xử lí bã bằng biện pháp sinh học kị khí

Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đánh giá được hiệu quả xử lí và tận dụng bã khoai mì tạo ra các sản phẩm có ích phục vụ cho nhu cầu sản xuất và đời sống của con người

Chương I MỞ ĐẦU I.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ở nước ta trong những năm gần đây nền kinh tế đã, đang và sẽ chuyển biếnmạnh mẽ sang nền kinh tế thị trường, dần dần hòa nhập cũng như gắn liềnvới sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới Một trong vô vàn những hệ quả do

sự thay đổi và phát triển của nền kinh tế đó là sự phát triển của cây khoai mì

Tại Việt Nam, khoai mì là cây lương thực thuộc loại củ có vị trí quan trọngtrong cơ cấu phát triển cây lương thực của cả nước và có sản lượng đứng hàng thứhai sau lúa Ngoài ra khoai mì còn là nguyên liệu cho chế biến nông nghiệp, côngnghiệp và xuất khẩu

Sản phẩm tinh bột của cây khoai mì có mục đích ứng dụng ngày càng rộngrãi trong các lĩnh vực phục vụ cho cuộc sống con người như lên men bột ngọt,enzim, làm vật liệu sinh học tự hủy, chế biến thực phẩm, sản xuất bia, công nghiệphóa chất, sản xuất keo dán, giấy, gỗ, thực phẩm …

Bên cạnh những lợi ích kinh tế – xã hội của cây khoai mì thì việc thải ra bãthải là một vấn đề hết sức bức xúc của cộng đồng về mặt môi trường Hiện tại cũng

đã có một vài giải pháp để xử lý loại chất thải này ( như việc nghiên cứu lên mennhờ vi sinh vật để tăng hàm lượng dinh dưỡng làm thức ăn chăn nuôi ) nhưng việctận dụng và xử lý chưa thật sự hợp lý và triệt để

Nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí ( nghiên cứu tỉ lệ vi sinh trên chấtnền ) của bã khoai mì để xử lí và thu nhận khí sinh học (CH4) thể hiện tính khả thi

và vô cùng cần thiết của đề tài trong việc áp dụng biện pháp khoa học để phần nàolàm giảm và hạn chế lượng chất thải ra ngoài môi trường.Hiện nay việc áp dụng cácbiện pháp sinh học để xử lí ô nhiễm môi trường đang là vấn đề rất được giớichuyên môn cũng như công luận rất quan tâm vì các biện pháp sinh học khi áp dụngthường rất triệt để và chi phí xử lí thấp.chính vì vậy mà việc xử lí bã bằng biện phápsinh học kị khí được thực hiện để đáp ứng nhu cầu của thị trường

I.2 MỤC TIÊU,PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương I MỞ ĐẦU 1

I.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

I.2 MỤC TIÊU,PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

Chương II TỔNG QUAN VỀ KHOAI MÌ VÀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT KHOAI MÌ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 5

II.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOAI MÌ 5

II.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 9

II.3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NGHÀNH TINH BỘT SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ 11

II.4 SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ 13

II.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ BÃ KHOAI MÌ HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 17

II.6 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ KỊ KHÍ VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG .20

II.7 .20

Chương III TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÃ KHOAI MÌ VÀ CÁC KHÍ SINH HỌC TẠO THÀNH 25

III.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH VÀ XU HƯỚNG HIỆN NAY 25

III.2 HÓA SINH CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ CHẤT THẢI HỮU CƠ BÃ KHOAI MÌ 27

III.3 VI SINH VẬT HỌC CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ CHẤT THẢI HỮU CƠ BÃ KHOAI MÌ 32

III.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ 35

Chương IV THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA BÃ KHOAI MÌ 43

IV.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA CỦ KHOAI MÌ 43

IV.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BÃ KHOAI MÌ BAN ĐẦU 45

IV.3 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 46

Chương V : ẢNH HƯỞNG CỦA pH LÊN SỰ PHÂN HỦY KỊ KHÍ 47

V.1 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 47

V.2 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT,THIẾT BỊ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 48

V.3 QUAN TRẮC QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM 50

V.4 ẢNH HƯỞNG CỦA PH 51

V.5 CÔNG NGHỆ ĐỀ XUẤT CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÍ BÃ KHOAI MÌ THU GOM TỪ CÁC CƠ SỞ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN KHOAI MÌ TRONG 64

Chương VI KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 67

VI.1 KẾT LUẬN 67

VI.2 ĐỀ NGHỊ 67

I.2.1 mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đánh giá được hiệu quả xử lí và tận dụng bã khoai mì tạo ra các sản phẩm có ích phục vụ cho nhu cầu sản xuất và đời sống của con người

I.2.2 Nội dung nghiên cứu

I.2.2.1 Nghiên cứu quá trình sinh học kị khí diễn ra trong quá trình ủ mẫu kị

khí

I.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ

I.2.2.3 Từ đó xây dựng mô hình xử lí bã khoai mì bằng lên men kị khí

I.2.2.4 Đánh giá hiệu quả phân hủy của bã khoai mì

I.2.3 phương pháp nghiên cứu.

Nghiên cứu quá trình sinh học kị khí bã khoai mì, nghiên cứu tỉ lệ vi sinhtrên chất nền để xử lí bã khoai mì bằng phương pháp ủ kị khí nhờ quá trình lên mencủa các vi sinh vật kị khí Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đánh giá đượchiệu quả xử lý tận dụng bã khoai mì tạo sản phẩm có ích phục vụ sản xuất và đờisống

I.2.4 Tính mới của đề tài:

Hiện tại việc nghiên cứu xử lý bã khoai mì chưa được tiếnhành rộng rãi Có những nghiên cứu tận dụng bã khoai mì làm chế phẩm sinh họccho gia súc nhưng chỉ áp dụng với sản lượng thấp, chưa đáp ứng được nhu cầu thựctế

Chương II TỔNG QUAN VỀ KHOAI MÌ VÀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT KHOAI MÌ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

II.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOAI MÌ

Khoai mì có tên khoa học là Manigo esculenta Krantz là loại cây phát triển ởvùng khí hậu nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới.Khoai mì có xuất xứ ở lưu vực sôngAmazon ở Nam Mỹ

Sau đó, phát triển dần đến Châu Phi vá Đông Nam Á.khoai mì có hàm lượngtinh bột cao được sử dụng dưới dạng tươi hay khô.dạng cục hay dạng mịn,khoai mì

đã có mặt nhiều nơi trên thế giới và trở thành cây lương thực quan trọng đối với conngười và gia súc

Tuy nhiên, khi dùng khoai mì làm lương thực phải bổ sung protêin và chấtbéo mới đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng.khoai mì còn là nguồn nguyên liệu chonhiều nghành như : chế biến thực phẩm, sản xuất bia, công nghiệp hóa chất,sản xuấtkeo dán,công nghiệp giấy, gỗ, thực phẩm.Hiện nay khoai mì được sử dụng chonhiều mục đích khác nhau : tiêu thụ tại gia đình (56,9 %), chế biến thực phẩm ( 35,6

%), xuất khẩu ( 7,4 %), phần còn lại là nguyên liệu cho các nghành công nghiệpkhác, ở nước ta khoai mì được tách lấy tinh bột làm nguyên liệu chế biến các loạithực phẩm khác như bánh kẹo,mạch nha, bột ngọt hay các thực phẩm dưới dạngtinh bột qua chế biến như bún, miến, bánh tráng, v v…

II.1.1 Cấu tạo khoai mì :

Củ khoai mì thướng có dạng hình trụ, vuốt hai đầu, kích thước cũ tùy thuộcvào chất dinh dưỡng của đất và điều kiện trồng mà dao độngv trong koảng dài từ0,1 – 1m, đường kính từ 2 – 10cm, cấu tạo gồm 4 phần chính : lớp vỏ gỗ, vỏ cùi,phần thịt củ và phần lõi

II.1.2 Vỏ gỗ

Gồm những tế bào xếp sít, thành phần chủ ếu là cellulose và hemi_cellulose, không có tinh bột,giữ vai trò bảo vệ củ khỏi tác động bên ngoài.Vỏ gỗmỏng, chiếm khoảng 0.5 – 5 % trọng lượng củ, khi chế bến phần vỏ gỗ thường kếtdính với các thành phần khác như : đất, cát, sạn và các chất hửu cơ khác, do đó,tách càng sạch càng tốt

II.1.3 vỏ cùi

Dày hơn vỏ gổ nhiều, chiếm khoảng 5 – 20 % trọng lượng củ, cấu tạo gồmcác lớp tế bào thành dày, thành tế bào chủ yếu là cellulose, bên trong tế bào là cáchạt tinh bột, các chất chứa nitrogen và dịch bào.Trong dịch bào có tannin, sắc tố,độc tố, enzyme…vì vỏ cùi có nhiều tinh bột ( 5 – 8% ) nên khi chế biến nếu tách đithì tổn tất tinh bột trong củ, nếu không tách thì nhiều chất dịch bàolàm ảnh hưởngđến màu sắc củ tinh bột

II.1.4 Thịt củ khoai mì

Là thành phần chủ yếu trong củ, bao gồm các tế bào như mô thành mỏng làchính, thành phần chủ yếu là cellulose, pentosan.Bên trong tế bào là các hạt tinh bột,nguyên sinh chất, glucide hòa tan và nhiều nguyên tố vi lượng khác.Những tế bào

sơ bên ngoài thịt củ chứa nhiều tinh bột,càng vào sâu phía bn6 trong yhàm lượngtinh bột càng giảm dần.Ngoái các tế bào nhu mô còn có các tế bào thành cứngkhông chứa tinh bột , cấu tạo từ cellulose nên cứng như gỡ gọi là xơ

II.1.5 Lõi củ khoai mì

Ở trung tâm dọc suốt từ cuống tới chuôi củ, ở cuống lõi to nhất rồi nhỏ dầntới chuôi, tỷ lệ khoảng 0.3 – 1 % trọng lượng toàn củ.thành phần lõi hầu như tòan

bộ là cellulose và hemi_ cellulose

II.1.5.1 Phân loại củ khoai mì

Khoai mì đắng ( Manihot palmate Murll hay Manihot aoprpohl ) : Hàmlượng HCN hơn 50 mg / kg củ.khoai mì đắng có thành phần tinh bột cao, sử dụngchủ yếu làm nguyên liệu cho các nghành công nghiệp chế biến thực phẩm, côngnghệp hóa dược, công nghiệp giấy và nhiều nghành công nghiệp khác.

Khoai mì ngọt (Manihot aipi hay Manihot utilissima pohl) : Hàm lượng HCNnhỏ hơn 50 mg / kg củ.khoai nì ngọt chủ yéu được làm thực phẩm tươi vì vị ngọt và

dễ tạo thành bột nhão, dễ nghiền nát hay dễ đánh nhuyễn

II.1.5.2 Thành phần hóa học:

Thành phần các chất trong củ khoai mì dao động trong khoảng khá lớn tùythuộc loại giống, chất đất, điếu kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch.Thành phần trung bình của củ khoai mì được trình bày trong bảng

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của củ khoai mì

Chất đạm trong khoai mì cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu kĩ , tuynhiên hàm lượng thấp nên ít ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất

Ngoài những thành phần có giá trị dinh dưỡng, trong củ khoai mì còn chứađộc tố, tannin, sắc tố và cả hệ enzyme phức tạp.Người ta cho rằng trong số cácenzyme thì polyquinol sau đó trùng hợp với các chất không có gốc phenol như acid

–amine tạo thành chất có màu.Những chất này gây khó khăn cho chế biến và nếuqui trình công nghệ không thích hợp sẽ cho sản phẩm có chất lượng kém.

Độc tố trong củ khoai mì là CN, nhưng khi củ chưa đào nhóm này nằm ởdạng glucozite gọi là phasecolutanin ( C10H17NO6 ) dưới tác dụng của enzymehay ở môi trường acid.Chất này được phân hủy thành glucose, acetane và acidcyanhydric.Như vậy, khi đào củ khoai mì rồi mới thấy xuất hiện HCN tự do vì chỉsau khi đào các enzyme trong củ mới bắt đầu hoạt động mạnh và đặc biệt xuất hiệnnhiều trong khi chế biến và sau khi ăn vì trong dạ dày người hay gia súc là môitrường acid và dịch trong chế biến cũng là môi trường acid

Phaseolutanin tập trung ở vỏ cùi, dễ tách ra trong quá trình chế biến , hòa tantốt trong nước, kém tan trong rượu ethylic và methylic, rất ít tan trong chloroform

và hầu như không tan trong ether

Vì hòa tan tốt trong nước nên khi chế biến, độc tố theo nước dịch ra ngoài,

do đó mặc dù giống khoai mì đắng có hàm lượng độc tố CN cao nhưng tinh bột vàkhoai mì lát chế biến tứ khoai mì đắng vẫn sử dụng làm thức ăn cho người và giasúc tốt,Trong chế biến, nếu tách dịch bào nhanh thì có thể ảnh hưởng đến màu sắccủa tinh bột do acid cyanhydric tác dụng với nguyên tố sắc có trong củ tạo thànhferoxy cyonate có màu xám.Tùy thuộc giống và đất nơi trồng mà hàm lượng độc tốtrong khoai mì có hàm lượng khoảng 0.001- 0.004 (Đoàn Dụ và các cộng sự

1983 )

Chất lượng và năng suất thu hồi tinh bột không những phụ thuộc vào quitrình công nghệ mà còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng nguyên liệu Hiện nay,chưa có những tiêu chuẩn của nhà máy nước hay công nghiệp chế biến khoai mìlàm nguyên liệu sản xuất tinh bột

Tuy nhiên, ở từng nhà máy, cơ sở sản xuất đều có những qui định về chỉ sốchất lượng nguyên liệu các chỉ số ( tính trung bình % ) trong khoảng như sau ( tiêuchuẩn nhập nguyên liệu của nhà máy chế biến bột khoai mi Tân Châu – Tây Ninh

và Vedan – Bình Phước ) Hàm lượng tinh bột không chứa 14 % trọng lượng ( Củnhỏ < củ dài < 10 cm, đường kính củ chỗ lớn nhất < 1.5 cm ) không qúa 4 %, củvụn và dập nát không quá 3 % không có củ thối Tạp chất khoáng và hữu cơ khôngquá 2 %

II.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

II.2.1 Tình hình sản xuất khoai mì trên thế giới và Việt Nam

Khoai mì được biết đên dưới nhiều tên Cây sắn – khoai mì –(Manihot esculenta Crantz), tiếng Anh là cassava hay còn gọi là tapioca hoặcmanioc, là một trong những hoa màu có hàm lượng tinh bột trong củ tương đối cao(62 – 65% chất khô) Khoai mì là cây lương thực được xếp hàng thứ sáu trên thếgiới và là một trong mười lăm cây trồng chiếm diện tích của sản xuất nông nghiệpcủa loài người nó được trồng dễ dàng, có năng suất lớn và ít bị ảnh hưởng bởi bệnhtật và côn trùng nên các vùng trồng khoai mì ngày càng nhiều Nó được trồng ởnhiều nước có khí hậu nhiệt đới như: Braxin, Campuchia, Thái Lan, Indonesia,Malaysia, Philippine và Việt Nam

Là một trong những cây lương thực có vị trí hàng đầu của các nước có khíhậu nhiệt đới ẩm Theo thống kê của trung tâm quốc tế về nông nghiệp nhệt đới(CIAI) năm 1991 thì trên thế giới hiện có 15,76 triệu ha đất canh tác khoai mì vớitổng sản lượngtrên 153,38 triệu tấn/năm Hằng năm châu Âu nhập từ châu Á triệutấn sắn khô để làm thức ăn cho gia súc

Ở Việt Nam khoai mì được trồng từ Bắc xuống Nam và đượctrồng nhiều ở miền trung du và miền núi Các vùng trồng nhiều khoai mì ở phíaNam là Tây Ninh và Bình Phước đất trồng khoai mì hàng năm ở nước ta dao độngvào khoảng trên dưới 300.000ha, sản lượng khoảng 2,5 – 2,9 triệu tấn củ tươi,chiếm khoảng 25% diện tích và 35 – 40% sản lượng quy ra thóc cho tổng số các câyhoa màu lương thực Từ trước đến nay, cây khoai mì được coi là cây có giá trị caotrong số các cây có củ tuy nhiên khoai mì dùng kém hiệu quả cho chăn nuôi chủyếu có lượng protein quá thấp (0,8% trong củ tươi và 1,5 – 2,5% trong lát khô) Vìthế, nhân dân ta thường chủ yếu dùng củ khoai mì để chế biến thành tinh bột khoai

mì hoặc các sản phẩm khác Theo kết quả điều tra về sử dụng khoai mì ở nước tacho thấy:

- Dùng cho công nghiệp 15 – 20% sản lượng

- Dùng làm lương thực cho người khoảng 10 – 15%

- Thức ăn gia súc khoảng 32%

- Dùng làm xuất khẩu 40 – 50% ngàn tấn hàng năm

II.2.2 Thành phần hóa học của củ khoai mì

Theo Keliku (1970) thì thành phần chủ yếu của khoai mì gồm:

- Hydratcarbon chiếm 88 – 91% trọng lượng củ khô Trong đó:tinh bột chiếm 84 – 87% đường tổng số chiếm 4% (saccarose 71%, glucose 13%,maltose 3%)

- Ngoài carbonhydrat, củ khoai mì chứa một số chất khác vớihàm lượng thấp như: đạm, chất béo, một số chất khoáng chủ yếu: P, K, Ca, Mg…,một số vitamin như:C, B1, B2…

Như vậy khoai mì không phải là loại lương thực có nhiều chấtdinh dưỡng Tuy nhiên khoai mì cho năng suất cao, tính theo sản lượng tinh bộtcũng như calo/đơn vị diện tích Nó có hiệu quả cao cho việc sản xuất các sản phẩmphục vụ cho công nghiệp (chủ yếu là tinh bột)

II.2.3 Bã khoai mì

Bã khoai mì sinh ra trong quá trình sản xuất tinh bột có thểđược xem như là phụ phẩm hoặc thậm chí là phế phẩm Chất thải từ quá trình sảnxuất tinh bột khoai mì gồm: chất thải lỏng và chất thải rắn (vỏ, xác bã…) Trong đó,chất thải dạng bã (pulp) nhận được từ giai đoạn chắt lấy nước sữa bột trong quátrình sản xuất tinh bột khoai mì lượng bã thải này chiếm khoảng 20% lượng nguyênliệu và chiếm 5)% tổng bã rắn

Theo số liệu từ cục thống kê năm 1998, diện tích trồng khoai

mì ở nước ta gần 300.000 ha với năng suất bình quân đạt 9 – 10 tấn/ha, cho sảnlượng gần 3 triệu tấn/năm với kỹ thuật chế biến như của ta hiện nay lượng bã thảichiếm khoảng ½ lượng khoai mì nguyên liệu như vậy sẽ đạt tới trên 1 triệu tấn/năm

Có nhiều nhà máy sản xuất bột khoai mì với công suất bình quân 200 tấn củ/ngày,thải ra khoảng 120 tấn bã khoai mì tươi/ngày.

* Lượng chất thải rắn hàng năm của sắn:

- Thế giới: 106 triệu tấn

- Nam Phi: 42 triệu tấn

- Châu Mỹ La Tinh: 33 triệu tấn

- Châu Á: 30 triệu tấnTrong bã khoai mì có một hàm lượng tinh bột kể cảcarbonhydrat hòa tan chiếm khoảng 40 – 75%, xơ khoảng 10 – 22%, protein 2 –4%, chất béo 1 – 2% và lượng khoáng tổng không quá 3% gồm Ca, Mg, K, Na, P

Phần bã lâu nay vẫn chưa được sử dụng một cách hợp lý đồngthời cũng là một yếu tố làm ô nhiễm môi trường sống của dân cư vùng chế biến.Với số lượng lớn như vậy, việc sử lý và sử dụng có hiệu quả nguồn bã thải này sẽ

có ý nghĩa kinh tế – xã hội đáng kể vì đây là một loại chất thải có hàm lượng cơchất sinh học cao với tiềm năng và triển vọng ứng dụng của nó

II.3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NGHÀNH TINH BỘT SẢN

XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ

Tinh bột khoai mì là thực phẩm cho hơn 500 triệu người trên thế giới (theoJackson 1990 ).Tinh bột mì cung cấp 37 % calories trong thực phẩm Châu Phi, 11%

ở Mỹ latinh và 60% ở các nước Châu Á ( Lancaster eral 1982 )

Tinh bột khoai mì đựợc các nước trên thế giớisản xuất nhiều để tiêu thụ vàxuất khẩu.Brazil sản xuất khoảng 25 triệu tấn /năm Nigieria, Indonesia và Thái Lancũng sản xuất một lượng lớn để xuất khẩu ( CaIJ 1993) Câu Phi sản xuất khoảng85,2 triệu tấn năm 1997, Châu Á 48,6 triệu tấn và 32,4 triệu tấn do Mỹ Latinh vàCaribeen sản xuất ( FAO, 1998 )

Ở Việt Nam, do không đủ điều kiện xây dựng các nhà máy chế biến nênnghành sản xuất tinh bột mì trong nước bị hạn chế.các cơ sở phân bố theo qui mô

hộ gia đình, sản xuất trung bình và sản xuất lớn

II.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu

Công đoạn này gồm các thao tác rửa, cắt khúc và loại bỏ phần rễ, lớp vỏ gỗ

và đất cát bám trên củ trước khi đưa vào nghiền.Nguyên liệu được đưa vào thùng,rửa củ bằng xe xúc, tại thùng rửa củ , đất cát và lớp vỏ gỗ được chà xát bằng lôcuốn có gắn lớp sợi kim loại trên bề mặt kết hợp với nước rửa được bơm vào liêntục.Kết thúc công đoạn này, củ được tách hầu như hoàn toàn lớp gỗ, các tạp chấttheo nước rửa ra ngoài và được thu gom ở lưới chắn rác có đường kính lỗ bằng 10mm

II.3.2 Nghiền nguyên liệu và tách bã

Nguyên liệu sau hi rửa và cắt khúc qua mày mài chuyển thành dạng bộtnhão, sao đó vào máy ray tách bã.cụm máy rây gồm 12 máy và 3 cỡ rây ở máy rây,nước sạch cũng được bơm vào liên tục với mục đích rửa sạch lớp bột bám trênbã.Nước dịch sửa bột sau khi qua máy rây đưa về thùng chứa và trộn với dung dịchH2CO3 để tẩy trắng bột

Tách ting bột : từ thùng chứa, sữa bột được bơm vào cụm 4 máy ly tâm táchdịch cần 1, sau đó lại được trộn với dung dịch tẩy H2SO3 và bơm vào 4 máy ly tâmtách dịch lần 2, máy ly tâm hoạt động liên tục, tinh bột và nước thải ra liên tục,nước sau ly tâm tách dịch thải ra ngoài

Lượng nước sạch được phun vào trong khi ly tâm dưới dạng tia nước áp lựccao để rửa bột Qua 2 giai đoạn ly tâm tách dịch đồng thời rửa sạch tinh bột, sảnphẩm sau ly tâm có độ trắng đạt yêu cầu

Hàm lượng SO3 trong sản phẩm nhỏ hơn 0.003 ppm.Hiệu suất thu hồi sảnphẩm đạt xấp xỉ 90 % Tinh bột ướt có độ ẩm 39 – 40 % sau đó được ly tâm 1 lần

để tách bớt nước và theo băng tải đưa vào hệ thống sấy khí thổi, cuối cùng thu hồibằng cyclone và đóng bao hoàn thiện

II.3.3 Công Nghệ Sản Xuất Tinh Bột Mì ở Thế Giới và ở Việt Nam

Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì

II.4 SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ

Củ mì tươi

Lột vỏ, cắt khúc,rửa

Mài ,Nghiền Rây, Sàn

Rửa tinh bột, phân ly, lắng

gạn Tinh bột ướt

II.4.1 Phương pháp kỵ khí

Bản chất của phương pháp này là các chất phân huỷ nhờ vi sinh vậttrong điều kiện hoàn toàn không có O2 Quá trình này chia làm hai giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất: các chất hữu cao phân tử được vi sinh vật chuyểnhoá thành các chất có phân tử thấp hơn như các acid hữu cơ, các chất hoà tankhác Có nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình này Các hydratcarbonchuyển thành đường, protein sẽ chuyển thành các peptid các acid amine, cácacid béo tạo thành các acid hữu cơ và glycerin

Giai đoạn thứ hai: là giai đoạn phát triển mạnh của vi khuẩnmethan Toàn bộ hydratcarbon chuyển thành CH4 và CO2, các acid béo bịphân huỷ nhiều

Theo Eckenfelder W W, thì lên men yếm khí xảy ra qua 3 giai đoạn:

- Lên men acid: các hydratcarbon được phân huỷ và tạo ra acid cótrọng lượng phân tử thấp như acid acetic, acid butyric, acid propionic Ở giaiđoạn này pH giảm tới 5, vi khuẩn phát triển mạnh

- Lên men acid kết thúc chuyển sang lên men methan: các acid hữu

cơ và các hợp chất nitơ tiếp tục được phân huỷ tạo thành các hợp chất khácnhau và các khí như CO2, N2, H2, CH4, pH môi trường chuyển dần sang kiềm.Trong giai đoạn này, các vi khuẩn hiếu khí bị tiêu diệt, vi sinh vật yếm khí bắtđầu phát triển mạnh

- Lên men methan (lên men kiềm): các vi khuẩn lên men methanphát triển mạnh và chuyển hoá nhanh tạo thành CO2, CH4 Vi khuẩn lên menmethan có khả năng phân giải các chất có phân tử lượng cao mà không có khảnăng đồng hoá các sản phẩm có phân tử lượng thấp từ quá trình thuỷ phân

Chúng chỉ xử dụng một số cơ chất nhất định, cần có nhiều CO2, nguồnnitơ là 3,5 mg/g bùn lắng Tỷ lệ C/N = 1/20 Tốt nhất là cung cấp nitơ dạngamon, chlorua, carbonat amon.

Trong lên men kỵ khí các chất thải vi khuẩn gây bệnh thường bịtiêu diệt do tác động của nhiều yếu tố khác nhau như không có oxy, hoặc tácđộng của sản phẩm trao đổi chất

Ưu điểm của phương pháp kỵ khí la ø:

-Không tiêu tốn năng lượng để cung cấp O2 cho quá trình xử ly.ù

-Lượng bùn tạo thành ít hơn 10 – 20 lần so với phương pháp hiếu khí

Tạo ra khí methan (CH4), như một nguồn năng lượng sạch Ngoài

ra lượng bùn thải được sử dụng như nguồn phân bón sinh học có giá trị cao

Vi sinh vật Nhiệt độ

(0C)

T gian lưu(ngày)

Tỷ lệchết

6 – 20

6 – 20

6 – 202

82 – 969910098,5

Bảng 1.2 .Mức độ tiêu diệt của các vi sinh vật gây bệnh trong xử lý nước thải

II.4.2 Phương pháp xử lý bằng bể lọc sinh học cổ điển (Biophin)

Bể lọc sinh học là bể lọc trong đó có sinh khối vi sinh vật bámchặt vào giá thể nhúng chìm một phần trong nước thải Loại này có 3 kiểu khácnhau:

- Biophin với vật liệu lọc tự nhiên: các vật liệu lọc thường là đádăm, xỉ Các vật liệu này dễ kiếm, rẻ tiền Tuy nhiên, vật liệu này có độ rỗngvà diện tích bề mặt kém, do đó hiệu suất xử lý không cao

Phương pháp này khó áp dụng cho loại nước có chất lơ lửng lớn (khôngvượt quá 100 mg/L Do khả năng thông gió kém nên tạo ra hiện tượng yếmkhí cục bộ gây hạn chế trong xử lý nước thải

- Biophin với vật liệu tấm lợp: các tấm lợp được kết thành bloc,khe hở giữa các tấm lợp là 50 mm, chiều cao bloc phụ thuộc vào kích thước củatấm lợp (trung bình từ 500 – 600 mm) Các bloc trên và dưới xếp chéo nhaumột góc 900 Nước sau mổi lần lọc có tuần hoàn Vật liệu lọc bằng tấm lợp chokết quả xử lý tốt hơn Ngoài ra còn có một số điều kiện kỹ thuật cần thiết khithiết kế, diện tích bề mặt 60 m2/m3, độ rỗng 80%, chiều cao vật liệu lọc 4 –6m

-Biopnin với vật liệu lọc bằng chất dẻo: ở các nước tiên tiến,người ta sử dụng loại vật liệu này từ những năm 1960 Vật liệu chất dẻo cónhiều hình dáng khác nhau trong đó loại cấu trúc tổ ong là tốt nhất

II.4.3 Hồ sinh học xử lý kỵ khí:

Xử lý cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp

Ngoài ra còn có hồ sinh học hiếu khí – kỵ khí (facultative) là loại hồ vừacó vùng hiếu khí vừa có vùng kỵ khí Đây là loại hồ khá phổ biến trong điềukiện xử lý như ao, hồ

II.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ BÃ KHOAI MÌ HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

Trong số các chất thải rắn thải ra từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt củacon người , ngoại trừ các chất thải đặc biệt có độ nguy hại cao (chất thải dễ cháy nổ,chất thải kim loại nặng, chất thải nhiễm phóng xạ…) loại chất thải nguồn gốc hữu

cơ chứa nhiều chất xơ như bã khoai mì cho đến nay vẫn là bài toán hóc búa cần giảiquyết đối với các nhà quản lý cũng như nghiên cứu về môi trường, vì những ônhiễm môi trường chúng có thể gây ra

Tùy thuộc vào chất thải sau khi thải sau khi thải ra có lẫn nước hay khônglẫn nước mà một số biện pháp được đưa ra nhằm xử lí hỗn hợp hay tái sử dụngphần hỗn hợp đó

II.5.1 Dùng làm thức ăn cho gia súc

Phụ phẩm bã khoai mì hiện nay chủ yếu được sử dụng để làm thức ăn chogia cầm và gia súc Sử dụng loại bã này làm nguồn cung cấp chất béo và phần tinhbột còn lại trong bã, làm nguồn cung cấp các chất dinh dưỡng như protein, chấtđạm, tinh bột, đường chính vì vậy mà phần bã khoai mì này sau khi được lấy ra từcông nghệ sản xuất tinh bột mì thì có thể dùng làm thức ăn cho gia súc và gia cầm

mà không cần phải qua chế biến sơ bộ

II.5.2 Sản xuất cồn từ củ khoai mì

Công nghệ sản xuất cồn

từ khoai mì còn có thể thuthêm nhiều sản phẩm khác

có giá trị kinh tế cao

Tuy nhiên qua khảo sát, hiện các đơn vị sản xuất cồn đang gặp nhiều khókhăn Do nguồn nguyên liệu quá đắt và công nghệ lạc hậu nên tốn nhiều chi phí sảnxuất nên sản phẩm không có sức cạnh tranh cao

Để thu được 1 lít cồn cần có 4 kg rỉ đường mía Mỗi kg giá là 1.600 đồng/kg,

vị chi 1 lít cồn tốn khoảng 6.400 đồng cho phí nguyên liệu, chưa tính đến các khoảnchi phí khác

Trong khi đó, nếu sử dụng củ mì hoặc bã mì thì kinh phí sản xuất sẽ giảm rấtnhiều, đây là nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và có thể sản xuất với qui môlớn, giá thành lại tương đối rẻ Một kg củ mì tươi trung bình giá khoảng 600đồng/kg, nếu so với nguyên liệu rỉ đường mía rẻ gần 2/3 giá thành Bã khoai mì lại

là nguồn phế phẩm của các nhà máy chế biến tinh bột mì Theo thống kê trên cảnước đang có khoảng 28 nhà máy bột mì

Phương pháp đường hoá tinh bột sẽ được thực hiện theo qui trình gồm:nguyên liệu được nghiền nát, sau đó tiến hành công đoạn đường hoá tinh bột, lên

men cuối cùng là công đoạn chưng cất thu sản phẩm Điểm ưu việt của công nghệđường hoá tinh bột là có thể tận dụng nguồn nguyên liệu hoàn toàn hơn, nhờ vậyphương pháp này sẽ giúp cho nhà sản xuất giảm lượng nguyên vật liệu, tiết kiệm tối

đa chi phí Để có 1 lít cồn 94,5% chỉ cần tốn khoảng 2,5 kg khoai mì lác hoặc 15 kg

bã khoai mì, như vậy nguồn chi phí sản xuất sẽ rẻ đi rất nhiều

Thời gian qua, ở Việt Nam đã có nơi sử dụng khoai mì khô để sản xuất cồnnhưng hiệu suất tạo cồn vẫn còn thấp, phải tốn hết 3,5 kg khoai mì/lít Còn nguồn

bã khoai mì thì vẫn chưa nơi thực hiện

Tiến sĩ Hạnh cho biết thêm: nếu sử dụng khoai mì hoặc bã khoai mì để sảnxuất cồn không chỉ tận dụng nguồn phế phẩm của các nhà máy sản xuất tinh bột mì

mà còn làm giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường do việc phơi bã mì để sản xuất thức

ăn cho gia súc Trong bã khoai mì có độ ẩm đến 80% nên phải mất một khoảng thờigian phơi nắng, do đó bã mì dễ bị nhiễm khuẩn sinh ra mùi hôi khó chịu làm ảnhhưởng đến môi trường xung quanh

Công nghệ sản xuất cồn Ethylic từ khoai mì, ngoài sản phẩm chính là cồn,nhà sản xuất còn có thể thu thêm nhiều sản phẩm khác có giá trị kinh tế cao từnhững nguồn phế thải

Đó là, lượng khí CO2 lỏng thu được trong quá trình lên men chuyển sanggiai đoạn chưng cất cồn 94,5% Từ nguồn nước thải còn có thể chế tạo phân vi sinh

và than bùn Lượng xác nguyên liệu thải ra sau quá trình chưng cất cũng có thểdùng phương pháp cho xúc tác vi sinh kích hoạt quá trình lên men để sản xuất chếphẩm sinh học phục vụ nuôi trồng thuỷ sản Đến nay, tại Việt Nam chưa có đơn vịnào sản xuất cồn từ bã khoai mì

Sử dụng phương pháp đường hoá tinh bột để sản xuất cồn Ethylic côngnghiệp từ củ mì hoặc bã mì, ngoài việc đẩy mạnh hoạt động sản xuất nguồn nguyênliệu cồn, tạo đầu ra ổn định cho mặt hàng nông sản (củ khoai mì), thì còn tạo điều

kiện thuận lợi để tiến tới sản xuất nguồn nhiên liệu sinh học xăng pha cồn Gasohol) mà hiện tại nước ta vẫn chưa cĩ.

-II.6 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ KỊ KHÍ VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

II.7

II.7.1 Động học của quá trình phân hủy kị khí

Mô hình động học Monod mô tả khá chính xác tốc độ sinh methane vàmối liên hệ giữa tốc độ tăng trưởng của vsv với hoạt tính của bùn Tuy nhiên,phương trình Monod không tính đến tốc độ tự phân huỷ của vsv

Thực tế, tốc độ tăng trưởng cuối của vsv:

µn = µ - b (2)

µn - Tốc độ tăng trưởng cuối (ngày-1)

b - Tốc độ tự phân huỷ (ngày-1)

Thế (1) vào (2), ta được

Phương trình độ hoạt tính lớn nhất của vsv

Y - Hệ số tăng trưởng của vsv (gVSVtạo thành / gCODloại bỏ)

b s k

Y

r x,max max = µ

rx,max - Tốc độ phân huỷ cơ chất đặc trưng (gCODloại bỏ /gVSS.ngày)

Thế (3) vào (2) ta được

Những mối liên hệ này có thể áp dụng cho các hệ thống lên men hỗnhợp, có hoặc không có lưu bùn hay tuần hoàn bùn

II.7.2 Những yếu tố ảnh hưởng

II.7.2.1 pH

Aûnh hưởng trực tiếp đến quá trình bíên đổi sinh học và bản thânvsv

pH thấp (<5): gây kết tủa protid, lipid Ftuổi và hoạt tính của bùn giảm

F Kiểm soát và giữ pH ở giá trị tối ưu (6,8 – 7,5) bằng cách bổ sung vàduy trì một lượng bicacbonat nhất định nhằm tạo pH đệm cho môi trường, giúptrung hoà các axit sinh ra trong quá trình phân huỷ kị khí

II.7.2.2 Nhiệt độ:

Aûnh hưởng mạnh đến quá trình sinh học của vsv cũng như đặctính nhiệt động học của các phản ứng trong môi trường kị khí

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tăng trưởng của vsv được môtả theo PT Arrhenius:

b s k

s r Y s

x

+

= , maxµ

k1 = 0,84; k2 = 0,09; a1 = 0,11, a2 = 0,3 ; Xt = 58,7.

Trong đó :

α1 - Hằng số năng lượng cho qt sinh tổng hợp (1/K)

α2 - Hằng số năng lượng phân huỷ (1/K)

µmax - Tốc độ tăng trưởng lớn nhất (ngày-1)

κ1 - Hằng số hoạt động (ngày-1)

κ2 - Hằng số phân huỷ (ngày-1)

T - Nhiệt độ tuyệt đối (K)

XT - Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ (K)

Trong khoảng nhiệt độ thích hợp, Pt Arrhenius mô tả tốc độ tăng trưởngcủa vsv gia tăng với nhiệt độ

II.7.2.3 Chất dinh dưỡng

Để Vk tăng trưởng và gia tăng hoạt tính của bùn, nước thải phảichứa đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết bao gồm đa lượng (N,P) và vi lượng

Nhu cầu N và P tối thiểu cung cấp cho vsv được tính toán dựa vào tốc độtăng trưởng và thành phần của các nguyên tố này trong TB vsv: C:N:P =50:14:3

Công thức tính lượng chất dinh dưỡng tối thiểu cần thiết:

NUTRcần thiết = COD0*Y*NUTRTB*1,14Công thức tính lượng dinh dưỡng tối thiểu cần thiết

) ( 2 ) ( 1

X T a X

T

e k

NUTRCT = COD0*Y*NUTRTB*1,14

COD0 - Gía trị COD đầu vào (g/l)

Y - Hệ số năng suất sinh khối (g/g)

NUTRTB - Nồng độ chất dd trong tế bào VK (g/g)

NUTRCT - Nồng độ dd tối thiểu cần thiết trong đầu vào

1,14 - Hệ số giả định của tỷ lệ TSS/VSS

Thông thường, lượng chất dd đầu vào thường lấy gấp 2 lần so vớitính toán để bù trừ cho các phản ứng kết tủa…

Điện thế oxi hoá – khử cho biết hthống có khả năng nhận hay chođiện tử Sự thay đổi các phản ứng oxi hoá – khử xảy ra đồng thời với sự thayđổi điện thế oxi hoá – khử Quá trình methane xảy ra tốt ở điện thế oxi hoá –khử là EH < 260mV

Trong ht kị khí, giá trị của thế oxi hoá – khử thường ổn định vàthay đổi theo:

- Khối lượng bùn sử dụng:

15 giờ đ/v bùn chứa 13,4 g VSS/l

40 giờ đ/v bùn chứa 2,2 g VSS/l

II.7.2.4 Thế oxi hoá – khử

Trong ht kị khí, giá trị của thế oxi hoá – khử thường ổn định vàthay đổi theo:

Hoạt tính của bùn: bùn có hoạt tính cao sẽ nhanh chóng có điện thế oxihoá – khử ổn định hơn bùn có hoạt tính thấp

Thành phần của dung dịch chứa cơ chất, đặc biệt là sự hiện diện của oxisẽ làm điện thế oxi hoá – khử được giữ ở mức cao không thuận lợi cho quátrình phân huỷ kị khí

II.7.2.5 Độc tính H2S

Lưu huỳnh là ngtố cấn thiết cho vsv ở 1mM

Ở nồng độ cao, gây ra độc tính đv vsv

Thứ tự độc tính: sulfate < thiosulfate < sulfite < H2S

Trong mt nước

H2S → HS- + H+ (pK = 6.83)H2S → S2- + H+ (pK = 12.3)Sự phân bố H2S giữa pha khí và lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, tại 300C

ta có:

[H2S]khí = 0.4325 [H2S]lỏng H2S tự do thấm qua màng TB, ah đến pH nội bào, làm biến tính proteinbởi sự hình thành các liên kết sulfide trong TB

Chương III TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÃ KHOAI MÌ VÀ CÁC KHÍ SINH HỌC TẠO THÀNH

III.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH

VÀ XU HƯỚNG HIỆN NAY.

Quá trình phân hủy kị khí ( anaerobic digestion ) là một trong những ứngdụng cổ xưa nhất.khí sinh học đã làm nóng nước tắm ở Assirya từ thế kỷ thứ 10trước công nguyên.cho đến thế kỉ thứ 17, quá trình mới bắt đầu được nghiên cứumột 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 tạo thành của khí metan qua quátrình phân hủy kị khí phân gia súc

Quá trình được ứng dụng mang tính công nghiệp đầu tiên là một nhà máyđược xây dựng ở Bombay, Ấn độ váo năm 1859 để sau đó nó bắt đầu thâm nhậpvào Anh

Những tiến bộ của nghành vi sinh vật học khi đó có tác dụng hỗ trợ pháttriển kỹ thuật trong đó nghiên cứu của Buswell những năm 1930 đã đặt nền móngcho việc xác định các loài vi khuẩn kị khí và các điều kiện thúc đẩy sự sinh khí

Khi những hiểu biết về quá trình đầy đủ hơn, các kỹ thuật ứng dụng trongvận hành và điều khiển ngày càng hoàn thiện với sự ra đời của những bể ủ kín cùngcác thiết bị hâm nóng và khuấy đảo tuy nhiên, vì lúc đó giá than đá rẻ và trữ lượngdầu mỏ còn rất lớn nên khí sinh học không được quan tâm , một phần do sự pháttriển mạnh mẽ của các hệ thống phân hủy hiếu khí

Quá trình công nghiệp hóa cùng với giá điện rẻ đã dẫn tới kết quả là các kỹthuật phân hủy hiếu khí, chế biến compost và chôn lấp trở thành sự lựa chọn để xử

lí chất thải cho tới ngày nay Trong khi đó các hệ hống lên men kị khí kiểu nhỏ mọc

lên rất nhiều tại các nước chậm phát triển hơn như Trung Quốc, Ấn độ chủ yếu tạonguồn năng lượng phụ.

Rồi hai cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973 và năm 1979 đã phát độngmối quan tâm mới tới kỹ thuật phân hủy kị khí đơn giản thu Metan làm nămglượng.Tuy nhiên, những hiểu biết về quá trình còn hạn chế đã dẫn tới sự thát bại của

50 % hầm ủ ở Ấn độ, Trung Quốc và 80 % hầm ủ ở Mỹ và Châu Âu.Tuy nhiên đólại là động lực thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn về quá trình cùng với thời gian, kỹthuật phân hủy kị khí không chỉ được áp dụng để xử lí chất thải nông nghiệp haychăn nuôi mà thậm chí để xử lí chất thải đô thị hay công nghiệp ( chế biến hóa chất,sản xuất thực phẩm các loại …)

Gần đây kĩ thuật phân hủy kị khí càng được lựa chọn nhiều hơn dưói áp lựccủa giá dầu mỏ cao và những qui định ngày càng chặt chẽ về môi trường để kiểmsoát khắt khe về mùi và khối lượng của phần chất hữu cơ chôn lấp Đức và ĐanMạch đã tăng sản lượng khí sinh học sản xuất gấp đôi váo năm 2000 và gấp ba vàonăm 2005

Ở Việt Nam, sản xuất khí sinh học đã được giới thiệu và áp dụng từ hơn 20năm qua để thắp sáng do thiếu điện ở một số khu vực nông thôn.Một loạt các hầm ủsinh học vật liệu xi măng với thiết kế khác nhau đã được đưa vào thử nghiệm ở cácvùng nông thôn dưới sự tài trợ của chính phủ Việt Nam và Quốc Tế, từ các hầm ưkiểu Ấn độ và Trung Quốc Tuy nhiên, vì hầm ủ xi măng có giá cao, khó lắp đặt vàsửa chữa nên thực tế còn ít được áp dụng.Sự ra đời bằng túi ủ PE sau đó đã giảmđược đáng kể 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 ViệtNam và đa phần do nông dân tự trang trải chi phí.túi ủ với giá thành rẽ còn bộc lộnhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì Tuy nhiên, những nghiên cứu về quátrình đối với rác thải nông thôn Việt Nam ( với một số đặc trưng riêng ) để làm căn

cứ khoa học và ứng dụng còn rất hạn chế

III.2 HÓA SINH CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ CHẤT THẢI HỮU CƠ BÃ KHOAI MÌ

Quá trình phân hủy kị khí nói chung gồm môt chuỗi các giai đoạn sinh họcphức tạp nhưng được liên kết đồng bộ và chặt chẽ với nhau đễ biến đổi hợp chấthữu cơ ban đầu thành khí sinh học một yếu tố bất lợi đối với bất kì một giai đoạnnào đều có thể gây ra sự cố và kìm hãm cả quá trình

Phản ứng tổng quát của quá trình có thể được viết :

Hợp chất hữu cơ + H2O sinh khối + CH4 + CO2 + NH3

III.2.1 Giai đọan thủy phân

Trong bước này các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chấtđơn giản hơn (để có thể thâm nhập được vào tế bào vi khuẩn ) với sự tham gia củacác enzyme ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân (cũng là vi khuẩn lên men ).Protein bị phân hủy thành axit amin nhờ Proteaza, Hydratcacbon chuyển thànhđường đơn nhờ cellulaza, và lipit, nhờ lipaza, được chuyển thành các axit béo mạchdài tương ứng và glycerin

Tốc độ thủy phân chất hữu cơ trong chất thải rắn xảy ra chậm hơn trongnước thải.Nhìn chung, kích thước và cấu trúc hình học của hạt cơ chất cho diện tíchtiếp xúc giữa cơ chất và vi sinh càng nhỏ thì nồng độ vi sinh tham gia cơ chất càngthấp và tốc độ thủy phân càng chậm Nhiệt độ thấp hay PH thấp cũng làm giảm tôc

độ thủy phân Đối với chất thải rắn thì trong tổng số 4 giai đoạn của cả quá trình,thủy phân trở thành giai đoạn giới hạn tốc độ ( tốc độ chậm nhất )

III.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 bắt đầu bằng sự vận

chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi vào tếbào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển ở đó các axitamin, đường đơn

và axit béo mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn ( axitpropionic, axit valeric, axit acetic),rượu(ethanol ), kenton, một ít hydro và khícacbonic…giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men

Do đó quá trình phân giải kị khí có đặc điểm khác với quá trình phân giảichất khác (đường, tinh bột …) ở giai đoạn tốc độ axit hóa chậm hơn

Trong các nghiên cứu liên quan thời gian diễn ra pha lag đều tỉ lệ thuận gầntuyến tính với nồng độ axit ban đầu.Sự ức chế không thể khắc phục bằng cách phaloãng để giảm nồng độ chất nền

Ngoài sự ức chế từ các axit, sản phẩm của giai đoạn này là axit bay hơi, mộtmặt vừa là chất nền cho các vi khuẩn acetat hóa ở giai đoạn sau, mặt khác lại gây ứcchế lên các vi khuẩn sinh metan và ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình Độc tính thểhiện rõ nhất đối với propionic và butyric ở những nồng độ cao và ảnh hưởng cànglớn khi pH càng thấp Điều này được lý giải bởi sự ức chế gây ra chủ yếu do phầnaxit không phân ly ( pH càng thấp thì lượng không phân ly càng thấp ) Khi pH bênngoài màng tế bào quá thấp sẽ dẫn đến sự chênh lệch lớn gữa pH trong và ngòaimàng tế bào, khiến bơm proton bị ức chế và ngưng trệ quá trình trao đổi chất quamàng tế bào

III.2.3 Giai đoạn acetat hóa

Các vi sinh vật tạo metan vẫn không thể sử dụng trực tiếp các sản phẩm củagiai đoạn axit hóa ( axit hữu cơ, rượu, keton…) ngoại trừ axit acetic, do vậy cácchất này cần được phân giải tiếp thành những phân tử đơn giãn hơn nữa.Sản phẩmphân giải là acetic axit, khí hydro, cacbonic được tạo ra bởi vi khuẩn acetat hóa :

CH3CH2OH ( ethanol ) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2

CH3CH2COO- ( propionic ) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2CH3(CH2)2COO- (butyric ) + 2H2O →2CH3COO- + H- + 2H2

Đối với chất nền do sự phân hủy axit mạch dài cho sản phẩm là axit acetic

mà không phải là các axit mạch cao hơn nên giai đoạn acetat hóa cũng chính là giaiđoạn axit hóa

Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro màkhí này ngay lập tức được vi sinh vật sinh metan ở giai đoạn sau sử dụng như làchất nền cùng với cacbonic Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụthuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kị khí Nếu vì lí donào đó mà sự tiêu thụ hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêngphần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó ( bởi vi khuẩn acetat hóa ) sẽ giảm mạnh

Ngoài ra, axit tích tụ làm pH môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợpmetan từ hydro và acetat.Cứ thế, yếu 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 đ ộng mang tính dâychuyền và quá trình phân hủy hoàn toàn “thất bại”

Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh hydro ( vi khuẩn acetat hóa) với visinh vật tiêu thụ hydro ( chính là vi sinh vật tạo metan ) là vô cùng quan trọng nhằmduy trì áp suất Hydrỏơ mức thấp từ 10-4 atm đến 10-6 atm để đảm bảo quá trình tạometan tiến triển bình thường điều này cũng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết vềnhiệt động học của các phản ứng trong giai đoạn này vì phản ứng sinh axit acetic từpropionic, butyric hay ethanol ( phản ứng thu nhiệt ) chỉ có thể xảy ra đồng thời vớicác phản ứng sinh metan trong giai đoạn sinh metan hóa ( phản ứng tỏa nhiệt ) ]

Trong khi acetat ( sản phẩm giai đoạn acetat hóa ) là cơ chất mà vi khuẩnsinh metan sử dụng trực tip61 thì chính sự tích tụ của nó cũng sẽ gây ức chế sự phângiải của các axit bay hơi khác, ví dụ 15 mmol axit acetic ức chế phân giải axitpropionic và 100 mmolaxit acetic ức chế phân giải axit butyric và do đó làm chậmtốc độ acetat hóa Bản thân axit acetic ở nồng độ quá cao ( 6000 mg/l ) cũng khiến

pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải axit béo bay hơi Nói chung, pH và nhiệt độtối ưu giai đoạn này là 6.8 – 7.8 và 35 – 420C

Ngoài ra, một con đường acetat hóa khác có thể xảy ra bởi sự tham gia củanhóm vi khuẩn homoacetogen từ Hydro và cacbonic ( tự dưỡng ) hay từ các chấthữu cơ (dị 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 homoacetoge, nênlượng axit acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể.

III.2.4 Giai đoạn tạo metan

Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kị khí tạo ra sản phẩmmong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng tổ hợp các conđường sau Mỗi con đường ứng với mỗi nhóm cơ chất sử dụng và nhóm vi sinh vậtsinh metan khác nhau ( trong tổng thể các cơ thể sinh metan )

Con đường 1 : CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O

Loại vi sinh vật HydrogenotrophicMethanogen sử dụng cơ chất là Hydro vàcacbonic Dưới 30% lượng metan được sinh ra bằng con đường này

Con đường 2 : CH3COOH→CO2 + CH4

4CO + 2H2O→ CH4 + 3CO2

Loại vi sinh vật Acetotrophic Methanogen chuyển hóa acetat thành metan vàcacbonic Khoảng 70 % lượng metan sinh ra là qua con đường này Tuy nhiên, nănglượng giải phóng từ phản ứng này tương đối nhỏ.Cacbonic giải phóng ra lại đượckhử thành metan bằng con đường 1.Chỉ có một số loài vi sinh vật sinh metan sửdụng được cơ chất là cacbon monoxit

Con đường 3 : CH3OH + H2 →CH4 + H2O

Trong các nghiên cứu gần đây cho thấy giả thiết trên được coi là không cònmang tính đại diện khi một loạt các yếu tố ảnh hưởng khác được tính đến làm tiền

đề cho mô hình nghiên cứu đầy đủ hơn, cặn kẽ hơn, phức tạp hơn rất nhiều cùng với

sự trợ giúp đắc lực củ máy tính điện tử bao gồm nồng độ chất nền, sư ức chế bởicác sản phẩm trung gian và cân bằng ion của chúng, sự tương tác giữa các nhóm vikhuẩn khác nhaucủa mỗi giai đoạn, cấu trúc bể phân hủy ( kích thước hình học, kếtcấu 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 chuyểnkhí sinh học từ trong lòng hỗn hợp phân hủy ra ngoài )

Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của những chấtkhác nhau ( bao gồm cả chất béo, hydrat cacbon và protein ) càng đòi hỏi các nghiêncứu chi tiết hơn và mô phỏng chính xác hơn quá trình xảy ra để từ đó dự đoán được

xu hướng và diễn biến của quá trình

Tóm lại, phân tích khá chi tiết các khía cạnh quan trọng và mới liên quanchặt chẽ lẫn nhau của từng giai đoạn ở trên cho thấy để cả quá trình phân giải kị khí

có thể diễn tiến tuận lợi như mong muốn, cần duy trì môt cân bằng giữa tốc độ sinhthành axit ( bởi giai đoạn thủy phân, axit hóa và acetat hóa) với tốc độ tiêu thụ axit (bởi giai đoạn tạo metan )

Sự sản xuất quá mức các axit dẫn đến sự tích tụ của các sản phẩm lên menđến ngưỡng gây ức chế và tiến tới chấm dứt quá trình Bốn giai đoạn được phânchia như trên thật sự chỉ mang tính quy ước mà thôi, thực tế trong bể phân hủy kịkhí các giai đoạn xảy ra cùng một lúcvà đồng bộ với nhau để đạt đến sự cân bằng vàhiệu quả mong muốn

III.3 VI SINH VẬT HỌC CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ CHẤT THẢI HỮU CƠ BÃ KHOAI MÌ

Công tác nghiên cứu vi sinh vật của quá trình phân hủy kị khí nhìn chunggặp phải nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng vi sinh chậm và nhiều loài thậm chíkhông sinh trưởng trong môi trường thuần khiết mà chỉ tồn tại trong điều kiện cộngsinh 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 khuẩn khácnhau, mỗi nhóm gồm nhiều loài khác nhau Ngoài ra, bản chất của chất nền cùngvới điều kiện tiến hành phân hủy kị khí như nhiệt độ, pH, tốc độ nạp chất nền, thờigian lưu…có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần và số lượng loàicủa khu hệ 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 gắnliền với quá trình phân hủy kị khí

Một số loại nấm và protozoa cũng đóng góp vào quá trình, nhưng vai tròphân hủy chất hữu cơ kị khí chủ yếu thuộc về các vi sinh vật nhân nguyên thủy( procaryotes ) bao gồm vi khuẩn ( Bacteria ) và vi sinh vật cổ (Archaea)

III.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 yếu là các vi khuẩn kị khí bắt buộc xen lẫn các vi khuẩn kị khí tùy tiện Vikhuẩn thủy phân thường có hình que, nhuộm gram dương hoặc gram âm Bản chấtcủa chất nền rất quyết định đến chủng loại các vi khuẩn này Đối với các chất nền

dễ phân hủy như hydratcacbon thí các loài streptococus bovis, Bacteriodesamylophilus, Selenomonas ruminatium, Succinomonas amylolytica chiếm ưu thế

III.3.2 Giai đoạn axit hóa

Khi sự axit hóa các hợp chất hữu cơ không phải là dầu mỡ ( hydratcacbon,protein ) thì vi khuẩn axit hóa đồng nghĩa với vi khuẩn lên men Các vi khuẩn lênmen cũng chính là các vi khuẩn thủy phân ( đã đề cập trong mục 2.3.1 )

III.3.3 Giai đoạn acetat hóa

Như đã đề cập trong mục 2.2.4, vi khuẩn tham gia quá trình acetat hóa sinhtrưởng cộng sinh với vi sinh vật tạo metan Áp suất khí hydro nếu tăng lên đến giớihạn 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 màsản phẩm do chúng tạo ra – hydro - phải luôn luôn được tiêu thụ

Chính vì thế việc sống cộng sinh với vi sinh vật sinh metan ( là vi sinh vậttiêu thụ hydro ) là thực sự quan trọng Tốc độ sinh sản của vi khuẩn này tương đốichậm với thời gian thế hệ thường từ 3 đến 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 Cũng như vi sinh vật sinh metan, chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độmôi trường

Các giống vi sinh vật acetat hóa quan trọng gồm Syntrophus,Syntrophobacter, Syntrophomonas Được nghiên cứu nhiều có Syntrophobacterwolinii là loài vi khuẩn phân giải propionic và Syntrophomonas wolfei là loài vikhuẩn phân giải butyric

III.3.4 Giai đoạn sinh Metan

Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh metan khôngthuộc giới vi khuẩn ( bacteria ) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộcgiới vi sinh vật cổ ( Archae ) do có cấu tạo thành và màng tế bào khác biệt Chúng

đã xuất hiện từ rất lâu, được phân thành nhánh riêng trong cây phân loại nên đượcnghiên cứu khá kỹ lưỡng.

Chuỗi phân giải kị khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này.Chúng có nhiều hình dạng khác nhau ( que, cầu, đĩa dẹt, kết thành đám…) và cóloài chuyển động được, có loài không Các giống khác nhau có thành tế bào thuộc

cả hai nhóm gram âm ( methanococus ) và gram dương ( methanobacterium )

Đặc điểm chung của các cơ thể này là chịu được nhiệt độ khá cao ( 60 –80oC, tùy loài ), sinh trưởng và phát triển trong môi trường có thế thử thấp ( < -300mV), rất mẫn cảm với sự biến động của môi trường như oxy, nhiệt độ, pH…nhưng ít nhạy cảm với các chất kháng sinh như penicilin Coenzyme của vi sinh vậtsinh metan rất đặc biệt : coenzyme M, coenzyme F430 và F 420 ( khiến chúng cókhà năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiệnchúng dưới kính hiển vi trong điều kiện này )

Thời gian thế hệ của chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 55oC đến 3 ngày ở35oC và tới 50 ngày ở 10oC

Các chất có thể dùng để cung cấp nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinhvật sinh metan khá đơn giản Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetathóa Tuy 70 % lượng khí metan được sinh ra từ sự oxy hóa acetat, chỉ có một số loài

vi sinh vật cổ có khả năng phân giải acetat, trong đó các giống quan trọng làMethanosaeta, Methanosarcina, Methannococus Trong khi đó rất nhiều loài sinhmetan có khả năng tạo metan từ hydro và cacbonic, trừ một nhóm chỉ phân giảiacetic và một nhóm chỉ phân giải hợp chất chứa metyl Hai loài Methanosarcinabarkeri và Methanococus mazei là thường gặp nhất vì chúng có khả năng sử dụngbất cứ cơ chất nào

Ngày nay đã biết đến khoảng 83 loài vi sinh vật sinh metan, đều thuộc loại kịkhí bắt buộc Dụa vào sự khác nhau về khả năng sử dụngcơ chất để xếp loại chúngthành 3 nhóm lớn là a) 61 loài sử dụng CO2 và H2 tạo CH4 ; b ) 20 loài sử dụnghợp vchất chứa metyl ( 13 loài bắt buộc ) và c) 9 loài sử dụng acetat tạo ra CH4 ( 2loài bắt buộc ) khoảng 23 % số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt ( thermophillic )

Cần phải nhấn mạnh rằng điều kiện vận hành phân hủy kị khí ( pH, nhiệt

độ, tính chất của chất nền, thời gian lưu cơ chất trong hệ thống…) sẽ quyết định loài