VI. Ý NGHĨA KHOA HỌC, TÍNH MỚI VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
2.1.4. Khả năng phân hủy sinh học của các TPHC trong CTRSH thông qua
thông số VS và BF
Hàm lượng chất rắn bay hơi (VS), xác ựịnh bằng cách nung CTR ở nhiệt ựộ 550oC, thường ựược dùng ựể ựánh giá khả năng phân hủy sinh học của phần hữu cơ trong CTR. Tuy nhiên, sử dụng giá trị VS ựể mô tả khả năng phân hủy sinh học của phần hữu cơ trong CTR có thể không chắnh xác, bởi vì một vài thành phần hữu cơ của CTR rất dễ bay hơi nhưng lại kém khả năng phân hủy sinh học, như giấy báo và phần xén bỏ từ cây trồng. Thay vào ựó, hàm lượng lignin của CTR có thể ựược sử dụng ựể ước lượng tỷ lệ phần dễ phân hủy sinh học (BF) của CTR, và ựược tắnh toán bằng công thức sau [49],[54]:
BF = 0,83 Ờ 0,028 LC (2-2) (2-1)
Trong ựó:
BF - Tỷ lệ phân hủy sinh học tắnh theo VS; 0,83 và 0,028 - Hằng số thực nghiệm;
LC - Hàm lượng lignin của VS, biểu diễn bằng % khối lượng khô.
CTRSH có hàm lượng lignin cao như giấy báo, có khả năng phân hủy sinh học kém hơn ựáng kể so với các chất thải hữu cơ khác trong CTRSH. Trong thực tế, các thành phần hữu cơ trong CTRSH thường ựược phân thành hai loại: phân hủy chậm và phân hủy nhanh.
Bảng 2-2. Khả năng phân hủy sinh học của các chất hữu cơ theo % kl lignin
Thành phần Phần CTR bay hơi tắnh theo chất khô (VS/TS), %kl Hàm lượng lignin/VS (LC/VS), %kl Phần phân hủy sinh học tắnh theo VS, %kl Thực phẩm thừa 7 ọ 15 0,4 0,82 Giấy Giấy báo 94,0 21,9 0,22 Giấy văn phòng 96,4 0,4 0,82 Giấy cacton 94,0 12,9 0,47 Rác vườn 50 ọ 90 4,1 0,72 Nguồn: [15],[54]
2.2. QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG CTRSH
Quá trình phân hủy sinh học các TPHC dưới sự tham gia của vi sinh vật xảy ra trong các ựiều kiện môi trường khác nhau: kỵ khắ, hiếu khắ và thiếu khắ cùng với các yếu tố ảnh hưởng ựến quá trình ựó.
2.2.1. Quá trình phân hủy sinh học TPHC trong ựiều kiện kỵ khắ
Phân hủy kỵ khắ là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường không có oxy ở ựiều kiện nhiệt ựộ từ 30 ọ 65oC với sự tham gia của VSV kỵ khắ. Sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khắ là khắ sinh học (chủ yếu là CH4 và CO2). Khắ sinh học có thể thu gom và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học và bùn ựã ựược ổn ựịnh về mặt sinh học, có thể sử dụng như nguồn bổ sung chất dinh dưỡng cho cây trồng.
Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của CTRSH dưới ựiều kiện kỵ khắ xảy ra theo 3 giai ựoạn:
− Thủy phân: Các chất hữu cơ phức tạp bị thủy phân thành các chất ựơn giản dưới tác dụng của các Enzym thủy phân ựược VSV tiết ra;
− Lên men axit (còn gọi là lên men hydro): Giai ựoạn này các chất ựơn giản từ quá trình thủy phân sẽ ựược phân hủy thành các axit: butyric, axetic, propionic pH ở giai ựoạn này nhỏ hơn 7. VSV tham gia ở giai ựoạn này ở dạng tùy nghi hay kỵ khắ;
− Lên men mêtan (lên men kiềm): Dưới sự tham gia của VSV mêtan sẽ phân hủy các axit của giai ựoạn 2 thành khắ sinh học gồm chủ yếu là CH4 và CO2. Giai ựoạn này giá trị pH lớn hơn 7.
Trong quá trình phân hủy kỵ khắ, nhiều loại VSV kỵ khắ cùng tham gia quá trình chuyển hóa phần chất hữu cơ của CTR thành sản phẩm cuối bền vững. Một nhóm VSV 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, animo acid và các hợp chất liên quan. Nhóm VSV kỵ khắ thứ hai gọi là nonmetanogenic (gồm các VSV kỵ khắ tùy tiện và VSV kỵ khắ bắt buộc) lên men các sản phẩm ựã cắt mạch của nhóm một thành các acid hữu cơ ựơn giản mà chủ yếu là acetic acid.
Nhóm VSV thứ ba chuyển hóa hydro và acetic acid thành khắ CH4 và CO2. VSV metan hóa chỉ có thể sử dụng một số cơ chất nhất ựịnh ựể chuyển hóa thành metan như CO2 + H2, fomat, axetat, metanol, metylamin 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 + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2
Một cách tổng quát, quá trình chuyển hóa kỵ khắ phần chất hữu cơ có trong CTRSH có thể mô tả bằng phương trình:
CaHbOcNdSe + 4 2 3 2 4a−b− c+ d+ e H2O = 8 2 3 2 4a+b− c− d − e CH4 + 8 2 3 2 4a−b+ c+ d− e CO2 + dNH3 + eH2S
Khắ sinh học thu ựược có nhiệt trị khá cao: 4.000 Ờ 6.000 Kcal/m3, riêng khắ CH4 ựến 9.000 Kcal/m3.
Như vậy, quá trình phân hủy kỵ khắ làm mất Nitơ do sản phẩm của quá trình tạo thành NH3 và cũng mất lưu huỳnh do tạo thành H2S.
để dự ựoán tốc ựộ sinh khắ, có thể giả sử rằng chất hữu cơ trong CTR sinh hoạt ựô thị bao gồm nhiều phần. Phương trình biểu diễn tốc ựộ khử cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khắ phần chất hữu cơ của CTRSH gồm 2 hợp chất ựược biểu diễn như sau:
( 1 1 2 2) 2 1 kS k S dt dS dt dS dt dS r = + + − = − =
Nồng ựộ cơ chất S1 và S2 nếu biểu diễn theo nồng ựộ chất rắn bay hơi tương ứng VS1 và VS2 như sau:
r = (k1.VS1 + k2.VS2)
Trong ựó:
k1 và k2 Ờ hằng số tốc ựộ bậc một của hợp chất 1 và hợp chất 2; VS1 và VS2 Ờ nồng ựộ CTR bay hơi ựược của hợp chất 1, 2 tương ứng.
Trong thực tế, nồng ựộ chất rắn bay hơi VS = VS1 + VS2 có thể ựược xác ựịnh một cách gián tiếp bằng cách ựo lượng khắ metan sinh ra. đối với một quá trình phân hủy, tốc ựộ khử các chất rắn bay hơi có khả năng phân hủy sinh học hầu như bằng tốc ựộ sinh khắ metan vì quá trình tạo thành sinh khối không ựáng kể:
r ≈ rCH4
Trong ựó rCH4 là tốc ựộ sinh khắ metan.
Lượng chất rắn bay hơi bị phân hủy có thể biểu diễn sau:
VS k dt VS d r=− ( )= ⋅
Trong ựó k là hằng số tốc ựộ của toàn bộ quá trình (ngày-1).
(2-3)
(2-4)
Hệ số k sẽ khác nhau ựối với quá trình phân hủy TPHC có khả năng phân hủy nhanh so với TPHC có khả năng phân hủy chậm.
Lấy tắch phân phương trình trên ta ựược:
t k VS VSt ⋅ − = 0 ln
Như vậy nếu biểu diễn theo tốc ựộ sinh khắ metan, phương trình trên trở thành:
t k CH CH t =− ⋅ − max 4 4 1 ln Trong ựó:
CH4t Ờ lượng tổng khắ metan sinh ra sau thời gian t;
CH4max Ờ lượng khắ metan cực ựại có thể tạo thành từ phần chất hữu cơ.
Như vậy, bằng cách ựo lượng khắ CH4 sinh ra có thể xác ựịnh ựược tốc ựộ phân hủy chất hữu cơ một cách dễ dàng hơn.
2.2.2. Quá trình phân hủy sinh học TPHC trong ựiều kiện hiếu khắ
Quá trình phân hủy sinh học hiếu khắ và ổn ựịnh các TPHC nhờ hoạt ựộng của VSV hiếu khắ. Sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học này bao gồm CO2, nước, NO3-, SO42-, nhiệt. Quá trình phân hủy này có thể ựược mô tả bằng phương trình tổng quát như sau:
Trong phương trình trên, tế bào VSV mới sinh ra trở thành một phần sinh khối hoạt tắnh sẽ biến ựổi các chất hữu cơ, sau ựó bị chết và trở thành một phần của phân ủ. đối với quá trình phân hủy sinh học các TPHC trong CTRSH, sản phẩm hình thành là chất mùn ổn ựịnh (phân compost). Các mục tiêu chắnh của ủ phân rác hiếu khắ là:
- Chuyển hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học thành các vật liệu bền vững sinh học ựồng thời giảm thể tắch ban ựầu của rác thải;
Proteins Amino acids Lipids Carbonhydrate Cellulose Lignin + CO2 + H2O + NO3- + SO42-+Q + O2 + Chất dinh dưỡng + VSV Phân ủ + Tế bào VSV mới
+ Tế bào VSV chết
(2-6)
- Tiêu diệt các mầm bệnh, trứng côn trùng gây bệnh và những sinh vật không mong muốn khác trong rác thải;
- Giữ lại hàm lượng các chất dinh dưỡng cao nhất;
- Tạo ra sản phẩm phân bón có thể sử dụng ựể trợ giúp cây phát triển và cải tạo ựất ựó là phân compost.
Thông thường các tắnh chất hóa học và lý học của phân compost phụ thuộc nhiều vào tắnh chất của chất thải ban ựầu, ựiều kiện môi trường và quy mô sản xuất. Một vài tắnh chất ựặc trưng của phân compost:
- Màu nâu ựến nâu ựen;
- Tỷ số cacbon/nitơ (C/N) thấp;
- Khả năng hấp thụ nước và trao ựổi ion cao;
- Tắnh chất thay ựổi liên tục do hoạt ựộng của các vi sinh vật.
Khi bón phân compost vào ựất nó có tác dụng cải tạo ựất, tăng khả năng giữ nước của ựất.
Quá trình phân hủy TPHC diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai ựoạn và tạo ra nhiều sản phẩm trung gian. Chẳng hạn như:
- Quá trình phân hủy protein:
Protein → peptides → amino acid → hợp chất ammonium → nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3 và các sản phẩm trung gian.
- đối với carbonhydrat, quá trình phân hủy xảy ra: carbonhydrat → ựường ựơn → acid hữu cơ → CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn.
Các VSV trãi qua các giai ựoạn thắch nghi với môi trường rồi phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ ựơn giản và tạo nên năng lượng cho quá trình tổng hợp tế bào của chúng.
Quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong ựiều kiện hiếu khắ (do VSV hoại sinh hiếu khắ Ờ cần oxy), sản phẩm cuối cùng: CO2, H2O và năng lượng, cũng gồm 3 giai ựoạn:
1. Oxy hóa các chất hữu cơ (Hydratcacbon):
2. Tổng hợp xây dựng tế bào:
CxHyOz → Tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 + H 3. Tự oxy hóa chất liệu tế bào:
C5H7NO2 + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + H
Trong ựó H là năng lượng sinh ra hoặc hấp thu vào.
Ngoài ra còn xảy ra quá trình nitrat hóa, ammonia bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2-) và cuối cùng thành nitrat (NO3-):
NH4+ + 3/2O2 → NO2- + 2H+ + H2O NO2- + 1/2O2 → NO3-
Kết hợp 2 phương trình trên, quá trình nitrat hóa diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O
Mặt khác, trong mô tế bào, NH4+ cũng ựược tổng hợp với phản ứng ựặc trưng cho quá trình tổng hợp:
NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O → C5H7NO2 + 5O2
Quá trình nitrat hóa tổng cộng xảy ra như sau:
22NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- → 21NO3- + C5H7NO2 + 20H2O + 42H+
Như vậy, trong quá trình phân hủy hiếu khắ, khác với quá trình kỵ khắ là ở chỗ các chất hữu cơ (NH4) chuyển hoá thành NO3.
2.2.3. Quá trình phân hủy sinh học TPHC trong ựiều kiện thiếu khắ
Khác với quá trình phân hủy sinh học trong ựiều kiện kỵ khắ, quá trình phân hủy sinh học phân hủy TPHC trong ựiều kiện thiếu khắ thực chất là quá trình sinh học hiếu khắ nhưng ắt và thiếu oxy. Oxy có ựược bằng con ựường hoàn toàn tự nhiên nhưng kiểm soát ựược, trong quá trình ủ vẫn xảy ra quá trình nitrat hóa nhưng ở mức ựộ thấp. Quá trình phân hủy sinh học thiếu khắ xảy ra qua các giai ựọan khác nhau và nhiệt ựộ là thông số chỉ thị ựể nhận biết các giai ựoạn nào ựang diễn ra cũng như ựể giám sát ựiều khiển quá trình:
- Giai ựoạn thắch nghi: là giai ựoạn cần thiết ựể vi sinh vật thắch nghi với TPHC mới ựưa vào. VSV từng bước sinh sôi bằng cách sử dụng các chất (tinh bột, ựường, Cenlulo, axit hữu cơ) có trong thành phần CTRSH. Nhiệt ựộ khối ủ tăng dần.
Thời gian giai ựoạn thắch nghi nhanh, chậm phụ thuộc vào thành phần TPHC bị phân hủy thối rữa nhanh hay chậm.
- Giai ựoạn tăng trưởng: giai ựoạn này ựặc trưng bởi sự gia tăng số lượng VSV, cường ựộ hoạt ựộng của chúng và tăng nhiệt ựộ.
- Giai ựoạn ưa nhiệt: ở giai ựoạn này nhiệt ựộ tăng cao nhất (có thể ựến 60-70oC) và mức ựộ hoạt ựộng của VSV cũng như mức ựộ phân hủy cao nhất. đây cũng là giai ựoạn ổn ựịnh CTRSH và hiệu quả tiêu diệt các mầm bệnh cao nhất và diễn ra 2-5 tuần.
- Giai ựoạn trưởng thành: là giai ựoạn giảm nhiệt ựộ bằng nhiệt ựộ môi trường. Thời gian của giai ựoạn này dài ngắn tùy theo chất nền, ựiều kiện môi trường, kỹ thuật vận hành có thể kéo dài vài tuần hoặc nhiều hơn.
Quá trình phân hửy sinh học thiếu khắ các chất hữu cơ xãy ra thực chất mang tắnh chất của quá trình sinh học hiếu khắ nhưng ắt oxy (thiếu oxy). Thiếu oxy là do quá trình ựược cấp khắ hoàn toàn tự nhiên, không có ựảo trộn khối ủ cũng không có cấp khắ cưỡng bức.
Tuy trong ựiều kiện thiếu khắ nhưng cũng diễn ra quá trình nitrat hóa ở cường ựộ thấp hơn so với quá trình hiếu khắ cưỡng bức. đầu tiên phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ thành Nitrit với sự tham gia của VSV Nitrosomonas và sau ựó phân hủy thành Nitrat với sự tham gia của VSV Nitrobacter:
Nitrosomonas Nitrobacter Các chất hữu cơ chứa Nitơ → NH4+ → NO2- → NO3-
Tốc ựộ thoát khắ của quá trình thiếu khắ tỷ lệ với việc cấp oxy tự nhiên và tốc ựộ của quá trình phân hủy và trong quá trình phân hủy này cũng sinh các chất khắ.
Các yếu tố ảnh hưởng ựến quá trình phân hủy thiếu khắ ựáng quan tâm nhất là: nhiệt ựộ, ựộ ẩm, ựiều kiện cấp khắ tự nhiên, ựộ giảm thể tắch khối ủ,Ầ
- Nhiệt ựộ là thông số quan trọng ựể nhận biết và kiểm soát quá trình phân hủy TPHC trong quá trình thiếu khắ;
- độ ẩm ảnh hưởng ựáng kể ựến quá trình sinh học phân hủy các TPHC. Với ựộ ẩm lớn hơn 70% mội trường có thể chuyển sang kỵ khắ sẽ gây mùi ựặc trưng do khả năng tạo thành H2S;
- Cấp khắ tự nhiên phụ thuộc vào thời tiết, phụ thuộc vào các mùa trong năm,Ầ nhưng yếu tố này ựóng vai trò quan trọng khi áp dụng mô hình ủ thiếu khắ tại vùng đNN bởi không tốn năng lượng, quản lý ựơn giản và thắch hợp với các vùng dân cư phân tán, cụm dân cư quy mô nhỏ,Ầ
2.3. SỰ THAM GIA CỦA VSV TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC TPHC TRONG CTRSH HỌC TPHC TRONG CTRSH
2.3.1. Vai trò của VSV trong phân hủy TPHC trong CTRSH
Trong quá trình ủ CTRSH xuất hiện các VSV ựặc trưng tham gia phân hủy các thành phần hữu cơ trong CTRSH: vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, nguyên sinh ựộng vật.
Vi khuẩn
Các nhóm vi khuẩn quan trọng trong quá trình chuyển hóa sinh học các TPHC trong CTRSH là nhóm Eucaryotic (gồm ựộng vật, thực vật, nguyên sinh ựộng vật, nấm, men,Ầ).
Vi khuẩn thường là những tế bào ựơn giản, có thể chia làm 4 nhóm: nhóm hình cầu (Coccus có ựường kắnh 1 Ờ 3 ộm); nhóm hình que (Bacilli) có chiều rộng khoảng 0,3 Ờ 1,5 ộm), chiều dài 1,0 Ờ 10,0 ộm; nhóm vi khuẩn hình xoắn có chiều dài ựến 10 Ờ 50 ộm. Loại vi khuẩn này thường xuất hiện trong quá trình phân hủy hiếu khắ và kỵ khắ các TPHC của chất thải.
Các vi khuẩn chịu nhiệt như Alcaligences, Bacillus sp. sẽ chiếm ưu thế khi bắt ựầu quá trình ủ rác. Theo thời gian khi nhiệt ựộ tăng ựến 42 Ờ 50oC, các vi khuẩn hiếu nhiệt chiếm phần trội hơn và vi khuẩn hình que chiếm ưu thế về số lượng.
Theo cách sử dụng Cacbon, vi khuẩn chia thành hai nhóm: tự dưỡng (ựồng hóa Cacbon từ axit cacbonic) và dị dưỡng (sử dụng các liên kết hữu cơ coi như nguồn Cacbon).
Theo cách hô hấp, vi khuẩn chia thành hai loại chắnh: hiếu khắ và kỵ khắ. Ngoài ra còn