2.1.2.1. Phản ứng sinh hóa
Quá trình phân hủy CTR diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và tạo nhiều sản phẩm trung gian .
Qúa trình phân hủy protein: protein → peptides → amino axit → hợp chất ammoniumn → nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3.
Đối với carbonhydrat, quá trình phân hủy xảy ra: carbonhydrat → đường đơn → axit hữu cơ → CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn.
Những phản ứng chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp, hiện vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết. Một cách tổng quát căn cứ trên sự biến thiên nhiệt độ có thể chia quá trình ủ hiếu khí thành các pha sau:
Pha thích nghi (latent phase) là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật (VSV) thích nghi với môi trường mới.
Pha tăng trưởng (growth phase) đặc trưng bới sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học.
Pha ưa nhiệt (thermophilic phase) là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Đây là giai đoạn ổn định chất thải và tiêu diệt VSV gây bệnh hiệu quả nhất. Phản ứng hóa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kỵ khí được đặc trưng bởi hai phương trình: CHONS + O2 + VSV hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng
CHONS + VSV kỵ khí → CO2 + H2S + CH4 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng
Pha trưởng thành (maturation) là giai đoạn giảm nhiệt độ đến bằng 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 (sắt, canxi, nitơ…) và cuối cùng thành mùn. Ngoài ra còn xảy ra các phản ứng nitrat 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-):
NH4 + + 3/2 O2 → NO2 - + 2H+ + H2O NO2- + ½ O2 → NO3-
Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrat hóa diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O
Mặt khác, trong mô tế bào, NH4+ cũng được tổng hợp với phản ứng đặc trưng cho quá trình tổng hợp:
NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O → C5H7O2N + 5O2 Phương trình phản ứng nitrat hóa tổng cộng xảy ra như sau:
22NH4++ 37O2 + 4CO2 + HCO3- → 21 NO3- + C5H7O2N + 20H2O + 42H+ 2.1.2.2. Phản ứng sinh học
Ủ compost là quá trình sinh học mà các chất hữu cơ có trong chất thải rắn được biến đổi thành các chất mùn ổn định do hoạt động của các tổ chức có thể sống trong điều kiện tự nhiên hiện diện trong chất thải. Các tổ chức này gồm các loại vi sinh vật (VSV) như vi khuẩn, nấm, chất thải hữu cơ được phân hủy ban đầu từ sinh vật tiêu thụ bậc một như vi khuẩn, nấm. Sự ổn định chất thải do các phản ứng của vi khuẩn thực hiện. Trong thời gian đầu, vi khuẩn thích hợp với điều kiện mesophilic xuất hiện trước.
Khi nhiệt độ tăng vi khuẩn thermophilic xuất hiện chiếm hầu hết các vị trí trong khối ủ, thermophilic nấm thường tăng trưởng từ 5 – 10 ngày sau khi ủ. Nếu nhiệt độ cao hơn 50 – 60 0C thì nấm và hầu hết các vi khuẩn bị ức chế, chỉ còn các dạng bào tử có thể phát triển. Trong giai đoạn cuối cùng, khi nhiệt độ giảm nhóm vi khuẩn Atinomycetes trở nên chiếm ưu thế làm cho bề mặt đống ủ sẽ xuất hiện màu trắng hoặc nâu.
Các loại vi khuẩn thermophilic, hầu hết là các loài Bacillus đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy protein và hợp chất hydratcarbon. Mặc dù chỉ hoạt động bên lớp ngoài của đống ủ và chỉ hoạt động ở giai đoạn cuối nhưng nhóm Atinomycetes đóng vai trong việc phân hủy cellulose, lignin và các chất bền vững khác. Sau giai đoạn tiêu thụ bậc một hay sơ cấp thực hiện xong, các chất này sẽ là thức ăn cho sinh vật tiêu thụ thứ cấp như ve, bọ cánh cứng, giun tròn, động vật nguyên sinh, phiêu sinh.
2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost
Hiệu quả của quá trình ủ phụ thuộc vào nhóm các tổ chức cư ngụ và làm ổn định trong chất thải hữu cơ. Do đó quá trình ủ sẽ không đạt kết quả mong muốn mà nguyên nhân chính là do sự mất cân bằng về thành phần hóa học và điều kiện lý học trong quá trình ủ. Chính vì vậy cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ Compost như nhiệt độ, độ ẩm, pH, VSV, oxy, tỷ lệ C/N và cấu trúc chất thải.
2.1.3.1. Các yếu tố vật lý
Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trình ủ gồm: nhiệt độ, độ ẩm, kích thước nguyên liệu, độ rỗng, thổi khí.
a. Nhiệt độ
Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ và cũng là một trong các thông số giám sát và điều khiển quá trình ủ CTR. Trong luống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55÷650C, vì ở nhiệt độ này, quá trình chế biến phân vẫn hiệu quả và mầm bệnh bị tiêu diệt. Khi nhiệt độ tăng trên ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của VSV. Ở nhiệt độ thấp hơn phân hữu cơ không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh. Nhiệt độ trong luống ủ có thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau như hiệu chỉnh tốc độ thổi khí và độ ẩm, cô lập khối ủ với môi trường bên ngoài bằng cách che phủ hợp lý.
Hình 2.1: Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân b. Độ ẩm (nước)
Là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Vì nước cần thiết cho quá trình hòa tan chất dinh dưỡng vào nguyên sinh chất của tế bào.
Độ ẩm tối ưu cho quá trình ủ phân CTR nằm trong khoảng 50÷60%. Các VSV đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy CTR thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của phân tử CTR. Nếu độ ẩm quá nhỏ (<30%) sẽ hạn chế hoạt động của VSV, còn khi độ ẩm quá lớn (>65%) thì quá trình phân hủy sẽ chậm lại, sẽ chuyển sang chế độ phân hủy kỵ khí vì quá trình thổi khí bị cản trở do hiện tượng bít kín các khe rỗng không cho không khí đi qua, gây mùi hôi, rò rỉ chất dinh dưỡng và lan truyền VSV gây bệnh.
Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước có nhiệt dung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác.
Trong trường hợp độ ẩm của khối ủ thấp, có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào.
Còn khi độ ẩm của khối ủ cao có thể điều chỉnh bằng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như mạt cưa, rơm rạ …
Độ ẩm của phân bắc, bùn, phân động vật thường cao hơn giá trị tối ưu, do đó cần bổ sung thêm các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết. Đối với hệ thống làm compost vận hành liên tục, độ ẩm có thể được khống chế bằng cách tuần hoàn sản phẩm compost như sơ đồ hình 2.2.
Hình 2.2: Tuần hoàn sản phẩm compost c. Kích thước nguyên liệu
Kích thước nguyên liệu ảnh hưởng rất 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 VSV trong đống ủ và giảm mức độ hoạt động của VSV. Ngược lại, hạt có kích thước quá lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ.
Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3÷50mm. Kích thước hạt tối ưu có thể đạt được bằng nhiều cách như cắt, nghiền và sàng vật liệu thô ban đầu.
d. Độ rỗng (xốp)
Độ rỗng của khối vật liệu ủ là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Độ rỗng tối ưu sẽ thay đổi tùy theo loại vật liệu chế biến phân. Thông thường, để quá trình chế biến diễn ra tốt khoảng 35÷60%, tối ưu là 32÷36%.
Độ rỗng của CTR ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cung cấp oxy cần thiết cho sự trao đổi chất, hô hấp của VSV hiếu khí và sự oxy hóa các phân tử hữu cơ hiện diện trong lớp vật liệu ủ. Độ rỗng thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy, nên hạn chế sự
giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ trong khối ủ. Ngựợc lại, độ rỗng cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh không bị tiêu diệt.
Độ rỗng có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỷ lệ trộn hợp lý.
e. Thổi khí
Khối ủ được cung cấp không khí từ môi trường xung quanh để VSV 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 được thực hiện bằng cách:
Đảo trộn
Sử dụng ống khí
Đổ chất thải từ tầng lưu chất trên cao xuống thấp
Thổi khí
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 tiện hoặc kị khí. Do đó, tốc độ phân hủy giảm 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 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 VSV 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. Trái lại, nếu thổi khí quá ít môi trường bên trong khối phân trở thành kị khí. Vận tốc thổi khí cho quá trình ủ phân thường trong khoảng 5÷10m3 khí/ tấn nguyên liệu/giờ.
2.1.3.2. Các yếu tố hóa sinh a. Tỷ lệ C/N (Cacbon/Nitơ) a. Tỷ lệ C/N (Cacbon/Nitơ)
Có rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do VSV, trong đó C và N là cần thiết nhất, tỷ lệ C/N là thông số dinh dưỡng quan trọng nhất; quan trọng
kế tiếp là nguyên tố photpho (P); lưu hùynh (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% của chất thải hữu cơ (trong chất thải nạp liệu) cần thiết cho quá trình đồng hóa thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hóa thành CO2. C cung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo ra khoảng 50% khối lượng tế bào VSV. N là thành phần chủ yếu của protein, axit nucleic, axit amin, enzyme, 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 khoảng 30:1. Ở mức tỷ lệ thấp hơn, N sẽ thừa và sinh ra khí NH3 gây ra mùi khai. Ở mức tỷ lệ cao hơn hạn chế sự phát triển của VSV do thiếu N. Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hóa, oxy hóa phần C dư cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp. Do đó, 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 có thể được hiệu chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu ủ, trong đó quan trọng nhất là cần quan tâm tới các vật liệu ủ có hàm lượng lignin cao.
Khi bắt đầu quá trình ủ phân, tỷ lệ C/N là 30:1 và giảm dần còn 15:1 ở các sản phẩm cuối cùng do 2/3 C được giải phóng tạo ra CO2 khi các hợp chất hữucơ bị phân hủy bởi các VSV.
Trong thực tế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỷ lệ C/N tối ưu gặp phải khó khăn vì những lý do sau:
- Một phần các chất như xenlulo và lignin khó bị phân hủy sinh học, chỉ bị phân hủy sau một khoảng thời gian dài.
- Một số chất dinh dưỡng cần thiết cho VSV không sẵn có.
Quá trình cố định N có thể xảy ra dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn azotobacter, đặc biệt khi có đủ PO43-.
- Phân tích hàm lượng C khó đạt kết quả chính xác. Bảng 2.1 Tỷ lệ C/N của chất thải (tính theo chất khô)
STT Chất thải N (% khối lượng) Tỷ lệ C/N
2 Nước tiểu 15÷18 0.8 3 Máu 10÷14 3.0 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 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÷1.0 40÷80
32 Sinh khối thực vật 1.96 20.9÷24
(Nguồn: Chongrak, Tchobanoglous và cộng sự, 1993)
Hàm lượng C có thể xác định theo phương trình sau: 8 . 1 % 100 % C tro
%Tro trong phương trình này là lương vật liệu còn lại sau khi nung ở nhiệt độ 5500C trong một giờ. Do đó một số chất thải có thành phần chủ yếu là nhựa (thành phần bị phân hủy ở 5500 C) sẽ có giá trị %C cao, nhưng đa phần không có khả năng phân hủy sinh học.
b. Oxy
Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân. Khi VSV oxy hóa C tạo năng lượng, oxy sẽ được sử dụng và khí CO2 được sinh ra; khi không có đủ oxy thì sẽ trở thành quá trình yếm khí và tạo ra mùi hôi như mùi trứng gà thối của khí H2S.
Các VSV 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 do lưu lượng dòng khí là các thông số 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.
c. Dinh dưỡng
Ngoài một số nguyên tố đa lượng, quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ hoạt động của VSV 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 có mặt nhiều trong các vật liệu làm nguyên liệu cho quá trình ủ phân.
d. pH
Giá trị pH trong khoảng 5,5-8,5 là tối ưu cho các VSV trong quá trình ủ phân. Các VSV, nấm, tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các axit hữu cơ. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ phân, các axit này bị tích tụ và kết qủa làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và VSV, kìm hãm sự phân hủy của lignin và xenlulo. Các