Các quá trình chuyển hĩa sinh học phần chất hữu cơ cĩ trong CTRĐT cĩ thể áp dụng để giảm thể tích và khối lượng chất thải, sản xuất phân compost dùng bổ sung chất dinh dưỡng cho đất và sản xuất khí methane. Những vi sinh vật chủ yếu tham gia quá trình chuyển hĩa sinh học các chất thải hữu cơ bao gồm vi khuẩn, nấm, men và antinomycetes. Các quá trình này cĩ thể được thực hiện trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí, tùy theo lượng oxy sẵn cĩ. Những điểm khác biệt cơ bản giữa các phản ứng chuyển hĩa hiếu khí và kỵ khí là bản chất của các sản phẩm tạo thành và lượng oxy thực sự cần phải cung cấp để thực hiện quá trình chuyển hĩa hiếu khí. Những quá trình sinh học ứng dụng để chuyển hĩa chất hữu cơ cĩ trong CTRĐT bao gồm quá trình làm phân compost hiếu khí, quá trình phân hủy kỵ khí và quá trình phân hủy kỵ khí với ở nồng độ chất rắn cao.
Động Học Quá Trình Phân Hủy Kỵ Khí CTR Hữu Cơ
Quá trình phân hủy kỵ khí . Quá trình chuyển hĩa các chất hữu cơ của CTRĐT dưới điều kiện kỵ khí xảy ra theo 3 bước. Bước thứ nhất là quá trình thủy phân các hợp chất cĩ phân tử lượng lớn thành những hợp chất thích hợp dùng làm nguồn năng năng lượng và mơ tế bào. Bước thứ hai là quá trình chuyển hĩa các hợp chất sinh ra từ bước 1 thành các hợp chất cĩ phân tử lượng thấp hơn xác định. Bước thứ 3 là quá trình chuyển hĩa 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 hĩa phần chất hữu cơ của CTR thành sản phẩm cuối bền vững. Một nhĩm vi sinh vật cĩ nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử và lipid thành các thành phần xây dựng cấu trúc như acid béo, monosacharic, amino acid và các hợp chất liên quan. Nhĩm vi sinh vật kỵ khí thứ hai lên men các sản phẩm đã cắt mạch của nhĩm 1 thành các acid hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acetic acid. Nhĩm vi sinh vật thứ hai được gọi là nonmethanogenic bao hồm các vi sinh vật kỵ khí tùy tiện và vi sinh vật kỵ khí bắt buộc. Nhĩm vi sinh vật thứ 3 chuyển hĩa hydro và acetic acid thành khí methan và CO2. Vi sinh vật methane hĩa chỉ cĩ thể sử dụng một số cơ chất nhất định để chuyển hĩa thành
methane như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines, và CO. Các phương trình chuyển hĩa xảy ra như sau:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O 4COOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH → CH4 + CO2 4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + 6H2O→ 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 4CO + 2H2O→ CH4 + 3CO2
Một cách tổng quát, quá trình chuyển hĩa kỵ khí phần chất hữu cơ cĩ trong CTRĐT cĩ thể mơ tả bằng phương trình sau:
CaHbOcNd→ nCwHxOyNz + mCH4 + sCO2 + rH2O+ (d – nx) NH3 Trong đĩ s = a – nw – m và r = c – ny – 2s.
Động học quá trình phân hủy kỵ khí. Tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí phụ thuộc vào điều kiện mơi trường và các thơng sốđộng học. Để dựđốn và xác định tốc độ phân hủy kỵ khí của các phức trong thành phần hữu cơ của CTRĐT, động học quá trình là nội dung cơ bản cần được hiểu rõ. Nhiều nghiên cứu động học quá trình chuyển hĩa sinh học, đặc biệt là quá trình chuyển hĩa kỵ khí, thường sử dụng phương trình Monod để thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất giới hạn sự phát triền và tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật (Monod, 1949):
Trong đĩ:
- µ : tốc độ sinh trưởng đặc biệt thực sự của vi sinh vật (ngày-1); - µmax : tốc độ sinh trưởng đặc biệt cực đại của vi sinh vật (ngày-1); - S : nồng độ cơ chất (mol/L);
- KS : hằng số tốc độ ½ (giá trị S khi µ = ½ µmax).
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 cĩ giá trịđối với các hệ thống trong đĩ cơ chất là những chất cĩ khả năng hịa 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 cĩ thể biểu diễn như sau:
Trong đĩ, k là hằng số tốc độ bậc 1. 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 CTRĐT và rơm rạ (Eastman và Ferguson, 1981; Pfeffer, 1974, Jewell, 1982),
µ = µKmax.S S + S
nghiên cứu khơng. Những chất này chứa một phần các chất hịa tan và nhiều hợp chất cao phân tử như protein, lipids và cellulose. Tất cả những hợp chất này cĩ 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 Zehnder, 1982). Những nghiên cứu cơ bản về động học quá trình thủy phân các phức chất trong quá trình phân hủy kỵ khí hầu như khơng được báo cáo. Tốc độ quá trình thủy phân sẽ phụ thuộc vào loại cơ chất, giá trị pH, nhiệt độ và sự cĩ mặt của các chất ức chế (Gujer và Zehnder, 1983).
Theo nghiên cứu của Pfeffer (1974), đối với quá trình phân hủy kỵ khí CTRĐT đã nghiền, bước giới hạn tốc độ chính là quá trình thủy phân phần cellulose của cơ chất đã tạo ra động học bậc nhất.
Đối với cơ chất dị thể như phần chất hữu cơ của CTRĐT, với thành phần xác định, động học quá trình phân hủy bậc 1 dường như là dạng đơn giản nhất và hướng thực tế nhất để mơ tải tồn 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 cịn lại, cũng theo động học bậc 1. Phần này cĩ thể chứa các loại đường và amino acid, vì tốc độ khử các hợp chất này lớn hơn đáng kể so với cellulose (Noike và cộng sự , 1985). Theo Cecche và Alvarez (1991), cịn 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 khơng phải lúc nào cũng cĩ, nên ảnh hưởng của chúng đến động học quá trình được bỏ qua. Để dự đốn tốc độ sinh khí (Emcon Associates, 1979; Hoeks, 1983), cĩ thể giả sử rằng phần chất hữu cơ của CTRĐT bao gồm nhiều phần. Phương trình biểu diễn tốc độ khử cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khí phần chất hữu cơ của CTRĐT gồm hai hợp chất trong trường hợp đặc biệt được biểu diễn như sau:
Nồng độ cơ chất S1 và S2 nếu biểu diễn theo nồng độ chất rắn bay hơi tương ứng VS1 và VS2 thì:
r = - (k1.VS1 + k2.VS2)
Trong đĩ, k1 và k2 là hằng số tốc độ bậc 1 của hợp chất 1 và hợp chất 2, VS1 và VS2 là nồng độ chất rắn bay hơi được của hợp chất 1 và hợp chất 2 tương ứng. Trong thực tế, nồng độ chất rắn bay hơi VS = VS1 + VS2 cĩ thểđược xác định một cách gián tiếp bằng cách đo đạc lượng khí methane sinh ra. Đối với một quá trình phân hủy, tốc độ khử các chất rắn bay hơi cĩ khả năng phân hủy sinh học hầu như bằng tốc độ sinh khí methane (Gujer và Zehnder, 1983; Brummeler, 1993) vì quá trình tạo thành sinh khối khơng đáng kể:
r = - rCH4
Trong đĩ rCH4 là tốc độ sinh khí methane.
Lượng chất rắn bay hơi bị phân hủy cĩ thể biểu diễn như sau: r = dS dt = dS1 dt + dS2 dt = - (k1.S1 + k2.S2)
Trong đĩ, k là hằng số tốc độ của tồn bộ quá trình (ngày-1). Lấy tích phân phương trình trên cho:
Như vậy nếu biểu diễn theo tốc độ hình thành khí methane, phương trình trên trở thành:
Trong đĩ, CH4t là tổng lượng khí methane sinh ra sau thời gian t, CH4max là lượng khí methane cực đại cĩ thể tạo thành từ phần cơ chất hữu cơ. Như vậy, bằng cách đo đạc lượng khí CH4 sinh ra cĩ thể xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ dễ dàng hơn.
Động Học Quá Trình Phân Hủy Hiếu Khí CTR Hữu Cơ
Quá trình chuyển hĩa sinh học hiếu khí CTR cĩ thể biểu diễn một cách tổng quát theo phương trình sau:
Vi sinh vật
Chất hữu cơ + O2 + Dinh dưỡng Tế bào mới + chất hữu cơ khĩ phân hủy + CO2 + H2O + NH3 + SO42- + ….+ Nhiệt
Nếu chất hữu cơ cĩ trong CTR được biểu diễn dưới dạng CaHbOcNd, sự tạo thành tế bào mới và sulfate khơng đáng kể và thành phần của vật liệu khĩ phân hủy cịn lại được đặc trưng bởi CwHxOyNz thì lượng oxy cần thiết cho quá trình ổn định hiếu khí các chất hữu cơ cĩ khả năng phân hủy sinh học của CTRĐT cĩ thể được ước tính theo phương trình phản ứng sau:
CaHbOcNd + 0.5(ny + 2s + r – c)O2→ nCwHxOyNz + sCO2 + rH2O + (d – nx) NH3 Trong đĩ:
- 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 và sau khi kết thúc quá trình. Nếu quá trình chuyển hĩa xảy ra hồn tồn, phương trình biểu diễn cĩ dạng như sau:
CaHbOcNd + O2→ aCO2 + H2O + dNH3
Trong nhiều trường hợp, ammonia sinh ra từ quá trình oxy hĩa các hợp chất hữu cơ bị tiếp tực oxy hĩa thành nitrat (quá trình nitrat hĩa). Lượng oxy cần thiết để oxy hĩa ammonia thành nitrat cĩ thể tính theo phương trình sau:
NH3 + 3/2 O2→ HNO2 + H2O HNO2 + ½ O2→ HNO3 --- NH + 2O → H O + HNO -k.t VSt VS0 = ln -k.t CH4t CH4max ) = ln (1 - 4a + b – 2c – 3d 4 b – 3d2
Như vậy, trong quá trình phân hủy sinh học hiếu khí, sản phẩm tạo thành khơng cĩ mặt CH4. Hay nĩi cách khác, trong trường hợp này, tốc độ phân hủy được xác định dựa trên hàm lượng chất hữu cơ cịn lại theo thời gian phân hủy và được biểu diễn như sau:
Các Yếu TốẢnh Hưởng Đến Quá Trình Phân Hủy Chất Hữu Cơ
Các loại vi sinh vật.Vi sinh vật thường được phân loại dựa trên cấu trúc tế bào và chức năng hoạt động của chúng thành (eucaryotes), (eubacteria) và (archaebacteria). Nhĩm procaryotic (aubacteria và archaebacteria) đĩng vai trị quan trọng hàng đầu trong quá trình chuyển hĩa sinh học phần chất hữu cơ cĩ trong CTRĐT và được gọi một cách đơn giản là vi khuẩn. Nhĩm eucaryotic bao gồm thực vật, động vật và sinh vật nguyên sinh. Những eucaryotic đĩng vai trị quan trọng trong quá trình chuyển hĩa các chất thải hữu cơ gồm cĩ (1) nấm, (2) men và (3) actinomycetes (khuẩn tia).
Vi khuẩn. Vi khuẩn là những tế bào đơn cĩ dạng hình cầu, hình que hoặc dạng xoắn ốc. Vi khuẩn hình cầu (cầu khuẩn) cĩ đường kính dao động trong khoảng 0,5 đến 4 µm; vi khuẩn hình que cĩ chiều dài dao động trong khoảng 0,5 – 20 µm và chiều rộng từ 0,5 – 4 µm; vi khuẩn dạng xoắn ốc (khuẩn xoắn) cĩ thể dài hơn 10 µm và rộng khoảng 0,5 µm. Các vi khuẩn này tồn tại trong tự nhiên và được tìm thấy trong mơi 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 khơ, trong đĩ chất hữu cơ chiếm 90% và 10% cịn lại là chất vơ cơ. Cơng thức phân tử thực nghiệm gần đúng đối với phần chất hữu cơ là C5H7NO2. Dựa trên cơng thức này, khoảng 53% (theo khối lượng) của phần chất hữu cơ là carbon. Các hợp chất tạo thành phần vơ cơ trong tế bào vi khuẩn gồm cĩ P2O5 (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 mơi trường, nên nếu thiếu những hợp chất này sẽ hạn chế sự phát triển của vi khuẩn.
Nấm. Nấm được xem là nhĩm nguyên sinh động vật đa bào, khơng quang hợp và dị dưỡng. Hầu hết các loại nấm cĩ khả năng phát triển trong điều kiện độẩm thấp, là điều kiện khơng thích hợp cho vi khuẩn. Thêm vào đĩ, nấm cĩ thể chịu được mơi trường cĩ pH khá thấp. Giá trị pH tối ưu cho hầu hết các nhĩm nấm vào khoảng 5, 6, nhưng giá trị pH cũng cĩ thể dao động trong khoảng 2-9. Quá trình trao đổi chất của các vi sinh vật này là quá trình hiếu khí và chúng phát triển thành các sợi dài gọi là sợi nấm tạo thành từ nhiều tế bào cĩ nhân và cĩ chiều rộng thay đổi trong khoảng từ 4 - 20 µm. Do nấm cĩ khả năng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ trong những nhiều điện mơi trường thay đổi rất rộng, nên chúng được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp để sản xuất nhiều hợp chất cĩ giá trị như các acid hữu cơ (acid citric, acid glutamic,…), các chất kháng sinh (penicillin, griseofulvin) và enzyme (cellulase, protease, amylase).
Men. Men là nấm khơng cĩ dạng sợi và do đĩ chúng chỉ là những đơn bào. Một số men cĩ dạng ellip với kích thước dao động trong khoảng 8 – 15 µm x 3 – 5 µm, một số loại men khác cĩ dạng hình cầu với đường kính thay đổi từ 8 – 12 µm. Trong cơng nghiệp, men được phân loại thành “men dại” và “men nuơi cấy”. Men dại do vi sinh vật trong tự nhiên sinh ra để thực hiện các phản ứng phân hủy chất hữu cơ trong qui trình dinh dưỡng
-k.t VSt
VS0 = ln
của tế bào. Men cấy là men cĩ từ các chủng vi sinh vật được phân lập và nuơi cấy trong điều kiện nhân tạo nhằm thu được nhĩm enzyme cĩ tác dụng xúc tác cho phản ứng sinh hĩa trên một loại chất hữu cơ thuần nhất.
Khuẩn tia (Actinomycetes). Khuẩn tia là nhĩm vi sinh vật cĩ những tính chất trung gian giữa vi khuẩn và nấm. Chúng cĩ hình dạng tương tự như nấm nhưng với chiều rộng của tế bào chỉ khoảng từ 0,5 – 1,4 µm. Trong cơng nghiệp, nhĩm vi sinh vật này được sử dụng rộng rãi để sản xuất chất kháng sinh.
Các loại quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Các vi sinh vật dị dưỡng hĩa học cĩ thể nhĩm 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 chất nhận điện tử bên ngồi (như oxy) được gọi là quá trình trao đổi chất hơ hấp (respiratory metabolism). Trong khi đĩ, cơ chế trao đổi chất lên men (fermentative metabolism) khơng cĩ sự tham gia của chất nhận điện tử bên ngồi. Quá trình lên men là quá trình tạo năng lượng ít hiệu quả hơn so với quá trình hơ hấp, do đĩ các vi sinh vật dị dưỡng loại này cĩ tốc độ sinh trưởng và sản sinh tế bào thấp hơn so với vi sinh vật dị dưỡng trao đổi chất theo cơ chế hơ hấp.
Khi oxy phân tửđược sử dụng làm chất nhận điện tử trong quá trình trao đổi chất hơ hấp, thì quá trình này được gọi là quá trình hơ hấp hiếu khí (aerobic respiration). Các vi sinh vật phụ thuộc vào quá trình hơ hấp hiếu khí để đạt được nhu cầu năng lượng của chúng cĩ thể tồn tại chỉ khi được cung cấp oxy phân tử, gọi là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc (obligate arerobic). Các chất vơ cơ bị oxy hĩa chẳng hạn như nitrat và sulfate cĩ thể đĩng vai trị chất nhận điện tử đối với một số loại vi sinh vật hơ hấp trong điều kiện khơng cĩ oxy phân tử. Trong lĩnh vực cơng nghệ mơi trường, các quá trình sử dụng các loại vi sinh vật này thường được gọi là quá trình thiếu khí (anoxic).
Các vi sinh vật sản sinh năng lượng bằng quá trình lên men và chỉ cĩ thể tồn tại trong điều kiện mơi trường khơng cĩ oxy được gọi là vi sinh vật kỵ khí bắt buộc (obligate anaerobic). Bên cạnh đĩ cịn cĩ một nhĩm các vi sinh vật khác cĩ thể phát triển trong cả