Chơng Các trình sinh học để xử lý chất thải rắn Hiện giới chủ yếu áp dụng công nghệ sau để xử lý chất thải rắn đô thị: Công nghệ xử lý rác thành phân hữu cơ, thành khí CH để chạy máy phát điện Công nghệ thiêu đốt chất thải Chôn lấp Việc lựa chn phơng pháp xử lý tuỳ thuộc vào thành phần rác thải, mức độ kinh tÕ cđa tõng níc 6.1 C«ng nghƯ xư lý chÊt thải hữu vi sinh vật Tại thành phố đông dân mức đô thị hoá tăng cao mức sống ngày nâng cao lợng rác thải sinh hoạt ngày tăng việc tìm bãi đổ rác ngày 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 cần thiết Việt nam nớc nông nghiệp với 80% dân số sống nghề nông, công nghiệp cha phát triển rác sinh hoạt đô thị Việt nam có chứa nhiều thành phần hữu dễ phân huỷ vi sinh phơng pháp xử lý chất thải làm phân hữu ( compost) tạo khí biogas (CH4,) thích hợp Bảng Thành phần rác thải sinh hoạt 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 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 15,27 109 Làm phân hữu trinh sinh học vi sinh vật hiếu khí hoạt động chuyển hoá rác thải hữu thành chất mùn có độ dinh dỡng cao dùng để cải tạo đất làm phân bón cho trồng Ưu điểm xử lý rác thành phân hữu - Rác đợc tái chế thành phân hữu cung cấp cho nông nghiệp - Thay phần việc sử dụng phân hoá học không gây tổn hại cho trồng - Cải tạo đồng ruộng mặt vật lý ( giữ nớc, không khí phân bón) - Sử dụng dễ dàng an toàn - Giảm đợc lợng chất thải cần chôn lấp Các vấn đề tồn Tuy nhiên phơng pháp vấn đề tồn sau: - Gập nhiều khó khăn tiếp thị sản phẩm - Chất lợng sản phẩm cha ổn định - Diện tích đất để xây dựng nhà xởng lớn Làm phân hữu đợc áp dụng rộng rãi nhiều nơi giới đặc biệt nớc phát triển Ví dụ - Tại Trung Quốc : Nguyên liệu làm phân hữu đợc lấy từ phế thải ngời, động vật, thực vật, rác thải đô thị Các thành phần hữu rác thải hàng ngày thành phố Thợng Hải khoảng 2500 tấn/ngày, lợng rác đợc thu gom chuyển thành phân ủ nhà máy có công nghệ đơn giản - Việt nam có nhà máy làm phân hữu suất 30 000 m3/năm đợc xây dựng Hà nội thành phố Hồ Chí Minh, nhà máy vận hành thử nghiệm chi giải đợc 5% rác thải thành phố Hiện nhà máy phân hữu Cỗu Diễn mở rộng gấp đôi, dùng công nghệ Tây Ban Nha Một loạt nhà máy làm phân hữu để xử lý rác thải đợc xây dựng Nam Định, Huế, Hạ Long, Hải Phòng, Gia Rai, Qua trình phân huỷ sinh học chất hữu điều kiện yếm khí để tạo khí CH4 thờng xảy hầm biogas để xử lý phân rác động vật chăn nuôi, phân ngời bể phos, phân huỷ rác bãi chôn lấp Khí sinh học thu đợc dùng để làm chất đốt sinh hoạt, đốt thu hồi nhiệt để sản xuất phát địên 6.2 Cơ sở lý thuyết Quá trình phân huỷ vi sinh 110 Quá trình phân huỷ chất hữu vi sinh vật nhằm để ổn định chất thải, thu sản phẩm có lợi phân hữu ( phân huỷ hiếu khí) thu khí CH4 ( phân huỷ yếm khí) 6.2.1 Các vi sinh vật tham gia phân huỷ chất hữu Trong tự nhiên có nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn Chúng có khả chuyển hoá chất hữu cơ, vô phần tạo thành tế bào tạo sinh khối (bùn sinh học) phần phản ứng sinh lợng Q để cấp cho trình tạo khí (CO 2, H2O) ®iỊu kiƯn hiÕu khÝ hc (CH 4, CO2, H2S, NH3) điều kiện yếm khí Về hình dạng vi khuẩn đợc chia thành nhóm: Cầu khuẩn: đờng kính 0,5 1,0 m; Trùc khuÈn chiÒu réng 0,5 m, dài 1,5 m; Xoắn khuẩn rộng 0,5 m, dài 15 m Công thức hoá học hình thức vi khuẩn C 5H7NO2 đầy đủ C60H87O23N12P [ ] Phần phân huỷ sinh học chất hữu phụ thuộc vào hàm lợng lignin chúng: f ph = 0,83 - 0,028 Clignin Clignin - phần % lignin volatile chất thải hữu Ví dụ giấy báo có hàm lợng lignin 21,9% volatile phần phân huỷ sinh học 22%, chất thải thực phẩm có hàm lợng lignin 0,4% volatile nên phần phân huỷ sinh học 82% Chất dẻo khó bị phân huỷ sinh học Các chất hữu phân huỷ nhanh: Chất thải thực phẩm, giấy loại ( giấy báo, giấy quan, giấy cát tôn) Các chất hữu phân huỷ chậm: vải, cao su, da, gỗ 6.2.2 Phân huỷ hiếu khí chất hữu Proteins Amino acids Lipid + O2 + dd + vsv > ph©n compost Carbohydra tes + TB míi Chđ u Cellulose cellulose, lignin, Lignin tro, TB chÕt Tro + CO2 + H2O + NO3- + SO4-2 +Q hc cã thĨ viÕt 111 VSV CaHbOcNd +mO2 + dd > nCwHxOyNz + sCO2 + rH2O + (d-nz)NH3 +Q C©n b»ng C: a = nw + s H: b = nx + 2r + 3(d-nz) O: c + 2m = ny + 2s + r Rót 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 + H2O HNO + 0,5 O2 - > HNO NH3 + O2 > HNO + H2O T¬ng tự kể thêm 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 thành phần nguyên tố nguyên liệu làm phân hữu Thành phần CT thực phẩm Giấy hỗn tạp Vải Gỗ hỗn tạp Chất thải vờn Plastic hỗn tạp Cao su Da % kl Èm §é Èm, % 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 chất hữu chủ yếu Các chất hữu chủ yếu bị phân giải nhờ vi khuẩn, naams men, nấm môc, xạ khuẩn theo sơ đồ sau: Các phơng trình hình thức phân giải chất nh sau: Phân giải Cellulose: Cellulose Polysaccarit có nhiều gỗ, giấy, vải, thực vật Cellulose đợc cấu tạo -D-glucoza Các loài vi sinh vật có khả phân giải Cellulose nh: Vi khuÈn (Baccilus, Cellulomonas, Pseudomonas, …), X¹ khuÈn (Actinomyces, Streptomyces,…), nấm mốc (Aspergillus, Penicilium, Rhizopus, Mucor, ) Phơng trình phân gi¶i Cellulose nh sau: Xenlulaza Xenlubiaza (C6H10O5)n > n C12H22O11 - > 2m C6H12O6 C6H12O6 + O2 - > CO2 + H2O + Q Protein Axitamin A Oxaloaxetic Α αxetoglutari c A Fumaric Lipid Axit bÐo Gluxit Glyxerin Hexoza Glyxerophosp hat ATP A Piruvic Axetylcoenzi mA CT Krebs O2 H« hÊp NAD.H2, NADP.H2, FAD.H2 CO2 Hình 6.1 Triozophosp hat ATP Lên CO2men Etanol Lactat H2O Hớng chuyển hóa chất nhờ chuỗi hô hấp 113 Phân giải Hemicellulose: Hemicellulose thành phần phổ biến thực vật, đợc cấu tạo từ phân đờng Pentoza tồn tự nhiên chủ yếu dạng Xylan Các loài vi sinh vật có khả 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 thực vật, gỗ, giấy, Cấu trúc lignin phức tạp và hợp chất khó phân huỷ Các vi sinh vật phân hủ lignin: Vi khn (Baccilus, Pseudomonas, …), nÊm mơc tr¾ng hay nấm mục nâu (Spoỏtichium, Mescheria,) Phân giải Protein Protein thành phần quan trọng cấu trúc động thực vật Các vi sinh vật phân huỷ Protein: Vi khuÈn (Baccilus, Pseudomonas, MycoidÐ, Fluorecent, E Coli …), X¹ khuÈn nh (Streptomyces, Griseus…), nÊm (Aspergillus, Penicilium, Rhizopus, Mucor, camemberti…) C¬ chế phân giải: Proteaza amin Protein > Polipeptit H2O Peptidaza Khö - > Axitamin > Axit hữu + Rợu hữu + NH3 > CO2 + Phân giải Lipit Lipit thành phần quan trọng động thực vật Các vi sinh vật ph©n hủ Lipit: Vi khn (Bacterium, Pseudomonas, Pyocya,…), nÊm (Aspergillus, Penicilium, ) Cơ chế phân giải: Lipaza 114 Lipit > Glycerin > CH3CO-COOH > CrÐp > CO2 + H2O Oxyhãa Axit bÐo > CH3CO-CoA > CrÐp > CO2 + H2O Phân giải tinh bột Tinh bột đợc coi nguồn lợng dễ sử dụng tế bào vi sinh vật Cơ chế phân giải nh sau: Amilaza Tinh bét > Mantoza Amilaza đờng phân (C6H10O5)n > n C12H22O11 - > 2m C6H12O6 > Tinh bét Mantoza Glucoza > CH3COCOOH - > Crep - > CO2 + H2O + Q Quá trình nitrat hoá Đây trình chuyển hoá NH thành NO3- để không thất thoát Nitơ môi trờng Phản ứng diÔn nh sau: NH4+ + OH - + - O2 H2O > H+ + NO2- + NO + O2 > NO32 Quá trình Sun phat hoá Đây trình chuyển H2 S thành dạng SO42- nhờ giảm đợc mùi: H2S + O2 > 2H+ + SO42- 115 6.3 Quá trình làm phân hữu (compost) Quá trình làm phân hữu (compost) từ nguyên liệu hữu thực hiẻn theo sơ đồ phàn hủy hiếu khí trên, điều kiện độ ẩm, thông khí đủ chất đinh dỡng vi sinh vật thực chuyển hoá chất hữu để giải phóng lợng phục vụ cho trình sống đồng thời xây dựng tế bào để sinh sôi phát triển 6.3.1 Qui luật phát triển VSV: Trong môi trờng nuôi cấy VSV phát triển qua giai đoạn sau: Giai đoạn thích nghi: Trong giai đoạn VSV dần thích nghi với môi trờng tế bào tăng kích thớc nhng cha tăng số lợng X, X0 mật độ tế bào thời điểm t t = Tốc độ sinh trởng tế bào giai đoạn dX/dt = nên X = X0 Giai đoạn phát triển logarit: Trong giai đoạn tốc độ sinh trởng tế bào dX/dt = X Tốc độ sinh trởng riêng tế bào phụ thuộc vào điều kiện môi trờng nh pH, T, nồng độ bàn chất chất, nồng độ chất kìm hãm,Để đơn giản hoá tốc độ sinh trởng VSV thờng đợc biểu diễn phơng trình bậc ( phơng trình Monod) = max S / (Ks + S) dX/dt = max S X / (Ks + S) max tốc độ sinh trởng riêng cực đại cđa tÕ bµo , d -1, h -1 S – nồng độ chất, mg/l Ks số tốc độ Giá trị Ks max xác định thực nghiệm: Giai đoạn ổn định: số tế bào đợc hình thành số tế bào bị chết Giai đoạn chết: Các tế bào bị chết chiếm u 116 Giai đoạn nội sịnh: Các tế bào chết đợc dùng làm chất cho vi sinh vật Trên hình vẽ cho thấy suy giảm nồng độ chất tơng ứng với phát triển biomass lờng chất đợc xử lý theo thời gian thiết bị hoạt động gián đoạn Lg (số tế bào/m3) S CHC lại g/đ ổn định g/đ ph tr e g/đ chết t Lợng CHC đợc xư lý Bioma ss g/® néi sinh g/® th nghi Thời gian Hình 6.2 Sự phát triển VSV thiết bị gián đoạn Thời gian Hình 6.3 Sự phân huỷ chất hữu phát triển biomass 6.3.2 Các yếu tố ảnh hởng tới chất lợng hiệu suất trình làm phân hữu 6.3.2.1 Nguyên liệu làm phân hữu Các rau thừa, chất thải thực phẩm, giấy, gỗ, rơm, rạ, cây, cỏ dùng làm nguyên liệu làm phân hữu chúng có chứa thành phần Protein, Axitamin, Lipit, Xenluloza, Hemixenluloza, cã thĨ ph©n hủ nhê vi sinh vật Thành phần nguyên liệu: Mỗi loại nguyên liệu có chứa lợng protit, cellulose, lipit, khác 117 Bảng Thành phần hoá học số loại rau qu¶ TT Loại Rau muống Rau giền Bí xanh Bắp cải Rau cần Khoai tây Củ cải Su hào Súp l¬ Níc 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 vÕt - 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 thành phần không bị vi sinh vật phân huỷ: gạch, đất, đá, thuỷ tinh, sắt , thép, nilon, tách vật thải kích thớc lớn, tách chất thải nguy hiểm làm tăng chất lợng nguyên liệu đầu vào làm phân hữu 6.3.2.3 Nghiền rác Làm giảm kích thớc rác, tăng diện tích tiếp xúc với không khí vi sinh vật đồng thời nghiền rác làm lỏng lỴo cÊu tróc tinh thĨ cđa xenlulose gióp vi sinh vật hoạt động hiệu hơn, nghiền rác tới khoảng < cm thích hợp cho trình làm phân hữu 6.3.2.4 Phối trộn Tùy thuộc vào thành phần rác sinh hoạt mà tỷ lệ ban đầu cđa C:N cã thĨ tõ 35 – 60 Trén r¸c víi Èm vµ bỉ xung N, P cÊy vi sinh vật đạt tỷ lệ C: N = 20: - > 30 : Các vi sinh vật cần C N để tổng hợp nên tế bào Khi phân tích tế bào có 80% nớc 20% chất khô Trong chất khô gồm 90% chất hữu (C5H7NO2), 10% chất vô P2O5 Na2O CaO MgO K2O Fe2O3 50 11 nguyên tố vi lợng Co, Ni, Cu Công thức thực nghiệm phần hữu cđa tÕ bµo vi sinh vËt lµ C60H87O23N12P cho phÐp tính lợng N, P theo lý thuyết cần cho việc xây dựng tế bào Tuy nhiên trình phân huỷ chất hữu việc xây dựng tế bào vi sinh vật khoáng hoá chất hữu thành CO2 H2O để tạo lợng cấp cho trình sinh hoá 118 6.4.1 Cơ sở lý thuyết Phân huỷ yếm khí chất hữu Proteins Amino acids Lipid Carbohydra tes Cellulose Lignin + H2O + dd + VSV -> TB míi + chÊt cha ph©n hủ ( bïn) + CH4 + CO2 + H2S + NH3 +Q 6.4.1.1 Phơng trình phân huỷ yếm khí chất hữu CaHbOcNd + r H2O + dd (d- nx) NH3 + Q VSV > n CwHxOyNz + m CH4 + s CO2 + ViÕt PT c©n b»ng: C: a = nw+ m + s H: b + r = n x + m + (d – n x) O: c + r = ny + 2s N: ThÓ tích khí tạo xác định từ phơng trình sau, coi thành phần hữu chất thải CaHbOcNd ( trừ chất dẻo) bị phân huỷ hoàn toàn điều kiện yếm khí thành CH ,CO2 vµ NH3 : CaHbOcNd + +(4a - b - 2c + 3d) H 2O (4a + b - 2c 3d) CH (4a - b + 2c + CO + d NH 3d) thể tích khí bãi rác tạo thành phân hủy phần hữu chất thải sinh hoạt khoảng 200-300 m3 / 6.4.1.2 Sơ đồ tóm tắt trình phân huỷ Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân (hydrolyse) Các hợp chất hữu có phân tử lợng lớn nh protein, gluxit, hydrocacbon, lipid, bị phân huỷ dới tác dụng enzim hydrolaza VSV thành hợp chất có khối lợng phân tử thấp 127 đơn giản nh đờng, axitamin, axit hữu cơ, Trong giai đoạn thông thờng hydrocacbon chuyển hoá trớc , hợp chất protein phân giải chậm hơn, hợp chất lignocellulose, melanoid khó phân huỷ Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu (Axitogene) Các sản phẩm thuỷ phân bị VSV hấp thụ chuyển hoá Các axit hữu phân tử lợng nhỏ nh axitlactic, axxit béo, rợu chất trung tính khác đợc hình thành lên men đờng, phân giải axit béo khử amin Ngoài số khí đợc tạo thành nh CO2, H1, H2S, Đặc biệt giai đoạn Nitơ đợc chuyển thành NH 4+ tồn dạng này, phần nhỏ chúng đợc sử dụng để xây dựng tế bào sản phẩm 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 bÐ 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,… C¬ chÊt cho methan ho¸: H2; CO2; HCOOH; CH3OH; CH3COOH: (CH3)3N: CO, Meth an hoá CH4 & CO2 Hình 6.7 Cơ chế hình thành CH4 & CO2 từ trình phân huỷ yếm khí chất hữu Ví dụ chuyển ho¸ a xit lactic 3C3H6O3 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + 2H2O Oxyhoas liªn kết axit béo chế oxyhoas khö R – CH3CH2COOH + 2H2O - Rn-2 COOH + CH3COOH Giai đoạn 3: Giai đoạn metan hoá (metanogene) 129 Các sản phẩm trung gian giai ®o¹n nh CO2, H2 , CH3COOH, … sÏ chun hoá đến sản phẩm cuối CH CO2 dới tác dụng vi khuẩn Metanogen điều kiện yếm khí Khoảng 70% khí CH4 đợc tạo thành nhờ trình decaboxyl hoá axit hữu chất trung tính khác Ví dụ: CH3COOH - CH3CH2COOH CH3(CH2)2COOH CH3COCH3 - CH3CH2OH CH4 + CO2 7CH4 + 5CO2 + 2H2O 5CH4 + 3CO2 + 2H2O 2CH4 + CO2 + 2H2O 3CH4 + CO2 Khoảng 30% khí CH4 tạo thành trình khö CO2 Khö CO2 b»ng H2 CO2 + 4H2 CH4 Khö CO2 b»ng oxyhoas khö 4NADH CO2 + 2H2O 4NAD CH4 + 2H2O 6.4.1.3 Thành phần khu hệ VSV phân giải yếm khí phụ thuộc vào thành phần chất hữu cần phân giải: VSV tham gia vào trình thuỷ phân axit hoá Phân huỷ cellulose có vi khn: Bacillus, Pseudomonas, Acaligenes Ph©n hủ tinh bét: Micrococus, Lactobacillus, Pseudomonas, Sper Clostridium Ph©n hủ protein: Bacillus, Clostridium, Proteur, E.Coli Phân huỷ Lipid: Bacillus, Pseudomonas, Acaligenes, Bacterioides Phần lớn vi khuẩn thuỷ phân lên men axit hữu nhạy cảm với môi trờng Chúng phát triển giải pH = Tuy nhiên pH tối u 7, nhiệt độ 33 40oC Vi khuÈn axetogene t¹o axit axetic: Syntrophobacter woloni, Syntro Wolfei, Suntro Buswweni Nhiệt độ tối u 33 40oC, pH = Vi khuÈn khö Sunphat: Selenomonas, Clostridium, Dasolfovibrio môi trờng hỗn hợp với vi khuẩn metan hoá tạo sản phẩm chu yếu axit axetic Nhãm vi khuÈn Homoacetogen t¹o axit axetic tõ CO H2 theo phản ứng 2CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2O 130 - - Vi khuÈn metan ho¸: Metanthancocus, Metanthanbacterium, Metanlosarrcina phát triển nhiệt độ 35 38oC, pH = 7,5 vµ Metanobacillus, Metanospirrillum, Metanothrix phat triĨn ë 55 60oC Vi khn lªn men Metan mẫn cảm với O đòi hỏi môi trờng yếm khí nghiêm ngặt pH tối u = 6,8 7,5 6.4.2 Các yếu tố ảnh hởng tới trình phân huỷ yếm khí Quá trình phân huỷ yếm khí chất hữu vi sinh vật chất nhận điện tử số gốc vô nh NO3-, SO42-, CO2 Trong trình thờng ni tơ NO 3- bị khử ®Õn N2, lu hnh SO42- bÞ khư ®Õn S2- , CO bị khử kết hợp với hyđro tạo thành CH4 ảnh hởng loại chất: Tuỳ chất chất hữu mà trình phân huỷ nhanh hay chậm Các chất thực phẩm , phân rác dễ phân huỷ sinh học Các chất hữu chứa Cl , chất hữu đa vòng thuộc loại khó phân huỷ sinh học Nồng độ chất: Vi khuẩn thực trình phân huỷ yếm khí có tốc độ tạo sinh khối nhỏ Thông thờng hệ số taọ sinh khối đạt 0,100 0,136 từ BOD5 Thùc nghiƯm cho thÊy tØ lƯ C/N = 30/1 lµ thích hợp Ngoài cần bổ sung nguyên tố P, K,tuỳ thành phần chất cần phân huỷ Chđng lo¹i vi sinh vËt: Chđng lo¹i vi sinh vËt phải thích hợp với phân huỷ chất có nguyên liệu ảnh hởng T: Nhiệt độ tối u cho toàn trình phụ thuộc vào chủng loại VSV, nhiệt độ ảnh hởng lớn tới hoạt lùc cđa VSV Vỵi VSV u Êm T tèi u = 33 38oC, víi VSV u nãng T tèi u = 50 52oC Ngêi ta dïng chñ yÕu VSV u ấm thiết bị có hệ thống điều chỉnh ổn định T độ pH: Khoảng pH tối u 7,2 Mặc dù khoảng vận hµnh cã thĨ cho phÐp lµ 6,6 7,6 ë giá trị pH tháp ví dụ 5,5 vi khuẩn Metan bị ức chế mạnh Cần trang bị hệ thống đo điều chỉnh pH cho thiết bị Nếu pH xuống thấp bổ xung kiềm ngừng cấp liệu để giảm trình thuỷ phân axit hoá Điều kiện môi trơng: Trong giai đoạn methanhoá phải mặt oxy Tải trọng khối kgCOD/m 3.ngày: Tải trọng cao dẫn đến d thừa axit hữu làm giảm pH, ức chế trình phát triển vi khuẩn Metan Tải trọng thấp làm giảm st cđa thiÕt bÞ 131 Thêi gian lu: Thêi gian lu thờng khoảng 0,5 ngày Thời gian lu ngắn hiệu xuất xử lý không cao Thời gian lu dài làm giảm suất xử lý tăng vốn đầu t thiết bị Thế oxy hoá khử ( hàm lợng H2) giai đoạn tạo axit axetic: Các phản ứn oxy hoá khử sản phẩm trung gian nh Lâctt, Etanol, butyrat, Propionat tạo acetat H2 theo 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 KhÝ H2 sinh đợc phản ứng tiếp tạo CH4 nhờ vi khuẩn Metan hoá Nếu trình bị ngừng trệ trình axetic hoá 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 h¬i 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 ®éc 2500 4500; 8000 cùc kú ®éc 1000 1500 ; 3000 cùc kú ®éc 2500 4500; 12000 cùc kú ®éc 3500 5500; 8000 độc Chất kìm hãm Cu 2+ Nồng ®é ¶nh hëng, mg/l 0,5 Cr 6+ Cr 3+ Ni 2+ ** 500 Cd 150 mmol/kg chÊt kh« 1710 mmol/kg chất khô Fe khoảng pH = 6,6 7,4 với dung dịch đệm thích hợp, nồng ®é axit dƠ bay h¬i ë 6000 8000 mg/l đợc chấp nhận ** Ni thúc đẩy metan hoá nồng độ thấp Tuỳ thuộc vào nhu cầu vi khuẩn Metanogen 6.4.3 Dây chuyền công nghệ phân huỷ yếm khí chất hữu 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 từ GiÊy Plastic Cao su Thủ tinh Kim lo¹i CTNH Kim loại Nghiền < 20 mm N ớc Hoá chất đ/ch PH CÊp nhiƯt Thïng trén Ph©n hủ m khÝ (3 thïng, khy trén) BĨ 1: 37OC, ngµy BĨ 2: 55OC, ngày Bể 3: 38 OC, ngày Đất cát đem chôn lấp Bùn đem ủ làm phân hữu c¬ KÐt khÝ 400m3 CH4: 65-70%; CO2: 3035% Xư lý H2S, Tách ẩm Chạy máy phát điện Hình 6.8 Sơ đồ công nghệ xử lý chất thải rắn sinh hoạt phân huỷ yếm khí (Công nghệ Đức) 6.4.4 Các dạng thiết bị thờng gặp 133 Thiết bị yếm khí tiếp xúc: Cấu tạo : Gồm thiết bị, bên có lắp cánh khuấy để tăng cờng tiếp xúc bùn VSV với chất thải Khí biogas Thiết bị yếm khí tiếp xúc Dòng Bể lắng Bơm bùn Bùn tuần hoàn Dòng vào Hình 6.9 Sơ đồ thiết bị yếm khí tiếp xúc Nguyên lý làm việc: Đa bùn VSV vào thiết bị Dòng chất thải liên tục vào thiết bị từ dới lên Bùn VSV chất đợc tiếp xúc tốt nhờ khuấy trộn, xảy trình phân huỷ yếm khí Khí Biogas đợc lấy phía Chất lỏng sau xử lý đa qua bể lắng để lắng bùn, bùn đợc tuần hoàn thiết bị yếm khí nhờ bơm u điểm: Vận hành đơn giản Tiếp xúc tốt bùn VSV chất Nhợc điểm: Tốn lợng để khuấy, cần thiết bị lắng bùn, thể tích thiết bị lớn Thiết bị yếm khí loại tầng sôi: Khí biogas Khí biogas Dòng Bơ m tuầ n hoà n Dòng vào Hình 6.10 Thiết bị yếm khí tầng sôi Đệ m Dòng Dòng vào Hình 6.1 Thiết bị yếm khí loại đệm 134 Vi sinh vật đợc cố định lên hạt chất mang vô nh cát hữu nh hạt plastic nhờ bề mặt tiếp xúc pha VSV chất đạt đợc 1000 2000 m2/m3 , 95% số tế bào VSV đợc cố định chất mang Các hạt chất mang đợc giữ trạng thái lơ lửng (tầng sôi) Phía thiết bị có kết cấu để giảm trôi hạt chất mang chứa vi sinh vật 6.4.5 Phân huỷ yếm khí nồng độ chất thải rắn cao thấp 6.4.5.1 Phân hủy yếm khí nồng độ pha rắn thấp (4-10%) Phân hủy yếm khí nồng độ pha rắn thấp thờng dùng nhiều để phân hủy phân ngời, phân động vật chất thải sinh hoạt để thu khí CH4 Quá trình gồm bớc: Bớc 1: Chuẩn bị nguyên liệu ( tiếp nhận nguyên liệu, phân loại, giảm kích thớc Bớc 2: Bổ sung nớc, dinh dỡng phối trộn, điều chỉnh PH 6,8 cấp nhiệt để đa phối liệu lên 55 60OC thực điều kiện yếm khí Bớc 3: Thu khí, thêm việc xư lý bïn sau ph©n hđy 6.4.5.2 Ph©n hđy m khí nồng độ pha rắn cao (> 22%) Đây kỹ thuật áp dụng để xử lý chất thải rắn sinh hoạt để thu khí CH4 để phát điện chạy nồi Ưu điểm trình sử dụng nớc suất tạo khí / đơn vị thể tích thiết bị cao Quá trình gồm bớc nh miêu tả cho phân hủy yễm khí nồng độ pha rắn thấp, khác nồng độ cao nên ảnh hởng thông số môi trờng lên trình mạnh Ví dụ Hàm lợngNH3 lớn gây ngộ độc cho vi khuẩn Methan gây ổn định cho hệ thống Các thông số làm việc thiết bị phân huỷ yếm khí nồng độ cao nồng độ thấp Các thông số Nồng độ pha rắn Nhiệt độ, OC Phaan huỷ chầt volatil chất thải Phân huỷ nồng độ cao 20 35 % (điển hình 22 28 %) 30 38 ®v mesophilic 55 60 ®v thermophilic 90 98 % Phân huỷ nồng độ thấp 810% (điển hình 10%) 30 38 đv mesophilic 55 60 ®v thermophilic 60 80 % 135 Tổng chất rắn bị phân huỷ Lợng khí tạo thành Tuỳ vào hàm lợng lignin nguyên liệu 0,625 m 3/ kg rắn volatil bị phân huỷ (50% CH4; 50% CO2) Tốc độ nạp Thời gian lu thủ lùc vµ thêi gian lu cđa tÕ bµo KÝch thớc pha rắn Thiết bị khuấy Tỉ lệ trộn CTR víi bïn kg/m 3ngµy 20 30 ngµy víi thêi gian lu cđa bïn 40 60% 0,5 0,75 m 3/ kg rắn volatil bị phân hủ (55% CH4; 45% CO2) 0,6 1,6 kg/m 3ngµy ngày; 20 ngày Nghiền đến kích thớc không ảnh hởng tới bơm khuấy Tuỳ vào loại thiết bị phản ứng Khuấy khí Tuỳ vào đặc trng bùn 60% Ví dụ 6.1 Xác định thành phần hoá học hình thức chất hữu rác không kể S ẩm Tính lợng O2 cần cấp làm phân hữu Tính lợng khí CH4 CO2 tạo thành phân huỷ yếm khí Lợng rác 100 với thành phần nh sau Thành phần Chất thải thực phẩm Giấy vụn Lá Gỗ Vải Đồ nhựa Cao su Tổng %Khố i lợng ẩm, 48,6 Độ ẩm, % kl 70,0 %Khối lợng nguyên tố, theo thành phần khô C H O N S Tro 48,0 6,4 37,6 2,6 0,4 5,0 2,9 10,2 2,0 0,6 1,3 2,3 67,9 10,2 60,0 20,0 10,0 0,2 1,2 43,4 47,8 49,5 48,0 60,8 69,7 5,8 6,0 6,0 6,4 6,4 8,7 44,3 38,0 42,7 40,0 22,8 - 0,3 3,4 0,2 2,2 - 0,2 0,3 < 0,1 0,2 1,6 6,0 4,5 1,5 3,2 10,0 20,0 Giải Từ thành phần rác ẩm ta tính đợc khối lợng thành phần rác ẩm: GA = Grác x %A Từ độ ẩm ta tính đợc khối lợng khô thành phần: Gkhô A = Gẩm A ( w) w - độ ẩm thành phần A đó, % kl Từ thành phần C, H, O, N, S, tro thành phần khô A ta tính đợc khối lợng nguyên tố Kết đa bảng dới đây: Thành phần Khối lợng nguyên tố, theo thành phần khô,kg 136 Chất thải thực phẩm Giấy vụn Lá Gỗ Vải Da Cao su Tổng Khối lợng ẩm, 48,6 Khối lợng khô, 34,0 2,9 10,2 2,0 0,6 1,3 2,3 67,9 2,6 4,08 1,6 0,54 1,17 2,272 46,26 C H O N S Tro 1632 1128 1950 792 259 702 1584 2273 2176 1278 1152 1550 683 216 136 1652 884 136 1700 139 12 117 1163 12 156 184 24 17 117 454 2652 151 245 96 35 94 198 2995 a CO2 + ( - ) H2O + d NH3 áp dụng cho chất hữu ví dụ lµ C22,8H35,7O12,4N + 24,78 O2 - > 22,8 CO + 16,35 H2O + NH3 521,7 17 793,0 1003,3 294,3 VËy cø 521,7 kg phÇn hữu C22,8H35,7 O12,4N cần 793 kg O2 để ph©n hủ kg x kg O 793 x X = = 1,52 kg O2/kg phần hữu BVS 521,7 Xác định lợng O2 lý thuyết yêu cầu để phân huỷ chất thải sinh hoạt có chứa 348,8 kg BVS bị biến ®ỉi sinh häc GOXY = = = GBVS ph©n hủ x 1,52 kg O2/kg phần hữu BVS 348,8 kg x 1,52 kg O2/kg phần hữu BVS 530,2 kg O2 138 Xác định Thể tích không khí điều kiện tiêu chuẩn cung cấp thực tế cho trình làm phân hữu ( Oxy chiếm 23,5% khối lơng không khí, khối lợng riêng không khí điều kiện tiêu chuẩn OOC, 760 mmHg 1,29 kg/m3 100% V kh«ng khÝ thùc tÕ = G OXY -23,5% x 1,29 kg/m3 100% = x 530,2 kg O2 x -23,5% x 1,29 kg/m3 = 3498 m3 Phân bố không khí 3498 m3 cho ngày làm phân hữu là: 20%: 35%: 25%: 15%: 5% t¬ng øng 699.6 m3: 1224,3m3: 874,5m3: 524,7 m3: 174,9 m3 Trong thùc tÕ mét sè chất hữu bị vi sinh vật chuyển hoá thành tế bào cần có O2 lấy hệ số cung cấp d là phù hợp Do ngày thứ cần lợng không khí cao nên thiết kế thiết bị cần tính cho ngày thứ để đảm bảo trình Ví dụ 6.3 Xác định lợng khí tạo phân huỷ yếm khí phần hữu chất thải sinh hoạt Giả thiết phần hữu chất thải sinh hoạt có thành phần nh ví dụ 6.2.1 C22,8H35,7O12,4N Giả thiết hiệu suất phân huỷ 75%, phần không phân huỷ lại bùn Giải Tổng lợng phần hữu 100 chất thải sinh hoạt 67,9% bao gồm ẩm (Xem ví dụ 6.2.1) Khối lợng khô tơng ứng 46262 kg lợng tro tơng ứng 2652 kg Xác định phần chất hữu bị phân huỷ yếm khí GBVS phân huỷ = Gchất hữu khô x 0,75 = (G kh« = ( 46262 kg – 2652 kg) x 0,75 = 32708 kg - G tro) x 0,75 Xác định lợng khí phát sinh theo phơng trình phản ứng: 4a - b - 2c + 3d 3d CaHbOcNd + ( ) H2O 4a + b - 2c - > ( ) CH4 139 4a - b + 2c + 3d + ( ) CO2 + d NH3 C22,8H35,7O12,4N + 8,43 H 2O > 12,39 CH + 10,41 CO2 + NH3 458,0 521,7 17 151,7 198,2 Vậy lợng khí tạo thành ứng với kg chất hữu bị phân huỷ theo phơng trình là: 198,2 G (CH4) = = 0,38 kg CH4 /kg chất hữu 521,7 V (CH4) = 0,38 x (22,4 m3 / 16 kg ) = 0,53 m CH4 / kg chÊt hữu 458,0 = 0,88 kg CO2 /kg chất hữu 521,7 V (CH4) = 0,88 x (22,4 m3 / 44 kg ) = 0,45 m CO2 / kg chÊt G (CO2) = hữu 17 = 0,03 kg NH3 /kg chÊt h÷u c¬ 521,7 V (NH3) = 0,03 x (22,4 m3 / 17 kg ) = 0,04 m NH3 / kg chất G (NH3) = hữu Xác định thành phần hỗn hợp khí khô % CH4 = 0,53 m3 / ( 0,53 m3 + 0,45 m3 + 0,04 m3 ) = 52% % CO2 = 0,45 m3 / ( 0,53 m3 + 0,45 m3 + 0,04 m3 ) = 44% % NH3 = 0,04 m3 / ( 0,53 m3 + 0,45 m3 + 0,04 m3 ) = 4% Xác định tổng lợng khí phát sinh 100 chất thải Trên sở chất hữu khô bị phân huỷ 32815 kg Vkhí = 32708 kg x (0,53 m3 + 0,45 m3 + 0,04 m3 ) = 33362 m3 khí 140 Xác định lợng khí phát sinh chất thải V khí/tấn chÊt th¶i = 33362 m3/100 tÊn = 333,62 m3/tÊn chÊt thải Tài liệu tham khảo George Tchobannoglous, Hilary Thelsen, Samuel Vigil Integrated Solid Waste Management Engineering Principles and Management Issues 1993 Michael D LaGrega, Phillip I Buckingham, Jeffrey C Evans,… Hazardous Waste Management 1993 Keva Environmental Technology Catalogue Korea environmental venture association 2001 Global Enoironment Centre Foundation Waste treatment Technology in Japan Composting of yard Trimmings and Municipal solid waste USEPA Office of Solid waste and emergency response, 1995 Lê Ngọc Tú Hoá sinh công nghiệp Nhà xuất khoa học kỹ thuật 1998 Dự án nhà máy xử lý rác thải sinh hoạt 300 tấn/ngày công nghệ phân huỷ yếm khí để chạy máy phát điện Dự án nhà máy làm phân hữu Cầu Diễn 60.000 tấn/năm 141 ... ¶nh hëng lín tíi sù ph©t triĨn cđa vi sinh vật ảnh hởng tới tốc độ phản ứng sinh hoá xảy tế bào vi sinh vật ảnh hởng nhiệt độ lên tốc độ phát triển tế bào vi sinh vật biểu diễn theo phơng trình... huỷ sinh học Các chất hữu chứa Cl , chất hữu đa vòng thuộc loại khó phân huỷ sinh học Nồng độ chất: Vi khuẩn thực trình phân huỷ yếm khí có tốc độ tạo sinh khối rÊt nhá Th«ng thêng hƯ sè tậ sinh. .. lignin 21,9% volatile phần phân huỷ sinh học 22%, chất thải thực phẩm có hàm lợng lignin 0,4% volatile nên phần phân huỷ sinh học 82% Chất dẻo khó bị phân huỷ sinh học Các chất hữu phân huỷ nhanh: