TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 3 VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ Phân hủy chất thải rắn hữu cơ nhờ vi sinh vật là một trong những con đường xử lý chất thải bằng con đường sinh học cổ điển nhất. Từ nhiều thế kỷ trước con người đã chôn vùi những chất thải rắn và vi sinh vật đã phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp này thành những hợp chất đơn giản và sau đó thực vậ t bậc cao sẽ dùng làm nguồn dinh dưỡng. Vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ theo 2 con đường: phân hủy hiếu khí và phân hủy kỵ khí. Hiện nay, việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt thông qua bãi chôn lấp đã được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên làm phân compost và sản xuất khí sinh học (biogas) ngày càng được ứng dụng nhiều và sẽ giữ một vai trò quan trọng trong tương lai. 1. VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ Quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi vi sinh vật làm giảm thể tích và khối lượng chất thải, sản xuất phân compost dùng bổ sung chất dinh dưỡng cho đất, và sản xuất khí sinh học (methane) là một loại khí năng lượng có giá trị. Các loại vi sinh vật chủ yếu tham gia quá trình chuyển hóa sinh học chất thải rắn hữu cơ bao gồm vi khuẩn, nấm, men, và Antinomycetes. Các quá trình này có thể được thực hiện hiếu khí hoặc kỵ khí, tùy theo lượng oxy sẵn có. Những điểm khác biệt cơ bản giữa các phản ứng chuyển hóa hiều khí và kỵ khí là bản chất của các sản phẩm cuối của quá trình và lượng oxy thực sự cần phải cung cấp để thực hiện quá trình chuyển hóa hiếu khí. Những quá trình sinh học ứng dụng để chuyển hóa chất thải rắn hữu cơ bao gồm quá trình làm phân compost hiếu khí, quá trình làm phân kỵ khí và quá trình phân hủy k ỵ khí với nồng độ chất rắn cao. 2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CỦA VI SINH VẬT 2.1 Động học của quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ Quá trình chuyển hóa sinh học hiếu khí chất thải rắn hữu cơ có thể biểu diễn bằng một cách tổng quát theo phương trình sau: Chất hữu cơ + O 2 + Dinh Dưỡng Tế bào mới + Chất hữu cơ khó phân hủy + CO 2 + H 2 O +NH 3 + SO 4 +…+ Nhiệt. (3-1) Nếu chất thải hữu cơ có trong chất thải rắn được biểu diễn dưới dạng C a H b O c N d , sự tạo thành tế bào mới và sulfate không đáng kể và thành phần 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 phân hủy hiếu khí các chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học có thể được ước tính theo phương trình phản ứng sau: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 52 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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)N (3-2) 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 vì sau khi kết thúc quá trình. Nếu quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn, phương trình biểu diễn có dạng như sau: 2 C a H b O c N d + (4a + b-2c-3d)O 2 2aCO 2 + bH 2 O (3-3) Trong nhiều trường hợp, ammonia sinh ra từ quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ bị tiếp tục oxy hóa thành nitrat (quá trình nitrt hóa). Lượng oxy cấn thiết để oxy hóa ammonia thành nitrat có thể tính theo phương trình sau: NH 3 + 3/2 O 2 HNO 2 +H 2 O HNO 2 + 1/2O 2 HNO 3 NH 3 + 2O 2 H 2 O + HNO 3 (3-4) Như vậy, trong quá trình phân hủy sinh học hiếu khi sản phẩm tạo thành không có mặt CH. Hay nói cách khác, trong trường hợp này tốc độ phân hủy được xác định dựa trên hàm lượng chất hữu cơ còn lại theo thời gian phân hủy. 2.2 Động học của quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ Quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ xảy ra theo 3 bước: • Bước thứ nhất là quá trình phân 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 hợp chất có phân tử lượng thấp hơn xác định. • Bước thứ 3 là quá trình chuyển hóa các hợp chất trung gian thành các sản phẩm cuối đơn giản hơn, chủ yếu là khí methane (CH 4 ) và khí carbonic (CO 2 ). Trong quá trình phân hủy kỵ khí, nhiều loại vi sinh vật kỵ khí cùng tham gia quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành sản phẩm cuối bền vững. Các vi sinh vật này được chia thành 3 nhóm: • Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử thành các thành phần xây dựng cấu trúc như acid béo, monosacharic, amino acid và các hợp chất liên quan. • Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai lên men các sản phẩm đã cắt mạch của nhóm 1 thành các acid hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acid acetic. Nhóm vi sinh vật thứ hai được gọi là nonmethanogenic bao gồm các sinh vật kỵ khí tùy tiện và vi sinh vật kỵ khí bắt buộc. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 53 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG • Nhóm vi sinh vật thứ 3 chuyển hóa hidro và acetic acid thành khí CH 4 và CO. Vi sinh vật methane hóa chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định để chuyển hóa thành methane như CO, H2, formate, acetate, methanol, methano, methylamines, và CO. Các phương chuyển hóa xảy ra như sau: 4H 2 +CO CH 4 + 2H 2 O (3-5) 4COOH CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O (3-6) CH 3 COOH CH 4 + CO 2 (3-7) 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O (3-8) 4(CH 3 ) 3 N + 6H 2 O 9CH 4 + 3 CO 2 + 4NH 3 (3-9) 4CO + 2H 2 O CH 4 + 3CO 2 (3-10) Động học của quá trình phân hủy kỵ khí Tốc độ của quá trình phân hủy kỵ khí phụ thuộc vào điều kiện môi trường và các thông số động học. Để dự đoán và xác định tốc độ phân hủy kỵ khí của các phức trong thành phần chất thải rắn hữu cơ, động học quá trình là nội dung cơ bản cần được hiểu rõ. Nhiều nghiên cứu động học quá trình chuyển hóa sinh học, đặc biệt là quá trình chuyển hóa kỵ khí, th ường sử dụng phương trình Monod để thực hiện mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất giới hạn sự phát triển và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật. (Monod, 1949). ax Ks+S m S µ µ = (3-11) Trong đó: µ: Tốc độ tăng trưởng riêng của vi sinh vật (ngày -1 ) µ max : Tốc độ tăng trưởng cực đại của vi sinh vật (ngày -1 ) S : Nồng độ cơ chất (mol/l) Ks: Hằng số tốc độ ½ ( giá trị khi µ= 1/2µ max ) Mặc dù phương trình Monod được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí (McCarty, 1964; Ghosh và Pohland, 1974; Ripley và Boyle, 1983) với những kết quả thích hợp, phương trình này chỉ có giá trị đối với hệ thống trong đó cơ chất là những chất có khả năng hòa tan. Từ nghiên cứu trước đây của Faire và Moore (1932) và nghiên cứu gần đây của Eastman và Ferguson (1981), Brummeler (1993) cho thấy rằng đối với cơ chất dạng rắn, động học b ậc 1 là thích hợp nhất. Phương trình phân hủy cơ chất theo động học bậc 1 có thể biểu diễn như sau: dS R kS dt ==− (3-12) Trong đó: k là hằng số tốc độ bậc Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 54 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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 chất thải rắn sinh hoạt và rơm rạ (Eastman và Ferguson, 1981: Pferffer, 1974, Jewell, 1982), nhưng nó vẫn còn nghi ngờ là nồng độ cơ chất S nó thực sự được xác định trong quá trình nghiên cứu không. Những chất này chứa một phần các chất hòa tan và nhiều hợp chấ t cao phân tử như protein, lipids và celluclose. Tất cả các hợp chất này có tốc độ phân hủy khác nhau trong điều kiện kỵ khí và hầu hết là những thành phần giới hạn tốc độ phân hủy (Noikle và cộng sự 1985, Guher và ehnder, 1982). Những nghiên cứu cơ bản về động học quá trình thủy phân và các phức chất trong quá trình phân hủy kỵ khí nhưng không được báo cáo. Tốc độ quá trình thủy phân sẽ phụ thuộc vào loại cơ chất, giá trị pH, nhiệt đ uá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn sinh hoạt đi nghiền bước giới hạn tốc độ chính là quá trình thủy phân phần celluclo iễn tốc độ khử cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khí phần chất hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt bao gồm hai hợp chất trong trường h ộ và sự có mặt của các chất ức chế (Gijer và Zehnder, 1983; Sander, 1999). Theo nghiên cứu của Pfeffer (1974) đối với q se của cơ chất đã tạo nên động học bậc nhất. Đối với cơ chất dị thể như phần chất hữu cơ của ch ất thải rắn sinh hoạt, với thành phần xác định động học quá trình phân hủy bậc 1 dường như là một 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 bị phân hủy với tốc độ cao hơn phần chất hữu cơ còn lại, cũng như động học bậ c. Phần này có thể chứa các loại đường và amino acid, vì tốc độ khử các hợp chất lớn hơn đáng kể so với celluclose (Noikle và cộng sự, 1985). Theo Cecche và Alvarez (1991), còn một phần thứ 3 nữa tồn tại gồm các acid 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; Hoieks, 1983), có thể giả sử rằng phần chất hữu cơ của CTRSH bao gồm nhiều phần, phương trình biểu d ợp đặc biệt được biểu diễn như sau: () 12 12 21 dt dSdS dS R kS kS dt dt == = =− + (3-13) Nồng độ cơ chất S và S nếu biểu diễn theo nồng độ chất rán bay hơi tương ứng với + k 2 VS 2 ) (3-14) Trong đ n bay hơi có khả năng phân hủy sinh học hầu như bằng tốc độ sinh khí methane (Gujer và Zehner, 1983; Brummeler, 1993) vì quá trình tạo hối không đáng kể. 1 2 VS 1 và VS 2 thì: R= (-k 1 VS 1 ó: k 1 và k 2 : hằng số tốc độ bậc 1 của hợp chất 1 và hợp chất 2 VS 1 và VS 2 : nồng độ chất rắn bay hơi 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 định một cách gián tiếp bằng cách đo đại lượng khí methane sinh ra. Đối với một quá trình phân hủy, tốc độ khử các chất rắ thành sinh k Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 55 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG R= - r C (3-15) r CH4 : là tố Lương chất rắn bay hơi bị phân hủy có thể biểu diễn như sau: H4 Trong đó: c độ sinh khí methane. dVS R kVS− (3-16) rong đó, k là hằng số tốc độ của toàn bộ quá trình (ngày -1 ). Lấy tích phân phương trình cho: dt == T 1 ln 0 VS VS kt=− (3-17) Như vậy nếu biểu diễn theo tốc độ hình thành khí methane, phương trình trên trở thành: 4 4ax t m CH kt CH ⎞ 1 n ⎛ −=− ⎜ Trong đó CH t là tổng lượng methane sinh ra theo thời gian t, CH là lượng khí methane sinh ra có thể xác định lượng phân hủy chất hữu cơ một cách dễ dàng hơn. 3. CÁC ợc gọi một cách ên hất thả ữ Vi khu khuẩn là những tế bào đơn có dạng hình cầu , que hoặc dạng xoắn ốc. n dạng xoắn ốc (khuẩn xoắn) có thể dài hơn 10m và rộng khoảng 0,5µm. ⎟ ⎝⎠ (3-18) 4 4max khí methane cực đại tạo thành từ phần cơ chất hữu cơ. Như vậy, bằng cách đo đạc lượng YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ 3.1 Các loại vi sinh vật Vi sinh vật thường được phân loại dựa trên cấu trúc tế bào và chức năng của chúng thành (Eucaryotes), (Eubacteria) và (Archaebacteria). Nhóm Prokaryotic (Eubacteria và Archaebacteria) đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình chuyển hóa sinh học chất hữu cơ có trong chất thải rắn sinh hoạt và đư đơn giản là vi khuẩn. Nhóm Eucaryotic bao gồm thực vật, động vật và sinh vật nguy sinh. Những Eucaryotic đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa các c i h u cơ gồm có (1) nấm, (2) men và (3) Actinomycetes (khuẩn tía). ẩn . Vi - 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 - 20µm và chiều rộng từ 0,5 – 4 µm - Vi khuẩ Các vi khuẩn náy tồn tại trong tự nhiên và được tìm thấy trong môi trường hiếu khí và kỵ khí. Nghiên cứu trên nhiều loại vi khuẩn khác nhau cho thấy vi khuẩn chứa khoảng 80% nước và 20% chất khô, trong đó 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 hữ u cơ là C 5 H 7 NO Dựa Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 56 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG trên công thức này, khoảng 53% (theo khối lượng) của phần chất hữu cơ là carbon. Các hợp chất tạo thành phần vô cơ trong tế bào vi khuẩn gồm có P 2 O (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. Hình 3. 1 : Vi khuẩn hình que Nấm. Nấm được xem là nhóm nguyên sinh động vật đa bào, không quang hợp và dị dưỡng. Hầu hết các loại nấm có khả năng phát triển trong điều kiện ẩm thấp, là điều kiện không thích hợp cho vi khuẩn. Thêm vào đó, nấm có thể chịu được môi trường có pH khá thấp. Giá trị pH tối ưu cho hầu hết các nhóm nấm là vào khoảng 6, nhưng giá trị pH cũng có thể dao động trong khoảng 2 - 9, quá trình trao đổi chất của các vi sinh v ậy này là quá trình hiếu khí và chúng phát triển thành các sợi dài gọi là sợi nấm tạo thành từ nhiều tế bào có nhân và có chiều rộng thay đổi từ 4 - 20µm. 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 hủy chất hữu cơ trong qui trình dinh dưỡng của tế bào. Men cấy là men có từ các chủng vi sinh vật đượ c 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 1 loại chất hữu cơ thuần nhất. trị như các acid hữu cơ (acid citric, acid glutamic,…), các chất kháng sinh ( Penicillin, Grisofluvin) và enzyme (Cellulose, 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 – 15 µm x 3 – 5 µm, một số loại men khác có dạng hình cầu với kích thước 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 Hình 3. 2 : Men Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 57 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Khuẩn Tía (Actinomycetes). Khuẩn tía là nhóm vi sinh vật có những 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 3.2 Cá so với quá trình hô hấp, do đó các vi sinh vật dị dưỡng loại này có tốc độ sinh trưởng và sinh sản tế bào thấp hơn so với vi sinh vật dị dưỡng trao đổi chất theo cơ chế hô hấp. điều kiệ n không có oxy phân tử. Trong lĩnh vực công nghệ môi trường, các quá trình sử dụng các loại vi sinh vật này thường được gọi là quá trình thiếu khí (Anoxi ủa oxy phân tử. Các vi sinh vật kỵ khí chịu được điều kiện hiếu khí (Aerotolerant Anaerobes) có thể trao đổi chấ t lên men hoàn Bảng 3. hận điện tử tro sinh vật. M g Ch tử này được sử dụng rộng rãi để sản xuất chất kháng sinh. c loại quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Các vi sinh vật dị 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 enzyme từ chất cho điện tử đến 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 diệ n điện tử từ bên ngoài. Quá trình lên men là quá trình tạo năng lượng ít hiệu quả hơn Khi oxy hóa 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 hấ p hiếu khí (Aerobic Metabolism).Các vi sinh vật phụ thuộc quá trình hô hấp hiếu khí để đạt được nhu cầu năng lượng của chúng có thể tồn tại chỉ khi được cung cấp oxy phân tử, gọi là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc (Obligate Aerobic). Các chất vô cơ bị oxy hóa chẳng hạn như sunfate và nitrat có thể đóng vai trò chất nhận điện tử đối với một số loại vi sinh vật hô hấp trong c). Các vi sinh vật tổng hợp năng lượng bằng quá trình lên men và chỉ cỏ thể tồn tại trong điều kiện môi trường không có oxy được gọi là vi sinh vật kỵ khí bắt buộc (Obligate Anerobic). 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 gọi là vi sinh v ật kỵ khí tùy tiện (Facultative Anaerobes). Các vi sinh vật tùy 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 thật sự có thể chuyển từ quá trình trao đổi chất theo cơ chế lên men sang dạng trao đổi chất theo cơ chế hô hấp hiếu khí tùy theo sự có mặt c toàn nhưng khá trơ khi có mặt oxy phân tử. 1: Các chất n ng phản ứng của vi ôi trườn ất nhận điện Quá trình Hiếu khí Kỵ khí Sulfate, SO 4 Khí Carbonic, CO 2 Trao khí Khử sulfate Methane hóa Oxy, O 2 Nitate, NO 3 2- đổi chất hiếu Khử nitrat Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 58 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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: carbon 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 (C) và magie (Mg). Các chất dinh dưỡng hữu cơ cũng cần thiết để tổng hợp tế bào. Nguồn Carbon Và Năng Lượng. Hai nguồn carbon thông dụng nhất đối với mô tế bào carbon hữu cơ và CO. Những vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để tạo thành mô tế tào được gọi là vi sinh vật dị dưỡng (Heterotrophs). Sự chuyển hoá 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 dị 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 cấ p từ ánh sáng mặt trời hoặc từ phản ứng oxy hoá hoá học. Các vi sinh vật có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng gọi là vi sinh vật quang dưỡng (Photrophs). Các vi sinh vật quang dưỡng có thể là vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn chuyển hoá lưu huỳnh) hoặc 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 gọ i là Chemotrophs. Cũng giống như vi sinh vật quang dưỡng Chemotrophs cũng gồm hai loại: dị dưỡng hoá học (nguyên sinh động vật, nấm, và hầu hết các vi khuẩn) và tự dưỡng hoá học (vi khuẩn nitrate hoá). Các vi sinh vật tự dưỡng hoá học thu năng lượng từ quá trình oxy hoá các hợp chất vô cơ như amonia, nitrit và hợp chất chứa lưu huỳnh. Các vi sinh vật dị dưỡng hoá học thường thu năng lượng từ quá trình oxy hoá các hợp ch ất hữu cơ. Sự phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào được trình bày trong (Bảng 3.2). Bảng 3. 2: Phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào Loại Nguồn năng lượng Nguồn cacbon Tự dưỡng • Quang tự dưỡng • Hoá tự dưỡng Dị dưỡng • Dị dưỡng hóa học • Quang dị dưỡng Ánh sáng mặt trời P/ứng oxy hoá khử chất vô cơ P/ứng oxy hoá khử chất hữu cơ Ánh sáng mặt trời CO 2 CO 2 Carbon hữu cơ Carbon hữu cơ Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993 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 hoặc năng lượng có thể là thành phần hạn chế sự tổng hợp và phát triển 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 h ơn bao gồm kẽm (Zn), mangan (Mn), molyden (Mo), selen (Se), Coban (Co), niken (Ni) và tungsten (W). Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 59 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bên cạnh các chất dinh dưỡng vô cơ, một số loại vi sinh vật 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 thành 3 loại chính như sau: (1) amino acid, (2) purines và pyrimidines, và (3) vitamins. Sự dinh dưỡng của vi sinh vật và các quá trình chuyển hoá sinh học. Mục đích chính của hầu hết các quá trình chuyển hoá sinh học là chuyển hoá các chất hữu cơ có trong chất thải thành các s ản phẩm cuối bền vững. Như vậy, để thực hiện được điều này, các vi sinh vật dị dưỡng hóa học 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 chất hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) có chứa một lượng thích hợp các chất dinh dưỡng (cả hữu cơ và vô cơ) cần thiết cho quá trình chuyển hoá sinh học chất thải. Tuy nhiên, đối với một số chất thải rắn 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 huỷ chất thải hữu cơ. 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 thời gian hạn rộng hơn nhiều. Nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phát triển của vi sinh vậ t sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên mỗi 10 0 C cho đến khi đạt đến nhiệt độ tối ưu. Theo khoảng nhiệt độ mà vi sinh vật có thể hoạt động tốt nhất có thể phân thành Psychrophilic, Mesophilic và Thermophilic (vi sinh vật ưa lạnh, ưa ấm và chịu nhiệt). Khoảng nhiệt độ thích hợp cho từng loại vi sinh vật này được trình bày trong (Bảng 3.3). Bảng 3. 3: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật. Nhiệt độ 0 C Loài vi sinh vật Khoảng dao động Tối ưu Psychrphilic 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 trị pH tối ưu để vi sinh vật phát triển dao động trong khoảng 5 – 7. Tuy nhiên, khi pH lớn hơn 9 hoặc thấp hơn 5 các phân tử acid yếu hoặc bazơ yếu có thể khuếch tán vào tế bào dễ dàng hơn các ion hydro và hydroxyl, do đó làm thay đổi pH nộ i bào và phá huỷ tế bào. Độ ẩm là một yếu tố môi trường quan trọng khác đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật (VSV). Độ ẩm của chất thải hữu cơ cần chuyển hoá sinh học phải được xác định 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 tối ưu 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 xuống thấp hơn 40%, tốc độ của quá trình sẽ bị chậm lại. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 60 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Quá trình chuyển hoá 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 không chứa các kim loại nặng, amonia, các hợp chất của lưu huỳnh và các thành phần độc tính khác ở nồng độ tới hạn. 4. COMPOST Quá trình sinh học xảy ra trong quá trình làm phân compost tương tự như trong bãi chôn lắp tuy nhiên hiệu quả để tạo thành một sản phẩm ổn định lại nhanh hơn rất nhiều. Mục đích của việc làm phân compost là chuyển hóa những hợp chất hữu cơ thành những sản phẩm ổn định và có thể sử dụng để cải tạo đất hoặc bón cho cây trồng. Ở những nơi có mật độ dân s ố cao như Nhật, Trung Quốc, Ấn Độ … Compost được sử dụng rộng rãi làm phân bón. Ở những nước mà phân bón có hàm lượng khoáng cao, compost đã không được sử dụng rộng rãi. Compost được định hướng sử dụng rộng rãi dưới hình thức cải tạo đất. Hình 3. 3: Đống ủ compost 4.1 Quá trình làm phân compost hiếu khí Quá trình làm phân compost hiếu khí là quá trình sinh học thường dùng để chuyển hóa phần chất hữu cơ có trong CTRSH thành dạng humus bền vững gọi là phân compost . Những chất có thể sử dụng làm phân compost bao gồm (1) rác vườn, (2) CTRSH đã phân loại, (3) CTRSH hỗn hợp và (4) kết hợp giữa CTRSH và bùn từ trạm xử lý nước thải. Tất cả các quá trình làm phân compost đều xảy ra theo 3 bước: (1) xử lý sơ bộ CTRSH, (2) phân hủy hiếu khí phần chất hữu cơ của CTRSH và (3) bổ sung chất cần thiết để tạo thành sản phẩm có thể tiêu thụ trên thị trường . Phương pháp windor, đổ thành đống và thổi khí (Eareated Static Pile), và phương pháp ủ phân trong thùng kín (In Vessel) là những phương pháp thường dùng. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 61 [...]...TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Trong quá trình làm phân compost hiếu khí phần chất hữu cơ (CHC) có trong chất thải sinh hoạt sẽ bị phân hủy sinh học Mức độ và thời gian cần thiết cho quá trình phân hủy xảy ra phụ thuộc vào bản chất của chất thải, độ ẩm, dinh dưỡng sẵn có và các yếu tố môi trường khác Dưới điều kiện môi trường được khống chế thích hợp, rác vườn... phân compost hiếu khí được trình bày tóm tắt trong (Bảng 3. 4) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 62 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bảng 3 4: Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân compost hiếu khí STT 01 Thông số 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 của chất thải: 25 – 75 mm (1 – 3 in) Tỷ lệ C/N tối ưu:... cho vi sinh vật để sinh tổng hợp enzym Xử lý rác bằng công nghệ vi sinh không đòi hỏi vốn ban đầu lớn, bằng phương pháp đốt hay phương pháp hóa lý khác Ở mọi khối lượng của rác đều có thể áp dụng công nghệ vi sinh vật để giải quyết Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 63 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Xử lý rác bằng công nghệ vi sinh vật sẽ tạo ra loại phân hữu cơ: loại phân này có chất lượng... sung dinh dưỡng cho đất Một số quá trình phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ đang được nghiên cứu và triển khai trên thế giới, gồm (Nguồn Tchobanoglous và cộng sự 19 93) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 64 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG - Công nghệ phân hủy dạng mẻ nối tiếp SEBAC – Mỹ gồm 3 giai đoạn: (1) nạp liệu, ủ với nước rỉ rác, (2) chuyển hóa khí methane, (3) phân hủy cuối - Công nghệ KAMPOGAS... dưới dạng khí NH3 4.2 Ưu điểm và nhược điểm của quá trình làm phân compost Ưu điểm Nhờ hoạt động của vi sinh vật mà khối rác được chuyển hóa thành mùn Các phản ứng sinh hóa không cần các điều kiện quá khắt khe như đòi hỏi nhiệt độ cao hay áp suất cao như những phản ứng hóa học khác Điều kiện ở đây chỉ đòi hỏi các yếu tố sau: - Độ ẩm thích hợp - Đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật để sinh tổng hợp enzym... đất Vi sinh vật sẽ phân hủy từ từ chất hữu cơ trong bãi chôn lắp đến khi tạo thành hợp chất ổn định Vi sinh vật ở đây phân hủy chất hữu cơ chậm hơn rất nhiều so với các quá trình xử lý sinh học khác Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong bãi chôn lắp được thực hiện chủ yếu nhờ vi sinh vật tùy tiện và ấm Vi sinh vật tùy tiện thủy phân các hợp chất hữu cơ thành các acid hữu cơ hòa tan Nấm và vi sinh vật... nêu trên, các phương pháp sinh học xử lý các chất thải hữu cơ (ở đây là CTRSH) cũng có những 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 khá dài, cần sử dụng một diện tích khá lớn Thời gian này là cần thiết cho vi sinh vật phát triển, sinh tổng hợp các loại enzym và tiến hành các phản ứng sinh hóa cần thiết Ngoài sản phẩm... hủy sinh học Nếu chất thải đem chôn có độ ẩm nhỏ hơn 60%, sẽ hạn chế sự phát triển của vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ Thông thường trong điều kiện chất thải có độ ẩm thấp sẽ thúc đẩy quá trình phân hủy kỵ khí của nấm tạo ra sản phẩm là CO2 và nước Sản phẩm nước này sẽ thúc đẩy quá trình chuyển hóa của vi khuẩn Sự có mặt của nước ngầm cũng giúp cho môi trường có đủ độ ẩm cho các hoạt động của vi sinh. .. chính là phân hữu cơ (hay khó phân hủy sinh học), các phương pháp sinh học có thể sẽ tạo ra các loại mùi rất khó chịu, hoặc các chất phân giải thứ cấp hòa trộn trong nước Do đó, trong một số trường hợp (ví dụ như phương pháp chôn rác) phải tiến hành cả việc xử lý khí thải và nước rò rỉ 5 BIOGAS Trong quá trình phân hủy kỵ khí, phần CHC chứa trong CTRSH có thể phân hủy sinh học trong điều kiện kỵ khí Các... vật liệu làm phân như là chất phụ gia Quá trình làm composting xảy ra trong điều kiện hiếu khí có thể biễu diễn theo qui trình sau: Chất hữu cơ + O2 + Dinh Dưỡng hủy + CO2 + H2O + NH3 + SO42- + Nhiệt Tế bào mới + phần chất hữu cơ không phân Phương trình trên cho thấy, các sản phẩm cuối chủ yếu là tế bào mới, phần chất hữu cơ không bị phân hủy CO2 + H2O + NH3 + SO42- Compost là phần chất hữu cơ bền . phương chuyển hóa xảy ra như sau: 4H 2 +CO CH 4 + 2H 2 O (3- 5) 4COOH CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O (3- 6) CH 3 COOH CH 4 + CO 2 (3- 7) 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O (3- 8) 4(CH 3 ) 3 N + 6H 2 O. Thiện Khánh 58 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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. methane sinh ra. Đối với một quá trình phân hủy, tốc độ khử các chất rắ thành sinh k Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 55 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG R= - r C (3- 15) r CH4 :