Chuyên ñề 12 : NGUYÊN TẮC XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN VỚI QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOGAS 12.1.GIỚI THIỆU Ủ Biogas có khả thu lại nguồn lượng dạng khí ñốt, metan; ñây lý ñể biogas ñược khuyến khích áp dụng xử lý rác thải nước phát triển ñang phát triển Sự thu hút ñến khái niệm xuất dựa sở thực tế việc ủ biogas chất thải rắn ñáp ứng hai nhiệm vụ: xử lý chất thải sản xuất lượng Nếu xem ủ biogas phương pháp xử lý chất thải rắn ủ biogas sánh ủ compost phương diện kỹ thuật tính dễ ứng dụng tính khả thi mặt kinh tế hầu ñang phát triển Việc thiết kế hoạt ñộng công trình ủ biogas tốn chi phí nhiều biên ñộ quy mô cho phép hẹp ñòi hỏi trình ñộ kỹ thuật cao so với ủ phân compost Trang thiết bị cần thiết nghiêm ngặt hơn, việc bảo trì vận hành yêu cầu người quản lý phải có trình ñộ cao Tuy nhiên, ủ biogas có lợi sản xuất compost việc xử lý làm giảm lượng chất thải dễ phân hủy (ví dụ chất thải thực phẩm), phân tươi, chất thải từ thể người Hơn nữa, thiết thực sử dụng kết hợp với chôn lấp hợp vệ sinh Vào thập niên 70, chủ yếu thập niên 80, với hi vọng tìm hiểu ñược tính chất tiềm ẩn ñáng kể trình ủ biogas cách ủ Biogas khác nhau, ñặc biệt nước ñang phát triển ñể xử lý phân tươi chất thải ñộng vật Rất nhiều quy trình ủ biogas ñã ñược thiết kế ñể tạo trình sử dụng hay chí không sử dụng trang bị kỹ thuật phức tạp Hơn nữa, quy trình ñược ñòi hỏi sử dụng vật liệu tự nhiên sẵn có ñể xây dựng hầm ủ ống góp khí Hiển nhiên có vài quy trình ủ biogas ñược chứng tỏ có ñủ tính thực tế ñể tiếp tục tồn Những hệ thống tồn hệ thống có tính thực tế ñáp ứng nguyên tắc sinh học có tính chất kỹ thuật hợp lý Trong nửa thập niên 90 cho ñến sau này, nghiên cứu quan trọng, phát triển thương mại hóa hệ thống ủ Biogas chất thải rắn ñã xuất châu Âu ñể ñối phó với “chỉ dẫn chôn lấp” (Landfill directive) Liên minh châu Âu[25] Nói tóm lại, dẫn quy ñịnh rõ hàm lượng tối ña chất dễ phân hủy rác ñược phép ñưa ñến nơi chôn lấp, mục tiêu tái chế chất thải tích cực ðồng thời, ñể ñáp ứng với quy ñịnh nêu dẫn, nhà thiết kế nhà cung cấp hệ thống ủ biogas ñang kết hợp trình xử lý sơ rác thải, ủ biogas kỹ thuật sản xuất compost ñể giảm ñồng thời khối lượng tỉ lệ chất hữu rác thải ñưa ñi chôn lấp Trong phần trình bày hệ thống biogas vừa hợp lý mặt sinh học, vừa tiết kiệm, vừa thực tế Do ñó, nguyên tắc trình vấn ñề ñầu tiên ñược nêu ðặc biệt, nguyên tắc ñược ý hết vấn ñề sinh học ủ Biogas yếu tố thiết kế xây dựng, thiết kế nguyên liệu ñầu vào vận hành có liên quan Ngoài nội dung trình bày thảo luận ưu ñiểm nhược ñiểm lựa chọn ủ Biogas ñánh giá phương pháp tình trạng 12.2.NGUYÊN LÝ 12.2.1 ðịnh nghĩa Ủ biogas có thuật ngữ ñồng nghĩa “lên men metan”, “sản xuất metan” “phân hủy kỵ khí” Tất thuật ngữ ñều phù hợp, thực tế chúng nhũng trình không sinh metan Khí sinh trình thay thường có CO2 có khí dạng vết (phải ý phân loại vi khuẩn, “lên men metan” (methane fermentation) nói ñến trình lên men, tức phân hủy tạo metan.) Phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) không thiết có sản xuất metan Tuy nhiên ba thuật ngữ ñược cho phép sử dụng chúng phổ biến ñặc biệt nhu cầu cần thuật ngữ xác Trong chương này, ba thuật ngữ ñược sử dụng thay phiên Vì người ñều chấp nhận cho mục ñích tài liệu này, ủ Biogas (biogasification) ñược ñịnh nghĩa trình phân hủy sinh học chất hữu có nguồn gốc sinh học ñiều kiện kỵ khí với sản phẩm sinh chủ yếu mêtan khí khác ñó chủ yếu CO2 Có hai ñặc trưng trình ñể phân biệt với trình phân hủy sinh học khác “trong ñiều kiện kỵ khí” “tạo CH4” 12.3 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH Một ñặc trưng có ảnh hưởng chủ yếu ñến việc ứng dụng ủ biogas xử lý chất thải thực tế, theo truyền thống, trình xảy với nhiều pha giai ñọan riêng biệt Những giai ñoạn tách biệt với ñến mức chúng tồn riêng rẽ với phản ứng ñặc trưng, sản phẩm phản ứng quần thể vi sinh vật có ñó Thường có hai giai ñọan: giai ñoạn tạo acid giai ñọan tạo metan Tuy nhiên, có vài nghiên cứu cho có ba giai ñọan xảy chất chất thải[9] Theo quan ñiểm ñó, hai bước truyền thống ñã ñược nói trước ñó nằm sau bước “bẻ gãy polyme” (polymer breakdown) chất thải chất Khi chia trình thành ba giai ñọan phản ánh xác hệ vi sinh vật tham gia toàn trình chia thành hai giai ñoạn Tuy nhiên, xem xét trình ủ biogas gồm hai giai ñọan việc mô tả xem xét ñơn giản hơn, thường ñược sử dụng tài liệu kỹ thuật Hơn , nếư chia thành hai giai ñoạn hợp lý quan ñiểm trình bao gồm hoạt ñộng trước sinh khí CH4 sinh khí CH4 Trong thực tế, chia trình ủ biogas theo cách truyền thống thành hai giai ñọan dễ dàng nhìn thấy rõ ràng chia thành ba giai ñọan Quá trình diễn liên tiếp từ giai ñoạn acid ñến giai ñoạn hình thành metan bất chất môi trường (tức hệ vi sinh phân hủy) ñược hoạt ñộng theo mẻ hay liên tục Trong quy trình vận hành liên tục, tất giai ñọan ñều trùng lúc ðây ñiều hiển nhiên nguyên liệu ñược ñưa vào liên tục Bởi vậy, trình hoạt ñộng liên tục, tất pha ñều xuất lúc thời ñiểm nào, vật liệu ñược ñưa vào vượt qua giai ñoạn acid vật liệu ñược ñưa vào trước ñó ñã hoàn thành xong giai ñọan tạo metan Giả sử chia làm ba giai ñọan trình bắt ñầu từ giai ñọan bẻ gãy polyme Trong giai ñoạn này, rác thải hữu bị nhóm vi sinh vật tùy nghi tiết enzyme thủy phân polyme rác thô thành monome tan ñược Những monome (acid hữu mạch ngắn, acid acetic, …) thành chất giai ñọan (giai ñoạn acid) Một CO2 ñược sinh Các dạng acid hữu trở thành chất cho vi khuẩn metan sử dụng ñể cuối tạo metan Trong giai ñọan này, vi khuẩn sinh metan bẻ gãy acid hữu cơ, trước hết ñể tạo metan Vi khuẩn sinh metan tuyệt ñối kỵ khí, không chịu ñược oxi tự do, tức oxi khí Vi khuẩn sinh metan sản xuất metan hai cách: (1) Lên men acid hữu (ví dụ acid acetic) tạo thành CH4 CO2, (2) Chúng khử CO2 ñể tạo CH4 qua việc sử dụng H2 hay muối acid formic ñược hình thành vi khuẩn khác Sự tương quan 03 giai ñoạn ủ biogas ñược mô tả sơ ñồ… Toàn trình dựa trì cân tới hạn hoạt ñộng riêng giai ñọan 03 giai ñoạn Nếu cân giảm hiệu toàn trình làm cho tất vi khuẩn ngừng hoàn toàn hoạt ñộng trình tạo metan không xảy Ngay sau bắt ñầu, trình tự xuất phản ứng dễ nhận thấy, ñầu tiên mức pH giảm xuống (giai ñoạn hình thành acid), sau ñó mức pH bắt ñầu tăng lên tương tự lúc xuống cuối khí ñược sinh với chủ yếu metan (giai ñoạn tạo metan) Sản phẩm cuối giai ñọan cuối metan, CO2, khí dạng vết, phần rắn ổn ñịnh lại Hình Cð12-1 Relationship of three stages in biogasification 12.3.1.Hệ thống vi khuẩn trình Vào 4, thập niên trước kéo dài cho ñến ngày nay, nhà khoa học giỏi ñã cố công nghiên cứu hệ vi khuẩn sinh metan Các nghiên cứu chủ yếu phân lập, nhận diện, xác ñịnh số vi khuẩn sinh metan quần thể Một số nghiên cứu ñã nhận diện xác ñịnh số lượng số loài vi sinh vật hoại sinh (mciroflora) ủ biogas bùn thải chất thải rắn hữu ñô thị phế phẩm nông nghiệp[15-20] Quần thể vi khuẩn hình thành acid (acidogenic population) chiếm 90% tổng vi sinh vật phân hủy, chiếm tỉ lệ lớn tất nhóm[21] Tuy nhiên, người ta biết số lượng hoạt ñộng sinh lý vi sinh vật hình thành acid này[22] Mặc dù chiếm số lượng vừa phải, vi sinh vật ña dạng hợp thành quần thể vi sinh vật hoại sinh tương ñối lớn số lượng ủ biogas Những quần thể vi khuẩn giai ñoạn bẻ gãy liên kết polyme chủ yếu có hệ enzyme có khả thủy phân phân tử phức tạp rác thải ban ñầu Những phân tử bị thủy phân chủ yếu cacbonhydrat, phần nhỏ khác lipid protein Cacbonhydrat tiêu biểu cenluloza (cellulose) thành phần sợi (lignin hemicellulose) Sự có mặt enzyme cellulytic ñặc biệt quan trọng phần lớn rác thải ñô thị rác thải nông nghiệp celluloza Nói chung, trình ủ biogas diễn nhanh chóng với hệ nhiều vi khuẩn thủy phân so với có loại vi khuẩn Quá trình diễn nhanh phần có tác ñộng qua lại nhiều loại vi khuẩn Chắc chắn tác ñộng qua lại có khả hạn chế sinh sản phẩm phụ gây ức chế 12.3.1.1.Giai ñoạn tạo acid Vai trò vi khuẩn hình thành acid chuyển hóa hợp chất tạo thành sau giai ñoạn bẻ gãy liên kết polyme thành acid hữu (acid béo mạch thẳng) ñể vi khuẩn sinh metan sử dụng ñược Trong giai ñoạn chủ yếu tạo acid acetic, phần nhỏ fomic, propionic, valeric, butyric, acid khác ðặc trưng giai ñoạn vi khuẩn hình thành acid phát triển mạnh có khoảng thích nghi rộng với ñiều kiện môi trường Do ñặc trưng này, giai ñoạn hình thành acid nhân tố làm hạn chế trình ủ biogas Tuy nhiên ñiều kiện xuất giai ñọan ức chế trình Những ñiều kiện phát triển hoạt ñộng vi khuẩn hình thành acid không cân với tốc ñộ sử dụng acid vi khuẩn sinh metan, vi sinh vật khác, mức ñộ ñịnh ñó Khi không sử dụng hết, acid tích lũy với nồng ñộ lớn làm xảy tượng mức pH bị sụt giảm ñến mức gây ức chế Khả xuất nhân tố ức chế lên ñiều kiện môi trường xảy thành phần vi khuẩn ña dạng Vì vậy, tăng trưởng chậm vấn ñề giai ñoạn hình thành acid 12.31.2.Giai ñoạn tạo mêtan Trong giai ñọan tạo metan, sản phẩm phân hủy từ giai ñoạn hình thành acid (acid béo mạch ngắn, CO2, H2) ñược chuyển hóa ñể tạo CO2 CH4, loại khí khác Vi khuẩn sinh metan (“methanogen”) chuyển hóa theo hai loại phản ứng sau: (1) lên men acid béo mạch ngắn rượu, (2) hô hấp oxy hóa kỵ khí CO2, H2 hợp chất hữu ñơn giản, kèm theo ñó khử CO2, sinh CH4 Hai phản ứng lên men ñiển hình chuyển hóa acid rượu: Acid acetic: CH3COOH CH4 + CO2 Rượu metylic: 4CH3OH 3CH4 +CO2 +2H2O Tạo CH4 từ trình hô hấp, oxi hóa không hoàn toàn rượu tạo acid acetic, kết hợp với khử CO2 tạo CH4, minh họa phản ứng vi khuẩn Methanobacterium omelianski: 2CH3CH3OH +CO2 2CH3COOH +CH4 Phản ứng khử CO2 hydro phân tử: 4H2 + CO2 CH4 +2H2O Không vi khuẩn hình thành acid, vi khuẩn sinh metan phát triển chậm biên ñộ thích nghi với ñiều kiện môi trường dinh dưỡng hẹp Trong giới hạn dinh dưỡng, vi khuẩn sinh metan sử dụng hạn chế vài hợp chất hữu ñơn giản Bởi trình ủ biogas, hoạt ñộng vi khuẩn phụ thuộc phần lớn vào giai ñoạn bẻ gãy liên kết polyme giai ñoạn hình thành acid ñể có ñược lượng cacbon acid cần thiết Hơn nữa, chúng phải phụ thuộc vào nito amonia ñược tạo cắt mạch hợp chất nito Tính chất riêng có ý nghĩa pha tính nhạy cảm với môt số yếu tố môi trường ñịnh Trong ñó yếu tố hàng ñầu là oxi khí Vi khuẩn sinh metan vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, ñó oxi khí làm ức chế phát triển chúng dù nồng ñộ nhỏ Ngoài chúng nhạy cảm phần ñó với hợp chất oxi hóa mạnh Như vậy, nitrit nitrat yếu tố ức chế phát triển vi khuẩn sinh metan Không vi khuẩn sinh metan, tất vi khuẩn hình thành acid ñều kỵ khí tùy nghi, nghĩa oxi không ức chế phát triển chúng Một yếu tố ảnh hưởng khác pH Không giai ñoạn hình thành acid giới hạn chịu ñựng rộng từ 4.5-5.0 ñến 7,5 hay chí ñến 8, giới hạn chịu ñựng giai ñoạn sinh metan 6.0-7.5 Tốt pH =7.0 12.4.CÁC YẾU TỐ GIỚI HẠN TỐC ðỘ CỦA QUÁ TRÌNH Sự ảnh hưởng giai ñọan giai ñoạn phân hủy nêu lên tốc ñộ trình ủ biogas, nói chung, có ảnh hưởng thực ñến thiết kế tính chất kỹ thuật trang thiết bị và lên trình vận hành sản xuất biogas Sự giới hạn tốc ñộ sản xuất biogas gây giai ñoạn thứ – trình thủy phân hợp chất có phân tử lượng lớn thành hợp chất thích hợp dùng làm nguồn lượng mô tế bào - bắt nguồn từ vai trò giai ñoạn ñối với trình sản xuất biogas – phải thủy phân chất dinh dưỡng cần thiết rác thải thô (rác tươi) thành thành phần xây dựng cấu trúc, cho phép vi sinh vật giai ñoạn thứ thứ chuyển hóa ñược Giai ñoạn làm hạn chế tốc ñộ trình sản xuất biogas cần thời gian ñể thủy phân cellulose không hòa tan hợp chất nitơ hữu phức tạp Cellulose ñược biến ñổi thành cacbonhydrat hòa tan nhờ men cellulase bổ sung thêm Như ñã ñề cập phần trước, vi khuẩn hình thành acid chuyển hóa carbonhydrat hòa tan thành acid béo có phân tử lượng thấp giai ñoạn hình thành acid Giai ñoạn thứ ba nhân tố ñịnh tốc ñộ sản xuất biogas cuối Trong thực tế, thường giai ñọan giới hạn tốc ñộ toàn trình bước cuối vì, bản, vi khuẩn sinh metan phát triển chậm Trong giai ñọan thứ ba, acid sản phẩm phân hủy trung gian khác ñược biến ñổi thành CH4 CO2 12.4.1.Các yếu tố ảnh hưởng Yếu tố môi trường chủ yếu (nghĩa yếu tố có liên quan ñến ñiều kiện môi trường tăng trưởng vi khuẩn) ñộ ôxy-hóa khử, nồng ñộ ion H+ (nồng ñộ pH), nhiệt ñộ chất Sự quan trọng mức oxi hóa-khử thấp giới hạn pH hạn chế ñã ñược thảo luận trước ñó Vì trọng tâm phần nhiệt ñộ chất 12.41.1 Nhiệt ñộ Có tồn mối quan hệ trực tiếp mức ñộ cường ñộ hoạt ñộng hệ vi sinh vật với nhiệt ñộ nằm giới hạn nhiệt ñộ mà vi khuẩn chịu ñựng ñược Mỗi khoảng giới hạn nhiệt ñộ có mức nhỏ mức mà vi khuẩn không hoạt ñộng mức cao mức mà tất hoạt ñộng ñều dừng lại không vi khuẩn sống sót Trong khoảng vi khuẩn sống sót, hoạt ñộng tăng trưởng vi khuẩn tăng lên nhiệt ñộ tăng mức tối ưu, sau ñó giảm sau qua khỏi mức tối ưu Trong trình ủ biogas, ảnh hưởng rõ ràng thể thông qua thay ñổi tốc ñộ thể tích khí sinh ra, tốc ñộ khối lượng chất rắn bay bị phân hủy Trong thực tế, khoảng giới hạn nhiệt ñộ ñược chia thành nhóm hay loại rõ ràng: mesophilic (tạm dịch: ấm) thermophilic (nhiệt) Theo ñó, vi khuẩn sống giới hạn nhiệt ñộ mesophilic ñược gọi tên mesophiles (tạm gọi: vi khuẩn ưa ấm), vi khuẩn sống giới hạn nhiệt ñộ thermophilic ñược gọi tên thermophiles (tạm gọi vi khuẩn chịu nhiệt) Khoảng giới hạn nhiệt ñộ mesophilic bắt ñầu từ 10-150C, tối ưu 35-380C, mức cao 450C Thermophilic bắt ñầu từ 45-500C, tối ưu 50-550C, mức cao 70-750C Một số loại vi khuẩn sống sót tăng trưởng hai khỏang nhiệt ñộ Vi khuẩn Mesophilic chịu ñựng ñiều kiện nhiệt ñộ thermophilic ñược gọi tên thermophiles tùy nghi; tương tự, thermophilis chịu ñựng giới hạn nhiệt ñộ messophillic ñược gọi tên mesophilis tùy nghi Những vi khuẩn sức chịu ñựng ñược gọi vi khuẩn thermophiles mesophiles bắt buộc, chúng bắt buộc phải giới hạn nhiệt ñộ chúng Môi trường mesophilic tự ñiều chỉnh ñể thích nghi với ñiều kiện thermophilic Tuy nhiên, giải thích phần sau, có lý quan trọng ñể cho trình ñược gọi thích nghi trình tăng số lượng vi khuẩn Do ñó, ñể vận hành trình phân hủy ñiều kiện nhiệt ñộ thermophillc, phải ñưa vào mẻ cấy chứa vi khuẩn thermophillic, chuyển mẻ vi sinh vật khác thành vi sinh vật themorphillic Sự chuyển ñổi vậy, cho dù cho vi khuẩn thích nghi hay nhân số lượng vi khuẩn ñều trình diễn chậm Trong trường hợp mẻ vi khuẩn ñưa vào ban ñầu có chứa sẵn dòng vi khuẩn thermophiles có khả thích nghi cao trình chuyển ñổi diễn nhanh a Nuôi cấy vi khuẩn chịu nhiệt (thermophillic) Hai số tiến trình hay phương pháp ñể tạo mẻ vi khuẩn chịu nhiệt (thermophillic) ñược ñề cập ñây • Phương pháp thứ Thiết lập môi trường nuôi cấy ñiều chỉnh nhiệt ñộ ñến 350C Sau 30 ngày, nhiệt ñộ ñược nâng lên dần ñến nhiệt ñộ môi trường ñạt 500 ñến 550C • Phương pháp thứ hai Ngay sau thiết lập mẻ nuôi cấy, nhiệt ñộ môi trường nuôi cấy ñược nâng thẳng lên ñến mức nhiệt ñộ thermophillic (500 ñến 550C) Phản ứng tức thời vi sinh vật môi trường nuôi cấy chấm dứt rõ ràng tất hoạt ñộng tăng trưởng VSV tới mức mẻ nuôi cấy ñã “chết” Tuy nhiên, môi trường nuôi cấy không bị làm xáo trộn nhiệt ñộ ñược giữ liên tục mức (500 ñến 550C) xuất dấu hiệu hoạt ñộng sau thời gian vi sinh vật mẻ hoàn toàn thích nghi với nhiệt ñộ cao Trong thực tế, vi sinh vật nuôi cấy ñã ñược biến ñổi thành mẻ cấy chứa nhiều vi khuẩn chịu nhiệt ñộ cao b Những yếu tố ñịnh vi khuẩn thermophillics hay vi khuẩn messophillics Nói chung, vi khuẩn sống nhiệt ñộ cao dễ bị ảnh hưởng vi khuẩn sống nhiệt ñộ trung bình Ví dụ, vi khuẩn sống nhiệt ñộ cao phát triển mạnh ñiều kiện nhiệt ñộ trung bình Tính nhạy cảm nhân tố quan trọng ñịnh việc phục hồi mẻ vi khuẩn sống nhiệt ñộ cao thay mẻ tốn nhiều thời gian Tình nghiêm trọng mẻ vi khuẩn sống nhiệt ñộ trung bình bị chết (ví dụ bị ñặt nhiệt ñộ cao bất thường mức nhiệt ñộ phù hợp với vi khuẩn sống nhiệt ñộ cao) Khi ñó, việc phát triển mẻ thay cho mẻ bị hỏng tốn thời gian Sự gia tăng khả tiêu diệt mầm bệnh, khả sinh khí, tốc ñộ mức ñộ phân hủy chất rắn dễ bay kéo theo thời gian phát triển hệ thống nuôi cấy vi khuẩn sống nhiệt ñộ cao ñược thu ngắn lại, ñược hỗ trợ cách bổ sung thêm lượng mà lượng cần cho trình Một cách ngắn gọn, tỷ lệ “chi phí-lợi ích” cao hệ thống sử dụng vi khuẩn sống nhiệt ñộ trung bình 12.4.1.2 Cơ chất Trong sách này, từ “cơ chất”, “nguyên liệu ñầu vào”, nguyên liệu ñầu vào trình phân hủy” ñược sử dụng thay cho ðúng với hầu hết hệ thống xử lý sinh học, chất thải ñem ñi xử lý chất nguyên liệu cho quần thể vi khuẩn hoạt ñộng trình xử lý sinh học Sự thích hợp chất thải với vai trò chất phụ thuộc vào ñặc ñiểm: ñặc tính vật lý, thành phần hóa học tính dễ bị phân hủy Thật ra, tính dễ bị phân hủy ñược ñịnh phần lớn ñặc tính vật lý thành phần hóa học chất thải Trong thành phần hóa học, có mặt nguyên tố dinh dưỡng ( giúp cho phát triển) cấu trúc phân tử hợp chất chứa nguyên tố ñó ñặc ñiểm thích hợp a ðặc tính vật lý Một ñiểm thuận lợi nói chung ñặc tính vật lý thay ñổi ñiều chỉnh ñể gia tăng tính chất thải ñược sử dụng nguyên liệu ñặc tính ñó kích thước phần tử ñộ ẩm Kích thước phần tử Ảnh hưởng kích thước phần tử mối quan hệ tỉ lệ nghịch kích thước phần tử với kh ối l ợng v di ện t ích b ề m ặt Tức kích thước nhỏ diện tích bề mặt lớn làm cho vi khuẩn hoạt ñộng dễ dàng Ảnh hưởng ñầu tiên tỉ lệ trước hết liên quan tới khả tiếp cận vi khuẩn ñộng ñến nguyên tố dinh dưỡng có chất thải Ảnh hưởng thứ hai tỉ lệ phá vỡ chướng ngại dạng lớp vỏ “bảo vệ”, giúp chất thải tiếp xúc trực tiếp với nước khí, giúp sản phẩm trao ñổi chất có khả gây ức chế phát triển vi sinh vật thoát Tỉ lệ lớn hoạt ñộng vi khuẩn trở nên mạnh mẽ, nhờ ñó tỉ lệ phân hủy ñược ñẩy nhanh Mức ñộ ảnh hưởng tỉ lệ phụ thuộc vào loại chất chất thải Vì vậy, với chất thải hữu ñô thị chất thải xơ nông nghiệp, tính dễ phân hủy tăng lên tỉ lệ tăng ðối với chất thải dễ phân hủy tỉ lệ không ảnh hưởng nhiều (tức kích thước phần tử lớn hơn) Ví dụ thức ăn thừa hay rác chợ, không chứa rơm rác, phân cừu, phân gia cầm, chúng ñược cho trực tiếp vào hệ thống phân hủy mà không cần phải nghiền nhỏ trước ðộ ẩm ðộ ẩm thích hợp chấp nhận ñược tùy thuộc vào thiết kế hệ thống biogas Khoảng ba thập kỷ trước, hai loại hệ thống xử lý chất thải dựa ñộ ẩm thịnh hành là: loại truyền thống (loại dành cho chất thải dạng bùn nhão – low solids hay loại “sền sệt”) loại dành cho chất thải rắn (“nhiều chất rắn” – high solids) Sắp xếp theo trình tự thời gian loại truyền thống loại có trước; nhiên, trước 1980, loại dành cho chất thải rắn không ñạt ñược chấp nhận ñáng kể Cả hai loại hệ thống ñược cải tiến nghiên cứu rộng khắp Châu Âu sách Kinh nghiệm rằng, với hệ thống loại truyền thống, hàm lượng chất rắn từ 5% ñến 10% (tức ñộ ẩm từ 90% ñến 95%) phù hợp cho vi khuẩn phân hủy sử dụng Hàm lượng chất rắn cao dẫn tới trộn lẫn không ñều ñủ, gây nên hậu không mong ñợi Hàm lượng chất rắn thấp bắt buộc phải cần ñến khối lượng chất phân hủy nhiều (cần bể ủ lớn hơn) Do vậy, lượng phân hủy nhân tố ñịnh tính khả thi mặt kinh tế .Thành phần hóa học Liên quan tới thành phần hóa học chất nguyên liệu, thành phần cấu trúc phân tử chứa nguyên tố thiết yếu vấn ñề cần xem xét Các nguyên tố trao ñổi chất dinh dưỡng thiết yếu thông thường ñược chia thành hai nhóm: nhóm nguyên tố dinh dưỡng ña lượng nhóm nguyên tố dinh dưỡng vi lượng Tuy nhiên, cách phân loại ñã bỏ sót nguyên tố không thuộc nhóm cả, số ñó canxi magie Nhóm nguyên tố vi lượng (nguyên tố có hàm lượng nhỏ) bao gồm natri, coban, mangan số nguyên tố kim loại khác Hầu hết chất thải chứa ñầy ñủ nguyên tố vi lượng thiết yếu Nhóm nguyên tố ña lượng bao gồm nitơ, phốt kali (NPK) Không nguyên tố chủ yếu, nguyên tố ña lượng phải có mặt với tỉ lệ thích hợp, tức có cân giữ ba nguyên tố NPK Một tỉ lệ cacbon/nitơ thích hợp ñiều kiện cần thiết ñể vi khuẩn phân huỷ chất hữu Tỉ lệ cacbon/nitơ cao ñẩy nhanh trình hình thành tích tụ axit Sự tích tụ axit làm chậm hoạt ñộng vi sinh vật sản sinh khí metan, làm cho hoạt ñộng tạo khí metan ngừng lại Mặt khác, tỉ lệ cacbon/nitơ thấp, nitơ bị chuyển ñổi thành amoni nhanh tốc ñộ bị sử dụng sinh vật sinh khí metan Như ñiều tất yếu, amonac ñạt ñến nồng ñộ ñịnh gây ñộc hại cho vi khuẩn Trạng thái vật lý hóa học ban ñầu chất thải số nhân tố quan trọng ñể xác ñịnh giới hạn tỉ lệ C/N thích hợp, từ ñó xác ñịnh khoảng cho phép ðối với chất dễ phân huỷ sinh học, tỉ lệ cacbon/nitơ thích hợp vào khoảng 20:1 ñến 25:1 Tuy nhiên, ñối với nguyên liệu khó phân hủy, tỉ lệ cacbon/nitơ lên ñến 35:1 chí 40:1, ví dụ vật liệu chịu lửa, chất thải từ gỗ, vỏ trấu rơm rạ Bởi gỗ bị phân hủy chậm nên chúng không giống phân hủy chất hữu thông thường Tuy nhiên, phân hủy gỗ ñược tăng lên cách xử lý sơ trước ví dụ sấy nhiệt ñộ cao, áp suất ngâm axit hay kiềm Sự thiếu hụt chất dinh dưỡng chất thải ñược khắc phục cách cho thêm chất thải khác có chứa chất dinh dưỡng thiếu, cách làm giàu chất phân bón hóa học Những phí tổn tài cho loại phân bón hóa học thường ngăn cản quốc gia ñang phát triển muốn sử dụng phương pháp ñó Hàm lượng nitơ tỉ lệ cacbon/nitơ số chất thải ñược giới thiệu bảng XI-1 Bảng Cð12-1: Hàm lượng nitơ tỉ lệ C/N loại chất thải Vật liệu Chất thải ñộng vật Nước tiểu Máu Chất thải từ cá Chất thải hỗn hợp lò mổ Phân gia cầm Phân cừu Phân lợn Phân ngựa Phân bò Phân sân nông trại Phân người Chất thải thực vật Cỏ bị xén tươi (hay khô) Cỏ bị xén (hỗn hợp trung bình) Một họ rau sam (purslane) Một họ thủy tiên (amaranthus) Cỏ chân gà Tổng nitơ (%khối lượng khô) C/N 15-18 10 ñến 14 6.5 ñến 10 ñến 10 6.3 3.8 3.8 2.3 1.7 2.15 5.5 ñến 6.5 -4 0.8 5.1 -25 18 14 ñến 10 -12 2.4 4.5 19 3.6 2.6 11 19 16 ñến 20 19 48 58 128 208 511 -25 -25 -25 ñến 60 Cỏ linh lăng Rong biển Rơm Sợi gai (phormium) Rơm từ lúa mì Mùn cưa mục Mùn cưa tươi Rác thải gia ñình Rác nhà bếp thô Bánh mì Lá khoai tây Giấy 2.4 ñến 3.0 1.9 1.1 0.3 0.25 0.1 -2.2 2.1 1.5 Không có ðồ phế thải 0.8 ñến 2.0 Sources: References 4, 10 Bảng Cð12-2: Thành phần hóa học trồng rác thải lâm nghiệp Thành phần Chất béo sáp Thành phần nước hòa tan Hemicellulose Cellulose Lignin Ptotein Tro Rơm lúa mì Ngọn già ñậu nành 1.1 3.8 Ngọn cỏ linh lăng 10.41 Thân bắp non 3.42 Thân bắp già 5.94 5.57 26.35 39.1 21.6 2.1 3.53 17.24 13.14 23.65 8.95 12.81 10.3 28.27 20.38 23.05 9.68 2.61 7.4 14.1 21.9 28.7 9.46 2.44 7.54 22.09 11.08 28.53 13.84 11.04 9.14 Lá thông non 7.65 Lá thông già 23.92 13.02 14.68 18.26 27.63a 8.53 3.08 7.29 18.98 16.43 22.68a 2.19 2.51 a lượng lignin cao phần cách phân tích ñược dùng trường hợp Bởi có khuynh hướng nước, nên gỗ, rơm, trấu số loại chất thải khác có tỉ trọng thấp loại nguyên liệu thích hợp cho hệ thống phân hủy chất thải rắn Sự không phù hợp ñó thành phần bề mặt làm tăng khả hình thành lớp váng Do ñó, cần thiết phải có quản lý lớp váng bề mặt, vốn ñặc trưng trình phân hủy kỵ khí 12.4.2 Các yếu tố liên quan ñến hiệu hoạt ñộng Những yếu tố ñược quan tâm chủ yếu yếu tố có liên quan ñến chất, kích thích kìm hãm hiệu hệ thống ủ Những yếu tố thường chất ñã có sẵn chất thải hay ñược bổ sung vào 12.4.2.1.Sự vận chuyển sản phẩm trao ñổi chất Tốc ñộ vận chuyển trao ñổi phân hủy chất khác từ pha lỏng sang pha khí yếu tố giới hạn cần phải loại bỏ chất xa tế bào Sự ức chế xuất vận chuyển không ñầy nhan từ pha lỏng sang khí xảy vi khuẩn riêng lẻ bị bao phủ bọt khí, việc xuất nồng ñộ chất cao Bọt khí gây cản trở khuyếch tán chất vào tế bào Giải pháp khắc phục vấn ñề làm cho mẻ ủ ñược xáo trộn, ví dụ tiến hành khuấy trộn liên tục 12.4.3 Những yếu tố dạng ñơn chất hợp chất Những ñơn chất hợp chất có sẵn hay kết hợp với chất khác có tác ñộng bất lợi ñến phát triển vi sinh vật trình ủ biogas Mức ñộ ảnh hưởng từ ức chế nhẹ ñến tiêu diệt tế bào Mức ñộ ức chế phụ thuộc vào nồng ñộ ñộc tố Một số chất gây chết nồng ñộ thấp, ngược lại 11 số chất khác ức chế nồng ñộ vượt mức tới hạn ðiều nghịch lý nguyên tố vi lượng thiết yếu lại thuộc dạng ñầu tiên Khi nồng ñộ chất ức chế thấphơn giá trị tới hạn, ức chế có không ảnh hưởng rõ ràng giai ñoạn bẻ gãy liên kết polyme acid Mặt khác ức chế có ảnh hưởng rõ ràng lên giai ñọan tạo metan, rõ ràng việc giảm lượng metan sinh Vi khuẩn sinh metan ñặc biệt nhạy cảm với hợp chất amoni, sunphua hòa tan muối kim loại nặng hòa tan (Cu, Cd, Ni ) Ví dụ, sunphua hòa tan ñộc nồng ñộ 50-100 mg/l, muối kim loại hòa tan ñộc nồng ñộ vượt vài ppm Tính ñộc NH3 hợp chất amoni phụ thuộc vào pH Do ñó, pH cao 7.4, NH3 ñộc nồng ñộ >1500-3000 mg/l ñối với tổng N-NH3 Trong ñó, NH4+ ñộc mức pH nồng ñộ > 3000 mg/l tổng NNH3 Ảnh hưởng pH lớn tác ñộng ñến cân nồng ñộ NH3 NH4+ hòa tan Cân ñó biến ñổi theo hướng tăng nồng ñộ NH4 ñộ pH giảm, mức ức chế bắt ñầu từ 3000 mg/l Ngược lại, pH tăng nồng ñộ NH3 tăng lên ảnh hưởng bắt ñầu từ 1500 mg/l Tuy vậy, tác ñộng ức chế nồng ñộ cao NH4 không làm giảm vai trò quan trọng chất nguồn nitơ chủ yếu Muối kim loại kiềm thổ (Na, K, Ca, Mg) yếu tố kích thích thấp mức tới hạn hạn chế nồng ñộ mức Nồng ñộ ức chế ñược xác ñịnh ion dương muối Na kích thích khỏang 100-200mg/l, K khỏang 200-400 mg/l, Ca khỏang 100-200 mg/l, Mg khỏang 75-150 mg/l Mức tới hạn: Na :3500 mg/l, K, Ca: 2500 mg/l, Mg:1000mg/l Nói cách khác, ñó nồng ñộ mà chất trở thành yếu tố ức chế Một vài chất số ñơn chất khác yếu tố kích thích hay ức chế dạng hòa tan Tác ñộng ñộc ức chế ñược tránh cách làm cho chất ñó kết tủa Như nồng ñộ ức chế sunphua hòa tan giảm xuống hay ñược loại bỏ ñiều chỉnh pH ñể tạo hợp chất không tan hay kết tủa Có thể chọn cách thêm kim loại nặng ñể hoạt ñộng chất kết tủa Nhược ñiểm sau ñó làm tăng thành phần kim loại nặng bùn cách gây khó khăn cho việc thải bỏ hay tận dụng bùn thải Một cách ngẫu nhiên, Sunphua hòa tan có ích việc làm giảm ñộ ñộc kim loại nặng bể ủ Tác ñộng giải ñộc kết hình thành phức hợp sunphua kim loại nặng không tan Nhược ñiểm làm tăng kim loại nặng bùn, ñó làm giảm ñi ứng dụng (không thể sử dụng làm phân bón) Mặc dù phần chủ yếu quan tâm ñến phân hủy loại chất rắn, áp dụng cho chất rắn (low-solid) chất rắn (high solid) 12.5 CÁC THÔNG SỐ Nếu không quan tâm ñến loại phân hủy (tức chất rắn hay chất rắn hơn), thông số ñược chia thành hai nhóm chính: 12 • Những thông số môi trường sống vi khuẩn, có tác ñộng ñến hoạt ñộng phân hủy • Những thông số khả phân hủy bể ủ Các giá trị thông số môi trường dựa ñiều kiện môi trường có khả thúc ñẩy hoạt ñộng phân hủy tối ưu hay ngược lại, làm chết tế bào ngừng hoạt ñộng phân hủy Ví dụ loại thông số môi trường lượng ion H+ ñộ kiềm Thông số hoạt ñộng phân hủy ñược xét sản phẩm khí thành phần, tốc ñộ phạm vi phân hủy chất dễ bay hơi, lượng acid dễ bay hơi, ñộ pH, khả ñệm Phạm vi giá trị môi trường khả xử ñã ñược nghiên cứu trình phân hủy bùn cống Không may cấu trúc lí hóa khác nên giá trị không ñược áp dụng cho trình phân hủy chất rắn khác 12.5.1 Khả sinh khí thành phần khí từ gas Khả sinh khí có vai trò cao thông số thông thường ñược sử dụng ñể ñánh giá hoạt ñộng vi khuẩn giúp ñịnh hướng việc vận hành bể ủ ðây thông số ñể ñánh giá trực tiếp biểu tòan hoạt ñộng vi khuẩn Cùng với thông số thành phần khí sinh ra, thước ño hoạt ñộng vi khuẩn metan Sự kết hợp hai thông số thước ño hiệu suất lượng thu ñược chi phí thực tế Lượng khí thu ñược thường ñược biểu diễn dạng thể tích khí thu ñược ñơn vị tổng khối lượng chất rắn chất rắn bay ñã ñưa vào Sản Lượng khí thu ñược ñơn vị tổng chất rắn phụ thuộc vào lượng chất rắn bay tổng chất rắn lượng chất rắn bay (hữu cơ) biến ñổi thành khí Lượng khí thu ñược ñơn vị chất rắn bay ñược thể dạng thể tích khí thu ñược ñơn vị khối lượng chất rắn bay ñã ñược ñưa vào hay thể tích khí ñơn vị khối lượng chất rắn bay ñã phân hủy Sản phẩm khí thu ñược tính theo chất rắn bay ñã ñưa vào thông số có vai trò ñặc biệt quan trọng, thước ño hiệu việc sử dụng chất rắn bay (tức phần hữu cơ) vi khuẩn Thể tích khí ñơn vị chất bay phụ thuộc vào thời gian lưu, ñiều kiện vận hành vào tính chất ban ñầu rác thải VD: nghiên cứu, sản lượng khí thu ñược khỏang từ 0.374 ñến 0.454 m3/kg bùn thải thô ñược ñưa vào Những VD sản lượng khí thu ñược loại rác thải khác ñược trình bày bảng Cð12-3 Cð12-4 Số liệu ñược cung cấp hai bảng dạng thể tích khí ñơn vị khối lượng tổng chất rắn ñược ñưa vào Có thể thấy sản lượng khí sinh từ ủ rác thải ñô thị nước ñang phát triển gần tương tự lượng khí từ ủ bùn thải thô Mỹ 13 Bảng Cð12-3: Sản lượng khí thu ñược từ phân hủy chất thông thường Vật liệu thô Phân gia súc Phân gia cầm Phân heo Phân cừu Cỏ Lá củ cải ñường Tảo Phân người Rác ñô thị Lượng Khí/ñơn vị khối metan lượng chất rắn Nhiệt ñộ khô (m3/kg) (0C) khí(%) 0.2-0.33 11.1-31.1 -0.46-0.56 32.6-50.6 58-60 0.49-0.76 32.6-32.9 58-61 0.37-0.61 -64 0.5 - Thời gian lưu -9-30 10-15 20 29 0.5 0.32 0.38 0.31-0.35 11-20 11-20 21 15-30 -45-50 20-26 35-40 -55 -55-60 (Nguồn: References 9, 23) Bảng Cð12-4: Tỉ lệ NPK tương ñương phân bò, lơn, gia cầm, ngựa khả tạo metan ðộng vật Bò Bò lấy thịt Bò lấy sữa Thả rong Lợn Lợn nái (136 kg) Lợn thiến (68 kg) Lợn cai sữa (27 kg) Gia cầm (/ 1000 con) Gà giò Gà ñẻ Gà tây Ngựa Lượng chất Metan thải (kg/ngày/con) (m3/ngày/con) N P K 38 52 34 11.9 15.8 10.2 32 64 21 15 29 10 40 79 27 14 7.3 3.6 5.1 2.5 1.4 15 7.7 4.1 4.1 1.8 5.4 2.7 1.4 28 118 134 17 7.4 31.1 34.2 4.8 64 499 245 45 27 403 195 17 23 222 109 35 (Nguồn: references 14) Thông số ñể ñánh giá mức ñộ tạo khí từ phân hủy loại rác thải xác ñịnh nên dựa sở liệu thu ñược sau vi khuẩn phân hủy ñạt ñược ñiều kiện trạng thái cân Lượng sản phẩm thu ñược trước trạng thái cân hay sau vượt trạng thái cân ñều nhỏ lượng sản 14 phẩm tối ña thu ñược Vì vậy, lượng sản phẩm khí tăng ñều ñặn bắt ñầu từ lúc vi khuẩn bắt ñầu hoạt ñộng ñến ñạt ñược tốc ñộ ñặc trưng trạng thái cân Tuy nhiên, sau trạng thái cân bắt ñầu lượng sản phẩm thu ñược giảm xuống Sản lượng khí thông số ñược sử dụng rộng rãi chủ yếu dễ xác ñịnh Ví dụ, có thay ñổi bất ngờ trình sản sinh khí dấu hiệu cho thấy mẻ ủ gặp trục trặc Tuy nhiên, dao ñộng tránh ñược, chí trạng thái cân bằng, ñặc trưng hầu hết hệ thống sinh học ñều có thay ñổi hàng ngày Tuy nhiên thay ñổi thường nhỏ mức ñộ dao ñộng tốc ñộ sinh khí thay ñổi Trên thực tế trì tất ñiều kiện hoạt ñộng môi trường số không ñổi ñể trình xảy cách ổn ñịnh Tuy nhiên, suy giảm diễn liên tục bốn ñến năm ngày dấu hiệu cho thấy bể ủ ñang có vấn ñề Sự suy giảm ñột ngột sản phẩm sinh chứng tỏ có nguy hiểm ñe dọa vi khuẩn Sự sử dụng sản lượng khí sinh thông số không phụ thuộc vào thể tích khí sản xuất mà phụ thuộc vào thành phần Trong xử lí rác, thành phần quan trọng CO2 CH4 CH4 có nhiều lợi ích ñóng vai trò quan trọng Hai yếu tố ñịnh lượng CH4 sinh chất số lượng vi khuẩn sinh metan, hay nói cách khác mật ñộ cường ñộ hoạt ñộng vi khuẩn sinh methan Nếu chất cacbohydrat chiếm ưu kết tạo tỉ lệ CO2 CH4 1:1 Do ñó 50% khí tạo CH4 Ngược lại, chất có hợp chất nito cao (bùn cống tươi) khí tạo 65% CH4 Tỉ lệ phần trăm CH4 tiếp tục tăng ñến cuối trạng thái ổn ñịnh lí nên sử dụng liệu thành phần khí trạng thái ổn ñịnh làm thông số vận hành ñánh giá khả xử lý Vì giai ñoạn trước ñó, tốc ñộ phát triển số lượng vi khuẩn sinh metan chậm tất loại vi khuẩn khác có trình ủ biogas Bởi vậy, hàm lượng CH4 bắt ñầu trình ủ không ñáng kể Tuy nhiên, cuối có lượng nhỏ metan ñược sinh Nếu ñược trì ñiều kiện thích hợp cũ, metan sinh tăng ñến trạng thái ổn ñịnh bắt ñầu giảm xuống 12.5.2 Sự phân huỷ chất bay hơ Sự phân hủy chất bay thông số ñánh giá khả xử lý thông số vận hành phần nhỏ bay (hữu cơ) rác thải phân hủy sinh học, vấn ñề cần quan tâm trình phân hủy kị khí Cho nên, mức ñộ quy mô trình phân hủy mức ñộ quy mô vi khuẩn chuyển hóa chất rắn hữu thành khí vật chất ổn ñịnh hay trơ Mức ñộ phân hủy mức cao từ 60-70% với rác thải thực phẩm thô thấp từ 30-40% với giấy in báo có thành phần chủ yếu cacbon Có nhiều yếu tố có ảnh hưởng quan trọng ñến mức ñộ phân hủy hợp chất hữu bay hơi, bao gồm phân bố kích thước chất, khả phân hủy, nhiệt ñộ, thời gian lưu Bốn yếu tố cần phải xem xét ñánh giá thay ñổi tốc ñộ phân hủy hợp chất bay 15 12.5.3 Hàm lượng acid bay Nồng ñộ acid bay trở thành thông số chủ yếu bể ủ tình trạng thay ñổi liên tục (không ổn ñịnh) Sự dao ñộng lượng khí sinh cho thấy thiếu cân phát triển hoạt ñộng vi khuẩn hình thành acid vi khuẩn sinh metan Sự thiếu cân trở thành vấn ñề cần giải nồng ñộ acid mức trở thành yếu tố hạn chế trình phân hủy Mức gây ức chế phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ñó có tỷ lệ tải trọng hữu [27] Mức gây ức chế trình mức ñộ mà ñó pH mức kìm hãm hoạt ñộng vi khuẩn sinh metan Do pH khả ñệm hỗn hợp ủ có quan hệ, lẫn nên ñưa tổng nồng ñộ acid hữu cụ thể ñó mức gây chết vi khuẩn Lí thay ñổi pH phụ thuộc vào khả ñệm môi trường ủ thích nghi quần thề vi sinh vật Một số nghiên cứu cho thấy vi khuẩn sinh metan ñã thích nghi phát triển tốt nồng ñộ acid bay 10000mg/l (Nồng ñộ acid bay tính theo mg/l acid acetic) Vi khuẩn sinh metan thích nghi với nồng ñộ cao so với mức Ngược lại, thiếu ñộ ñệm môi trường nồng ñộ acid ñược hạn chế mức 200-300 mg/l ñể không ảnh hưởnng ñến vi khuẩn sinh metatn Tóm lại, quan trọng nồng ñộ acid bay (volatile acid) thông số phụ thuộc vào nồng ñộ theo trường hợp phụ thuộc vào nồng ñộ cụ thể Sự ổn ñịnh nồng ñộ acid bay dùng tham số vận hành, có mặt yếu tố ức chế lượng acid bay tăng lên Lượng acid thu ñược kết sức ñề kháng với ñiều kiện môi trường không phù hợp vi khuẩn sinh acid mạnh vi khuẩn sinh metan Nồng ñộ acid tăng dần sau trình ủ ñạt trạng thái cân dấu hiệu xảy khó khăn, nồng ñộ acid thấp 200 mg/l 12.5.4 Nồng ñộ ion H+ Khoảng pH mà vi khuẩn sinh metan chịu ñược hẹp, cụ thể từ 6.0-7.5 Nồng ñộ ion H+ xem tham số vận hành ñặc trưng cho hình thành acid bay Tuy nhiên, hữu ích tham số bị giảm ñi mức pH phụ thuộc vào ñộ ñệm môi trường Ví dụ, vi khuẩn hoàn toàn bị ức chế trước thay ñổi pH ñủ lớn ñể nhận thấy ñược Việc sử dụng thông số phụ thuộc vào khả bể ủ phản ứng lại với thay ñổi 12.5.5 ðộ ñệm Trong thực tế, ñộ kiềm thước ño ñộ ñệm môi trường ủ khỏang pH trung tính ðộ ñệm môi trường khả nhận proton ðộ kiềm môi trường phụ thuộc vào nồng ñộ ion bicacbonat, cacbonat hydroxit [1] Trong thành phần trên, bicacbonat quan trọng ion ñịnh khả ñệm quãng pH trung tính Nhược ñiểm phương pháp phân tích thông thường không cung cấp ñủ thông tin cần thiết ñể ñánh giá trình phân hủy xác ñịnh ñược ñộ kiềm pH lớn Vì miêu tả ñược 80% ñộ kiềm acetat 16 ñộ kiềm bicacbonat (ñộ kiềm bicacbonat ñược tính tổng ñộ kiềm trừ ñi ñộ kiềm acetat) Phạm vi ñệm acetat có hiệu pH = 3.75-5.75 Hơn nữa, phạm vi thấp ngưỡng chịu ñựng vi khuẩn sinh metan ðộ kiềm bicacbonat, vốn cần thiết ñể trì pH = 7, phụ thuộc vào lượng CO2 hỗn hợp khí sinh bể ủ Ví dụ, CO2 chiếm 25%, ñộ kiềm bicacbonat cần 2000mg/l Nếu nồng ñộ CO2 chiếm từ 50-53% ñộ kiềm cần 4000 mg/l Thông thường, ñể bể ủ hoạt ñộng tốt, ñộ kiềm ñược lấy khoảng rộng từ 1500-5000 mg/l tính theo acid axetic 12.5.6 Các biện pháp khắc phục cố Các biện pháp khắc phục cố phải ñược tiến hành giá trị thông số ñang tiến ñến nằm ngưỡng nguy hiểm ñó có khả làm giảm hoạt ñộng phân hủy Nguyên nhân gây cố ñịnh biện pháp khắc phục cố Do ñó dễ dàng thêm vôi hay ñộ ñệm ñể nâng từ mức pH không thuận lợi lên mức pH thích hợp, ñiều không làm loại bỏ ñược nguyên nhân sụt giảm pH Hơn nữa, phân hủy chất rắn, vôi trở thành chất kết dính lắng xuống ñáy bể ủ, trừ có biện pháp phòng ngừa Mặc dù ammonia có tác dụng làm tăng pH sử dụng mối nguy hiểm cho vi khuẩn ammonia trở nên ñộc cho vi khuẩn chí nồng ñộ thấp Chi phí nguy không ñảm bảo ñược nồng ñộ yêu cầu ngăn cản việc sử dụng natri bicarbonat ñể tăng cường nồng ñộ bicacbonat Ngay cố phân hủy trở nên rõ ràng, việc cung cấp nguyên liệu cho trình ủ phải ngừng tiếp tục cung cấp làm tình hình nghiêm trọng ðáng tiếc biện pháp khắc phục cụ thể rõ rang áp dụng cho tất trường hợp Nếu có thể, cách tốt bỏ ñi mẻ ủ ñó vào nuôi lại mẻ vi khuẩn Trừ bể ủ nhỏ, phươn pháp ñó không khả thi yêu cầu, luật lệ khắt khe liên quan ñến việc thải bỏ vật liệu xử lý dở dang vào môi trường Sự bắt buộc ñáng cân nhắc tác ñộng bất lợi vật liệu ñến chất lượng môi trường 12.6 THAM KHẢO American Public Health Association (APHA), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, APHA, 13th Ed., New York, New York, USA, 1971 Anonymous, Anaerobic Digestion of Dairy Cow Manure at the State Reformatory Honor Farm, Monroe, Washington, Ecotope Group and Parametrix, Inc., Sumner, Washington,USA, 1975 Chan, D.B and E.A Pearson, Comprehensive Studies of Solid Waste Management: Hydrolysis Rate of Cellulose in Anaerobic Fermentation, SERL Report No 70-3, Sanitary Engineering Research Laboratory, University of California, Berkeley, California, USA,October 1970 17 Fry, L.J and R Merrill, Methane Digester for Fuel, Gas, and Fertilizer, Newsletter No 3,Santa Cruz, California: New Alchemy InstituteWest, USA, 1973 Gotaas, H.B., Composting, World Health Organization Monograph Series, No 31, WHO, Geneva, Switzerland, 1956 Hayes, T.D., W.J Jewell, J.A Chandler, S Dell'Orto, K.J Farfoni, A.P Leuschner, and D.F.Sherman, “Methane Generation from Small Scale Farms”, Biogas and Alcohol Fuels Production, proceedings of a seminar on Biomass Energy for City, Farm, and Industry, Chicago, Illinois, JG Press, Emmaus, Pennsylvania, USA, May 1979 Leeper, G.W., Managing the Heavy Metals, Pollution Engineering Technology Series, Marcel Dekker, Inc., New York, New York, USA, and Basel, Switzerland, 1978 McGarry, M and J Stainforth, editors, Compost, Fertilizer, and Biogas Production from Human and Farm Wastes in the People's Republic of China, International Development Research Centre, Ottawa, Ontario, Canada, 1978 National Academy of Sciences (NAS), Methane Generation from Human, Animal, and Agricultural Wastes, Report of an Ad Hoc Panel of the Advisory Committee on Technology Innovation, National Research Council, NAS, Washington, DC, USA, 1977 10 Prakasam, T.B.S., “Application of Biomass Technology in India”, Biogas and Alcohol Fuels Production, proceedings of a seminar on Biomass Energy for City, Farm, and Industry, Chicago, Illinois, J.G Press, Inc., Emmaus, Pennsylvania, USA, May 1979 11 Singh, R., Bio-gas Plant: Generating Methane from Organic Wastes, Gobar Gas Research Station, Ajitmal, Etawah (V.P.) India, 1971 12 Singh, R., “Building a Bio-Gas Plant”, Compost Science, 13(2):12-17, March/April 1972 13 Singh, R., “The Bio-Gas Plant Generating Methane from Organic Waste”, Compost Science, 13(1):20-26, January/February 1972 14 Sullivan, J.L., C.M Ostrovski, and N Peters, Feasibility Analysis Model for Centralized Methane Production from Animal Wastes, Report for Ontario Ministry of Energy (File No 1903-02-876-24) Faculty of Engineering Science, The University of Western Ontario,London, Canada, 1978 15 Hungate, R.E., “Studies on Cellulose Fermentation - I The Culture and Physiology of anAnerobic Cellulose Digesting Bacterium”, Journal of Bacteriology, 48:499-513, 1944 16 Hungate, R.E., “The Anaerobic Mesophilic Cellulytic Bacteria”, Bacteriological Review,14:1-49, 1950 18 17 Hungate, R.E., “Microorganisms in the Rumen of Cattle Fed a Constant Ration”, Canadian Journal of Microbiology, 3:289-311, 1957 18 Madden, R.H., M.J Bryder, and N.J Poole, “Isolation and Characterization of an AnaerobicCellulytic Bacterium, Clostridium papyrosolvens sp nov.”, International Journal of Systematic Bacteriology, 32:87-91, 1982 19 Madden R.H., “Isolation and Characterization of Clostridium stercorarium sp nov CelluliticThermophile”, International Journal of Systematic Bacteriology, 33:837-840, 1983.20 Mendez, B.S., M.J Pettinari, S.E Ivanier, C.A Ramos, and F Sineriz, “Clostridiumthermopapyrolyticum sp nov., a cellulolytic thermophile”, International Journal of SystematicBacteriology, 41:281-283, 1991 20 Zeikus, J.G., “Microbial populations in digesters”, Anaerobic Digestion, D.A Stafford, B.I.Wheatley, and D.E Hughes (ed), 61-89 pp., Applied Science Publishers, London, England,1980 21 Kaseng, K., K Ibrahim, S.V Paneerselvam, and R.S Hassan, “Extracellular Enzymes andAcidogen Profiles of a Laboratory-Scale TwoPhase Anaerobic Digestion System”, ProcessBiochem., 27:43-47, 1992 22 Diaz, L.F., G.M Savage, G.J Trezek, and C.G Golueke, “Biogasification of Municipal Solid Wastes”, Journal of Energy Resources Technology, 103:180-185, June 1981 23 Personal Communication, City of Salzburg, Austria, October 1995 24 European Council, “Council Directive 1999/31/EC of 26 April 1999 on the landfilling ofwaste”, Official Journal of the European Communities, L 182, 1-13; 1999 25 Diaz, L.F., et al., “Selective Aspects of the Treatment of Biodegradable Waste in theEuropean Union”, presented at the 2002 International Symposium on Composting andCompost Utilization, Columbus, Ohio, USA, May 2002 26 Kayhanian, M and S Hardy, “The Impact of Four Design Parameters on the Performance ofa High-Solids Anaerobic Digestion of Municipal Solid Waste for Fuel Gas Production”,Environmental Technology, 15(6):557567, 1994 27 Bertucci, J., et al., “Inactivation of Viruses During Anaerobic Sludge Digestion”, Journal of Water Pollution Control Federation, 49(7):16421651, 1977 28 Foster, D.H and R.S Engelbrecht, “Microbial Hazards in Disposing of Wastewater andSoil”, Recycling Treated Municipal Wastewater and Sludge through Forest and Cropland,W.E Sopper and L.T Kurdos, eds., Pennsylvania State University Press, University Park, Pennsylvania, 1973 19 29 Dotson, G.K., “Some Constraints of Sprading Sewage Sludge on Croplands”, Land Disposal of Municipal Effluents and Sludges, Proceedings of Conference on Land Disposal of Municipal Effluents and Sludge, March 1972, U.S Environmental Protection Agency, EPA-902/9-73-001, 1973 20 [...]... thuộc cả vào lượng chất rắn bay hơi trong tổng chất rắn và lượng chất rắn bay hơi (hữu cơ) biến ñổi thành khí Lượng khí thu ñược trên một ñơn vị chất rắn bay hơi có thể ñược thể hiện ở dạng thể tích của khí thu ñược trên một ñơn vị khối lượng chất rắn bay hơi ñã ñược ñưa vào hay thể tích của khí trên một ñơn vị khối lượng chất rắn bay hơi ñã phân hủy Sản phẩm khí thu ñược tính theo chất rắn bay hơi ñã... việc này xuất hiện khi nồng ñộ cơ chất quá cao Bọt khí gây cản trở sự khuyếch tán cơ chất vào trong tế bào Giải pháp khắc phục là vấn ñề làm cho mẻ ủ ñược xáo trộn, ví dụ như khi tiến hành khuấy trộn liên tục 12.4.3 Những yếu tố dạng ñơn chất và hợp chất Những ñơn chất và hợp chất hoặc có sẵn hay kết hợp với các chất khác có tác ñộng bất lợi ñến sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình ủ biogas. .. huỷ của những chất bay hơ Sự phân hủy của những chất bay hơi là thông số ñánh giá khả năng xử lý và thông số vận hành vì chỉ một phần nhỏ bay hơi (hữu cơ) trong rác thải là có thể phân hủy sinh học, vì thế là vấn ñề cần quan tâm trong quá trình phân hủy kị khí Cho nên, mức ñộ và quy mô của quá trình phân hủy là mức ñộ và quy mô của vi khuẩn chuyển hóa chất rắn hữu cơ thành khí và những vật chất ổn ñịnh... quả của việc sử dụng chất rắn bay hơi (tức là phần hữu cơ) của vi khuẩn Thể tích khí trên một ñơn vị chất bay hơi phụ thuộc vào cả thời gian lưu, các ñiều kiện vận hành và vào tính chất ban ñầu của rác thải VD: trong một nghiên cứu, sản lượng khí thu ñược khỏang từ 0.374 ñến 0.454 m3/kg bùn thải thô ñược ñưa vào Những VD về sản lượng khí thu ñược của các loại rác thải khác nhau ñược trình bày trong bảng... dụng của nó (không thể sử dụng làm phân bón) Mặc dù phần này chủ yếu quan tâm ñến sự phân hủy của các loại chất ít rắn, nhưng nó cũng có thể áp dụng cho cả chất ít rắn (low-solid) và chất rắn hơn (high solid) 12.5 CÁC THÔNG SỐ Nếu không quan tâm ñến loại phân hủy (tức là chất ít rắn hay chất rắn hơn), các thông số có thể ñược chia thành hai nhóm chính: 12 • Những thông số môi trường sống của vi khuẩn,... khuynh hướng nổi trong nước, nên gỗ, rơm, trấu và một số loại chất thải khác có tỉ trọng thấp không phải là loại nguyên liệu thích hợp cho hệ thống phân hủy chất thải ít rắn Sự không phù hợp ñó là do các thành phần nổi trên bề mặt làm tăng khả năng hình thành lớp váng Do ñó, cần thiết phải có sự quản lý lớp váng bề mặt, vốn là ñặc trưng của quá trình phân hủy kỵ khí 12.4.2 Các yếu tố liên quan ñến hiệu... có liên quan ñến cơ chất, hoặc kích thích hoặc kìm hãm hiệu quả của hệ thống ủ Những yếu tố này thường là các chất ñã có sẵn trong chất thải hay ñược bổ sung vào 12.4.2.1.Sự vận chuyển của sản phẩm trao ñổi chất Tốc ñộ vận chuyển của trao ñổi phân hủy và các chất khác từ pha lỏng sang pha khí có thể là yếu tố giới hạn vì cần phải loại bỏ những chất này ra xa các tế bào Sự ức chế xuất hiện do sự vận... lượng tổng chất rắn ñược ñưa vào Có thể thấy rằng sản lượng khí sinh ra từ ủ rác thải ñô thị ở các nước ñang phát triển cũng gần như tương tự lượng khí từ ủ bùn thải thô ở Mỹ 13 Bảng Cð12-3: Sản lượng khí thu ñược từ phân hủy các chất thông thường Vật liệu thô Phân gia súc Phân gia cầm Phân heo Phân cừu Cỏ Lá củ cải ñường Tảo Phân người Rác ñô thị Lượng Khí/ñơn vị khối metan lượng của chất rắn Nhiệt... ñộng phân hủy ñược xét trên sản phẩm khí và thành phần, tốc ñộ và phạm vi phân hủy của cơ chất dễ bay hơi, lượng acid dễ bay hơi, ñộ pH, khả năng ñệm Phạm vi của các giá trị môi trường cơ bản và khả năng xử ñã ñược nghiên cứu trên quá trình phân hủy bùn cống Không may là do cấu trúc lí hóa khác nhau nên những giá trị này không ñược áp dụng cho quá trình phân hủy những chất rắn khác 12.5.1 Khả năng sinh... khuẩn Cùng với thông số về thành phần của khí sinh ra, nó là thước ño hoạt ñộng của vi khuẩn metan Sự kết hợp của hai thông số là thước ño hiệu suất năng lượng thu ñược và chi phí thực tế Lượng khí thu ñược thường ñược biểu diễn trong ở dạng thể tích khí thu ñược trên một ñơn vị tổng khối lượng của chất rắn và của chất rắn bay hơi ñã ñưa vào Sản Lượng khí thu ñược trên một ñơn vị tổng chất rắn phụ thuộc