Phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ hoạt động thế nào?

Điểm quan trọng là đây không chỉ là một phương pháp giảm lượng chất thải. Hệ thống còn thu hồi carbon hữu cơ dưới dạng khí sinh học để tạo nhiệt, điện hoặc tiếp tục nâng cấp thành nhiên liệu khí; phần digestate có thể được tách rắn–lỏng và xử lý để sử dụng theo mục đích phù hợp.

Chất thải hữu cơ được đưa vào hệ thống kỵ khí như thế nào?

Nguồn nguyên liệu có thể gồm thức ăn thừa, chất thải chế biến thực phẩm, phân gia súc, bùn hữu cơ, phụ phẩm nông nghiệp và một số dòng chất thải hữu cơ khác. Có thể xử lý từng loại riêng hoặc phối trộn nhiều dòng nguyên liệu trong cùng một hệ thống, gọi là đồng phân hủy kỵ khí.

Trước khi vào bể phân hủy, chất thải thường cần được chuẩn bị để giảm các thành phần không mong muốn. Với chất thải hữu cơ đô thị, công đoạn tiền xử lý có thể bao gồm mở bao, phân loại, sàng hoặc giảm kích thước để loại nhựa, kim loại, xương và các chất khó phân hủy. Mục tiêu là tạo dòng nguyên liệu có tính chất ổn định hơn và phù hợp với thiết kế thiết bị.

Sau đó, nguyên liệu được đưa vào thiết bị kín. Trong môi trường không có oxy, nhiều nhóm vi sinh vật hoạt động nối tiếp nhau thay vì một nhóm duy nhất xử lý toàn bộ chất hữu cơ. Vì vậy, hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào sự cân bằng giữa các nhóm vi sinh vật và điều kiện vận hành.

Bốn giai đoạn tạo khí sinh học diễn ra ra sao?

Về cơ chế, quá trình thường được mô tả qua bốn giai đoạn liên tiếp: thủy phân, axit hóa, acetogenesis và methanogenesis. Sản phẩm của giai đoạn trước trở thành cơ chất cho giai đoạn sau.

Thủy phân

Ở bước đầu, các hợp chất hữu cơ phức tạp như carbohydrate, protein và chất béo được phân cắt thành các phân tử đơn giản hơn. Protein được chuyển thành các hợp chất nhỏ hơn như amino acid; carbohydrate tạo đường đơn; lipid được chuyển thành acid béo và các chất hòa tan khác. Đây thường là bước đặc biệt quan trọng đối với chất thải có cấu trúc khó phân hủy vì tốc độ thủy phân có thể giới hạn tốc độ của toàn bộ quá trình.

Axit hóa

Các chất hòa tan từ thủy phân tiếp tục được vi sinh vật lên men thành các acid hữu cơ dễ bay hơi, cùng với carbon dioxide và hydrogen. Nếu tốc độ hình thành acid cao hơn khả năng xử lý của các nhóm vi sinh vật phía sau, acid có thể tích tụ và làm pH giảm. Khi đó hoạt động của vi sinh vật sinh methane bị ức chế và hệ thống dễ mất ổn định.

Acetogenesis

Trong giai đoạn này, các hợp chất trung gian, đặc biệt là các acid béo dễ bay hơi, tiếp tục được chuyển thành acetate, carbon dioxide và hydrogen. Đây là cầu nối giữa quá trình tạo acid và quá trình hình thành methane.

Methanogenesis

Đây là giai đoạn tạo methane. Các vi sinh vật sinh methane chuyển acetate hoặc sử dụng hydrogen cùng carbon dioxide để tạo CH₄. CH₄ cùng CO₂ và một lượng nhỏ các khí khác tạo thành biogas thu được ở phía trên bể phân hủy.

Biogas thường chứa khoảng 50–75% methane, phần còn lại chủ yếu là CO₂ cùng hydrogen sulfide, hơi nước và các khí vết khác. Vì vậy, khí thu trực tiếp từ bể chưa đồng nghĩa với khí tự nhiên chất lượng cao; tùy mục đích sử dụng, khí có thể cần làm sạch và nâng cấp để loại CO₂, H₂S và các tạp chất.

Điều kiện nào quyết định quá trình có tạo methane ổn định?

Không oxy là điều kiện nền tảng, nhưng chỉ loại bỏ oxy chưa đủ. Hệ thống còn phải duy trì môi trường phù hợp cho quần thể vi sinh vật hoạt động ổn định.

pH phải phù hợp với giai đoạn sinh methane

Vi sinh vật sinh methane nhạy với biến động pH. Khi acid hữu cơ tích tụ, pH có thể giảm và kéo theo suy giảm hoạt động sinh methane. Các tài liệu vận hành của EPA ghi nhận vùng pH khoảng 6,8–7,2 là vùng vận hành tốt đối với quá trình phân hủy bùn kỵ khí, dù phạm vi thực tế còn phụ thuộc hệ thống và nguyên liệu.

Điều này giải thích vì sao một bể có thể vẫn đang “phân hủy” chất hữu cơ nhưng lượng methane lại giảm: giai đoạn tạo acid có thể đang diễn ra nhanh hơn giai đoạn sử dụng acid để tạo methane.

Nhiệt độ phải ổn định

Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và hoạt tính của vi sinh vật. Hai chế độ phổ biến là mesophilic và thermophilic. Trong khảo sát gần đây của EPA đối với các cơ sở xử lý chất thải thực phẩm, phần lớn hệ thống được khảo sát là loại ướt và vận hành ở chế độ mesophilic; các thí nghiệm của EPA về hệ mesophilic cũng ghi nhận vùng khoảng 35–37°C.

Vấn đề không chỉ là đạt một nhiệt độ mục tiêu mà còn phải tránh dao động mạnh. Nhiệt độ, chất rắn, thời gian lưu, thành phần nguyên liệu và các thông số khác tác động lẫn nhau đến sự cân bằng giữa thủy phân và methanogenesis.

Tải hữu cơ và thành phần nguyên liệu phải được kiểm soát

Đưa quá nhiều chất hữu cơ vào trong thời gian ngắn có thể làm tốc độ tạo acid tăng nhanh, gây tích tụ VFA và làm hệ mất ổn định. Các nghiên cứu trên chất thải hữu cơ cho thấy khi tải hữu cơ tăng, nồng độ VFA có thể tăng trong khi pH và nồng độ methane giảm, tùy điều kiện vận hành.

Thành phần nguyên liệu cũng quyết định khả năng tiêu hóa. Ví dụ, chất thải giàu nitrogen có thể tạo ammonia; ở nồng độ đủ cao, ammonia tự do có thể gây ức chế methanogenesis.

Vì vậy, vận hành thực tế thường theo nguyên tắc giữ cho hệ vi sinh vật ở trạng thái cân bằng thay vì đơn giản tăng lượng chất thải nạp vào để cố tạo nhiều khí hơn.

Sau khi phân hủy, hệ thống thu được những gì?

Kết quả chính của quá trình là hai dòng sản phẩm: biogas và digestate.

Biogas là dòng sản phẩm mang giá trị năng lượng. Nó có thể được đốt để tạo nhiệt, dùng cho động cơ và máy phát điện hoặc được làm sạch, nâng cấp để tạo khí methane có chất lượng phù hợp cho những mục đích sử dụng cao hơn.

Digestate là phần vật liệu còn lại sau phân hủy. Nó thường chứa cả pha rắn và lỏng, có thể được tách riêng để tiếp tục xử lý. Tùy chất lượng nguyên liệu, mức độ xử lý và yêu cầu quản lý, digestate có thể được sử dụng làm phân bón, chất cải tạo đất hoặc cho một số mục đích khác; không nên mặc định rằng mọi digestate đều có thể sử dụng trực tiếp mà không cần đánh giá chất lượng và quy định áp dụng.

Vì sao phân hủy kỵ khí phù hợp để xử lý chất thải hữu cơ?

Giá trị của công nghệ nằm ở việc kết hợp xử lý chất thải với thu hồi tài nguyên. Khi phần hữu cơ được tách khỏi dòng chất thải cần chôn lấp và đưa vào hệ thống kỵ khí, carbon hữu cơ có thể được chuyển thành biogas thay vì chỉ trở thành dòng chất thải cuối cùng. Đồng thời, các chất dinh dưỡng còn lại trong digestate có thể tiếp tục được thu hồi hoặc sử dụng sau xử lý.

Cách vận hành điển hình có thể hình dung như sau:

1.    Phân loại và tiền xử lý chất thải hữu cơ

2.    Đưa nguyên liệu vào bể kín không có oxy

3.    Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp

4.    Axit hóa và acetogenesis tạo các chất trung gian

5.    Methanogenesis tạo methane và biogas

6.    Thu gom, làm sạch hoặc nâng cấp biogas theo mục đích sử dụng

7.    Tách và xử lý digestate

8.    Tái sử dụng sản phẩm phù hợp với chất lượng và yêu cầu quản lý

Điểm quyết định hiệu quả không nằm ở việc “có tạo ra khí” hay không mà ở khả năng kiểm soát đồng thời chất lượng nguyên liệu, pH, nhiệt độ, tải hữu cơ, thời gian lưu, các chất gây ức chế và cân bằng giữa các nhóm vi sinh vật. Khi các điều kiện này được kiểm soát, phân hủy kỵ khí trở thành một quy trình chuyển đổi chất thải hữu cơ thành hai dòng sản phẩm có giá trị: năng lượng từ biogas và vật liệu giàu dinh dưỡng từ digestate.

Phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ hoạt động bằng cách đưa chất thải vào môi trường kín không có oxy để một chuỗi vi sinh vật phân giải chất hữu cơ qua thủy phân, axit hóa, acetogenesis và methanogenesis. Kết quả là biogas chứa methane và digestate. Muốn hệ thống vận hành ổn định, cần kiểm soát chặt pH, nhiệt độ, tải hữu cơ, thành phần nguyên liệu và các chất gây ức chế; vì vậy đây là một công nghệ xử lý sinh học đồng thời có khả năng thu hồi năng lượng và tài nguyên từ chất thải hữu cơ.