d. Các vấn đề kinh tế, môi trường
6.3.1Động học quá trình phân hủy kỵ khí chấtthải rắn hữu cơ
Quá trình phân hủy kỵ khí. Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của
CTRSH dưới điều kiện kỵ khí xảy ra theo 3 bước. Bước thứ nhất là quá trình 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 các hợp chất có phân tử lượng thấp hơn xác định. Bước thứ ba 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 phần chất hữu cơ của CTR thành sản phẩm cuối bền vững. Một nhóm vi sinh vật có 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 (Hình 2...). 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 acetic acid. Nhóm vi sinh vật thứ hai được gọi là nonmethanogenic bao gồm các vi sinh vật kỵ khí tùy tiện và vi sinh vật kỵ khí bắt buộc. Nhóm vi sinh vật thứ 3 chuyển hoá hydro và acetic acid thành khí metan và CO2. Vi sinh vật methane hóa chỉ có thể sử dụng một số cơ chất nhất định để chuyển hóa thành methane như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines, và CO. Các phương trình chuyển hóa xảy ra như sau:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH → CH4 + CO2 4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + 6 H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2
Một cách tổng quát, quá trình chuyển hóa kỵ khí phần hữu cơ có trong CTRSH có thể mô tả bằng phương trình sau:
CaHbOcNd → nCwHxOyNz + mCH4 + sCO2 + rH2O + (d – nx)NH3
Trong đó 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 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 hữu cơ của CTRSH, 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 thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất giới hạn sự phát triển và tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật (Monod, 1949):
S K S S + = μmax μ Trong đó:
- 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 có giá trị đối với các 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:
kS dt
dS
r= =−
Trong đó, 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 CTRSH và rơm rạ (Eastman và Ferguson, 1981; Pfeffer, 1974, Jewell, 1982), nhưng nó vẫn còn nghi ngờ là nồng độ cơ chất S có thực sự được xác định trong quá trình nghiên cứu
không. Những chất này chứa một phần chất hòa tan và nhiều hợp chất cao phân tử như protein, lipids, và cellulose. Tất cả những 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 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 không được báo cáo. Tốc độ quá trình thủy phân sẽ phụ thuộc vào loại cơ chất, giá trị pH, nhiệt độ và sự có mặt của các chất ức chế (Gujer và Znhnder, 1983). Theo nghiên cứu của Pfeffer (1974), đối với quá trình phân hủy kỵ khí CTRSH đã nghiền, bước giới hạn tốc độ chính của 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 CTRSH, với thành phần xác định, động học quá trình phân hủy bậc nhất dường như là 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 theo động học bậc 1. Phần này có 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), còn một phần thứ ba 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; Hoeks, 1983), có thể giả sử rằng phần của chất hữu cơ của CTRSH 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 CTRSH gồm hai hợp chất trong trường hợp đặc biệt được biểu diễn như sau:
1 2 (k1S1 k2S2) dt dS dt dS dt dS r = = + =− +
Nồng độ cơ chất S1 và S2 nếu biểu diễn theo nồng độ chất thải rắn bay hơi tương ứng VS1 và VS2 thì:
r = -(k1.VS1 + k2. VS2)
Trong đó, 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 thải 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
có thể được xác định một cách gián tiếp bằng cách đo đạt lượng khí
methane sinh ra. Đối với một quá trình phân huỷ, tốc độ khử các chất rắn bay hơi có 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 không đáng kể:
r = - rCH4
Trong đó rCH4 là tốc độ sinh khí methane.
Lượng chất rắn bay hơi bị phân hủy có thể biểu diễn như sau: (k.VS)
dt dVS
r = =−
Trong đó, k là hằng số tốc độ của toàn bộ quá trình (ngày-1). Lấy tích phân phương trình trên cho:
kt VS VS o t . ln =−
Như vậy nếu biểu diễn theo tốc độ hình thành khí methane, phương trình trên trở thành: kt CH t CH . 1 ln max 4 4 ⎟⎟=− ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −
Trong đó, CH4t là lượng tổng khí methane sinh ra sau thời gian t, CH4max là lượng khí methane cực đại có thể tạo thành từ phần cơ chất hữu cơ. Như vậy, bằng cách đo đạt lượng khí CH4 sinh ra có thể xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ dễ dàng hơn.