Mơi trường Chất nhận điện tử Q trình
Hiếu khí
Kỵ khí O2 NO3-
SO42- CO2
- Trao đổi chất hiếu khí - Khử nitrat
- Khử sulphat - Metan hĩa (Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993)
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 buột (obligate anaerobic). Bên cạnh đĩ cịn cĩ một nhĩm vi sinh vật khác cĩ thể phát triển trong cả điều kiện cĩ khoặc khơng cĩ oxy phân tử được gọi là vi sinh vật kỵ khí tùy ý (facultative anaerobic). Những vi sinh vật kỵ khí tùy ý cĩ thể chuyển từ quá trình trao đổi chất theo cơ chế lên men sang dạng trao đổi chất theo cơ chế hơ hấp hiếu khí tùy theo sự cĩ mặt của oxy phân tử. Các vi sinh vật kỵ khí chịu được điều kiện hiếu khí
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
(aerotolerant anaerobic) cĩ cơ chế trao đổi chất lên men hồn tồn nhưng khá trơ khi cĩ mặt oxy phân tử [8]; [15].
1.3.4. Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật
Để cĩ thể tái sinh và hoạt động một cách hợp lý, vi sinh vật cần cĩ nguồn năng lượng: carbon để tổng hợp tế bào mới và các nguyên tố vơ cơ (chất dinh dưỡng) như: nitơ (N), phospho (P), lưu huỳnh (S), canxi (Ca) và magie (Mg). Ngồi ra, các chất dinh dưỡng hữu cơ cũng cần thiết để tổng hợp tế bào [8].
Bảng 1.3: Chức năng sinh lý của nguyên tố đa lượng [8] Nguyên tố
đa lượng Hợp chất sử dụng Chức năng sinh lý
P KH2PO4, K2HPO4 Là thành phần của acid nucleic, nucleoprotein, phospholipid, co-enzyme, ATP... Làm nên hệ thống đệm giúp điều chỉnh pH mơi trường.
S (NH4)2SO4, MgSO4
Là thành phần của các aminoacid chứa S, một số vitamin; glutathione cĩ tác dụng điều chỉnh điện thế oxy hố khử trong tế bào.
Mg
MgSO4
Là thành phần trung tâm hoạt tính của enzyme phosphoryl hố hexose, dehydrogenase của acid isocitric, polymerase của acid nucleic, thành phần của chlorophyll và bacterio-chlorophyll. Ca CaCl2, Ca(NO3)2 Tạo tính ổn duy trì, cần cho trạng thái cảm thụ của tế bào. định của một số cofactor, enzyme
Na NaCl
Thành phần của hệ thống chuyển vận của tế bào, duy trì áp suất thẩm thấu, duy trì tính ổn định của một số enzyme.
K KH2PO4, KH2PO4 Là cofactor của một số enzyme, duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào, là nhân tố ổn định của ribosome ở một số vi khuẩn ưa mặn.
Fe FeSO4
Thành phần của sắc tố vi khuẩn và một số enzyme, là vật chất và nguồn năng lượng của một số vi khuẩn sắt, cần thiết để tổng hợp chlorophyll và độc tố vi khuẩn bạch hầu.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Bảng 1.4: Chức năng sinh lý của nguyên tố vi lượng [8] Nguyên tố
vi lượng Tác dụng sinh lý
Zn Cĩ mặt trong alcohol dehydrogenase, lactodehydrogenase, phosphatase kiềm, RNA polymerase, DNA polymerase... Mn Cĩ mặt trong peroxyd dismutase, carboxylase citric synthetase
Mo Cĩ mặt trong nitrate reductase, nitrogenase, formic dehydrogenase. Se Cĩ mặt trong glycin reductase, formic reductase.
Co Cĩ mặt trong glutamic mutase. Cu Cĩ mặt trong cytochrome oxydase.
W Cĩ mặt trong formic dehydrogenase.
Br Cĩ mặt trong urease, cần cho sự sinh trưởng của vi khuẩn hydrogen.
Hai nguồn carbon thơng dụng nhất đối với mơ tế bào là carbon hữu cơ và CO2. Những vi sinh vật sử dụng nguồn carbon hữu cơ để tạo thành mơ tế bào được gọi là vi sinh vật dị dưỡng (heterotrophs). Các vi sinh vật sử dụng nguồn carbon từ CO2 được gọi là vi sinh vật tự dưỡng (autotrophs). Sự chuyển hĩa CO2 thành mơ tế bào hữu cơ là quá trình khử địi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng. Do đĩ, 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 vi sinh vật dị dưỡng [2]; [8].
Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào cĩ thể được cung cấp từ ánh sáng mặt trời hoặc từ phản ứng oxy hĩa hĩa học. Các vi sinh vật cĩ thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng được gọi là vi sinh vật quang dưỡng (phototrophs). Các vi sinh vật quang dưỡng cĩ thể là vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn chuyển hĩa lưu huỳnh) hoặc các vi sinh vật tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp). Các vi sinh vật lấy năng lượng từ các phản ứng hĩa học được gọi là chemotrophs. Cũng giống như vi sinh vật quang dưỡng, cheomotrophs cũng gồm hai loại: dị dưỡng hĩa học (nguyên sinh động vật, nấm và hầu hết các vi khuẩn) và tự dưỡng hĩa học (vi khuẩn nitrate hĩa). Các vi sinh vật tự dưỡng hĩa học thu năng lượng từ quá trình oxy hĩa hợp chất vơ cơ như: ammoniac,
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
nitrit và các hợp chất chứa lưu huỳnh. Các vi sinh vật dị dưỡng hĩa học thường thu năng lượng từ quá trình oxy hĩa 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 1.5:
Bảng 1.5: Phân loại vi sinh vật theo nguồn carbon và nguồn năng lượng
Loại Nguồn năng lượng Nguồn carbon Tự dưỡng Quang tự dưỡng Tự dưỡng hĩa học Dị dưỡng Dị dưỡng hĩa học Quang dị dưỡng Ánh sáng mặt trời
Phản ứng oxy hĩa khử chất vơ cơ Phản ứng oxy hĩa khử chất hữu cơ Ánh sáng mặt trời
CO2 CO2 Carbon hữu cơ Carbon hữu cơ (Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993)
1.4. Điều kiện mơi trường ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost
Vận tốc phân hủy chất hữu cơ trong quá trình ủ phân chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: nhiệt độ, pH, vi sinh vật, oxy, chất hữu cơ, độ ẩm, tỉ lệ C:N và cấu trúc chất thải [8]. Trong khi đĩ, điều kiện mơi trường: nhiệt độ và pH cĩ ảnh hưởng quan trọng đến sự sống và sinh trưởng của vi sinh vật. Nĩi 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 cĩ thể tồn tại trong khoảng giới hạn rộng hơn nhiều. Nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật. Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật sẽ tăng lên gấp đơi khi nhiệt độ tăng lên mỗi 10oC cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu. Theo khoảng nhiệt độ mà vi sinh vật hoạt động tốt nhất cĩ thể phân loại chúng thành:
+ Psychrophilic (vi sinh vật ưa lạnh) + Mesophilic (vi sinh vật ưa ấm) + Thermophilic (vi sinh vật ưa nhiệt)
Khoảng nhiệt độ thích hợp cho từng loại vi sinh vật này được trình bày trong bảng 1.6:
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Bảng 1.6: Khoảng nhiệt độ của các nhĩm vi sinh vật
Lồi vi sinh vật Khoảng dao động Tối ưu Nhiệt độ
Psychrophilic Mesophilic Thermophilic -10 – 30 40 – 50 45 – 75 15 35 55 (Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993)
Nồng độ H+, biểu diễn dưới dạng pH, là yếu tố khơng quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật nếu dao động trong khoảng pH 6 – 9. Thơng thường, giá trị pH tối ưu để vi sinh vật phát triển dao động trong khoảng 6,5 – 7,5. Tuy nhiên, khi pH lớn hơn 9,0 hoặc thấp hơn 4,5 thì các phân tử acid yếu hoặc base cĩ thể khuếch tán vào tế bào dễ dàng hơn các ion H+ và OH-, do đĩ làm thay đổi pH và phá hủy tế bào [8].
Độ ẩm là một yếu tố mơi trường quan trọng khác ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi sinh vật. Độ ẩm của chất thải hữu cơ cần chuyển hĩa sinh học phải được xác định trước, đặc biệt là trong trường hợp làm phân compost theo quy trình khơ. Trong nhiều trường hợp cần bổ sung nước để đạt được độ ẩm tối ưu của vi sinh vật. Độ ẩm tối ưu của quá trình làm phân compost hiếu khí dao động trong khoảng 50-60%. Nếu độ ẩm giảm xuống dưới 40%, tốc độ của quá trình trao đổi chất sẽ chậm lại.
Quá trình chuyển hĩa sinh học chất thải hữu cơ địi hỏi hệ thống sinh học tồn tại ở trạng thái cân bằng động học. Để thiết lập và duy trì cân bằng động học, mơi trường phải khơng chứa các kim loại nặng, ammonia, các hợp chất của lưu huỳnh và các thành phần độc tính khác ở nồng độ tới hạn [8].
1.4.1. Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost 1.4.1.1. Nhiệt độ 1.4.1.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ trong khối ủ là sản phẩm phụ của sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật, phụ thuộc vào kích thước của đống ủ, độ ẩm, khơng khí và tỷ lệ C:N, mức độ xáo trộn và nhiệt độ mơi trường xung quanh.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Sơ đồ 1.1: Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost
Độ xốp của phân bĩn phụ thuộc vào cấu trúc hạt của bùn ủ. Trong quá trình ủ, các cấu trúc hạt này bị phân hủy bởi các yếu tố mơi trường (nhiệt độ, nồng độ O2 và CO2) và hoạt tính của vi sinh vật. Quá trình này giúp phân cắt các chất dinh dưỡng và tạo độ xốp cho bùn
Nhiệt độ trong hệ thống ủ khơng hồn tồn đồng nhất trong suốt quá trình ủ, phụ thuộc vào lượng nhiệt tạo ra bởi các vi sinh vật và thiết kế của hệ thống [8].
Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của vi sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ và cũng là một trong các thơng số giám sát điều khiển quá trình ủ. Trong luống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55-65oC, vì ở nhiệt độ này, quá trình phân hủy bùn hầm cầu của vi sinh vật đạt hiệu quả tối ưu. Khi nhiệt độ tăng lên
Độ xốp Cấu trúc Dinh dưỡng C:N pH Khối lượng, thể tích Trở lực Trao đổi khí Nồng độ CO2/O2 Nhiệt độ, hoạt tính VSV
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật. Ở nhiệt độ thấp hơn, phân hữu cơ khơng đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh.
Nhiệt độ trong luống ủ cĩ thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau như hiệu chỉnh tốc độ thổi khí và độ ẩm, cơ lập khối ủ với mơi trường bằng cách che phủ hợp lý.
1.4.1.2. Độ ẩm
Độ ẩm (nước) là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ, vì nước cần thiết cho quá trình hịa tan chất dinh dưỡng để vi sinh vật hấp thu dễ dàng.
Độ ẩm tối ưu của quá trình ủ bùn hữu cơ nằm trong khoảng 50-60%. Các vi sinh vật đĩng vai trị quyết định trong quá trình phân hủy bùn thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của phân tử hữu cơ. Nếu độ ẩm quá nhỏ (<30%) sẽ hạn chế hoạt động của vi sinh vật. Nếu độ ẩm quá lớn (>65%) thì quá trình phân hủy sẽ chậm lại và chuyển sang chế độ phân hủy kỵ khí vì q trình thơng khí bị cản trở do hiện tượng bít kín các khe xốp khơng cho khơng khí đi qua, gây mùi hơi, rị rĩ chất dinh dưỡng và lan truyền vi sinh vật gây bệnh [7]; [8]; [30].
Độ ẩm ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước cĩ nhiệt dung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác.
Trong trường hợp độ ẩm của khối ủ thấp, cĩ thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào. Khi độ ẩm khối ủ cao, cĩ thể điều chỉnh bằng cách trộn vật liệu độn cĩ độ ẩm thấp hơn như: mạt cưa, rơm rạ, trấu…
Thơng thường độ ẩm của phân bắc, bùn và phân động vật thường cao hơn giá trị tối ưu, do đĩ cần bổ sung các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết. Đối với hệ thống sản xuất phân hữu cơ liên tục, độ ẩm cĩ thể khống chế bằng cách tuần hồn sản phẩm phân hữu cơ (sơ đồ 1.2).
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Sơ đồ 1.2: Sơ đồ hệ thống sản xuất phân hữu cơ liên tục
Chất hữu cơ, chất thải cĩ độ ẩm rất cao trước khi ủ và sử dụng làm phân bĩn. Hoạt động sống của vi sinh vật thơng qua quá trình trao đổi chất giúp cho các chất hữu cơ bị phân hủy và trở nên đồng nhất. Q trình ủ phân hiếu khí giúp cho vi sinh vật sử dụng oxy để hơ hấp và thải ra các chất khí CO2, NH3. Kết thúc quá trình hơ hấp là sự hình thành các sản phẩm hữu cơ thích hợp để làm phân bĩn [8]; [27]; [30].
1.4.1.3. Kích thước hạt:
Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy. Quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra trên bề mặt hạt, hạt cĩ kích thước nhỏ sẽ cĩ tổng diện tích bề mặt lớn nên sẽ tăng sự tiếp xúc với oxy, gia tăng vận tốc phân hủy. Tuy nhiên, nếu kích thước hạt quá nhỏ và chặt làm hạn chế sự lưu thơng khí trong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các vi sinh vật trong đống ủ và giảm mức độ hoạt động của vi sinh vật. Ngược lại, hạt cĩ kích thước quá lớn sẽ cĩ độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khơng đều, khơng cĩ lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ [8].
Đường kính hạt tối ưu cho q trình chế biến khoảng 3-50 mm. Kích thước hạt tối ưu cĩ thể đạt bằng nhiều cách như cắt, nghiền, sàn vật liệu thơ ban đầu. CTR đơ thị và CTR cơng nghiệp phải được nghiền đến kích thước thích hợp trước khi làm phân. Phân bắc, bùn và phân động vật thường cĩ kích thước hạt mịn, thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học.
Các chất
hữu cơ ướt Quá trình ủ phân phân hữu cơ Sản phẩm
Khơng khí Khí thải
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
1.4.1.4. Độ xốp
Độ xốp của khối vật liệu ủ là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Độ xốp tối ưu sẽ thay đổi theo loại vật liệu chế biến phân. Thơng thường, độ xốp để quá trình chế biến diễn ra tốt khoảng 35-60%, tối ưu là 32-36% [8].
Độ xốp của bùn ủ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cung cấp oxy cần thiết cho sự trao đổi chất, hơ hấp của các vi sinh vật hiếu khí và sự oxy hĩa các phần tử hữu cơ hiện diện trong lớp vật liệu ủ. Độ xốp thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy nên hạn chế sự giải phĩng nhiệt và làm tăng nhiệt độ trong khối ủ. Ngược lại, độ xốp cao cĩ thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh khơng bị tiêu diệt.
Độ xốp cĩ thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỷ lệ trộn hợp lý [8].
1.4.2. Các phản ứng hĩa sinh diễn ra trong quá trình phân hủy hữu cơ
Quá trình phân hủy bùn hữu cơ diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và tạo nhiều sản phẩm trung gian.
Ví dụ:
Quá trình phân hủy protein
Protein peptides amino acids Đối với carbohydrate, quá trình phân hủy:
Carbohydrate đường đơn acid hữu cơ
Những chuyển hĩa sinh hĩa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp. Căn cứ vào sự biến thiên nhiệt độ cĩ thể chia quá trình ủ hiếu khí thành các pha sau:
Pha thích nghi: giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với mơi trường mới.
Pha tăng trưởng: đặc trưng bởi sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học. hợp chất ammonium nguyên sinh chất của vi khuẩn và nitơ hoặc NH3 CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Pha ưa nhiệt: giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất, đây là giai đoạn ổn định chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất.
Đồ thị 1.1: Biến thiên nhiệt độ trong q trình ủ hiếu khí [8]
Phản ứng hĩa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kỵ khí được đặc trưng bởi hai phương trình:
(C,O,H,N,S) + O2 + VSV hiếu khí CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng (C,O,H,N,S) + VSV kỵ khí CO2 + H2S +NH3 +CH4 + sản phẩm khác + năng lượng
Pha trưởng thành là giai đoạn giảm nhiệt độ bằng với nhiệt độ mơi trường. Trong pha này, q trình lên men xảy ra chậm, thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn