Các phương pháp xử lý kỵ khí nước thải

Cơ chế lên men kỵ khí

Quá trình này chuyển hóa các chất rắn phức tạp thành các hợp chất hòa tan với trọng lượng phân tử nhẹ hơn. Quá trình này đòi hỏi sự tác động của các enzim ngoại bào tiết ra từ các vi khuẩn gây men. Các chất đạm được phân hủy thông qua các chuỗi thành các axit amin, hydrat cacbon được chuyển hóa thành các chất đường có thể hòa tan (đơn - và các đisacarit), và các chất béo được chuyển thành chuỗi các axít béo và glycerin. Trên thực tế, tốc độ thủy phân có thể gây ức chế tốc độ phân hủy kỵ khí. Đặc biệt, tốc độ chuyển chuyển hóa các chất béo sẽ xảy ra rất chậm trong điều kiện dưới 20°C.

Trong quá trình axit hóa, các chất hòa tan được tạo thành từ quá trình thủy phân dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men được chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ đơn giản (axít béo dễ bay hơi, cồn, axít lactic) và các chất khoáng (carbon dioxit, hydro, amônia và khí hyđro sulfat). Quá trình lên men axit được thực hiện bởi nhiều loài vi khuẩn khác nhau, nhưng phần lớn chúng là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Tuy nhiên, cũng có thể có một số loại vi khuẩn lưỡng tính có thể chuyển hóa các chất hữu cơ qua con đường ôxy hóa. Điều này rất quan trọng trong xử lý nước thải kỵ khí, vì ôxy hòa tan có thể gây ảnh hưởng xấu cho các vi khuẩn kỵ khí và các vi khuẩn mêtan hóa.

Các hợp chất tạo thành từ quá trình axit hóa được chuyển hóa thành các sản phẩm cuối để sinh khí mêtan: axetat, hydrô, và cacbon dioxit. Như mô tả trên hình 4.39, khoảng 70% COD trong nước thải đầu vào được chuyển thành axít acetic và phần còn lại được tập trung làm nguồn cấp điện tử trong phản ứng tạo khí hydrô. Tùy thuộc vào thế năng ôxy hóa của các chất hữu cơ ban đầu, quá trình acetat hóa có thể diễn ra cùng với sự tạo thành cacbon dioxit hoặc hydrô.

Mêtan hóa thường là giai đoạn chiếm tỉ lệ hạn chế trong toàn bộ quá trình phân hủy, mặc dù tại nhiệt độ thấp nó có thể thủy phân. Mêtan được tạo thành từ quá trình phân hủy axetat hoặc từ phản ứng khử dioxit cacbon bằng hydrô, tương ứng, bởi các vi khuẩn lên men giấm và vi khuẩn hydrô.

Các vi khuẩn tổng hợp mêtan từ hydro và dioxit cacbon phát triển nhanh hơn các vi khuẩn sử dụng acetat [Henzen and Harremoes 1983], vì vậy quá trình tổng hợp mêtan bởi các vi khuẩn lên men giấm thường chiếm tỉ lệ giới hạn trong suốt quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành khí sinh học.

Các nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia trong quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ đều có khả năng đồng hóa và dị hóa. Vì vậy, song song với quá trình giải phóng ra các sản phẩm lên men khác nhau, lượng sinh khối mới cũng được tạo thành trong bốn giai đoạn chuyển hóa được mô tả trên. Để thuận tiện, ba quá trình đầu tiên đôi khi được gộp lại với nhau và được gọi là quá trình lên men axit, và quá trình thứ tư được gọi là quá trình mêtan hóa.

Quá trình lên men axit có khuynh hướng làm giảm pH do làm phát sinh các axit béo dễ bay hơi và các chất trung gian dễ phân ly. Vì quá trình mêtan hóa chỉ tiến triển tốt trong điều kiện pH trung tính, nên vì lý do nào đó, phản ứng có thể trở nên không ổn định do tốc độ khử axit trong quá trình mêtan hóa giảm so với tốc độ phát sinh axit, tổng lượng axit còn lại sẽ làm giảm pH, và vì vậy gây ức chế khả năng phát triển hoạt động của các vi khuẩn mêtan hóa. Trên thực tế, hiện tượng này, được gọi là “chua” trong các bể phản ứng kỵ khí, và cũng là sự cố rất thường gặp trong vận hành các hệ thống xử lý kỵ khí. Để tránh hiện tượng “chua”, cần duy trì cân bằng giữa các quá trình lên men axit và mêtan hóa.