Vi khuẩn kỵ khí là gì? Ứng dụng của các vi sinh vật phân hủy kỵ khí trong hệ thống xử lý nước thải

Sử dụng vi sinh vật trong các quy trình xử lý nước thải (XLNT) là giải pháp sinh học rất phổ biến hiện nay, vi khuẩn kỵ khí là một trong số đó. Trong bài viết sau đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về loại vi khuẩn này và ứng dụng của chúng trong XLNT như thế nào!

Cụm từ “kỵ khí” có nghĩa là không có oxy. Vậy, vi khuẩn kỵ khí là các chủng vi khuẩn có khả năng sinh trưởng và phát triển ở những nơi không có oxy hoặc oxy ở mức rất thấp. Nhóm vi khuẩn này sử dụng quá trình lên men hoặc hô hấp kỵ khí để tạo năng lượng, nhiệt độ ưa thích của chúng là khoảng 29^oC đến 35^oC. Ở người, chúng thường được tìm thấy nhiều nhất ở đường tiêu hóa, đóng vai trò gây ra các bệnh lý như viêm ruột thừa, viêm túi thừa và thủng ruột.

Dựa vào mức độ nhạy cảm với oxy, chúng được chia thành các loại gồm:

• Kỵ khí bắt buộc (Obligate anaerobes): Oxy là chất độc đối với chúng nên không thể sống được nếu có oxy. Được dùng trong sản xuất khí sinh học, lên men và xử lý nước thải.
• Kỵ khí tùy nghi (Facultative anaerobes): Có thể sống được cả trong môi trường có hoặc không có oxy. Trong điều kiện thiếu oxy, chúng chuyển sang quá trình lên men. Nhờ đặc điểm này, chúng thường được sử dụng trong lên men thực phẩm, xử lý chất thải hữu cơ.
• Kỵ khí chịu oxy (Aerotolerant anaerobes): Loại này có đặc điểm không sử dụng oxy để hô hấp nhưng cũng không bị ảnh hưởng khi có sự hiện diện của oxy. Đó là lý do một số chủng như lactobacillus hay streptococcus pyogenes được dùng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm như sản xuất sữa chua, dưa muối...
• Ngoài ra, còn có loại Microaerophiles gồm những vi khuẩn cần oxy để sống, nhưng chỉ có thể chịu được nồng độ rất thấp (thấp hơn nhiều so với nồng độ oxy có trong khí quyển), chính điểm đặc biệt này khiến việc nuôi cấy chúng gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, chúng thường được ứng dụng vào một số lĩnh vực chuyên biệt như y học, công nghiệp thực phẩm và nghiên cứu vi sinh vật học.

Ứng dụng của vi khuẩn kỵ khí trong hệ thống xử lý nước thải như thế nào?

Một hệ thống xử lý nước thải bao gồm ba giai đoạn riêng biệt: sơ cấp, thứ cấp và xử lý bậc ba. Trong đó, xử lý sơ cấp bao gồm việc loại bỏ cơ học các chất rắn bằng cách lắng đọng hoặc sàn lọc. Sau đó, nước thải sẽ được đưa vào xử lý thứ cấp để loại bỏ chất hữu cơ thông qua quá trình phân hủy của vi khuẩn. Sau cùng, tùy vào điểm đến cuối cùng (đổ ra môi trường hoặc tái sử dụng) mà nước thải sẽ trải qua bước xử lý bậc ba.

Việc lựa chọn phương pháp xử lý thứ cấp sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm: COD & BOD, chi phí vận hành và bảo trì, sản xuất bùn, chất lượng nước thải mong muốn, nồng độ vi khuẩn,… Từ đó, có thể chọn sử dụng vi sinh vật yếm khí hoặc hiếu khí, hoặc kết hợp cả hai.

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự gia tăng ổn định trong việc sử dụng các kỹ thuật kỵ khí trong xử lý nước thải. Vậy, phương pháp này có những ưu điểm gì?

Xử lý nước thải kỵ khí là gì?

Quá trình kỵ khí trong XLNT là một quá trình sinh học trong đó các vi sinh vật phân hủy và loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ và vô cơ khỏi nước thải trong điều kiện không có oxy. Trong chu trình xử lý kỵ khí cơ bản, nước thải đi vào một thùng chứa của bể phản ứng sinh học. Trong bể có chứa một chất gọi là bùn chứa vi khuẩn kỵ khí và các vi sinh vật khác. Các vi khuẩn này có nhiệm vụ tiêu hóa các chất có thể phân hủy sinh học có trong nước thải làm giảm BOD, COD và TSS xuống thấp hơn, cũng như các sản phẩm phụ của khí sinh học.

Xử lý nước thải kỵ khí được sử dụng để xử lý đa dạng nước thải công nghiệp như: thực phẩm và đồ uống, sữa, bột giấy và giấy, dệt may, bùn thải và nước thải đô thị,… Các công nghệ kỵ khí thường được triển khai cho các dòng nước có nồng độ vật liệu hữu cơ cao (BOD, COD, TSS cao), thường là trước khi xử lý hiếu khí.

Ưu điểm của phân hủy kỵ khí trong XLNT

Hệ thống kỵ khí có thể xử lý hiệu quả bùn có hàm lượng chất rắn cao, đồng thời tạo ra rất ít bùn thải. Quá trình phân hủy còn sinh ra khí biomethane - một nguồn năng lượng tái tạo có thể được thu giữ để vận hành chính nhà máy, giúp tiết kiệm chi phí. Ngoài ra, sản phẩm phụ sau xử lý dễ dàng chuyển hóa thành phân bón sinh học có giá trị. Đặc biệt, hệ thống này thường có chi phí đầu tư thấp và yêu cầu diện tích xây dựng nhỏ hơn so với công nghệ xử lý hiếu khí.

Một hệ thống xử lý nước thải kỵ khí hiện đại và đạt chuẩn. Ảnh: Waterleau.

Xử lý nước thải kỵ khí diễn ra như thế nào?

Quá trình xử lý kỵ khí bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn axit hóa và giai đoạn metan hóa, cả hai quá trình đều diễn ra ở trạng thái cân bằng động.

- Trong giai đoạn hình thành axit ban đầu, các vi sinh vật phân giải kỵ khí sẽ diễn ra quá trình lên men chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các axit hữu cơ đơn giản hơn và dễ bay hơi như axit béo, axit lactic, methanol, CO₂, H₂, NH₃, H₂S,…

- Giai đoạn sản xuất metan bao gồm hai bước:

• Axetogenesis: vi khuẩn kỵ khí tổng hợp các axit hữu cơ để tạo thành axetat, khí hydro và carbon dioxide.
• Methanogenesis: các vi sinh vật kỵ khí tác động lên các phân tử mới hình thành này để tạo thành khí metan và carbon dioxide. Các sản phẩm phụ này có thể được thu hồi để sử dụng làm nhiên liệu, trong khi nước thải có thể được định tuyến để xử lý thêm hoặc xả thải.

Phân loại hệ thống xử lý nước thải kỵ khí

Mặc dù các hệ thống xử lý kỵ khí có thể có nhiều dạng khác nhau, nhưng chúng thường bao gồm một số dạng bể phản ứng sinh học có khả năng duy trì môi trường không có oxy cần thiết để hỗ trợ quá trình phân hủy kỵ khí. Tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng cụ thể và yêu cầu của cơ sở, hệ thống xử lý kỵ khí có thể được thiết kế phù hợp.

Các hệ thống xử lý nước thải kỵ khí phổ biến bao gồm:

1. Các hồ kỵ khí

Là các hồ nhân tạo lớn (có thể sâu đến 7m) được dùng để lắng và phân hủy cặn lắng bằng phương pháp sinh hóa tự nhiên của vi sinh vật kỵ khí. Loại hồ này được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải tạo ra từ quá trình sản xuất thịt hoặc nước thải có độ ô nhiễm cao.

Nước thải thường được dẫn bằng đường ống vào đáy hồ, nơi nước lắng xuống tạo thành lớp chất lỏng phía trên và lớp bùn nhão. Lớp chất lỏng ngăn không cho oxy tiếp cận lớp bùn, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy kỵ khí trong nước thải.

Trung bình, quá trình này có thể mất ít nhất vài tuần hoặc lên đến 6 tháng để đưa mức BOD/COD về phạm vi mục tiêu. Thời gian xử lý cũng có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như: nhiệt độ nước, độ pH, biến động BOD/COD và sự hiện diện của các chất như natri, kali, canxi và magiê.

2. Bể xử lý sinh học kỵ khí (bể kỵ khí)

Nước thải được dẫn vào bể chứa và đi qua một “lớp lọc” gồm các hạt bùn lơ lửng. Khi các vi khuẩn kỵ khí trong bùn tiêu hóa các thành phần hữu cơ trong nước thải, chúng sinh trưởng và tích tụ thành các hạt lớn hơn lắng xuống đáy và có thể được tái sử dụng cho các chu kỳ tiếp theo. Nước thải đã xử lý chảy lên trên và ra khỏi thiết bị. Khí thu được từ quá trình phân hủy được thu gom trong suốt chu kỳ xử lý.

Bể xử lý sinh học kỵ khí có nhiều dạng khác nhau, bao gồm:

• Bể UASB: Trong quá trình xử lý, nước thải được bơm vào đáy của bể theo dòng chảy có hướng ngược từ dưới bể lên trên và đi qua lớp bùn kỵ khí.
• Bể EGSB: Nước thải được tuần hoàn qua hệ thống. Để tăng cường tiếp xúc với bùn, dòng nước chảy vào bể được duy trì ở vận tốc cao. Vì vậy, mặc dù có nhiều điểm tương đồng với bể UASB, nhưng bể EGSB thường cao hơn và có thể xử lý các luồng có tải lượng chất hữu cơ cao hơn so với hệ thống UASB.
• Bể ABR: Còn gọi là bể kỵ khí có vách ngăn, được xây dựng với nhiều ngăn kỵ khí được ngăn cách bằng các vách ngăn xen kẽ. Nước thảy chảy zích zắc theo chiều dọc làm giám đoạn dòng chảy trơn tru của dòng chảy, nhờ đó thúc đẩy tiếp xúc nhiều hơn với lớp bùn khi nó di chuyển từ đầu vào đến đầu ra của bể.

3. Bể lọc kỵ khí

Là loại bể được thiết kế kín, phía trong có chứa vật liệu lọc nào đó đóng vai trò như giá thể để vi sinh vật tự do dính bám tạo thành màng sinh học. Tùy theo từng hệ thống, dựa vào công suất XLNT, hiệu quả khử COD, điều kiện cung cấp nguyên vật liệu tại chỗ,… mà kích thước và chủng loại vật liệu lọc có thể khác nhau, với các vật liệu phổ biến bao gồm: sỏi, đá cuội, than đá, xỉ, ống nhựa, gạch và các vật liệu khác. Vật liệu lọc khi mới đưa vào bể phải được bơm vi sinh vật yếm khí và màng sinh học có thể mất vài tháng hoàn thiện để sẵn sàng xử lý ở công suất tối đa.

Bể lọc kỵ khí có nhiều ưu điểm như khả năng tách các chất bẩn hữu cơ cao (có thể hiệu quả tới 70-90%), thời gian lưu nước ngắn, vi sinh vật dễ thích nghi, quản lý vận hành đơn giản,… và dễ hợp khối với các công trình XLNT khác. Tuy nhiên, khi màng sinh học dày sẽ làm giảm hiệu quả lọc nước thải, đòi hỏi phải thực hiện bảo trì như rửa và vệ sinh vật liệu lọc để duy trì hiệu suất tối ưu.

Cảm ơn bạn đã đọc bài viết này. Nếu cần tìm hiểu thêm về xử lý nước thải và các vấn đề liên quan, đừng ngại gửi thư cho KPTCHEM để được hỗ trợ nhanh nhất.