Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
NH3 + O2 vi sinh vật HNO2 + O2 vi sinh vật HNO3

NH3 + O2 vi sinh vật HNO2 + O2 vi sinh vật HNO3

Tải bản đầy đủ - 0trang

Khãa luËn tèt nghiÖp

nguyên tố N, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, ...Trong đó N, K, P là các nguyên tố chủ

yếu.

1.3.3. Phương pháp yếm khí

1.3.3.1. Nguyên lý chung [2,3,4]

Đây là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí.

(CHO)nNS + O2  CO2 + H2O + sinh khối vi sinh + sản phẩm chính + các chất

trung gian + CH4 + H2 + NH4+ + H2S + năng lượng.

Ở điều kiện yếm khí sinh khối vi sinh vật được tạo thành ít, ngồi các chất

trung gian tới (70%) có một sản được quan tâm nhiều là metan. Vì người ta cũng

dựa vào qui trình này để thu metan và q trình này còn được gọi là lên men metan.

Các phương pháp phương pháp yếm khí được dùng để lên men bùn cặn sinh

ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải công

nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD = 4  5 g/l). Đây là phương pháp

cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các

chất hữu cơ. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quá trình

này thành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan...Những sản phẩm cuối

cùng của quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO 2, H2, CH4 .

Để xử lý nước thải người ta sử dụng q trình lên men khí metan. Đó là quá

trình phức tạp, diễn ra theo nhiều giai đoạn. Cơ chế của quá trình này chưa được

biết đến một cách chính xác và đầy đủ. Nhưng người ta giải thích q trình lên men

khí metan gồm hai pha: pha axit và pha kiềm ( hay pha metan).

 Trong pha axit. Các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tuỳ tiện và

vi khuẩn yếm khí) hóa lỏng chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức

tạp đó tạo thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin,

axeton đihydrosunfua, CO2, H2.

Các vi khuẩn kị khí thường là vi khuẩn gram âm, khơng hình thành bào tử

phân huỷ polysacarit để biến thành axit axetic, axit butyric và CO 2. Có tới 30% số

chủng loại đã phân lập có khả năng tạo thành hydro. Thành phần lồi phụ thuộc vào

sự thay đổi của mơi trường.

Khi có mặt xenlulo, các vi khuẩn sau đây sẽ chiếm đa số: Bacillus cereus, B.

megateruim, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas riboflavina, Ps. reptilovora,

Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris. Các vi khuẩn này đã

được phân lập từ bể tiêu hoá kị khí sinh metan.



13



Khãa ln tèt nghiƯp

Phế liệu giàu tinh bột tạo điều kiện cho Micrococcus candidus, M varians,

M. urea, Bacillus cereus, B. megaterium và Pseudomonas spp sinh trưởng và phát

triển.

Phế liệu giàu protein thích hợp cho quần thể vi khuẩn sau đây: Clostridium,

Bacillus cereus, B. circulans B. sphaericus, B. subtilis, Micrococcus varians,

Escherichia coli, Baracolo beterium intermedium, Pseudomonas coliforme và

Pseudomonas spp.

Dầu béo thực vật kích thích sinh trưởng của Micrococcus, Bacillus,

Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas tại các bể tiêu hố kị khí.

Trong số vi khuẩn phân huỷ protein, cần chú ý đến giống Clostridium. Chúng

có khá nhiều trong nước thải chứa protein. Các lồi thuộc giống này kị khí, phân

huỷ rất mạnh protein và chia thành 3 nhóm:

 Clostridium nhóm I (Clostridium butylicum) phân huỷ trực tiếp tinh bột,

sinh axit axetic chủ yếu là axit butylic.

 Clostridium nhóm II phân huỷ protein sinh axit izovaleric và axit axetic.

 Clostridium nhóm III (Clostridium perfringens), phân huỷ protein, không

phân huỷ đường, thu nhận năng lượng từ chuyển hoá các axit amin.

Bảng2. Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ

Tên vi khuẩn

Bacillus cereus



pH

5.2



Nhiệt độ

Sản phẩm

(to-C)

25

35 Axetic, lactic



Bacillus knolfekampi



5.2 - 8.0



25 - 35



Axetic, lactic



Bacillus megaterium



5.2 - 7.5



28 - 35



Axetic, lactic



Bacteroides succinigenes



5.2 - 7.5



25 - 35



Axetic, sucxicnic



Clostridium carnefectium



5.0 - 8.5



25 - 37



Formic, axetic



Clostridium cellobinharus



5.0 - 8.5



36 - 38



Lactic, etanol, CO2



Clostridium dissolvens



5.0 - 8.5



35 -51



Formic, axeitc



Clostridium dissolvens



5.0 - 8.5



35 - 51



Lactic, sucxinic



Clostridium dissolvens



5.0 - 8.5



35 - 51



Formic, axetic



Clostridium thermocellulaseum



5.0 - 8.5



55 - 65



Lactic, sucxinic, etanol



Pseudomonas



2



3 - 42



Ruminococcus sp



2



33 - 48



Lactic, axetic, lactic,

sucxinic,

etanolsucxinic

Formic, axetic,



14



Khãa luËn tèt nghiÖp



 Trong pha kiềm. Các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí

chuyển hố các sản phẩm trung gian trên tạo thành CO 2 và CH4 .

Những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinh

trưởng và phát triển rất chậm. Vi khuẩn sinh metan được chia thành 4 giống theo

hình thái và khả năng bào tử:

 Methanobacterium hình que, khơng sinh bào tử .

 Methanobacillus hình que, sinh bào tử .

 Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, khơng kết thành chuỗi.

 Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối.

Đặc điểm của quá trình sinh metan là do tác dụng của một quần thể vi khuẩn.

Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính gram âm, khơng di động, đa số

sinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt. Chúng có thể sử dụng NH 3 làm nguồn nitơ.

Chúng phát triển rất chậm. Sau khi cấy trên môi trường dinh dưỡng vài tuần mới

phát triển thành những dạng hoạt động.

Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với môi trường, đặc biệt là rất bị ức

chế bởi sự có mặt của các kim loại có trong mơi trường.

Nguồn cacbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản, như các

axit focmic, butiric, propionic, axetic, rượu metanol, etanol, khí H 2, CO2, CO. Để

các vi khuẩn metan phát triển bình thường trong mơi trường cần phải có đủ CO 2 và

các chất chứa nitơ. Nếu trường hợp mơi trường lên men thiếu thì phải bổ sung.

Nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn metan là amon cacbonat và amon clorua. Đặc

biệt là vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin. Để quá trình lên men

tiến hành bình thường thì lượng nitơ cần thiết trong môi trường theo tỉ lệ sau: C/N

là 20:1.

Bảng 3. Một số vi khuẩn sinh metan

Tên vi khuẩn



pH



Nhiệt độ

(0C)



Axit bị chuyển hoá



Methanobacterium

omelianskii



6,5 - 8



37 - 40



CO2, H2, rượu I và II



Methanopropionicum



Axit propionic



15



Khãa luËn tèt nghiÖp

Methanoformicum



H2, CO2, formic axit



Methanosochngenii



Axit axetic



Methanosuboxydans



Axit butyric, axit

valeric, caprionic



Methanoruminanticum



H2, axit formic



Methanococcus vanirielii



1,4 - 9,0



Methanococcuss mazei



Axit formic và H2

30 - 37



Methanosarcina

methanica

Methanosarcina barkerli



Axit axetic, axit butyric



35 -37



Axit axetic, butyric



30



CO2, H2, axit axetic,

metanol



7,0



Do các phản ứng thuỷ phân và các phản ứng oxy hóa khử xảy ra một cách

nhanh chóng và đồng bộ trong cùng một pha nên sự sắp xếp các phản ứng khi

khơng có sự tham gia của oxy nêu trên chỉ mang tính quy ước. Nhu cầu oxy sinh

học của tồn bộ q trình gần như bằng khơng. Do sinh nhiều axit nên độ pH của

mơi trường có thể giảm mạnh.

Phản ứng chính tạo thành metan có thể xảy ra như sau:

 CH4 + 4 A + 2 H2O



CO2 + 4 H2A



trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro.

Cũng có thể xảy ra các phản ứng khác (khi có và khi khơng có hydro ):

CO



+



3 H2



4 CO +



2 H2O







CH4



 3 CO2



+



H2O



+



CH4



Metan có thể được tạo thành do phân rã axit axetic:

CH3COOH 



CH4 + CO2



CO2 + H2  CH4



+ 2 H2O



Trong qúa trình xử lý nước thải cơng nghiệp chứa SO 42-, ở điều kiện yếm

khí , vi khuẩn khử sunfat sẽ khử SO42- thành H2S như sau:

5 H2 A +



SO42-  5 A + H2S + 4 H2O



Ngồi ra còn có cả q trình đề nitrat hố:

6 H2 A



+ 2 NO3-



 6A



+



Tóm lại q trình lên men metan gồm ba giai đoạn:



16



H2O +



N2



Khãa luËn tèt nghiÖp

 Giai đoạn lỏng hoá nguyên liệu đầu để vi khuẩn dễ sử dụng các chất dinh

dưỡng.

 Giai đoạn tạo thành axit:

H2A  các axit hữu cơ (CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH)

 Giai đoạn tạo thành mêtan:

Các axit hữu cơ







CH4



+ CO2



Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí

mêtan:

 Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình. Nhiệt độ tối

ưu cho quá trình này là 350C. Như vậy quá trình có thể thực hiện ở điều kiện ấm (30

 350C) hoặc nóng (50  550C). Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo metan hầu như

không hoạt động.

 Liều lượng nạp nguyên liệu (bùn) và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp

cho q trình cần có hàm lượng chất rắn 7  9%. Tác dụng của khuấy trộn là phân

bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng

khi sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng - rắn.

 Tỷ số C/N: Tỷ số C/N tối ưu cho quá trình là (25  30).

 pH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5

đến7,5. Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pH

thay đổi, nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp

nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo

CH4.

 Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn, thời gian lưu cần đủ

để đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hoá

chất độc, đặc biệt là các kim loại nặng (Cu, Ni, Zn...), hàm lượng NH 3 và sunfua

quá dư cùng một số hợp chất hữu cơ khác.

1.3.3.2. Vai trò của dị dưỡng trong qúa trình xử lý yếm khí [7]

Các sinh vật mà sử dụng cacbon từ các hợp chất hữu cơ cho sự sinh trưởng

được gọi là dị dưỡng.

Dị dưỡng là nguyên nhân làm giảm các chất thải. Bằng việc tiêu hố yếm khí

này, các vi sinh vật yếm khí đã xử lý bùn từ q trình xử lý nước thải công nghiệp

và nước thải thành phố kể cả trường hợp nước thải cơng nghiệp có nồng độ đậm



17



Khãa ln tèt nghiƯp

đặc. Các sinh vật thuộc nhóm này bao gồm các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc hoặc vi

sinh vật kỵ khí khơng bắt buộc. Mật độ của dị dưỡng trong sự tiêu hoá vi sinh vật

kị khí có thể là 109  1010 tế bào / ml.

Trong sự tiêu hố vi sinh vật yếm khí hỗn hợp các đại phân tử hữu cơ bao

gồm sinh khối vi sinh vật, được khử trùng hợp (sự phân ly các hợp chất phân tử

thành các phân tử nhỏ) sau đó là các q trình trao đổi chính tạo thành các axit béo,

CO2 và khí H2. Khí H2 ngay sau đó có thể được sử dụng để tạo ra CH 4. Trong xử lý

chất thải bằng yếm khí , một số lượng lớn các sinh vật khác tham gia trong quá trình

này, bao gồm các sinh vật hydrolyzing, các vi sinh vật tạo axit, các vi sinh vật tạo

khí metan. Metan được tạo ra bằng cách khử trực tiếp các nhóm metyl hoặc bằng

cách khử CO2 thành CH4, khí H2 được sử dụng như là tác nhân khử. Vài vi khuẩn dị

dưỡng trong sự tiêu hoá vi sinh vật yếm khí là :

Sinh vật



Vai trò



Clostridium



Mạng tế bào, protêin và làm giảm axit nucleic



Bacteroides



Mạng tế bào, protêin và làm giảm tinh bột



Ruminococcus



Làm giảm mạng tế bào



Bacillus



Làm giảm mạng tế bào



Succinimonas



Làm giảm tinh bột



Streptococcus



Làm giảm tinh bột



Anaerovibrio



Làm giảm chất béo



Succinovibrio



Lên men gluco



Eubacterium



Lên men gluco



Lactobacillus



Lên men gluco



Veillonella



Làm giảm sự tiết ra sữa



Methanobacterium



Sản xuất metan



Methanobrevibacter



Sản xuất metan



Methanococcus



Sản xuất metan



Methanosarcina



Sản xuất metan



1.3.3.3. Vai trò của tự dưỡng trong quá trình xử lý nước thải [7]



18



Khãa ln tèt nghiƯp

Vi khuẩn tự dưỡng đóng vai trò quan trọng trong sự tuần hồn các ngun tố

trong mơi trường tự nhiên và trong các quá trình xử lý nước thải. Các sinh vật này

nhận cacbon từ cacbondioxit và do vậy nó khơng trực tiếp đóng góp trực tiếp đến

nhu cầu oxi sinh hoá (BOD). Chúng nhận năng lượng từ sự oxi hóa các hợp chất vơ

cơ có mặt trong chất thải hoặc lấy từ việc phá huỷ các chất dinh dưỡng bằng dị

dưỡng. Ví dụ, các chất nền cho sự tự dưỡng bao gồm: NH 3, NO2-, H2S, S và khí H2.

Hầu hết sự dị dưỡng hố học là vi khuẩn ưa khí bắt buộc, tất cả các vi khuẩn quang

tự dưỡng (ngoại trừ cyanobacteria ) là các vi khuẩn yếm khí. Các nhóm vi khuẩn dị

dưỡng hố học lớn và nguồn năng lượng của chúng là:

Nhóm



Loại



Oxi hố chất nền và sản

phẩm được tạo ra



Vi khuẩn nitriyfing



Vi khuẩn S



Nitrosomonas



NH3  NO2-



Nitrobacter



NO2-  NO3-



Thiobacillus



S2- SO42-



Beggiatoa

Thiothrix

Vi khuẩn Fe



Sphaerotilus



fero  ferit



Leptothrix



fero  ferit



Crenothrix



fero  ferit



Gallionella



fero  ferit



1.3.3.4. Các chu trình trong xử lý yếm khí [7]

Trong mơi trường trung tính và trong các quá trình xử lý nước thải, các vi

sinh vật khơng có chức năng trong sự cơ lập nhưng nó sẽ có tác động lẫn nhau để

tiến hành vận chuyển nước. Một số vi sinh vật tiến hành bẻ gẫy các phân tử lớn

(như mạng tế bào của thực vật và các protein) ở đó có sự làm giảm các sản phẩm

khác của hoạt động trao đổi chất của chúng (như gluco và aminoaxit ). Vài vi sinh

vật phải làm việc cùng với nhau để làm giảm chất đơn giản. Do đó, để có kết qủa

xử lý cao cần phải có sự tác động thích hợp của tự dưỡng và dị dưỡng. Tác động

sinh học của nhiều vi khuẩn là có ý nghĩa nhất trong chu trình sinh học của các

ngun tố.



19



Khãa ln tèt nghiƯp

 Chu trình cacbon. Cacbon được quay vòng giữa CO2 và các chất hữu cơ

được chỉ ra ở hình 1.



Quang tổng

hợp của thực

vật và tảo



Cáchợp chất

hữu cơ

CH2O



Sinh trưởng

và hô hấp của

thực vật, động

vật và vi sinh

vật

Hiếu khí



Sinh trưởng

của tự dưỡng

Hiếu khí

Yếm khí



Cacbon

dioxit

CO2



Yếm khí



Sự lên men

Vi khuẩn

ánh

sáng

Các hợp chất

hữu cơ

Hình 1. Chu trình

CH2Ocacbon



Sự hơ hấp của

vi sinh vật

yếm khí



Các thực vật và các sinh vật quang tổng hợp có liên quan tới sự chuyển đổi tự

dưỡng của CO2 khơng khí thành sinh khối. CO2 được quay vòng trở lại khơng khí

bằng sự tự dưỡng nhờ sự hơ hấp của vi khuẩn hiếu khí và lên men. Trong điều kiện

hoạt động của các vi sinh vật yếm khí, các chất hữu cơ có thể khơng bao giờ bị oxi

hố hồn tồn thành CO2. Tỷ lệ của chất nền ban đầu phải được sử dụng như là chất

nhận electron cuối cùng, mà thông qua sự lên men sẽ tạo ra các hợp chất hữu cơ có

phân tử lượng nhỏ như: axetat, lactat, etanol và metan.

 Chu trình nitơ. Những hoạt động của các sinh vật là thiết yếu trong sự

duy trì hoạt của chu trình nitơ được chỉ ra ở hình 2



20



Khãa ln tèt nghiƯp

Sinh khối các hợp chất của nitơ

Đồng hố

cho sự phát

triển

Denitơ hố

Nitrat

NO3-



Vi khuẩn kị

khí



Cố

định

nitỏ



Vi khuẩn

dị dưỡng



Nitơ khơng

khí



Vi khuẩn

dị dưỡng



Nitrobacter

vi khuẩn tự

dưỡng hiếu

khí



Nitrit NO



Nitrosomona

s

Vi khuẩn tự dưỡng hiếu

khí



2



Nitơ hữu





Amoni

NH3 /NH4



Hình

2. Chu

Sinh

khối

cáctrình

hợpnitơ

chất sunfua hữu



Amoni được giải phóng ra đầu tiên từ các hợp chất hữu cơ, như protein bằng

Đồng

Vi khuẩn

dị dưỡng. Mặc dù vài amoni không thể kết lại bằng các sinh vật khi chúng tăng

hoá cho

dị dưỡng

trưởng, phần còn lại

sựđược giải phóng vào mơi trường. Dưới các điều kiện yếm khí ,

amoni khơng thể bịphát

oxi hố. Chỉ một lượng nhỏ có thể được chuyển đi bằng sự đồng

triển

hoá để phát triển các vi sinh vật. Dưới

Vi cáckhuẩn

điều kiện yếm

dị khí, nitrat có thể được

Các chất

Sunfat

dưỡng

chuyển thành khí

N

bằng

vi

khuẩn

dị

dưỡng

denitrat

hố.

Điều

này

đòi hỏi

sựcơ



thải

hữu

SO42-2

mặt của các hợp chất hữu cơ để sử dụng khi có nguồn năng lượng khử.chứa S

Khử

vi

 Chu trình sunfua. Mặc dù đựợc đòi hỏi

một lượng nhỏ nitơ nhưng lưu

khuẩn

Oxi

kịchất

khí thải thành phố bằng vi

huỳnh hoá

là mộtvichất dinh dưỡng cần thiết. Việc làmSO

giảm

4

khuẩn dị

dưỡng là kết quả của việc giải phóng ra sunfat. Chu trình sunfua được chỉ

khuẩn

S tự

ra ở hình

3.

Oxi hóa vi khuẩn

dưỡng

S tự dưỡng



H2S



SO2,

SO3

Oxi

hố

khuẩn

S

dưỡng



Vi khuẩn yếm khí

vi

tự



21

Ngun tố



Vi khuẩn

Phototrophic



Khãa ln tèt nghiƯp



Hình 3. Chu trình sunfua

Dưới các điều kiện yếm khí, các hợp chất hữu cơ được oxi hóa và sunfat

được khử H2S bằng Desulfovibrio. H2S khơng trao đổi chất dưới các điều kiện kị

khí ngoại trừ vi khuẩn quang tự dưỡng mà sử dụng H2S như chất cho electron.

1.3.3.5. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí [4]

1.3.3.5.1. Lên men bùn cặn

Khísản

Phương pháp này được

dùng để xử lý nước thải công nghiệp chứa hàm lượng

phẩm ra

các chất hữu cơ cao (BOD = 4  5g/l). Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn

định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ.

khíthường có hàm lượng ẩm, các muối

Do bùn cặn của nước thải công Két

nghiệp

kim loại và các chất khử bẩn cao nên cần phải tiến hành quá trình lên men ở tải

lượng thấp hơn bình thường 25  50%.

Q trình tạo khí metan được Vùng

tiến hành

trong các bể lên men có nguyên lý

nước

cấu tạo như sau:

Gia

Vùng phân

Bùn thô

nhiệt

hủy mạnh

bùn

Vùng

chứa bùn



22

Bùn đã

phân hủy



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

NH3 + O2 vi sinh vật HNO2 + O2 vi sinh vật HNO3

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×