Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy. Quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra trên bề mặt hạt, hạt có kích thước nhỏ sẽ có 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 thông 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 có kích thước quá lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ [8].
Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3-50 mm. Kích thước hạt tối ưu có thểđạt bằng nhiều cách như cắt, nghiền, sàn vật liệu thô ban đầu. CTR đô thị và CTR công nghiệp phải được nghiền đến kích thước thích hợp trước khi làm phân. Phân bắc, bùn và phân động vật thường có kích thước hạt mịn, thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học.
Các chất
hữu cơướt Quá trình ủ phân phân hSản phữẩu cm ơ
Không 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. Thông 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, hô hấp của các vi sinh vật hiếu khí và sự oxy hóa 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 phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ trong khối ủ. Ngược lại, độ xốp cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh không bị tiêu diệt.
Độ xốp có thểđược điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỷ lệ trộn hợp lý [8].
1.4.2. Các phản ứng hóa 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 hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp. Căn cứ vào sự biến thiên nhiệt độ có 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 môi 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 quá trình ủ hiếu khí [8]
Phản ứng hóa 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 môi trường. Trong pha này, quá trình lên men xảy ra chậm, thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành chất mùn), các chất khoáng (Fe, Ca, N…) và cuối cùng thành mùn. Ngoài ra còn xảy ra các phản ứng nitrate hóa, ammonia (sản phẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2-) và cuối cùng thành nitrat (NO3-) [8]:
NH4+ + 3/2 O2 NO2- + 2H+ + H2O (1.1) NO2- + 1/2 O2 NO3- (1.2) Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrate hóa diễn ra như sau:
NH4+ + O2 NO3- + 2H+ + H2O (1.3) Mặt khác, trong mô tế bào, NH4+ cũng được tổng hợp với phản ứng đặc trưng :
NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O C5H7NO2 + 5O2 (1.4) Phương trình phản ứng nitrate hóa tổng cộng:
22 NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- 21NO3- + C5H7NO2 + 20H2O + 42H+ (1.5)
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Quá trình phân hủy hiếu khí bùn hữu cơ bao gồm ba giai đoạn chính sau: + Giai đoạn nhiệt độ trung bình: kéo dài trong một vài ngày
+ Giai đoạn nhiệt độ cao: có thể kéo dài một vài ngày đến một vài tháng + Giai đoạn làm mát và ổn định: kéo dài vài tháng
Trong quá trình phân hủy hiếu khí, ứng với từng giai đoạn ủ khác nhau thì các loài vi sinh vật ưu thế cũng khác nhau. Quá trình phân hủy ban đầu do các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình chiếm ưu thế, chúng sẽ phân hủy nhanh chóng những hợp chất có cấu trúc phân tử đơn giản. Nhiệt độ trong quá trình này sẽ tăng nhanh chóng do nhiệt mà các vi sinh vật tạo ra. Khi nhiệt độ gia tăng >40oC, các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình sẽ bị thay thế bởi các vi sinh vật hiếu nhiệt. Khi nhiệt độ gia tăng ≥ 55oC, các vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt. Khi nhiệt độ gia tăng đến 65oC sẽ có rất nhiều loài vi sinh vật bị tiêu diệt và nhiệt độ này cũng giới hạn trên của quá trình phân hủy hiếu khí [8].
Trong giai đoạn hiếu khí, nhiệt độ cao làm tăng quá trình phân hủy protein, chất béo và các carbohydrate phức hợp như cellulose và hemicellulose. Sau giai đoạn này, nhiệt độ của quá trình ủ sẽ giảm từ từ và các vi sinh chịu nhiệt trung bình lại chiếm ưu thế trong giai đoạn cuối.
1.4.3. Kích thước và hình dạng hệ thống ủ phân hữu cơ
Kích thước và hình dạng của các đống ủ có ảnh hưởng đến sự kiểm soát nhiệt độ và độẩm cũng như khả năng cung cấp oxy [8].
Khối ủđược cung cấp không khí từ môi trường xung quanh để vi sinh vật sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng như làm bay hơi nước và giải phóng nhiệt. Nếu khí không được cung cấp đầy đủ thì trong khối ủ có thể có những vùng kị khí, gây mùi hôi.
Lượng không khí cung cấp cho khối phân hữu cơ có thể thực hiện bằng cách: + Đảo trộn;
+ Sử dụng ống thông khí;
+ Đổ chất thải từ tầng lưu chứa trên cao xuống thấp; + Thổi khí.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Quá trình đảo trộn cung cấp khí không đủ theo cân bằng tỷ lượng. Điều kiện hiếu khí chỉ thỏa mãn đối với lớp trên cùng, các lớp bên trong hoạt động trong môi trường tùy ý hoặc kỵ khí. Do đó, tốc độ phân hủy chậm và thời gian cần thiết để quá trình ủ phân hoàn tất bị kéo dài.
Cấp khí bằng phương pháp thổi khí đạt hiệu quả phân hủy cao nhất. Tuy nhiên, lưu lượng khí phải được khống chế thích hợp. Nếu cấp quá nhiều khí sẽ dẫn đến chi phí cao và gây mất nhiệt của khối phân, kéo theo sản phẩm không đảm bảo an toàn vì có thể chứa vi sinh vật gây bệnh. Khi pH của môi trường trong khối phân lớn hơn 7, cùng với quá trình thổi khí sẽ làm thất thoát nitơ dưới dạng NH3. Ngược lại, nếu thổi khí quá ít, môi trường bên trong khối phân sẽ trở thành kỵ khí. Vận tốc thổi khí cho quá trình ủ phân thường trong khoảng 5-10 m3 khí/tấn nguyên liệu/giờ [8]; [30]; [47].
1.4.4. Các yếu tố hóa sinh ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost 1.4.4.1. Tỷ lệ C:N 1.4.4.1. Tỷ lệ C:N
Có rất nhiều nguyên tốảnh hưởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật, trong đó carbon (C) và nitơ (N) là cần thiết nhất, tỉ lệ C:N là thông số dinh dưỡng quan trọng nhất; kế tiếp là phospho (P), lưu huỳnh (S), canxi (Ca). Các nguyên tố vi lượng khác cũng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào.
Khoảng 20 - 40% carbon của các chất hữu cơ cần thiết cho quá trình đồng hóa thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hóa thành CO2. Carbon 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, acid amin, enzyme, co-enzyme cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào [8]; [44]; [44].
Hầu hết các vi sinh vật sử dụng carbon nhiều gấp 25 lần so với nitơ trong phân hữu cơ. Tỉ lệ C:N trong phân ủ từ 10 – 20. Do đó, các vi sinh vật trong phân ủ thường tận dụng nguồn carbon trước khi sử dụng nitơ. Nitơ còn lại có thể mất đi do bị biến đổi thành NH3 hoặc các oxit nitơ.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Tỉ lệ C:N tối ưu cần thiết cho quá trình ủ phân rác khoảng 30:1. Ở mức tỉ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, gây ra mùi khai. Ở mức tỉ lệ cao hơn, nitơ trong môi trường sẽ thiếu, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật. Theo nghiên cứu cho thấy:
Bảng 1.7: Tỉ lệ C:N theo thời gian phân hủy
Tỉ lệ C:N Thời gian phân hủy tối ưu
20 12 ngày
20-50 14 ngày
78 21 ngày
Mặc dù vậy, tỉ lệ này cũng có thểđược hiệu chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu ủ, trong đó quan trọng nhất là vật liệu ủ có hàm lượng lignin cao [8].
Trừ phân ngựa và lá khoai tây, tỉ lệ C:N của tất cả các chất thải khác nhau đều phải được hiệu chỉnh để đạt giá trị tối ưu trước khi tiến hành làm phân. Tỉ lệ C:N của các chất thải khác nhau được trình bày trong bảng 1.8:
Bảng 1.8: Hàm lượng nitơ và tỉ lệ C:N trong các loại chất thải
STT Chất thải N (% trọng lượng khô) Tỉ lệ C:N 1 Phân bắc 5,5 – 6,5 6 – 10 2 Nước tiểu 15 – 18 0,8 3 Máu 10 - 14 3 4 Phân động vật - 4,1 5 Phân bò 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 khô 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 thô 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 Gỗ nghiền 0,13 170 21 Mạt cưa 0,1 200 -500
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung STT Chất thải N (% trọng lượng khô) Tỉ lệ C:N 22 Gỗ thông 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 (gói hàng) 0,01 4490 28 Tạp chí 0,07 470 29 Tài liệu 0,17 223 30 Cỏ xén 2,15 20,1 31 Lá cây (tươi) 0,5 – 1 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, tỉ lệ C:N là 30:1 và giảm dần còn 15:1 ở các sản phẩm cuối cùng do 2/3 carbon được giải phóng tạo ra CO2, khi các chất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật [8]; [30]; [37]; [46].
Trong thực tế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỉ lệ C:N tối ưu gặp phải khó khăn vì những lý do sau:
+ Một phần cơ chất như cellulose và lignin khó bị phân hủy sinh học, chỉ bị phân hủy một phần sau một thời gian dài.
+ Một số chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật không có sẵn.
+ Quá trình cố định N có thể xảy ra dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn
Azotobacter, đặc biệt khi có đủ ion PO43-.
+ Phân tích hàm lượng C khó đạt kết quả chính xác. Hàm lượng carbon có thể xác định theo phương trình sau:
- Phần trăm (%) tro: lượng vật liệu còn lại sau khi nung ở nhiệt độ 550oC trong 1 giờ.
Một số chất thải có thành phần chủ yếu là nhựa (thành phần bị phân hủy ở 550oC) sẽ có giá trị %C cao, nhưng đa phần không có khả năng phân hủy sinh học [8].
1.4.4.2. Oxy
Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân rác. Khi vi sinh vật oxy hóa carbon tạo năng lượng, oxy sẽđược sử dụng và khí CO2 được sinh ra.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Khi không đủ oxy, quá trình ủ phân sẽ chuyển sang giai đoạn yếm khí và tạo mùi hôi từ khí H2S, NH3
Các vi sinh vật hiếu khí có 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 hiếu khí.
Tổng lượng khí cần cung cấp và đo lưu lượng dòng khí là các thông số thiết kế quan trọng đối với hệ thống ủ trong thùng kín. Nhu cầu oxy thay đổi theo tiến trình ủ gián đoạn, do đó cần xác định nhu cầu oxy tối đa để chọn máy thổi khí và thiết kế hệ thống ống phân phối khí phù hợp [8]; [30].
1.4.4.3. Nguồn dinh dưỡng
Ngoài một số nguyên tố đa lượng, quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật cũng cần một số nguyên tố vi lượng khác như P, K, Ca, Fe, Bo, Cu,…Thông thường, các chất dinh dưỡng này không có giới hạn bởi chúng hiện diện nhiều trong các vật liệu làm nguyên liệu cho quá trình ủ phân [8].
1.4.4.4. Độ pH
Giá trị pH trong khoảng 5,5 – 8,5 là tối ưu cho các vi sinh vật trong quá trình ủ phân. Các vi sinh vật, nấm tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các acid hữu cơ. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ phân rác, các acid này bị tích tụ và kết quả làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và vi sinh vật, kìm hãm sự phân hủy lignin và cellulose. Các acid hữu cơ sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình ủ phân rác. Nếu hệ thống ủ trở nên yếm khí, việc tích tụ acid có thể làm pH giảm xuống đến 4 - 5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sống của vi sinh vật [8].
1.4.5. Chất lượng phân hữu cơ compost
Vận tốc phân hủy dao động tùy theo thành phần, kích thước, tính chất của chất hữu cơ. Chất hữu cơ hòa tan thì dễ phân hủy hơn chất hữu cơ không hòa tan. Lignin và lingo – cellulosic là những chất phân hủy rất chậm.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Bảng 1.9: Các thông số quan trọng trong quá trình ủ phân compost
Thông số Giá trị
1. Kích thước Quá trình ủ đạt hiệu quả tối ưu khí kích thước phân ủ khoảng 25-75 mm
2. Tỉ lệ C:N Tỉ lệ C:N tối ưu dao động khoảng 25-50
- Ở tỉ lệ thấp hơn: dư NH3, hoạt tính sinh học giảm - Ở tỉ lệ cao hơn: chất dinh dưỡng bị hạn chế
3. Pha trộn Thời gian ủ ngắn hơn
4. Độẩm 50-60%, tối ưu 55%
5. Đảo trộn Nhằm ngăn ngừa hiện tượng khô, đóng bánh và tạo thành các rãnh khí. Quá trình làm phân hữu cơ cần phải được xáo trộn định kì, tần suất đảo trông phụ thuộc vào quá trình thực hiện.
6. Nhiệt độ Nhiệt độ phải được duy trì trong khoảng 50-55oC một vài ngày đầu và 55-60oC ở những ngày sau.
Trên 66oC, hoạt tính vi sinh vật giảm đáng kể. 7. Kiểm soát mầm bệnh Nhiệt độ 60-70oC: các mầm bệnh bị tiêu diệt
8. Nhu cầu không khí Lượng oxy cần thiết được tính toán dựa trên cân bằng tỉ lượng. Không khí chứa oxy cần thiết phải được tiếp xúc đều với tất cả các phần của vật liệu làm phân.
9. pH Tối ưu: 7-7,5; hạn chế sự bay hơi nitơ dưới dạng NH3 pH không được vượt quá 8,5.
10. Mức độ phân hủy Đánh giá qua sự giảm nhiệt độ vào thời gian cuối.