Bài 4: Hiếu khí, kỵ khí và các loại phân hủy

Giới thiệu

Vi sinh vật cũng giống như tất cả các sinh vật sống, cần có thức ăn để tăng trưởng. Xử lý nước thải sinh học bao gồm từng bước một, liên tục, tấn công một cách trình tự trên các hợp chất hữu cơ có trong nước thải và trên thức ăn mà vi khuẩn hấp thụ.

 

Phân hủy hiếu khí

Hiếu khí là quá trình thanh lọc sinh học tự nhiên trong đó vi khuẩn phát triển mạnh trong môi trường giàu oxy và phân hủy các chất thải.

Trong suốt quá trình oxy hóa, các chất ô nhiễm được chia thành carbon dioxide (CO 2), nước (H 2 O), nitrat, sunfat và sinh khối (vi sinh vật). Bằng cách cung cấp oxy với thiết bị sục khí, quá trình này có thể được tăng tốc đáng kể. Trong tất cả các phương pháp xử lý sinh học, hiếu khí là quá trình phổ biến nhất được sử dụng trên toàn thế giới.

 

Nhu cầu sinh học và oxy hóa

Vi khuẩn hiếu khí cần oxy để phân hủy các chất ô nhiễm hòa tan. Một lượng lớn các chất gây ô nhiễm đòi hỏi một lượng lớn vi khuẩn; do đó nhu cầu về oxy sẽ cao.

Nhu cầu oxy sinh học (BOD) là một thước đo về số lượng các chất ô nhiễm hữu cơ hòa tan có thể được loại bỏ trong quá trình oxy hóa sinh học của vi khuẩn. Nó được thể hiện bằng mg/l.

Nhu cầu oxy hóa học (COD) đo lường số lượng các chất ô nhiễm hữu cơ hòa tan hơn có thể được loại bỏ trong quá trình oxy hóa hóa học, bằng cách thêm axit mạnh. Nó được thể hiện bằng mg/l.

Các BOD/COD cho dấu hiệu thể hện các phần của các chất ô nhiễm trong nước thải sinh học.

 

Ưu điểm của Hiếu khí

Vi khuẩn hiếu khí là rất hiệu quả trong việc phá vỡ các phế phẩm. Kết quả của việc này cho thấy xử lý hiếu khí thường mang lại chất lượng nước thải tốt hơn so với quá trình kỵ khí. Phân huỷ hiếu khí cũng phát hành một số lượng đáng kể năng lượng. Một phần năng luọng được sử dụng bởi các vi sinh vật để tổng hợp và phát triển của vi sinh vật mới.

 

Quá trình sinh học, trong đó, các sinh vật sử dụng chất hữu cơ có sẵn để hỗ trợ hoạt động sinh học. Quá trình sử dụng các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, oxy hòa tan và sản xuất các chất rắn ổn định, carbon dioxide, và các sinh vật khác. Các vi sinh vật chỉ có thể tồn tại trong điều kiện hiếu khí được gọi là sinh vật hiếu khí. Đường cống nước thải không có oxy sẽ trở nên thiếu ôxy nếu để cho một vài giờ, và trở thành kỵ khí nếu để hơn 1.5 ngày. Sinh vật thiếu oxy hoạt động tốt với các sinh vật hiếu khí và kỵ khí. 

 

Phân hủy thiếu khí

Một quá trình sinh học trong đó một nhóm các vi sinh vật sử dụng kết hợp oxy hóa như được tìm thấy trong nitrit và nitrat. Những sinh vật tiêu thụ chất hữu cơ để hỗ trợ chức năng sống. Chúng sử dụng các chất hữu cơ, kết hợp oxy từ nitrat, và chất dinh dưỡng để sản sinh khí nitơ, carbon dioxide, chất rắn ổn định và sản sinh ra nhiều sinh vật hơn.

  

Phân hủy kỵ khí

Kỵ khí là một phản ứng sinh hóa phức tạp được thực hiện ở một số bước của một số loại vi sinh vật đòi hỏi ít hoặc không có oxy để sống. Trong quá trình này, một loại khí chủ yếu gồm khí methane và carbon dioxide, cũng được gọi là khí sinh học, được sản xuất. Lượng khí sản sinh ra khác nhau tùy vào số lượng chất thải hữu cơ làm thức ăn và nhiệt độ ảnh hưởng tỷ lệ phân hủy và sản sinh khí đốt (gas).

 

Phân hủy kỵ khí xảy ra trong bốn bước:

• Thủy phân: chất hữu cơ phức tạp bị phân hủy thành các phân tử hữu cơ hòa tan đơn giản sử dụng nước để phân chia các liên kết hóa học giữa các chất.

• Lên men hoặc Acidogenesis: Sự phân hủy hóa học của tinh bột bằng enzyme, vi khuẩn, nấm men, mốc trong sự vắng mặt của oxy.

• Acetogenesis: Các sản phẩm lên men được chuyển đổi thành acetate, hydro và carbon dioxide được gọi là vi khuẩn acetogenic.

• Methanogenesis: hình thành từ acetate và hydro/carbon dioxide do vi khuẩn men vi sinh methanogenic.

Các vi khuẩn acetogenic phát triển gắn liền với các vi khuẩn men vi sinh methanogenic trong giai đoạn thứ tư của quá trình. Lý do của điều này là việc chuyển đổi các sản phẩm lên men bởi các acetogens là nhiệt động học chỉ khi nồng độ hydro được giữ đủ thấp. Điều này đòi hỏi một mối quan hệ gần gũi giữa hai lớp của vi khuẩn.

Quá trình kỵ khí chỉ diễn ra trong điều kiện yếm khí nghiêm ngặt. Nó đòi hỏi cụ thể chất rắn sinh học thích nghi và điều kiện cụ thể, đó là khác biệt đáng kể cần thiết để xử lý hiếu khí.

 

 Ưu điểm của phân hủy kỵ khí

Ô nhiễm nước thải được chuyển thành khí methane, carbon dioxide và số lượng nhỏ của chất rắn sinh học. Sự tăng trưởng sinh khối là thấp hơn nhiều so với quá trình hiếu khí. 

 

Phân hủy kỵ khí

Một quá trình sinh học phân hủy các chất hữu cơ xảy ra mà không cần oxy. Có 2 quá trình xảy ra trong phân hủy yếm khí. Đầu tiên, axit ngẫu nhiên hình thành vi khuẩn sử dụng chất hữu cơ như là một nguồn thực phẩm và sản xuất ra ãit dễ bay hơi (hữu cơ), các chất khí như carbon dioxide và hydrogen sulfide, chất rắn ổn định và sản sinh ra sinh vật. Thứ hai, methane kỵ khí sử dụng các axit dễ bay hơi như là một nguồn thực phẩm và sản xuất khí methane, chất rắn ổn định và sản sinh ra nhiều methane kỵ khí hơn. Khí mêtan được sản sinh ra bởi quá trình này là có thể sử dụng làm nhiên liệu. Các methane cũ hoạt động chậm hơn so với axit cũ, do đó độ pH phải duy trì liên tục nhất quán để tối ưu hóa việc tạo ra khí metan. Bạn cần phải liên tục cung cấp natri (sodium) bicarbonate để giữ cho nó ổn định.

Tóm tắt

Các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kị khí giúp chuẩn bị chất thải cho phân hủy bằng cách tấn công các hợp chất hữu cơ có trong nước thải. Trong phân hủy hiếu khí vi sinh vật duy nhất có thể sống sót là những sinh vật hiếu khí. Trong phân hủy thiếu khí các vi sinh vật sử dụng kết hợp oxy hóa được tìm thấy trong nitrit và nitrat. Trong quá trình này, các sinh vật tiêu thụ các chất hữu cơ để giúp hỗ trợ chức năng sống của chúng. Trong giai đoạn đầu tiên của sự phân hủy yếm khí, vi khuẩn hình thành axit sử dụng các chất hữu cơ như thực phẩm trong đó sản xuất các loại khí dễ bay hơi, các axit và các sinh vật ngẫu nhiên. Thứ hai, giai đoạn methane sử dụng các axit dễ bay hơi như là một nguồn thực phẩm và sản xuất nhiều khí. Khí này có thể được sử dụng làm nhiên liệu.

Ths. Nguyễn Minh Trí lược dịch