Đang tải... (xem toàn văn)
Môi trường
Chương 7: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ (COMPOST) TỪ RÁC ĐÔ THỊ 7.1 TỔNG QUAN Các công nghệ sản xuất phân hữu cơ (compost) từ CTR đô thò gồm phân hủy kỵ khí và hiếu khí. Bản chất chung của 2 quá trình trên là sử dụng vi sinh vật để ổn đònh các thành phần hữu cơ có trong CTR đô thò trước khi sử dụng hoặc xử lý tiếp. Hình 7.1: Các dòng vật chất chính trong xử lý sinh học các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học trong CTR đô thò 7.1.1 Đònh nghóa Quá trình chế biến phân hữu cơ: là quá trình chuyển hoá các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thò thành chất mùn ổn đònh nhờ hoạt động của các vi sinh vật Phân hữu cơ: là chất mùn ổn đònh thu được từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ, không chứa các mầm bệnh, không lôi cuốn côn trùng, có thể lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng 7.1.2 Các giai đoạn cơ bản trong sản xuất phân hữu cơ: Sản xuất phân hữu cơ từ chất thải rắn đô thò là quá trình kết hợp của 3 giai đoạn cơ bản sau: - Tiền xử lý chất thải rắn đô thò - Phân huỷ các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thò. - Chuẩn bò sản phẩm và tiếp thò sản phẩm 7.2 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ SINH HỌC CTR HỮU CƠ 7.2.1 Động học quá trình phân hủy kỵ khí CTR hữu cơ CTR hữu cơ có thể phân hủy sinh học Phân hủy hiếu khí (composting) Phân hủy kỵ khí Chôn lấp Nước thải (nước rỉ rác) Khí thải (biogas) CTR ổn đònh để cải tạo đất Khí thải Phân hữu cơ Năng lượng Tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Để dự đoán và xác đònh tốc độ phân hủy kỵ khí của các thành phần hữu cơ trong CTR đô thò, động học quá trình là nội dung cơ bản cần được hiểu rõ. Khi nghiên cứu động học quá trình chuyển hóa sinh học, đặc biệt là quá trình chuyển hóa kỵ khí, thường sử dụng phương trình Monod để thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất và tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật (Monod, 1949): Sk S S + = max µ µ (7.1) Trong đó: µ : Tốc độ tăng trưởng riêng của vi sinh vật (ngày -1 ) µ max : Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại của vi sinh vật (ngày -1 ) S : Nồng độ cơ chất (mol/l) k S : Hằng số tốc độ ½ (bằng giá trò S khi µ = ½ µ max ). Mặc dù phương trình Monod được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu các quá trình phân hủy kỵ khí (McCarty, 1964; Ghosh và Pohland, 1974; Ripley và Boyle, 1983) cho những kết quả phù hợp, nhưng phương trình này chỉ có giá trò đối với các hệ thống trong đó cơ chất là những chất có khả năng hòa tan. Từ nghiên cứu của Faire và Moore (1932) và nghiên cứu của Eastman và Ferguson (1981), Brummeler (1993) cho thấy: đối với cơ chất dạng rắn, động học bậc 1 là thích hợp nhất. Phương trình phân hủy cơ chất theo động học bậc 1 có thể biểu diễn như sau: Sk dt dS r =−= (7.2) Trong đó, k là hằng số tốc độ phân hủy Mặc dù phương trình này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu quá trình phân hủy các chất thải phức tạp như bùn cống thải, phần chất hữu cơ của CTRSH và rơm rạ (Eastman và Ferguson, 1981; Pfeffer, 1974, Jewell, 1982), nhưng vẫn còn nghi vấn là nồng độ cơ chất S có thực sự được xác đònh trong quá trình nghiên cứu không. Những chất này chứa một phần chất hòa tan và nhiều hợp chất cao phân tử như protein, lipid, và xenlulo . Tất cả những hợp chất này có tốc độ phân hủy khác nhau trong điều kiện kỵ kh và hầu hết đều là những thành phần có tốc độ phân hủy bò giới hạn (Noikle và cộng sự, 1985, Guher và Zehnder, 1982). Những nghiên cứu cơ bản về động học quá trình thủy phân các phức chất trong quá trình phân hủy kỵ khí hầu như không được trình bày. Tốc độ quá trình thủy phân sẽ phụ thuộc vào loại cơ chất, giá trò pH, nhiệt độ và sự có mặt của các chất ức chế (Gujer và Znhnder, 1983). Theo nghiên cứu của Pfeffer (1974), đối với quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ trong CTRSH đã nghiền, giai đoạn giới hạn tốc độ chính là quá trình thủy phân phần xenlulo trong cơ chất và giai đoạn này có động học bậc nhất. Đối với cơ chất dò thể như phần chất hữu cơ của CTRSH, với thành phần xác đònh, động học quá trình phân hủy bậc nhất dường như là dạng đơn giản nhất và hướng thực tế nhất để mô tả toàn bộ quá trình. Tuy nhiên, khoảng 13 – 15% các hợp chất hữu cơ của các cơ chất này bò phân hủy với tốc độ cao hơn phần chất hữu cơ còn lại, cũng theo động học bậc 1. Phần này có thể chứa các loại đường và amino axit, vì tốc độ khử các hợp chất này lớn hơn đáng kể so với xenlulo (Noike và cộng sự, 1985). Theo Cecche và Alvarez (1991), còn một phần thứ ba nữa tồn tại gồm các axit béo dễ bay hơi hình thành trong quá trình lưu trữ chất thải. Tuy nhiên, thành phần này không phải lúc nào cũng có, nên ảnh hưởng của chúng đến động học quá trình được bỏ qua. Để dự đoán tốc độ sinh khí (Emcon Associates, 1979; Hoeks, 1983), có thể giả sử rằng chất hữu cơ trong CTRSH đô thò bao gồm nhiều phần. Phương trình biểu diễn tốc độ khử cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khí phần chất hữu cơ của CTRSH gồm hai hợp chất được biểu diễn như sau: )( 2211 21 SkSk dt dS dt dS dt dS r += + −=−= (7.3) Nồng độ cơ chất S 1 và S 2 nếu biểu diễn theo nồng độ CTR bay hơi tương ứng VS 1 và VS 2 là: r = (k 1 .VS 1 + k 2 . VS 2 ) (7.4) Trong đó: k 1 và k 2 là hằng số tốc độ bậc 1 của hợp chất 1 và hợp chất 2, VS 1 và VS 2 là nồng độ chất thải rắn bay hơi được của hợp chất 1 và hợp chất 2 tương ứng. Trong thực tế nồng độ chất rắn bay hơi VS = VS 1 + VS 2 có thể được xác đònh một cách gián tiếp bằng cách đo lượng khí metan sinh ra. Đối với một quá trình phân huỷ, tốc độ khử các chất rắn bay hơi có khả năng phân hủy sinh học hầu như bằng tốc độ sinh khí metan (Gujer và Zehnder, 1983; Brummeler, 1993) vì quá trình tạo thành sinh khối không đáng kể: r ≈r CH4 (7.5) Trong đó r CH4 là tốc độ sinh khí metan . Lượng chất rắn bay hơi bò phân hủy có thể biểu diễn như sau: ).( )( VSk dt VSd r =−= (7.6) Trong đó, k là hằng số tốc độ của toàn bộ quá trình (ngày -1 ). Lấy tích phân phương trình trên cho: tk VS VS o t .ln −= (7.7) Như vậy nếu biểu diễn theo tốc độ sinh khí metan , phương trình trên trở thành: tk CH tCH .1ln max 4 4 −= − (7.8) Trong đó, CH 4 t là lượng tổng khí metan sinh ra sau thời gian t, CH 4max là lượng khí metan cực đại có thể tạo thành từ phần chất hữu cơ. Như vậy, bằng cách đo lượng khí CH 4 sinh ra có thể xác đònh tốc độ phân hủy chất hữu cơ một cách dễ dàng hơn. 7.2.2 Động học quá trình phân hủy hiếu khí CTR hữu cơ Quá trình chuyển hóa sinh học hiếu khí CTR có thể biểu diễn một cách tổng quát theo phương trình sau: Chất hữu cơ + O 2 + Dinh dưỡng Vi sinh vật Tế bào mới + CHC khó phân hủy + CO 2 + H 2 O + NH 3 + SO 4 2- + . + Q Nếu chất hữu cơ có trong CTR được biểu diễn dưới dạng C a H b O c N d , sự tạo thành tế bào mới và sunphat không đáng kể, thành phần của vật liệu khó phân hủy còn lại được đặc trưng bởi C w H x O y N z thì lượng oxy cần thiết cho quá trình ổn đònh hiếu khí các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học của CTR đô thò có thể được ước tính theo phương trình sau: C a H b O c N d + 0.5(ny + 2s + r – c)O 2 → nC w H x O y N z + sCO 2 + rH 2 O + (d – nx)NH 3 Trong đó: r = 0.5[b – nx – 3(d – nx)] s = a – nw C a H b O c N d và C w H x O y N z biểu diễn thành phần phân tử thực nghiệm của chất hữu cơ ban đầu và sau khi kết thúc quá trình. Nếu quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn, phương trình biểu diễn có dạng như sau: 3222 2 3 4 324 NHdOH db aCOO dcba NOHC dcba + − +→ −−+ + Trong nhiều trường hợp, NH 3 sinh ra từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ bò tiếp tục oxy hóa thành nitrat (quá trình nitrat hóa). Lượng oxy cần thiết để oxy hóa NH 3 thành nitrat có thể tính theo phương trình sau: NH 3 + 3/2 O 2 → HNO 2 + H 2 O HNO 2 + ½ O 2 → HNO 3 NH 3 + 2O 2 → H 2 O + HNO 3 Như vậy, trong quá trình phân hủy sinh học hiếu khí, sản phẩm tạo thành không có mặt của NH 3 . Hay nói cách khác, trong trường hợp này, tốc độ phân hủy được xác đònh theo lượng chất hữu cơ còn lại theo thời gian phân hủy và được biểu diễn như sau: tk VS VS o t .ln −= (7.9) Ví dụ: Xác đònh lượng oxy cần thiết để phân hủy hiếu khí 1 tấn chất hữu cơ. Giả thiết rằng thành phần chất hữu cơ cần phân hủy ban đầu là [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] 5 , thành phần chất hữu cơ còn lại là [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] 2 , sau quá trình phân hủy còn lại 400 kg CTR. Giải: 1. Số mol của chất thải ban đầu: 1000 / ( 30x12 + 50 x1 + 25 x16 ) = 1,23 2. Số mol của chất thải còn lại: 400 / ( 12 x12 + 20 x1 + 10 x16 ) = 1,23 3. Tỉ lệ số mol ban đầu và còn lại: n= 1,23/1,23 = 1 4. Tính các hệ số : r = 0,5 [ b – n.x – 3( d- n.z)]= 0,5 [ 50 – 1. 20]= 15 s = a – n. w = 30 – 1. 12 = 18 5. Khối lượng oxi cần cung cấp: 0,5 [ n. y + 2.s +r – c) = 0,5 [ 1.10 + 2. 18 + 15 – 25]. 1,23. 32 = 708 kg 7.3 VI SINH VẬT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ 7.3.1 Vi sinh vật Vi sinh vật thường được phân loại dựa trên cấu trúc tế bào và chức năng hoạt động của chúng thành (eucaryotes), (aubacteria) và (archaebacteria). Nhóm procaryotic (aubacteria và archaebacteria) đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa sinh học chất hữu cơ có trong CTR và được gọi một cách đơn giản là vi khuẩn. Nhóm eucaryotic bao gồm thực vật, động vật và sinh vật nguyên sinh. Những eucaryotic đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa các chất thải hữu cơ gồm có (1) nấm, (2) men và (3) actinomycetes (khuẩn tia). Vi khuẩn: Vi khuẩn là những tế bào đơn giản có dạng hình cầu, hình que hoặc dạng xoắn ốc. Vi khuẩn hình cầu (cầu khuẩn) có đường kính dao động trong khoảng 0,5 đến 4µm; vi khuẩn hình que có chiều dài dao động trong khoảng 0,5 ÷ 20 µm và chiều rộng từ 0,5 ÷ 4 µm; vi khuẩn dạng xoắn ốc (khuẩn xoắn) có thể dài hơn 10 µm và rộng khoảng 0,5 µm. Các vi khuẩn này tồn tại trong tự nhiên và được tìm thấy trong môi trường hiếu khí và kỵ khí. Nghiên cứu trên nhiều loài vi khuẩn khác nhau cho thấy vi khuẩn chứa khoảng 80% nước và 20% chất khô, trong đó các chất hữu cơ chiếm 90% và 10% còn lại là chất vô cơ. Công thức phân tử thực nghiệm gần đúng đối với phần chất hữu cơ là C 5 H 7 NO 2 . Dựa trên công thức này, khoảng 53% (theo khối lượng) chất hữu cơ là carbon. Các hợp chất tạo thành phần vô cơ trong tế bào vi khuẩn gồm có P 2 O 5 (50%), CaO (9%), Na 2 O (11%), MgO (8%), K 2 O (6%), và Fe 2 O 3 (1%). Vì tất cả các nguyên tố và hợp chất này phải lấy từ môi trường, nên nếu thiếu những hợp chất này sẽ hạn chế sự phát triển của vi khuẩn. Nấm: Nấm được xem là nhóm nguyên sinh động vật đa bào, không quang hợp và dò dưỡng. Hầu hết các loại nấm có khả năng phát triển trong điều kiện độ ẩm thấp, là điều kiện không thích hợp cho vi khuẩn. Thêm vào đó, nấm có thể chòu được môi trường có pH khá thấp. Giá trò pH tối ưu cho hầu hết các nhóm nấm vào khoảng 5÷6 nhưng giá trò pH cũng có thể dao động trong khoảng 2÷9. Quá trình trao đổi chất của các vi sinh vật này là quá trình hiếu khí và chúng phát triển thành những sợi dài gọi là sợi nấm tạo thành từ những tế bào có nhân và có chiều rộng thay đổi trong khoảng từ 4÷20 µm. Do nấm có khả năng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ trong những điều kiện môi trường thay đổi rất rộng, nên chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất nhiều hợp chất có giá trò như các axit hữu cơ (axit citric, axit glutamic, .), các chất kháng sinh (penicillin, griseofulvin) và enzym (cellulase, protease, amylase). Men: Men là nấm không có dạng sợi và do đó chúng chỉ là những đơn bào. Một số men có dạng elip với kích thước dao động trong khoảng 8÷15µm x 3÷5µm, một số men khác có dạng hình cầu với đường kính thay đổi từ 8÷12 µm. Trong công nghiệp, men được phân loại thành “men dại” và “men nuôi cấy”. Men dại do vi sinh vật trong tự nhiên sinh ra để thực hiện các phản ứng phân hủy chất hữu cơ trong qui trình dinh dưỡng của tế bào. Men cấy là men có từ các chủng vi sinh vật được phân lập và nuôi cấy trong điều kiện nhân tạo nhằm thu được nhóm enzym có tác dụng xúc tác cho phản ứng sinh hóa trên một loại chất hữu cơ thuần nhất. Khuẩn tia (Actinomycetes). Khuẩn tia là nhóm vi sinh vật có tính chất trung gian giữa vi khuẩn và nấm. Chúng có hình dạng tương tự như nấm nhưng với chiều rộng của tế bào chỉ khoảng từ 0,5÷1,4 µm. Trong công nghiệp, nhóm vi sinh vật này được sử dụng rộng rãi để sản xuất chất kháng sinh. 7.3.2 Các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Các vi sinh vật dò dưỡng hóa học có thể nhóm lại theo dạng trao đổi chất và nhu cầu oxy phân tử của chúng. Các vi sinh vật tạo ra năng lượng bằng cách vận chuyển điện tử trung gian của enzym từ chất cho điện tử đến chất nhận điện tử bên ngoài (như oxy) được gọi là quá trình trao đổi chất hô hấp (respiratory metabolism). Trong khi đó, cơ chế trao đổi chất lên men (fermentative metabolism) không có sự tham gia của chất nhận điện tử bên ngoài. Quá trình lên men là quá trình tạo năng lượng ít hiệu quả hơn quá trình hô hấp, do đó các vi sinh vật dò dưỡng loại này có tốc độ sinh trưởng và sản sinh tế bào thấp hơn so với vi sinh vật dò dưỡng trao đổi chất theo cơ chế hô hấp. Khi oxy phân tử được sử dụng làm chất nhận điện tử trong quá trình trao đổi chất hô hấp, thì quá trình này được gọi là quá trình hô hấp hiếu khí (aerobic respiration). Các vi sinh vật phụ thuộc vào quá trình hô hấp hiếu khí để đạt được nhu cầu năng lượng chúng chỉ có thể tồn tại khi được cung cấp oxy phân tử, gọi là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc (obligate aerobic). Các chất vô cơ bò oxy hóa chẳng hạn như nitrat và Sunfat có thể đóng vai trò chất nhận điện tử đối với một số loại vi sinh vật hô hấp trong điều kiện không có oxy phân tử. Trong lónh vực công nghệ môi trường, các quá trình sử dụng các loại vi sinh vật này thường được gọi là quá trình thiếu khí (anoxic). Các vi sinh vật sản sinh năng lượng bằng quá trình lên men và chỉ có thể tồn tại trong điều kiện môi trường không có oxy được gọi là vi sinh vật kỵ khí bắt buộc (obligate anaerobic). Bên cạnh đó còn có một nhóm vi sinh vật khác có thể phát triển trong cả điều kiện có hoặc không có oxy phân tử được gọi là vi sinh vật kỵ khí tùy tiện (facultative anaerobes). Các vi sinh vật tuỳ tiện có thể được phân loại thành 2 nhóm dựa trên khả năng trao đổi chất của chúng. Những vi sinh vật kỵ khí tùy tiện có thể chuyển từ quá trình trao đổi chất theo cơ chế len men sang dạng trao đổi chất theo cơ chế hô hấp hiếu khí, tuỳ theo sự có mặt của oxy phân tử. Các vi sinh vật kỵ khí chòu được điều kiện hiếu khí (aerotolerant anaerbobes) có cơ chế trao đổi chất lên men hoàn toàn nhưng khá trơ khi có mặt oxy phân tử. Bảng 7.1 Các chất nhận điện tử trong các phản ứng của vi sinh vật Môi trường Chất nhận điện tử Quá trình Hiếu khí Kỵ khí Oxy, O 2 Nitrat , NO 3 - Sunphat, SO 4 2- Khí Cacbonic, CO 2 Trao đổi chất hiếu khí Khử nitrat Khử Sunphat Metan hóa Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993. 7.3.3 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật Để có thể tái sinh và hoạt động một cách hợp lý, vi sinh vật cần có nguồn năng lượng: cacbon để tổng hợp tế bào mới và các nguyên tố vô cơ (chất dinh dưỡng) như nitơ (N 2 ), photpho (P), lưu huỳnh (S), canxi (Ca) và magiê (Mg). Các chất dinh dưỡng hữu cơ cũng cần thiết để tổng hợp tế bào. 7.3.3.1 Nguồn cacbon và năng lượng Hai nguồn carbon thông dụng nhất đối với mô tế bào là cacbon hữu cơ và CO 2 . Những vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để tạo thành mô tế bào được gọi là vi sinh vật dò dưỡng (heterotrophs). Các vi sinh vật sử dụng nguồn carbon từ CO 2 được gọi là vi sinh tự dưỡng (autotrophs). Sự chuyển hóa CO 2 thành mô tế bào hữu cơ là quá trình khử đòi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng. Do đó các vi sinh vật tự dưỡng tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình tổng hợp hơn so với vi sinh vật dò dưỡng. Đây chính là nguyên nhân khiến cho tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật tự dưỡng thường thấp hơn. Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào có thể được cung cấp từ ánh sáng mặt trời hoặc từ phản ứng oxy hóa hóa học. Các vi sinh vật có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng được gọi là vi sinh vật quang dưỡng (photrophs). Các vi sinh vật quang dõng có thể là vi sinh vật dò dưỡng (vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh) hoặc các vi sinh vật tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp). Các vi sinh vật lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học được gọi là chemotrophs. Cũng giống như vi sinh vật quang dưỡng, chemotrophs cũng gồm hai loại: di dưỡng hóa học (nguyên sinh động vật, nấm và hầu hết các vi khuẩn) và tự dưỡng hóa học (vi khuẩn nitrat hóa). Các vi sinh vật tự dưỡng hoá học thu năng lượng từ quá trình oxy hóa các hợp chất vô cơ như ammonia, nitrit và các hợp chất chứa lưu huỳnh. Các vi sinh vật dò dưỡng hóa học thường thu năng lượng từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ. Sự phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào được trình bày trong Bảng 7.2 Bảng 7.2 Phân loại vi sinh vật theo nguồn cacbon và nguồn năng lượng Loại Nguồn năng lượng Nguồn cacbon Tự dưỡng - Quang tự dưỡng - Tự dưỡng hóa học Dò dưỡng - Dò dưỡng hóa học - Quang dò dưỡng nh sáng mặt trời Phản ứng oxy hóa khử chất vô cơ Phản ứng oxy hóa khử chất hữu cơ nh sáng mặt trời CO 2 CO 2 Cacbon hữu cơ Cacbon hữu cơ Nguồn:Tchobanoglous và cộng sự, 1993. 7.3.3.2 Nhu cầu dinh dưỡng và các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật Các chất dinh dưỡng không phải là nguồn carbon hay năng lượng có thể là thành phần ức chế sự tổng hợp và phát triển của tế bào vi sinh vật. Các chất dinh dưỡng vô cơ cơ bản 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) và clo (Cl). Các chất dinh dưỡng ít quan trọng hơn bao gồm kẽm (Zn), mangan (Mn), molyden (Mo), selen (Se), Coban (Co), đồng (Cu), Niken (Ni) và tungsten (W). Bên cạnh các chất dinh dưỡng vô cơ, một số loại vi sinh vật cũng cần cung cấp các chất dinh dưỡng hữu cơ. Mặc dù nhu cầu dinh dưỡng của các vi sinh vật khác nhau sẽ khác nhau nhưng các chất dinh dưỡng hữu cơ có thể phân làm 3 loại chính như sau: (1) amino axit, (2) purines và pyrimidines, và (3) vitamins. 7.3.3.3 Sự dinh dưỡng của vi sinh vật và các quá trình chuyển hóa sinh học Mục đích chính của hầu hết các quá trình sinh học là chuyển hóa các chất hữu cơ có trong chất thải thành các sản phẩm cuối bền vững. Như vậy, để thực hiện được điều này, các vi sinh vật dò dưỡng sẽ đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn cung cấp carbon và năng lượng. Phần hữu cơ của CTRSH có chứa một lượng thích hợp các chất dinh dưỡng (cả hữu cơ và vô cơ) cần thiết cho quá trình chuyển hóa sinh học của chất thải. Tuy nhiên, đối với một số CTR từ khu thương mại, lượng dinh dưỡng sẵn có không đủ nên cần bổ sung dinh dưỡng thích hợp để vi sinh vật có thể sinh trưởng và phân hủy chất thải hữu cơ. 7.3.4 Điều kiện môi trường Những điều kiện môi trường: nhiệt độ và pH có ảnh hưởng quan trọng đến sự sống và sinh trưởng của vi sinh vật. Nói chung, quá trình phát triển tối ưu của vi sinh vật chỉ xảy ra trong một khoảng dao động hẹp của nhiệt độ và pH, mặc dù chúng vẫn có thể tồn tại trong khoảng giới hạn rộng hơn nhiều. Nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật hơn là nhiệt độ lớn hơn giá trò tối ưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật sẽ tăng lên gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên mỗi 10 o C cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu. Theo khoảng nhiệt độ mà vi sinh vật có thể hoạt động tốt nhất có thể phân loại chúng thành psychrophilic, meosphilic và thermophilic (vi sinh vật ưa lạnh, ưa ấm và chòu nhiệt). Khoảng nhiệt độ thích hợp cho từng loại vi sinh vật này được trình bày trong Bảng 7.3 Bảng 7.3 Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật Loại vi sinh vật Nhiệt độ Khoảng dao động Tối ưu Psychrophilic Mesophilic thermophilic -10 – 30 40 – 50 45 - 75 15 35 55 Nguồn:Tchobanoglous và cộng sự, 1993. Nồng độ ion hydro, biểu diễn dưới dạng pH, là yếu tố không quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật nếu dao động trong khoảng pH = 6 - 9. Thông thường, giá trò pH tối ưu để vi sinh vật phát triển dao động trong khoảng 6,5 – 7,5. Tuy nhiên khi pH lớn hơn 9,0 hoặc thấp hơn 4,5 các phân tử axit yếu hoặc bazơ yếu có thể khuếch tán vào tế bào dễ dàng hơn các ion hydro và hydroxyt, do đó làm thay đổi pH và phá hủy tế bào. Độ ẩm là một yếu tố môi trường quan trọng khác ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi sinh vật. Độ ẩm của chất thải hữu cơ cần chuyển hóa sinh học phải được xác đònh trước, đặc biệt là trong trường hợp làm phân compost theo qui trình khô. Trong nhiều trường hợp cần bổ sung nước để đạt được độ hoạt tính của vi sinh vật. Độ ẩm tối ưu của quá trình làm phân compost hiếu khí dao động trong khoảng 50 - 60%. Nếu độ ẩm giảm xuống dưới 40%, tốc độ của quá trình sẽ bò chậm lại. Quá trình chuyển hóa sinh học chất thải hữu cơ đòi hỏi hệ thống sinh học tồn tại ở trạng thái cân bằng động học. Để thiết lập và duy trì cân bằng động học, môi trường phải không chứa các kim loại nặng, ammonia, các hợp chất của lưu huỳnh và các thành phần độc tính khác ở nồng độ tới hạn. 7.4 CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ 7.4.1 Đònh nghóa quá trình phân huỷ kò khí Phân huỷ kò khí là quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong môi trường không có oxy ở điều kiện nhiệt độ từ 30 ÷ 65 0 C. Sản phẩm của quá trình phân huỷ kò khí là khí sinh học (CO 2 và CH 4 ). Khí CH 4 có thể thu gom và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học và bùn đã được ổn đònh về mặt sinh học, có thể sử dụng như nguồn bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng. 7.4.2 Quá trình phân hủy kỵ khí Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của CTRSH dưới điều kiện kỵ khí xảy ra theo 3 bước. Bước thứ nhất là quá trình thủy phân các hợp chất có phân tử lượng lớn thành những hợp chất thích hợp dùng làm nguồn năng lượng và mô tế bào. Bước thứ hai là quá trình chuyển hóa các hợp chất sinh ra từ bước 1 thành các hợp chất có phân tử lượng thấp hơn xác đònh. Bước thứ ba là quá trình chuyển hóa các hợp chất trung gian thành các sản phẩm cuối đơn giản hơn, chủ yếu là khí metan (CH 4 ) và khí cacbonic (CO 2 ). Trong quá trình phân hủy kỵ khí, nhiều loại vi sinh vật kỵ khí cùng tham gia quá trình chuyển hóa phần chất hữu cơ của CTR thành sản phẩm cuối bền vững. Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử và lipid thành các thành phần xây dựng cấu trúc như axit béo, monosacharic, amino axit và các hợp chất liên quan. Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai được gọi là nonmetanogenic (gồm các vi sinh vật kỵ khí tùy tiện và vi sinh vật kỵ khí bắt buộc) lên men các sản phẩm đã cắt mạch của nhóm 1 thành các axit hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acetic axit. Nhóm vi sinh vật thứ 3 chuyển hoá hydro và acetic axit thành khí metan và CO 2 . Vi sinh vật metan hóa chỉ có thể sử dụng một số cơ chất nhất đònh để chuyển hóa thành metan . phù với lượng nước cung cấp nhằm pha loãng rác đến tỷ lệ 10 -1 5% TS. • Khô: hàm lượng TS trong rác phân hủy khoảng 20 - 40%. Theo chế độ cấp liệu • Mẻ:. Loại Nguồn năng lượng Nguồn cacbon Tự dưỡng - Quang tự dưỡng - Tự dưỡng hóa học Dò dưỡng - Dò dưỡng hóa học - Quang dò dưỡng nh sáng mặt trời Phản ứng oxy
