quá trình sinh học xử lí chất thải rắn

Chơng 6 Các quá trình sinh học để xử lý chất thải rắn
Hiện nay trên thế giới chủ yếu áp dụng 3 công nghệ sau để xử lý chất
thải rắn đô thị:
1. Công nghệ xử lý rác thành phân hữu cơ, thành khí CH 4 để chạy
máy phát điện
2. Công nghệ thiêu đốt chất thải
3. Chôn lấp
Việc lựa chn phơng pháp xử lý tuỳ thuộc vào thành phần rác thải,
mức độ kinh tế của từng nớc.
6.1. Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng vi sinh vật
Tại các thành phố đông dân khi mức đô thị hoá tăng cao và mức
sống ngày càng nâng cao thì lợng rác thải sinh hoạt ngày càng tăng
do vậy việc tìm các bãi đổ rác mới ngày càng trở nên khó, chi phí
vận chuyển tăng nên việc tìm phơng pháp xử lý hợp vệ sinh lại giảm
đợc lợng chất thải cần chôn lấp là rất cần thiết.
Việt nam là một nớc nông nghiệp với 80% dân số sống bằng nghề
nông, công nghiệp cha phát triển do đó rác sinh hoạt của các đô thị
Việt nam có chứa nhiều thành phần hữu cơ dễ phân huỷ bằng vi
sinh vì vậy phơng pháp xử lý chất thải bằng làm phân hữu cơ
( compost) hoặc tạo khí biogas (CH4,) rất thích hợp.
Bảng 6. 1 Thành phần rác thải sinh hoạt ở một số đô thị Việt
nam
Thành phần
%
Lá cây, hoa
quả, xác động
vật
Giấy
Giẻ, củi gỗ
Nhựa, cao su,
da

Vỏ ốc, xơng
Thuỷ tinh
Rác xây dựng
Kim loại
Tạp chất khác

Hà nội

Hải phòng

TP HCM

Huế

50,27

50,70

62,24

77

2,72
0,27
0,71

2,82
2,72
2,02

0,59
4,25
0,46

2

1,06
0,31
7,43
1,02
30,21

3,68
0,72
8,45
0,14
23,90

0,50
0,02
16,04
0,27
15,27

3

7

3
8

109


Làm phân hữu cơ là quá trinh sinh học trong đó vi sinh vật hiếu khí
hoạt động chuyển hoá rác thải hữu cơ thành chất mùn có độ dinh dỡng cao có thể dùng để cải tạo đất và làm phân bón cho cây trồng.
Ưu điểm của xử lý rác thành phân hữu cơ là
- Rác đợc tái chế thành phân hữu cơ cung cấp cho nông nghiệp
- Thay thế một phần việc sử dụng phân hoá học và không gây tổn
hại cho cây trồng
- Cải tạo đồng ruộng về mặt vật lý ( giữ nớc, không khí và phân bón)
- Sử dụng dễ dàng và an toàn
- Giảm đợc lợng chất thải cần chôn lấp
Các vấn đề tồn tại
Tuy nhiên phơng pháp này còn vấn đề tồn tại sau:
- Gập nhiều khó khăn trong tiếp thị sản phẩm
- Chất lợng sản phẩm còn cha ổn định
- Diện tích đất để xây dựng nhà xởng khá lớn
Làm phân hữu cơ đợc áp dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới đặc
biệt là các nớc đang phát triển.
Ví dụ
- Tại Trung Quốc :
Nguyên liệu làm phân hữu cơ đợc lấy từ phế thải của ngời, động
vật, thực vật, rác thải đô thị. Các thành phần hữu cơ trong rác thải
hàng ngày ở thành phố Thợng Hải khoảng 2500 tấn/ngày, lợng rác này
đợc thu gom và chuyển thành phân ủ tại các nhà máy có công nghệ
đơn giản.
- ở Việt nam đã có 2 nhà máy làm phân hữu cơ năng suất 30 000
m3/năm đợc xây dựng ở Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh, các nhà
máy này đang vận hành thử nghiệm và mới chi giải quyết đợc 5% rác

thải của 2 thành phố trên. Hiện nay nhà máy phân hữu cơ ở Cỗu Diễn
đã mở rộng gấp đôi, dùng công nghệ của Tây Ban Nha. Một loạt các
nhà máy làm phân hữu cơ để xử lý rác thải đã đợc xây dựng ở Nam
Định, Huế, Hạ Long, Hải Phòng, Gia Rai,
Qua trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí
để tạo khí CH4 thờng xảy ra trong các hầm biogas để xử lý phân rác
động vật trong chăn nuôi, phân ngời trong các bể phos, phân huỷ
rác ở các bãi chôn lấp. Khí sinh học thu đợc dùng để làm chất đốt sinh
hoạt, đốt thu hồi nhiệt để sản xuất hơi hoặc phát địên.
6.2. Cơ sở lý thuyết của Quá trình phân huỷ vi sinh

110


Quá trình phân huỷ chất hữu cơ bằng vi sinh vật nhằm để ổn
định chất thải, thu sản phẩm có lợi phân hữu cơ ( phân huỷ hiếu
khí) hoặc thu khí CH4 ( phân huỷ yếm khí).
6.2.1 Các vi sinh vật tham gia phân huỷ chất hữu cơ
Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau: vi khuẩn, nấm
men, nấm mốc, xạ khuẩn. Chúng có khả năng chuyển hoá các chất
hữu cơ, vô cơ một phần tạo thành tế bào mới tạo ra sinh khối (bùn sinh
học) và một phần phản ứng sinh ra năng lợng Q để cấp cho quá trình
và tạo ra khí (CO 2, H2O) trong điều kiện hiếu khí hoặc (CH 4, CO2,
H2S, NH3) trong điều kiện yếm khí.
Về hình dạng vi khuẩn đợc chia thành 3 nhóm:
Cầu khuẩn: đờng kính 0,5 1,0 m;
Trực khuẩn chiều rộng 0,5 1 m, dài 1,5 3 m;
Xoắn khuẩn rộng 0,5 5 m, dài 6 15 m.
Công thức hoá học hình thức của vi khuẩn là C 5H7NO2 hoặc đầy đủ
hơn là C60H87O23N12P [ 1 ].

Phần phân huỷ sinh học của chất hữu cơ phụ thuộc vào hàm lợng
lignin của chúng:
f ph = 0,83 - 0,028 Clignin
ở đây Clignin - phần % lignin trong volatile của chất thải hữu cơ.
Ví dụ giấy báo có hàm lợng lignin là 21,9% volatile do vậy phần phân
huỷ sinh học của nó là 22%, trong khi chất thải thực phẩm có hàm lợng
lignin là 0,4% volatile nên phần phân huỷ sinh học của nó là 82%.
Chất dẻo khó bị phân huỷ bằng sinh học.
Các chất hữu cơ phân huỷ nhanh: Chất thải thực phẩm, giấy các loại (
giấy báo, giấy cơ quan, giấy cát tôn).
Các chất hữu cơ phân huỷ chậm: vải, cao su, da, gỗ
6.2.2 Phân huỷ hiếu khí chất hữu cơ
Proteins
Amino acids
Lipid
+ O2 + dd + vsv ------> phân compost
Carbohydra
tes + TB mới
Chủ yếu
Cellulose
cellulose, lignin,
Lignin
tro, TB chết
Tro
+ CO2 + H2O + NO3- + SO4-2

+Q
hoặc có thể viết

111

VSV
CaHbOcNd +mO2 + dd ------> nCwHxOyNz + sCO2 + rH2O + (d-nz)NH3
+Q
Cân bằng C: a = nw + s
H: b = nx + 2r + 3(d-nz)
O: c + 2m = ny + 2s + r
Rút ra m = 0,5(ny + 2s + r - c )
Phân huỷ hết chất hữu cơ:
CaHbOcNd +((4a + b - c - 3d) /4 ) O2 + dd ----> aCO2 +((b - 3d) /2)
H2O + d NH3 + Q
D O2

NH3 ----> NO3 - theo phơng trình

NH3 + 1,5 O2 -------- > HNO 2 + H2O
HNO 2
+ 0,5 O2 --------- > HNO 3
NH3
+ 2 O2 -------- > HNO 3 + H2O
Tơng tự nếu kể thêm cả S ta có phơng trình
CaHbOcNdSe

+((4a - b - 2c + 5d + 6e)/4)O2 + dd -----------> aCO2

+((b d-2e)/2) H2O + d NH3 + e SO4

2-

+ (d + 2e) H+

+ Q

Xác định thành phần CaHbOcNd dựa vào thành phần ẩm, thành
phần khô và thành phần nguyên tố của nguyên liệu làm phân hữu
cơ.
Thành phần

CT thực phẩm
Giấy hỗn tạp
Vải
Gỗ hỗn tạp
Chất thải vờn
Plastic hỗn tạp
Cao su
Da

%
kl
ẩm

Độ
ẩm,
%
kl
70,0
10,2
10,0
20,0

60,0
0.2
1,2
10,0

%
kl
khô

Thành phần nguyên tố, % kl
khô
C
H
O
N
S
Tro
48,0
43,5
55,0
49,5
46,0
60,0
69,7
60,0

6,4
6,0
6,6
6,0

6,0
7,2
8,7
8,0

37,6
44,0
31,2
42,7
38,0
22,8
11,6

2,6
0,3
4,6
0,2
3,4
10,0

0,4
0,2
0,15
0,1
0,3
1,6
0,4

5,0
6,0

2,5
1,5
6,3
10,0
20,0
10,0

112


6.2.3 Phơng trình phân giải các chất hữu cơ chủ yếu
Các chất hữu cơ chủ yếu có thể bị phân giải nhờ vi khuẩn, naams
men, nấm môc, xạ khuẩn theo sơ đồ sau:
Các phơng trình hình thức phân giải các cơ chất nh sau:


Phân giải Cellulose:

Cellulose là một Polysaccarit có nhiều trong gỗ, giấy, vải, thực vật.
Cellulose đợc cấu tạo bởi -D-glucoza.
Các loài vi sinh vật có khả năng phân giải Cellulose nh: Vi khuẩn
(Baccilus, Cellulomonas, Pseudomonas, ), Xạ khuẩn (Actinomyces,
Streptomyces,), nấm mốc (Aspergillus, Penicilium, Rhizopus, Mucor,
).
Phơng trình phân giải Cellulose nh sau:
Xenlulaza
Xenlubiaza
(C6H10O5)n ------------------> n C12H22O11 ------------------- > 2m C6H12O6
C6H12O6 + O2 ----------- > 6 CO2 + 6 H2O + Q

Protein

Axitamin

A. Oxaloaxetic
. xetoglutari
c
A. Fumaric

Lipid

Axit béo

Gluxit

Glyxerin

Hexoza

Glyxerophosp
hat

ATP
A. Piruvic
Axetylcoenzi
mA

CT Krebs

O2

Hô
hấp

NAD.H2, NADP.H2,
FAD.H2
CO2

Hình 6.1

Triozophosp
hat

ATP

Lên
CO2men
Etanol
Lactat

H2O

Hớng chuyển hóa cơ chất nhờ chuỗi hô
hấp

113

Phân giải Hemicellulose:

Hemicellulose là một thành phần phổ biến trong thực vật, đợc cấu tạo
từ các phân đờng Pentoza và tồn tại trong tự nhiên chủ yếu ở dạng
Xylan.
Các loài vi sinh vật có khả năng phân giải Hemicellulose nh: Vi khuẩn
(Baccilus, Pseudomonas, ), nấm (Aspergillus, Rhizopus,). Cơ chế
phân giải nh sau:
Xylanaza
O2
Xy lan ---------------- > Pen toza ------------------ > CO2 + H2O


Phân giải Lignin

Lignin có mặt trong thực vật, gỗ, giấy, Cấu trúc của lignin rất phức
tạp và và hợp chất khó phân huỷ.
Các vi sinh vật phân huỷ lignin: Vi khuẩn (Baccilus, Pseudomonas,
), nấm mục trắng hay nấm mục nâu (Spoỏtichium, Mescheria,).


Phân giải Protein

Protein là thành phần quan trọng của cấu trúc động thực vật.
Các vi sinh vật phân huỷ Protein: Vi khuẩn (Baccilus, Pseudomonas,
Mycoidé, Fluorecent, E Coli ), Xạ khuẩn nh (Streptomyces,
Griseus), nấm (Aspergillus, Penicilium, Rhizopus, Mucor,
camemberti).
Cơ chế phân giải:
Proteaza

amin
Protein -------------- > Polipeptit
H2O


Peptidaza

Khử

----------------- > Axitamin -------------- >

Axit hữu cơ + Rợu hữu cơ + NH3

---------------- > CO2 +

Phân giải Lipit

Lipit cũng là một thành phần quan trọng của động thực vật.
Các vi sinh vật phân huỷ Lipit: Vi khuẩn (Bacterium, Pseudomonas,
Pyocya,), nấm (Aspergillus, Penicilium, ).
Cơ chế phân giải:
Lipaza

114


Lipit ---------------- > Glycerin ------ > CH3CO-COOH ---- > Crép ---- >
CO2 + H2O
Oxyhóa
Axit béo ---------- > CH3CO-CoA ---- > Crép ---- >

CO2 + H2O


Phân giải tinh bột

Tinh bột đợc coi là nguồn năng lợng dễ sử dụng nhất của các tế bào vi
sinh vật.
Cơ chế phân giải nh sau:
Amilaza
Tinh bột ------------ >
Mantoza
Amilaza
đờng phân
(C6H10O5)n ------------------> n C12H22O11 ------------------- > 2m C6H12O6
-------- >
Tinh bột
Mantoza
Glucoza
-- > CH3COCOOH ----------- > Crep --------- > CO2 + H2O + Q


Quá trình nitrat hoá

Đây là quá trình chuyển hoá NH 3 thành NO3- để không thất thoát
Nitơ ra môi trờng.
Phản ứng diễn ra nh sau:
3
NH4+
+

OH - + ------- O2
H2O
2

------------------ > H+ + NO2- + 2

1
NO
+ ------ O2 -------------- > NO32
Quá trình Sun phat hoá
2



Đây là quá trình chuyển H2 S thành dạng SO42- nhờ vậy giảm đợc mùi:
H2S +

2 O2 ------------ > 2H+ + SO42-

115


6.3. Quá trình làm phân hữu cơ (compost)
Quá trình làm phân hữu cơ (compost) từ các nguyên liệu hữu cơ
thực hiẻn theo sơ đồ phàn hủy hiếu khí ờ trên, ở điều kiện độ ẩm,
thông khí và đủ các chất đinh dỡng các vi sinh vật sẽ thực hiện
chuyển hoá các chất hữu cơ để giải phóng năng lợng phục vụ cho các
quá trình sống đồng thời xây dựng các tế bào mới để sinh sôi và
phát triển.
6.3.1 Qui luật phát triển của VSV:

Trong môi trờng nuôi cấy VSV phát triển qua các giai đoạn sau:
Giai đoạn thích nghi: Trong giai đoạn này VSV sẽ dần thích nghi với
môi trờng tế bào mới chỉ tăng về kích thớc nhng cha tăng về số lợng.
X, X0 là mật độ tế bào ở thời điểm t và t = 0. Tốc độ sinh trởng của
tế bào trong giai đoạn này dX/dt = 0 nên X = X0
Giai đoạn phát triển logarit: Trong giai đoạn này tốc độ sinh trởng
của tế bào
dX/dt = X
Tốc độ sinh trởng riêng của tế bào phụ thuộc vào điều kiện môi trờng nh pH, T, nồng độ và bàn chất cơ chất, nồng độ các chất kìm
hãm,Để đơn giản hoá tốc độ sinh trởng của VSV thờng đợc biểu
diễn bằng phơng trình bậc 1 ( phơng trình Monod)
= max S / (Ks + S)
dX/dt = max S X / (Ks + S)
ở đây và max tốc độ sinh trởng riêng và cực đại của tế bào , d -1,
h -1
S là nồng độ cơ chất, mg/l
Ks hằng số tốc độ
Giá trị của Ks và max có thể xác định bằng thực nghiệm:
Giai đoạn ổn định: số tế bào mới đợc hình thành bằng số tế bào bị
chết
Giai đoạn chết: Các tế bào bị chết chiếm u thế

116


Giai đoạn nội sịnh: Các tế bào chết đợc dùng làm cơ chất cho vi sinh
vật
Trên hình vẽ cho thấy sự suy giảm của nồng độ cơ chất tơng ứng với
sự phát triển của biomass và lờng cơ chất đợc xử lý theo thời gian
trong thiết bị hoạt động gián đoạn.

Lg (số tế
bào/m3)

S
CHC
còn
lại

g/đ ổn
định
g/đ
ph
tr e

g/đ
chết

t

Lợng CHC
đợc xử lý

Bioma
ss

g/đ nội
sinh

g/đ th

nghi

Thời gian

Hình 6.2 Sự phát
triển của VSV trong
thiết bị gián đoạn

Thời gian

Hình 6.3 Sự phân
huỷ chất hữu cơ và
phát triển biomass

6.3.2 Các yếu tố ảnh hởng tới chất lợng và hiệu suất quá trình
làm phân hữu cơ
6.3.2.1. Nguyên liệu làm phân hữu cơ
Các rau quả thừa, chất thải thực phẩm, giấy, gỗ, rơm, rạ, lá cây, cỏ...
đều có thể dùng làm nguyên liệu làm phân hữu cơ vì chúng có
chứa các thành phần
Protein, Axitamin, Lipit, Xenluloza, Hemixenluloza, có thể phân huỷ
nhờ vi sinh vật.
Thành phần nguyên liệu:
Mỗi loại nguyên liệu có chứa lợng protit, cellulose, lipit,.. khác nhau

117


Bảng 6. 2 Thành phần hoá học của một số loại rau quả
TT

1
2
3
4
5
6
7
8
9

Loại
Rau
muống
Rau giền
Bí xanh
Bắp cải
Rau cần
Khoai
tây
Củ cải
Su hào
Súp lơ

Nớc
92,0
92,3
95,5
90,0
95,3
75,0

92,1
88,0
90,9

Protit
3,2
2,3
0,6
1,8
1,0
2,0
1,5
2,8
2,5

Lipit
vết
-

Glu xit
2,5
2,5
2,9
5,4
1,5
21,0
3,7
6,3
4,9

Tro
1,3
1,8
0,5
1,0
1,0
1,2
1,2
1,2
0,8

6.3.2.2. Phân loại
Tách ra các thành phần không bị vi sinh vật phân huỷ: gạch, đất,
đá, thuỷ tinh, sắt , thép, nilon, tách các vật thải kích thớc lớn, tách
chất thải nguy hiểm làm tăng chất lợng nguyên liệu đầu vào làm
phân hữu cơ.
6.3.2.3. Nghiền rác
Làm giảm kích thớc rác, tăng diện tích tiếp xúc với không khí và vi
sinh vật đồng thời nghiền rác cũng làm lỏng lẻo cấu trúc tinh thể của
xenlulose giúp vi sinh vật hoạt động hiệu quả hơn, nghiền rác tới
khoảng < 5 cm là thích hợp cho quá trình làm phân hữu cơ .
6.3.2.4. Phối trộn
Tùy thuộc vào thành phần rác sinh hoạt mà tỷ lệ ban đầu của C:N có
thể từ 35 60. Trộn rác với ẩm và bổ xung N, P cấy vi sinh vật đạt tỷ
lệ C: N = 20: 1 --- > 30 : 1
Các vi sinh vật cần C và N để tổng hợp nên tế bào của mình
Khi phân tích tế bào có 80% là nớc và 20% chất khô. Trong chất khô
gồm 90% là chất hữu cơ (C5H7NO2), 10% chất vô cơ
P2O5
Na2O

CaO
MgO
K2O
Fe2O3
50
11
9
8
6
1
ngoài ra còn các nguyên tố vi lợng Co, Ni, Cu...
Công thức thực nghiệm của phần hữu cơ của tế bào vi sinh vật là
C60H87O23N12P cho phép tính lợng N, P theo lý thuyết cần cho việc xây
dựng tế bào. Tuy nhiên trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ
ngoài việc xây dựng tế bào các vi sinh vật còn khoáng hoá các chất
hữu cơ thành CO2 và H2O để tạo năng lợng cấp cho quá trình sinh
hoá.

118


Tỷ lệ C:N > 50 sẽ làm chậm quá trình và chất lợng sản phẩm kém, ngợc lại C:N nhỏ < 20 thì N sẽ mất đi dới dạng NH3. Khi C:N cao có thể
điều chỉnh bằng trộn thêm phân xí máy hoặc nớc thải của bùn cống.
Các nguyên tố đa lợng P, Ca, Na, Mg, K, Fe và vi lợng nh Co, Ni, Cu... thờng có sẵn trong rác thải song nếu thiếu cũng cần bổ xung.
Bảng 6.3 Tỉ lệ giữa C/N của một số vật liệu (khô)
Vật liệu
Chất thải thực
phẩm
CT rau quả
CT lò mổ

%N

Tỉ lệ
C/N

%N

Tỉ lệ
C/N

CT nhà máy c-

0,13

170,0

Rơm lúa mạch

1,05

48,0

Mùn ca

0,10
0,3
0,07

20050

0
128,0
723,0

0,13
0,05
0,01
0,07

173
98,3
4490
470

2,15
0,5
1,0

20,1
40 80

Gỗ và rơm
1,52

34,8

7,0
10,0

2,0

Phân
Phân bò
Phân ngựa
Phân lơn
Phân gia cầm
Phân cừu
Bùn
Bùn h t đã ph
huỷ
Bùn hoạt tính
tơi
Biomass

Vật liệu

a

1,7
2,3
3,75
6,3
3,75

18,0
25,0
20,0
15,0
22,0

1,88

1,88

Rơm lúa mì
Gỗ
Giấy
Giấy hỗn hợp
Giấy báo
Giấy nâu
Tạp chí

5,6

5,6

Chất thải vờn
Cỏ
Lá cây

6.3.2.5. Các vi sinh vật tham gia phân huỷ các chất hữu cơ
Tập đoàn các vi sinh vật tham gia phân huỷ các chất hữu cơ: vi
khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn
Vi khuẩn phân bố khắp nơi, cấu trúc đơn bào có nhiều dạng
cầu d : 4,5 m
trực khuẩn
l: 0,5 - 20 m , d : 0,5 - 4 m
xoắn
l > 10 m, d : 0,5 - 1 m
Nấm đa tế bào, thờng phát triển ở độ ẩm thấp và hiếu khí, có khả

năng phân huỷ nhiều chất hữu cơ trong khoảng rộng của môi trờng
đợc dùng nhiều trong công nghiệp để sản xuất nhiều chất hữu cơ có
giá trị nh a xit a xetíc, kháng sinh penicilin ... và các enzim amilaza,
proteaza, celuloza...

119


Nấm men có cấu tạo đơn bào dùng nhiều trong công nghiệp lên men
nh lên men đờng ---> rợu
Xạ khuẩn có tính chất trung gian giữa vi khuẩn và nấm men
Các vi khuẩn , nấm men, nấm mốc tham gia phân huỷ hiếu khí chất
hữu cơ nh sau
6.2.3.6. Độ ẩm 50-60% cần để phát triển tế bào của VSV nh đã
phân tích ở trên . Ngoài ra ẩm còn là môi trờng để vận chuyển thức
ăn tới vi sinh vật
6.2.3.7. PH
Các enzime hoạt động phụ thuộc nhiều vào PH. PH thích hợp cho vi
khuẩn phát triển là 68 còn cho nấm men, nấm mốc là 56. Ngoài giá
trị trên ( PH < 4 hoặ PH> 9) VSV sẽ kém phát triển hoặc chết.
Hoạt động của vi sinh vật có thể làm thay đổi PH của đống ủ
nh PH ban đầu của nguyên liệu có thể làm phân ủ đợc khoảng 5-7,
thờng là 6, sau 2-4 ngày PH bắt đầu giảm đến 4,5-5 do a xít hữu cơ
sinh ra, sau đó khi nhiệt độ tăng cao PH sẽ tăng theo xu hớng hơi
kiềm 7,5-8,5. PH của đống ủ phân hữu cơ sẽ giảm nhẹ trong giai
đoạn nguội và khi chín thờng đạt giá trị PH = 7 8.
Trong trờng hợp PH thay đổi ngời cần đa dung dich đệm vào để tạo
môi trờng PH ổn định hơn
6.3.2.8. Thông khí
Thông khí nhằm cung cấp o xy cho phản ứng phân huỷ hiếu khí các

chất hữu cơ dới tác dụng của vi sinh vật và có tác dụng tản nhiệt trong
đống ủ khi nhiệt độ quá cao để duy trì sự hoạt động của vi sinh
vật.
O xy đợc cấp qua 2 con đờng:
- Thổi khí cỡng bức
- Khuếch tán o xy từ môi trờng xung quanh tới vật liệu ( chiếm 0,5-5%
tổng lợng o xy cần thiết)
Lợng oxy cấp theo lý thuyết có thể tính từ phơng trình phân huỷ
hiếu khí các chất hữu cơ. Thờng cấp oxy d 30% so với lý thuyết
6.3.2.9. Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hởng lớn tới sự phât triển của vi sinh vật do ảnh hởng tới
tốc độ của các phản ứng sinh hoá xảy ra ngay trong tế bào của vi sinh
vật.
ảnh hởng của nhiệt độ lên tốc độ phát triển tế bào vi sinh vật có thể
biểu diễn theo phơng trình sau:
rT
---------r 20

=

( T 20)

120


ở đây r T, r20 là tốc độ phát triển của vi sinh vật ở T và 20 OC
là hệ số ảnh hởng của nhiệt độ, = 1 1,14
Bảng 6.4 Nhiệt độ thích hợp của một số loại VSV
Vi sinh vật
VK Thermus

VK Baccilus
VK
Thermoactinomyce
s
Xạ khuẩn

Lớp nhiệt độ

Thermophilic

Khoảng nhiệt độ, OC
Tối thiểu
Tối u
Tối đa
40
35
35

65 75
60 65
45 55

80
70 75
70

Nhiệt độ
tối u khi
cô lập
75

60
65

50
Thermotolera
20
30
40/45
nt
30
45/50/55
50
40 45
Thermophilic
50
Nấm
Thermotolera
< 20
40
35 40
nt

50
40/45/55
20
40 45
Thermophilic
H,J. Rehm and G. Rêd, A. Puhler and P. Stadler. Biotechnology: Volum 11c: Env.
Processes III . Wi40ley-Vch, 2000

Ngoài ra nhiệt độ còn là yếu tố để tiêu diệt các vi khuẩn gây
bệnh.
Bảng 6.5 Nhiệt độ và thời gian cần thiết để tiêu diệt các vi
khuẩn gây bệnh
Vi khuẩn gây bệnh
Samonella typnosa

Samonella sp (Vk làm cho
thức ăn bị độc)
Shigella sp
Escherichia coli
Entamoeba histilytica
cysts
Taenia saginata
Trichinella spiralis larvae
Brucella abortus or Br.
Suis

Nhiệt độ và thời gian cần thiết để tiêu
diệt vi khuẩn gây bệnh
Không phát triển ở > 48 OC. Chết trong 30
phut ở 55 60OC, trong 20 phút ở 60OC. Bị
tiêu diệt trong thời gian ngắn trong môi
trờng làm phân.
Chết trong 1 giờ ở 55OC và trong 15 20
phut ở 60OC
Chết trong 1 giờ ở 55OC
Đa số chết trong 1 giờ ở 55OC và trong 15
20 phut ở 60OC
Chết trong vài phút ở 45OC và trong vài

giây ở 55OC
Chết trong vài phút ở 55OC
Nhanh chóng bị tiêu diệt ở 55OC và chết
ngay ở 60OC
Chết trong 3 phút ở 62 63OC và trong 1
giơ ở 55OC

121


Micrococcus pyogenes
var. aureus
Streptococcus pyogenes
Mycobacterium
tubercunosis var. hominis
Cirinebacterium
diphtheriae
Necator americanus
Ascaris lumbricoides eggs

Chết trong 10 phút ở 50OC
Chết trong 10 phút ở 54OC
Chết trong 15 20 phut ở 66OC và chỉ
một lát ở 67OC
Chết trong 45 phút ở 55OC
Chết trong 50 phút ở 45OC
Chết trong < 1 giờ ở > 50OC

Nhiệt độ,
O

C

PH

80
Khoảng
nhiệt độ

70
60
50

8
7
6
5

40
30

Khoảng PH

0

5
25 ngày

10

15

20

Hình 6.4 Khoảng nhiệt độ và PH thay đổi theo thời
gian trong đống ủ [1]

Bảng 6.6 Yêu cầu của EPA để kiểm soát các vi khuẩn gây bệnh
[1]
Yêu cầu
Các quá trình làm giảm
đáng kể vi sinh vật gây
bệnh
Quá trình để giảm tiếp
vi sinh vật gây bệnh

Chú ý
Sử dụng trong thùng, trong đống tĩnh sục
khí, ử đống, chất thải rắn đợc duy trì ở
ít nhất 40ÔC trong ngày. Nếu nhiệt độ >
55OC thì trong 4 giờ
Sử dụng trong thùng, trong đống tĩnh sục
khí, chất thải rắn đợc duy trì ở 55OC
ít nhất 3 ngày
Sử dụng phơng pháp ủ đống , chất thải
rắn đợc duy trì ở 55OC ít nhất 15
ngày. Trong giai đoạn nhiệt độ cao có ít

122

nhất 5 lần đảo trộn
6.3.2.10. Các chất kìm hãm VSV phát triển
Các kim loại nặng, phenol. CN -, thuốc bảo vệ thực vật thờng là những
chất kìm hãm quá trình phát triển của VSV.

6.3.3 Sơ đồ công nghệ làm phân hữu cơ

123


Chất thải sinh
hoạt
Phễu tiếp
nhận
Băng
tải
Băng tải tuyển
lựu thủ công
Sàng quay (

không
khí
-Nớc

Vật liệu
lớn
Giấy

1 )

Băng tải phân
loại
+ Máy tách từ

- Nớc
- Dinh dỡng
-VSV

Băng
tải

Băng tải phân
loại
+ máy tách từ

Kim loại
ẩm: 50-60%
C:N = 30-35

Phối trộn
Làm phân hữu
cơ trong bể ủ có
sục khí
(21 ngày)
ủ chín ( ủ đống,
đảo trộn định
kỳ, (18 ngày)
Sàng quay (

Kim loại,

thuỷ tinh,
plastic
Chất cháy đ
ợc

)
2

T = 50-55 oC

- Plastic
- Chất cháy
đợc

Sàng rung + thổi
khí
Cyclon
Trộn phụ gia N, P,
K

Phân
hữu cơ
Sản
phẩm
loại 1, loại
2

Hình 6.5 Dây chuyền công nghệ sản xuất phân
hữu cơ của nhà máy Cầu Diễn - Hà nội (Công nghệ
Tây Ban Nha)

6.3.4 Thiết bị để làm phân hữu cơ

124


Làm phân hữu cơ trong các thiết bị có thể điều chỉnh đợc các
thông số làm việc trong khoảng thích hợp nên thời gian tiến hành
nhanh hơn và chất lợng sản phẩm tốt hơn

KK
Bể ủ có sục
khí
CO2 +
H2O

Cao: 2-3 m
Rộng: 3-6 m
Dài: Tuỳ ý

KK
Đống ủ có sục
khí
Nguyên
liệu

Đống ủ đảo trộn
định kỳ
Nguyên
liệu

CO2 +
H2O

KK
Phân
hữu
cơ

Hình 6.6

KK

Phân
hữu
cơ

Các loại thiết bị làm phân hữu cơ

Thời gian ủ phân phụ thuộc điều kiện cấp Oxy: Cấp o xy tốt, đảo
trộn tốt: 3 - 4 tuần. Đảo trộn kém 1 lần/ năm: 3 - 5năm
Thời gian ủ chín: 2 - 8 tuần.
Kết thúc quá trình làm phân hữu cơ thờng tỷ lệ C:N là 19-20, độ ẩm
khoảng 35-40%, chiệt độ trong đống ủ khoảng 35-40OC.
6.3.5 Chất lợng phân hữu cơ
Phân hữu cơ có thể dùng để cải tạo tính chất lý hoá của đất, dùng
bón cho cây cảnh, cây công nghiệp, trồng rau quả, Phân hữu cơ
có thể dùng trực tiếp hoặc phối trộn thêm với N, P, K. Nhiều nghiên cứu

125

đã chỉ ra rằng sử dụng phân hữu cơ làm tăng hàm lợng hữu cơ trong
đất, tăng khả năng giữ nớc của đất và tăng khả năng trao đổi ion của
đất, tăng mức K, Ca, Mg, Zn, Mn, Co trong đất. Phân hữu cơ đem sử
dụng cần phải chứa ít hơn 1% kl khô các chất nh thuỷ tinh, plastic và
các hạt lạ khác, có màu nâu tối hoặc đen và không có mùi khó chịu
và không chứa các kim loại nặng quá tiêu chuẩn cho phép, kích thớc
phân < 13 mm, PH nằm trong khoảng 6,0-7,0 và hàm lợng muối hoà
tan thấp [5]
6.3.6 Mức độ phân hủy của chất hữu cơ
Cha có phơng pháp thích hợp để xác định mức độ phân hủy chất
hữu cơ . Tuy nhiên một vài phơng pháp sau đợc đề nghị để nhận
biết:
- Dựa vào sự giảm nhiệt độ của giai đoạn cuối
- Dựa vào mức độ tỏa nhiệt của đống ủ
- Dựa vào lợng chất hữu cơ đã bị phân hủy hoặc phần còn lại của
đống ủ
- Dựa vào sự tăng thế oxyhoas khử
- Dựa vào sự tăng trởng của nấm Chaetonium gracills.
- Dựa vào phép thử tinh bột bằng iod
- Dựa vào phân tích COD và lignin của đống ử ( COD thấp và hàm lợng lignin cao khoảng > 30%.
6.37 Kiểm soát mùi
Mùi sinh ra khi làm phân hữu cơ chủ yếu là do trong đống ủ có khu
vực nào đấy bị yếm khí nên xảy ra sự phân hủy yếm khí, các axit
hữu cơ sẽ hình thành và nhiều chất này gây mùi khó chịu. Để giảm
mùi cần cấp d oxy cho quá trình đồng thời tiến hành phân loại để
giảm bớt thành phần plastic trong đống ủ.
6.3.8 Yêu cầu về đất cho nhà máy làm phân hữu cơ.
Với nhà máy làm phân hữu cơ theo phơng pháp ủ đống thì với công
suất 50 tấn ngày cần diện tích là 1 ha trong đó 0,6 ha là xây nhà,

thiết bị và đờng. Sau đó cứ thêm 50 tấn/ngày thì càn thêm 0,4 ha
trong đó 0,1 ha là để xây nhà và làm đờng. Với nhà máy có hệ
thống cơ khí hóa cao thì nhà máy có công suất 185.000 tấn/năm thì
cần diện tích là 7,2 ha.
6.4 Phân huỷ yếm khí chất hữu cơ
Chất hữu cơ trong phế thải của ngời, động vật, thực vật, rác thải
đô thị có thể phân huỷ yễm khí dới tác dụng của vi sinh vật để
tạo khí CH4 , CO2, H2S,... và bùn.

126


6.4.1. Cơ sở lý thuyết của Phân huỷ yếm khí chất hữu cơ
Proteins
Amino acids
Lipid
Carbohydra
tes
Cellulose
Lignin

+ H2O + dd + VSV -------> TB
mới +

chất cha
phân
huỷ
( bùn)

+ CH4 + CO2 + H2S + NH3

+Q

6.4.1.1 Phơng trình phân huỷ yếm khí chất hữu cơ
CaHbOcNd + r H2O + dd
(d- nx) NH3 + Q

VSV
------ > n CwHxOyNz + m CH4 + s CO2 +

Viết PT cân bằng:
C:
a = nw+ m + s
H:
b + 2 r = n x + 4 m + 3 (d n x)
O:
c + r
= ny + 2s
N:
Thể tích khí tạo ra có thể xác định từ phơng trình sau, nếu coi
các thành phần hữu cơ trong chất thải là CaHbOcNd ( trừ chất dẻo) bị
phân huỷ hoàn toàn trong điều kiện yếm khí thành CH 4 ,CO2 và NH3
:
CaHbOcNd
+

+(4a - b - 2c +
3d)

H 2O (4a
--+ b - 2c 3d)

8

CH 4

(4a - b + 2c + CO + d NH
2
3
3d)
8
thể tích khí bãi rác tạo thành khi phân hủy phần hữu cơ trong chất
thải sinh hoạt khoảng 200-300 m3 / tấn
6.4.1.2 Sơ đồ tóm tắt của quá trình phân huỷ
Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân (hydrolyse)
Các hợp chất hữu cơ có phân tử lợng lớn nh protein, gluxit,
hydrocacbon, lipid, sẽ bị phân huỷ dới tác dụng của các enzim
hydrolaza của VSV thành các hợp chất có khối lợng phân tử thấp và

127


đơn giản hơn nh đờng, axitamin, axit hữu cơ, . Trong giai đoạn
này thông thờng các hydrocacbon chuyển hoá trớc , các hợp chất
protein phân giải chậm hơn, các hợp chất lignocellulose, melanoid thì
khó phân huỷ hơn
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ (Axitogene)
Các sản phẩm thuỷ phân sẽ bị VSV hấp thụ và chuyển hoá. Các axit
hữu cơ phân tử lợng nhỏ nh axitlactic, axxit béo, các rợu và các chất
trung tính khác đợc hình thành do lên men đờng, do phân giải axit
béo và do khử amin. Ngoài ra một số khí cũng đợc tạo thành nh CO2,
H1, H2S,. Đặc biệt trong giai đoạn này Nitơ đợc chuyển thành NH 4+

và tồn tại ở dạng này, chỉ một phần nhỏ chúng đợc sử dụng để xây
dựng tế bào. các sản phẩm mới đợc tạo thành nh axit lac tic, axit béo,
lại tiếp tục đợc chuyển hoá thành axit axetic:

128


Lipid

Polysacchar
ides

Prote
in

Axit
Nucleic

Thuỷ
phân

Axit
hoá

Axi
t
bé
o

Monosaccha

rides

Amin
o
Axit

Purines
Pyrimidine
ss

Aromati
cs

Các sản phẩm lên men
khác:
A. Propionic; A.
Butyric; A. Succinic;
A. lactic; Ethanol,

Cơ chất cho
methan hoá:
H2; CO2; HCOOH;
CH3OH;
CH3COOH: (CH3)3N:
CO,

Meth
an
hoá

CH4

& CO2

Hình 6.7
Cơ chế hình thành CH4 & CO2 từ quá
trình phân huỷ yếm khí các chất hữu cơ

Ví dụ chuyển hoá a xit lactic
3C3H6O3

---------- 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + 2H2O

Oxyhoas liên kết của các axit béo bằng cơ chế oxyhoas khử
R CH3CH2COOH + 2H2O

------- Rn-2 COOH + CH3COOH

Giai đoạn 3: Giai đoạn metan hoá (metanogene)

129


Các sản phẩm trung gian của giai đoạn 2 nh CO2, H2 , CH3COOH, sẽ
chuyển hoá đến các sản phẩm cuối cùng là CH 4 và CO2 dới tác dụng
của vi khuẩn Metanogen trong điều kiện yếm khí.
Khoảng 70% khí CH4 đợc tạo thành nhờ quá trình decaboxyl hoá các
axit hữu cơ và các chất trung tính khác. Ví dụ:
CH3COOH
-----------

4 CH3CH2COOH ------------
2 CH3(CH2)2COOH ----------
2 CH3COCH3
-------------
2 CH3CH2OH
------------

CH4 + CO2
7CH4 + 5CO2 + 2H2O
5CH4 + 3CO2 + 2H2O
2CH4 + CO2 + 2H2O
3CH4 + CO2

Khoảng 30% khí CH4 tạo thành do quá trình khử CO2
Khử CO2 bằng H2
CO2 + 4H2 ------------ CH4
Khử CO2 bằng oxyhoas khử
4NADH
CO2

+ 2H2O

4NAD

---------------- CH4 + 2H2O

6.4.1.3 Thành phần của khu hệ VSV trong phân giải yếm khí phụ
thuộc vào thành phần chất hữu cơ cần phân giải:
VSV tham gia vào quá trình thuỷ phân và axit hoá
Phân huỷ cellulose có các vi khuẩn: Bacillus, Pseudomonas,

Acaligenes
Phân huỷ tinh bột: Micrococus, Lactobacillus, Pseudomonas, Sper.
Clostridium
Phân huỷ protein: Bacillus, Clostridium, Proteur, E.Coli
Phân huỷ Lipid: Bacillus, Pseudomonas, Acaligenes, Bacterioides
Phần lớn các vi khuẩn thuỷ phân và lên men axit hữu cơ ít nhạy cảm
với môi trờng. Chúng có thể phát triển trong giải pH = 2 7. Tuy nhiên
pH tối u là 5 7, nhiệt độ 33 40oC.
Vi khuẩn axetogene tạo axit axetic: Syntrophobacter woloni, Syntro.
Wolfei, Suntro. Buswweni. Nhiệt độ tối u là 33 40oC, pH = 6 8.
Vi khuẩn khử Sunphat: Selenomonas, Clostridium, Dasolfovibrio trong
môi trờng hỗn hợp với vi khuẩn metan hoá tạo sản phẩm chu yếu là axit
axetic.
Nhóm vi khuẩn Homoacetogen tạo axit axetic từ CO 2 và H2 theo phản
ứng
2CO2 + 4H2 -------------- CH3COOH + 2H2O

130


-

-

Vi khuẩn metan hoá:
Metanthancocus, Metanthanbacterium, Metanlosarrcina phát
triển ở nhiệt độ 35 38oC, pH = 6 7,5 và Metanobacillus,
Metanospirrillum, Metanothrix phat triển ở 55 60oC.
Vi khuẩn lên men Metan rất mẫn cảm với O 2 vì vậy đòi hỏi môi
trờng yếm khí nghiêm ngặt và pH tối u = 6,8 7,5

6.4.2 Các yếu tố ảnh hởng tới quá trình phân huỷ yếm khí.
Quá trình phân huỷ yếm khí chất hữu cơ do vi sinh vật trong đó
chất nhận điện tử có thể là một số gốc vô cơ nh NO3-, SO42-, CO2.
Trong quá trình này thờng ni tơ trong NO 3- bị khử đến N2, lu huỳnh
SO42- bị khử đến S2- , còn CO 2 bị khử rồi kết hợp với hyđro tạo thành
CH4.
ảnh hởng của loại cơ chất: Tuỳ bản chất chất hữu cơ mà quá trình
phân huỷ nhanh hay chậm. Các chất thực phẩm , phân rác dễ phân
huỷ sinh học. Các chất hữu cơ chứa Cl , chất hữu cơ đa vòng thuộc
loại khó phân huỷ sinh học
Nồng độ cơ chất: Vi khuẩn thực hiện quá trình phân huỷ yếm khí
có tốc độ tạo sinh khối rất nhỏ. Thông thờng hệ số taọ sinh khối chỉ
đạt 0,100 0,136 từ BOD5. Thực nghiệm cho thấy tỉ lệ C/N = 30/1 là
thích hợp. Ngoài ra còn cần bổ sung các nguyên tố P, K,tuỳ thành
phần của chất cần phân huỷ.
Chủng loại vi sinh vật: Chủng loại vi sinh vật phải thích hợp với phân
huỷ các cơ chất có trong nguyên liệu
ảnh hởng của T: Nhiệt độ tối u cho toàn quá trình phụ thuộc vào
chủng loại VSV, vì nhiệt độ ảnh hởng rất lớn tới hoạt lực của VSV. Vợi
VSV u ấm T tối u = 33 38oC, với VSV u nóng T tối u = 50 52oC. Ngời
ta dùng chủ yếu các VSV u ấm và thiết bị có hệ thống điều chỉnh và
ổn định T.
độ pH: Khoảng pH tối u là 7 7,2. Mặc dù khoảng vận hành có thể
cho phép là 6,6 7,6. ở giá trị pH tháp ví dụ 5,5 vi khuẩn Metan đã bị
ức chế mạnh. Cần trang bị hệ thống đo và điều chỉnh pH cho thiết
bị. Nếu pH xuống thấp thì có thể bổ xung kiềm hoặc ngừng cấp
liệu để giảm quá trình thuỷ phân và axit hoá.
Điều kiện môi trơng: Trong giai đoạn methanhoá phải không có
mặt oxy

Tải trọng khối kgCOD/m 3.ngày: Tải trọng cao sẽ dẫn đến d thừa
các axit hữu cơ làm giảm pH, ức chế quá trình phát triển của vi
khuẩn Metan. Tải trọng thấp làm giảm năng suất của thiết bị.

131


Thời gian lu: Thời gian lu thờng khoảng 0,5 6 ngày. Thời gian lu quá
ngắn thì hiệu xuất xử lý không cao. Thời gian lu quá dài làm giảm
năng suất xử lý hoặc tăng vốn đầu t thiết bị.
Thế oxy hoá khử ( hàm lợng H2) trong giai đoạn tạo axit axetic:
Các phản ứn oxy hoá khử các sản phẩm trung gian nh Lâctt, Etanol,
butyrat, Propionat tạo ra acetat và H2 theo các phản ứng:
Lactat + H2O -------- Acetat + 2H2 + CO2 + 4,8 kj/mol
Etanol + H2O -------- Acetat + 2H2
- 9,6 kj/mol
Butyrat + 2H2O -------- Acetat + 2H2 - 48,1 kj/mol
Propionat + 2H2O -------- Acetat + 3H2 + CO2 - 76 kj/mol
Khí H2 sinh ra đợc phản ứng tiếp tạo CH4 nhờ vi khuẩn Metan hoá.
Nếu quá trình này bị ngừng trệ thì quá trình axetic hoá cũng bị
ngừng trệ
Các chất kìm hãm:
Bảng 6.7 Một số chất kìm hãm qua trình metan hoá [ ]
Chất kìm
hãm
Axit dễ
bay hơi
NH4 +
SO4 2Ca 2+
Mg 2+

K+
Na +

Nồng độ ảnh hởng,
mg/l
> 2000 ( nh axit
axetic) *
1500 3000 (pH >
7,6)
> 200 ; > 300 độc
2500 4500; 8000
cực kỳ độc
1000 1500 ; 3000
cực kỳ độc
2500 4500; 12000
cực kỳ độc
3500 5500; 8000
cực kỳ độc

Chất kìm
hãm
Cu 2+

Nồng độ ảnh hởng, mg/l
0,5

Cr 6+

3

Cr 3+
Ni 2+ **

500
2

Cd

150 mmol/kg chất
khô
1710 mmol/kg chất
khô

Fe



ở khoảng pH = 6,6 7,4 với dung dịch đệm thích hợp,
nồng độ axit dễ bay hơi ở 6000 8000 mg/l vẫn đợc chấp
nhận
** Ni thúc đẩy metan hoá ở nồng độ thấp. Tuỳ thuộc vào nhu cầu
của vi khuẩn Metanogen
6.4.3. Dây chuyền công nghệ phân huỷ yếm khí chất hữu cơ

132


Rác thải sinh hoạt

Sàn tiếp nhận

+ Phân loại thủ
công

CTNH
Vật liệu
lớn

Máy xé bao

Sàng quay (

50)

Băng tải phân loại
thủ công
Phân loại bằng từ

Giấy
Plastic
Cao su
Thuỷ tinh
Kim loại
CTNH
Kim loại

Nghiền < 20 mm
N ớc
Hoá chất đ/ch
PH
Cấp nhiệt

Thùng trộn

Phân huỷ yếm khí
(3 thùng, khuấy
trộn)
Bể 1: 37OC, 5 ngày
Bể 2: 55OC, 5 ngày
Bể 3: 38 OC, 5 ngày

Đất cát
đem
chôn lấp
Bùn đem
ủ làm
phân
hữu cơ

Két khí 400m3
CH4: 65-70%; CO2: 3035%
Xử lý H2S, Tách ẩm
Chạy máy phát điện

Hình 6.8 Sơ đồ công nghệ xử lý chất thải rắn sinh
hoạt bằng phân huỷ yếm khí (Công nghệ của Đức)

6.4.4. Các dạng thiết bị thờng gặp

133