- Tỷ lệ C/N
Cĩ rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật, trong đĩ cacbon và nitơ là cần thiết nhất, tỉ lệ C/N là thơng số dinh dưỡng quan trọng nhất; quan trọng kế tiếp là nguyên tố photpho (P); lưu huỳnh (S), canxi (Ca). Các nguyên tố vi lượng khác cũng đĩng vai trị quan trọng trong trao đổi chất của tế bào.
Khoảng 20% - 40%C của chất thải hữu cơ (trong chất thải nạp liệu) cần thiết cho quá trình đồng hố thành tế bào mới, phần cịn lại chuyển hố thành CO2. Cacbon cung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo ra khoảng 50% khối lượng tế bào vi sinh vật. Nitơ là thành phần chủ yếu của protein, axit nucleic, axit amin, enzym, co- enzym cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào.
Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ phân rác khoảng 30:1. Ở mức tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, gây ra mùi khai. Ở mức tỷ lệ cao hơn, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật do thiếu N. Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hố, oxy hố phần carbon dư cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp. Do đĩ, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân bị kéo dài hơn và sản phẩm thu được chứa ít mùn hơn. Theo nghiên cứu cho thấy, nếu tỷ lệ C/N ban đầu là 20, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân là 12 ngày, nếu tỷ lệ này dao động trong khoảng 20 – 50, thời gian cần thiết là 14 ngày và nếu tỷ lệ C/N = 78, thời gian cần thiết sẽ là 21 ngày. Mặc dù vậy, tỷ lệ này cũng cĩ thể được hiệu chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu ủ, trong đĩ quan trọng nhất là cần quan tâm tới các vật liệu ủ cĩ hàm lượng lignin cao.
Trừ phân ngựa và lá khoai tây, tỷ lệ C/N của tất cả các chất thải khác nhau đều phải được điều chỉnh để đạt giá trị tối ưu trước khi tiết hành làm phân. Tỷ lệ C/N của các chất thải khác nhau được trình bày trong bảng sau.
Bảng 7.11: Tỷ lệ C/N của chất thải( tính theo chất khơ)
STT Chất thải N (% khối lượng khơ) Tỷ lệ C/N
1 Phân bắc 5,5 – 6,5 6 –10 2 Nước tiểu 15 – 18 0,8 3 Máu 10 – 14 3,0 4 Phân động vật - 4,1 5 Phân bị 1,7 18 6 Phân gia cầm 6,3 15 7 Phân cừu 3,75 22 8 Phân heo 3,75 20 9 Phân ngựa 2,3 25 10 Bùn cống thải khơ 4 – 7 11 11 Bùn hoạt tính đã phân hủy 1,88 15,7 12 Bùn cống đã phân hủy 2,4 - 13 Bùn hoạt tính thơ 5,6 6,3 14 Cỏ cắt xén 3 – 6 12 – 15
15 Chất thải rau quả 2,5 – 4 11 – 12
16 Cỏ hỗn hợp 2,4 19 17 Lá khoai tây 1,5 25 18 Trấu lúa mì 0,3 – 0,5 128 – 150 19 Trấu yến mạch 1,05 48 20 Gổ nghiền 0,13 170 21 Mạt cưa 0,1 200 – 500 22 Gổ thơng 0,07 723
23 Trái cây thải 1,52 34,8
24 Chất thải giết mổ hỗn
hợp 7 - 10 2
25 Giấy hỗn hợp 0,25 173
26 Giấy báo 0,05 983
27 Giấy nâu ( gĩi hàng ) 0,01 4490
29 Tài liệu 0,17 223
30 Cỏ xén 2,15 20,1
31 Lá cây ( tươi ) 0,5 -1,0 40 - 80
32 Sinh khối thực vật 1,96 20,9 - 24
Nguồn: Chongrak, 1996 , Tchobanoglous và cộng sự, 1993
Khi bắt đầu quá trình ủ phân rác, tỷ lệ C/N là 30:1 và giảm dần cịn 15:1 ở các sản phẩm cuối cùng do 2/3 cacbon được giải phĩng tạo ra CO2 , khi các hợp chất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật.
Trong thực thế, việc tính tốn và hiệu chỉnh chính xác tỉ lệ C/N tối ưu gặp phải khĩ khăn vì những lý do sau:
Một phần các cơ chất như xenlulo và lignin khĩ bị phân hủy sinh học, chỉ bị phân hủy sau một khoảng thời gian dài.
Một số chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật khơng sẵn cĩ
Quá trình cố định N cĩ thể xảy ra dưới tác dụng của nhĩm vi khuẩn azotobacter, đặc biệt khi cĩ đủ PO43-
Phân tích hàm lượng C khĩ đạt kết quả chính xác. Hàm lượng cacbon cĩ thể xác định theo phương trình sau:
8, , 1 % 100 %C= − tro (7.17) % tro trong phương trình này là lượng vật liệu cịn lại sau khi nung ở nhiệt độ 5500C trong 1 giờ. Do đĩ, một số chất thải cĩ thành phần chủ yếu là nhựa (thành phần bị phân hủy ở 5500C) sẽ cĩ giá trị %C cao, nhưng đa phần khơng cĩ khả năng phân hủy sinh học
Ví dụ: Lá cây cĩ tỷ lệ C/N = 50, được trộn với bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải, cĩ tỷ lệ C/N = 6,3. Xác định tỷ lệ của mỗi thành phần để đạt được tỷ lệ C/N của hỗn hợp là 25. Biết:
a/ Độ ẩm của bùn là 75% b/ Độ ẩm của lá cây là 50%
c/ Hàm lượng Nitơ của bùn là 5,6% tính theo chất khơ d/ Hàm lượng Nitơ của lá cây là 0,7% tính theo chất khơ Giải:
1. Tỉ lệ các thành phần trong lá cây và bùn a) Đối với 1kg lá cây:
Nước : 1 kg x 0,5 = 0,5 kg Chất khơ: 1kg x 0,5 = 0,5 kg Nl: 0,5 kg x 0,007 = 0,0035kg Cl: 0,0035 kg x 50 = 0,175 kg b) Đối với 1kg bùn: Nước : 1 kg x 0,75 = 0,75 kg Chất khơ: 1kg x 0,25 = 0,25 kg Nb: 0,25 kg x 0,056 = 0,014kg Cb: 0,014 kg x 6,3 = 0,0882 kg
2.Tính tỉ lệ bùn trên lá cây để thu hỗn hợp cĩ C/N = 25 Theo điều kiện của đầu bài, viết phương trình tính tỉ lệ C/N: C/N = 25 = (Cl . X1 + Cb . X2 ) / (Nl . X1 + Nb . X2 )
Với X1 – khối lượng lá cây, X2 – khối lượng bùn Cho X1= 1 kg lá cây , giải phương trình ta cĩ: X2 = ( Cl – 25 Nl )/ ( 25 Nb – Cb ) = 0,334 kg bùn Như vậy, tỉ lệ phối trộn là : 0,334 kg bùn/ 1kg lá cây 3. Độ ẩm của hỗn hợp ( 0,334 kg bùn/ 1kg lá cây) là: ( 0,334 . 0,75 + 1. 0,5 )/ ( 0,334 + 1) = 56,26 %
- Oxy
Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân rác. Khi vi sinh vật oxy hĩa carbon tạo năng lượng, oxy sẽ được sử dụng và khí CO2 được sinh ra. Khi khơng cĩ đủ oxy thì sẽ trở thành quá trình yếm khí và tạo ra mùi hơi như mùi trứng gà thối của khí H2S.
Các vi sinh vật hiếu khí cĩ thể sống được ở nồng độ oxy bằng 5%. Nồng độ oxy lớn hơn 10% được coi là tối ưu cho quá trình ủ phân rác hiếu khí.
Tổng lượng khí cần cung cấp và do lưu lượng dịng khí là các thơng số thiết kế quan trọng đối với hệ thống ủ trong thùng kín. Nhu cầu oxi thay đổi theo tiến trình ủ gián đoạn, do đĩ cần xác định nhu cầu oxi tối đa để chọn máy thổi khí và thiết kế hệ thống ống phân phối khí phù hợp.
Ví dụ:. Xác định năng suất máy thổi khí cần cung cấp cho quá trình ủ Compost hiếu khí, biết rằng phần chất hữu cơ đem ủ cĩ cơng thức phân tử là C60H94O38N. Cho các dữ liệu sau:
- Độ ẩm của CTR hữu cơ : 25% - Chất rắn bay hơi VS = 0,93 x TS
- Chất rắn bay hơi dễ phân hủy sinh học, BVS = 0,6 x VS - Hiệu suất chuyển hố của BVS là 95%
- Thời gian ủ Compost là 5 ngày.
- Nhu cầu oxy trong 5 ngày ủ lần lượt là 20, 35, 25, 15, 5%
- Amoni sinh ra trong suốt quá trình phân hủy hiếu khí của chất thải bị mất vào khí quyển.
- Khơng khí chứa 23% oxy (theo khối lượng) và khối lượng riêng của khơng khí bằng 1,2 kg/m3
- Hiệu suất sử dụng oxi: 50%
Giải:
1.Khối lượng BVS cĩ trong 1 tấn CTR hữu cơ: 1 tấn x 0,75 x 0,93 x 0,6 = 0,4185 tấn 2. Lượng BVS phân hủy cĩ trong 1 tấn CTR hữu cơ: 0,4185 tấn x 0,95 = 0,3976 tấn 3.Phươn g trình phản ứng phân hủy hiếu khí:
C60H94O38N + 63,75 O2 = 60 CO2 + 45,5 H2O + NH3