3. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN
3.1 Phương pháp làm khô
Mặc 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 (Noiklevà 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:
( ) 1 2 1 2 2 1 dt dS dS dS R k S k S dt dt = = = = − + (3-13)
Nồng độ cơ chất S và S nếu biểu diễn theo nồng độ chất rán bay hơi tương ứng với
+ k2VS2) (3-14)
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= (-k1VS1 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
R= - rC (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
R −kVS (3-16)
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 n⎛ − = − ⎜
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. ⎟
⎝ ⎠ (3-18)
4 4max
khí methane cực đại tạo thành từ phần cơ chất hữu cơ. Như vậy, bằng cách đo đạc lượng
YẾU TỐẢNH 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
trên 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
Khuẩn 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
Bảng 3. hận điện tử tro sinh vật.
M g Ch tử
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
ôi trườn ất nhận điện Quá trình
Hiếu khí Kỵ khí Sulfate, SO4 Khí Carbonic, CO2 Trao khí Khử sulfate Methane hóa Oxy, O2 Nitate, NO3 2- đổi chất hiếu Khử nitrat
3.3 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).
Bên 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