CÔNG NGHỆ VI SINH CỦA UNITED - TECH (UTI), HOA KỲ

I. QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ CỦA VI KHUẨN

1. Những đặc tính chính

Phân hủy sinh học yếm khí gồm một chuỗi quá trình vi sinh học chuyển hoá các hợp chất hữu cơ thành khí methan. Quá trình tạo ra khí methan là một hiện tượng thông thường trong một số môi trường tự nhiên khác nhau, như băng sơn, các lớp trầm tích, đầm lầy, dạ dày các loài ăn cỏ hay ở các giếng dầu. Quá trình hình thành khí methan của vi sinh tự nhiên được phát hiện từ hơn một thế kỷ trước. Các cơ thể vi sinh liên quan đến quá trình hiếu khí, yếm khí hầu hết đều từ vi khuẩn.

Phân hủy yếm khí đã được sử dụng từ rất lâu trong ổn định các chất bùn thải. Tuy nhiên trong những năm gần đây, nó mới được dùng để xử lý nước thải. Điều này đã có thể trở thành một sự hiểu biết đầy đủ hơn về quá trình vi sinh học này và thông qua các cải tiến trong thiết kế các bồn phản ứng.

Ưu điểm của các quy trình yếm khí được trình bày dưới đây: 

• Quá trình phân hủy yếm khí dùng CO2 có sẵn như một tác nhân nhận điện tử làm nguồn ôxy của nó. Quá trình này không đòi hỏi ôxy vì việc cung cấp ôxy sẽ làm tăng đáng kể chi phí xử lý nước thải.
• Quá trình phân hủy yếm khí tạo ra lượng bùn thấp hơn (từ 3 đến 20 lần so với quá trình hiếu khí), vì năng lượng do vi khuẩn yếm khí tạo ra tương đối thấp. Hầu hết năng lượng rút ra từ sự phân hủy chất nền là từ sản phẩm cuối cùng đó là CH4. Đối với việc tạo tế bào 50% cácbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối trong các điều kiện yếm khí. Khối lượng tịnh của tế bào được tạo ra trên một tấn COD (nhu cầu oxygen hóa học) đã phân hủy là từ 20 đến 150 kg, so với 400 đến 600 kg của quá trình phân hủy hiếu khí.
• Quá trình phân hủy yếm khí tạo ra một loại khí có ích đó là methan. Chất khí này có chứa 90% năng lượng, có thể dùng để đốt tại chỗ cho các lò phân hủy chất thải, hay dùng để sản xuất điện năng. Khoảng 3 -5% bị thải bỏ dưới hình thức nhiệt. Việc tạo ra mêtan góp phần làm giảm BOD (nhu cầu oxygen sinh hóa) trong bùn đã bị phân hủy.
• Năng lượng cần cho xử lý nước thải cũng giảm.
• Sự phân hủy yếm khí thích hợp cho chất thải có độ ô nhiễm cao.
• Có khả năng tăng công suất của hồ phản ứng.
• Hệ thống yếm khí có thể phân hủy sinh học các hợp chất xenobiotic như: chlorinated aliphatic hydrocarbons (ví dụ như trichloroethylene, trihalomethanes) và các hợp chất recalcitrant tự nhiên như lignin (các chất có chứa gỗ).

Một số điểm bất lợi của quá trình phân hủy yếm khí bao gồm:

• Quá trình này xảy ra chậm hơn quá trình hiếu khí.
• Rất nhạy với chất độc.
• Đòi hỏi một thời gian dài để khởi đầu qúa trình này.
• Vì được coi là phân hủy sinh học các hợp chất qua một quá trình đồng trao đổi chất, quá trình phân hủy yếm khí đòi hỏi nồng độ chất nền ban đầu cao.

2. Mô tả quá trình

Bồn phân hủy yếm khí là những bồn lên men lớn có gắn các thiết bị như: máy trộn cơ khí, thiết bị cung cấp nhiệt, hệ thống thu khí, các vòi để tháo và cung cấp bùn, các đầu ống ra trên mặt. Sự phân hủy và lắng bùn xảy ra đồng thời trong bồn. Bùn phân tầng và tạo thành những lớp như sau từ đáy cho đến đỉnh bồn: bùn đã phân hủy, bùn phân hủy hoạt tính, lớp bùn trên mặt, váng và khí. Công suất hoạt động của bồn đạt đến mức cao hơn khi bùn được khuấy và cấp nhiệt liên tục.

3. Xử lý vi sinh

Các nhóm vi sinh, hầu hết là vi khuẩn, đều tham gia vào việc chuyển hoá các hợp chất hữu cơ cao phân tử phức hợp thành khí metan. Thêm vào đó là sự tương tác đồng bộ giữa các nhóm vi khuẩn liên quan đến quá trình phân hủy yếm khí các chất thải. Mặc dù có thể có sự hiện diện của một số nấm và nguyên sinh động vật, nhưng rõ ràng vi khuẩn luôn vượt trội về số lượng. Một số lớn các vi khuẩn yếm khí chọc hay ngẫu nhiên tham gia vào quá trình thủy phân và lên men các hợp chất hữu cơ. Có bốn nhóm vi khuẩn liên quan đến việc chuyển hóa các chất phức hợp thành những phân tử đơn giản như metan và diôxít cacbon. Những nhóm vi khuẩn này hoạt động trong một mối quan hệ đồng bộ, nhóm này phải thực hiện việc trao đổi chất của nó trước khi chuyển phần việc còn lại cho nhóm khác v.v.

Nhóm 1: Vi khuẩn thủy phân

Các nhóm vi khuẩn yếm khí cắt vỡ các hợp chất hữu cơ phức hợp (protein, xenlulô, gỗ và mỡ) thành các đơn phân tử dễ hoà tan như: axit amin, glucô, axít béo và glycerin. Các đơn phân tử này sẵn sàng làm thức ăn cho nhóm vi khuẩn kế tiếp. Sự thủy phân các phân tử phức hợp được sự xúc tác của các enzym xenlulô phụ trội như: cellulases, proteases, và lipases. Tuy nhiên giai đoạn thủy phân này tương đối chậm và có thể bị giới hạn trong quá trình phân hủy chất thải yếm khí như chất thải xenlulô thủy phân thô, có chứa chất gỗ.

Nhóm 2: Vi khuẩn tạo axít gây lên men

Nhóm vi khuẩn tạo axít (Acidogenic) chuyển đường, axít amin, axít béo thành những axít hữu cơ (như các axít acetic, propionic, formic, lactic, butyric, succinic), rượu và các ketone (như ethanol, methanol, glycerol, acetone), acetate, CO2, và H2. Acetate là sản phẩm chính của quá trình lên men cácbon hydrát. Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại vi khuẩn cũng như điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, độ pH, khả năng ôxy hóa và khử ôxy).

Nhóm 3: Vi khuẩn tạo Aceton

Vi khuẩn tạo aceton chuyển các axít béo (như: axít propionic và butyric) và rượu thành acetate, hydro, and CO2, những chất này sẽ được sử dụng bởi nhóm vi khuẩn tạo metan. Nhóm này đòi hỏi nồng độ hydro thấp để chuyển hoá các axít béo và do đó cần phải theo dõi sát nồng độ hydro. Dưới điều kiện nồng độ hydro cục bộ cao, sự tạo thành acetate giảm và chất nền sẽ chuyển thành axít propionic, butyric và ethanol thay vì metan.

Nhóm 4: Vi khuẩn tạo khí mêtan

Sự phân hủy chất hữu cơ trong môi trường sẽ thải vào khí quyển khoảng từ 500 đến 800 triệu tấn mêtan mỗi năm và số lượng này tương ứng 0,5% chất hữu cơ tạo ra từ sự quang hợp. Trong tự nhiên vi khuẩn tạo mêtan khó tính này thường có ở các lớp bùn trầm tích hoặc trong dạ dày của các loài ăn cỏ. Nhóm này được tạo thành bởi các vi khuẩn gram âm và gram dương với các hình dạng khác nhau. Các vi sinh tạo mêtan sinh trưởng chậm trong nước thải, chu kỳ sinh có thể từ 2 ngày ở 350C cho đến 50 ngày ở 100C. Khoảng 2/3 mêtan được tạo ra từ sự chuyển hoá acetate của nhóm vi khuẩn này. 1/3 còn lại là do sự giảm CO2 tạo ra bởi hydro.

4. Các yếu tố kiểm soát quá trình phân hủy yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí ảnh hưởng bởi nhiệt độ, thời gian lưu, độ pH, thành phần hoá chất của nước thải, sự cạnh tranh giữa các nhóm vi khuẩn tạo mêtan và nhóm giảm sulfate và sự hiện diện của các chất độc.

Nhiệt độ

Sự tạo thành mêtan được ghi nhân ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Trong các qui trình xử lý nước thải, quá trình phân hủy yếm khí diễn ra ở phạm vi nhiệt độ ôn hoà từ 25 đến 40oC, nhiệt độ tối ưu vào khoảng 35oC, trong trường hợp này sẽ cho làm cho công suất hoạt động cao hơn và dẫn đến tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh. Một hạn chế của nó là rất nhạy với các chất độc. Bởi vì sự sinh trưởng của nó chậm hơn so với nhóm vi khuẩn tạo axít, nhóm tạo mêtan rất nhạy đối với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ dẫn đến làm giảm tỷ lệ sinh trưởng riêng tối đa đồng thời làm tăng hệ số bán bão hoà. Như thế nên thiết kế bồn phân hủy ở nhiệt độ ôn hoà từ 30 đến 35oC để có thể hoạt động một cách tối ưu.

Thời gian lưu

Thời gian lưu của nước thải tùy thuộc vào tính chất và điều kiện môi trường của nó, phải đủ lâu để các vi khuẩn yếm khí thực hiện việc trao đổi chất trong bồn phân hủy. Bồn phân hủy dựa trên sản phẩm của UTI có thời gian lưu ngắn hơn (1 đến 10 ngày), thời gian lưu của các bồn phân hủy ở nhiệt độ thường và ở nhiệt độ cao là từ 25 đến 35 ngày nhưng có thể thấp hơn.

Độ pH

Hầu hết các vi khuẩn tạo mêtan hoạt động trong phạm vi pH từ 6,7 đến 7,4, tối ưu là từ 7,0 đến 7,2, sự phân hủy có thể thất bại nếu pH gần ở mức 6,0. Vi khuẩn tạo axít tạo ra những axít hữu cơ có khuynh hướng làm giảm độ pH trong bồn phản ứng. Dưới điều kiện bình thường sự giảm pH này sẽ được giảm đi do chất đệm (bicarbonate) tạo ra bởi nhóm vi khuẩn tạo mêtan. Trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt, khả năng tạo chất đệm có thể không xảy ra và cuối cùng làm ngưng việc tạo ra mêtan. Axít gây cản trở nhiều hơn cho nhóm vi khuẩn tạo mêtan so với nhóm vi khuẩn tạo axít. Sự tăng axít dễ bay hơi như thế sẽ là dấu hiệu cho thấy hệ thống không còn hoạt động hiệu quả. Theo dõi tỷ lệ tổng mức axít dễ bay hơi (như axít acetic) so với tổng độ kiềm (như cácbonat canxi) để bảo đảm rằng tỷ lệ này luôn dưới 0,1.

Chất độc

Rất nhiều loại chất độc chịu trách nhiệm về sự hoạt động không hiệu quả hay xảy ra trong một hệ thống phân hủy yếm khí. Sự ngăn cản việc tạo ra khí mêtan biểu hiện bằng lượng mêtan tạo ra giảm và nồng độ axít dễ bay hơi tăng.  

Nguồn: Cong Ty Cong Nghe Sinh Hoc ATC, Q. Binh Thanh, TP Ho Chi Minh

VIETLINH PTE. Official Homepage