TLGD VI HĨA SINH KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG CHƯƠNG VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ Phân hủy chất thải rắn hữu nhờ vi sinh vật đường xử lý chất thải đường sinh học cổ điển Từ nhiều kỷ trước người chôn vùi chất thải rắn vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu phức tạp thành hợp chất đơn giản sau thực vật bậc cao dùng làm nguồn dinh dưỡng Vi sinh vật phân hủy chất hữu theo đường: phân hủy hiếu khí phân hủy kỵ khí Hiện nay, việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt thông qua bãi chôn lấp sử dụng rộng rãi, nhiên làm phân compost sản xuất khí sinh học (biogas) ngày ứng dụng nhiều giữ vai trò quan trọng tương lai VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ Quá trình phân hủy chất hữu vi sinh vật làm giảm thể tích khối lượng chất thải, sản xuất phân compost dùng bổ sung chất dinh dưỡng cho đất, sản xuất khí sinh học (methane) loại khí lượng có giá trị Các loại vi sinh vật chủ yếu tham gia q trình chuyển hóa sinh học chất thải rắn hữu bao gồm vi khuẩn, nấm, men, Antinomycetes Các q trình thực hiếu khí kỵ khí, tùy theo lượng oxy sẵn có Những điểm khác biệt phản ứng chuyển hóa hiều khí kỵ khí chất sản phẩm cuối trình lượng oxy thực cần phải cung cấp để thực q trình chuyển hóa hiếu khí Những q trình sinh học ứng dụng để chuyển hóa chất thải rắn hữu bao gồm trình làm phân compost hiếu khí, q trình làm phân kỵ khí q trình phân hủy kỵ khí với nồng độ chất rắn cao ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CỦA VI SINH VẬT 2.1 Động học trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu Quá trình chuyển hóa sinh học hiếu khí chất thải rắn hữu biểu diễn cách tổng quát theo phương trình sau: Chất hữu + O2 + Dinh Dưỡng Tế bào + Chất hữu khó phân hủy + CO2 + H2O +NH3 + SO4 +…+ Nhiệt (3-1) Nếu chất thải hữu có chất thải rắn biểu diễn dạng C aHbOcNd, tạo thành tế bào sulfate không đáng kể thành phần vật liệu khó phân hủy lại đặc trưng C wHxOyNz lượng oxy cần thiết cho q trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu có khả phân hủy sinh học ước tính theo phương trình phản ứng sau: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh CaHbOcNd + 0.5 (ny+2s+r-c)O2 nCwHxOyNz + sCO2 + rH2O + (d-nx)N (3-2) Trong R= 0.5(b-nx-3(d-nx)) S= a-nw CaHbOcNd CwHxOyNz biểu diễn thành phần phân tử thực nghiệm chất hữu ban đầu sau kết thúc q trình Nếu q trình chuyển hóa xảy hồn tồn, phương trình biểu diễn có dạng sau: CaHbOcNd + (4a + b-2c-3d)O2 2aCO2 + bH2O (3-3) Trong nhiều trường hợp, ammonia sinh từ trình oxy hoá hợp chất hữu bị tiếp tục oxy hóa thành nitrat (q trình nitrt hóa) Lượng oxy cấn thiết để oxy hóa ammonia thành nitrat tính theo phương trình sau: NH3 + 3/2 O2 HNO2 + 1/2O2 NH3 + 2O2 HNO2 +H2O HNO3 H2O + HNO3 (3-4) Như vậy, trình phân hủy sinh học hiếu sản phẩm tạo thành khơng có mặt CH Hay nói cách khác, trường hợp tốc độ phân hủy xác định dựa hàm lượng chất hữu lại theo thời gian phân hủy 2.2 Động học q trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu Quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu xảy theo bước:  Bước thứ trình phân thủy phân hợp chất có phân tử lượng lớn thành hợp chất thích hợp dùng làm nguồn lượng mô tế bào  Bước thứ hai trình chuyển hóa hợp chất sinh từ bước thành hợp chất có phân tử lượng thấp xác định  Bước thứ trình chuyển hóa hợp chất trung gian thành sản phẩm cuối đơn giản hơn, chủ yếu khí methane (CH4) khí carbonic (CO2) Trong q trình phân hủy kỵ khí, nhiều loại vi sinh vật kỵ khí tham gia q trình chuyển hóa hợp chất hữu thành sản phẩm cuối bền vững Các vi sinh vật chia thành nhóm:  Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân hợp chất hữu cao phân tử thành thành phần xây dựng cấu trúc acid béo, monosacharic, amino acid hợp chất liên quan  Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai lên men sản phẩm cắt mạch nhóm thành acid hữu đơn giản mà chủ yếu acid acetic Nhóm vi sinh vật thứ hai gọi nonmethanogenic bao gồm sinh vật kỵ khí tùy tiện vi sinh vật kỵ khí bắt buộc Nhóm vi sinh vật thứ chuyển hóa hidro acetic acid thành khí CH CO Vi sinh vật methane hóa sử dụng số chất định để chuyển hóa thành methane CO, H2, formate, acetate, methanol, methano, methylamines, CO Các phương chuyển hóa xảy sau:  4H2 +CO 4COOH CH4 + 2H2O (3-5) CH4 + CO2 + H2O CH3COOH 4CH3OH CH4 + CO2 (3-7) 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + 6H2O 4CO + 2H2O (3-6) (3-8) 9CH4 + CO2 + 4NH3 (3-9) CH4 + 3CO2 (3-10) Động học trình phân hủy kỵ khí Tốc độ q trình phân hủy kỵ khí phụ thuộc vào điều kiện mơi trường thơng số động học Để dự đốn xác định tốc độ phân hủy kỵ khí phức thành phần chất thải rắn hữu cơ, động học trình nội dung cần hiểu rõ Nhiều nghiên cứu động học trình chuyển hóa sinh học, đặc biệt q trình chuyển hóa kỵ khí, thường sử dụng phương trình Monod để thực mối quan hệ nồng độ chất giới hạn phát triển tốc độ sinh trưởng vi sinh vật (Monod, 1949)  maxS (3-11) Ks+S Trong đó: µ: -1 Tốc độ tăng trưởng riêng vi sinh vật (ngày ) -1 µmax : Tốc độ tăng trưởng cực đại vi sinh vật (ngày ) S: Nồng độ chất (mol/l) Ks: Hằng số tốc ẵ ( giỏ tr à= 1/2àmax ) Mc dù phương trình Monod sử dụng rộng rãi nghiên cứu q trình phân hủy kỵ khí (McCarty, 1964; Ghosh Pohland, 1974; Ripley Boyle, 1983) với kết thích hợp, phương trình có giá trị hệ thống chất chất có khả hòa tan Từ nghiên cứu trước Faire Moore (1932) nghiên cứu gần Eastman Ferguson (1981), Brummeler (1993) cho thấy chất dạng rắn, động học bậc thích hợp Phương trình phân hủy chất theo động học bậc biểu diễn sau: R kS dS  dt Trong đó: k số tốc độ bậc (3-12) Mặc dù phương trình sử dụng rộng rãi để nghiên cứu trình phân hủy chất thải phức tạp bùn cống thải, phần chất hữu chất thải rắn sinh hoạt rơm rạ (Eastman Ferguson, 1981: Pferffer, 1974, Jewell, 1982), nghi ngờ nồng độ chất S thực xác định q trình nghiên cứu khơng Những chất chứa phần chất hòa tan nhiều hợp chất cao phân tử protein, lipids celluclose Tất hợp chất có tốc độ phân hủy khác điều kiện kỵ khí hầu hết thành phần giới hạn tốc độ phân hủy (Noikle cộng 1985, Guher ehnder, 1982) Những nghiên cứu động học trình thủy phân phức chất trình phân hủy kỵ khí khơng báo cáo Tốc độ trình thủy phân phụ thuộc vào loại chất, giá trị pH, nhiệt độ có mặt chất ức chế (Gijer Zehnder, 1983; Sander, 1999) Theo nghiên cứu Pfeffer (1974) q trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn sinh hoạt nghiền bước giới hạn tốc độ trình thủy phân phần celluclose chất tạo nên động học bậc Đối với chất dị thể phần chất hữu chất thải rắn sinh hoạt, với thành phần xác định động học trình phân hủy bậc dường dạng đơn giản hướng thực tế để mơ tả tồn q trình Tuy nhiên, khoảng 13-15% hợp chất hữu chất bị phân hủy với tốc độ cao phần chất hữu lại, động học bậc Phần chứa loại đường amino acid, tốc độ khử hợp chất lớn đáng kể so với celluclose (Noikle cộng sự, 1985) Theo Cecche Alvarez (1991), phần thứ tồn gồm acid béo dễ bay hình thành trình lưu trữ chất thải Tuy nhiên, thành phần khơng phải lúc có, nên ảnh hưởng chúng đến động học trình bỏ qua Để dự đốn tốc độ sinh khí (Emcon Associates, 1979; Hoieks, 1983), giả sử phần chất hữu CTRSH bao gồm nhiều phần, phương trình biểu diễn tốc độ khử chất q trình phân hủy kỵ khí phần chất hữu chất thải rắn sinh hoạt bao gồm hai hợp chất trường hợp đặc biệt biểu diễn sau: R dS  dS1 dS2    k S dt dt dt  S  k (3-13) Nồng độ chất S1 S2 biểu diễn theo nồng độ chất rán bay tương ứng với VS1 VS2 thì: R= (-k1VS1 + k2VS2) (3-14) Trong đó: k1 k2: số tốc độ bậc hợp chất hợp chất VS1 VS2: nồng độ chất rắn bay hợp chất hợp chất tương ứng Trong thực tế, nồng độ chất rắn bay VS= VS + VS2 xác định cách gián tiếp cách đo đại lượng khí methane sinh Đối với trình phân hủy, tốc độ khử chất rắn bay có khả phân hủy sinh học tốc độ sinh khí methane (Gujer Zehner, 1983; Brummeler, 1993) q trình tạo thành sinh khối khơng đáng kể R= - rCH4 (3-15) Trong đó: rCH4: tốc độ sinh khí methane Lương chất rắn bay bị phân hủy biểu diễn sau: dVS R  kVS dt (3-16) -1 Trong đó, k số tốc độ tồn q trình (ngày ) Lấy tích phân phương trình cho: ln VS1 VS0  kt (3-17) Như biểu diễn theo tốc độ hình thành khí methane, phương trình trở thành: ⎛ n ⎜ 1 ⎝ CH4t ⎞  ⎟ kt (3-18) CH4max ⎠ Trong CH4t tổng lượng methane sinh theo thời gian t, CH 4max lượng khí methane cực đại tạo thành từ phần chất hữu Như vậy, cách đo đạc lượng khí methane sinh xác định lượng phân hủy chất hữu cách dễ dàng CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ 3.1 Các loại vi sinh vật Vi sinh vật thường phân loại dựa cấu trúc tế bào chức chúng thành (Eucaryotes), (Eubacteria) (Archaebacteria) Nhóm Prokaryotic (Eubacteria Archaebacteria) đóng vai trò quan trọng hàng đầu q trình chuyển hóa sinh học chất hữu có chất thải rắn sinh hoạt gọi cách đơn giản vi khuẩn Nhóm Eucaryotic bao gồm thực vật, động vật sinh vật nguyên sinh Những Eucaryotic đóng vai trò quan trọng q trình chuyển hóa chất thải hữu gồm có (1) nấm, (2) men (3) Actinomycetes (khuẩn tía) Vi khuẩn Vi khuẩn tế bào đơn có dạng hình cầu , que dạng xoắn ốc - Vi khuẩn hình cầu (cầu khuẩn) có đường kính dao động khoảng 0,5 đến 4µm; - Vi khuẩn hình que có chiều dài dao động khoảng 0,5 - 20µm chiều rộng từ 0,5 – µm - Vi khuẩn dạng xoắn ốc (khuẩn xoắn) dài 10m rộng khoảng 0,5µm Các vi khuẩn náy tồn tự nhiên tìm thấy mơi trường hiếu khí kỵ khí Nghiên cứu nhiều loại vi khuẩn khác cho thấy vi khuẩn chứa khoảng 80% nước 20% chất khơ, chất hữu chiếm 90% 10% lại chất vơ Công thức phân tử thực nghiệm gần phần chất hữu C5H7NO Dựa công thức này, khoảng 53% (theo khối lượng) phần chất hữu carbon Các hợp chất tạo thành phần vơ tế bào vi khuẩn gồm có P 2O (50%), CaO (9%), Na2O (11%), MgO (8%), K2O (6%) Fe2O3 (1%) Vì tất nguyên tố hợp chất phải lấy từ môi trường, nên thiếu hợp chất hạn chế phát triển vi khuẩn Hình 1: Vi khuẩn hình que Nấm Nấm xem nhóm nguyên sinh động vật đa bào, không quang hợp dị dưỡng Hầu hết loại nấm có khả phát triển điều kiện ẩm thấp, điều kiện khơng thích hợp cho vi khuẩn Thêm vào đó, nấm chịu mơi trường có pH thấp Giá trị pH tối ưu cho hầu hết nhóm nấm vào khoảng 6, giá trị pH dao động khoảng - 9, trình trao đổi chất vi sinh trình hiếu khí chúng phát triển thành sợi dài gọi sợi nấm tạo thành từ nhiều tế bào có nhân có chiều rộng thay đổi từ - 20µm Do nấm có khả phân hủy nhiều hợp chất hữu điều kiện môi trường thay đổi rộng, nên chúng sử dụng rộng rãi công nghiệp để sản xuất nhiều hợp chất có giá trị acid hữu (acid citric, acid glutamic,…), chất kháng sinh (Penicillin, Grisofluvin) enzyme (Cellulose, Protease, Amylase) Men Men nấm khơng có dạng sợi chúng đơn bào Một số men có dạng elip với kích thước dao động khoảng – 15 µm x – µm, số loại men khác có dạng hình cầu với kích thước thay đổi từ - 12 µm Trong công nghiệp, men phân loại thành “men dại” “men nuôi cấy” Men dại vi sinh vật tự nhiên sinh để thực phản ứng phân hủy chất hữu qui trình dinh dưỡng tế bào Men cấy men có từ chủng vi sinh vật phân lập nuôi cấy điều kiện nhân tạo nhằm thu nhóm enzym có tác dụng xúc tác cho phản ứng sinh hóa loại chất hữu Hình 2: Men Khuẩn Tía (Actinomycetes) Khuẩn tía nhóm vi sinh vật có tính chất trung gian vi khuẩn nấm Chúng có hình dạng tương tự nấm với chiều rộng tế bào khoảng từ 0,5 – 1,4 µm Trong cơng nghiệp nhóm vi sinh vật sử dụng rộng rãi để sản xuất chất kháng sinh 3.2 Các loại trình trao đổi chất vi sinh vật Các vi sinh vật dị dưỡng hóa học nhóm lại theo dạng trao đổi chất nhu cầu oxy phân tử chúng Các vi sinh vật tạo lượng cách vận chuyển điện tử trung gian enzyme từ chất cho điện tử đến nhận điện tử bên ngồi (như oxy) gọi q trình trao đổi chất hơ hấp (Respiratory Metabolism) Trong đó, chế trao đổi chất lên men (Fermentative Metabolism) khơng có tham gia chất nhận diện điện tử từ bên ngồi Q trình lên men q trình tạo lượng hiệu so với q trình hơ hấp, vi sinh vật dị dưỡng loại có tốc độ sinh trưởng sinh sản tế bào thấp so với vi sinh vật dị dưỡng trao đổi chất theo chế hô hấp Khi oxy hóa phân tử sử dụng làm chất nhận điện tử q trình trao đổi chất hơ hấp, q trình gọi q trình hơ hấp hiếu khí (Aerobic Metabolism).Các vi sinh vật phụ thuộc q trình hơ hấp hiếu khí để đạt nhu cầu lượng chúng tồn cung cấp oxy phân tử, gọi vi sinh vật hiếu khí bắt buộc (Obligate Aerobic) Các chất vơ bị oxy hóa chẳng hạn sunfate nitrat đóng vai trò chất nhận điện tử số loại vi sinh vật hô hấp điều kiện khơng có oxy phân tử Trong lĩnh vực cơng nghệ mơi trường, q trình sử dụng loại vi sinh vật thường gọi q trình thiếu khí (Anoxic) Các vi sinh vật tổng hợp lượng trình lên men cỏ thể tồn điều kiện môi trường oxy gọi vi sinh vật kỵ khí bắt buộc (Obligate Anerobic) Bên cạnh có nhóm vi sinh vật khác phát triển điều kiện có khơng có oxy phân tử gọi vi sinh vật kỵ khí tùy tiện (Facultative Anaerobes) Các vi sinh vật tùy tiện phân loại thành nhóm dựa khả trao đổi chất chúng Những vi sinh vật kỵ khí tùy tiện thật chuyển từ q trình trao đổi chất theo chế lên men sang dạng trao đổi chất theo chế hơ hấp hiếu khí tùy theo có mặt oxy phân tử Các vi sinh vật kỵ khí chịu điều kiện hiếu khí (Aerotolerant Anaerobes) trao đổi chất lên men hồn tồn trơ có mặt oxy phân tử Bảng 1: Các chất nhận điện tử phản ứng vi sinh vật Mơi trường Hiếu khí Kỵ khí Chất nhận điện tử Oxy, O2 Nitate, NO3 2Sulfate, SO4 Khí Carbonic, CO2 Q trình Trao đổi chất hiếu khí Khử nitrat Khử sulfate Methane hóa 3.3 Nhu cầu dinh dưỡng cho phát triển vi sinh vật Để tái sinh hoạt động cách hợp lý, vi sinh vật cần có nguồn lượng: carbon để tổng hợp tế bào nguyên tố vô (chất dinh dưỡng) nitơ (N2), photpho (P), lưu huỳnh (S), canxi (C) magie (Mg) Các chất dinh dưỡng hữu cần thiết để tổng hợp tế bào Nguồn Carbon Và Năng Lượng Hai nguồn carbon thông dụng mô tế bào carbon hữu CO Những vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon hữu để tạo thành mô tế tào gọi vi sinh vật dị dưỡng (Heterotrophs) Sự chuyển hố CO thành mơ tế bào hữu q trình khử đòi hỏi phải cung cấp thêm lượng Do đó, vi sinh vật tự dưỡng tiêu tốn nhiều lượng cho trình tổng hợp so với vi sinh vật dị dưỡng Đây nguyên nhân khiến cho tốc độ sinh trưởng vi sinh vật tự dưỡng thường thấp Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào cung cấp từ ánh sáng mặt trời từ phản ứng oxy hoá hoá học Các vi sinh vật sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn lượng gọi vi sinh vật quang dưỡng (Photrophs) Các vi sinh vật quang dưỡng vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn chuyển hoá lưu huỳnh) vi sinh vật tự dưỡng (tảo vi khuẩn quang hợp) Các vi sinh vật lấy lượng từ phản ứng hóa học gọi Chemotrophs Cũng giống vi sinh vật quang dưỡng Chemotrophs gồm hai loại: dị dưỡng hoá học (nguyên sinh động vật, nấm, hầu hết vi khuẩn) tự dưỡng hoá học (vi khuẩn nitrate hoá) Các vi sinh vật tự dưỡng hố học thu lượng từ q trình oxy hố hợp chất vơ amonia, nitrit hợp chất chứa lưu huỳnh Các vi sinh vật dị dưỡng hoá học thường thu lượng từ trình oxy hố hợp chất hữu Sự phân loại vi sinh vật theo nguồn lượng carbon tế bào trình bày (Bảng 3.2) Bảng 2: Phân loại vi sinh vật theo nguồn lượng carbon tế bào Loại Tự dưỡng  Quang tự dưỡng  Hoá tự dưỡng Dị dưỡng  Dị dưỡng hóa học  Quang dị dưỡng Nguồn lượng Ánh sáng mặt trời P/ứng oxy hoá khử chất vơ Nguồn cacbon CO2 CO2 P/ứng oxy hố khử chất hữu Carbon hữu Ánh sáng mặt trời Carbon hữu Nguồn: Tchobanoglous cộng sự, 1993 Nhu cầu dinh dưỡng yếu tố ảnh hưởng đến phát triển vi sinh vật Các chất dinh dưỡng, khơng phải nguồn carbon lượng thành phần hạn chế tổng hợp phát triển tế bào vi sinh vật Các chất dinh dưỡng vô cơ cần thiết cho vi sinh vật bao gồm nitơ (N), lưu huỳnh (S), photpho (P), kali (K), magiê (Mg), canxi (Ca), sắt (Fe), natri (Na) clo (Cl) Các chất dinh dưỡng quan trọng bao gồm kẽm (Zn), mangan (Mn), molyden (Mo), selen (Se), Coban (Co), niken (Ni) tungsten (W) Bên cạnh chất dinh dưỡng vô cơ, số loại vi sinh vật cần cung cấp chất dinh dưỡng hữu Mặc dù nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật khác khác chất dinh dưỡng hữu phân thành loại sau: (1) amino acid, (2) purines pyrimidines, (3) vitamins Sự dinh dưỡng vi sinh vật q trình chuyển hố sinh học Mục đích hầu hết q trình chuyển hố sinh học chuyển hố chất hữu có chất thải thành sản phẩm cuối bền vững Như vậy, để thực điều này, vi sinh vật dị dưỡng hóa học đóng vai trò quan trọng hàng đầu chúng sử dụng hợp chất hữu làm nguồn cung cấp carbon lượng Phần chất hữu chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) có chứa lượng thích hợp chất dinh dưỡng (cả hữu vô cơ) cần thiết cho q trình chuyển hố sinh học chất thải Tuy nhiên, số chất thải rắn từ khu thương mại, lượng dinh dưỡng sẵn có khơng đủ nên cần bổ sung dinh dưỡng thích hợp để vi sinh vật sinh trưởng phân huỷ chất thải hữu Điều kiện môi trường Những điều kiện môi trường, nhiệt độ pH có ảnh hưởng quan trọng đến sống sinh trưởng vi sinh vật Nói chung, trình phát triển tối ưu vi sinh vật xảy khoảng dao động hẹp nhiệt độ pH chúng tồn khoảng thời gian hạn rộng nhiều Nhiệt độ thấp nhiệt độ tối ưu ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phát triển vi sinh vật tăng gấp nhiệt độ tăng lên 10 C đạt đến nhiệt độ tối ưu Theo khoảng nhiệt độ mà vi sinh vật hoạt động tốt phân thành Psychrophilic, Mesophilic Thermophilic (vi sinh vật ưa lạnh, ưa ấm chịu nhiệt) Khoảng nhiệt độ thích hợp cho loại vi sinh vật trình bày (Bảng 3.3) Bảng 3: Khoảng nhiệt độ nhóm vi sinh vật Lồi vi sinh vật Psychrphilic Mesophilic Thermophilic Nhiệt độ C Khoảng dao động 10 – 30 40 – 50 45 – 75 Tối ưu 15 35 55 Nguồn: Tchobanoglous cộng sự, 1993 Nồng độ ion hydro, biểu diễn dạng pH, yếu tố không quan trọng phát triển vi sinh vật dao động khoảng pH = – Thông thường, giá trị pH tối ưu để vi sinh vật phát triển dao động khoảng – Tuy nhiên, pH lớn thấp phân tử acid yếu bazơ yếu khuếch tán vào tế bào dễ dàng ion hydro hydroxyl, làm thay đổi pH nội bào phá huỷ tế bào Độ ẩm yếu tố môi trường quan trọng khác sinh trưởng vi sinh vật (VSV) Độ ẩm chất thải hữu cần chuyển hoá sinh học phải xác định trước, đặc biệt trường hợp làm phân compost theo qui trình khơ Trong nhiều trường hợp cần bổ sung nước để đạt độ hoạt tính tối ưu vi sinh vật Độ ẩm tối ưu trình làm phân compost hiếu khí dao động khoảng 50 – 60% Nếu độ ẩm xuống thấp 40%, tốc độ trình bị chậm lại Quá trình chuyển hố sinh học chất thải hữu đòi hỏi hệ thống sinh học tồn trạng thái cân động học Để thiết lập trì cân động học, môi trường không chứa kim loại nặng, amonia, hợp chất lưu huỳnh thành phần độc tính khác nồng độ tới hạn COMPOST Quá trình sinh học xảy trình làm phân compost tương tự bãi chơn lắp nhiên hiệu để tạo thành sản phẩm ổn định lại nhanh nhiều Mục đích việc làm phân compost chuyển hóa hợp chất hữu thành sản phẩm ổn định sử dụng để cải tạo đất bón cho trồng Ở nơi có mật độ dân số cao Nhật, Trung Quốc, Ấn Độ … Compost sử dụng rộng rãi làm phân bón Ở nước mà phân bón có hàm lượng khống cao, compost không sử dụng rộng rãi Compost định hướng sử dụng rộng rãi hình thức cải tạo đất Hình 3: Đống ủ compost 4.1 Quá trình làm phân compost hiếu khí Q trình làm phân compost hiếu khí q trình sinh học thường dùng để chuyển hóa phần chất hữu có CTRSH thành dạng humus bền vững gọi phân compost Những chất sử dụng làm phân compost bao gồm (1) rác vườn, (2) CTRSH phân loại, (3) CTRSH hỗn hợp (4) kết hợp CTRSH bùn từ trạm xử lý nước thải Tất trình làm phân compost xảy theo bước: (1) xử lý sơ CTRSH, (2) phân hủy hiếu khí phần chất hữu CTRSH (3) bổ sung chất cần thiết để tạo thành sản phẩm tiêu thụ thị trường Phương pháp windor, đổ thành đống thổi khí (Eareated Static Pile), phương pháp ủ phân thùng kín (In Vessel) phương pháp thường dùng Trong trình làm phân compost hiếu khí phần chất hữu (CHC) có chất thải sinh hoạt bị phân hủy sinh học Mức độ thời gian cần thiết cho trình phân hủy xảy phụ thuộc vào chất chất thải, độ ẩm, dinh dưỡng sẵn có yếu tố môi trường khác Dưới điều kiện môi trường khống chế thích hợp, rác vườn phần chất hữu có CTRSH chuyển hóa thành compost khoảng thời gian tương đối ngắn (từ – tuần) Q trình làm phân compost hiếu khí, vi sinh vật tùy tiện hiếu khí bắt buộc chiếm ưu Ở giai đoạn đầu, vi sinh vật ưu ấm (Mesophilic) chiếm ưu Khi nhiệt độ tăng, vi sinh vật chịu nhiệt (Thermophilic) lại nhóm trội khoảng – 10 ngày Và giai đoạn cuối, nồng độ thích hợp, nên cần bổ sung chúng vào vật liệu làm phân chất phụ gia Quá trình làm composting xảy điều kiện hiếu khí biễu diễn theo qui trình sau: Chất hữu + O2 + Dinh Dưỡng 2hủy + CO2 + H2O + NH3 + SO4 + Nhiệt Tế bào + phần chất hữu không phân Phương trình cho thấy, sản phẩm cuối chủ yếu tế bào mới, phần chất 2hữu không bị phân hủy CO + H2O + NH3 + SO4 Compost phần chất hữu bền không bị phân hủy lại, thường chứa nhiều lignin thành phần khó bị phân hủy sinh học khoảng thời gian ngắn Lignin có nhiều giấy in báo, hợp chất hữu cao phân tử có thành phần keo liên kết sợi cellulose loại lấy gỗ loại thực vật khác Hình 4: Luống ủ compost máy xáo trộn Những thơng số quan trọng điều khiển q trình làm phân compost bao gồm độ ẩm, tỷ lệ C/N nhiệt độ Đối với hầu hết chất thải hữu có khả phân hủy sinh học, độ ẩm đạt 50 – 60 % cấp đầy đủ, tốc độ tình trao đổi chất tăng Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng chất hữu làm thức ăn phát triển mô tế bào từ nguồn nitơ, photpho, carbon chất dinh dưỡng khác Do carbon hữu sử dụng làm nguồn lượng carbon tế bào nên nhu cầu carbon lớn nhiều so với nitơ Những thông số quan trọng trình làm phân compost hiếu khí trình bày tóm tắt (Bảng 3.4) Bảng 4: Các thơng số quan trọng q trình làm phân compost hiếu khí STT Thơng số 01 Kích thước 02 Tỷ lệ C/N 03 Độ ẩm 04 Mức độ xáo trộn 05 Nhiệt độ 06 Nhu cầu không khí 07 pH Giá trị Kích thước tối đa chất thải: 25 – 75 mm (1 – in) Tỷ lệ C/N tối ưu: 25 – 50 Nếu tỷ lệ thấp sinh khí NH Hoạt tính sinh học cản trở tỷ lệ C/N thấp Ở tỷ lệ cao nitơ nguyên tố giới hạn Độ ẩm giao động khoảng 50 – 60% Giá trị tối ưu 55% Để tránh tượng khô, tạo thành bánh, tạo kênh khí, q trình làm phân vật liệu phải xáo trộn định kỳ Chu kỳ xáo trộn tuỳ thuộc vào dạng trình thực Nhiệt độ trì khoảng 55 – 60 C Lượng oxy tính tốn dựa cân tỷ lượng Khơng khí chứa oxy cần thiết phải tiếp xúc với tất phần vật liệu làm phân Để đạt trình phân huỷ tối ưu, giá trị pH phải dao động khoảng – Để hạn chế thất nitơ dạng khí NH3, pH khơng phép vượt 8.5 Nguồn: Tchobanoglous cộng sự, 1993 pH pH tối ưu cho trình ủ nằm khoảng 6.5 tới 8.0 Kích thước hạt Kích thước hạt tối ưu nằm khoảng 3-50 mm, đạt cách cắt nghiền sàng vật liệu thơ ban đầu Tỷ lệ C/N Tỷ lệ C/N nói lên mức độ phân hủy chất thải hữu mức cân dinh dưỡng có khối ủ Tỷ lệ C/N vào khoảng 25:1 Nếu tỷ lệ C/N vật liệu làm compost bị kéo dài sản phẩm thu chứa mùn Ngược lại tỷ lệ C/N thấp, N thất dạng khí NH3 4.2 Ưu điểm nhược điểm trình làm phân compost Ưu điểm Nhờ hoạt động vi sinh vật mà khối rác chuyển hóa thành mùn Các phản ứng sinh hóa khơng cần điều kiện khắt khe đòi hỏi nhiệt độ cao hay áp suất cao phản ứng hóa học khác Điều kiện đòi hỏi yếu tố sau: - Độ ẩm thích hợp - Đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật để sinh tổng hợp enzym Xử lý rác cơng nghệ vi sinh khơng đòi hỏi vốn ban đầu lớn, phương pháp đốt hay phương pháp hóa lý khác Ở khối lượng rác áp dụng cơng nghệ vi sinh vật để giải Xử lý rác công nghệ vi sinh vật tạo loại phân hữu cơ: loại phân có chất lượng tương đương loại phân hữu khác Công nghệ giúp ta tăng nhanh vòng quay vật chất thiên nhiên: Động vật Thực vật Chất thải Phân bón hữu Khối lượng vật chất chu trình chuyển hóa không nhiều (chủ yếu vật chất chuyển thành dạng lắng, khí) Do đó, phân bón hữu tạo khâu chuỗi thức ăn thực vật Chuỗi ngắn, mát lượng chuỗi thức ăn Nếu ta tiến hành phương pháp đốt, chất hữu bị cháy hết, vật chất lại để tái tạo sinh khối thực vật chất khoáng Năng lượng tái tạo gần hết Nhược điểm Tuy có ưu điểm nêu trên, phương pháp sinh học xử lý chất thải hữu (ở CTRSH) có nhược điểm như: So với phương pháp đốt hay phương pháp hóa lý khác, phương pháp sinh học xử lý CTRSH đòi hỏi phải có thời gian dài, cần sử dụng diện tích lớn Thời gian cần thiết cho vi sinh vật phát triển, sinh tổng hợp loại enzym tiến hành phản ứng sinh hóa cần thiết Ngồi sản phẩm phân hữu (hay khó phân hủy sinh học), phương pháp sinh học tạo loại mùi khó chịu, chất phân giải thứ cấp hòa trộn nước Do đó, số trường hợp (ví dụ phương pháp chơn rác) phải tiến hành việc xử lý khí thải nước rò rỉ BIOGAS Trong q trình phân hủy kỵ khí, phần CHC chứa CTRSH phân hủy sinh học điều kiện kỵ khí Các sản phẩm cuối chủ yếu CO + CH4 + NH4 + H2S, phần CHC không hân hủy Trong hầu hết q trình phân hủy kỵ khí, CO CH4 chiếm 99% tổng lượng khí sinh Phần chất hữu lại (bùn) phải tách nước trước đổ bãi chôn lấp Bùn tách nước thường ủ phân compost hiếu khí trước bón cho đất đổ vào bãi chôn Trong năm gần đây, việc áp dụng q trình phân hủy kỵ khí xử lý phần chất hữu CTRSH trở nên phổ biến thu hồi khí methane sản phẩm phân hủy sử dụng chất bổ sung dinh dưỡng cho đất Một số trình phân hủy kỵ khí chất thải hữu nghiên cứu triển khai giới, gồm (Nguồn Tchobanoglous cộng 1993) - Công nghệ phân hủy dạng mẻ nối tiếp SEBAC – Mỹ gồm giai đoạn: (1) nạp liệu, ủ với nước rỉ rác, (2) chuyển hóa khí methane, (3) phân hủy cuối - Cơng nghệ KAMPOGAS – Thụy sĩ thiết bị phản ứng có dạng hình trụ tròn, cánh khuấy thủy lực, vận hành nồng độ chất thải rắn cao, nhiệt độ thermophilic - Công nghệ DRAVO – Bỉ: thiết bị phản ứng dòng chảy tầng, khơng khuấy trộn khí, vận hành nồng độ chất thải rắn cao, nhiệt độ thermophilic Công nghệ BTA – Đức: gồm giai đoạn: (1) Xử lý sơ bộ, (2) Phân loại, (3) thủy phân kỵ khí chất hữu cơ, (4) Methane hóa chất thải rắn sinh học hòa tan Nhiệt độ Mesophilic Cơng nghệ VALOGRA – Pháp: gồm giai đoạn: phân loại, lên men methane, tinh chế Hoạt động nồng độ chất rắn cao, nhiệt độ ấm Xáo trộn cách tuần hồn khí sinh học áp suất đáy thiết bị Công nghệ BIOCELL – Hà Lan: hệ thống mẻ, thiết bị hình trụ tròn, đường kính 12m, cao 5m, chất rắn nạp liệu có nồng độ 30% thu phối trộn rác phân loại chất thải phân hủy từ mẻ trước Cơng nghệ UTS – Đức: gồm giai đoạn: (1) nạp liệu ủ - phân hủy chất hữu cơ, thu hồi biogas, (2) ủ kỵ khí – thu hồi biogas, (3) bể chứa, ủ nhằm phân hủy triệt để thành phần khó phân hủy BÃI CHƠN LẮP Bãi chơn lắp dùng để chôn chất thải rắn Chất thải đổ vào xe chở rác nén xe ép rác Sau chất thải bao phủ lớp đất Vi sinh vật phân hủy từ từ chất hữu bãi chôn lắp đến tạo thành hợp chất ổn định Vi sinh vật phân hủy chất hữu chậm nhiều so với trình xử lý sinh học khác Quá trình phân hủy chất hữu bãi chôn lắp thực chủ yếu nhờ vi sinh vật tùy tiện ấm Vi sinh vật tùy tiện thủy phân hợp chất hữu thành acid hữu hòa tan Nấm vi sinh vật kỵ khí khác chuyển hóa acid hữu thành CO2, nước đặc biệt sản phẩm methane vi khuẩn chuyển hóa methane tạo Lượng khí methane khuếch tán lên bề mặt vi khuẩn hiếu khí chuyển hóa phần phần thất ngồi khơng khí Khi lượng lớn chất hữu phân hủy tạo khí methane gây tiềm tàng khả cháy nổ bề mặt bãi chôn lắp Độ ẩm vấn đề quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu phân hủy sinh học Nếu chất thải đem chơn có độ ẩm nhỏ 60%, hạn chế phát triển vi khuẩn phân hủy chất hữu Thông thường điều kiện chất thải có độ ẩm thấp thúc đẩy q trình phân hủy kỵ khí nấm tạo sản phẩm CO2 nước Sản phẩm nước thúc đẩy q trình chuyển hóa vi khuẩn Sự có mặt nước ngầm giúp cho mơi trường có đủ độ ẩm cho hoạt động vi sinh vật khuếch tán sản phẩm cuối đến vùng hiếu khí Mặt khác nước ngầm làm hạn chế khuếch tán oxy hạn chế điều kiện hiếu khí  ... 4H2 +CO 4COOH CH4 + 2H2O (3- 5) CH4 + CO2 + H2O CH3COOH 4CH3OH CH4 + CO2 (3- 7) 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + 6H2O 4CO + 2H2O (3- 6) (3- 8) 9CH4 + CO2 + 4NH3 (3- 9) CH4 + 3CO2 (3- 10) Động học trình phân... học Các vi sinh vật sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn lượng gọi vi sinh vật quang dưỡng (Photrophs) Các vi sinh vật quang dưỡng vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn chuyển hoá lưu huỳnh) vi sinh vật... tế bào khoảng từ 0,5 – 1,4 µm Trong cơng nghiệp nhóm vi sinh vật sử dụng rộng rãi để sản xuất chất kháng sinh 3. 2 Các loại trình trao đổi chất vi sinh vật Các vi sinh vật dị dưỡng hóa học nhóm