quá trình sinh học xử lí chất thải rắn

Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng vi sinh vật Tại các thành phố đông dân khi mức đô thị hoá tăng cao và mứcsống ngày càng nâng cao thì lợng rác thải sinh hoạt ngày càng tăng do vậy v

Chơng 6 Các quá trình sinh học để xử lý chất thải rắn

Hiện nay trên thế giới chủ yếu áp dụng 3 công nghệ sau để xử lý chấtthải rắn đô thị:

1 Công nghệ xử lý rác thành phân hữu cơ, thành khí CH4 để chạymáy phát điện

2 Công nghệ thiêu đốt chất thải

3 Chôn lấp

Việc lựa chàn phơng pháp xử lý tuỳ thuộc vào thành phần rác thải,mức độ kinh tế của từng nớc

6.1 Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng vi sinh vật

Tại các thành phố đông dân khi mức đô thị hoá tăng cao và mứcsống ngày càng nâng cao thì lợng rác thải sinh hoạt ngày càng tăng

do vậy việc tìm các bãi đổ rác mới ngày càng trở nên khó, chi phívận chuyển tăng nên việc tìm phơng pháp xử lý hợp vệ sinh lại giảm

đợc lợng chất thải cần chôn lấp là rất cần thiết

Việt nam là một nớc nông nghiệp với 80% dân số sống bằng nghềnông, công nghiệp cha phát triển do đó rác sinh hoạt của các đô thịViệt nam có chứa nhiều thành phần hữu cơ dễ phân huỷ bằng visinh vì vậy phơng pháp xử lý chất thải bằng làm phân hữu cơ( compost) hoặc tạo khí biogas (CH4,…) rất thích hợp

Bảng 6 1 Thành phần rác thải sinh hoạt ở một số đô thị Việt nam

Làm phân hữu cơ là quá trinh sinh học trong đó vi sinh vật hiếu khíhoạt động chuyển hoá rác thải hữu cơ thành chất mùn có độ dinh d-ỡng cao có thể dùng để cải tạo đất và làm phân bón cho cây trồng.

Ưu điểm của xử lý rác thành phân hữu cơ là

- Rác đợc tái chế thành phân hữu cơ cung cấp cho nông nghiệp

- Thay thế một phần việc sử dụng phân hoá học và không gây tổnhại cho cây trồng

- Cải tạo đồng ruộng về mặt vật lý ( giữ nớc, không khí và phân bón)

- Sử dụng dễ dàng và an toàn

- Giảm đợc lợng chất thải cần chôn lấp

Các vấn đề tồn tại

Tuy nhiên phơng pháp này còn vấn đề tồn tại sau:

- Gập nhiều khó khăn trong tiếp thị sản phẩm

- Chất lợng sản phẩm còn cha ổn định

- Diện tích đất để xây dựng nhà xởng khá lớn

Làm phân hữu cơ đợc áp dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới đặcbiệt là các nớc đang phát triển

Ví dụ

- Tại Trung Quốc :

Nguyên liệu làm phân hữu cơ đợc lấy từ phế thải của ngời, độngvật, thực vật, rác thải đô thị Các thành phần hữu cơ trong rác thảihàng ngày ở thành phố Thợng Hải khoảng 2500 tấn/ngày, lợng rác này

đợc thu gom và chuyển thành phân ủ tại các nhà máy có công nghệ

đơn giản

- ở Việt nam đã có 2 nhà máy làm phân hữu cơ năng suất 30 000

m3/năm đợc xây dựng ở Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh, các nhàmáy này đang vận hành thử nghiệm và mới chi giải quyết đợc 5% rácthải của 2 thành phố trên Hiện nay nhà máy phân hữu cơ ở Cỗu Diễn

đã mở rộng gấp đôi, dùng công nghệ của Tây Ban Nha Một loạt cácnhà máy làm phân hữu cơ để xử lý rác thải đã đợc xây dựng ở Nam

Định, Huế, Hạ Long, Hải Phòng, Gia Rai,…

Qua trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí

để tạo khí CH4 thờng xảy ra trong các hầm biogas để xử lý phân rác

động vật trong chăn nuôi, phân ngời trong các bể phos, phân huỷrác ở các bãi chôn lấp Khí sinh học thu đợc dùng để làm chất đốt sinhhoạt, đốt thu hồi nhiệt để sản xuất hơi hoặc phát địên

6.2 Cơ sở lý thuyết của Quá trình phân huỷ vi sinh

Quá trình phân huỷ chất hữu cơ bằng vi sinh vật nhằm để ổn

định chất thải, thu sản phẩm có lợi phân hữu cơ ( phân huỷ hiếukhí) hoặc thu khí CH4 ( phân huỷ yếm khí)

6.2.1 Các vi sinh vật tham gia phân huỷ chất hữu cơ

Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau: vi khuẩn, nấmmen, nấm mốc, xạ khuẩn Chúng có khả năng chuyển hoá các chấthữu cơ, vô cơ một phần tạo thành tế bào mới tạo ra sinh khối (bùn sinhhọc) và một phần phản ứng sinh ra năng lợng Q để cấp cho quá trình

và tạo ra khí (CO2, H2O) trong điều kiện hiếu khí hoặc (CH4, CO2,

H2S, NH3) trong điều kiện yếm khí

Về hình dạng vi khuẩn đợc chia thành 3 nhóm:

Cầu khuẩn: đờng kính 0,5  1,0 m;

Trực khuẩn chiều rộng 0,5  1 m, dài 1,5  3 m;

Xoắn khuẩn rộng 0,5  5 m, dài 6  15 m

Công thức hoá học hình thức của vi khuẩn là C5H7NO2 hoặc đầy đủhơn là C60H87O23N12P [ 1 ]

Phần phân huỷ sinh học của chất hữu cơ phụ thuộc vào hàm lợnglignin của chúng:

f ph = 0,83 - 0,028 Clignin

ở đây Clignin - phần % lignin trong volatile của chất thải hữu cơ

Ví dụ giấy báo có hàm lợng lignin là 21,9% volatile do vậy phần phânhuỷ sinh học của nó là 22%, trong khi chất thải thực phẩm có hàm lợnglignin là 0,4% volatile nên phần phân huỷ sinh học của nó là 82%.Chất dẻo khó bị phân huỷ bằng sinh học

Các chất hữu cơ phân huỷ nhanh: Chất thải thực phẩm, giấy các loại (giấy báo, giấy cơ quan, giấy cát tôn)

Các chất hữu cơ phân huỷ chậm: vải, cao su, da, gỗ

6.2.2 Phân huỷ hiếu khí chất hữu cơ

Lignin

Tro

+ O2 + dd + vsv -> phân compost + TB mới

Chủ yếucellulose, lignin,tro, TB chết+ CO2 + H2O + NO3- + SO4-2

+ Q

kl Èm

§é Èm,

% kl

% kl kh«

Thµnh phÇn nguyªn tè, % kl

kh«

CT thùc phÈm 70,0 48,0 6,4 37,6 2,6 0,4 5,0GiÊy hçn t¹p 10,2 43,5 6,0 44,0 0,3 0,2 6,0

Gç hçn t¹p 20,0 49,5 6,0 42,7 0,2 0,1 1,5ChÊt th¶i vên 60,0 46,0 6,0 38,0 3,4 0,3 6,3Plastic hçn t¹p 0.2 60,0 7,2 22,8 - - 10,0

6.2.3 Phơng trình phân giải các chất hữu cơ chủ yếu

Các chất hữu cơ chủ yếu có thể bị phân giải nhờ vi khuẩn, naamsmen, nấm môc, xạ khuẩn theo sơ đồ sau:

Các phơng trình hình thức phân giải các cơ chất nh sau:

 Phân giải Cellulose:

Cellulose là một Polysaccarit có nhiều trong gỗ, giấy, vải, thực vật Cellulose đợc cấu tạo bởi -D-glucoza

Các loài vi sinh vật có khả năng phân giải Cellulose nh: Vi khuẩn

(Baccilus, Cellulomonas, Pseudomonas, …), Xạ khuẩn (Actinomyces, Streptomyces,…), nấm mốc (Aspergillus, Penicilium, Rhizopus, Mucor,

Axitamin Axit béo Glyxerin Hexoza

Triozophosp hat

A Piruvic Axetylcoenzi

m A

CT Krebs

NAD.H 2 , NADP.H 2 , FAD.H

2

CO 2 Etanol Lactat

ATP

Hình 6.1 H ớng chuyển hóa cơ chất nhờ chuỗi hô

hấp

O 2 Hô Lên men hấp

ATP

 Phân giải Hemicellulose:

Hemicellulose là một thành phần phổ biến trong thực vật, đợc cấu tạo

từ các phân đờng Pentoza và tồn tại trong tự nhiên chủ yếu ở dạng Xylan

Các loài vi sinh vật có khả năng phân giải Hemicellulose nh: Vi khuẩn (Baccilus, Pseudomonas, …), nấm (Aspergillus, Rhizopus,…) Cơ chế phân giải nh sau:

Các vi sinh vật phân huỷ lignin: Vi khuẩn (Baccilus, Pseudomonas,

…), nấm mục trắng hay nấm mục nâu (Spoỏtichium, Mescheria,…)

 Phân giải Protein

Protein là thành phần quan trọng của cấu trúc động thực vật

Các vi sinh vật phân huỷ Protein: Vi khuẩn (Baccilus, Pseudomonas, Mycoidé, Fluorecent, E Coli …), Xạ khuẩn nh (Streptomyces,

Griseus…), nấm (Aspergillus, Penicilium, Rhizopus, Mucor,

camemberti…)

Cơ chế phân giải:

Proteaza Peptidaza Khử amin

Protein - > Polipeptit - > Axitamin - > Axit hữu cơ + Rợu hữu cơ + NH3 - > CO2 +

H2O

 Phân giải Lipit

Lipit cũng là một thành phần quan trọng của động thực vật

Các vi sinh vật phân huỷ Lipit: Vi khuẩn (Bacterium, Pseudomonas, Pyocya,…), nấm (Aspergillus, Penicilium, …)

Cơ chế phân giải:

Lipit - > Glycerin - > CH3CO-COOH > Crép >

 Quá trình nitrat hoá

Đây là quá trình chuyển hoá NH3 thành NO3 để không thất thoát Nitơ ra môi trờng

 Quá trình Sun phat hoá

Đây là quá trình chuyển H2 S thành dạng SO42- nhờ vậy giảm đợc mùi:

H2S + 2 O2 - > 2H+ + SO42-

6.3 Quá trình làm phân hữu cơ (compost)

Quá trình làm phân hữu cơ (compost) từ các nguyên liệu hữu cơ thực hiẻn theo sơ đồ phàn hủy hiếu khí ờ trên, ở điều kiện độ ẩm, thông khí và đủ các chất đinh dỡng các vi sinh vật sẽ thực hiện

chuyển hoá các chất hữu cơ để giải phóng năng lợng phục vụ cho các quá trình sống đồng thời xây dựng các tế bào mới để sinh sôi và phát triển

6.3.1 Qui luật phát triển của VSV:

Trong môi trờng nuôi cấy VSV phát triển qua các giai đoạn sau:

Giai đoạn thích nghi: Trong giai đoạn này VSV sẽ dần thích nghi với

môi trờng tế bào mới chỉ tăng về kích thớc nhng cha tăng về số lợng

X, X0 là mật độ tế bào ở thời điểm t và t = 0 Tốc độ sinh trởng của

tế bào trong giai đoạn này dX/dt = 0 nên X = X0

Giai đoạn phát triển logarit: Trong giai đoạn này tốc độ sinh trởng

của tế bào

dX/dt =  X

Tốc độ sinh trởng riêng của tế bào phụ thuộc vào điều kiện môi ờng nh pH, T, nồng độ và bàn chất cơ chất, nồng độ các chất kìm hãm,…Để đơn giản hoá tốc độ sinh trởng của VSV thờng đợc biểu diễn bằng phơng trình bậc 1 ( phơng trình Monod)

Giá trị của Ks và max có thể xác định bằng thực nghiệm:

Giai đoạn ổn định: số tế bào mới đợc hình thành bằng số tế bào bị chết

Giai đoạn chết: Các tế bào bị chết chiếm u thế

Giai đoạn nội sịnh: Các tế bào chết đợc dùng làm cơ chất cho vi sinh vật

Trên hình vẽ cho thấy sự suy giảm của nồng độ cơ chất tơng ứng với

sự phát triển của biomass và lờng cơ chất đợc xử lý theo thời gian trong thiết bị hoạt động gián đoạn

6.3.2 Các yếu tố ảnh hởng tới chất lợng và hiệu suất quá trình làm phân hữu cơ

6.3.2.1 Nguyên liệu làm phân hữu cơ

Các rau quả thừa, chất thải thực phẩm, giấy, gỗ, rơm, rạ, lá cây, cỏ

đều có thể dùng làm nguyên liệu làm phân hữu cơ vì chúng có

chứa các thành phầnProtein, Axitamin, Lipit, Xenluloza, Hemixenluloza, có thể phân huỷ nhờ vi sinh vật

Thời gian 

Lg (số tế

bào/m 3 )

Hình 6.2 Sự phát

triển của VSV trong

thiết bị gián đoạn

L ợng CHC

đ ợc xử lý

Bioma ss

CHC còn lại S

Thời gian 

Hình 6.3 Sự phân huỷ chất hữu cơ và phát triển biomass

Bảng 6 2 Thành phần hoá học của một số loại rau quả

3,22,30,61,81,02,01,52,82,5

vết -

-2,52,52,95,41,521,03,76,34,9

1,31,80,51,01,01,21,21,20,8

6.3.2.2 Phân loại

Tách ra các thành phần không bị vi sinh vật phân huỷ: gạch, đất,

đá, thuỷ tinh, sắt , thép, nilon, tách các vật thải kích thớc lớn, tách chất thải nguy hiểm làm tăng chất lợng nguyên liệu đầu vào làm phân hữu cơ

6.3.2.3 Nghiền rác

Làm giảm kích thớc rác, tăng diện tích tiếp xúc với không khí và vi sinh vật đồng thời nghiền rác cũng làm lỏng lẻo cấu trúc tinh thể của xenlulose giúp vi sinh vật hoạt động hiệu quả hơn, nghiền rác tới khoảng < 5 cm là thích hợp cho quá trình làm phân hữu cơ

6.3.2.4 Phối trộn

Tùy thuộc vào thành phần rác sinh hoạt mà tỷ lệ ban đầu của C:N có

thể từ 35 – 60 Trộn rác với ẩm và bổ xung N, P cấy vi sinh vật đạt tỷ

lệ C: N = 20: 1 - > 30 : 1

Các vi sinh vật cần C và N để tổng hợp nên tế bào của mình

Khi phân tích tế bào có 80% là nớc và 20% chất khô Trong chất khô gồm 90% là chất hữu cơ (C5H7NO2), 10% chất vô cơ

P2O5 Na2O CaO MgO K2O Fe2O3

ngoài ra còn các nguyên tố vi lợng Co, Ni, Cu

Công thức thực nghiệm của phần hữu cơ của tế bào vi sinh vật là

C60H87O23N12P cho phép tính lợng N, P theo lý thuyết cần cho việc xâydựng tế bào Tuy nhiên trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ ngoài việc xây dựng tế bào các vi sinh vật còn khoáng hoá các chất hữu cơ thành CO2 và H2O để tạo năng lợng cấp cho quá trình sinh hoá

Tỷ lệ C:N > 50 sẽ làm chậm quá trình và chất lợng sản phẩm kém,

ng-ợc lại C:N nhỏ < 20 thì N sẽ mất đi dới dạng NH3 Khi C:N cao có thể

điều chỉnh bằng trộn thêm phân xí máy hoặc nớc thải của bùn cống.Các nguyên tố đa lợng P, Ca, Na, Mg, K, Fe và vi lợng nh Co, Ni, Cu th-ờng có sẵn trong rác thải song nếu thiếu cũng cần bổ xung

Bảng 6.3 Tỉ lệ giữa C/N của một số vật liệu (khô)

Vật liệu % N Tỉ lệ

C/N Vật liệu % N Tỉ lệ C/NChất thải thực

Phân lơn 3,75 20,0 Giấy

Phân gia cầm 6,3 15,0 Giấy hỗn hợp 0,13 173 Phân cừu 3,75 22,0 Giấy báo 0,05 98,3

6.3.2.5 Các vi sinh vật tham gia phân huỷ các chất hữu cơ

Tập đoàn các vi sinh vật tham gia phân huỷ các chất hữu cơ: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn

Vi khuẩn phân bố khắp nơi, cấu trúc đơn bào có nhiều dạng

Nấm men có cấu tạo đơn bào dùng nhiều trong công nghiệp lên men

nh lên men đờng -> rợu

Xạ khuẩn có tính chất trung gian giữa vi khuẩn và nấm men

Các vi khuẩn , nấm men, nấm mốc tham gia phân huỷ hiếu khí chất hữu cơ nh sau

6.2.3.6 Độ ẩm 50-60% cần để phát triển tế bào của VSV nh đã

phân tích ở trên Ngoài ra ẩm còn là môi trờng để vận chuyển thức

ăn tới vi sinh vật

6.2.3.7 PH

Các enzime hoạt động phụ thuộc nhiều vào PH PH thích hợp cho vi khuẩn phát triển là 68 còn cho nấm men, nấm mốc là 56 Ngoài giá trị trên ( PH < 4 hoặ PH> 9) VSV sẽ kém phát triển hoặc chết

Hoạt động của vi sinh vật có thể làm thay đổi PH của đống ủ

nh PH ban đầu của nguyên liệu có thể làm phân ủ đợc khoảng 5-7, thờng là 6, sau 2-4 ngày PH bắt đầu giảm đến 4,5-5 do a xít hữu cơsinh ra, sau đó khi nhiệt độ tăng cao PH sẽ tăng theo xu hớng hơi kiềm 7,5-8,5 PH của đống ủ phân hữu cơ sẽ giảm nhẹ trong giai

đoạn nguội và khi chín thờng đạt giá trị PH = 7 – 8

Trong trờng hợp PH thay đổi ngời cần đa dung dich đệm vào để tạo môi trờng PH ổn định hơn

ảnh hởng của nhiệt độ lên tốc độ phát triển tế bào vi sinh vật có thể biểu diễn theo phơng trình sau:

rT

- = θ ( T – 20)

r

ở đây rT, r20 là tốc độ phát triển của vi sinh vật ở T và 20 OC

θ là hệ số ảnh hởng của nhiệt độ, θ = 1 – 1,14

Bảng 6.4 Nhiệt độ thích hợp của một số loại VSV

Vi sinh vật Lớp nhiệt độ Khoảng nhiệt độ, O C Nhiệt độ

tối u khi cô lập Tối thiểu Tối u Tối đa

75 60 65

Xạ khuẩn Thermotolera

nt Thermophilic

< 20

 20 35 40  45 40

≤ 50

 50 40/45/5540H,J Rehm and G Rêd, A Puhler and P Stadler Biotechnology: Volum 11c: Env

Processes III Wi40ley-Vch, 2000

Ngoài ra nhiệt độ còn là yếu tố để tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh.

Bảng 6.5 Nhiệt độ và thời gian cần thiết để tiêu diệt các vi

khuẩn gây bệnh

Vi khuẩn gây bệnh Nhiệt độ và thời gian cần thiết để tiêu

diệt vi khuẩn gây bệnh Samonella typnosa Không phát triển ở > 48 OC Chết trong 30

phut ở 55  60OC, trong 20 phút ở 60OC Bịtiêu diệt trong thời gian ngắn trong môi trờng làm phân

Samonella sp (Vk làm cho

thức ăn bị độc) Chết trong 1 giờ ở 55

OC và trong 15  20 phut ở 60OC

Shigella sp Chết trong 1 giờ ở 55OC

Escherichia coli Đa số chết trong 1 giờ ở 55OC và trong 15

 20 phut ở 60OCEntamoeba histilytica

cysts Chết trong vài phút ở 45

OC và trong vài giây ở 55OC

Taenia saginata Chết trong vài phút ở 55OC

Trichinella spiralis larvae Nhanh chóng bị tiêu diệt ở 55OC và chết

ngay ở 60OCBrucella abortus or Br

Suis Chết trong 3 phút ở 62  63OC và trong 1

giơ ở 55OC

Micrococcus pyogenes

var aureus Chết trong 10 phút ở 50

OC Streptococcus pyogenes Chết trong 10 phút ở 54OC

Mycobacterium

tubercunosis var hominis Chết trong 15  20 phut ở 66OC và chỉ

một lát ở 67OCCirinebacterium

diphtheriae Chết trong 45 phút ở 55

OC Necator americanus Chết trong 50 phút ở 45OC

Ascaris lumbricoides eggs Chết trong < 1 giờ ở > 50OC

Bảng 6.6 Yêu cầu của EPA để kiểm soát các vi khuẩn gây bệnh

vi sinh vật gây bệnh Sử dụng trong thùng, trong đống tĩnh sục khí, chất thải rắn đợc duy trì ở  55OC

ít nhất 3 ngày

Sử dụng phơng pháp ủ đống , chất thải rắn đợc duy trì ở  55OC ít nhất 15 ngày Trong giai đoạn nhiệt độ cao có ít

Hình 6.4 Khoảng nhiệt độ và PH thay đổi theo thời

gian trong đống ủ [1]

Khoảng nhiệt độ

Khoảng PH

6.3.4 Thiết bị để làm phân hữu cơ

Chất thải sinh hoạt Phễu tiếp nhận Băng tải Băng tải tuyển lựu thủ công

Kim loại, thuỷ tinh, plastic Chất cháy đ ợc

Sàng quay ( 1 )

Vật liệu lớn

Giấy

Băng tải

Băng tải phân loại

+ Máy tách từ Băng tải phân loại

+ máy tách từ

Kim loại

Phối trộn

Làm phân hữu cơ trong bể ủ có sục khí (21 ngày)

Trộn phụ gia N, P,

K

Hình 6.5 Dây chuyền công nghệ sản xuất phân

hữu cơ của nhà máy Cầu Diễn - Hà nội (Công nghệ

Tây Ban Nha)

Phân hữu cơ

Sản phẩm loại 1, loại 2

- Plastic

- Chất cháy

đ ợc