết kế khá đặc biệt của ngăn lắng cùng với tính lắng tốt của bùn kị khí sử dụng trong công trình, người ta giải quyết được vấn đề lưu lại nồng độ sinh khối bùn cao trong bể và giảm được thời gian lưu nước.
– Ngoài các kiểu công trình trên, trong thực tế người ta còn nghiên cứu hình thành các dạng công trình kết hợp giữa công trình UASB và AF hoặc công trình bùn lỏng (Fluidized sludge bed).
Hình 7.14 Hệ thống xử lí nước thải
a. Hình chụp hệ thống xử lí nước thải bằng phương pháp hiếu khí. Bể ở gần có thể nhìn rõ là bể lắng. Bể ở xa là bể lọc với những tia nước thải được tưới xuống các lớp vật liệu lọc (đá, cát…)
b. Hình chụp hệ thống xử lí nước thải bằng phương pháp kị khí. Hệ thống các bể chứa nước thải và bùn hoạt tính. Phần lớn của bể nằm chìm dưới đất.
