Thiết kế, chế tạo máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh công suất 100 kg sản phẩm-ngày

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
o0o



BÁO CÁO KHOA HỌC


Đề tài cấp Bộ năm 2010:





Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Văn Chung
Cộng tác thực hiện: ThS. Huỳnh Thị Lê Dung
KS. Nguyễn Thị Anh Thư
KS. Vũ Thị Hường
KS. Đoàn Thanh Sơn




BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
o0o

BÁO CÁO KHOA HỌC

Đề tài cấp Bộ năm 2011:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
MÁY XỬ LÝ THỰC PHẨM PHẾ THẢI
BẰNG MEN VI SINH
Công suất 100 kg/ngày

Chủ nhiệm đề tài: PGS. TS. Đặng Vũ Ngoạn
Cộng tác thực hiện: TS. Phạm Minh Tuấn
ThS. Võ Tuyển
ThS. Trịnh Tiến Thọ
KS. Đặng Văn Hải
KS. Huỳnh Thanh Vũ
CN. Hoàng Xuân Thế

CƠ QUAN CHỦ TRÌ

LỜI MỞ ĐẦU

Theo thống kê của Bộ tài nguyên và môi trường, năm 2008 tổng lượng chất thải
rắn của Việt Nam gần 28 triệu tấn, và dự báo đến năm 2015 sẽ tăng đến 44 triệu tấn.
Với một lượng lớn rác thải phát sinh như vậy thì việc thu gom, vận chuyển và xử lý
chất thải rắn đô thị là một vấn đề nan giải đối v
ới nhiều địa phương trong cả nước. Hiện
nay chỉ có 70% lượng chất thải rắn tại các đô thị Việt Nam được thu gom. Chất thải rắn
sinh ra chưa được thu gom và xử lý triệt để là nguồn gây ô nhiễm cả ba môi trường: đất,
nước, không khí. Tại các bãi đổ rác, nước rỉ rác và khí bãi rác là mối đe dọa đối với
nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm trong khu vực, chỉ có 16 trong tổ
ng số 98 bãi rác

tập trung đạt yêu cầu của bãi chôn lấp rác hợp vệ sinh. Như vậy, có hai vấn đề cấp bách
là:
1. Khối lượng chất thải rắn lớn và ngày càng gia tăng nhanh chóng theo tốc độ
tăng dân số và sự phát triển kinh tế.
2. Hệ thống thu gom và phương pháp xử lý chất thải rắn chưa hiệu quả.
Mặt khác, trong thành phần của chất thải rắn sinh hoạt thì chất thải thực ph
ẩm
chiếm khối lượng lớn, khoảng trên 65%. Đây lại là một loại chất thải giàu chất hữu cơ
dễ phân hủy sinh học nên có thể được tách ra để xử lý riêng một cách dễ dàng nhằm
giảm tải cho các hệ thống thu gom và xử lý chất thải rắn tập trung. Đồng thời, sản phẩm
cuối có thể được tận dụng cho các mục đích khác. Trên cơ sở đó, đề
tài “thiết kế, chế
tạo máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh công suất 100 kg/ngày” được tiến
hành.
Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Thiết kế, chế tạo thiết bị xử lý chất thải thực phẩm công suất 100 kg/ngày
- Nghiên cứu sản xuất men vi sinh để thúc đẩy quá trình xử lý
- Thử nghiệm quá trình xử lý chất thải thực phẩm trên thi
ết bị đã chế tạo



Mục lục

Trang

Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1. Tổng quan về chất thải thực phẩm 1
1.1.1. Hệ thống phân hủy kỵ khí 2
1.1.2. Hệ thống phân hủy hiếu khí 2

1.1.3. Hệ thống ủ hiếu khí 3
1.1.4. Hệ thống tiêu hủy chất thải thực phẩm 3
1.1.5. Hệ thống sấy sinh học 4
1.2. Tính cấp thiết của đề tài 7
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 7
1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 8
1.3. Lựa ch
ọn phương án xử lý 9
Chương 2: VẬT LIỆU và PHƯƠNG PHÁP 10
2.1. Phương pháp nghiên cứu sản xuất men vi sinh 10
2.1.1. Phương pháp phân lập và định danh vi sinh vật 10
2.1.2. Phương pháp tuyển chọn và nuôi cấy 11
2.1.3. Phương pháp xác định mật độ tế bào 12
2.1.4. Phương pháp xác định hoạt lực enzyme 13
2.2. Phương pháp thử nghiệm trên thiết bị xử lý 14
2.2.1. Mô hình thiết bị 14
2.2.2. Các thí nghiệm 15
2.2.3. Phương pháp tiến hành thí nghiệm 15
2.2.4. Phương pháp xác định các ch
ỉ tiêu 15
2.2.5. Tính toán cân bằng vật chất 16

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 18
3.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động 18
3.1.1. Sơ đồ khối 18
3.2. Cơ sở tính toán 21
3.2.1. Lựa chọn động cơ, phân tích lực và tính bền vít nghiền 21
3.2.2. Lựa chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền cho thùng khuấy 25
3.2.3. Tính toán lựa chọn điện trở cho cụm đốt khí 35
3.3. Các thông số kỹ thuật và hướng dẫn vận hành máy 36

3.3.1. Các thông s
ố kỹ thuật 36
3.3.2. Sơ đồ mạch động lực và sơ đồ mạch điều khiển máy 37
3.3.3. Hướng dẫn vận hành máy 39
Chương 4: KẾT QUẢ và THẢO LUẬN 41
4.1. Nghiên cứu men vi sinh 41
4.1.1. Phân lập, danh định và tuyển chọn vi sinh vật 41
4.1.2 Sản xuất chế phẩm men vi sinh và đánh giá chất lượng 44
4.2. Thử nghiệm xử lý chất thải thực phẩm 45
4.2.1. Thành phần chất thải 45
4.2.2. Độ ẩm 46
4.2.3. Hàm lượng chất rắn bay hơi 47
4.2.4. Mật độ vi sinh vật 48
4.2.5. Hoạt lực các enzyme 49
4.2.6. Hiệu quả xử lý 51
KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ 53
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

DANH MUẽC CAC HèNH VEế ẹO THề ANH

Trang
Hỡnh 1.1 Quỏ trỡnh phõn hy k khớ bn vng 2
Hỡnh 1.2 S thit b sy sinh hc 4
Hỡnh 2.1 K thut phõn lp vi sinh vt 11
Hỡnh 2.2 S h thng nuụi cy thu sinh khi vi sinh vt 12
Hỡnh 2.3 Xỏcnh mt t bo vi sinh vt 13
Hỡnh 2.4 Mụ hỡnh thit b 14
Bng 2.1 Thnh phn v khi lng cỏc cht sau x lý 16
Hỡnh 3.1 S khi c

a mỏy 18
Hỡnh 3.2 Mụ hỡnh mỏy x lý thc phm ph thi bng men vi sinh 19
Hỡnh 3.3 Phõn tớch lc tỏc dng lờn trc vớt 22
Hỡnh 3.4 t lc tỏc dng gõy moment M
x
23
Hỡnh 3.5 t lc tỏc dng gõy moment M
y
23
Hỡnh 3.6 Biu moment ca trc vớt 24
Hỡnh 3.7 t lc ti cỏc v trớ ca cỏnh trn 26
Hỡnh 3.8 V trớ cỏnh trn trong trng hp 1 26
Hỡnh 3.9 V trớ cỏnh trn trong trng hp 2 26
Hỡnh 3.10 V trớ cỏnh trn v phõn b lc trong trng hp 1 27
Hỡnh 3.11 S t lc trong trng hp 1 28
Hỡnh 3.12 Cỏc lc gõy ra moment M
x
trong trng hp 1 29
Hỡnh 3.13 Cỏc lc gõy ra moment M
y
trong trng hp 1 29
Hỡnh 3.14 S moment M
x
, M
y
v T trong trng hp 1 30
Hỡnh 3.15 V trớ cỏnh trn v phõn b lc trong trng hp 2 31
Hỡnh 3.16 S t lc trong trng hp 2 31
Hỡnh 3.17 Cỏc lc gõy ra moment M
x

trong trng hp 2 32
Hình 3.18 – Các lực gây ra moment M
y
trong trường hợp 2 32
Hình 3.19 – Sơ đồ moment M
x
, M
y
và T trong trường hợp 2 33
Hình 3.20 – Sơ đồ mạch động lực của máy 37
Hình 3.21 –Sơ đồ mạch điều khiển máy 38
Hình 3.22 – Sơ đồ tủ điều khiển máy 39
Bảng 4.1 – Đặc điểm hình thái học và sinh hóa của các chủng Bacillus sp 42
Hình 4.1 – Tăng trưởng của các loài vi khuẩn phân lập được theo thời gian 43
Hình 4.2 – Hoạt tính protease trong canh trường nuôi cấy của các chủng Bacillus
sp 43
Hình 4.3 – Hoạt tính amylase trong canh trường nuôi cấ
y của các chủng Bacillus
sp 44
Bảng 4.2 – Một số chỉ tiêu của chế phẩm 44
Hình 4.4 – Sự thay đổi của độ ẩm 47
Hình 4.5 – Sự thay đổi của hàm lượng chất rắn bay hơi 48
Hình 4.6 – Sự thay đổi của mật độ vi sinh vật 49
Hình 4.7 – Sự thay đổi các hoạt lực enzyme thủy phân 50
Bảng 4.3 – Các thông số của quá trình xử lý 51

1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI THỰC PHẨM

Hiện nay việc thu gom, vận chuyển và xử lý chất thải rắn đô thị là một vấn đề nan
giải đối với nhiều địa phương trong cả nước với khối lượng phát sinh lớn nhưng tỉ lệ thu
gom còn hạn chế, chất thải rắn sinh ra chưa được thu gom và xử lý triệt để
là nguồn gây ô
nhiễm cả ba môi trường: đất, nước, không khí. Tại các bãi đổ rác, nước rỉ rác và khí bãi
rác là mối đe dọa đối với nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm trong khu vực. Khối
lượng chất thải rắn của các đô thị ngày càng tăng nhanh theo tốc độ tăng dân số và phát
triển kinh kế.
Chất thải rắn ở Việt Nam đang ở một hiện trạng đ
áng lo ngại. Cùng với sự phát
triển kinh tế, gia tăng dân số cộng với sự lãng phí tài nguyên trong thói quen sinh hoạt
của con người, chất thải rắn có số lượng ngày một tăng, thành phần ngày càng phức tạp
và tiềm ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trường và sức khoẻ con người. Là
một nước đang phát triển, tốc độ tăng các chất thải rắn sinh hoạt ở cả thành thị và nông
thôn, chất thải rắn công nghiệp, y tế ở nước ta còn nhanh hơn các nước khác, từ năm
2003 đến 2008 tăng gấp 2 lần.
Phần lớn chất thải sinh hoạt vẫn chỉ được chôn lấp tại các bãi đổ rác, là hình thức
thô sơ nhất với nhiều nhược điểm như tốn diện tích đất, mùi hôi thối ảnh hưởng đến khu
dân cư, có thể trở thành nguồn phát sinh dịch bệnh, tác
động nghiêm trọng tới môi trường
và không tận dụng được các nguyên liệu có thể tái sinh. Tình hình trong thời gian gần
đây đã trở nên bức xúc, đặc biệt ở 3 thành phố lớn là Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và Đà
Nẵng. Ví dụ tại Hà Nội, khối lượng chất thải rắn sinh hoạt tăng trung bình 15%/năm, với
tổng lượng ước tính 5.000 tấn/ngày đêm, và dự đoán chỉ sang năm (2012) có thể không
còn chỗ để đổ
rác. Thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày có trên 7.000 tấn chất thải sinh
hoạt, mỗi năm cần 235 tỷ đồng để xử lý.
Trong chất thải sinh hoạt, chất thải có nguồn gốc thực phẩm hay hữu cơ chứa các
chất dễ phân hủy sinh học chiếm một phần khá lớn. Nhưng do không được phân loại tại
nguồn để tái sử dụng hoặc có phương pháp xử lý riêng nên số chất thải này nh

ập với chất
thải sinh hoạt nói chung thường được xứ lý bằng cách chôn lấp, vừa gây khó khăn cho
bãi chôn lấp, vừa gây ra những tác hại, tốn kém rất không hợp lý. Chính vì vậy việc xây
dựng, phát triển các phương pháp, mô hình thiết bị xử lý chất thải thực phẩm, chất thải
hữu cơ là một yêu cầu rất cấp bách.

2
Hiện nay trên thế giới người ta đã hoàn thiện nhiều phương pháp xử lý chất thải
hữu cơ, như được trình bày một cách tóm tắt ở phần dưới.
1.1.1. Hệ thống phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion)
Hệ thống phân hủy kỵ khí chuyển hóa các chất thải hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
thành các loại khí, trong đó thành phần chủ yếu là khí methane (CH
4
) (Taricska và cs,
2007).

Hình 1.1: Quá trình phân hủy kỵ khí bền vững (Al seadi, 2002).
Quá trình phân hủy kỵ khí làm giảm đáng kể thể tích của chất thải hữu cơ, làm
tăng khả năng tách nước của chất thải. Khí sinh học tạo ra có thể được sử dụng làm nhiên
liệu đốt, chất rắn còn lại có thể được sử dụng như phân bón sinh học như mô tả trong
Hình 1.1. Bên cạnh các ưu điểm nêu trên, quá trình xử lý kỵ khí c
ũng tồn tại một số
nhược điểm: hệ thống phức tạp; chịu tác động bởi nhiều yếu tố môi trường như nhiệt độ,
thành phần chất thải; khí phát sinh thường có mùi khó chịu do chứa NH
3
, H
2
S và các hợp
chất hữu của lưu huỳnh.
1.1.2. Hệ thống phân hủy hiếu khí (aerobic digestion)

Quy trình phân hủy hiếu khí có thể áp dụng để xử lý các loại chất thải sinh hoạt
nhiều thành phần, độ ẩm cao, chưa phân loại từ nguồn, phân hủy chất thải hữu cơ thành

3
phân vi sinh cao cấp. Chất thải rắn được tập trung vào một thiết bị có cung cấp không
khí qua bề mặt chất thải rắn hoặc hệ thống phân tán khí (Shammas và Wang, 2007). Quá
trình oxy hóa các chất hữu cơ trong rác thải sẽ phát sinh nhiệt. Tùy thuộc bản chất vi sinh
vật sử dụng mà người ta có quá trình phân hủy hiếu khí đó ở nhiệt độ thường hay nhiệt độ
cao. Thời gian xử lý vì vậy cũng thay đổi theo, thông thường từ 7 đế
n 15 ngày.
Ưu điểm đặc biệt của quá trình phân hủy hiếu khí với sự tham gia của các vi sinh
vật là quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ thành phân vi sinh hữu cơ, khí cacbonic
(CO
2
), nước mà không sinh khí CH
4
và H
2
S nên không gây cháy nổ, không có mùi hôi
thối gây ô nhiễm môi trường. Chất thải rắn sau khi đưa vào nhà máy được tiến hành phân
loại, xử lý ngay không để tồn đọng, không có phân hủy tự do, không phát sinh nước rò rỉ
nên giảm tối đa ô nhiễm ra môi trường. Một số ưu điểm khác là vốn đầu tư thấp và vận
hành dễ dàng.
Tuy nhiên hệ thống này cũng tồn tại một số nhược điểm: chi phí vận hành cao do
phải dùng
điện năng để cung cấp khí, không tận dụng được khí methane từ chất thải, hiệu
quả của hệ thống phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
1.1.3. Hệ thống ủ hiếu khí (compost)
Ủ hiếu khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí ở nhiệt độ
cao. Trước khi ủ, chất thải rắn được được phối trộn với các nguyên li

ệu như mẩu gỗ, mạt
cưa, lá cây,… để điều chỉnh độ ẩm (50 ÷ 70%), thành phần dinh dưỡng phù hợp, tăng
mức độ thông thoáng của khối ủ. Nhiệt tỏa ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ làm
cho nhiệt độ của khối ủ tăng lên trên 60
o
C. Thời gian ủ kéo dài từ vài tuần tới 3 tháng.
Trong thời gian này các chất hữu cơ sẽ được phân hủy hoàn toàn giúp cho chất rắn còn
lại sau khi ủ có tính ổn định cao. Nhiệt độ cao sẽ tiêu diệt các vi sinh vật có hại, giúp cho
sản phẩm thu được từ quá trình ủ có thể được sử dụng làm phân bón sinh học. Sản phẩm
này có một số ưu điểm: cung cấp các nguyên tố N, P, K; tái sử dụng các thành phần hữu
ích củ
a rác thải; tăng khả năng giữ nước và độ thông thoáng cho đất.
Tuy nhiên, quá trình ủ hiếu khí cũng có một số hạn chế: mùi phát sinh trong quá
trình ủ, thời gian ủ dài (khoảng 36 ÷ 39 ngày). Sản phẩm của quá trình ủ có chất lượng
không ổn định, phụ thuộc khá nhiều vào bản chất và đặc tính của chất thải rắn, điều kiện
thực hiện quá trình ủ. Ngoài ra thị trường sử dụng phân compost còn khá hạn ch
ế.
1.1.4. Hệ thống tiêu hủy chất thải thực phẩm (Food waste disposer)
Tiêu hủy thực phẩm là một khái niệm mới nhằm tách chất thải thực phẩm ra khỏi
hệ thống xử lý chất thải rắn của một khu vực, làm giảm bớt áp lực cho hệ thống thu gom,

4
xử lý. Hệ thống này có thể được áp dụng cho hộ gia đình, nhà hàng, cơ sở sản xuất thực
phẩm quy mô nhỏ. Nguyên tắc của hệ thống này là nhập rác thải thực phẩm vào hệ thống
xử lý nước thải sinh hoạt của khu vực, cụm dân cư, bằng cách xay nhỏ chất thải thực
phẩm với nước thải sinh hoạt.
Nhược điểm của phương pháp này là ch
ất thải thực phẩm có thể làm tắc nghẽn hệ
thống nước thải, làm cho hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung quá tải.
1.1.5. Hệ thống sấy sinh học (biodrying)

Nguyên tắc
Thiết bị xử lý chất thải theo phương pháp sấy sinh học sử dụng kết hợp các quá
trình vật lí và sinh hóa. Bộ phận xử lý bao gồm một hệ thống thông khí và một buồng
chứ
a chất thải (Hình 1.2). Trong quá trình xử lý, các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học sẽ
được chuyển hóa. Bên cạnh đó, quá trình vật lý cũng xảy ra. Dưới tác dụng của nhiệt sinh
ra do quá trình sinh hóa và dòng không khí cung cấp vào hệ thống, nước sẽ được tách ra
khỏi khối chất thải. Mặc dù về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động, quá trình sấy sinh học
khá giống với quá trình ủ compost. Nhưng về bản chất hai phươ
ng pháp này có sự khác
biệt đáng kể: quá trình chuyển hóa sinh học trong phương pháp sấy sinh học chỉ tiến hành
ở mức vừa đủ để cung cấp nhiệt cho quá trình tách nước chứ không xảy ra một cách triệt
để như ở phương pháp ủ compost.


Hình 1.2: Sơ đồ thiết bị sấy sinh học: 1- Vỏ thiết bị, 2- Khí di chuyển qua khối
chất thải, được gia nhiệt bởi sự phân huỷ sinh học của rác, 3- Hệ thống tuần hoàn
và thu gom nước rỉ rác, 4- Hệ thống nén khí kết hợp tuần hoàn, pha trộn với không
khí xung quanh, 5- Thiết bị trao đổi nhiệt, 6- Tháp làm mát, 7- Nước ngưng tụ, 8-
Bộ phận xử lý khí đã qua sử dụng.

5
Các thông số quan trọng nhất đối với quá trình sấy sinh học là nhiệt độ và độ ẩm.
Khoảng nhiệt độ thay đổi khá rộng 30 ÷ 70
o
C tùy thuộc vào cách thức thực hiện tách
nước. Đa số các hệ thống sấy sinh học hoạt động trong tự cấp nhiệt: nhiệt tách nước hoàn
toàn dựa vào quá trình chuyển hóa sinh học của chất thải. Nhiệt độ sẽ dao động trong
khoảng 30 ÷ 50
o

C. Trong một số trường hợp cần rút ngắn thời gian xử lý, nhiệt độ được
nâng lên 60 ÷ 70
o
C. Độ ẩm thay đổi từ độ ẩm ban đầu của chất thải giảm xuống đến độ
ẩm có thể dừng các hoạt động của vi sinh vật. Độ ẩm ban đầu của chất thải có thể điều
chỉnh đến 80% đối với những chất thải có hàm ẩm cao. Khi độ ẩm này giảm xuống dưới
50% có thể kết thúc quá trình xử lý.
Hệ thống sấ
y sinh học có ưu điểm là có thể xử lý chất thải đầu vào với độ ẩm cao,
thành phần đa dạng, tỷ lệ giảm khối lượng chất thải cao, sản phẩm tạo ra khá ổn định, còn
chứa nhiều chất dinh dưỡng và năng lượng nên có thể dùng làm chất đốt hoặc phân bón.
Tuy nhiên hệ thống cũng còn tồn tại một số nhược điểm: các nghiên cứu lý thuyế
t, ứng
dụng còn hạn chế, quá trình xử lý khá phức tạp nên đôi khi hệ thống kiểm soát chưa đáp
ứng được, quy chuẩn và thị trường cho sản phẩm sau xử lý cần được xác định và phát
triển hơn nữa.
Các quá trình diễn ra khi xử lý chất thải bằng hệ thống sấy sinh học
Quá trình chuyển hóa sinh học
Trong thiết bị sấy sinh học, xảy ra quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ
.
Sấy sinh học là quá trình tách nước và chuyển hóa sinh học ở độ ẩm cao các chất thải như
phân (Choi, 2000; Wright, 2002) và bùn từ các hệ thống xử lý nước thải bột giấy và giấy.
Trong đó, quá trình tách nước và xử lý bùn thải xảy ra đồng thời với chất thải đô thị.
Sấy sinh học khác với quá trình compost cũng như quá trình sấy khô hoàn toàn ở
chỗ mục tiêu của quá trình là tiền xử lý chất thải với th
ời gian lưu thấp nhất có thể để tạo
ra sản phẩm là nhiên liệu (solid recovered fuel) có chất lượng cao. Mục tiêu của nó là: 1)
gia tăng hàm lượng năng lượng (Adani và cs., 2002) bằng cách loại bỏ tối đa độ ẩm và
bảo toàn hầu như toàn bộ giá trị năng lượng của các hợp chất hữu cơ thông qua cực tiểu
phân hủy sinh học; 2) tạo điều kiện thuận lợi để đồ

ng nhất hàm lượng hữu cơ các trong
các thành phần được bảo toàn; và 3) làm cho dòng ra thích hợp hơn với các quá trình cơ
học bằng cách giảm độ nhớt.
Quá trình sinh học trong thiết bị sấy sinh học phải được ứng dụng thích hợp để tạo
ra một lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy khô hiệu quả, nhưng lại giới hạn sự phân
hủy của chất thải. Nhiệt độ củ
a chất thải là yếu tố tác động đến sự phát triển của vi sinh
vật bởi vì nó cung cấp điều kiện lý tưởng cho sự sinh sôi của vi sinh vật ưu nhiệt. Trong

6
sấy sinh học chất thải có độ ẩm cao như bùn thải, chia quá trình thành 3 giai đoạn, tương
ứng với quần thể vi sinh vật phát triển trong giai đoạn đó: 1) thích nghi của vi khuẩn, gia
tăng nhanh chóng theo tốc độ sấy; 2) vi khuẩn giảm nhanh chóng theo tốc độ sấy do
không đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật tiêu thụ; 3) tốc độ sấy cân bằng, tương ứng với
lưu lượng dòng khi. Tiếp tục sấy khô hơ
n chất thải thì quá trình sấy sinh học ít phụ thuộc
vào hoạt tính của vi sinh vật mà chỉ phụ thuộc vào quá trình vật lý (đối lưu không khí).
Sấy sinh học nhanh chóng, hiệu quả, tối ưu và chi phí thấp để đạt được sản phẩm
nhiên liệu (solid recovered fuel). Bởi vì năng lượng sấy khô lấy từ quá trình phân hủy
hiếu khí chất hữu cơ và kết thúc quá trình đạt được sản phẩm ổn định sinh học. Để b
ảo
tồn nguồn C, hàm lượng hữu cơ thì sản phẩm thu được cần có độ ổn định sinh học thấp,
nhưng độ ổn định cũng bị giới hạn bởi khả năng gây ô nhiễm môi trường do nó tiếp tục
phân hủy sinh học. Tiêu chí độ ổn định sinh học trong sản phẩm sấy sinh học tỷ lệ nghịch
với tốc độ tạo sản phẩ
m (Adani và cs., 2002), sử dụng dòng khí tốc độ cao trong 150 giờ
thì thu được sản phẩm mong muốn. Một nghiên cứu khác cho thấy thời gian cần thiết là
200h (Sugni và cs., 2005).
Một số nghiên cứu kết hợp quá trình sấy sinh học và ủ phân compost trong thùng
kín, cho thấy khả năng ứng dụng để phân hủy chất hữu cơ ở bãi rác đạt quy định. Tuy

nhiên sản phẩm cũng cần kiểm định thị trường tiêu thụ và tiêu chí an toàn.
Quá trình sấy
Sấ
y là một kỹ thuật làm giảm độ ẩm của vật liệu bằng nhiệt do hơi nước bốc hơi
nhưng không làm thay đổi tính chất của vật liệu. Mặc dù kỹ thuật sấy đã được nghiên cứu
rất rộng rãi, nhưng cơ chế sấy ở quy mô nhỏ rất phức tạp và chưa được hiểu rõ. Kỹ thuật
sấy được phát triển trong rất nhiề
u lĩnh vực như chế biến thực phẩm, nông sản, dược
phẩm, giấy và nhiều ngành công nghiệp khác. Ứng dụng trong kỹ thuật môi trường, quá
trình sấy sử dụng nhiệt từ bên ngoài để sấy tái chế dầu cặn, sấy bùn thải (Chen và cs.,
2002).
Trong thiết bị sấy sinh học thì cơ chế chính của quá trình sấy là bay hơi nước do
đối lưu, sử dụng nhiệt sinh ra từ quá trình phân hủy hiếu khí ch
ất thải và được hỗ trợ
bằng thổi khí. Độ ẩm của chất thải giảm qua hai bước chính: i) nước bay hơi từ bề mặt
chất thải vào môi trường; ii) hơi nước di chuyển qua sinh khối và loại bỏ theo dòng khí
thoát ra. Nước dư có thể thấm qua chất thải và thu ở đáy thiết bị sấy sinh học như nước rỉ
rác. Đối lưu không khí và khuếch tán phân tử là cơ chế
chính để loại bỏ độ ẩm trong chất
thải. Đối lưu không khí thực hiện bằng cách thiết kế dòng khí qua chất thải, tác động
chính đến sự thất thoát nước. Không khí mang hơi nước từ bề mặt chất thải (độ ẩm tự do)

7
từ bề mặt tiếp xúc. Loại bỏ nước trong chất thải (giải hấp) bằng dòng khí đối lưu tác động
bởi nhiệt động lực học tạo ra cân bằng giữa chất thải ướt và dòng khí đi qua.
Đã có nhiều nghiên cứu về quá trình sấy sinh học khảo sát ảnh hưởng của các
thông số bao gồm độ ẩm, cân bằng độ ẩm, thời gian lưu trữ an toàn, áp suất dòng khí thổi
vào và các yếu tố liên quan đến dòng khí (tốc độ thổi khí, nhiệt độ, độ ẩm…) đến sự thay
đổi các chỉ tiêu liên quan đến chất thải trong quá trình xử lý (Zang và cs., 2008;
Zawadzka và cs., 2010; Tambone và cs., 2011).

Năng lượng dùng cho quá trình này chủ yếu từ phản ứng phân hủy sinh học hiếu
khí, chứ không lấy từ nguồn nhiệt bên ngoài. Thông thường, nhiệt lượng sinh ra này đủ
để sấy khô chất thải, nó cũng bị thất thoát do bức xạ nhiệt, đối l
ưu, hấp thụ nhiệt của
không khí và nước rỉ rác. Do đó, cần cung cấp một phần nhỏ năng lượng từ bên ngoài
thông qua gia tăng nhiệt độ không khí tùy theo điều kiện môi trường không khí xung
quanh và chất thải hữu cơ. Các ứng dụng ở quy mô công nghiệp có thể hạn chế sự thất
thoát nhiệt bề mặt, hiệu quả tới 75% (Weppen, 2001). Điều này rất quan trọng vì năng
lượ
ng dự trữ trong sản phẩm phụ thuộc vào chất thải, thùng chứa và nhu cầu vi sinh vật.
1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới, hệ thống phân hủy kỵ khí được áp dụng rộng rãi để xử lý chất thải
rắn nói chung. Tuy nhiên chỉ một số ít, đa phần ở quy mô pilot, được sử dụng để xử lý
chất thải thự
c phẩm. So với các châu lục khác thì ở châu Âu công nghệ này được ứng
dụng nhiều hơn do giá các nguồn năng lượng cao và quy định của pháp luật khuyến khích
các phương pháp xử lý chất thải hữu cơ không sử dụng chôn lấp. Ở Mỹ và Canada, hệ
thống phân hủy kỵ khí ngày càng được quan tâm do có nhiều ưu điểm về kinh tế và xã
hội. Chẳng hạn, một hệ thống phân hủy kỵ khí xử lý ch
ất thải thực phẩm và sinh học
được xây dựng ở West Coast (Mỹ) có công suất hoạt động 5400 tấn/năm (Levis và cs,
2010). Mức phí cho của một tấn chất thải thực phẩm là 22 USD. Lượng methane sinh ra
đủ để vận hành máy phát điện của hệ thống.
Phân hủy hiếu khí cùng với phân hủy kỵ khí là hai quá trình phổ biến nhất được áp
dụng để xử lý bùn thải của các hệ thống xử lý nước th
ải. Quá trình này cũng được ứng
dụng rộng rãi trong việc xử lý rác thải sinh hoạt. Khả năng xử lý bùn thải từ các bể tự
hoại của quá trình phân hủy hiếu khí được Lin và Chou (1998) nghiên cứu trên một mô
hình thể tích 8 lít. Với thời gian lưu 10 ngày, tải trọng nhập liệu là 0,46 kg COD/m3.ngày

và 1,46 kg chất rắn bay hơi/m3.ngày, mô hình có thể loại bỏ 80,4% nhu cầu oxy hóa học
(COD) và 30% thể tích bùn thải. Ở một nghiên cứu khác, Riley và Forster (2002) đánh

8
giá hiệu quả của một bể phân hủy hiếu khí thể tích 30 m
3
. Nhập liệu nạp vào hệ thống
này là bùn thải của một bể bùn hoạt tính. Với thời gian lưu 7 ngày, thể tích của bùn sau
xử lý giảm xuống 35%.
Ủ hiếu khí (composting) là phương pháp được áp dụng phổ biến nhất để xử lý chất
thải rắn sinh hoạt. Ngoài ra người ta còn sử dụng quá trình ủ hiếu khí để chuyển hóa
nhiều loại chất thải rắn khác trong đó có chất thải thực ph
ẩm thành một dạng sản phẩm
cuối ổn định, dễ bảo quản và sử dụng. Theo tổng hợp của Levis và cs (2010), ở Mỹ có
hơn 300 hệ thống xử lý chất thải rắn nhận xử lý chất thải thực phẩm. Công nghệ được áp
dụng khá đa dạng, từ ủ dãy (windrow), ủ trong các bể (in-vessel) đến sử dụng mạng lưới
cấp khí (ASP-aeration static pile). Mức phí xử lý đố
i với chất thải thực phẩm của các nhà
máy này dao động trong khoảng 20 ÷ 50 USD/tấn. Tương tự như ở Mỹ, ủ hiếu khí cũng
được sử dụng rộng rãi ở châu Âu. Đa số các hệ thống ủ hiếu khí dùng để xử lý bùn thải
và chất thải sinh hoạt (Turovskiy và Mathai, 2006). Ngoài các công nghệ thông dụng,
một số hệ thống áp dụng các mô hình thiết bị mới. Ví dụ thiết bị trống sinh h
ọc
(biodrums) ở một số nhà máy xử lý chất thải rắn ở Đan Mạch tạo ra các điều kiện xử lý
tốt hơn: khuấy trộng đồng đều hơn, kiểm soát khí cung cấp tốt hơn và quá trình xử lý
diễn ra theo nhiều bậc dọc theo chiều dài của thiết bị làm cho hiệu quả xử lý tốt hơn. Kết
quả là thời gian xử lý rút ngắn xuống còn 1 ÷ 6 ngày.
Các hệ th
ống được trình bày ở trên đã được nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ,
được áp dụng để xử lý nhiều loại chất thải rắn từ nhiều nguồn khác nhau, hoạt động với

nhiều chế độ, thông số khác nhau. Tuy nhiên chưa có một công bố nào mô tả nghiên cứu
của một hệ thống xử lý khép kín áp dụng cho chất thải thực phẩm từ các nhà hàng, khách
sạn, du thuyền…, nhưng nơi mà chất thải có thành ph
ần khá phức tạp nhưng dễ phân hủy
sinh học. Các chất thải này cần được xử lý trong một hệ thống nhỏ gọn, công suất phù
hợp. Thể tích chất thải phải được giảm tối thiểu trong khi vẫn đảm bảo đáp ứng được các
yêu cầu về môi trường đối với khí thải và nước thải đi ra khỏi hệ thống.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việ
t Nam
Hiện nay ở Việt Nam, hệ thống thu gom và xử lý chất thải rắn đã tách được các
loại chất thải như giấy, bìa carton, kim loại, nhựa để tái chế. Ngoài chôn lấp hoặc thiêu
đốt, chỉ một phần rất nhỏ chất thải thực phẩm, hữu cơ được xử lý bằng phương pháp khác
để quá trình xử lý hiệu quả hơn hoặc thân thiện hơn với môi trường.
Lấ
y ví dụ một nhà máy xử lý rác thải sinh hoạt đã được xây dựng tại thành phố Hạ
Long, với công nghệ sinh học mới được ứng dụng đã phát huy tác dụng tốt, góp phần làm
giảm ô nhiễm môi trường cho khu du lịch và vịnh Hạ Long. Dây chuyền công nghệ của

9
nhà máy xử lý các chất thải hữu cơ chuyển hóa thành mùn compost, sau đó sản xuất
thành phân vi sinh cao cấp, phục vụ cho sản xuất nông nghiệp.
Việc xử lý chất thải thực phẩm từ các cơ sở như nhà hàng, khách sạn, du thuyền,
khách sạn nổi…chưa được nghiên cứu và triển khai thành các mô hình có tính ứng dụng
cao. Một số doanh nghiệp sản xuất các hệ men vi sinh xử lý môi trường nhưng chỉ áp
dụng để phân huỷ
hầm cầu, các chất rác thải hữu cơ cho các bãi rác trong điều kiện tự
nhiên.
Tại thời điểm hiện tại, chưa có tổ chức hay cá nhân nào nghiên cứu, chế tạo máy xử
lý thực phẩm phế thải có sự trợ giúp của men vi sinh.
1.3. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

Qua việc phân tích tổng quan các hệ thống xử lý chất thải rắn ở phần trên, chúng
tôi nhận thấy h
ệ thống sấy sinh học phù hợp nhất với đặc tính chất thải (thành phần đa
dạng, độ ẩm có thể cao) và yêu cầu xử lý (thời gian ngắn, mức độ giảm khối lượng cao).
Do đó thiết bị xử lý chất thải thực phẩm sẽ được thiết kế theo phương pháp xử lý này. Để
đảm bảo hai quá trình chính là chuyển hóa sinh học và sấy được thực hiện trong thời gian
x
ử lý, có một số yêu cầu về mặt công nghệ đối với thiết bị như sau: 1) Độ ẩm được kiểm
soát và có thể điều chỉnh trong một khoảng rộng từ 30% đến 100%; 2) Nhiệt độ buồng xử
lý được kiểm soát và có thể thay đổi từ nhiệt độ phòng đến 100
o
C; 3) Hệ thống khí phải
có đầu ra được xử lý để không phát tán các khí chưa bị oxy hóa hoàn toàn đến CO
2
; 4)
Phải có bộ phận làm giảm kích thước của chất thải; 5) Buồng xử lý cần được thoáng khí
và có hệ thống đảo trộn.











10
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP

2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT MEN VI SINH
2.1.1. Phương pháp phân lập và định danh vi sinh vật
Phân lập
Cân 5 g mẫu đất hòa trong 50 ml nước muối sinh lý trong bình tam giác 250 ml.
Với mục tiêu phân lập các chủng thuộc giống Bacillus nên xử lý nhiệt nhanh ở 85
o
C
trong 15 phút để tiêu diệt hết tế bào dinh dưỡng. Hút 0,1 ml dịch mẫu đã xử lý cho vào
đĩa pêtri chứa môi trường Nutrient Agar (NA). Dùng que gạt thủy tinh phân phối dịch
mẫu trải đều khắp mặt thạch. Tiếp tục sử dụng que gạt này gạt mẫu cho đều khắp mặt
thạch đĩa pêtri thứ 2 rồi đĩa thứ 3. Đặt các đĩa pêtri 1, 2, 3 trên vào tủ ấm ở nhiệt độ thích
hợp sau một thời gian nh
ất định tuỳ giống vi sinh vật ta sẽ nhận được các khuẩn lạc riêng
rẽ từ các đĩa thứ 1, 2 và 3.
Quan sát sự sinh trưởng của vi sinh vật qua vết cấy trên môi trường đặc. Nếu vết
cấy có bề mặt và màu sắc đồng đều, thuần nhất chứng tỏ giống mới phân lập tinh khiết
thì giữ lại. Nếu vết cấy không thuần nhất thì loại bỏ.
Kiểm tra l
ại độ thuần chủng của các loại khuẩn lạc: Chọn các khuẩn lạc riêng rẽ
trên môi trường thạch nghiêng. Tách các khuẩn lạc này ra và hoà tan, pha loãng ở nồng
độ cần thiết trong nước cất vô trùng. Nhỏ 1 giọt dịch trên vào đĩa pêtri có môi trường.
Dùng 1 que gạt phân phối giọt dịch đều khắp mặt thạch đĩa pêtri thứ nhất, rồi đĩa thứ 2,
thứ 3. Đặt các đĩa pêtri trên vào tủ ấm với nhiệt
độ và thời gian thích hợp tuỳ loại vi sinh
vật. Sau lấy ra quan sát các khuẩn lạc riêng rẽ. Sự thuần khiết của khuẩn lạc là biểu hiện
sự thuần khiết của giống.
Định danh
Các chủng vi sinh vật được định danh sử dụng các thử nghiệm sinh hóa và phân
loại theo khóa Bergey (Buchanan và Gibbons, 1974). Các thử nghiệm sinh hóa bao gồm:

nhuộm Gram, thử nghiệm catalase, khả năng khử nitrate, khả năng tạo Leucithinase, khả
năng di độ
ng, thử nghiệm VP, thử nghiệm chuyển hóa citrate, đường maltose, glucose,
galactose, tinh bột, khả năng phân giải gelatin.

11

Hình 2.1: Kỹ thuật phân lập vi sinh vật
2.1.2. Phương pháp tuyển chọn và nuôi cấy
Tuyển chọn giống vi sinh vật được tiến hành dựa trên tốc độ tăng trưởng và khả
năng sinh enzyme ngoại bào (phương pháp xác định ở phần 3.1.4). Xác định đường cong
tăng sinh và khả năng sinh enzyme protease, amylase của các chủng được tuyển chọn
bằng phương pháp nuôi cấy gián đoạn trong bình tam giác đặc trên máy lắc 90 vòng/phút.
Môi trường có thành phần Glucose 10,0 g/l, pepton 5,0 g/l, cao n
ấm men 5,0 g/l, KH
2
PO
4

1,0 g/l, MgSO
4
1,0 g/l, CaCl
2
0,5 g/l, MnCl
2
0,5 g/l, thể tích 200 ml đựng trong bình tam
giác 500 ml. Giống được nuôi cấy trong điều kiện tương tự, thời gian 24 giờ, tỷ lệ giống
cấy là 10%. Cứ 2 giờ lấy 2 ml canh trường đem đi xác định mật độ tế bào. Hoạt lực
enzyme được xác định ở hai thời điểm là 24 giờ và 48 giờ, để so sánh khả năng tạo
enzyme của các chủng.

Nuôi cấy thu sinh khối vi sinh vật được tiến hành trong bình 2 lít, thể
tích môi
trường 1,5 lít. Môi trường nuôi cấy có thành phần: Glucose 10,0 g/l, pepton 5,0 g/l, cao
nấm men 5,0 g/l, KH
2
PO
4
1,0 g/l, MgSO
4
1,0 g/l, CaCl
2
0,5 g/l, MnCl
2
0,5 g/l. Sau khi

12
chuẩn bị môi trường, hấp ở 121
o
C, để nguội và cấy giống. Giống cấy có thể tích 150 ml,
được nuôi cấy 24 giờ trên máy lắc với tốc độ 90 vòng/phút. Thực hiện nuôi cấy tĩnh với
tốc độ sục khí 1,5 lít/giờ, trong 48 giờ. Thu canh trường, xác định mật độ tế bào và hoạt
lực các enzyme.


Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nuôi cấy thu sinh khối vi sinh vật, 1-quạt khí, 2-van điều
chỉnh lưu lượng khí, 3-bộ lọc vi khuẩn, 4-bình nuôi cấy, 5-bộ phân tán
khí, 6-máy khuấy từ.
2.1.3. Phương pháp xác định mật độ tế bào
Khi xác định mật độ tế bào trong chế phẩm: cân 5 g mẫu hòa trong 50 ml nước
muối sinh lý. Đối với mật độ vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy, lấy trực tiếp canh

trường. Chuẩ
n bị dãy ống nghiệm chứa mẫu với tỷ lệ pha loãng 10, 10
2
, …10
9
. Dùng
pipet đã vô khuẩn lấy 0,1 ml dịch huyền phù từ các ống nghiệm cho vào các đĩa thạch
NA. Khi tất cả các thể tích 0,1 ml tế bào ở các độ pha loãng khác nhau đều chuyển lên bề
mặt thạch của đĩa Petri, sử dụng que cấy gạt bằng thuỷ tinh để dàn đều các tế bào trên bề
mặt thạch. Que cấy gạt thuỷ tinh phải được vô khuẩn trước khi được đưa vào đĩa Petri
tiếp theo, bằng cách nhúng vào trong cồ
n, đốt cháy phần cồn còn lại trên que cấy trên
ngọn lửa đèn cồn. Làm nguội que cấy bằng cách nhẹ nó vào bề mặt thạch, rồi dàn đều
lượng chất lỏng chứa tế bào trên đó. Nếu thể tích chất lỏng đem cấy quá nhiều, các tế bào
sẽ trôi dạt trong chất lỏng, và sau khi tế bào phân chia, hai khuẩn lạc xuất phát từ một tế
bào có thể hình thành. Các đĩa thạch được chuẩn b
ị một ngày trước khi cấy thường hấp
thu nhanh lượng chất lỏng đem cấy. Lớp chất lỏng trên thạch càng mỏng, sự hấp thu xảy
ra càng nhanh.

13

Hình 2.3: Xác định mật độ tế bào vi sinh vật
Mật độ tế bào vi sinh vật trong mẫu ban đầu tính từ số liệu của độ pha loãng D1
được tính theo công thức là :
Mi (CFU/ml) = Ai x Di/V
Trong đó: Ai là số khuẩn lạc trung bình/ đĩa
Di là độ pha loãng
V là dung tích huyền phù tế bào cho vào mỗi đĩa (ml)
2.1.4. Phương pháp xác định hoạt lực enzyme

Amylase
Hoạt lực enzyme protease trong mẫu được xác định như sau: Cân 10 g mẫu, hòa
trong 90 ml nước cất. Cho vào ống nghiệm 0,25 ml dung dị
ch enzyme, 1,25 ml dung dịch
tinh bột 1%, 0,25 ml nước cất, 0,25 ml dung dịch đệm acetate 0,1 M (pH 5,0). Đặt vào tủ
ấm nhiệt độ 40
o
C, trong 10 phút. Tiếp theo đó bổ sung 1 ml thuốc thử dinitrosalicylic
acid (DNS) để phản ứng với đường khử mới được tạo ra. Gia nhiệt ống nghiệm ở 90
o
C
trong 5 phút. Lấy ra, làm nguội nhanh và đo mật độ quang ở 575 nm. Hàm lượng glucose
được tính từ đường chuẩn. Một đơn vị amylase (IU-international unit) được định nghĩa là
lượng enzyme giải phóng ra 1µmol glucose trong một phút ở điều kiện thí nghiệm (pH
5,0, 40
o
C).
Protease
Hoạt lực enzyme protease được xác định như sau: Cân 10 g mẫu, hòa trong 90 ml
nước cất. Cho vào ống nghiệm 0,25 ml dung dịch trên, bổ sung thêm 1,25 ml dung dịch
đệm Tris (pH 7,2), 0,5 ml casein 1%. Lắc đều, đem ủ trong tủ ấm ở 30
o
C trong 30 phút.

14
Sau đó lấy ra và cho thêm vào ống nghiệm 3 ml acid tricarboxylic 5% và để yên trong 10
phút để enzyme bị bất hoạt hoàn toàn. Sau đó ly tâm ở 1000xg trong 15 phút. Hút 0,5 ml
nước trong cho vào một ống nghiệm khác, bổ sung thêm 2,5 ml Na
2
CO

3
0,5 M, 0,5 ml
thuốc thử Folin. Đo mật độ quang của dung dịch thu được ở bước sóng 660 nm. Tiến
hành tương tự từ bước hiện màu với thuốc thử Folin để lập đường chuẩn tyrosine. Tính
lượng tyrosine trong mẫu từ đường chuẩn, từ đó thu được hoạt lực enzyme. Một đơn vị
hoạt lực protease (IU-international unit) được định nghĩa bằng lượng tyrosine (µg) được
giải phóng ra trong một phút ở đ
iều kiện thí nghiệm (pH 7,2, nhiệt độ 30
o
C).
Cellulase
Hoạt lực enzyme cellulase được xác định như sau: Cân 10 g mẫu, hòa trong 90 ml
nước cất. Lấy 3 ml dung dịch này cho vào một ống nghiệm, thêm vào 3 ml dung dịch
đệm sodium citrate 0,05 M pH 4,8. Cho vào ống nghiệm một miếng giấy lọc Whatman 1
x 6 cm (~50 mg). Đem ủ ống nghiệm trong tủ ấm ở 30oC trong 30 phút. Sau đó lấy ống
nghiệm ra, cho thêm vào 2 ml dung dịch thuốc thử DNS (Dinitro Salicylic acid), đun sôi
5 phút, để nguội. Đo mật độ quang ở bước sóng 750 nm. Xác định lượng đường khử
dựa
vào đường chuẩn glucose. Một đơn vị hoạt tính (IU) được định nghĩa là số µmol glucose
được giải phóng ra trong 1 phút ở điều kiện tiến hành thí nghiệm.
2.2. PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ XỬ LÝ
2.2.1. Mô hình thiết bị

Hình 2.4: 1- Buồng xử lý, 2- Trục cánh khuấy, 3- Cánh khuấy, 4- Lớp vỏ chứa
dầu gia nhiệt, 5- Cửa kính quan sát, 6- Động cơ và hộp giảm tốc, 7- Quạt hút khí, 8- Bơm
tuần hoàn dầu, 9- Thùng dầu có điện trở gia nhiệt, 10- Cửa nhập liệu và trục vít dẫn chất
thải.

15
2.2.2. Các thí nghiệm

- Khảo sát quá trình phân hủy chất thải thực phẩm không bổ sung men vi sinh: theo
dõi sự thay đổi của các thông số độ ẩm, hàm lượng chất rắn bay hơi (VS), mật độ
tổng vi sinh vật, hoạt lực các enzyme amylase, protease, cellulose.
- Khảo sát quá trình phân hủy chất thải thực phẩm không bổ sung men vi sinh: tiến
hành tương tự như thí nghiệm không bổ sung men vi sinh.
Các thí nghiệm được lặp lại 3 lần.
2.2.3. Phươ
ng pháp tiến hành thí nghiệm
Chất thải thực phẩm thu gom từ các cửa hàng ăn uống được tập trung về phòng thí
nghiệm, cân khối lượng trước khi đưa vào thiết bị xử lý. Khối lượng chất thải của mỗi mẻ
là 350 kg, với độ ẩm ban đầu được điều chỉnh bằng nước về 72%. Tỷ lệ carbon : nitơ
(C/N) của chất thải dao động trong khoảng 15 ÷ 20. Ở thí nghi
ệm bổ sung men, đưa men
(dạng bột mịn) với tỷ lệ 0,1% (so với chất thải) vào buồng xử lý ngay sau khi đã nạp chất
thải. Bật điện hệ thống cánh khuấy, gia nhiệt và tuần hoàn dầu, buồng đốt khí thải. Khí
thải từ buồng xử lý sẽ đi qua một buồng đốt để đốt cháy hoàn toàn các chất hữu cơ có thể
bị cuốn theo, sau đó đ
i qua một cột than hoạt tính trước khi thoát ra ngoài. Nhiệt độ trong
buồng xử lý được điều chỉnh trong khoảng 40 ÷ 45
o
C bằng nhiệt tỏa ra từ quá trình
chuyển hóa sinh học chất thải hoặc do dầu cung cấp. Trước khi kết thúc thí nghiệm, nhiệt
độ buồng xử lý được nâng lên 80
o
C trong 4 giờ để diệt các vi sinh vật có trong chất thải
đã xử lý.
Mẫu với khối lượng khoảng 100 g được lấy ra khỏi buồng xử lý hàng ngày để
phân tích các thông số độ ẩm, hàm lượng chất rắn bay hơi, tổng mật độ vi sinh vật và
hoạt lực các enzyme amylase, protease, cellulose.
2.2.4. Phương pháp xác định các chỉ tiêu

Độ ẩm
Cho 10 g mẫu vào cốc nung (đã được sấy khô và cân), cân cốc có chứa mẫu (P
o
,
g). Cho cốc vào tủ sấy và tiến hành sấy ở 103 ÷ 105
o
C đến khi khối lượng không đổi. Để
nguội trong bình hút ẩm và cân (P
1
, g). Tính độ ẩm theo công thức:
Độ ẩm (%) =
100
10
PP
10
x
−




16
Hàm lượng chất rắn bay hơi
Cân 10 g mẫu cho vào cốc nung (đã được sấy khô và cân). Cho cốc vào tủ sấy và
tiến hành sấy ở 103 ÷ 105
o
C đến khi khối lượng không đổi. Để nguội trong bình hút ẩm
và cân (P
1
, g). Đem cốc có chứa cặn sấy nung ở nhiệt độ 550

o
C, cho đến khi tro trong cốc
hoàn toàn chuyển thành màu trắng. Lấy cốc ra khỏi tủ nung, để nguội trong bình hút ẩm
và cân (P
2
, g). Hàm lượng chất rắn bay hơi được tính theo công thức:
HL chất rắn bay hơi (%) =
100
10
PP
21
x
−

2.2.5. Tính toán cân bằng vật chất
Các giả thiết ban đầu: Khối lượng 350 kg, thời gian thực hiện xử lý 7 ngày, độ
ẩm: 75% và hàm lượng tro là 1%
Quá trình xử lý làm giảm 30% chất rắn bay hơi và 70% độ ẩm (50% từ quá trình
xử lý, phần còn lại từ quá trình sấy diệt vi sinh vật gây bệnh).
Bảng 2.1: Thành phần và khối lượng của các chất sau xử lý
Các thành phần Khối lượng trước xử lý Khối lượng sau x
ử lý
Độ ẩm (kg) 262.5 78.75
Tro (kg) 3.5 3.5
Hàm lượng chất rắn bay hơi (kg) 84.0 58.8
Tổng cộng 350 141

Phương trình chuyển hóa sinh học:
Protein + Carbohydrate + O
2

Æ Sinh khối vi sinh vật + CO
2
+ H
2
O
Lượng oxy cần thiết để oxy hóa protein là 1,5 g oxy/1 g protein; oxy hóa
carbohydrate là 1,07 g oxy/1 g carbohydrate (Grady và cs., 1999).
Giả thiết tỷ lệ chuyển hóa của protein và carbohydrate trong chất thải trong quá
trình xử lý bằng với tỷ lệ trong chất thải ban đầu (protein/carbohydrate = 4/30), lượng các
chất chuyển hóa là:
Protein: (84 – 58.8)*(4/34) = 2,96 kg
Carbohydrate: (84 – 58.8)*(30/34) = 22,24 kg

17
Lượng oxy cần thiết để thực hiện quá trình chuyển hóa chất thải trong cả quá trình
xử lý là:
2,96*1,5 + 22,24*1,07 = 28,24 kg hay 882,4 mol.
Giả thiết hiệu suất truyền khối của quá trình cung cấp khí thực hiện chuyển hóa sinh học
là 40%, lưu lượng dòng không khí đi vào thiết bị xử lý sẽ là:
(882,4/0.4)*(1/0.21)*22,4/7*24 *60 = 23,3 (l/phút)

18
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ và CHẾ TẠO THIẾT BỊ

3.1. SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
3.1.1. Sơ đồ khối
Căn cứ vào phương pháp tiến hành thí nghiệm tại mục 2.2.3. Để đáp ứng được các
yêu cầu trên, nhóm thiết kế và chế tạo máy đưa ra sơ đồ khối của máy như sau:


Hình 3.1: Sơ đồ khối của máy
3.1.2. Nguyên lý hoạt động
Thực phẩm phế thải được đưa vào máng cấp liệu, bộ vít nghiền có chức năng vừa
ép vừa đùn qua một hệ lỗ sẽ làm đồng đều kích thước (nghiền các xương, thịt…) và
chuyển vào thùng khuấy. Thực phẩm phế thải trong thùng khuấy sẽ được khuấy trộn với
hệ men vi sinh thích hợp cùng với s
ự hỗ trợ của nhiệt độ được cung cấp bởi dầu được làm
nóng từ điện trở. Sau một thời gian phản ứng với hệ men, các khí được sinh ra trong
thùng khuấy (gồm hơi nước chiếm đa số, phần còn lại là các khí và vi sinh vật gây bệnh)

sẽ được quạt cấp vào thùng đốt (chỉ dùng đốt các vi sinh vật gây bệnh, còn hơi nước sẽ
được đưa vào nơi ngưng t
ụ để chuyển ra ngoài), tại đây các vi sinh vật này sẽ được đốt và
chuyển sang thùng than hoạt tính hấp thụ trước khi ra ngoài môi trường.

19

Hình 3.2: Mô hình máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh
Với nguyên lý hoạt động như trên, máy xử lý thực phẩm được chia thành các cụm
như sau:
• Cụm khung máy
Là nơi gá lắp các chi tiết của máy, được làm từ thép định hình U100 và V50 liên
kết bằng phương pháp hàn, mối hàn được xử lý phẳng và được sơn chống gỉ.
• Cụm nghiền và cấp liệu
Là nơi cung cấp liệu đầu vào, tạ
o bề mặt riêng cho liệu và sau đó chuyển vào
thùng khuấy. Cụm nghiền và cấp liệu gồm có các bộ phận sau:
+ Động cơ điện và hộp giảm tốc: Động cơ điện có công suất là 1HP, số vòng quay
là 1400 vòng/phút, hộp giảm tốc có tỉ số truyền là 1/30.
+ Khớp nối: Dùng để nối đầu ra của hộp giảm tốc và đầu vào của trục vít, làm
bằng thép CT3