Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 24
3.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học kị khí
3.1.1 Giới thiệu
Quá trình xử lý sinh học kị khí là quá trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ thành
những sản phẩm cuối cùng là CH
4
và CO
2
nhờ vi sinh vật trong điều kiện không có ôxy.
Vào những năm 1970, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải
và phân, sau đó phát triển mạnh trong xử lý nước thải nhờ những ưu điểm:
¾ Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí.
¾ Thời gian lưu bùn không phụ thuộc thời gian lưu nước, kết quả là 1 lượng
sinh khối lớn được giữ
lại trong bể.
¾ Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp năng lượng như quá trình hiếu
khí).
¾ Tạo ra 1 nguồn năng lượng có thể tái sử dụng (khí sinh vật).
¾ Hệ thống xử lý đa dạng: UASB, lọc kị khí, kị khí xáo trộn hoàn toàn, kị khí
tiếp xúc……
Bên cạnh những ưu điểm trên, quá trình xử lý kị khí có 1 số hạn chế:
¾ Nhạy cảm với môi trườ

, DẦU
CARBON
HIDRAT
ĐƯỜNG
ĐƠN
ACETATE
AXIT BÉO
DỄ BAY HƠI
CO
2,CH
4
Giai đoạn
thu
ỷ phân
Giai đoạn
acid hoá
Giai đoạn
methane hóa
Quá trình phân huỷ kị khí vật chất hữu cơ là 1 quá trình diễn biến sinh hóa phức
tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi
những enzym đặc biệt hay còn gọi là chất xúc tác. Tuy nhiên có thể biễu diễn tổng quát
quá trình phân huỷ kị khí theo phản ứng đơn giản sau:

3.1.2. Quá trình phân huỷ kị khí của hợp chất hữu cơ

3
+ H
2
S
Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 26
hữu cơ sẽ bị bẽ gãy mạch bởi các enzym ngoại bào (extracellular enzymes) do vi sinh vật
thuỷ phân (hydeolytic bacteria) sinh ra để tạo thành những hợp chất đơn giản hơn hay dễ
hoà tan.
Ở giai đoạn này, phản ứng thuỷ phân sẽ chuyển hoá protein thành các acid amin,
carbon hidrat thành các đường đơn và chất béo thành các acid hữu cơ mạch dài. Tuy
nhiên, phản ứng thuỷ phân cenllulose và các hợp chất phức tạp khác thành các monomer
đơn giản có thể là bước giới hạn tố
c độ trong quá trình phân huỷ kị khí, khi những phản
ứng này xãy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 cũng như ở các giai đoạn sau.
Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố
môi trường như pH, nhiệt độ.
9 Giai đoạn 2: giai đoạn acid hoá
Những hợp chất đơn giản được giải phóng từ phản
ứng thuỷ phân ở giai đoạn 1 sẽ
được chuyển hoá xa hơn thành acid acetic (acetate), H
2
và CO
2
nhờ vi khuẩn acetogenic
(acetogenic bacterial). Các axit hữu cơ dễ bay hơi sinh ra như là những sản phẩm cuối
cùng của sự trao đổi chất của vi khuẩn với prôtêin, chất béo, carbon hydrat, trong đó acid
acetic, acid propionic, axit lactic là những sản phẩm chính.

và H
2
để sản xuất ra CH
4
.
Trong đó axit acetic là chất nền sản sinh CH
4
quan trọng nhất, khoảng 70% CH
4
được sinh
ra từacid acetic. Lượng CH
4
còn lại được tạo ra từ CO
2
và H
2
. Một vài chất nền khác cũng
Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 27
Tiếp xúc
k
ị khí
Công nghệ xử lý kị khí
Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng bám dính
Xáo trộn
hoàn toàn
Tầng lơ
lửn

2
và CO
2
:
4H
2
+ HCO
3
-
+ H
+
Æ CH
4
+ H
2
O + Năng lượng , (4)

3.1.3 Phân loại Hình 3.3: Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản
của một hệ thống màng vi sinh vật bao gồm:
1. Vật liệu đệm (đá sỏi, chất dẻo, than, xơ dừa… với nhiều loại kích thước và
hình dạng khác nhau) có bề mặt rắn làm mơi trường dính bám cho vi sinh
vật.
Biofilm
Bề mặt vật
liệu đệm
Màng nền
Chất lỏng
Màng
bề mặt
Khí
Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 29
2. Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp
màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base
film) và lớp màng bề mặt (surface film).
Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật hiếu khí bao gồm những đám vi sinh vật và một
số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do vi
sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu
huỷ tế bào và do có sẵ
Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 30

3.2.2.2 Hoạt động của màng

Hình 3.4: Hoạt động của màng vi sinh vật

a. Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước
Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ,
oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước
thải tiếp xúc với màng.
Quá trình tiêu thụ cơ chất nh
ư sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề
mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh vật theo cơ chất khuếch tán phân tử.
Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi
sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử
khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ
bị phân huỷ thành dạng có phân
tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ
trong màng vi sinh như trên. Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển
ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả bởi công thức
chung như sau:
Màng hiếu khí:
Chất hữu cơ + O
2
+ nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối