1. Giới thiệu về phân hủy kị khí

Phân hủy kị khí là một quá trình sinh học quan trọng trong xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp và rác thải hữu cơ. Quá trình này diễn ra dưới tác động của các vi sinh vật kị khí trong điều kiện không có oxy. Kết quả của quá trình không chỉ giúp giảm lượng chất hữu cơ gây ô nhiễm mà còn tạo ra khí metan (CH4) – một nguồn năng lượng tái tạo có giá trị cao.

Nhờ tính hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, phân hủy kị khí đã trở thành một phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải hiện đại, từ các bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) đến các hệ thống biogas quy mô lớn.
 

 

2. Các giai đoạn chính của quá trình phân hủy kị khí

Quá trình phân hủy kị khí diễn ra theo ba giai đoạn chính, mỗi giai đoạn có vai trò riêng biệt trong việc chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành sản phẩm cuối cùng là khí metan và carbon dioxide.

Giai đoạn 1: Thủy phân (Hydrolysis)

Trong giai đoạn đầu tiên, các hợp chất hữu cơ phức tạp như protein, tinh bột, và chất béo được các vi khuẩn kị khí phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn.

• Protein → Albumoz, peptit, axit amin.
• Hidratcacbon → Các loại đường đơn giản như glucose, fructose.
• Chất béo → Glyxerin và axit béo.

Quá trình này cần enzym thủy phân do vi sinh vật tiết ra, đóng vai trò xúc tác để phá vỡ các liên kết phức tạp trong chất hữu cơ.

Giai đoạn 2: Axit hóa (Acidogenesis)

Sản phẩm từ giai đoạn thủy phân tiếp tục được chuyển hóa bởi các vi khuẩn axit hóa. Các hợp chất đơn giản được phân hủy thành:

• Axit hữu cơ (axit acetic, axit butyric, axit propionic).
• Rượu đơn giản (ethanol, methanol).
• Các khí như CO2 và H2.

Đây là giai đoạn quan trọng để chuẩn bị cho bước tiếp theo – sinh khí metan.

Giai đoạn 3: Sinh khí metan (Methanogenesis)

Giai đoạn cuối cùng diễn ra dưới sự hoạt động của vi khuẩn sinh metan, chuyển hóa axit hữu cơ và H2 thành:

• Khí metan (CH4): Chiếm 60-75% tổng lượng khí.
• Khí carbon dioxide (CO2): Chiếm 25-40%.

Các vi khuẩn methanogenic đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện chu trình phân hủy, đồng thời làm giảm mùi hôi và tận dụng sản phẩm khí metan để sản xuất năng lượng.

3. Các pha trong quá trình lên men metan

Pha axit

Trong pha axit, các hợp chất hữu cơ như tinh bột, đường, và xenlulozơ bị phân hủy nhanh chóng. Sản phẩm của giai đoạn này bao gồm:

• Axit propionic.
• Axit butyric.
• Axit acetic.

Sự tích tụ axit làm giảm pH xuống dưới 5, tạo môi trường axit hóa mạnh và phát sinh mùi hôi khó chịu.

Pha kiềm

Các sản phẩm từ pha axit được vi khuẩn chuyển hóa thành khí metan và CO2. Quá trình này làm tăng pH lên mức kiềm, thường từ 6.8-8.0, giúp giảm bớt mùi hôi và tăng hiệu quả xử lý.

4. Vai trò của vi sinh vật trong phân hủy kị khí

Quá trình phân hủy kị khí không thể thiếu sự tham gia của các nhóm vi sinh vật đặc biệt, bao gồm:

Nhóm vi sinh vật không sinh metan

Nhóm vi sinh vật này chịu trách nhiệm thủy phân và axit hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp:

• Vi khuẩn phân hủy tinh bột: Micrococcus candidus, Bacillus cereus.
• Vi khuẩn phân hủy protein: Clostridium butylicum, Clostridium perfringens.
• Vi khuẩn phân hủy chất béo: Pseudomonas, Flavobacterium.

Nhóm vi sinh vật sinh metan (Methanogens)

Nhóm này hoạt động chậm hơn và yêu cầu môi trường kị khí tuyệt đối:

• Methanobacterium: Hình que, không sinh bào tử.
• Methanococcus: Hình cầu, không tạo chuỗi.
• Methanosarcina: Hình khối, tạo chuỗi.

Các vi khuẩn này hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ 30-40°C (ưa ấm) hoặc 50-55°C (ưa nhiệt).

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí

Quá trình phân hủy kị khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường và vận hành, bao gồm:

• Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu là từ 35-55°C.
• pH: Môi trường cần duy trì ở pH 6.8-8.0 để đảm bảo hoạt động của vi khuẩn sinh metan.
• Tỉ lệ C/N: Tỉ lệ lý tưởng là 20-30:1 để cung cấp đủ dinh dưỡng cho vi khuẩn.
• Chất ức chế: Sự hiện diện của kim loại nặng hoặc hóa chất độc hại có thể làm giảm hiệu suất xử lý.
• Thời gian lưu trữ: Thời gian lý tưởng trong bể kị khí thường từ 20-30 ngày.

6. Ứng dụng của phân hủy kị khí trong xử lý nước thải

Phân hủy kị khí được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải hiện đại, bao gồm:

Công nghệ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

Đây là công nghệ phổ biến nhất trong xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt có nồng độ COD cao. Bùn kị khí dày đặc trong bể giúp tăng hiệu quả phân hủy và sinh khí metan.

Hệ thống Biogas

Hệ thống này ứng dụng phổ biến trong xử lý chất thải hữu cơ và chăn nuôi, sản xuất khí metan làm nhiên liệu.

Xử lý bùn thải

Phân hủy kị khí giúp giảm lượng bùn sinh ra từ các hệ thống xử lý hiếu khí, đồng thời giảm chi phí xử lý bùn.

7. Lợi ích của phân hủy kị khí

• Tiết kiệm năng lượng: Không cần cung cấp oxy nhân tạo.
• Tạo ra năng lượng tái tạo: Khí metan có thể sử dụng làm nhiên liệu đốt hoặc phát điện.
• Giảm phát thải khí nhà kính: Giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
• Hiệu quả xử lý cao: Đặc biệt với nước thải có nồng độ COD/BOD cao.

8. Kết luận

Phân hủy kị khí là một phương pháp xử lý nước thải bền vững, hiệu quả và thân thiện với môi trường. Với sự phát triển của công nghệ, quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, đóng góp tích cực vào mục tiêu phát triển bền vững.