CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát
bằng mắt thường. Nó phân bố khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không
khí Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trong
cuộc sống của con người. Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu
cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn bật chất trong tự nhiên.
Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái. Nó đóng vai trò
quyết định quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên.
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng VSV trong đời sống hằng ngày. Các
quá trình làm rượu, làm dấm, muối chua đều ứng dụng đặc tính sinh học của
các nhóm VSV. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của VSV thì việc ứng
dụng trong sản xuất và đời sống hằng ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn.
Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, con người đã sử dụng VSV làm sạch môi
trường, xử lý các chất độc hại, sử dụng VSV trong việc chế tạo phân bón hóa
học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc đến môi trường và bảo vệ sự cân bằng
sinh thái.
Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan, bay
hơi, không bay hơi, dễ phân hủy, khó phân hủy, Phần lớn các chất hữu cơ trong
nước đóng vai trò là cơ chất đối với vi sinh vật. Nó tham gia vào quá trình dinh
dưỡng và tạo năng lượng cho vi sinh vật. Vì thế, công nghệ xử lý nước thải bằng
sinh học thường được áp dụng vì dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân
hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải, các vi sinh vật sử dụng các
chất hữu cơ và một số chất khoáng làm chất dinh dưỡng và tạo năng lượng. Chúng
nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản nên sinh khối
của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá
trình oxy hóa sinh hóa, nhưng do trong môi trường có các vi khuẩn giúp cho quá
trình chuyển hóa, phân hủy chất hữu cơ nên khi xử lý nước thải cần xem xét nước
thải có các vi sinh vật hay không để lợi dụng sự có mặt của nó và nếu có thì tạo
điều kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển.
Phương pháp xử lý sinh học được chia làm 2 loại:
Phương pháp kỵ khí: sử dụng vi sinh vật kỵ khí , hoạt động trong môi trường

2
+ H
2
O + CH
4
+ NH
4
+ H
2
+ H
2
S + Tế bào VI SINH
Quá trình sinh học kị khí có thể xử lý nước thải có hàm lượng chất bẩn hữu cơ
cao BOD ≥ 10 – 30 (g/l). Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để
biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học.
II. Các công nghệ xử lý kị khí
III. Quá trình phân hủy kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong
điều kiện không có oxy. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có
thể biểu diễn đơn giản như sau:
Chất hữu cơ  CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH
3
+ H
2

2
) 0,3 %
Hydrogen (H
2
) 0,1 %
Hydrogen Sulphide (H
2
S) 0,1 %
Biogas có trị nhiệt cao 4500 – 6000 kcal/m
3
tùy vào thành phần % methan có
trong biogas. Methane có trị nhiệt cao 9000 kcal/m
3
)
Lên men
Yếm khí
Metan có thể dùng để đốt, tạo nhiệt cung cấp cho lò phản ứng hoặc tạo ra điện.
Một lượng nhỏ năng lượng (khoảng 3 – 5 % ) bị mất bởi nhiệt trong quá trình kỵ
khí . Sự tạo thành metan giúp giảm thiểu BOD trong bùn đã phân hủy.
Phân hủy kị khí có thể làm sáu quá trình:
1. Phân hủy polimer:
- Thủy phân các protein
- Thủy phân polysaccharide
- Thủy phân chất béo
2. Lên men các amino axit và đường
3. Phân hủy kị khí các axit béo mạch dài và rượu (alcohols)
4. Phân hủy kị khí các axit béo dễ bay hơi (ngoại trừ axit acetic)
5. Hình thành khí mêtan từ axit acetic
6. Hình thành khí mêtan từ hydrogen và CO
2

Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm ở
màng trong tế bào vi khuẩn.
Acyl-CoA → Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA
↓
↓
Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic.
Acyl-CoA + H2 + năng lượng tích lũy (ATP)
Axit axetic + CoA (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-)
Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit axetic là chủ yếu còn
chứa cả axit propionic.
Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt)
trước khi trải qua quá trình oxy hóa β.
Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peronic, các axit
trung gian cung cơ thể được tạo thành từ các con đường khác
(oxy hóa α, oxy hóa ω, ) bởi một số nhóm vi khuẩn và nấm.
Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, indol,
scatol, được sinh ra và pH của môi trường tăng dần lên.
• Giai đoạn axetat hóa
Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá
trình axit hóa nêu trên, ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần được phân
giải tiếp thành những phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là axit acetic,
khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn axetat hóa:
CH
3
CH
2
OH (ethanol) + H
2
O → CH
3

2
COO
-
(butyric) +H
2
O → 2CH
3
COO
-
+ H
+
+ 2H
2
Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí
này ngay lập tức được vi sinh vật metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền
cùng với CO
2
. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều
vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự
tiêu thụ hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó
tăng lên thì sự tạo thành nó (bởi vi khuẩn axetat hóa) sẽ giảm mạnh. Trong khi
axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng
trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay
hơi khác. Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6.8 – 7.8 và 35 –
42
o
C.
• Giai đoạn tạo metan
Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong
muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng các tổ hợp các con

xử lý kỵ khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng
1) Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt;
2) Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn.
Khi hai yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải
trọng rất cao.
Nguyên lý xử lý kỵ khí:
a) Quá trình lên men acid (phân hủy hợp chất cao phân tử):
Cellulose  acetate + rượu
Lipid  acid hữu cơ
Protein  H
2
+ CO
2
+ NH
3
+ H
2
S
b) Chất hữu cơ đơn giản  acid béo + chất hữu cơ hòa tan
c) Quá trình methane hóa (lên men metan)
Lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH
4
Không có sự hiện diện của Oxy
Cần nhiệt độ cao

IV. Các nhóm vi sinh vật tham gia quá trình xử lý kỵ khí
Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì
nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Có nhiều
nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa hỗn hợp chất hữu cơ
phức tạp thành CH

propionic, butyric, ethanol  Metan giảm.
Mối quan hệ cộng sinh giữa VK acetogenic và VK Metan. Vi khuẩn Metan sẽ
giúp đạt được thế hydro thấp mà vi khuẩn acetogenic cần.
• Ethanol , acid propionic và butyric được chuyển hóa thành acid acetic bởi
nhóm vi khuẩn acetogenic theo phương trình sau:
CH
3
CH
2
OH(ethanol) + CO
2
 CH
3
COOH(acid acetic) + 2H
2
CH
3
CH
2
COOH (acid propionic) + 2H
2
O  CH
3
COOH(acid acetic) + 2H
2
+CO
2
CH
3
CH

C.
Vi khuẩn metan được chia thành 2 nhóm phụ.
• Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydrogen hóa tự
dưỡng, chuyển hóa hydro và CO
2
thành metan:
CO
2
+ 4H
2
 CH
4
+ 2H
2
O
Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa acid
bay hơi và alcol thành acetate.
• Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic , còn gọi là vi khuẩn phân giải acetate,
chúng chuyển acetate thành metan và CO
2
CH
3
COOH  CH
4
+ CO
2
class="bi x0 ydc w3 h15"
class="bi x0 ydd w3 h16"
class="bi x0 yde we h17"
CHƯƠNG 3 : BỂ UASB

cơ, nước thải vào được chảy qua lớp bùn này để xử lý.
- Vùng lắng: nằm phí trên lớp bùn kỵ khí. Nước thải sau khi phân hủy sẽ di
chuyển lên vùng này để thực hiện quá trình lắng cặn.
Ngoài ra còn có hệ thống phân phối nước vào, hệ thống thu nước ra, hệ thống
thu khí và một số hệ thống phụ trợ khác.
II.2 Nguyên tắc hoạt động của bể UASB:
Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy
ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều
kiện kỵ khí (chủ yếu là CH
4
và CO
2
) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho
quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ
dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây, quá
trình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua
bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5 – 10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng
xuống. Nước thải theo máng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo.
Sự xử lý xảy ra khi nước thải đến và tiếp xúc với các hạt sinh khối và sau đó đi
ra khỏi thiết bị từ phía trên của thiết bị. Trong suốt quá trình này thì sinh khối với
đặc tính lắng cao sẽ được duy trì trong thiết bị. Một trong những bộ phận quan
trọng của thiết bị UASB đó là bộ phận tách khí - lỏng - rắn ở phía trên của thiết bị.
Trong quá trình xử lý nước thải, lượng khí tạo ra chủ yếu là CH
4
và CO
2
tạo nên sự
lưu thông bên trong giúp cho việc duy trì và tạo ra hạt sinh học. Các bọt khí tự do
và các hạt khi thoát lên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thu
khí. Dịch lỏng chứa một số chất còn lại và hạt sinh học chuyển vào ngăn lắng, ở đó

Hàm lượng
(kg VSS/m
3
)
Bùn hạt 0,8 ÷ 1,5 15 ÷ 35
Bùn từ các bể xử lý lý kỵ khí khác 0,4 ÷ 1,2 10 ÷ 25
Bùn cống rãnh 0,02 ÷ 0,1 8 ÷ 20
Phân chuồng 0,02 ÷ 0,08 20 ÷ 80
Bùn bể tự hoại 0,01 ÷ 0,02 15 ÷ 50
Phân bò tươi 0,001 ÷ 0,006 30 ÷ 100
Phân gia súc khác 0,001 ÷ 0,004 30 ÷ 100
Nồng độ bùn nuôi cấy ban đầu cho bể UASb tối thiêt là 10 kgVSS/m
3
. Lượng
bùn cho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.
Khi mới nuôi cấy, vận tốc nước bơm vào bể phải đủ nhỏ để không đẩy bùn ra
ngoài. Mặt khác, chất lượng nước đầu vào nên pha loãng trước khi bơm vào bể để
giảm nồng độ COD nhằm giúp VSV phát triển tốt. Cần chú ý đến lượng khí sinh ra
để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh metan.
IV. Lý thuyết Spaghetti trong việc tạo thành bùn hạt
IV.1 Những đặc tính của bùn hạt kỵ khí
Bùn hạt được xem là một sinh khối có một số đặc tính xác định. Các đặc tính
của bùn hạt được nêu lên bởi bao gồm: vận tốc lắng cao, có một độ bền cơ học
nhất định, hoạt tính tạo khí methan và hoạt tính khử sunfate cao. Về phương diện
vi sinh học, bùn hạt bao gồm một hệ vi sinh vật cân bằng, nó bao gồm tất cả các
loài vi khuẩn cần thiết cho quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước
thải.
Về mặt hình thái học, bùn hạt được mô tả là một hạt rắn có kích thước tương
đối lớn (d > 0.5 mm) với một bề mặt rõ ràng. Cùng với mật độ tương đối cao, hình
thái học ổn định, bùn hạt có khả năng lắng rất tốt.