VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ Quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi vi sinh vật làm giảm thể tích và khối lượng chất thải, sản xuất phân compost dùng bổ sung chất dinh dưỡng ch
Trang 1CHƯƠNG 3 VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI RẮN
HỮU CƠ
Phân hủy chất thải rắn hữu cơ nhờ vi sinh vật là một trong những con đường xử
lý chất thải bằng con đường sinh học cổ điển nhất Từ nhiều thế kỷ trước con người đã
chôn vùi những chất thải rắn và vi sinh vật đã phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp
này thành những hợp chất đơn giản và sau đó thực vật bậc cao sẽ dùng làm nguồn dinh
dưỡng Vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ theo 2 con đường: phân hủy hiếu khí và phân
hủy kỵ khí Hiện nay, việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt thông qua bãi chôn lấp đã được
sử dụng rộng rãi, tuy nhiên làm phân compost và sản xuất khí sinh học (biogas) ngày
càng được ứng dụng nhiều và sẽ giữ một vai trò quan trọng trong tương lai
1 VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ
Quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi vi sinh vật làm giảm thể tích và khối lượng
chất thải, sản xuất phân compost dùng bổ sung chất dinh dưỡng cho đất, và sản xuất khí
sinh học (methane) là một loại khí năng lượng có giá trị
Các loại vi sinh vật chủ yếu tham gia quá trình chuyển hóa sinh học chất thải rắn
hữu cơ bao gồm vi khuẩn, nấm, men, và Antinomycetes Các quá trình này có thể được
thực hiện hiếu khí hoặc kỵ khí, tùy theo lượng oxy sẵn có Những điểm khác biệt cơ bản
giữa các phản ứng chuyển hóa hiều khí và kỵ khí là bản chất của các sản phẩm cuối của
quá trình và lượng oxy thực sự cần phải cung cấp để thực hiện quá trình chuyển hóa
hiếu khí
Những quá trình sinh học ứng dụng để chuyển hóa chất thải rắn hữu cơ bao gồm
quá trình làm phân compost hiếu khí, quá trình làm phân kỵ khí và quá trình phân hủy
kỵ khí với nồng độ chất rắn cao
2 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CỦA VI SINH VẬT
2.1 Động học của quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ
Quá trình chuyển hóa sinh học hiếu khí chất thải rắn hữu cơ có thể biểu diễn
bằng một cách tổng quát theo phương trình sau:
Chất hữu cơ + O2 + Dinh Dưỡng Tế bào mới + Chất hữu cơ khó phân hủy +
CO2 + H2O +NH3 + SO4 +…+ Nhiệt (3-1) Nếu chất thải hữu cơ có trong chất thải rắn được biểu diễn dưới dạng CaHbOcNd,
sự tạo thành tế bào mới và sulfate không đáng kể và thành phần vật liệu khó phân hủy
còn lại được đặc trưng bởi CwHxOyNz thì lượng oxy cần thiết cho quá trình phân hủy
hiếu khí các chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học có thể được ước tính
theo phương trình phản ứng sau:
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 52
Trang 2CaHbOcNd + 0.5 (ny+2s+r-c)O2 nCwHxOyNz + sCO2 + rH2O + (d-nx)N (3-2)
Trong đó
R= 0.5(b-nx-3(d-nx))
S= a-nw
CaHbOcNd và CwHxOyNz biểu diễn thành phần phân tử thực nghiệm của chất hữu
cơ ban đầu vì sau khi kết thúc quá trình Nếu quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn,
phương trình biểu diễn có dạng như sau:
2 CaHbOcNd + (4a + b-2c-3d)O2 2aCO2 + bH2O (3-3)
Trong nhiều trường hợp, ammonia sinh ra từ quá trình oxy hoá các hợp chất hữu
cơ bị tiếp tục oxy hóa thành nitrat (quá trình nitrt hóa) Lượng oxy cấn thiết để oxy hóa
ammonia thành nitrat có thể tính theo phương trình sau:
NH3 + 3/2 O2 HNO2 +H2O
HNO2 + 1/2O2 HNO3
Như vậy, trong quá trình phân hủy sinh học hiếu khi sản phẩm tạo thành không
có mặt CH Hay nói cách khác, trong trường hợp này tốc độ phân hủy được xác định
dựa trên hàm lượng chất hữu cơ còn lại theo thời gian phân hủy
2.2 Động học của quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ
Quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ xảy ra theo 3 bước:
• Bước thứ nhất là quá trình phân thủy phân các hợp chất có phân tử lượng lớn
thành những hợp chất thích hợp dùng làm nguồn năng lượng và mô tế bào
• Bước thứ hai là quá trình chuyển hóa các hợp chất sinh ra từ bước 1 thành hợp
chất có phân tử lượng thấp hơn xác định
• Bước thứ 3 là quá trình chuyển hóa các hợp chất trung gian thành các sản phẩm
cuối đơn giản hơn, chủ yếu là khí methane (CH4) và khí carbonic (CO2)
Trong quá trình phân hủy kỵ khí, nhiều loại vi sinh vật kỵ khí cùng tham gia quá
trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành sản phẩm cuối bền vững Các vi sinh vật
này được chia thành 3 nhóm:
• Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử
thành các thành phần xây dựng cấu trúc như acid béo, monosacharic, amino acid
và các hợp chất liên quan
• Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai lên men các sản phẩm đã cắt mạch của nhóm 1
thành các acid hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acid acetic Nhóm vi sinh vật thứ
hai được gọi là nonmethanogenic bao gồm các sinh vật kỵ khí tùy tiện và vi sinh
vật kỵ khí bắt buộc
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 53
Trang 3• Nhóm vi sinh vật thứ 3 chuyển hóa hidro và acetic acid thành khí CH4 và CO Vi
sinh vật methane hóa chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định để chuyển hóa
thành methane như CO, H2, formate, acetate, methanol, methano, methylamines,
và CO Các phương chuyển hóa xảy ra như sau:
Động học của quá trình phân hủy kỵ khí
Tốc độ của quá trình phân hủy kỵ khí phụ thuộc vào điều kiện môi trường và các
thông số động học Để dự đoán và xác định tốc độ phân hủy kỵ khí của các phức trong
thành phần chất thải rắn hữu cơ, động học quá trình là nội dung cơ bản cần được hiểu
rõ Nhiều nghiên cứu động học quá trình chuyển hóa sinh học, đặc biệt là quá trình
chuyển hóa kỵ khí, thường sử dụng phương trình Monod để thực hiện mối quan hệ giữa
nồng độ cơ chất giới hạn sự phát triển và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật (Monod,
1949)
ax
Ks+S
m S
µ
Trong đó:
µ: Tốc độ tăng trưởng riêng của vi sinh vật (ngày -1)
µmax : Tốc độ tăng trưởng cực đại của vi sinh vật (ngày -1)
S : Nồng độ cơ chất (mol/l)
Ks: Hằng số tốc độ ½ ( giá trị khi µ= 1/2µmax )
Mặc dù phương trình Monod được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu quá
trình phân hủy kỵ khí (McCarty, 1964; Ghosh và Pohland, 1974; Ripley và Boyle,
1983) với những kết quả thích hợp, phương trình này chỉ có giá trị đối với hệ thống
trong đó cơ chất là những chất có khả năng hòa tan Từ nghiên cứu trước đây của Faire
và Moore (1932) và nghiên cứu gần đây của Eastman và Ferguson (1981), Brummeler
(1993) cho thấy rằng đối với cơ chất dạng rắn, động học bậc 1 là thích hợp nhất
Phương trình phân hủy cơ chất theo động học bậc 1 có thể biểu diễn như sau:
dS
dt
Trong đó: k là hằng số tốc độ bậc
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 54
Trang 4Mặc dù phương trình này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu quá trình phân
hủy các chất thải phức tạp như bùn cống thải, phần chất hữu cơ của chất thải rắn sinh
hoạt và rơm rạ (Eastman và Ferguson, 1981: Pferffer, 1974, Jewell, 1982), nhưng nó
vẫn còn nghi ngờ là nồng độ cơ chất S nó thực sự được xác định trong quá trình nghiên
cứu không Những chất này chứa một phần các chất hòa tan và nhiều hợp chất cao phân
tử như protein, lipids và celluclose Tất cả các hợp chất này có tốc độ phân hủy khác
nhau trong điều kiện kỵ khí và hầu hết là những thành phần giới hạn tốc độ phân hủy
(Noikle và cộng sự 1985, Guher và ehnder, 1982) Những nghiên cứu cơ bản về động
học quá trình thủy phân và các phức chất trong quá trình phân hủy kỵ khí nhưng không
được báo cáo Tốc độ quá trình thủy phân sẽ phụ thuộc vào loại cơ chất, giá trị pH,
nhiệt đ
uá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn sinh hoạt đi nghiền bước giới hạn tốc độ chính là quá trình thủy phân phần
celluclo
iễn tốc độ khử
cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khí phần chất hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt
bao gồm hai hợp chất trong trường h
ộ và sự có mặt của các chất ức chế (Gijer và Zehnder, 1983; Sander, 1999)
Theo nghiên cứu của Pfeffer (1974) đối với q
se của cơ chất đã tạo nên động học bậc nhất
Đối với cơ chất dị thể như phần chất hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt, với
thành phần xác định động học quá trình phân hủy bậc 1 dường như là một dạng đơn
giản nhất và hướng thực tế nhất để mô tả toàn bộ quá trình Tuy nhiên, khoảng 13-15%
các hợp chất hữu cơ của các cơ chất này bị phân hủy với tốc độ cao hơn phần chất hữu
cơ còn lại, cũng như động học bậc Phần này có thể chứa các loại đường và amino acid,
vì tốc độ khử các hợp chất lớn hơn đáng kể so với celluclose (Noikle và cộng sự, 1985)
Theo Cecche và Alvarez (1991), còn một phần thứ 3 nữa tồn tại gồm các acid béo dễ
bay hơi hình thành trong quá trình lưu trữ chất thải Tuy nhiên, thành phần này không
phải lúc nào cũng có, nên ảnh hưởng của chúng đến động học quá trình được bỏ qua Để
dự đoán tốc độ sinh khí (Emcon Associates, 1979; Hoieks, 1983), có thể giả sử rằng
phần chất hữu cơ của CTRSH bao gồm nhiều phần, phương trình biểu d
ợp đặc biệt được biểu diễn như sau:
dt
dS
dS
dS
dt dt
Nồng độ cơ chất S và S nếu biểu diễn theo nồng độ chất rán bay hơi tương ứng với
Trong đ
n bay hơi có khả năng phân hủy sinh học hầu như bằng tốc độ sinh khí methane (Gujer và Zehner, 1983; Brummeler, 1993) vì quá trình tạo
hối không đáng kể
1 2
VS1 và VS2 thì:
R= (-k 1 VS 1
ó:
k1 và k2: hằng số tốc độ bậc 1 của hợp chất 1 và hợp chất 2
VS1 và VS2: nồng độ chất rắn bay hơi của hợp chất 1 và hợp chất 2 tương ứng
Trong thực tế, nồng độ chất rắn bay hơi VS= VS1 + VS2 có thể được xác định
một cách gián tiếp bằng cách đo đại lượng khí methane sinh ra Đối với một quá trình
phân hủy, tốc độ khử các chất rắ
thành sinh k
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 55
Trang 5R= - r C (3-15)
rCH4: là tố
Lương chất rắn bay hơi bị phân hủy có thể biểu diễn như sau:
H4
Trong đó:
c độ sinh khí methane
dVS
rong đó, k là hằng số tốc độ của toàn bộ quá trình (ngày -1) Lấy tích phân phương
trình cho:
dt
T
1
ln
0
VS
VS
kt
= − (3-17)
Như vậy nếu biểu diễn theo tốc độ hình thành khí methane, phương trình trên trở thành:
4
4 ax
t
m
CH
kt CH
⎞ 1
⎜
Trong đó CH t là tổng lượng methane sinh ra theo thời gian t, CH là lượng
khí methane sinh ra có thể xác định lượng phân hủy chất hữu cơ một cách dễ dàng hơn
3 CÁC
ợc gọi một cách
ên hất thả ữ
Vi khu khuẩn là những tế bào đơn có dạng hình cầu , que hoặc dạng xoắn ốc
n dạng xoắn ốc (khuẩn xoắn) có thể dài hơn 10m và rộng khoảng 0,5µm
⎟
khí methane cực đại tạo thành từ phần cơ chất hữu cơ Như vậy, bằng cách đo đạc lượng
YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ
3.1 Các loại vi sinh vật
Vi sinh vật thường được phân loại dựa trên cấu trúc tế bào và chức năng của
chúng thành (Eucaryotes), (Eubacteria) và (Archaebacteria) Nhóm Prokaryotic
(Eubacteria và Archaebacteria) đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình
chuyển hóa sinh học chất hữu cơ có trong chất thải rắn sinh hoạt và đư
đơn giản là vi khuẩn Nhóm Eucaryotic bao gồm thực vật, động vật và sinh vật nguy
sinh Những Eucaryotic đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa các c
i h u cơ gồm có (1) nấm, (2) men và (3) Actinomycetes (khuẩn tía)
ẩn Vi
- Vi khuẩn hình cầu (cầu khuẩn) có đường kính dao động trong khoảng 0,5 đến
4µm;
- Vi khuẩn hình que có chiều dài dao động trong khoảng 0,5 - 20µm và chiều rộng
từ 0,5 – 4 µm
- Vi khuẩ
Các vi khuẩn náy tồn tại trong tự nhiên và được tìm thấy trong môi trường hiếu
khí và kỵ khí
Nghiên cứu trên nhiều loại vi khuẩn khác nhau cho thấy vi khuẩn chứa khoảng
80% nước và 20% chất khô, trong đó chất hữu cơ chiếm 90% và 10% còn lại là chất vô
cơ Công thức phân tử thực nghiệm gần đúng đối với phần chất hữu cơ là C5H7NO Dựa
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 56
Trang 6trên công thức này, khoảng 53% (theo khối lượng) của phần chất hữu cơ là carbon Các
hợp chất tạo thành phần vô cơ trong tế bào vi khuẩn gồm có P2O (50%), CaO (9%),
Na2O (11%), MgO (8%), K2O (6%) và Fe2O3 (1%) Vì tất cả các nguyên tố và hợp chất
này phải lấy từ môi trường, nên nếu thiếu những hợp chất này sẽ hạn chế sự phát triển
của vi khuẩn
Hình 3 1 : Vi khuẩn hình que
Nấm Nấm được xem là nhóm nguyên sinh động vật đa bào, không quang hợp
và dị dưỡng Hầu hết các loại nấm có khả năng phát triển trong điều kiện ẩm thấp, là
điều kiện không thích hợp cho vi khuẩn Thêm vào đó, nấm có thể chịu được môi
trường có pH khá thấp Giá trị pH tối ưu cho hầu hết các nhóm nấm là vào khoảng 6,
nhưng giá trị pH cũng có thể dao động trong khoảng 2 - 9, quá trình trao đổi chất của
các vi sinh vậy này là quá trình hiếu khí và chúng phát triển thành các sợi dài gọi là sợi
nấm tạo thành từ nhiều tế bào có nhân và có chiều rộng thay đổi từ 4 - 20µm Do nấm
có khả năng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ trong những điều kiện môi trường thay đổi
rất rộng, nên chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất nhiều hợp chất
có giá
hủy chất hữu cơ trong qui trình dinh dưỡng của tế bào Men cấy là men có từ các chủng vi sinh vật được phân lập và
nuôi cấy trong điều kiện nhân tạo nhằm thu được nhóm enzym có tác dụng xúc tác cho
phản ứng sinh hóa trên 1 loại chất hữu cơ thuần nhất
trị như các acid hữu cơ (acid citric, acid glutamic,…), các chất kháng sinh
(Penicillin, Grisofluvin) và enzyme (Cellulose, Protease, Amylase)
Men Men là nấm không có dạng sợi và do đó chúng chỉ là những đơn bào Một
số men có dạng elip với kích thước dao động trong khoảng 8 – 15 µm x 3 – 5 µm, một
số loại men khác có dạng hình cầu với kích thước thay đổi từ 8 - 12 µm Trong công
nghiệp, men được phân loại thành “men dại” và “men nuôi cấy” Men dại do vi sinh vật
trong tự nhiên sinh ra để thực hiện các phản ứng phân
Hình 3 2 : Men
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 57
Trang 7Khuẩn Tía (Actinomycetes) Khuẩn tía là nhóm vi sinh vật có những tính chất
trung gian giữa vi khuẩn và nấm Chúng có hình dạng tương tự như nấm nhưng với
chiều rộng của tế bào chỉ khoảng từ 0,5 – 1,4 µm Trong công nghiệp nhóm vi sinh vật
3.2 Cá
so với quá trình hô hấp, do đó các vi sinh vật dị dưỡng loại này có tốc độ sinh
trưởng và sinh sản tế bào thấp hơn so với vi sinh vật dị dưỡng trao đổi chất theo cơ chế
hô hấp
điều kiện không có oxy phân tử Trong lĩnh vực công nghệ môi trường, các
quá trình sử dụng các loại vi sinh vật này thường được gọi là quá trình thiếu khí
(Anoxi
ủa oxy phân tử Các vi sinh vật kỵ khí chịu được điều kiện hiếu khí (Aerotolerant Anaerobes) có thể trao đổi chất lên men hoàn
này được sử dụng rộng rãi để sản xuất chất kháng sinh
c loại quá trình trao đổi chất của vi sinh vật
Các vi sinh vật dị dưỡng hóa học có thể nhóm lại theo dạng trao đổi chất và nhu
cầu oxy phân tử của chúng Các vi sinh vật tạo ra năng lượng bằng cách vận chuyển
điện tử trung gian của enzyme từ chất cho điện tử đến nhận điện tử bên ngoài (như oxy)
được gọi là quá trình trao đổi chất hô hấp (Respiratory Metabolism) Trong khi đó, cơ
chế trao đổi chất lên men (Fermentative Metabolism) không có sự tham gia của chất
nhận diện điện tử từ bên ngoài Quá trình lên men là quá trình tạo năng lượng ít hiệu
quả hơn
Khi oxy hóa phân tử được sử dụng làm chất nhận điện tử trong quá trình trao đổi
chất hô hấp, thì quá trình này được gọi là quá trình hô hấp hiếu khí (Aerobic
Metabolism).Các vi sinh vật phụ thuộc quá trình hô hấp hiếu khí để đạt được nhu cầu
năng lượng của chúng có thể tồn tại chỉ khi được cung cấp oxy phân tử, gọi là vi sinh
vật hiếu khí bắt buộc (Obligate Aerobic) Các chất vô cơ bị oxy hóa chẳng hạn như
sunfate và nitrat có thể đóng vai trò chất nhận điện tử đối với một số loại vi sinh vật hô
hấp trong
c)
Các vi sinh vật tổng hợp năng lượng bằng quá trình lên men và chỉ cỏ thể tồn tại
trong điều kiện môi trường không có oxy được gọi là vi sinh vật kỵ khí bắt buộc
(Obligate Anerobic) Bên cạnh đó còn có một nhóm vi sinh vật khác có thể phát triển
trong cả điều kiện có hoặc không có oxy phân tử gọi là vi sinh vật kỵ khí tùy tiện
(Facultative Anaerobes) Các vi sinh vật tùy tiện có thể được phân loại thành 2 nhóm
dựa trên khả năng trao đổi chất của chúng Những vi sinh vật kỵ khí tùy tiện thật sự có
thể chuyển từ quá trình trao đổi chất theo cơ chế lên men sang dạng trao đổi chất theo
cơ chế hô hấp hiếu khí tùy theo sự có mặt c
toàn nhưng khá trơ khi có mặt oxy phân tử
1 : Các chất n ng phản ứng của vi
Hiếu khí
Kỵ khí
Sulfate, SO4
Khí Carbonic, CO2
Khử sulfate Methane hóa
Oxy, O2
Nitate, NO3
2-
đổi chất hiếu Khử nitrat
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 58
Trang 83.3 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật
Để có thể tái sinh và hoạt động một cách hợp lý, vi sinh vật cần có nguồn năng
lượng: carbon để tổng hợp tế bào mới và các nguyên tố vô cơ (chất dinh dưỡng) như
nitơ (N2), photpho (P), lưu huỳnh (S), canxi (C) và magie (Mg) Các chất dinh dưỡng
hữu cơ cũng cần thiết để tổng hợp tế bào
Nguồn Carbon Và Năng Lượng Hai nguồn carbon thông dụng nhất đối với
mô tế bào carbon hữu cơ và CO Những vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để tạo
thành mô tế tào được gọi là vi sinh vật dị dưỡng (Heterotrophs) Sự chuyển hoá CO2
thành mô tế bào hữu cơ là quá trình khử đòi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng Do đó,
các vi sinh vật tự dưỡng tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình tổng hợp hơn so với vi
sinh vật dị dưỡng Đây chính là nguyên nhân khiến cho tốc độ sinh trưởng của vi sinh
vật tự dưỡng thường thấp hơn
Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào có thể được cung cấp từ ánh sáng mặt
trời hoặc từ phản ứng oxy hoá hoá học Các vi sinh vật có thể sử dụng ánh sáng mặt trời
làm nguồn năng lượng gọi là vi sinh vật quang dưỡng (Photrophs) Các vi sinh vật
quang dưỡng có thể là vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn chuyển hoá lưu huỳnh) hoặc vi
sinh vật tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp) Các vi sinh vật lấy năng lượng từ các
phản ứng hóa học được gọi là Chemotrophs Cũng giống như vi sinh vật quang dưỡng
Chemotrophs cũng gồm hai loại: dị dưỡng hoá học (nguyên sinh động vật, nấm, và hầu
hết các vi khuẩn) và tự dưỡng hoá học (vi khuẩn nitrate hoá) Các vi sinh vật tự dưỡng
hoá học thu năng lượng từ quá trình oxy hoá các hợp chất vô cơ như amonia, nitrit và
hợp chất chứa lưu huỳnh Các vi sinh vật dị dưỡng hoá học thường thu năng lượng từ
quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ Sự phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng
và carbon của tế bào được trình bày trong (Bảng 3.2)
Bảng 3 2 : Phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào
Loại Nguồn năng lượng Nguồn cacbon
Tự dưỡng
• Quang tự dưỡng
• Hoá tự dưỡng
Dị dưỡng
• Dị dưỡng hóa học
• Quang dị dưỡng
Ánh sáng mặt trời P/ứng oxy hoá khử chất vô cơ P/ứng oxy hoá khử chất hữu cơ Ánh sáng mặt trời
CO2
CO2
Carbon hữu cơ Carbon hữu cơ Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993
Nhu cầu dinh dưỡng và các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật
Các chất dinh dưỡng, không phải là nguồn carbon hoặc năng lượng có thể là thành phần
hạn chế sự tổng hợp và phát triển tế bào vi sinh vật Các chất dinh dưỡng vô cơ cơ bản
cần thiết cho vi sinh vật bao gồm nitơ (N), lưu huỳnh (S), photpho (P), kali (K), magiê
(Mg), canxi (Ca), sắt (Fe), natri (Na) và clo (Cl) Các chất dinh dưỡng ít quan trọng hơn
bao gồm kẽm (Zn), mangan (Mn), molyden (Mo), selen (Se), Coban (Co), niken (Ni) và
tungsten (W)
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 59
Trang 9Bên cạnh các chất dinh dưỡng vô cơ, một số loại vi sinh vật cần cung cấp các
chất dinh dưỡng hữu cơ Mặc dù nhu cầu dinh dưỡng của các vi sinh vật khác nhau sẽ
khác nhau nhưng các chất dinh dưỡng hữu cơ có thể phân thành 3 loại chính như sau:
(1) amino acid, (2) purines và pyrimidines, và (3) vitamins
Sự dinh dưỡng của vi sinh vật và các quá trình chuyển hoá sinh học Mục đích
chính của hầu hết các quá trình chuyển hoá sinh học là chuyển hoá các chất hữu cơ có
trong chất thải thành các sản phẩm cuối bền vững Như vậy, để thực hiện được điều này,
các vi sinh vật dị dưỡng hóa học sẽ đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì chúng sử dụng
các hợp chất hữu cơ làm nguồn cung cấp carbon và năng lượng Phần chất hữu cơ của
chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) có chứa một lượng thích hợp các chất dinh dưỡng (cả
hữu cơ và vô cơ) cần thiết cho quá trình chuyển hoá sinh học chất thải Tuy nhiên, đối
với một số chất thải rắn từ khu thương mại, lượng dinh dưỡng sẵn có không đủ nên cần
bổ sung dinh dưỡng thích hợp để vi sinh vật có thể sinh trưởng và phân huỷ chất thải
hữu cơ
Điều kiện môi trường Những điều kiện môi trường, nhiệt độ và pH có ảnh
hưởng quan trọng đến sự sống và sinh trưởng của vi sinh vật Nói chung, quá trình phát
triển tối ưu của vi sinh vật chỉ xảy ra trong một khoảng dao động hẹp của nhiệt độ và
pH mặc dù chúng vẫn có thể tồn tại trong khoảng thời gian hạn rộng hơn nhiều Nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phát triển của vi sinh vật sẽ
tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên mỗi 100C cho đến khi đạt đến nhiệt độ tối ưu Theo
khoảng nhiệt độ mà vi sinh vật có thể hoạt động tốt nhất có thể phân thành
Psychrophilic, Mesophilic và Thermophilic (vi sinh vật ưa lạnh, ưa ấm và chịu nhiệt)
Khoảng nhiệt độ thích hợp cho từng loại vi sinh vật này được trình bày trong (Bảng
3.3)
Bảng 3 3: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật
Nhiệt độ 0C Loài vi sinh vật
Khoảng dao động Tối ưu Psychrphilic
Mesophilic
Thermophilic
10 – 30
40 – 50
45 – 75
15
35
55 Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993
Nồng độ ion hydro, biểu diễn dưới dạng pH, là yếu tố không quan trọng đối với
sự phát triển của vi sinh vật nếu dao động trong khoảng pH = 6 – 9 Thông thường, giá
trị pH tối ưu để vi sinh vật phát triển dao động trong khoảng 5 – 7 Tuy nhiên, khi pH
lớn hơn 9 hoặc thấp hơn 5 các phân tử acid yếu hoặc bazơ yếu có thể khuếch tán vào tế
bào dễ dàng hơn các ion hydro và hydroxyl, do đó làm thay đổi pH nội bào và phá huỷ
tế bào
Độ ẩm là một yếu tố môi trường quan trọng khác đối với sự sinh trưởng của vi
sinh vật (VSV) Độ ẩm của chất thải hữu cơ cần chuyển hoá sinh học phải được xác
định trước, đặc biệt là trong trường hợp làm phân compost theo qui trình khô Trong
nhiều trường hợp cần bổ sung nước để đạt được độ hoạt tính tối ưu của vi sinh vật Độ
ẩm tối ưu của quá trình làm phân compost hiếu khí dao động trong khoảng 50 – 60%
Nếu độ ẩm xuống thấp hơn 40%, tốc độ của quá trình sẽ bị chậm lại
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 60
Trang 10Quá trình chuyển hoá sinh học chất thải hữu cơ đòi hỏi hệ thống sinh học tồn tại
ở trạng thái cân bằng động học Để thiết lập và duy trì cân bằng động học, môi trường
không chứa các kim loại nặng, amonia, các hợp chất của lưu huỳnh và các thành phần
độc tính khác ở nồng độ tới hạn
4 COMPOST
Quá trình sinh học xảy ra trong quá trình làm phân compost tương tự như trong
bãi chôn lắp tuy nhiên hiệu quả để tạo thành một sản phẩm ổn định lại nhanh hơn rất
nhiều Mục đích của việc làm phân compost là chuyển hóa những hợp chất hữu cơ thành
những sản phẩm ổn định và có thể sử dụng để cải tạo đất hoặc bón cho cây trồng Ở
những nơi có mật độ dân số cao như Nhật, Trung Quốc, Ấn Độ … Compost được sử
dụng rộng rãi làm phân bón Ở những nước mà phân bón có hàm lượng khoáng cao,
compost đã không được sử dụng rộng rãi Compost được định hướng sử dụng rộng rãi
dưới hình thức cải tạo đất
Hình 3 3: Đống ủ compost
4.1 Quá trình làm phân compost hiếu khí
Quá trình làm phân compost hiếu khí là quá trình sinh học thường dùng để
chuyển hóa phần chất hữu cơ có trong CTRSH thành dạng humus bền vững gọi là phân
compost Những chất có thể sử dụng làm phân compost bao gồm (1) rác vườn, (2)
CTRSH đã phân loại, (3) CTRSH hỗn hợp và (4) kết hợp giữa CTRSH và bùn từ trạm
xử lý nước thải
Tất cả các quá trình làm phân compost đều xảy ra theo 3 bước: (1) xử lý sơ bộ
CTRSH, (2) phân hủy hiếu khí phần chất hữu cơ của CTRSH và (3) bổ sung chất cần
thiết để tạo thành sản phẩm có thể tiêu thụ trên thị trường Phương pháp windor, đổ
thành đống và thổi khí (Eareated Static Pile), và phương pháp ủ phân trong thùng
kín (In Vessel) là những phương pháp thường dùng
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 61
