CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Điều kiện mơi trường ảnh hưởng đến quá trìn hủ phân compost
1.4.1. Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trìn hủ phân compost
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 q 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 q 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:
Q 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 q 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, quá trình lên men xảy ra chậm, thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình chuyển hĩa các phức chất hữu cơ thành chất mùn), các chất khống (Fe, Ca, N…) và cuối cùng thành mùn. Ngồi ra cịn xảy ra các phản ứng nitrate hĩa, ammonia (sản phẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxy hĩa 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 hĩa diễn ra như sau:
NH4+ + O2 NO3- + 2H+ + H2O (1.3) Mặt khác, trong mơ 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 hĩa tổng cộng:
22 NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- 21NO3- + C5H7NO2 + 20H2O + 42H+ (1.5)
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Q 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: cĩ thể kéo dài một vài ngày đến một vài tháng + Giai đoạn làm mát và ổn định: kéo dài vài tháng
Trong q trình phân hủy hiếu khí, ứng với từng giai đoạn ủ khác nhau thì các lồi 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 chĩng những hợp chất cĩ cấu trúc phân tử đơn giản. Nhiệt độ trong quá trình này sẽ tăng nhanh chĩng 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 cĩ rất nhiều lồi 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 q 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 cĩ ảnh hưởng đến sự kiểm sốt nhiệt độ và độ ẩm cũng như khả năng cung cấp oxy [8].
Khối ủ được cung cấp khơng khí từ mơi trường xung quanh để vi sinh vật sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng như làm bay hơi nước và giải phĩng nhiệt. Nếu khí khơng được cung cấp đầy đủ thì trong khối ủ cĩ thể cĩ những vùng kị khí, gây mùi hơi.
Lượng khơng khí cung cấp cho khối phân hữu cơ cĩ thể thực hiện bằng cách: + Đảo trộn;
+ Sử dụng ống thơng 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 khơng 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 mơi trường tùy ý hoặc kỵ khí. Do đĩ, tốc độ phân hủy chậm và thời gian cần thiết để quá trình ủ phân hồn 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 khơng đảm bảo an tồn vì cĩ thể chứa vi sinh vật gây bệnh. Khi pH của mơi trường trong khối phân lớn hơn 7, cùng với q trình thổi khí sẽ làm thất thốt nitơ dưới dạng NH3. Ngược lại, nếu thổi khí quá ít, mơi trường bên trong khối phân sẽ trở thành kỵ khí. Vận tốc thổi khí cho q trình ủ phân thường trong khoảng 5-10 m3 khí/tấn nguyên liệu/giờ [8]; [30]; [47].
1.4.4. Các yếu tố hĩa 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
Cĩ rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật, trong đĩ carbon (C) và nitơ (N) là cần thiết nhất, tỉ lệ C:N là thơng số dinh dưỡng quan trọng nhất; kế tiếp là phospho (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% carbon của các chất hữu cơ cần thiết cho quá trình đồng hĩa thành tế bào mới, phần cịn lại chuyển hĩa 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 đĩ, các vi sinh vật trong phân ủ thường tận dụng nguồn carbon trước khi sử dụng nitơ. Nitơ cịn lại cĩ 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 mơi 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 cĩ thể được hiệu chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu ủ, trong đĩ quan trọng nhất là vật liệu ủ cĩ 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 khơ) 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 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 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 khơ) Tỉ lệ C:N
22 Gỗ 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
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 cịn 15:1 ở các sản phẩm cuối cùng do 2/3 carbon được giải phĩng 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 tốn và hiệu chỉnh chính xác tỉ lệ C:N tối ưu gặp phải khĩ khăn vì những lý do sau:
+ Một phần cơ chất như cellulose và lignin khĩ 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 khơng cĩ sẵn.
+ Quá trình cố định N cĩ thể xảy ra dưới tác dụng của nhĩm vi khuẩn
Azotobacter, đặc biệt khi cĩ đủ ion PO43-.
+ Phân tích hàm lượng C khĩ đạt kết quả chính xác.