Xử lý sinh học kỵ khí phân hủy chất hữu cơ như thế nào?

Xử lý sinh học kỵ khí là quá trình dùng hệ vi sinh vật hoạt động trong môi trường không có oxy để chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn, cuối cùng tạo methane và carbon dioxide. Với nước thải và bùn thải, đây là một quá trình sinh học chứ không phải chỉ là hiện tượng “ủ” chất thải: nhiều nhóm vi sinh vật đảm nhiệm các bước chuyển hóa khác nhau và phụ thuộc lẫn nhau.

Chuỗi chuyển hóa có thể hiểu theo hướng:

Chất hữu cơ phức tạp → hợp chất hòa tan → axit hữu cơ và sản phẩm trung gian → acetate, hydrogen và carbon dioxide → methane và carbon dioxide

Điểm quan trọng nằm ở bước cuối. Methanogen sử dụng các cơ chất phù hợp để tạo methane, nên một phần carbon hữu cơ không còn nằm trong nước thải mà được chuyển thành khí sinh học. EPA mô tả khí sinh học của quá trình tiêu hóa kỵ khí chủ yếu gồm methane và carbon dioxide.

Quá trình này khác với xử lý hiếu khí ở chỗ không cần cấp khí liên tục để vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ. Vì vậy, chi phí năng lượng cho sục khí có thể được giảm, đồng thời quá trình có khả năng thu hồi năng lượng dưới dạng biogas. Tuy nhiên, “không cần oxy” không có nghĩa là hệ thống không cần kiểm soát điều kiện vận hành; hoạt tính của quần thể vi sinh vật vẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, tải hữu cơ, thời gian lưu và trạng thái hóa học của môi trường.

Bốn giai đoạn biến chất hữu cơ thành khí sinh học

1. Thủy phân

Các chất hữu cơ lớn như carbohydrate, protein và chất béo trước hết phải được phân cắt thành những phân tử nhỏ hơn và dễ hòa tan hơn. Đây là bước biến cơ chất phức tạp thành đường, amino acid, acid béo và các chất trung gian mà các nhóm vi sinh vật phía sau có thể tiếp tục sử dụng.

Thủy phân đặc biệt quan trọng khi nước thải hoặc bùn chứa nhiều chất hữu cơ dạng hạt. Nếu cơ chất khó phân hủy, tốc độ của toàn bộ chuỗi có thể bị giới hạn ngay từ bước đầu.

2. Acidogenesis

Các hợp chất hòa tan sau thủy phân được vi sinh vật lên men thành các sản phẩm như acid hữu cơ dễ bay hơi, alcohol, hydrogen và carbon dioxide. EPA mô tả giai đoạn này là quá trình tạo các hợp chất hữu cơ hòa tan và các acid hữu cơ mạch ngắn.

Đây là lý do hệ kỵ khí không chuyển ngay chất hữu cơ thành methane. Trước khi sinh methane, cơ chất phải đi qua một loạt phản ứng trung gian.

3. Acetogenesis

Các sản phẩm của acidogenesis tiếp tục được chuyển thành những cơ chất phù hợp hơn cho giai đoạn sinh methane, đặc biệt là acetate, cùng hydrogen và carbon dioxide. Bước này tạo cầu nối giữa các nhóm vi sinh vật tạo acid và nhóm methanogen.

Vì các nhóm vi sinh vật này liên kết về mặt chuyển hóa, sự mất cân bằng ở một khâu có thể ảnh hưởng đến các khâu còn lại. Chẳng hạn, nếu sản phẩm trung gian tích lũy nhanh hơn tốc độ được nhóm vi sinh vật tiếp theo tiêu thụ, quá trình kỵ khí có thể mất ổn định.

4. Methanogenesis

Ở giai đoạn cuối, methanogen chuyển các cơ chất thích hợp thành methane và carbon dioxide. Đây là bước tạo ra phần khí sinh học có giá trị năng lượng cao nhất.

Có thể hình dung toàn bộ quá trình như một dây chuyền: nhóm vi sinh vật trước tạo “nguyên liệu đầu vào” cho nhóm tiếp theo, và methanogen sử dụng sản phẩm cuối của chuỗi để hình thành methane. EPA cũng mô tả rõ quá trình từ chất hữu cơ phức tạp qua các chất hòa tan, acidogenesis, acetogenesis rồi đến methanogenesis.

Vi sinh vật quyết định tốc độ và độ ổn định của quá trình

Xử lý kỵ khí không do một nhóm vi sinh vật duy nhất thực hiện. Các nhóm vi khuẩn và cổ khuẩn có chức năng khác nhau cùng tạo thành một cộng đồng chuyển hóa.

Nhóm thủy phân và acid hóa xử lý những cơ chất ban đầu. Nhóm acetogen tiếp tục chuyển hóa các sản phẩm trung gian. Methanogen thực hiện bước hình thành methane. Vì vậy, hiệu quả xử lý không chỉ phụ thuộc vào lượng chất hữu cơ đưa vào mà còn phụ thuộc vào việc các nhóm này có duy trì được quan hệ cân bằng hay không.

Nhiệt độ là một điều kiện quan trọng. Các hệ kỵ khí thường được vận hành trong vùng trung nhiệt hoặc nhiệt cao; nhiều tài liệu kỹ thuật mô tả vùng trung nhiệt khoảng 30–38°C, trong khi điều kiện nhiệt thấp làm giảm tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật và tốc độ thủy phân.

Điều đó giải thích vì sao cùng một loại nước thải nhưng hiệu suất xử lý có thể thay đổi khi nhiệt độ, tải hữu cơ hoặc thành phần nước thải thay đổi. Hệ thống không chỉ cần “không có oxy” mà còn phải duy trì môi trường đủ thuận lợi cho chuỗi vi sinh vật hoạt động liên tục.

Điều kiện vận hành quyết định quá trình có ổn định hay không

Một hệ xử lý kỵ khí ổn định phải duy trì được sự cân bằng giữa tốc độ tạo các chất trung gian và tốc độ tiêu thụ chúng. Nếu nhóm tạo acid hoạt động nhanh nhưng nhóm methanogen bị ức chế, các acid hữu cơ có thể tích lũy và làm quá trình suy giảm.

Thành phần và nồng độ nước thải cũng rất quan trọng. Những thay đổi đột ngột về tải hoặc thành phần cơ chất có thể gây xáo trộn quần thể vi sinh vật. Các tổng quan về xử lý kỵ khí nước thải ghi nhận nguy cơ mất ổn định khi thành phần và tải của dòng thải thay đổi, cùng với các vấn đề liên quan đến nhiệt độ và nhu cầu kiềm.

Vì vậy, một hệ kỵ khí thực tế thường phải kiểm soát đồng thời:

·         Tải chất hữu cơ đưa vào

·         Nhiệt độ vận hành

·         Thời gian lưu thích hợp

·         Khả năng giữ lại sinh khối kỵ khí

·         Sự tích lũy acid hữu cơ

·         Các chất có khả năng gây ức chế vi sinh vật

Với các công nghệ như UASB, việc giữ sinh khối trong bể là một yếu tố quan trọng để duy trì nồng độ vi sinh vật đủ cao cho quá trình xử lý. Công nghệ này đã được ứng dụng cho nhiều loại nước thải công nghiệp và cả một số dòng nước thải sinh hoạt.

Kỵ khí tạo biogas nhưng không đồng nghĩa với xử lý hoàn toàn nước thải

Kết quả của quá trình kỵ khí không chỉ là khí sinh học. Một phần chất hữu cơ được chuyển hóa thành khí, phần còn lại vẫn có thể tồn tại trong nước sau xử lý dưới dạng các chất hòa tan, chất rắn hoặc các hợp chất chưa được phân hủy hoàn toàn.

Đây là giới hạn quan trọng khi đánh giá công nghệ. Các tổng quan về xử lý kỵ khí nước thải cho thấy công nghệ có thể gặp hạn chế về loại bỏ chất rắn, chất hữu cơ ở mức yêu cầu xả thải, chất dinh dưỡng và một số điều kiện nhiệt độ. Vì vậy, xử lý kỵ khí thường không nên được hiểu là bước duy nhất trong mọi dây chuyền xử lý nước thải.

Khí methane cũng có thể tồn tại một phần dưới dạng hòa tan trong nước sau xử lý, đặc biệt với nước thải có tải hữu cơ thấp. Đây vừa là vấn đề về thu hồi năng lượng, vừa là vấn đề môi trường nếu methane thoát ra ngoài mà không được kiểm soát.

Do đó, mục tiêu của xử lý kỵ khí thường là giảm tải hữu cơ, ổn định chất hữu cơ và thu hồi năng lượng, sau đó kết hợp với các công đoạn phù hợp để đạt chất lượng nước đầu ra theo yêu cầu.

Khi nào xử lý sinh học kỵ khí có ý nghĩa trong dây chuyền nước thải?

Phương pháp này đặc biệt có giá trị khi dòng thải chứa lượng chất hữu cơ đủ lớn để quá trình chuyển hóa tạo ra lợi ích rõ rệt. So với xử lý hiếu khí, hệ kỵ khí không cần sục khí cho quá trình phân hủy nên có thể giảm nhu cầu năng lượng cho cấp oxy và đồng thời tạo biogas.

Tuy nhiên, lựa chọn công nghệ phải dựa trên đặc tính thực tế của nước thải. Với nước thải loãng, nhiệt độ thấp hoặc yêu cầu xả thải nghiêm ngặt về chất hữu cơ, chất rắn và dinh dưỡng, chỉ dùng một công đoạn kỵ khí có thể không đủ. Những hạn chế này là lý do các hệ thống thực tế thường được thiết kế theo chuỗi công nghệ thay vì xem bể kỵ khí là một giải pháp độc lập cho mọi mục tiêu xử lý.

Về bản chất, xử lý sinh học kỵ khí hiệu quả khi cơ chất phù hợp, quần thể vi sinh vật được duy trì ổn định và các điều kiện vận hành được kiểm soát đúng với đặc tính của dòng thải.

Xử lý sinh học kỵ khí hoạt động bằng cách chuyển chất hữu cơ qua một chuỗi phản ứng sinh học gồm thủy phân, acidogenesis, acetogenesis và methanogenesis. Nhờ chuỗi này, một phần carbon hữu cơ được chuyển thành methane và carbon dioxide thay vì phải tiêu thụ oxy để oxy hóa hoàn toàn.

Giá trị lớn nhất của phương pháp nằm ở việc kết hợp giảm tải hữu cơ với tạo khí sinh học, nhưng giới hạn cũng nằm ở đó: hệ thống vẫn cần kiểm soát chặt điều kiện sinh học và thường cần các công đoạn xử lý tiếp theo để đạt yêu cầu nước sau xử lý.