Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của ph và tỉ lệ men giống - cơ chất đến quá trình phân hủy kị khí hỗn hợp dầu thải thực vật từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy mì ăn liền

Do vậy, nghiên cứu xử lý hỗn hợp chất nổi trong đó dầu thực vật có thành phần lớn bằng phân hủy kị khí dé tạo khí sinh học là một hướng đi có nhiều triển vọng vì vừa thu hồi được năng l

2 Muc tiéu va ndi dung nghién CW cece cccceseceseescesscesseneesssesseeneens 6

2.1 Mục tiêu nghiên Cir ccc ccccccsccsscscssccssceseesessssscesccssssesesstersesseseeees 6

3 Y nghĩa khoa học, kinh tế — xã hội s- c+xecrxervzrerkrsrvee 6

Chuong I

TONG QUAN VE CHAT THAI GIAU DAU THUC VAT TAI

NHA MAY SAN XUAT Mi AN LIEN UNI PRESIDENT VIETNAM

1.1 Chât thải giàu dâu thực vật tại một sô nhà máy sản xuât mì ăn liên

ở Việt Nam -Q- ĐG QQHHHH HH TH ng HH TH TH HT TH HH TH ng Hư § 1.1.1 Quy trình chế biến mì ăn liền hiện nay . 2- 5+ sec re 8 1.1.2 Tinh chat nước thải từ công nghiệp chế biến mì ăn liền §

1.1.3 Hệ thống xử lý nước thải hiện hữu tại nhà máy chế biến mì ăn liền 10

1.1.4 Tình hình thải bỏ hỗn hợp chất nổi nhiều dầu thực vật thu gom

từ hệ thông xử lý nước thải của nhà máy mì ăn liền UNI PRESIDENT VIETNAM - Á SH xS HH 11x ray 11 1.1.5 Các tác động môi trường gây ra do hỗn hop chat thải dầu thực vật 12 1.2 Các phương pháp xử lý hỗn hợp giàu dầu thải hiện nay ở Việt Nam

TỎNG In: VE QUA TRINH PHAN HUY KI KHI CHAT HUU CO GIAU

| TRUS! NGO

2.3 Vi sinh vật học các giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí chất

thải hữu cơ nhiều dầu thực vật - 5 c2 2n nen re 24

2.3.2 Giai đoạn axI{ hÓa - G < LH 1 HH HH HH ng HH ng g1 gsep 25

2.3.4 Giai đoạn sinh Metann - - sk c TH HH HH ng HH cay 26

2.4 Các yếu tố ảnh hướng quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ 27

2.4.7 Tốc độ nạp chất nên sec Ek22121321121171711111 12111 ecr 30

của nhà máy mì ăn liên ni President Vietnam 35

3.2.2 Bun men giống +ck tt SE 20111111121 erve 36

3.2.3 Thiết bị, hóa chất và dụng cụ thí nghiệm -c-c-cccccce: 36

3.3 Phuong pháp nghiên CỨU - SG c1 SH HH TH n HH nh ngư tr 36

3.3.1 Sơ đỗ thực nghiỆm - HH1 ST ng ng 36 3.3.2 Các thông số cần quan trắc và phương pháp đo đạc trong

quá trình thực nghiỆm cv 2211111111181 81 41 101111 xec 38

3.3.3 Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm ¿5s se cszee 39

Thể tích khí tạo thành và tỉ lệ men giống/cơ chất . cc- 41

Sự thay đổi thành phần của các mẫu phân hủy .43

KET LUẬN VÀ ĐÈ XUẤT

NOI DUNG DE TAI

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VÁN ĐÈ

Trong số các ngành công nghiệp mũi nhọn hiện nay, công nghiệp chế biến thực phẩm

có tốc độ tăng trưởng khá cao với nhiều sản phẩm phong phú, đa dạng chiếm tỉ trọng

hàng đầu trong kim ngạch xuất khẩu công nghệ phẩm của Việt Nam Trong số đó,

ngành sản xuất mì ăn liền là ngành thu hút sự quan tâm của nhiều nhà quản lý và

nghiên cứu về môi trường vì mức độ ô nhiễm lớn trong nước thải và khí thải, đặc biệt

là ô nhiễm hữu cơ Một số nhà máy quy mô lớn đã đầu tư xây dựng các hệ thống xử

lý ô nhiễm nước thải, khí thải nhưng hiệu quả xử lý còn hạn chế, chưa triệt đề

Một thực tế cần quan tâm trong dịch thải ở những nhà máy chế biến mì ăn liền là

hàm lượng dầu thực vật rất cao do ri đầu từ thiết bị chứa và trung chuyển, do hoạt

động tác nghiệp của người vận hành, thao tác vệ sinh chảo dầu đã qua sử dụng nhiêu

lần Lượng dầu này theo nước thải đi vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Ở

đây một hỗn hợp chất thải (hỗn hợp dạng bùn sệt lẫn nước) nổi lên trên bề mặt bể

tiếp nhận gồm dầu cùng với một số chất rơi vãi theo dâu ở các khâu khác nhau trong

quá trình sản xuất như bột nêm, sa tế, mì vụn Khối lượng hỗn hợp chất thải nỗi

này được tích tụ theo thời gian trong bể tiếp nhận của hệ thông xử lý nước thải và

định kỳ được thu gom vào phuy chứa Sau đó chúng có thể được giải quyết xử lý / tái

sử dụng bằng các biện pháp sau:

1 Chôn lấp hỗn hợp cùng với rác thải Phương thức này rất phố biến ở nhiều

nước cũng như ở Việt Nam Cùng với quá trình chôn lấp đồng thời cũng là quá

trình gây ô nhiễm môi trường bởi hỗn hợp thải nhiều đầu này So với các chất thải

rắn nguồn gốc hữu cơ khác, thời gian phân hủy của dầu mỡ dài hơn trong khi độc

tính của các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy dầu đôi khi cao hơn của

bản thân dầu phân hủy Trong khoảng thời gian tồn lưu của các chất trung gian

này, chúng sẽ gây ô nhiễm tiêu cực đến môi trường và các loài sinh vật

2 Ú hiếu khí hỗn hợp có gia nhiệt và bổ sung xúc tác Phương pháp này hiện

đang được nghiên cứu rộng rãi bởi một sô Viện nghiên cứu uy tín trên thế giới vì

có nhiều ưu điểm như tốc độ phân hủy nhanh, mức độ phân hủy cao (nêu có bố

sung xúc tác ở nồng độ thích hợp) Nhưng quá trình đòi hỏi tiêu thụ năng lượng

rất cao do phải gia nhiệt đến 55-60°C và cung cấp Oxy dưới dạng suc khí liên tục

Khác với những hướng đi trên, công nghệ xử ly | lựa chọn của đề tài là ‘phan huy ky

khí áp dụng riêng đối với hỗn hợp chất thải nỗi nghiên cứu nhằm thu khí sinh học

Khí sinh học thu được có thể dùng trực tiếp dé nau bép hoặc thắp sáng, hoặc sử dụng

gián tiếp làm nhiên liệu đốt trong cho các động cơ Trong bối cảnh giá nhiên liệu hóa

thạch (xăng, dầu ) ngày càng đắt đỏ như hiện nay thì nguồn năng lượng này càng trở

nên có ý nghĩa Tuy công nghệ phân hủy ky khí có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn ít

nghiên cứu áp dụng công nghệ này dé xử lý đối tượng chất thải giàu dầu mỡ, bởi vì

5

chúng thường được coi là chất khó phân hủy do hàm lượng dầu béo cao gây ức chế

lên các loại vi sinh vật khác nhau trong suốt quá trình phân hủy Nhưng xét trên

phương diện năng lượng thu hồi bằng sự chuyển hóa các chất thái hữu cơ bao gồm

chất béo (lipid), chất đạm (protein) và các hydratcacbon trong điều kiện phân hủy ky

khí thì năng lượng (nếu có khả năng thu hồi được) tính trên một đơn vị khối lượng từ

chất béo là lớn nhất Do vậy, nghiên cứu xử lý hỗn hợp chất nổi trong đó dầu thực

vật có thành phần lớn bằng phân hủy kị khí dé tạo khí sinh học là một hướng đi có

nhiều triển vọng vì vừa thu hồi được năng lượng từ phế thải lại vừa giảm ô nhiễm

môi trường đặc biệt đối với một đối tượng khó phân hủy sinh học như hỗn hợp lipid

— phê thải của lĩnh vực sản xuất mì ăn liền

Trong quá trình phân giải ky khí chất hữu cơ, rất nhiều các yếu tổ bên ngoài có thé

tác động vào hệ thống và quyết định đến tính thành bại của hệ thống, trong đó đối với

các chất thải có hàm lượng răn (TS) cao thì quan trọng nhất phái kể đến các yếu tổ

pH và men giống ban đầu [45] Do đó, dé tai “NGHIEN CUU ANH HUONG CUA

pH VA TI LE MEN GIONG/CO CHAT DEN SU PHAN HUY KI KHi HON HOP

DAU THAI THUC VAT TU HE THONG XU LY NUGC THAI CUA NHA MAY

MÌ ĂN LIÊN” đã được hình thành với mong muốn khảo sát khả năng xử lý hỗn hợp

chất thải chứa dầu thực vật với nồng độ cao, đồng thời xem xét các yếu tố quan trọng

nhất có ảnh hưởng đến quá trình

2 MỤC TIỂU và NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

* Khảo sát ảnh hưởng các yếu tổ pH và tỉ lệ men giống/chất nền tác động đến quá trình

phân hủy ky khí hỗn hợp giàu dầu thải thực vật từ đó kết luận về giá trị /khoảng thích

hợp của các yếu tô trên khi thực hiện quá trình trên mô hình phòng thí nghiệm

2.2 Nội dung nghiên cứu

+ Khao sat, phan tich va đánh giá hiện trạng thải bỏ hỗn hợp bùn nổi nhiều dầu thực

vật thải thu gom từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy mì ăn lién UNI

PRESIDENT VIETNAM tai KCN Song Thần II, tỉnh Bình Dương Xác định

thành phần và tính chất của hỗn hợp này

+ Tổng quan về các giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí chất thải hữu cơ nhiều

dầu thực vat — Hóa sinh học và vi sinh học mỗi giai đoạn Phân tích các yếu tố

ảnh hưởng đến quá trình phân hủy ky khí

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tỉ lệ men giếng/cơ chất tác động đến qua trình

phân hủy ky khí dầu thực vật hình thành khí sinh học Đánh giá hiệu quả phân

hủy của cơ chất

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC, KINH TÉ - XÃ HỘI

Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học ky khí để xử lý chuyên biệt một

đối tượng chất gây ô nhiễm là hỗn hợp bùn thải có hàm lượng dầu thực vật cao vốn

vẫn được coi là khó phân hủy kị khí sẽ góp thêm dẫn liệu khoa học và công nghệ vào

các bài giảng về quản lý nước ô nhiễm/Hóa học Môi trường

Ÿ nghĩa kinh tế xã hội

Kết quả thu được góp phần mở ra khả năng làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ

các chất thải, đồng thời tạo ra được một nguôồn nhiên liệu thường xuyên là khí sinh

học có thể được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau mà đặc biệt có ý nghĩa khi

tình hình khủng höỏang nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng gia tăng

CHUONG |

TONG QUAN VE CHAT THAI GIAU DAU THUC VAT

TAI NHA MAY SAN XUAT MI AN LIEN

UNI PRESIDENT VIETNAM

1.1 CHAT THAI GIAU DAU THUC VAT TAI MOT SO NHA MAY SAN

XUAT Mi AN LIEN O VIET NAM

1.1.1 Quy trình chế biến mì ăn liền hiện nay

Nguyên liệu chính để sản xuất mì ăn liền là bột lúa mì được nhập khẩu và phối trộn với các loại phụ liệu khác như dầu chiên, bột ngọt, muối, đường, tôm, cua, thịt bò, heo gà, tiêu hành, tỏi, ớt Tùy theo từng loại mì ăn liền, mỗi nhà sản xuất có công thức pha trộn riêng giữa các phụ liệu khác nhau với nguyên liệu để tạo ra các sản phâm khác nhau Cũng có sự khác nhau ở một số khâu (ví dụ làm chín mì có thể bằng cách luộc hoặc hấp mì và sau đó làm khô mì bằng nhiệt sây hay nhúng mì qua dầu chiên) trong quy trình sản xuất các loại mì Kết quả tìm hiểu tại một số nhà máy

mì ăn liền ở các tỉnh thành phía Nam nhu Vifon Acecook, Uni President, Miliket cho thấy quy trình chế biến nói chung rất giống nhau và được giới thiệu trong Hình 1.1 Trong hình cũng ghi chú các khâu có phát sinh chất thải ảnh hưởng đến môi trường

1.1.2 Tính chất nước thải từ công nghiệp chế biến mì ăn liền

Nói chung nước thải từ công nghiệp chế biến mi ăn liền có độ ô nhiễm khá cao, vượt _ xa tiêu chuẩn thải cho phép Tính chất ô nhiễm của nước thải công nghiệp chế biến

mì ăn liền có đặc trưng cơ bản khác với các ngành chế biến thực phẩm khác ở độ ô nhiễm cao gây ra bởi thành phần đầu mỡ (chủ yếu là các loại dầu thực vật sử dụng trong quá trình chiên mì)

Nhận xét trên có được từ những kết quả đo đạc phân tích thê hiện trong các bảng 1.1

va 1.2

Hình 1.1 So dé téng quát

quy trình chế biến mì ăn

liền ở Việt Nam hiện nay

y

CHIEN DAU Nước thải (BOD, SS, dau m6)

Bảng 1.1 Kết quả phân tích nước thải cong ty UNI PRESIDENT VIETNAM

TT | Chitiêu | Donvi Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3

(lấy T6/2009) | (lấy T9/2009) | (lấy T12/2009)

(Nguồn: Cong ty TNHH Uni President Vietnam, 2009)

Bảng 1.2 Kết quả phân tích nước thải Xí nghiệp mì ăn liền MILIKET

(quận 12, TpHCM)

1.1.3 Hệ thống xử lý nước thải hiện hữu tại nhà máy chế biến mi ăn liền

Với hàm lượng ô nhiễm cao bởi các chất hữu cơ hòa tan, dầu và mỡ, việc xả thắng nước thải ra môi trường là điều không thể chấp nhận Trong thời gian gần đây, các vấn đề liên quan đến môi trường và ô nhiễm môi trường trong quá trình phát triển sản xuất của nhà máy xí nghiệp thuộc bất cứ ngành nghề nào cũng được các Cơ quan chức năng quan tâm nhiều hơn Ý thức của cộng đồng và chủ doanh nghiệp về môi trường và bảo vệ môi trường cũng không ngừng được cải thiện Trong bối cảnh đó, lần lượt các nhà máy chế biến mì ăn liền đã tiến hành khảo sát, thiết kế và lắp đặt hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, đảm bảo nước thải sau xử lý năm trong mức cho phép Hình 1.2 giới thiệu hệ thống xử lý nước thải công ty UNI PRESIDENT

10

VIETNAM là hệ thống hoạt động có hiệu quả và ồn định Toàn bộ nước thải sản xuất của nhà máy từ tất cả các công đoạn tập trung về hệ thống này đề xử lý trước khi thải

ra ngoài môi trường Nước thải sinh hoạt được tách và được thải theo đường ống riêng Tuy nhiên, người vận hành hệ thông cho biết đôi khi nước thải sinh hoạt cũng được thải chung với nước thai san xuat

Máy nén khí

Chat nỗi được Khí nén

ảranguôn 4—T sau xử lý | tâm Aeroten :

Hình I2 Quy trình công nghệ hệ thông xử lý nước thải công ty UNI

PRESIDENT VIETNAM (KCN Song Than II, Bình Dương)

(Nguén: Céng ty TNHH UNI PRESIDENT VIETNAM)

1.1.4 Tình hình thải bỏ hỗn hợp chất thải nhiều dầu thực vật trong hệ thống xử

lý nước thải của nhà máy mì ăn liền UNI PRESIDENT VIETNAM Tại công ty ƯNI PRESIDENT, chất nổi giàu dầu thực vật (đối tượng nghiên cứu) được vớt bỏ định kỳ từ bể tiếp nhận khoảng I lần sau mỗi 2 tuần và sau đó được chứa trong các phuy với khối lượng mỗi phuy khoảng 170-180kg để được chở đến

1]

bãi chôn lắp rác bởi địch vụ thu gom rác thải Đây là hỗn hợp nổi tự nhiên trong nước thải theo tỉ trọng Khối lượng vớt bỏ hàng tháng khoảng 70 phuy Qua khảo sát tại công ty, nguồn gốc của hỗn hợp này chủ yếu là dầu thực vật có tỉ lệ nhỏ mỡ bò bị thất thoát trong công đoạn chiên mì (khi máy hất mì đã chiên ra thì mì rơi xuống sàn thao tác tiếp theo và cuốn theo lượng dầu trong đó Mì được để ráo và dầu chảy qua

khe hở của sàn thao tác rơi xuống hồ thu) và vệ sinh thiết bị chiên (định kỳ toàn bộ

hệ thống chiên mì được vệ sinh bằng hơi nước nóng và chất tây rửa một lần/tuần) Thêm vào đó, định kỳ 2 ca thì dầu cặn (bị đen do oxy hóa) được xả bỏ hết khỏi chảo chiên trước khi đồ dầu mới vào chiên và khối dầu cặn này thông thường vẫn bị các công nhân xả trực tiếp xuống hồ thu (mặc dầu theo quy định, lượng dầu cũ đồ bỏ sẽ phải được thu gom riêng) Thực tế tất cả lượng dầu cũ đỏ bỏ cũng như nước thải ra

từ công tác vệ sinh chảo dầu đều được thải vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy

Ngoài ra, tại bộ phận nau dau dé lam gói nêm trong các gói mì nhỏ (độc lập với bộ phận chiên mì), dầu ở đây có lẫn các phụ gia như hành, sa tế Công tác vệ sinh chảo dầu và các nội chứa, máy chiết được thực hiện 2 lần/ngày Tất cả các phần này đều có tiếp xúc với dầu và lượng nước vệ sinh thải bỏ khá lớn Tất cả dầu cũ cũng như nước thải vệ sinh đều thải vào hệ thông xử lý

1.1.5 Các tác động môi trường gây ra do hỗn hợp chất thải dầu thực vật

Thành phan chủ yếu của hỗn hợp chất thải đầu thực vật trong một số nhà máy chế biến mì ăn liền, như tên gọi của nó, là dầu thực vật, cụ thể hơn là dầu cọ Trong sản xuất mì ăn liền bằng công nghệ làm khô mì qua dầu thực vật, dầu cọ là loại dầu được

ưa chuộng hơn cả vì một số ưu điểm của nó so với các loại dầu khác như: tính kháng

oxy hóa tốt (ở nhiệt độ phòng) vì thành phần axit béo không no nhiều nối đôi thấp do

đó sợi mì đã qua dầu cọ chiên được bảo quản lâu hơn; giá thành tương đối thấp; thành phần hóa học cân bằng giữa các axit béo no, không no một nối đôi và không no nhiều nối đôi tương tự như thành phần trong các mô mỡ cấu tạo cơ thể một người khỏe mạnh

Trong hỗn hợp chất thải chứa dầu là đối tượng nghiên cứu tại công ty UNI

PRESIDENT, hàm lượng dầu biến động trong khoảng từ 4% đến 9% (theo một khảo

sát trước đó) Các tác động môi trường gây ra bởi thành phần dầu có trong hỗn hợp

chất thải khi bị thải không kiểm soát ra môi trường bao gồm:

+ Thâm nhập vào các đường ống dẫn nước, gây nghẹt và tắc ống, làm giảm hiệu quả hoạt động của các thiết bị dẫn nước như bơm

+ Dầu có thể phủ lên lông của các loài chim cũng như các loài động vật khác khiến lông bị sắp xếp vô trật tự, làm mất tính cách nhiệt, gây nên sự giảm

nhiệt độ cơ thể chúng Bộ lông bị thấm nước, cơ thể nặng hơn, khả năng di

chuyển giảm sút làm cho chúng trở nên dễ bị tổn thương vì đói, chết đuối và

bị động vật khác ăn thịt

+ Lớp dầu nổi phủ lên mặt nước sông suối rõ ràng làm giảm sút các quá trình hòa tan oxy tự nhiên vào nước và quang hợp của thực vật nước Nồng độ Oxy trong nước giảm là nguyên nhân khiến các thủy sinh thiếu oxy và nghẹt thở

Các vi sinh vật và tảo khi bị bao phủ bởi dầu chìm xuống đáy hồ cùng với chất

lơ lửng lại tiếp tục đe dọa đời sống của các sinh vật đáy Dầu có thể qua lông chim mà tiếp xúc với trứng ấp, lap kin các lỗ trên bề mặt vỏ trứng, làm giảm khả năng trao đối không khí của trứng và là nguyên nhân làm hư hỏng trứng Dầu có thể gây mùi ôi khó chịu và khi cá ăn phải sẽ gây ra chứng nhuận tràng, làm thương tôn ruột cá

+ Tiêu thụ thức ăn có lẫn nhiều dầu qua thời gian dài có thể thúc đây phát triển nhưng gây nên béo phì, tuổi thọ ngắn và làm giám khả năng sinh sản ở một số loài động vật Khả năng mắc bệnh ung thư của các động vật nảy tăng cao + Có thể tồn lưu trong môi trường qua thời gian dài, khi điều kiện phân hủy không may thuận lợi (pH, nhiệt độ, oxy không khí, tỉ lệ dinh dưỡng, nồng độ chất nên .) Khi bị oxy hóa hay dưới tác động của nhiệt độ cao, có thé tạo ra một số chất độc ngay cả ở nồng độ thấp (monomer mạch vòng, aldehyde, ketone ) Các chất này gây độc cho tim, hồng cầu, ảnh hưởng đến hệ miễn

dịch của cơ thể, tác động lên quá trình trao đổi chất, làm giảm khả năng sinh

sản, làm thay đổi cấu trúc hồng cầu, rối loạn nhịp tim, gây chết phôi

+ Nông độ cao của dầu gây ức chế quá trình lên men và tiêu hóa của động vật

+ Dầu bị ôxy hóa và thủy phân trong tự nhiên gây nên mùi khét khó chịu

1.2 CAC PHUONG PHAP XU LY HON HOP GIAU DAU THAI HIỆN NAY

Trong số các chất thải rắn thải ra từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người, ngoại trừ các chất thải đặc biệt có độ nguy hại cao (chất thải đễ cháy nổ, chất thải kim loại nặng, chất thải nhiễm phóng xạ ) loại chất thải nguồn gốc hữu cơ chứa nhiều dầu mỡ cho đến nay vẫn là bài toán hóc búa cần giải quyết đối với các nhà quản lý cũng như nghiên cứu về môi trường, vì những ô nhiễm môi trường chúng có thể gây ra Một số biện pháp đã được đưa ra nhằm xử lý hỗn hợp hay tái sử dụng

phân dầu trong hỗn hợp bao gồm:

1.2.1 Trộn với thức ăn gia súc

Một số nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi công nghiệp cho gia cầm và gia súc sử dụng loại dầu mỡ bỏ đi để làm nguồn cung chất béo trong sản phẩm Đề thực hiện,

dầu mỡ thải được đun nóng và lọc để bỏ bớt tạp chất đồng thời tận diệt bớt vi khuẩn

sinh sôi trong quá trình lưu trữ và chuyên chở dầu mỡ thải từ nơi cung cấp (các nhà máy chế biến thực phẩm, khách sạn lớn ) đến nơi tiêu thụ (nhà máy sản xuất thức

ăn chăn nuôi)

Ưu điểm: tận dụng tối đa được phần năng lượng tồn trữ dưới dạng chất béo trong dầu thải, cung cấp một số axit béo cần thiết cho gia cầm và gia súc Giảm được ô nhiễm

môi trường gây ra bởi hỗn hợp dầu thải

Nhược điểm: tiêu thụ năng lượng dé nau va loc dau thai Hon nữa, dau da qua nhiét

độ cao thường có chứa một số chất độc (aldehyd, keton, chất bão hòa mạch nhánh ) Căn bệnh bò điên vài năm trước tại châu Âu bị nghi ngờ là có liên quan đến những biến đổi trong tế bào động vật do sử dụng dâu thải có các chất độc qua thời gian dài nên hiện nay, việc tận dụng dầu thải như trên đã bị cắm ở châu Âu từ năm 2003 [10]

1.2.2 — Chôn lấp cùng rác thải

Đây đã và đang là phương thức phổ biến nhất áp dụng hiện nay với các loại dầu mỡ thải thu gom từ hệ thông xử lý nước thải tập trung của các khu dân cư, khách sạn, khu công nghiệp tại nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam

Ưu điểm: Chi phí xử lý thấp vì công nhân vệ sinh tiến hành thu gom đông thời dầu

mỡ thải cùng với rác thải sinh hoạt và rác thải công nghiệp Việc chôn lấp tại bãi chôn lấp cũng được tiến hành đồng thời với rác thải đô thị

Nhược điểm: sau khi được chôn lấp, dầu mỡ sẽ thực hiện quá trình oxy hóa phân hủy

tự nhiên nhờ vi sinh vật So với các chất thai ran nguồn gốc hữu cơ khác, thời gian phân hủy của dầu mỡ dài hơn trong khi độc tính của các sản phẩm trung gian của quá

trình phân hủy dầu (axit béo, hydropeoxit, gốc tự do ) đôi khi cao hơn của bản thân

dầu Các chất trung gian này sẽ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến đời sống của các loài sinh vật trong thời gian tồn lưu của chúng Một số nước như Pháp

và một số bang ở Mỹ như Carolina từ năm 1998 đã nghiêm cấm việc chôn lắp dầu mỡ thải với rác thải sinh hoạt

1.2.3 Phân hủy hiếu khí hỗn hợp có gia nhiệt

Chất hữu cơ (dầu mỡ béo) trong chất thải rắn có lẫn nước và một số chất khác thu gom từ hệ thông xử lý nước thải được phân hủy bởi các vi sinh vật trong điều kiện có Ôxi tạo thành CO;, nước và phân có thê được sử dụng trong nông nghiệp Phương pháp này hiện đang được nghiên cứu rộng rãi bởi một số Viện nghiên cứu uy tín trên thế giới và cho kết quả khá khả quan Ví dụ hỗn hợp chất thải đậm đặc dầu mỡ thu gom từ hệ thống xử lý nước thải nhà máy chế biến thực phẩm được phân hủy hiểu

khí ở 60°C và bổ sung chất dinh dưỡng cho kết quả phân giải chất béo khá cao trên

70% với hàm lượng chất béo trong mẫu ban đầu lên tới 98% chỉ trong vòng 5 ngày

đêm [42] Trong một nghiên cứu khác, khả năng phân hủy hiểu khí của chất nổi thu

gom từ bề tuyển nổi của hệ thống xử lý nước thải lò mỗ gia súc trộn chung với lõi

bắp và rác thải sinh hoạt ở nhiệt độ 60-70°C cho thây tỉ lệ đầu mỡ phân hủy đạt khá

cao khoảng 80% [18]

Ưu điểm: Cho phép tiến hành phân hủy khi hàm lượng dầu mỡ chiếm tỉ trọng cao trong hỗn hợp (có thể đến hơn 70%) Thời gian phân hủy ngắn (trung bình khoảng 10

14

ngày) Quá trình được tiến hành ở nhiệt độ nóng nên hơn 90% các vi khuân gây bệnh

có thể bị tiêu diệt, do đó có ích lợi cao về môi trường Lượng dầu mỡ phân hủy tương

đối cao (trung bình 60-70%) [31]

Nhược điểm: quá trình phải tiến hành ở nhiệt độ nóng (nhằm giảm bớt độ nhớt và sự hóa rắn của dầu mỡ) và sự thôi khí liên tục vào hỗn hợp đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng, chi phí vận hành cao để duy trì sự én định của hệ thông Chất lượng của compost nói chung không cao Khoảng 60% lượng cacbon tổn trữ trong chất nền ban đầu bị oxy hóa thành khí cacbonic là khí không hữu ích về mặt năng lượng

1.2.4 Phân hủy kị khí sinh Metan

Là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong môi trường không có ôxi ở điều kiện nhiệt độ am (30 — 40°C) hoặc nóng (50 — 65°C) bởi tập hợp các vi sinh vật khác nhau để tạo ra sản phẩm là khí sinh học với thành phần chủ yeu 1a CH, va CQ), co thể được sử dụng như một nguồn năng lượng sạch và bùn đã được ồn định vé mặt sinh học có thể sử dụng như nguồn bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng

Trong khoảng 3 thập kỷ gần đây, xu hướng én định chất thải rắn đô thị nói chung bằng phương pháp phân hủy ky khí trước khi đem chôn lấp và thu năng lượng dưới dang khí sinh học được phát triển mạnh và áp dụng rộng rãi, thậm chí ở cả các nước phát triển như Đức và Đan Mạch Đặc biệt là từ chất phân hủy giàu dầu mỡ khả năng thu hồi năng lượng lại càng cao vì trong khi 1g hydratcacbon hay protein chỉ giải phóng trung bình 4Kcal thì với mức tương đương, lipid giải phóng 9Kcal khi bị oxy

hóa hoàn toản

Ưu điểm [5 1]:

+ là quá trình tiêu hao ít năng lượng cho sự tạo ra sinh khối Phần lớn năng

lượng được biến đổi về thành phần có ích là khí sinh hoc

+ giảm được khối lượng chất thải phải xử lý tiếp theo sau phân hủy ky khí

(thường là chôn lấp) tương đối nhiều do sinh khối tạo thành ít

+ chất thải ban đầu có thể được én định hoàn toàn và sản phẩm cuối cùng sau khi đã ồn định hoàn toàn nói chung không nặng mùi

+ chi phí vận hành giảm do không phải cung cấp năng lượng dưới dạng oxy như khi lên men hiểu khí trong các aerotank

+ Không tạo và phát tán mùi khó chịu như khi chôn lấp

+ So với phương pháp nhiệt, giảm ô nhiễm môi trường gây ra bởi các hợp chất hữu cơ mạch vòng chứa clo (dioxnn)

Nhược điểm [51]:

+ các vi sinh vật sinh Metan tương đối nhạy cảm với các chất hóa học trong thành phần chất thải ban đầu Trong một số trường hợp phải nuôi thích nghỉ các vi sinh vật đó trước khi ủ và thời gian thích nghỉ tương đối dài (vài tháng) + Không thực hiện được quá trình nitrat hóa các hợp chất chứa Nitơ

15

+ Téc độ quá trình phân hủy tương đối chậm (nhất là ở điều kiện nhiệt độ thấp)

do đó đòi hỏi nhiều thời gian so với phân hủy hiểu khí

+ San phâm sau quá trình tạo ra một số hợp chất khử như NH¡, H;S (tùy thuộc

vào thành phan ban đầu của chất thải) là chất không có lợi về môi trường

CHUONG II

TONG QUAN VE QUA TRINH PHAN HUY KI KHI

CHAT HUU CO GIAU DAU MO

2.1 LƯỢC SỬ PHÁT TRIÊN QUÁ TRÌNH VÀ XU HƯỚNG HIỆN NAY

Quá trình phân hủy kị khí (anaerobic digestion) là một trong những kỹ thuật ứng

dụng cỗ xưa nhất Khí sinh học đã được sử dụng để làm nóng nước tăm ở Assyria

(Iraq ngay nay) tu thế kỷ thứ 10 trước công nguyên Cho đến thế kỷ 17, quá trình

mới bắt đầu được nghiên cứu một cách khoa học Năm 1776, Count Alessandro

Volta đã khẳng định có mối liên hệ giữa lượng chất hữu cơ phân hủy và lượng khí

cháy được tạo thành Sau đó, năm 1808, Sir Humphry Davy đã chứng minh được sự

thành tạo của khí Metan qua quá trình phân hủy kị khí phân gia súc [33]

Quá trình được ứng dụng mang tính công nghiệp đầu tiên là một nhà máy xây đựng ở

Bombay, An d6 vao nam 1859 để sau đó nó bắt đầu thâm nhập vào Anh năm 1895

Những tiến bộ của ngành vi sinh vật học khi đó có tác dụng hỗ trợ phát triển kỹ thuật

này trong đó đáng kế là nghiên cứu của Buswell những năm 1930 đã đặt nên móng

cho việc định danh các loài vi khuẩn kị khí và các điều kiện thúc đây sự sinh khí

[34]

Khi những hiểu biết về quá trình đầy đủ hơn, các kỹ thuật áp dụng trong vận hành và

điều khiển ngày càng hoàn thiện với sự ra đời của những bể ủ kín cùng các thiết bị

hâm nóng và khuấy đảo Tuy nhiên, vì lúc đó giá than đá khá rẻ và trữ lượng dầu mỏ

còn rất lớn cộng thêm sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thông phân hủy hiểu khí nên

khí sinh học và hệ thống phân hủy ky khí tại các nước phát triển nhìn chung không

được quan tâm Quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa nhanh chóng cùng với giá điện

rẻ đã dẫn tới kết quả là các kỹ thuật phân hủy hiếu khí chế bién compost va chén lấp

trở thành sự lựa chọn để xử lý chất thải cho tới ngày nay Trong khi đó các hệ thống

lên men kỊị khí cỡ nhỏ mọc lên rất nhiều tại các nước chậm phát triển hơn như Trung

Quốc, Ấn độ với mục đích chủ yếu đề thu khí sinh học nấu ăn và thắp sáng trong hộ

gia đình từ các phụ phẩm nông nghiệp và chất thải sinh hoạt

Rồi hai cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973 và năm 1979 đã phát động trở lại

mỗi quan tâm tới kỹ thuật phân hủy kị khí thu Metan làm năng lượng, nhất là tại Án

Độ, Trung Quốc và Đông Nam Á và sau đó là Bắc Mỹ, Châu Âu và Liên Bang Xô

Viết Tuy nhiên, những hiểu biết về quá trình còn hạn chế đã dẫn tới sự thất bại của

50% hầm ủ ở An độ, Trung Quốc và 80% hầm ủ ở Mỹ và châu Âu Tuy nhiên, đó lại

chính là động lực thúc đây sự nghiên cứu sâu hơn về quá trình Cùng với thời gian,

kỹ thuật phân hủy ky khí không chỉ được áp dụng để xử lý chất thải nông nghiệp hay

chăn nuôi mà thậm chí để xử lý chất thải đô thị hay công nghiệp (chế biến hóa chất,

sản xuất thực phẩm các loại ) [34] Gần đây, kỹ thuật phân hủy kị khí càng được

lựa chọn nhiều hơn dưới áp lực của giá dầu mỏ cao và những quy định ngày càng

chặt chẽ về môi trường để kiểm soát khôi lượng phần chất hữu cơ trong chất thải

đem chôn lấp Điển hình là 2 quốc gia Đức và Đan Mạch đã tăng sản lượng khí sinh

học sản xuất gấp đôi vào năm 2000 và gấp ba vào năm 2005

Ở Việt Nam, sản xuất khí sinh học đã được giới thiệu và áp dụng từ hơn 20 năm qua

để thắp sáng do thiếu điện ở một số khu vực nông thôn Một loạt các hầm ủ sinh học

vật liệu xi măng với thiết kế khác nhau đã được đưa vào thử nghiệm ở các vùng nông

thôn dưới sự tài trợ của chính phủ Việt nam và quốc tế, từ các hầm ủ kiểu An độ đến

kiểu Trung Quốc Tuy nhiên, vì hầm ủ xi măng có giá cao, khó lắp đặt và sửa chữa

nên thực tê còn ít được áp dụng Sự ra đời của túi ủ hình ống bằng vật liệu PE sau đó

đã giảm được đáng ké chi phí đầu tư và chi phí vận hành nên nhận được sự ủng hộ

của nhiều hộ nông dân nghèo Trong vòng 10 năm trở lại đây, hơn 20.000 túi ủ như

thế đã ra đời ở Việt Nam và đa phần do nông dân tự trang trải chi phí Túi ủ với giá

thành rẻ cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì Tuy nhiên,

những nghiên cứu về quá trình phân hủy đối với rác thải nông thôn Việt nam (với

môt số đặc trưng riêng) để làm căn cứ khoa học và ứng dụng còn rất hạn chế [8]

2.2 HOA SINH HOC CAC GIAI DOAN CUA QUA TRINH PHAN HUY KI

KHi CHAT THAI HUU CO NHIEU DAU THUC VAT

Quá trình phân hủy ki khí nói chung gồm một chuỗi các giai đoạn sinh học phức tạp

nhưng được liên kết đồng bộ và chặt chẽ với nhau để biến đổi hợp chất hữu cơ ban

đầu thành khí sinh học Một yếu tố bát lợi đối với bất kỳ giai đoạn nào đều có thé gây

ra sự cô và kìm hãm cả quá trình Các giai đoạn đó có thể được mô tả bằng sơ đồ

Lipit Protein Hydratcacbon

Hợp chất hữu cơ + HạO 1 SHhVẬU vịnh khối + CHạ + CO; + NH;

2.2.1 Giai đoạn thủy phân

Trong giai đoạn này các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn

giản hơn (để có thể thâm nhập được vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các

enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân Protein bị phân hủy thành axit amin

nhờ proteaza, Hydratcacbon chuyên thành đường đơn nhờ carbohydraza, và lipit, nhờ

lipaza, được chuyển hóa thành các axit béo mạch dài tương ứng (LCFA) và glycerin

Với mô hình cấu trúc 3 chiều của một số enzym lipaza được công bố gần đây trong

những nghiên cứu hóa sinh phân tử hiện đại, người ta đã có thể giải thích cơ chế thủy

phân chất béo của enzym này Enzym hoạt động mạnh ở bề mặt phân cách dầu-nước

Do bản chất phân tử enzym là một chuỗi các axit amin có tính ưa dầu mỡ đã cho

phép enzym gắn chặt với các phần tử dầu Trong quá trình di chuyền từ pha nước vào

pha dầu, trung tâm hoạt động của enzym sẽ mở ra dé tiếp nhận chất nền (dầu) [12]

Quá trình thủy phân chất thải dạng bùn nhiều dầu mỡ (hàm lượng chất rắn không tan

cao) có một số đặc điểm khác với thủy phân nước thải và khác với chất nền không có

bản chất dầu mỡ như sau:

+ Tốc độ thủy phân chất hữu cơ trong chất thải xây ra chậm hơn so với trong nước

19

trình không bị ức chế là 18% [11]

+ Cho đến nay, pH tối ưu cho giai đoạn thủy phân chất béo chưa được nghiên cứu

và cho số liệu tin cậy [27] Tuy nhiên, các nghiên cứu đều cho thây duy trì độ pH trung tính (6,5-7,5) thúc đây tốc độ thủy phân [56] Chính sản phẩm thủy phân chất béo là axit béo mạch đài (LCFA) lại gây ức chế lên các vi sinh vật giai đoạn sau (vi khuẩn axit hóa, acetat hóa và metan hóa) khiến rất nhiều quá trình ủ chất thải giàu lipid bị thất bại Sự ức chế bị tác động bởi hàng loạt yêu tô: pH cao làm giảm độc tính (thấp nhất là 5,5 để tăng lượng axit ion hoa [12]) nhưng nhiệt độ càng cao thì ức chế càng mạnh Độc tính với vi sinh của các axít béo chưa bão hòa lớn hơn axít béo bão hòa [29] Mạch cacbon trong axit càng dài, ngưỡng gây

ức chế càng nhỏ (khi số nguyên tử C trong mạch nhỏ hơn 11) Tinh chất vật lý, diện tích bề mặt riêng và phân bố cỡ hạt rắn của chất nền cũng có ảnh hưởng [25]

về bản chất gây độc, có lý thuyết cho rằng sự hấp thụ của axit béo lên thành hay màng tế bào đã làm thay đổi tính thấm của màng, gây nên hiện tượng tiêu nguyên sinh [20] Nói chung, các vi khuẩn axit hóa và acetat hóa ít nhạy cảm với axit béo mạch đài hơn các vi sinh vật sinh Metan [28] Trong các bể lên men ky khí chất hữu cơ giàu dầu mỡ, luôn tồn tại giai đoạn thích nghỉ (lag phase) là thời gian dé

vi khuẩn axit hóa chịu trách nhiệm phân giải axit béo đài thích nghỉ dần với môi

trường và phát triển lên về số lượng [25]

2.2.2 Giai đoạn axit hóa

Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để có thể được vi sinh vật hấp thu nên cần được phân giải tiếp Giai đoạn này bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi vào tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyền Ở đó các axit amin, đường đơn và axit béo mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hon (axit propionic, axit valeric, axit acetic), rugu (ethanol), keton, mét ít khí hydro và khí cacbonic Giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men

Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo của giai đoạn trước đó) tương đối phức tạp, có thể được tóm tắt như sau:

+ Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian như 1,3-propandiol dé tạo

thành các sản phẩm cuối cùng là propionate và acetat Sản phẩm trung gian vẫn

Song song tồn tại cùng sản phẩm cuối [48]

+ Axít béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải khá phức tạp như sau [2]:

- = Axitbéo + CoA <> Acyl-CoA

Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme acyl-CoA synthetaza năm

ở màng trong tế bào vi khuẩn

- Acyl-CoA Oxy hoa Acyl-CoA mach ngăn hơn + Acetyl-CoA

| Oxy hóa § lặp

lại liên tục Acetyl-CoA + H; + năng lượng tích lũy (ATP)

Acid acetic + CoA (Acyl ky hiéu cho nhom RCO-) Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yêu là acid acetic (thay vì tạo ra các axit có số C>2 như giai đoạn lên men thông thường) nên đây cũng chính là giai đoạn acetate hóa của chất nền dầu mỡ

- Đối với các axít béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoàải axit acetic là chủ yếu

còn chứa cả propionic axit Tuy nhiên, trong dầu thực vật nói chung, phần axít

béo có số C lẻ không đáng kể (<0,5%)

- - Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân

cắt) trước khi trải qua quá trình oxy hóa ÿ

- _ Ngoài acetic axit tạo ra từ con đường oxy hóa B, một số sản phẩm phụ của quá

trình như rượu, keton, peroxit, các axit trung gian như axit butyric (C4:0), axit caprylic (C8:0), axit capric (C10:0) cũng có thể được tạo thành từ các con đường khác (oxy hóa œ, oxy hóa œ, oxy hóa “mid-chain”) bởi một số nhóm vi

khuẩn và nắm [12]

Như đã đề cập ở trên, đối với chất nền giàu lipid thì điều khó khăn nhất là sự ức chế

của các axit béo dài (phụ thuộc vào nông độ axit béo và loại axit béo) tạo thành từ

giai đoạn thủy phân có ảnh hưởng đến toàn bộ các giai đoạn sau Do đó quá trình

phân giải ky khí chất béo có đặc điểm khác với quá trình phân giải chất khác (đường,

tinh bột ) ở tốc độ giai đoạn axit hóa chậm hơn [7], [50] [4] Trong các nghiên cứu

liên quan, thời gian diễn ra pha lag đều tỉ lệ thuận gần tuyến tính với nồng độ axit

béo đài ban đầu Sự ức chế không thể khắc phục bằng cách pha loãng để giảm nông độ

chất nền

Ngoài sự ức chế từ các axit béo đài, sản phẩm của giai đoạn này là axit béo bay hơi,

một mặt vừa là chất nên cho các vi khuẩn acetate hóa ở giai đoạn sau, mặt khác lại

gây ức chế lên các vi khuẩn sinh Metan và ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình Độc tính

thể hiện rõ nhất đối với propionic và butyric ở những nông độ cao và ảnh hưởng càng

lớn khi pH càng thấp Điều này được lý giải bởi sự ức chế gây ra chủ yếu do phần axit không phân ly (pH càng thấp thì lượng không phân ly càng lớn) Khi pH bên ngoài màng tế bảo quá thấp sẽ dẫn đến sự chênh lêch lớn giữa pH trong và ngoài màng tế bào, khiến bơm proton bị ức chế và ngưng trệ quá trình trao đổi chất qua màng tế bào [19]

2.2.3 Giai đoạn acetat hóa

Các vi sinh vật tạo Metan vẫn không thể sử dụng trực tiếp các sản phâm của giai đoạn axit hóa (axit hữu cơ, rượu, keton ) ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần được phân giải tiếp thành những phân tử đơn giản hơn nữa Sản phẩm phân giải

là acetic axit, khí hydro, cacbonic được tạo ra bởi vị khuẩn acetat hóa:

CH3CH,OH (cthanol) + HạO -> CH;:COO + H” + 2H;

CH3CH,COO (propionic) + 3H,O — CH;COO° + HCO; + H” + 3H;

CH;(CHạ);COO' (butyric) + 2HạO -> 2CH;COO + H + 2H;

Đối với chất nên giàu dầu mỡ, do sự phân hủy axit béo mạch dài cho sản pham là acid acetic mà không phải là các axit béo mạch cao hơn nên giai đoạn acctat hóa cũng chính là giai đoạn axit hóa

Đặc điểm nỗi bật của giai đoạn acetat hóa là sự thành tạo nhiều khí hydro mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật sinh Metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nên cùng với cacbonic Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rât nhiều vào áp suất riêng phần của khí Hydro trong bể ky khí Nếu vì lý do nào đó mà

sự tiêu thụ Hydro bị ức chế hay chậm lại, Hydro tích lũy làm áp suất riêng phan cua

nó tăng lên thì sự thành tao no (bởi vi khuẩn acetat hóa) sẽ giảm mạnh Khi đó axit béo bay hơi tích tụ lại kéo theo sự không phân giải các axit béo dài tạo thành dây

- chuyên Và như đã đề cập, axit béo dài tích tụ đến mức nào đó sẽ đủ lớn để ức chế các vi khuẩn axit hóa, acetat hóa và Metan hóa Ngoài ra, axit tích tụ làm pH môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợp Metan từ hydro và acetat Cứ thế, yêu tố này

tác động đến yếu tố kia và bản thân lại bị tác động của những yếu tố khác tạo thành

một chuỗi tác động mang tính dây chuyền Và quá trình phân hủy hoàn toàn “thất bại” [29]

Quan hệ cộng sinh giữa vi khuan sinh Hydro (vi khuẩn acetate hóa) với vi sinh vật tiêu thụ Hydro (chính là vi sinh vật tạo Metan) là vô cùng quan trọng nhăm duy trì áp suất Hydro ở mức thấp từ 10atm đến 105atm dé đảm bảo quá trình tạo Metan tiến triển bình thường [22] Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết về nhiệt động học của các phản ứng trong giai đoạn này vi phan ing sinh acid acetic tu propionic, butyric hay ethanol (phản ứng thu nhiệt) chỉ có thể xảy ra đồng thời với các phản ứng sinh Metan trong giai đoạn metan hóa (phản ứng tỏa nhiệt) [3 5]

Trong khi acetat (sản phẩm giai đoạn acetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh Metan

sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó cũng sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay hơi khác, ví dụ 15mmol acid acetic ức chế phân giải axit propionic [19]

22

và 100mmol acid acetic ức chế phân giải axit butyric [3] và do đó làm chậm tốc độ

acetat hóa Bản thân axit acetic ở nồng độ quá cao (6.000mg/l) [5§] cũng khiến pH

thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải axit béo bay hơi Nói chung, pH và nhiệt độ tôi

ưu giai đoạn này là 6,8-7,8 va 35-42°C [6]

Ngoài ra, một con đường acetat hóa khác có thể xảy ra bởi sự tham gia của nhóm vi

khuẩn homoacetogen tir Hydro va cacbonic (tu dưỡng) hay từ các chất hữu cơ (di

dưỡng) Tuy nhiên trong môi trường có nồng độ hydro thấp thì ái lực với hydro của

vi sinh vật sinh Metan (từ Hydro) mạnh hơn của homoacetogen, nên lượng acid

acetic tông hợp từ con đường này là không đáng kế [35]

2.2.4 Giai đoạn tạo metan

Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải ky khí tạo ra sản phẩm mong

muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí Metan bằng tô hợp các con đường

sau Mỗi con đường ứng với nhóm cơ chất sử dụng và nhóm vi sinh vật sinh Metan

khác nhau (trong tổng thể các cơ thé sinh Metan) [38]

Con đường |: CO; + 4H; > CH¿ + 2H;O

Loại vi sinh vật Hydrogenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là hydro và

cacbonic Dưới 30% lượng metan sinh thành bằng con đường này

Con đường 2: CH;COOH — CO, + CH,

4CO + 2H;O -> CH¡ + 3CO;

Loại vi sinh vật Acetotrophic Methanogen chuyển hóa acetat thành metan và

cacbonic Khoảng 70% lượng metan sinh ra là qua con đường này Tuy nhiên, năng

lượng giải phóng từ phản ứng này tương đối nhỏ Cacbonic giải phóng ra lại được

khử thành Metan bằng con đường 1 Chỉ có một số loài vi sinh vật sinh Metan sử

dụng được cơ chất là cacbon monoxit

Con đường 3: CH:OH + Hạ — CH¿ + H;O

4(CH3)3-N + 6H;O — 9CH¿ + 3CO; + 4NH;

Loại vi sinh vật Methylotrophic Methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm Metyl (-

CH;ạ) Chỉ một lượng không đáng kể metan được sinh thành từ con đường này

Nhiều nghiên cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn

này diễn tiễn khá chậm chạp và do đó từng được coi là giai đoạn giới hạn tốc độ của

cả quá trình Phương trình động học Monod được coi là nên tảng cho hầu hết các

nghiên cứu với giả thiết tốc độ sinh trưởng tế bào chỉ phụ thuộc vào nông độ chất nền

(axit acetic) trong bể phân hủy Tuy nhiên, các mô phỏng này chỉ đặc trưng được một

giai đoạn nhất định của cả quá trình hoặc chưa bao quát được tương đối đủ các yếu tố

ảnh hưởng [23], [41], [52] Trong các nghiên cứu gần đây cho thấy giả thiết trên

được coi là không còn mang tính đại diện khi một loạt các yếu tố ảnh hưởng khác

được tính đến làm tiền đề cho những mô hình nghiên cứu đầy đủ hơn, cặn kẽ hơn,

phức tạp hơn rất nhiều cùng với sự trợ giúp đắc lực của máy tính điện tử bao gồm

nông độ chấ: nền, sự ức chế bởi các sản phẩm trung gian và cân bằng 1on của chúng,

23

sự tương tác giữa các nhóm vị khuẩn khác nhau của mỗi giai đoạn, cầu trúc bể phân hủy (kích thước hình học, kết cầu bể, hình thức tập hợp vi khuẩn), các thông số thủy lực (lưu lượng chất thải, ảnh hưởng của sự truyền khối cơ chất đến hoạt động của vi sinh vật và sự chuyền khí sinh học từ trong lòng hỗn hợp phân hủy ra ngoài) [40] Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của những chất khác nhau (bao gồm cả chất béo, hydratcacbon và protein) càng đòi hỏi các nghiên cứu chỉ tiết hơn và mô phỏng chính xác hơn quá trình xây ra để từ đó dự đoán được xu hướng và diễn biến của quá trinh [5]

Tóm lại, phân tích khá chi tiết các khía cạnh quan trọng và mồi liên quan chặt chẽ lẫn nhau của từng giai đoạn ở trên cho thấy để cá quá trình phân giải ky khí có thé dién tiễn thuận lợi như mong muốn, cần duy trì một cân bằng giữa tốc độ sinh thành axit (bởi giai đoạn thủy phân, axit hóa và acetate hóa) với tốc độ tiêu thụ axit (bởi giai đoạn tạo Mectan) Sự sản xuất quá mức các axIt dẫn đến sự tích tụ của các sản phẩm lên men đến ngưỡng gây ức chế và tiến tới chấm dứt quá trình Bốn giai đoạn được phân chia như trên thực sự chỉ mang tính quy ước mà thôi Thực tế trong bể phân hủy

ky khí các giai đoạn xảy ra cùng một lúc và đồng bộ với nhau để đạt đến cân bằng và hiệu quá mong muốn

2.3 VI SINH VAT HOC CAC GIAI DOAN CUA QUA TRINH PHAN HUY

KI KHi CHAT THAI HUU CO NHIEU DAU THUC VAT

Công tác nghiên cứu vi sinh vật của quá trình phân hủy ky khí nhìn chung gặp phải

nhiều khó khăn đo tốc độ sinh trưởng chậm và nhiều loài thậm chí không sinh trưởng

trong môi trường thuần khiết mà chỉ tổn tai trong điều kiện cộng sinh với loài khác hoặc cho các sản phẩm khác với môi trường tự nhiên Mỗi giai đoạn trong quá trình

có liên quan đến một số nhóm vi sinh vật khác nhau, mỗi nhóm gồm nhiều loài khác nhau Ngoài ra bản chất của chất nền cùng với điều kiện tiến hành phân hủy ky khí như nhiệt độ, pH, tốc độ nạp chất nên, thời gian lưu có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần và số lượng loài của khu hệ vi sinh vật Các kỹ thuật truyền thống và gần đây là các phương pháp sinh học phân tử hiện đại đã được ứng dụng để nghiên cứu ngày một sâu sắc hơn về khu hệ vi sinh vật găn liền với quá trình phân hủy ky khí Một số loại nắm và protozoa cũng đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ ky khí chủ yêu thuộc về các vi sinh vật nhân nguyên thủy (Procaryotes) bao gồm vi khuẩn (Bacteria) và vi sinh vật cô (Archaea)

2.3.1 Giai đoạn thủy phân

Tham gia vào giai đoạn đầu tiên của quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ chủ yêu là các vi khuẩn ky khí bắt buộc xen lẫn các vi khuẩn ky khí tùy tiện Vi khuẩn thủy phân thường có hình que, nhuộm Gram dương hoặc Gram âm [39] Bản chất của chất nền rất quyết định đến chủng loại các vi khuẩn này Đối với các chất nền dễ phân hủy như hydratcacbon thì các loài Streptococcus bovis, Bacteriodes

24

amylophilus, Selenomonas ruminatium, Succinomonas amylolytica chiếm wu thé Vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy phân đầu mỡ quan trọng nhất trong điều kiện ky khí là Anaerovibrio lipolyfica, sau đó là một sé loai thuéc giéng Clostridium nhu Clostridium botulinum, Clostridium noviy Chung đều có khả năng tiết ra enzyme lipaza ở pha logarit C?ostridium là giống vi khuẩn ky khí bắt buộc, gram đương, sinh bào tử, hình que [59] Vi khuẩn ky khí tùy tiện có khả năng thủy phân dầu cọ nhiều nhất là loài Bacillus subtilis [44] Cac vi khuân giai đoạn này có thể sống trong môi

trường có pH từ 5 đến 8, nhưng thích hợp nhất với pH 5,5 đến 6,5 [9] Chúng có thể

chịu được sự dao động về nhiệt độ môi trường trong dải rộng Ngoài ra còn một số vỉ khuân hydro hóa axit béo chưa no (axit oleic và axit linoleic là các a xit béo có nhiều trong dau cọ) như các giong Ruminococcus albus, Eubacterium, Butyrivibrio, Fusocillus [59]

2.3.2 Giai đoạn axit hóa

Khi sự axit hóa các hợp chất hữu cơ không phái là dầu mỡ (hydratcacbon, protein) thì vi khuẩn axit hóa đồng nghĩa với vi khuẩn lên men Một số các vi khuẩn lên men cũng đông thời đóng vai trò thủy phân trong giai đoạn trước Giống vi khuẩn acid hóa cơ chất protein quan trọng nhất là Clostridia

Đối với chất béo, sản phẩm giai đoạn thủy phân là glycerine và acid béo mạch dài

(LCFA) được thực hiện nhờ các vi khuẩn thủy phân Trong khi glycerine bị phân giải tiếp cũng chính nhờ vi khuẩn thủy phân đó (khi này chúng đóng vai trò là vi khuẩn lên men) thì sự phân giải tiếp theo của các LCFA lại được diễn ra bởi vi khuẩn acetate hóa bằng quá trình oxy hóa B lặp lại liên tục để tạo thành acid acetic [59] Các vi khuẩn acetate hóa này sẽ được đề cập đến ngay dưới đây

2.3.3 Giai đoạn acetat hóa

Như đã đề cập trong mục 2.2.3, vi khuẩn tham gia quá trình acetat hóa sinh trưởng cộng sinh cùng với vi sinh vật tạo Metan Áp suất khí hydro nếu tăng lên đến giới hạn nhất định có thể làm ngưng trệ hoạt động của các vi khuẩn giai đoạn này Điều

đó cũng có nghĩa chúng chỉ có thể sinh trưởng và phát triển trong môi trường mà sản phẩm do chung tao ra — Hydro ~ phải luôn luôn được tiêu thụ Chính vì thé việc sống cộng sinh với vi sinh vật sinh Metan (là vi sinh vật tiêu thụ Hydro) là thực sự quan trọng Tốc độ sinh sản của vi khuẩn này tương đối chậm với thời gian thế hệ thường

từ 3-7 ngày, ngay cả khi có sự hiện diện của vi sinh vật sinh Metan pH tối ưu cho

các vi khuẩn acetat hóa nằm trong khoảng 6-7 [38] Cũng như vi sinh vật sinh Metan, chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường Các giống vi sinh vật acetate hoa quan trọng gdm Syntrophus, Syntrophobacter, Syntrophomonas [35] Được nghiên cứu nhiều có Sywrophobacter wolinii là loài vỉ khuẩn phân giải propionic và Sytrophomonas wolfei là loài vì khuẩn phân giải butyric Đối với chất béo, hai loài Syntrophomonas wolfei subsp saponavida va Syntrophomonas sapovorans là những vị khuẩn quan trọng tham gia vào sự oxy hóa j các axit béo dài

25

ở nhiệt độ ưa âm (30-40°C) [39] Chúng là những vi khuẩn không sinh bào tử, gram

âm, thuộc loại hóa dưỡng hữu cơ, hình que hơi xoắn, đầu hơi tròn, có từ 2 dén 8 tiên

mao phân bố xung quanh đọc theo bờ lõm của tế bào Khác với vi khuân gram âm

thông thường, loài này có thành tế bào dày, nhiều lớp phức tạp nhưng lại nhạy cảm

với Penicilin Sinh sản theo kiểu phân đôi tế bào, di chuyên chậm [37] Còn trong

điều kiện ưa nhiệt (50-65°C), vi khuẩn acetat hóa tương ứng là Thermosyntropha

lipolytica [S3] Các loài vì khuẩn này luôn được phân lập cùng với một hay vài loài

tiêu thụ Hydro đi cặp với nó trong điều kiện phân hủy ưa âm hay ưa nóng

2.3.4 Giai đoạn sinh Metan

Trong hệ thong phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh Metan không thuộc

giới vi khuẩn (Bacteria) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộc giới Vi

sinh vật cỗ hay vi khuẩn cổ (Archae) do có cầu tạo thành và màng tế bào khác biệt

[1] Chúng đã xuất hiện từ rất lâu, được phân thành nhánh riêng trong cây phân loại

nên được nghiên cứu khá kỹ lưỡng Chuỗi phân giải ky khí chất hữu cơ được kết thúc

nhờ các vị sinh vật này Chúng có nhiều hình đạng khác nhau (que, cầu, đĩa dẹt, kết

thành đám ) và có loài chuyển động được, có loài không Các giống khác nhau có

thành tế bào thudc ca hai nhom gram 4m (Methanococcus) va gram duong

(Methanobacterium) Đặc điểm chung của các cơ thể này là chịu được nhiệt độ khá

cao (60-80°C, tùy loài), sinh trưởng và phát triển trong môi trường có thế khử thấp (<

-300mV), rất mẫn cảm với sự biến động của các yeu tố môi trường như oxy, nhiệt

độ, pH nhưng ít nhạy cảm với các chất kháng sinh như penicillin Coenzym của vi

sinh vật sinh metan rất đặc biệt: coenzym M, coenzym F439 va F420 (khiến chúng có

khả năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiện

chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện này) Thời gian thế hệ của chúng khá dài,

khoảng 1 ngày ở 55°C đến 3 ngày ở 35°C và tới 50 ngày ở 10°C [38], [59]

Các chất có thể dùng để cung cấp nguôn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh

Metan khá đơn giản Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetat hóa Tuy

70% lượng khí Metan được sinh ra từ sự oxy hóa acetat, chỉ có một số loài vi sinh vật

cô có khả năng phân giải acetat, trong đó các giống quan trọng là Methanosaeta,

Methanosarcina, Methanococcus [35] Trong khi đó rất nhiêu loài sinh metan có khả

năng tạo Metan từ Hydro và Cacbonic, trừ một nhóm chỉ phân giải acetic và một

nhóm chỉ phân giải hợp chat chira Metyl Hai loai Methanosarcina barkeri va

Methanococcus mazei là thường gặp nhất vì chúng có khả năng sử dụng bất cứ cơ

chất nào [32]

Ngày nay đã biết đến khoảng 83 loài vi sinh vật sinh metan, đều thuộc loại ky khí bắt

buộc Dựa vào sự khác nhau về khả năng sử dụng cơ chất để xếp loại chúng thành 3

nhóm lớn là a) 61 loài sử dụng CO; và H; tạo CHạ; b) 20 loài sử dụng hợp chất chứa

Metyl (là cơ chất bắt buộc đối với 13 loài) và c) 9 loài sử dụng acetat tạo ra CH¡ (là

cơ chất bắt buộc với 2 loài) [26] Khoảng 23% số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt

(thermophillic) Cân phải nhân mạnh rằng điều kiện vận hành phân hủy ky khí (pH, nhiệt độ, tính chất của chất nén, thời gian lưu cơ chất trong hệ thống ) sẽ quyết định loài vi sinh vật nào chiếm ưu thể Nhu cầu chất dinh dưỡng thay đổi theo các loài khác nhau Gần đây đã phát hiện một số loài còn có khả năng sử dụng Nitơ phân tử ở thể khí Biên độ pH môi trường khá hẹp, trong khoảng 6,5 - 7,6 Tuy nhiên có một số loài đặc biệt vẫn sinh trưởng được trong điều kiện pH thấp (5-5,5) hay pH cao (8-9,2) [59] Các công cụ sinh học phân tử hiện đại ngày nay cho phép phân loại vị sinh vật sinh metan chỉ tiết và tường tận hơn theo trình tự phân tử DNA trong té bao Tuy nhién, van dé van đang bỏ ngỏ hiện nay là xác lập mối liên hệ nhất định giữa loại chất đem phân hủy (type of waste) và biến động vé quan x4 vi sinh vat sinh Metan tuong ung [59]

Ngoai cac giống vi khuẩn tương ứng với từng giai đoạn, còn có thể tìm thấy vi khuẩn khử Sunfat cùng tổn tai trong bể phân hủy sinh Metan Điều kiện môi trường và hình thái tế bào cũng như cấu trúc vi khuẩn khử sunfat cũng tương tự như vi sinh vật sinh Metan Nếu có sự hiện diện của Sunfat, vi khuân khử Sunfat như loài Desufovibrio desulfuricans có thể phát triển và chúng sẽ tiêu thụ Hydro và acetat Hơn nữa, hydro

và acetat được tiêu thụ dễ dàng hơn nhiều bởi vi khuẩn khử sunfat Như vậy, vi khuẩn khử Sunft có sự cạnh tranh với vi sinh vật sinh Metan Tùy thuộc vào nồng

độ chất nền và nồng độ sunfat mà lợi thế có thể nghiêng về một trong hai bên [38]

2.4 CAC YEU TO ANH HUONG QUA TRINH PHAN HUY KI KHi CHAT

HUU CO 2.4.1 Nhiệt độ

Phân hủy ky khí là một quá trình phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ Có hai khoảng nhiệt độ thích hợp với vi sinh vật sinh metan là nhiệt độ ưa am (30-40°C) va nhiệt độ

ưa nóng (50-65°C) với hai nhiệt độ tối ưu tương ứng là 35°C và 55°C Vùng nhiệt độ năm giữa hai khoảng đó không tương thích với cả hai loại Trong khi sự phân hủy ky

khí ở điều kiện ưa ấm được nghiên cứu khá kỹ thì sự phân hủy ở điều kiện ưa nóng

chỉ mới được nghiên cứu sâu trong thời gian gần đây So sánh giữa sự phân hủy ở hai khoảng nhiệt độ đều cho thấy một số ưu điểm cũng như nhược điểm như sau [13]:

Phân hủy ở điều kiện ưa 4m (30-40°C) Phân hủy ở điều kiện ưa nóng (50-65°C)

Thời gian lưu ngắn hơn —> thể tích bể

- _ Thời gian lưu tương đổi dài — thê

tích bê phân hủy lớn phân hủy nhỏ hơn

- _ Tốc độ phân hủy chậm —> thời gian - _ Tốc độ phân hủy tăng lên —> thời gian

- Bun sau 6n dinh co độ âm cao - Bun sau ồn định có độ âm thấp hơn

- Kha năng tiêu diệt vị sinh vật gây - Kha nang tiêu diệt vị sinh vật gây

- - Khả năng tích tụ a xit đo tốc độ phân Tốc độ phân hủy nhanh nên dễ xảy ra

hủy quá nhanh ít xảy ra tích tụ axit làm giảm pH môi trường

và đòi hỏi bô sung độ kiêm

- Vị sinh vật sinh metan chịu được sự - — Vị sinh vật sinh metan trong điều kiện

dao động của nhiệt độ trong khoảng này rất mẫn cảm với sự dao động của

rộng (dao động cho phép + 2,8°C) nhiệt độ (dao động cho phép + 0,8”C)

- _ Chỉ đòi hỏi gia nhiệt ở khu vực khí hậu Hệ thông đòi hỏi phải được gia nhiệt

Chính vì còn khá nhiều nhược điểm nên chỉ khoảng 10 năm trở lại đây xu hướng áp

dụng điều kiện phân hủy ưa nóng cho chất thải rắn đô thị và công nghiệp ở châu Âu

mới tăng lên nhưng vẫn chỉ bằng phân nửa số hệ thống áp dụng điều kiện phân hủy ưa

âm [15]

Ngoài ra, hiện nay cũng đã có một vài nghiên cứu quá trình ở nhiệt độ ưa lạnh (15-

25°C), nhung nhìn chung hiệu quả phân hủy cũng như tốc độ phân hủy ở nhiệt độ

này thấp hơn hắn nhiệt độ ưa âm

2.4.2 pH

Cũng như nhiệt độ, pH là một thông số vô cùng quan trọng để quan trắc, vận hành và

dự đoán chiều hướng xảy ra của quá trình phân hủy Như đã đề cập trong mục 2.3,

giá trị pH tối ưu cho các loài vi khuẩn ưu thế trong mỗi giai đoạn là khác nhau Nói

chung thì các vi khuẩn không sinh metan (3 giai đoạn đầu) tồn tại trong khoảng pH

rộng hơn (tu 5 đến 8,5) nhưng pH tối ưu cho chúng khoảng 5,5 đến 6,5 (tùy loài và

tùy chất nền) [13] Trong khi đó, pH tối ưu cho các vi khuẩn sinh metan rất hẹp,

khoảng 6,8-7,3 [13] Độ pH trong bể phân hủy ky khí có thể bị giảm mạnh (đến 3)

nếu tốc độ sản xuất axit (bởi các vi khuẩn 3 giai đoạn đầu) vượt quá tốc độ tiêu thụ

axit (bởi các vi sinh vật sinh metan) Ngược lại, độ pH cũng có thể tăng cao (đến hơn

8) nếu thành phần chất hữu cơ chứa quá nhiều Nito dẫn đến sự tích tụ NH; Cả hai

trường hợp đều dẫn đến sự ức chế và có thể làm ngưng trệ quá trình Vì vậy, duy trì

độ pH nằm trong khoảng tối ưu thực chất là duy trì sự cân bằng giữa tốc độ sinh axit

và tốc độ tiêu thụ axit, cũng là cân bằng giữa vi khuẩn không sinh Metan va vi sinh

vat sinh Metan

2.4.3 Tính chất của chất nền

Hàm lượng tổng chất rắn (TS) của mẫu ủ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy

Các vi sinh vật hấp thu các chất đưới dạng hòa tan và do đó nông độ chất rắn hay độ

âm của mẫu là quan trọng, vì nước tham gia vào quá trình hòa tan, vận chuyên chất

và nhiệt năng vào trong tế bào, cũng như đưa các chất không cần thiết ra ngoài tế

bào Hàm lượng chất rắn quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không đủ pha

loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm Ngoài ra, hàm lượng chất răn

trong mẫu quyết định đến kết cấu và thiết kế hệ thống phân hủy đề đạt được hiệu quả

28

mong muốn [45]

Hàm lượng tổng chat ran bay hoi (VS) cla mẫu thể hiện bản chất của chất nền, bao

gồm những chất dễ phân hủy (như đường, tỉnh bột, protein, chất béo với hàm lượng

thấp) và những chất khó phân hủy (như xenllulo, dầu mỡ ở hàm lượng cao) Tốc độ

và mức độ phân hủy của mẫu phụ thuộc rất lớn vào phần trăm của mỗi thành phần kể

trên trong mẫu

Ngoài ra, thực nghiệm cũng cho thấy kích thước và hình dạng của hợp phần hữu cơ

rắn có ảnh hưởng đến tốc độ quá trình Và như đã giải thích trong mục 2.2.1, kích

thước nhỏ và câu dạng hạt phù hợp để tăng số lượng các vi khuẩn thủy phân tiết

enzyme bám xung quanh hạt rõ ràng có lợi cho quá trình phân hủy chat thai [13]

2.4.4 Men giống và tỉ lệ men giống/chất nền

Loại và số lượng men giống có ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy (sản lượng khí sinh

học thu được trên một đơn vị trọng lượng khô của chất nền và thành phần metan

trong hỗn hợp khí sinh học), tốc độ phân hủy [32] Thời gian thích nghỉ sẽ rất ngắn

nêu môi trường cây men giống tương tự như môi trường chất nền Tỉ lệ men

giống/chất nén (tinh theo VS) rat phu thudc vao loai chất nền và kết cầu bê phân hủy

(tuần hoàn chất nền hay không) Tỉ lệ này tăng lên theo mức độ khó phân hủy của

chất nền Lượng men giống không đủ sẽ dẫn đến sự tích tụ các sản phẩm trung gian

và làm ức chế quá trình Hoạt tính của men giống cũng là yếu tố không thể bỏ qua, vì

hoạt tính cao giúp rút ngắn thời gian phân hủy và do đó, với kết cầu phân hủy kiểu

mẻ thì thời gian ngắn cũng có nghĩa là thể tích bể giảm đi Nói chung hoạt tính với

cùng một chất nền của tập hop vi sinh dang bun hat (granular sludge) cao hon cua tap

hop vi sinh dang bun lo ling (suspended sludge) Điều này được giải thích do mật độ

vi khuẩn trong bùn hạt (với câu trúc không gian xốp, diện tích bề mặt riêng lớn) lớn

hơn trong bùn lơ lửng [43]

Đặc biệt, đối với quá trình phân hủy ky khí chất thải dưới dạng mẻ, theo Kalyuzhnyi

và cộng sự, thì lượng men giống ban đâu có vai trò rất quan trọng, vì lượng men

giống lớn sẽ giúp ngăn chặn được tình trạng các sản pham trung gian như các axit

béo bay hơi, hydro bị tích lũy lớn đến mức vượt quá khả năng tiêu thụ chúng bởi

các vi sinh vật sinh Metan [56] Ngược lại, lượng men giống quá nhiều có thể không

được cung cấp đủ “thức ăn” (cơ chất) dẫn đến sự phân hủy nội bào, đồng thời làm

tăng khối tích bể phân hủy Vì vây, việc xác định lượng men giống vừa đủ để quá

trình phân hủy xảy ra theo chiều hướng thuận lợi là điều cần thiết không thua kém so

với tầm quan trọng của pH và nhiệt độ Lượng men giống có thê được xác định dựa

trên khối lượng dịch men tươi (có lẫn nước), hay khối lượng dịch men khô (VS của

dịch men), hay số tế bào sống/ml dịch men

2.4.5 Các chất dinh dưỡng đại lượng và vi lượng

Các chất dinh dưỡng đại lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của

các vi sinh vật trong bể phân hủy ky khí gồm Nitơ (N), Photpho (P) là chủ yếu N cần

thiết cho sự tông hợp protein của tế bào, trong khi P có vai trò hỗ trợ quá trình sinh

tông hợp các axit nucleic Tỉ lệ thích hợp được đề nghị là 20:1 đến 30:1 cho C:N

[38] và 7:1 đối với N:P [38], trong đó N và P đều phải ở dạng dễ hấp thụ bởi vi sinh

vật Quá nhiều N có thể dẫn đến sự tích tụ Amoni khiến pH tăng lên và ức chế vi sinh

vật sinh metan Trái lại, quá ít NÑ không đủ cho vi sinh vật sinh metan tiêu thụ và sản

lượng khí sinh học giảm [38]

Nông độ vừa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinh

vật sinh metan thông qua sự ảnh hưởng lên hoạt tính enzyme của chúng Các chất vi

lượng cần có mặt trong enzyme bao gồm Bari (Ba), Canxi (Ca), Magié (Mg), Natri

(Na), Coban (Co), Niken (Ni), sat (Fe), Sunfua (H,S) va mét số nguyên tố dạng vết

như Selen (Se), Tungsten (Tu), Molybden (Mo) [38]

2.4.6 — Khuấy đảo hỗn hợp phân hủy

Khuấy đảo hỗn hợp phân hủy có tác dụng làm tăng sự phân bố đồng đều và tăng cơ

hội tiếp xúc giữa vi khuẩn, chất nền và các chất dinh dưỡng với nhau đồng thời cũng

có tác dụng điều hòa nhiệt độ tại mọi điểm trong bể phân hủy, giảm tình trạng nóng

hay nguội cục bộ Khuay đảo giam bot tinh trang von cục của chat nén dang hat do

do lam tang dién tich bề mặt riêng của chúng và kích thích tốc độ thủy phân và lên

men Các tác dụng khác của sự khuấy đảo hỗn hợp bao gồm duy trì sự đồng nhất về

lý tính và hóa tính của hỗn hợp, phân bố nhanh các sản phẩm trung gian sinh ra do đó

tránh tình trạng ứ đọng cục bộ làm giảm hiệu quả phân hủy và ngăn ngừa sự vón kết

hay phân tầng của các chất [45] Với các hệ thống quy mô lớn, để tăng tuôi thọ thiết

bị khuấy đảo và giảm chi phí vận hành, khuấy đảo liên tục hỗn hợp là không cần thiết

mà có thể khuấy đảo gián đoạn theo chu kỳ [38]

2.4.7 Tốc độ nạp chất nền

Trong các hệ thống phân hủy liên tục hay bán liên tục, tốc độ nạp chất nền đủ lớn sẽ

giảm được khối tích bể phân hủy Thông thường đại lượng này được thé hiện là số kg

chất hữu cơ ban đầu có thể đưa vào một đơn vị thê tích bể phân hủy trong một đơn vị

thời gian (kgVS/m/ngày đêm hay kgCOD/m”/ngày đêm) Nếu tốc độ nạp chất nên

quá lớn sẽ dẫn đến hiên tượng tích lũy các sản phẩm trung gian (như axit hữu cơ) và

làm ngưng trệ quá trình Việc lựa chọn tốc độ vừa đủ để quá trình diễn tiền thuận lợi

phụ thuộc vào thời gian lưu của vi sinh trong bê phân hủy (SRT) và tính chất của

chất nền ban đầu (VS, COD) [13]

2.4.8 Thời gian lưu

Thời gian lưu vị sinh vật hay tuổi của bùn (SRT) là thông số quan trọng thường được

lựa chọn làm thông số thiết kế bể phân hủy hoạt động liên tục hay bán liên tục Vì

thời gian thế hệ của các vi sinh vật sinh metan khá dài (vài ngày), giá trị SRT thông

thường được chọn là 12-15 ngày Nếu thời gian lưu vi sinh vật trong bề phân hủy quá

ngăn (<10 ngày), sẽ xảy ra hiện tượng “cạn kiệt” (washout) vi sinh vật sinh metan,

tức là lượng vi sinh loại bỏ lớn hơn lượng vi sinh được tạo thành và hệ thống mất cân

30

bằng [38]

Thời gian lưu thủy lực (HRT) cũng là thông số quan trọng Khi thời gian lưu ngắn,

áp suất riêng phần của khí hydro tăng lên, gây ức chế vi sinh vật sinh Metan và ảnh

hưởng đến chất lượng khí sinh học (hàm lượng metan thấp) [17] Ngoài ra, khi HRT

và/hoặc SRT thay đôi, con đường phân giải của các chất trong giai đoạn lên men axit

cũng thay đổi biểu hiện ở thành phân mỗi loại axit bay hơi trong tổng số các axit sinh

ra biến đồi theo [16], [17]

2.4.9 — Các chất gây độc

Các kim loại nhẹ và cả kim loại nặng đều được coi là dinh dưỡng vi lượng nếu hiện

diện với nồng độ đủ thấp và sẽ duoc coi la chat déc néu nồng độ của chúng vượt quá

ngưỡng cho phép Các nghiên cứu về ảnh hưởng của kim loại lên hệ vi sinh vật bê

phân hủy ky khí cho thấy các vi sinh vật sinh metan mẫn cảm hơn là các vi khuẩn 3

giai đoạn đầu {47] [i3] Độc tính của các kim loại nói chung tăng theo hóa trị và

nguyên tử lượng của chúng Sự tồn tại đồng thời của nhiều kim loại với nồng độ cao

hơn mức giới hạn của từng kim loại dẫn đến kết quả không có tính quy luật, một số

trường hợp làm giảm độc tính (antagonism) và một số khác làm tăng độc tính

(synergysm) Dạng tổn tại của các kim loại cũng ảnh hưởng đến ngưỡng gây độc, các

muối kết tủa hay các phức chất không thể đi qua mang tế bào nên khả năng tác động

ít hơn các muối hòa tan [13]

Đối với chất nền chứa nhiều Nitơ, sự tạo thành và tích tụ ion Amoni (NH¿`) và

Amoniac (NH;) mang cả tính tích cực và tiêu cực Nói chung thì NH,’ c6 thé duoc vi

sinh vật sử dụng như là chất dinh dưỡng, trong khi đó NH; gây ức chế và gây độc

quá trình phân hủy [38]

Quá trình phân hủy ky khí có đặc điểm là các sản phẩm tạo ra từ mỗi giai đoạn, nếu

không được biến đổi kịp thời thành chất khác và tích tụ lại thì sẽ ức chế chính giai

đoạn đó như axit béo mạch dài, hydro, axit béo bay hơi Axit oleic và axit propionic

là các axit có độc tính cao nhất trong số các axit được sinh thành trong bê phân hủy

ky khí với nồng độ gây độc là < 5mg/1 [24]

2.4.10 Kết cấu hệ thống |

Đơn giản nhất là các bể phân hủy theo mẻ không khuấy trộn, không gia nhiệt với thời

gian lưu dài (30-60 ngày) Loại kết cầu cổ điển này cho sản lượng khí thấp và tốc độ

nạp chất nên thấp vì xảy ra hiện tượng phân tầng trong bẻ Kết cầu này đơn giản, rẻ

tiền và dễ vận hành nhưng đòi hỏi diện tích mặt bằng lớn vì chiều cao thấp [36] Tiến

bộ hơn là kết cầu cho phép tốc độ nạp chất nền cao, được gia nhiệt và có thời gian

lưu (SRT) khoảng 15 ngày, khuấy trộn hoàn chỉnh, nồng độ chất nền (tính theo lượng

chất khô) khoảng 10-15% So với bể phân hủy cổ điển thì loại bể khuấy trộn có

những ưu điểm hơn hăn về hiệu quả phân hủy và chất lượng khí sinh học thu được

[36]

Xuất phát từ hạn chế của kết câu thông thường đòi hỏi phải pha loãng chất nền

31

nguyên thủy dé đạt hàm lượng chất răn 5-15% (kết cầu “ướt”), kết cầu hệ thống phân

hủy chất thải với hàm lượng chất ran cao 20-40% (kết cầu “khô”) đã ra đời Kết cầu

“khô” cho phép đơn giản hơn trong khâu tách loại các hợp phần vô cơ thể tích bể

phân hủy nhỏ hơn, tốc độ nạp chất nên cao hơn, năng lượng cần thiết dé gia nhiệt ít

hơn trong khi mức độ nhạy cảm với các chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và

sản lượng khí sinh học cũng tương đương kết cầu “ướt” Nhưng kết câu mới đòi hỏi

mức độ đầu tư khá cao cho bộ phận khuấy đảo [36]

Ý tưởng tách biệt giai đoạn thủy phân và axit hóa với giai đoạn acetat hóa và metan

hóa trong 2 bẻ khác nhau (2 pha) nhằm tối ưu hóa điều kiện sống phù hợp với đặc

trưng của các giống vi khuẩn tương ứng đã hình thành từ những năm 70 của thé ky

trước và gần đây đã được áp dụng thực tế ở các nước Âu Mỹ Kết câu phân hủy 2

pha như vậy cho tốc độ metan hóa cao hơn, sản lượng khí sinh học cao hơn, độ én

dinh sinh hoc cao hon nhung doi hoi chi phi đầu tư lớn hơn, thiết kế và vận hành

phức tạp hơn nên vẫn còn ít được áp dụng [36]

2.4.11 Tiền xử lý mẫu | |

Nhằm thúc đây tốc độ và hiệu quả quá trình chuyển hóa và nâng cao giá trị phân

compost sau phân hủy, mẫu thải rắn có thê được tiền xử lý qua các khâu loại bỏ các

chất trơ, cắt nhỏ mẫu rắn để tăng diện tích tiếp xúc giữa chất nên và vi sinh vật, áp

dụng các phương pháp gia nhiệt, dùng áp suất, dùng hóa chất, sóng siêu âm Kết

quả cho thấy lượng khí metan thu được tăng lên rõ rệt (có thé tang dén 75%) [14],

[46], [57] Cac phuong phap nay chu yếu có tác dụng trên hợp phần hữu cơ dễ phân

hủy mà thôi và việc áp dụng chúng trong các hệ thống quy mô công nghiệp đòi hỏi

chi phí rất cao nên nhìn chung chỉ có các biện pháp tiền xử lý cơ học là có tính khả

32