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:
CaHbOcNd + 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
NH3 + 2O2 H2O + HNO3 (3-4)
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.
• 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:
4H2 +CO CH4 + 2H2O (3-5) 4COOH CH4 + 3 CO2 + 2 H2O (3-6) CH3COOH CH4 + CO2 (3-7) 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O (3-8) 4(CH3)3N + 6H2O 9CH4 + 3 CO2 + 4NH3 (3-9) 4CO + 2H2O CH4 + 3CO2 (3-10) 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 µ = (3-11) 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
R kS
dt
= = − (3-12)
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.