CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Các quá trình vi sinh yếm khí Mặc dù hiện tượng phân hủy yếm khí chất hữu cơ thành khí cháy được (ngày nay gọi là biogas) đã được Van Helmont phát hiện từ thế kỷ 17 nhưng mãi tới những năm 1890 Omelianski mới phân lập thành công các vi khuẩn tạo hyđrô, axit axetic và butyric trong quá trình lên men xellulo. Ông cũng là người đầu tiên giả định về phản ứng vi sinh tạo metan từ hyđrô và carbon đioxit, điều mà tới 1910 mới được Sohngen khẳng định, đồng thời với phản ứng tạo metan từ axit axetic qua con đường giải phóng CO2 [6]. Vấn đề phân hủy yếm khí bắt đầu được quan tâm thực sự từ những năm 1930, các nghiên cứu về vấn đề này dẫn tới sự phát hiện các loại vi khuẩn yếm khí có khả năng phân hủy chất hữu cơ.
Tiếp theo là các nghiên cứu về các điều kiện mà vi khuẩn yếm khí có thể phát triển và sinh trưởng tốt [7]. Tới những năm 1970, do các vấn đề địa chính trị ở Trung Cận Đông, khủng hoảng năng lượng kéo theo sự gia tăng đột biến của giá dầu mỏ thì tiềm năng năng lượng từ biogas - một nguồn năng lượng tái tạo bắt đầu được chú ý hơn nên bản chất của quá trình XLYK cũng như các kỹ thuật XLYK trở thành đề tài nóng trong giới nghiên cứu. Hơn nữa, những năm 1970 chính là thời điểm mà Luật môi trường được thông qua ở hàng loạt các nước phát triển, đây chính là những động lực chính để phát triển các công nghệ XLYK, nhất là với những nguồn nước thải giàu hữu cơ. Kết quả của các nỗ lực này là sự hệ thống hóa, lượng hóa cơ chế phân hủy chất hữu cơ vốn rất phức tạp thành sơ đồ Hình 1.1, dưới tác dụng của các tổ hợp vi sinh vật khác nhau các chất hữu cơ sẽ phân hủy qua bốn công đoạn chuyển hóa: (1) thủy phân, (2) axit hóa, (3) axetat hóa và(4) metan hóa.
Theo Gujer vàZehnder (1983) [8], 70% metan sẽ hình thành từ chất trung gian là axetat theo phản ứng (a) và 30% metan còn lại là sản phẩm chuyển hóa của chất trung gian rất quan trọng là hyđrô theo phản ứng (b). CH3COOH CH4 + CO2 (a) 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O (b) 5 Theo một số tác giả khác tỷ lệ này có chút khác biệt, cụ thể là 72/28 [9] song bản chất các giai đoạn không thay đổi. Các phản ứng trung gian khác và nhiệt động học của các quá trình yếm khí có thể tham khảo chi tiết hơn ở [10]. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí Ngay từ 1982 Mc Carty [11] đã liệt kê các bước tiến hóa của công nghệ này.
Bắt đầu của các hệ thống xử lý năng suất cao là “bồn phản ứng khuấy trộn hoàn toàn” cho tới bồn phản ứng có kiểm soát nhiệt độ thường sử dụng cho “nước” thải có nồng độ hữu cơ rắn cao (thực chất là bùn thải và các chất thải hữu cơ), cuối cùng là những hệ phản ứng có năng suất rất cao nhờ mật độ cao của vi sinh hoạt tính. So với quá trình hiếu khí thì quá trình yếm khí tiêu tốn ít năng lượng hơn, sinh ra ít bùn thải hơn, chi phíxử lý thấp hơn, hơn nữa lại có tiềm năng thu hồi năng lượng ở dạng năng lượng tái tạo. Trong điều kiện yếm khí, các chất hữu cơ được chuyển đổi thành khíCH4, mỗi 1 kg COD được loại bỏ sinh ra khoảng 13,5 MJ CH4 năng lượng, đem lại 1,5 kWh điện (với hiệu suất chuyển đổi điện đạt 40%) [4]. Trong lĩnh vực công nghệ vi sinh xử lý nước thải, động học của phản ứng phân hủy yếm khí nói riêng và các phản ứng vi sinh nói chung tuân theo phương trì nh Monod [12]: 6 𝑘.1) 𝐾𝑆 +𝑆 Trong đó: rsu = tốc độ tiêu thụ cơ chất (chất ô nhiễm), g/m 3 /ngày k = tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa, g cơ chất/g VSS/ngày X = nồng độ sinh khối (vi khuẩn), g VSS/m 3 S = nồng độ cơ chất (quyết định tốc độ), g/m3 Ks = hằng số bán bão hòa = nồng độ cơ chất mà ở đó tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng bằng 50% tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa, g/m3 Theo phương trình (1.1), tốc độ phản ứng (xử lý) tỷ lệ thuận với tốc độ riêng tối đa k (trong quá trình XLYK là hoạt tính tạo metan riêng - SMA (Specific Methanogenic Activity)) và nồng độ vi sinh X trong hệ phản ứng.
SMA đặc trưng cho tổ hợp vi khuẩn yếm khí xúc tác cho hệ phản ứng, đây là đại lượng rất đặc thù và phụ thuộc vào nhiều yếu tố [10]: nhiệt độ; khả năng sinh hủy của chất bẩn; sự có mặt của chất độc hay chất ức chế; nồng độ và phần VSS trong nước vào; mức độ axit hóa trước của nước thải. Như vậy tốc độ phản ứng sẽ tỷ lệ thuận với mật độ vi sinh X, nghĩa là muốn giảm thể tích thiết bị phải tăng X. Tuy nhiên, khi đã tăng X cần những hệ phản ứng cho phép làm việc ở X lớn mà không ảnh hưởng đến quá trình vận hành (bùn bông lắng cũng chỉ có mật độ 6-8 g/L). Vì vậy, các kỹ thuật phản ứng mới muốn có năng suất xử lý cao phải đồng thời giải quyết được các yêu cầu: tăng X nhưng không thất thoát mất vi sinh và tiếp xúc vi sinh/nước thải tốt (khuấy trộn).
Các thiết bị phản ứng “cao tải” (high - rate) thế hệ mới (AC, AF, UASB, FB, EGSB, IC, .) trì nh bày ở sau giải quyết được các vấn đề này. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt Đột phá trong công nghệ XLYK đối với nước thải giàu hữu cơ là phát minh của nhóm G. Theo ý tưởng của tác giả, khả năng lưu giữ bùn hoạt tính trong bồn phản ứng được đảm bảo nhờ sự hình thành lớp bùn bông mật độ cao dày vài mét và nhất là bùn dạng hạt có tốc độ lắng rất cao kết hợp với việc áp dụng cơ cấu tách ba pha K/L/R có dạng hình nón ở phần trên của lớp nước. Lettinga [14], ý tưởng về UASB được kế thừa và phát triển khi nghiên cứu hệ lọc 7 yếm khí với tải lượng trên 10 kg COD/m3/ngày.
Trong quá trình nghiên cứu các tác giả đã ghi nhận sự xuất hiện của bùn hoạt tính cóhoạt tính cao và lắng rất tốt. Điều này đã dẫn tới cách tiếp cận về một kỹ thuật XLYK mới mà bây giờ gọi là UASB. Năm 1971-1972 các pilot quy mô6 và30 m3 lần lượt được thử nghiệm, kết quả thu được đã chứng minh tính khả thi của UASB. Năm 1976 hệ UASB đầu tiên quy mô 200 m3 được đưa vào vận hành ở nhà máy đường, một năm sau hệ UASB quy mô 1000 m3 được xây dựng và ngay sau đó là nhà máy thứ hai ở Breda – Hà Lan.
Thành công của UASB kéo theo hàng loạt những nghiên cứu về vi sinh dạng hạt. Sự hình thành vi sinh dạng hạt Trong công nghệ XLYK nước thải, nhất là nước thải giàu hữu cơ, khi các tế bào tự tập hợp lại để tạo thành các hạt bùn bền, có hoạt tính cao và có khả năng lắng rất nhanh đã trở thành đối tượng nghiên cứu hàng đầu [15]. Hạt bùn vi sinh yếm khí là tập hợp vi sinh có mật độ cao được hình thành trong mối quan hệ tương hỗ với môi trường xung quanh (đặc trưng nước thải, đặc trưng thủy động của dòng chảy). Sự phân hủy các thành phần ô nhiễm trong nước thải được thực hiện nhờ những lớp vi sinh chức năng tương ứng có mặt trong hạt bùn.
Trên cơ sở các quan hệ tương hỗ này Fitzpatrick vàcs. (1989) [16] cho rằng sự hình thành bùn dạng hạt là bản năng của vi sinh, nó có thể là do (1) sự tập hợp các tế bào (tạo hạt bùn) để hình thành các quần thể vi sinh không đồng nhất dưới dạng tập hợp đa tế bào ở điều kiện sinh lý thuận lợi, điều này dẫn tới (2) tương tác tương hỗ giữa các vi sinh vật lân cận tạo thuận lợi cho trao đổi các yếu tố di truyền, (3) sự tạo hạt có thể bảo vệ các vi sinh khỏi các nguyên sinh động vật ăn vi khuẩn yếm khí, (4) trong thể tích hạt quãng đường khuếch tán của các sản phẩm lên men trung gian tới các vi khuẩn chuyển hóa tiếp theo được rút ngắn. Điều này làm giảm năng lượng tiêu tốn cho quá trình vận chuyển chất, tăng hiệu quả chuyển hóa, và (5) ở điều kiện không tốt cho sự sinh trưởng của vi sinh (ví dụ, pH vượt ngưỡng, có mặt chất độc v.v…), môi trường cục bộ trong hạt vi sinh sẽ ít bị ảnh hưởng hơn, vì vậy sự chuyển hóa ít bị ảnh hưởng. Các lý thuyết/quan điểm về sự hình thành bùn vi sinh yếm khí dạng hạt liên quan đến hoạt động của các hệ XLYK cao tải, một số quan điểm về sự tạo hạt bùn được tóm tắt dưới đây.
8 Đối với quá trình metan hóa, sự tự bám dính của vi khuẩn hay hiện tượng tự tập hợp của vi khuẩn được coi là sự bắt đầu của quá trình tạo hạt bùn. Nó là hệ quả của tương tác vi khuẩn-vi khuẩn hoặc vi khuẩn-bề mặt rắn. Về mặt nhiệt động học, khi vi khuẩn tiến lại gần nhau chúng đồng thời chịu các lực tác động ngược chiều nhau, một mặt là lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu, mặt khác là lực hút phân tử van de Waals, tiếp theo là tương tác với các phân tử nước (hydrat hóa) và giữa các hạt đã hydrat hóa. Một số lý thuyết/quan điểm, thuyết hóa lý, đã được xây dựng trên cơ sở phân tích các hiện tượng này.
Lettinga et al. (1980) [13] cho rằng khi có mặt “mầm” hoặc các hạt vật liệu rắn rất nhỏ, vi khuẩn có thể bám lên bề mặt “mầm” để tạo thành các phôi hạt. Tiếp theo, vi khuẩn tiếp tục bám lên các phôi hạt này cho tới khi tạo hạt bùn thấy được bằng mắt. Minh chứng cho vai trò của mầm rắn đã được chứng minh bằng thực nghiệm khi Hulshoff Pol cho thêm các hạt khoáng chất zeolit hoặc hydro-anthraxit có kích cỡ khoảng 100 m vào môi trường nuôi vi khuẩn, chúng đã đẩy nhanh quá trình tạo hạt bùn yếm khí[17].
Hulshoff Pol vàcs. (1988) [18] cho rằng sự tập hợp vi khuẩn thành hạt là phản ứng của vi khuẩn để chống lại các áp lực trong quá trình chọn lọc.