giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 5 xử lý chất hữu cơ

giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 5 xử lý chất hữu cơ

CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG

THS: VƯU NGỌC DUNG

BÀI 5: XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ

2 LÊN MEN KỴ KHÍ

3 KẾT LUẬN

• Ngày nay, vấn đề quản lý‎ chất thải là: giảm thiểu về lượng bằng cách ngăn chặn, giảm thiểu và sử dụng lại.

• Phân loại và xử lý‎ chất thải có nguồn gốc sinh học  lượng chất thải rắn sinh hoạt sẽ giảm

• Xử lý‎ sinh học các phân đoạn rác thải trong điều kiện hiếu khí (composting) hoặc kị khí (phân huỷ kị khí) phù hợp cho một số dạng chất thải nhất định

• Ủ compost được ứng dụng rất rộng rãi

• Phân huỷ kị khí được thực hiện trong một hệ thống kín có kiểm soát về nhiệt độ và độ ẩm

Quá trình Compost

Giới thiệu

• “Composting” là quá trình phân hủy sinh học chất thải hữu cơ trong điều kiện hiếu khí được kiểm soát

• Nhiệt độ quá trình ‘composting’ tăng lên do các vi sinh vật

• Sản phẩm: ổn định về sinh học tương tự như chất mùn, có thể sử dụng để trộn thêm vào đất hay làm phân bón, màng lọc sinh học hay nhiên liệu

• Mục tiêu: ổn định sinh học, giảm thể tích và khối lượng chất thải, làm khô, loại bỏ tối đa các chất độc đối với thực vật, hạt hay những phần của cây và làm tiêu diệt các mầm bệnh

• Quá trình ủ làm giảm hiệu ứng nhà kính

Các vật liệu thải để làm Compost

• Chất thải hữu cơ có thể nguồn gốc:

- Chất thải sinh hoạt

- Chất thải công nghiệp

- Chất thải nông nghiệp

• Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình “composting”:

Cơ sở của quá trình Compost

• Vi sinh vật: vi khuẩn, xạ khuẩn và vi nấm

• Thêm vi sinh vật không cần thiết

• Sự phân rã chất thải bị ảnh hưởng 2 quá trình hiếu khí và kỵ khí

• Mối quan hệ giữa đồng hóa hiếu khí và kị khí phụ thuộc vào đặc điểm sinh lý‎ của chất thải/compost: cấu trúc, độ rỗng, nước, không khí lưu thông và dinh dưỡng sẵn có

Cơ chất và sản phẩm của hoạt động vi sinh vật trong đống ủ compost

• Điều kiện sinh trưởng tối ưu của các vi sinh vật khá khác nhau, như là về nhiệt độ: mesophiles 25-350C và nhóm thermophiles 55-650C

• Chất thải chín kỹ (đã mùn hóa) có nhiệt độ 350C, động vật bậc thấp như bọ đất, mối và giun… cũng tham gia phân hủy chất hữu cơ

• Một đống ủ bao gồm 3 pha: rắn, lỏng và khí

• Chuyển hóa của các vi sinh vật phụ thuộc vào nước

• Oxy được cung cấp từ pha khí

• Oxy khuếch tán từ pha khí sang pha lỏng, carbonic từ lỏng sang khí

• Hàm lượng nước trong đống ủ phụ thuộc vào bản chất, cấu trúc của chất thải, và về thể tích lỗ rỗng

• Tỷ lệ C/N khoảng 25-30 cho phát triển tối ưu Nếu thấp hơn  nitơ dạng khí giảm và ammonia tăng, nếu cao hơn  thời gian ổn định chất thải sẽ lâu hơn

Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình compost

Hoạt tính của các nhóm vi sinh vật tác động đến đường đặc trưng nhiệt độ trong suốt quá trình ủ

Đường cong đồ thị nhiệt độ phụ thuộc: thành phần, thể tích, nhiệt độ không khí bên ngoài, tốc độ gió, tốc độ thông khí, tỷ lệ C/N, kỹ thuật ủ và tần suất đảo trộn…

• Giai đoạn đầu của quá trình compost được tính cho tới khi nhiệt độ đạt khoảng 600C bao gồm giai đoạn tiền compost và giai đoạn compost chính;

• Giai đoạn thứ 2 được gọi là giai đoạn “hậu compost” hay còn gọi là giai đoạn hoai (mature phase)

• Cả hai giai đoạn được đặc trưng bởi các quá trình khác nhau  kỹ thuật khác nhau

 Tiền compost và compost chính xảy ra trong bể kín hoặc trong điều kiện có che phủ, thường xuyên thông khí hoặc thổi khí qua ống dẫn bên trong luống;

 Hậu compost hay hoai được thực hiện trong luống

Các pha và đặc trưng của quá trình compost

Các kỹ thuật làm phân compost

• Mục tiêu cuả quá trình chuẩn bị vật liệu ban đầu:

 Tối ưu hóa cho quá trình compost xảy ra

 Loại bỏ những tạp chất để bảo vệ thiết bị, giảm hàm lượng kim loại nặng và các hợp chất gây độc…

 Đạt yêu cầu chất lượng cho compost thành phẩm

• Những bước cơ bản của quá trình chuẩn bị và gia giảm vật liệu thô:

 Nghiền hoặc xay nhỏ chất thải có kích thước lớn (gỗ, cây, cỏ…)để tăng diện tích bề mặt cho vi sinh vật hoạt động;

 Loại bớt nước nếu chất thải chứa nhiều nước

 Thêm nước nếu chất thải quá khô

 Phối trộn các thành phần chất thải (ướt và khô, giàu dinh dưỡng, kích thước khác nhau…);

 Loại bỏ những tạp chất như thủy tinh, kim loại và nhựa bằng tay hay máy tự động

• Quá trình chuẩn bị và phối trộn sẽ sinh ra sản phẩm khí (có mùi hoặc nhiều bụi) và cả nước rỉ

• Những bước cơ bản kế tiếp có thể như sau:

 Cấp khí oxy, lấy khí carbonic và một phần hơi nước

 Đồng nhất tạo kết cấu xốp  thông khí tốt hơn

 Làm ẩm hay làm khô vật liệu

 Loại bỏ những vật liệu không mong muốn

• Các bước chế biến sản phẩm compost:

 Sàng để tách thành những thành phần khác nhau

 Loại bỏ tạp chất

 Làm khô để cất trữ lâu hơn

 Làm tơi cục vón và kích thước không đồng nhất bằng cách chà hoặc xay nghiền

 Trộn compost với những chất phụ gia khác (đất, phân khoáng chất) tạo những hỗn hợp đất thích hợp để trồng cây trong chậu cảnh hay bón vườn

Compost trên đồng (Field

 Chất thải không có nguy cơ gây bệnh và mầm bệnh

 Không là quá trình compost vì không tạo nhiệt và không được kiểm soát

Compost dạng luống (Windrow composting):

 Vật liệu thải tiếp xúc trực tiếp với không khí

 Quá trình compost sinh thải khí có mùi hôi, các khí hiệu ứng nhà kính, bào tử nấm, mầm bệnh và bụi

 Dạng hình học của mặt cắt ngang luống có thể là hình tam giác hoặc hình thang

 Chiều rộng, chiều cao và dạng của luống phụ thuộc vào bản chất vật liệu, điều kiện khí hậu và thiết bị đảo trộn

Dạng 4: Thối khí cưỡng bức

Thoát khí

Dạng 5: Thối khí cưỡng bức; Không thoát khí

Compost trong bể

• Được ủ ở không gian giới hạn (như bể, thùng, kho, ống) với bơm không khí thường xuyên

• Các dạng công nghệ theo dạng vật liệu thải đầu vào:

CHẤT LƯỢNG COMPOST

 Chất lượng của compost thành phẩm tuân theo yêu cầu:

1. Hoai tối đa

2. Thành phần dinh dưỡng và chất hữu cơ thích hợp

3. Tỷ lệ C/N phù hợp

4. pH trung tính hay kiềm nhẹ

5. Kim loại nặng và chất ô nhiễm hữu cơ ở nồng độ thấp

6. Không chứa những yếu tố cản trở sinh trưởng của thực vật

7. Gần như không chứa tạp chất

8. Không còn hạt mầm hay phần sinh trưởng được của thực vật

9. Chứa không đáng kể đá sỏi

10. Có mùi đặc trưng của đất rừng

11. Có màu từ nâu đến đen

LÊN MEN KỴ KHÍ

1 Cơ sở sinh hoá học của lên men kị khí

2 Chất lượng khí tạo thành và sản phẩm compost

3 Phương pháp lên men kị khí chất thải

Cơ sở sinh hoá học của lên men kị khí

• Khí sinh học (biogas) được sinh ra khi phân hủy chất hữu cơ bằng vi sinh vật ở điều kiện thiếu oxy

• Một quá trình lên men kị khí hoàn chỉnh có thể chia làm 3 bước :

1 Thuỷ phân

2 acid hoá

3 Tạo metan

protein, polysacharide, chất béo

• Vi khuẩn kị khí và kị khí tuỳ nghi

• Phân hủy các chất có phân tử lượng lớn thành những hợp chất có phân tử lượng thấp.

đường đơn, amino axít, glyxerin,

axít béo

• Bị ức chế bởi vật liệu xenlulo chứa lignin (phân huỷ sinh học chậm và không triệt để)

hydro, khí carboníc, rượu và axít

hữu cơ

• Vi khuẩn sinh axít

• Axít axetíc, propionic, butyric, lactic và axít valeric…giảm pH

Vi khuẩn (lên men) thuỷ phân tạo acid

Vi khuẩn (Acetogenic) tạo acid acetic và hydro

• Nhóm vi khuẩn tạo acid acetic tạo nên cầu nối giữa vi khuẩn lên men và vi khuẩn sinh metan

• Phân huỷ alcohol và acid béo mạch dài thành acid acetic, hydro và khí carbonic

• Một đặc trưng của nhóm là có thể sinh trưởng trong áp suất hydro thấp

• Nhóm Acetogenic tương tác sinh học với nhóm vi khuẩn sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh H2S- nhóm sử

dụng hydro làm nguồn năng lượng

Vi khuẩn (Methanogenic) tạo metan

• Kỵ khí bắt buộc và rất nhạy cảm với môi trường

• Chuyển hoá những sản phẩm của quá trình Acetogenic thành metan và khí carbonic

• Khoảng 70% metan: do phân huỷ acid acetic, còn 30%: do phản ứng oxy hoá khử của hydro và khí carbonic

• Trong quá trình lên men kỵ khí, bước chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của quá trình

• Tạo thành metan thường là bước chậm nhất nhưng tối ưu hoá các quá trình thì tốc độ mỗi bước tương đương nhau

• Cơ chế phân huỷ kỵ khí khá là phức tạp  yêu cầu nghiêm ngặt về vi sinh vật và vận hành

Các điều kiện ảnh hưởng

• Thành phần nước: vi khuẩn tiếp nhận chất hữu cơ ở dạng hoà tan Hàm lượng nước < 20% khó tạo thành khí và đạt tối ưu ở 91-98% theo trọng lượng

• Nhiệt độ: quá trình tạo metan nhạy cảm với nhiệt độ, tối ưu hoá ở nhiệt độ 30oC – 37 oC

• pH tối ưu khoảng 6,7-7,4 pH < 6.0 vi khuẩn tạo acid chiếm đa số và pH > 8.0 quá trình sinh ammonia từ protein gây ức chế hay gây độc sự tạo thành metan

 Hệ khí đệm carbonic/bicarbonate (CO2/HCO3-) và ammonia/ammonium (NH3/NH4+) làm ổn định quá trình tạo acid và sinh ammonia  pH ổn định 7.0-8.0

• Thế oxy hoá khử và oxy

 Thế oxy hoá khử có thể được sử dụng như là chỉ thị cho quá trình lên men metan.

 Vi khuẩn sinh metan đòi hỏi thế oxy hoá khử thấp

 Thay đổi về thế oxy hoá khử bởi hàm lượng oxy giảm hay do tạo chất chuyển hoá như là formate hay acetate

• Tác nhân ức chế

 Kim loại nặng, chất kháng sinh và chất tẩy rửa đều có khả năng gây ức chế quá trình sinh học sinh metan.

Chất lượng khí tạo thành

và sản phẩm compost

• Khí sinh học: 60%-70% metan, 30%-40% khí carbonic và có thể với một lượng nhỏ ammoniac và H2S

• Năng lượng: 5.5-6.0 kwh/m3 khoảng 0,5 lít dầu diesel

• Hiệu suất và thành phần khí sinh học có thể được ước tính:

CnHaOb + (n-a/4-b/2) H2O → (n/2+a/8-b/4) CH4 + (n/2-a/8+b/4) O2

• Chất thải rắn sinh hoạt: hiệu suất khí sinh học bình quân 100 m3/tấn - metan chiếm khoảng 60% thể tích

So sánh quá trình xử lí chất thải

hiếu khí và kị khí

• Xử lý‎ bằng phương pháp sinh học bao gồm công đoạn tách loại  khử trùng  phân huỷ cơ chất  sản phẩm ổn định về hoạt tính sinh học

• Nguyên tắc quá trình compost hiếu khí hay kỵ khí là xử lý‎ sinh học những hợp chất hữu cơ còn dư

• Quá trình ủ compost hích hợp cho xử lý‎ chất thải rắn khô

• Quá trình phân huỷ ký‎ khí phù hợp cho xử lý‎ chất thải rắn ướt

• Quá trình phân huỷ kỵ khí tạo thành khí sinh học làm nguồn năng lượng

• Quá trình ủ compost nhiệt lượng sinh ra ở quá trình kị khí không được sử dụng còn đòi hỏi cung cấp năng lượng

• Chi phí kỹ thuật cho phân huỷ kỵ khí cao hơn quá trình compost

• Thời lượng phân huỷ hiếu khí và kỵ khí phụ thuộc vào cơ chất và quy trình được sử dụng

Phương pháp lên men kỵ khí chất thải

Lên men khô và ướt

Hệ thống phân huỷ kỵ khí khác nhau được quy định bởi độ ẩm của chất thải đầu vào:

• Quá trình lên men khô với hàm lượng nước từ 55%-75%

• Quá trình lên men ướt với hàm lượng nước >85%

Quá trình lên men khô

• Không thêm hoặc thêm rất ít nước lượng chất thải tối thiểu

• Bể phản ứng có kích thước nhỏ

• Dễ dàng loại nước khỏi cặn bã sản phẩm

• Vận hành đòi hỏi thiết bị kiểm soát chặt chẽ khí thải, nước thải và đôi khi cần đến thiết bị đảo trộn

• Thuộc loại khá là tĩnh nên thời gian lưu bằng thời gian giai đoạn ủ chậm, giai đoạn tiệt trùng bằng nhiệt

• Tốc độ phân huỷ chậm hơn quá trình lên men ướt do kích thước hạt lớn và diện tích tiếp xúc bề mặt nhỏ

Quá trình lên men ướt

• Chất thải hữu cơ được nghiền nhỏ và trộn với một lượng lớn nước dạng bùn hoặc huyền phù thể tích bể cần phải lớn hơn

• Khuấy trộn dễ dàng  kiểm soát khí thoát ra và nồng độ các chất đồng đều  quá trình phân huỷ được tối ưu hoá

• Tốc độ phân huỷ cơ chất kém hơn hệ lên men khô vì nồng độ trong toàn bể chính là nồng độ đầu ra

• Khuấy trộn bị giới hạn do vi khuẩn sinh metan rất mẫn cảm với oxy, nếu khuấy ít gây nên phân lớp nổi và lắng

• Làm lỏng hóa chất thải và làm khô chất cặn bã có chi phí công nghệ và năng lượng đặc biệt tốn kém

Vận hành liên tục và gián đoạn

• Vận hành liên tục:

 Bể phản ứng được tiếp vật liệu và tháo bỏ sản phẩm thường xuyên với hàm lượng tương đương, dạng hệ thống trộn hoàn chỉnh và cấp dồn vật liệu

 Dinh dưỡng ổn định vận hành và sinh khí biogas ổn định

• Vận hành gián đoạn (quá trình mẻ):

 Bể lên men được lấp đầy rác thải với men vi sinh, sau một thời gian lưu nhất định, dỡ bỏ hoàn toàn sản phẩm

 Bể phân huỷ dạng mẻ rất dễ thiết kế và dễ sử dụng để xử lý‎ chất thải hữu cơ cả dạng khô và ướt

Hết bài 5