TỔNG QUAN NGÀNH SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN VÀ CHẤT THẢI GIÀU DẦU MỠ PHÁT SINH TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN
Giới thiệu công nghệ sản xuất mì ăn liền
II.1.1 Công nghệ sản xuất
Mỗi loại mì ăn liền có công thức riêng để kết hợp các thành phần khác nhau, dẫn đến sự đa dạng trong sản phẩm Trên thế giới, có nhiều quy trình sản xuất mì ăn liền khác nhau, với một số loại chỉ được làm chín 80% và một số loại hoàn toàn Mì có thể được chế biến bằng cách luộc hoặc hấp, sau đó được làm khô bằng nhiệt sấy hoặc chiên trong dầu Quy trình chế biến mì ăn liền tại các nhà máy thường tương tự nhau, như được minh họa trong hình 2.1.
Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ tổng quát sản xuất mì ăn liền
NƯỚC SệP ĐÓNG THÙNG ĐÓNG GÓI LÀM NGUỘI
II.1.2 Nguyên vật liệu sản xuất
Nguyên liệu chính để sản xuất mì ăn liền chủ yếu là bột lúa mỳ nhập khẩu từ các quốc gia như Pháp, Ý, Canada, Trung Quốc và Ấn Độ Ngoài ra, các nhà sản xuất còn sử dụng nhiều phụ liệu khác như dầu, shortening, bột ngọt, muối, đường, tôm cua, thịt bò, thịt heo, tiêu, hành, tỏi và ớt Tùy thuộc vào từng loại mì ăn liền, các cơ sở sản xuất có thể pha trộn các thành phần phụ liệu khác nhau, tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng như mì súp cua, mì thịt gà, mì thịt bò, mì tôm và mì chay.
Bao bì đóng gói hiện nay đa dạng với nhiều hình thức như mì kiếng, mì giấy, mì tô, và mì cốc Ngoài ra, thùng chứa thường được làm từ carton hoặc giấy bóng cứng, trong khi bao bì cho các loại gói nêm thường sử dụng bao PE.
II.1.2.3 Nhiên liệu sản xuất
Qui trình sản xuất có các khâu sử dụng nhiên liệu nhƣ sau:
Đốt lò hơi bằng dầu FO để cung cấp nhiệt cho các công đoạn nhúng súp
Đốt dầu FO cung cấp nhiệt cho dầu shortening nóng sôi
Đốt than, củi, dầu DO cho công đoạn nấu súp, sa tế, dầu nêm
Nhiên liệu chính cho nồi hơi và chảo chiên thường là dầu đốt FO, trong khi các thiết bị khác trong quá trình vận hành chủ yếu sử dụng năng lượng điện.
Một số vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình sản xuất mì ăn liền
Trong quy trình sản xuất mì ăn liền, nhiều công đoạn như hấp, nhúng nước súp và sản xuất gói nêm có thể gây ra tác động tiêu cực đến môi trường Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung vào các khâu trong dây chuyền sản xuất liên quan đến ô nhiễm do dầu chiên Các yếu tố khác như khí thải và rác thải không chứa dầu phát sinh trong quá trình sản xuất không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này.
Hình 2.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất mì ăn liền và một số công đoạn phát sinh chất thải chính
Nước thải (BOD, SS, dầu mỡ)
(BOD, SS, dầu mỡ) Đóng gói Để gói nêm Làm nguội
Khói thải (SO x , NO x , Bụi)
Nước thải (BOD, SS, dầu mỡ)
Sản xuất gói Kraft, Kiếng Khói thải (SO x , NO x , Bụi) Đóng thùng
Sơ đồ cho thấy các công đoạn như làm nước súp, nhúng nước súp, chế biến gói nêm và chiên đều tạo ra lượng dầu mỡ Lượng dầu mỡ này được đưa vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy, nhưng do không tan trong nước, chúng thường nổi lên trên bề mặt nước thải.
Tổng quan về chất thải giàu dầu mỡ trong nhà máy sản xuất mì ăn liền Uni
II.3.1 Sơ lƣợc về công ty sản xuất mì ăn liền Uni President
Từ năm 1994 đến 1997, tập đoàn Uni President đã khảo sát nhiều khu công nghiệp tại các vùng kinh tế trọng điểm của Việt Nam và cuối cùng chọn khu công nghiệp Sóng Thần 2, tỉnh Bình Dương, làm điểm đầu tư lý tưởng Lý do cho sự lựa chọn này bao gồm tính an toàn của khu công nghiệp, vị trí gần TP.HCM và các tỉnh Đồng bằng Sông Cửu Long, cùng với sự thuận lợi trong giao thương nhờ gần quốc lộ 1, quốc lộ 13, xa lộ Đại Hàn và đường xe lửa Bắc - Nam Nhờ nỗ lực không ngừng, đến tháng 2 năm 1999, công ty đã được cấp giấy phép đầu tư 100% vốn nước ngoài với thời gian hoạt động 50 năm.
Công ty Uni President, với tổng vốn đầu tư trên 200 triệu USD, là nhà đầu tư nước ngoài lớn nhất tại Việt Nam Khu công nghiệp Sóng Thần 2 đã được chọn làm địa điểm cho các nhà máy chế biến thức ăn gia súc, thủy sản, sản xuất mì ăn liền và bột mì Dây chuyền sản xuất mì gói của công ty được nhập khẩu hoàn chỉnh theo công nghệ Châu Âu, với tổng vốn đầu tư 20 triệu USD và năng lực sản xuất đạt trên 50 triệu thùng mỗi tháng Thị trường xuất khẩu chính của công ty bao gồm Mỹ, Châu Âu, và Đông Nam Á.
II.3.2 Qui trình sản xuất
Qui trình sản xuất mì ăn liền tại công ty Uni President cũng tương tự các nhà máy khác với sơ đồ qui trình đã nêu trên (Hình 2.1.)
II.3.3 Thành phần và tính chất nước thải tại công ty Uni President
Bảng 2.1 Kết quả phân tích nước thải tại công ty Uni President
STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích
(Nguồn: Công ty TNHH Uni President Vietnam, 2007)
Nước thải từ ngành công nghiệp chế biến mì ăn liền có mức độ ô nhiễm cao, vượt qua tiêu chuẩn cho phép Hai đặc trưng chính của ô nhiễm trong nước thải này là nồng độ chất ô nhiễm cao và sự hiện diện của các hợp chất độc hại.
- Ô nhiễm hữu cơ nồng độ cao (BOD, COD)
- Ô nhiễm dầu mỡ nồng độ cao (chủ yếu là các loại dầu thực vật)
Hình 2.3 là dây chuyền công nghệ hệ thống xử lý nước thải mà công ty Uni President đang sử dụng để xử lý nước thải sản xuất
Hình 2.3 Qui trình công nghệ hệ thống xử lý nước thải công ty Uni President
II.3.4 Tình hình thải bỏ bã thải tại công ty Uni President
Tại công ty Uni President, bã thải được thu gom định kỳ mỗi 2 tuần từ bể tiếp nhận và chứa trong thùng phuy khoảng 170kg trước khi chuyển đến bãi chôn lấp rác Bã thải chủ yếu là hỗn hợp dầu thực vật và một lượng nhỏ mỡ từ quá trình chiên mì Ngoài ra, dầu cặn bị oxy hóa cũng được xả bỏ trước khi thay dầu mới, tuy nhiên, thường bị xả trực tiếp xuống hố thu bởi công nhân Hệ thống chiên mì được vệ sinh bằng hơi nước nóng và xà bông mỗi tuần một lần.
Bể tuyển nổi Khí nén
Bể nước sau xử lý
Bùn tổng hợp Phèn nhôm
Bùn ép chở đến bãi rác
Chất thải dầu mỡ vớt định kỳ
Hệ thống xử lý có công suất 200 m3/ngày đêm, đảm bảo xử lý toàn bộ lượng dầu cũ và nước thải phát sinh từ quá trình vệ sinh chảo dầu, tất cả đều được đưa vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy.
Tại bộ phận nấu dầu để làm gói nêm cho mì, dầu được pha trộn với các phụ gia như hành và sa tế Công tác vệ sinh chảo dầu, nồi chứa và máy triết được thực hiện hai lần mỗi ngày, đảm bảo chất lượng vệ sinh Tất cả các phần này đều tiếp xúc với dầu, dẫn đến lượng nước vệ sinh thải bỏ lớn Dầu cũ và nước thải vệ sinh đều được xử lý qua hệ thống xử lý chất thải.
Trong hệ thống xử lý nước thải lẫn dầu mỡ, phần dầu nổi lên trên mặt luôn được tách riêng vì những nguyên nhân sau:
Sự bao phủ của dầu lên các bông bùn hoạt tính trong bể hiếu khí gây cản trở quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, làm giảm khả năng trao đổi oxy của hệ vi sinh vật.
Dầu bao quanh các bông bùn hoạt tính khiến tỉ trọng bông bùn này giảm và khả năng lắng của chúng trong bể lắng kém hơn
Sự dính bám và độ nhớt cao của dầu cũng có thể là nguyên nhân gây hỏng hóc thiết bị trong hệ thống (kẹt bơm, máy sục khí )
Sự tích tụ và lắng đọng của dầu trong các đường ống làm thu hẹp tiết diện đường ống, trở lực đường ống tăng lên
Một số acid béo trong thành phần dầu còn ức chế quá trình phân hủy sinh học
II.3.5 Các tác động môi trường gây ra do hỗn hợp dầu thải của nhà máy
Hỗn hợp dầu thải từ các nhà máy chế biến mì ăn liền chủ yếu là dầu thực vật, đặc biệt là dầu cọ, được chiết xuất từ cùi thịt quả cây cọ (E Guineensis) Dầu cọ được ưa chuộng trong sản xuất mì ăn liền nhờ vào ưu điểm vượt trội như khả năng kháng oxy hóa tốt ở nhiệt độ phòng, giúp sợi mì chiên qua dầu cọ được bảo quản lâu hơn Ngoài ra, giá thành của dầu cọ cũng tương đối thấp, và thành phần hóa học của nó có sự cân bằng giữa các acid béo no, không no một nối đôi và không no nhiều nối đôi, tương tự như thành phần trong mô mỡ của cơ thể người khỏe mạnh.
Trong nghiên cứu về hỗn hợp bã thải chứa dầu, hàm lượng dầu có sự biến động lớn tùy thuộc vào thời điểm vệ sinh chảo dầu chiên Bài viết này sẽ đề cập đến một số tác động môi trường do thành phần dầu trong hỗn hợp bã thải gây ra.
Khi dầu bị thải ra ngoài môi trường một cách không kiểm soát, nó có thể lan truyền và gây hại nghiêm trọng cho các loài thủy sinh và động vật Sự ô nhiễm này ảnh hưởng đến sức khỏe và sự sống còn của nhiều sinh vật dưới nước, dẫn đến những hậu quả tiêu cực cho hệ sinh thái.
Dầu có thể làm rối loạn lông của chim và động vật khác, dẫn đến mất khả năng cách nhiệt và giảm nhiệt độ cơ thể Khi bộ lông bị thấm nước, cơ thể trở nên nặng hơn, khả năng di chuyển giảm sút, khiến chúng dễ bị tổn thương trước nguy cơ đói, chết đuối và bị săn mồi.
Dầu có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của cá, gây tích tụ trên mang cá và cản trở quá trình hô hấp Lớp dầu nổi trên mặt nước làm giảm khả năng hòa tan oxy và quang hợp, dẫn đến nồng độ oxy trong nước giảm, gây thiếu oxy cho các sinh vật thủy sinh Vi sinh vật và tảo bị dầu bao phủ sẽ chìm xuống đáy hồ, tiếp tục đe dọa các sinh vật đáy Hơn nữa, dầu có thể xâm nhập qua lông chim, làm tắc nghẽn lỗ trên bề mặt trứng, giảm khả năng trao đổi không khí và gây hại cho trứng.
Dầu làm tăng giá trị BOD và do đó tiêu thụ nhanh oxy hòa tan trong nước khiến cá chết nhanh chóng
Tiêu thụ thực phẩm chứa nhiều dầu trong thời gian dài có thể dẫn đến béo phì, giảm tuổi thọ và ảnh hưởng xấu đến khả năng sinh sản ở một số loài động vật Điều này cũng làm tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư Đặc biệt, các loài động vật có vỏ cứng như trai và sò bị ức chế phát triển khi tiếp xúc với dầu, ngay cả ở nồng độ thấp.
Dầu có thể phủ lên thức ăn của cá và động vật khác, gây nguy hiểm cho chúng khi tiêu thụ Khi động vật ăn phải thức ăn nhiễm dầu hoặc khi chim rỉa lông có dầu, chúng có thể chết Lớp dầu trên cơ thể làm tăng nhu cầu năng lượng để duy trì nhiệt độ, đặc biệt trong khí hậu lạnh Nếu không đủ thức ăn để đáp ứng nhu cầu, sinh vật sẽ nhanh chóng chết.
Dầu có thể gây mùi ôi khó chịu và khi cá ăn phải sẽ gây ra chứng nhuận tràng cho cá, làm tổn thương ruột cá
Các chất ô nhiễm có thể tồn tại lâu dài trong môi trường khi điều kiện phân hủy không thuận lợi, như pH, nhiệt độ và nồng độ oxy Khi bị oxy hóa hoặc chịu tác động của nhiệt độ cao, chúng có thể tạo ra các chất độc hại ở nồng độ thấp, như monomer mạch vòng, aldehyde và ketone Những chất này có thể gây hại cho tim, hồng cầu và hệ miễn dịch, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất, giảm khả năng sinh sản, cũng như là nguyên nhân gây ung thư và xơ vữa động mạch Ngoài ra, một số thành phần trong dầu có thể gây độc cấp tính cho một số loài, làm tổn thương đến gang, thay đổi cấu trúc hồng cầu, gây rối loạn nhịp tim và thậm chí dẫn đến chết phôi thai.
Nồng độ cao của dầu gây ức chế quá trình lên men và tiêu hóa của động vật nhai lại
Dầu bị oxy hóa và thủy phân trong tự nhiên gây nên mùi khét khó chịu Làm mất mỹ quan ở những nơi xuất hiện
Các phương pháp xử lý bã thải nhiều dầu của nhà máy sản xuất mì ăn liền đang đƣợc áp dụng hiện nay
liền đang đƣợc áp dụng hiện nay
II.4.1 Sử dụng làm nguồn bổ sung vào thực phẩm chăn nuôi
Phương pháp sử dụng dầu trong bã thải làm nguồn cung cấp chất béo cho thức ăn chăn nuôi cần được gia nhiệt và lọc để loại bỏ tạp chất và diệt khuẩn, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm trong quá trình lưu trữ và vận chuyển Tuy nhiên, phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng và chỉ hiệu quả khi dầu thải không chứa nước.
II.4.2 Chôn lấp cùng rác thải
Phương thức này phổ biến ở nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam, nhưng việc không khai thác nguồn năng lượng tiềm tàng từ vật chất là một sự lãng phí lớn Thời gian phân hủy của chúng rất lâu, và nếu tồn trữ lâu trong môi trường, có thể gây ra ô nhiễm nghiêm trọng.
II.4.3 Phân hủy hiếu khí có gia nhiệt
Chất thải nhiều dầu mỡ có thể được phân hủy trong điều kiện có oxy ở nhiệt độ cao (60°C), tạo ra sản phẩm cuối là CO2, H2O và phân bón hữu ích cho nông nghiệp Mặc dù phương pháp này có thời gian phân hủy ngắn, nhưng nó tiêu tốn nhiều năng lượng để duy trì khí thổi liên tục và gia nhiệt, do đó hiện tại chỉ được áp dụng ở mức độ nghiên cứu và thử nghiệm.
II.4.4 Phân hủy kỳ khí
Công nghệ chuyển đổi chất hữu cơ thành khí sinh học (biogas) đã được áp dụng nhiều năm ở các nước phát triển và đang phát triển Khí sinh học này có thể được sử dụng trực tiếp cho việc nấu nướng hoặc chiếu sáng, hoặc làm nhiên liệu đốt cho động cơ Việc này không chỉ tận dụng nguồn chất hữu cơ mà còn biến đổi chúng thành nhiệt năng Hơn nữa, chất thải sau quá trình phân hủy kỵ khí trở nên ổn định sinh học và có thể được sử dụng làm phân bón cho cây trồng.
TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC CHẤT THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN KỲ KHÍ
Lịch sử phát triển quá trình và xu hướng hiện nay
Quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là một kỹ thuật ứng dụng cổ xưa, đã được sử dụng để làm nóng nước tắm ở Assyria từ thế kỷ thứ 10 trước Công Nguyên Đến thế kỷ 17, quá trình này mới được nghiên cứu một cách khoa học Năm 1776, Count Alessandro Volta xác nhận mối liên hệ giữa lượng hữu cơ phân hủy và khí cháy được tạo thành Tiếp theo, năm 1808, Sir Humphry Davy đã chứng minh sự hình thành khí methane từ phân gia súc qua quá trình phân hủy kỵ khí.
Quá trình ứng dụng công nghiệp đầu tiên diễn ra tại một nhà máy xây dựng ở Bombay, Ấn Độ vào năm 1859, sau đó lan rộng sang Anh Những tiến bộ trong ngành vi sinh vật học, đặc biệt là nghiên cứu của Buswell vào những năm 1930, đã đặt nền tảng cho việc xác định các loài vi khuẩn kỵ khí và các điều kiện thúc đẩy sự sinh khí.
Khi hiểu biết về quy trình và kỹ thuật vận hành ngày càng nâng cao, sự phát triển của bể ủ kín cùng thiết bị hâm nóng và khuấy đảo đã cải thiện hiệu quả sản xuất khí sinh học Tuy nhiên, do giá thanh đá thấp và nguồn dầu mỏ dồi dào, khí sinh học chưa được chú trọng, trong khi các hệ thống phân hủy kỵ khí phát triển mạnh Sự công nghiệp hóa và giá điện rẻ đã khiến các phương pháp phân hủy hiếu khí như chế biến compost và chôn lấp trở thành lựa chọn chính cho xử lý nước thải hiện nay Đồng thời, hệ thống lên men kỵ khí cỡ nhỏ đang phát triển tại các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc và Ấn Độ, chủ yếu nhằm tạo ra nguồn năng lượng phụ.
Hai cuộc khủng hoảng năng lượng vào năm 1973 và 1979 đã kích thích sự quan tâm đến kỹ thuật phân hủy kỵ khí để sản xuất methane làm năng lượng Mặc dù quá trình này gặp khó khăn, với tỷ lệ thất bại lên tới 50% ở Ấn Độ, Trung Quốc và 80% ở Mỹ và Châu Âu, nhưng điều này đã thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn Kỹ thuật phân hủy kỵ khí hiện nay không chỉ được sử dụng để xử lý nước thải mà còn được ưu tiên hơn do giá dầu cao và quy định môi trường nghiêm ngặt Đức và Đan Mạch đã tăng sản lượng khí sinh học gấp đôi vào năm 2000 và gấp ba vào năm 2005 Tại Việt Nam, sản xuất khí sinh học đã được áp dụng hơn 20 năm để cung cấp điện cho các vùng nông thôn, với nhiều hầm ủ sinh học được thử nghiệm dưới sự tài trợ của chính phủ Tuy nhiên, hầm ủ xi măng có chi phí cao và khó lắp đặt, dẫn đến sự phát triển của túi ủ hình ống bằng vật liệu PE, giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành Hơn 20.000 túi ủ đã được sản xuất tại Việt Nam trong 10 năm qua, chủ yếu do nông dân tự chi trả Mặc dù túi ủ giá rẻ này có nhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì, nhưng nghiên cứu về quá trình phân hủy rác thải nông thôn Việt Nam vẫn còn hạn chế.
Cơ sở lý thuyết
Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí diễn ra nhờ quần thể vi sinh vật mà không cần oxy, tạo ra hỗn hợp khí với thành phần chính là CH4, CO2, N2, H2, trong đó CH4 chiếm khoảng 65-65% Quá trình này còn được gọi là lên men methane, trong đó các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu cơ trong nước thải để xây dựng tế bào và tăng sinh khối.
Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí:
CHO n → CO 2 + H 2 O + CH 4 + NH 4 + H 2 + H 2 S + tế bào VSV + ⋯
Trong 10 năm trở lại đây, do các phương pháp sinh học phát triển, quá trình xử lý kỵ khí trong điều kiện nhân tạo đƣợc áp dụng để xử lý các loại cặn chất thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao: BOD đến 10 - 30 g/l
Hiện nay, hàng trăm nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải đã được triển khai tại nhiều quốc gia như Hoa Kỳ, Hà Lan, Đức và Việt Nam Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
Thể tích công trình nhỏ
Chiếm ít diện tích mặt bằng
Công trình có thiết kế đơn giản và giá thành không cao
Chi phí vận hành về năng lƣợng thấp
Khả năng thu hồi năng lƣợng cao, không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dƣỡng
Lượng bùn sinh ra ít hơn 10 - 20 lần so với phương pháp hiếu khí và có tính ổn định tương đối cao
Có thể tồn trữ trong một thời gian dài và là một nguồn phân bón có giá trị
Tải trọng phân hủy chất bẩn hữu cơ cao
Chịu đựng đƣợc sự thay đổi đột ngột về năng lƣợng
Tuy nhiên, ngoài những ƣu điểm thì công nghệ này cũng gặp phải một số khó khăn nhƣ:
Rất nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng công trình
Những hiểu biết về các vi sinh vật kỵ khí còn hạn chế
Thiếu kinh nghiệm về vận hành công trình
Xử lý nước thải chưa triệt để.
Mô tả quá trình sinh học kỵ khí
Quá trình tạo thành khí sinh vật là sự phân hủy phức tạp, diễn ra qua nhiều phản ứng, dẫn đến sự hình thành khí CH4, CO2 và các chất khác Quá trình này tuân theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, trong đó vi sinh vật kỵ khí chuyển hóa các chất hữu cơ phức tạp thành dạng đơn giản, với một lượng lớn được chuyển thành khí và chất hòa tan Tuy nhiên, một số yếu tố bất lợi có thể cản trở bất kỳ giai đoạn nào trong quá trình này, gây ra sự cố kiềm hãm toàn bộ quá trình phân hủy Các giai đoạn của quá trình này có thể được minh họa bằng sơ đồ trong hình 4.1.
Hình 3.1 Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ
Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
Phản ứng tổng quát của quá trình có thể đƣợc viết:
Hợp chất hữu cơ + H 2 O → Sinh khí + CH 4 + CO 2 + NH 3
Hóa sinh học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
Trong giai đoạn này, vi sinh vật tiết ra các men hydrolaza, giúp thủy phân các chất hữu cơ phức tạp như chất béo, hydrat cacbon (chủ yếu là cellulose và tinh bột) và protein thành các chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glycerin, acid béo và acid amin Quá trình này diễn ra với sự tham gia của enzym ngoại bào từ các vi khuẩn thủy phân Cụ thể, proteaza giúp thủy phân protein thành acid amin, cellulaza chuyển hóa hydratcacbon thành đường đơn, và lipaza biến đổi lipit thành acid béo mạch dài và glycerin.
III.4.2 Giai đoạn acid hóa:
Trong giai đoạn thủy phân, các hợp chất được tạo ra vẫn quá lớn để vi sinh vật hấp thụ, do đó cần được phân giải thêm Giai đoạn này bắt đầu với việc vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào, tiếp theo là màng trong và vào tế bào chất nhờ sự hỗ trợ của các protein vận chuyển Tại đây, các acid amin, đường đơn và acid béo mạch dài được chuyển đổi thành các acid hữu cơ mạch ngắn hơn như acid propionic, acid valeric, acid acetic, cùng với rượu (ethanol), keton, và một lượng nhỏ khí hydro và CO2 Giai đoạn này được gọi là giai đoạn lên men, trong đó sự sinh thành của các acid làm giảm đáng kể độ pH của môi trường.
Cơ chế acid hóa acid béo và glycerin là sản phẩm giai đoạn thủy phân dầu mỡ tương đối phức tạp và có thể tóm tắt như sau:
Glycerin is broken down into several intermediate products, such as 1,3-propanediol, which ultimately leads to the formation of final products like propionate and acetate These intermediate products coexist alongside the final products.
Acid béo mạch yếu phân giải khá phức tạp nhƣ sau:
Phản ứng hoạt hóa acid béo thành Acyl-CoA được thực hiện bởi enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm trong màng tế bào vi khuẩn Trong quá trình này, sản phẩm chính được tạo ra là acid acetic, đánh dấu giai đoạn acetate hóa của chất thải dầu mỡ.
Khi phân giải các cơ chất giàu mỡ, một trong những thách thức lớn nhất là sự ức chế do các acid béo dài hình thành trong giai đoạn thủy phân, điều này ảnh hưởng đến toàn bộ các giai đoạn tiếp theo của quá trình phân giải.
Quá trình phân giải kỵ khí chất béo diễn ra với tốc độ giai đoạn acid hóa chậm hơn so với các chất khác như đường và tinh bột.
Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA
Acetyl-CoA + H 2 + năng lƣợng tích lũy ATP Acid acetic + Co-A (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-)
Oxy hóa β lặp lại liên tục
III.4.3 Giai đoạn acetate hóa
Các vi khuẩn tạo methane không thể sử dụng trực tiếp các sản phẩm của quá trình acid hóa, ngoại trừ acid acetic Do đó, các phân tử này cần được phân giải thành các dạng đơn giản hơn Quá trình phân giải này tạo ra acid acetic, khí H2 và CO2 nhờ vào vi khuẩn acetate đồng hình.
Bảng 3.1 Các phản ứng sinh acetate
CH 3 CHOHCOO − + 2H 2 O → CH 3 COO − + HC0 3 − + H + + 2H 2
CH 3 CH 2 OH + H 2 O → CH 3 COO − + H + + 2H 2
CH 3 CH 2 CH 2 COO − + 2H 2 O → 2CH 3 COO − + H + + 2H 2
CH 3 CH 2 COO − + 3H 2 O → CH 3 COO − + HCO 3 − + H + + 3H 2
4CH 3 OH + 2CO 2 → 3CH 3 COOH + 2H 2 O
Trong quá trình xử lý chất thải giàu dầu mỡ, giai đoạn acetate hóa diễn ra đồng thời với giai đoạn acid hóa, trong đó acid béo mạch dài được phân hủy thành acid acetic và sản sinh nhiều khí hydro Khí hydro này sau đó được vi sinh vật methane sử dụng làm chất nền cùng với CO2 Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí Nếu sự tiêu thụ hydro bị ức chế, áp suất riêng phần của nó sẽ tăng, dẫn đến giảm sản xuất hydro bởi vi khuẩn acetate hóa Hệ quả là acid béo bay hơi tích tụ, gây cản trở sự phân giải các acid béo dài và ức chế hoạt động của vi khuẩn acid hóa, acetate hóa và methane hóa Hơn nữa, sự tích tụ acid làm giảm pH môi trường, điều này rất bất lợi cho quá trình tổng hợp methane từ hydro và acetate.
Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh hydro và vi sinh vật tiêu thụ hydro, cụ thể là vi sinh vật tạo methane, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì áp suất hydro ở mức thấp từ 10 -6 atm đến 10 -4 atm, qua đó đảm bảo quá trình tạo methane diễn ra bình thường.
Acetate là cơ chất chính mà vi khuẩn sinh methane sử dụng, nhưng sự tích tụ của nó có thể ức chế quá trình phân giải các acid béo bay hơi khác Chẳng hạn, 15 mmol acid acetic có thể ức chế phân giải acid propionic, trong khi 100 mmol acid acetic ức chế phân giải acid butyric, dẫn đến việc làm chậm tốc độ acid hóa Nồng độ cao của acid acetic cũng gây ra pH thấp, ảnh hưởng đến tốc độ phân giải acid béo bay hơi Thông thường, pH và nhiệt độ tối ưu cho giai đoạn này là từ 6,8 đến 7,8 và nhiệt độ từ 35 đến 42 độ C.
Ngoài ra, con đường acetate hóa có thể diễn ra nhờ sự tham gia của vi khuẩn homoacetogen, sử dụng hydro và cacbonic (tự dưỡng) hoặc từ các chất hữu cơ (dị dưỡng) Tuy nhiên, trong môi trường có nồng độ hydro thấp, vi sinh vật sinh methane từ hydro có ái lực mạnh hơn với hydro so với homoacetogen, dẫn đến lượng acid acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể.
III.4.4 Giai đoạn tạo methane
Giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy kỵ khí là khi các sản phẩm từ hai giai đoạn trước, như acetate, hydrogen, cacbonate, formate và methanol, được chuyển hóa thành khí CO2, CH4 và một số hợp chất khác.
Khí methane chủ yếu được hình thành qua các con đường sinh học khác nhau, mỗi con đường tương ứng với các loại cơ chất và nhóm vi sinh vật sản sinh methane đặc trưng.
Loại vi sinh vật Hydratgenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là hydro và cacbonic Dưới 30% lượng methane sinh ra bằng con đường này
Con đường 2: 4HCOOH → CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O
Vi sinh vật Acetrophic Methanogen có khả năng chuyển hóa acetate thành methane và cacbonic, với khoảng 70% lượng methane được sản xuất thông qua quá trình này Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con đường này tương đối nhỏ Cacbonic được giải phóng có thể được khử thành methane qua một con đường khác Chỉ một số loài vi sinh vật sinh methane có thể sử dụng cacbon monoxit làm cơ chất.
Con đường 3: CH3OH + H 2 → CH 4 + H 2 O
Phản ứng 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 cho thấy quá trình sinh methane từ vi sinh vật Ngoài ra, các vi sinh vật này cũng có khả năng thực hiện quá trình lên men sinh methane qua các con đường khác, tuy nhiên, lượng methane được sản xuất từ những con đường này thường không đáng kể.
CH 3 CH 2 OH + CO 2 ↔ CH 3 COO - + H + +CH 4
CH 3 CHOHCOO - + H 2 O → 2CH 3 COO - + CH 4 + HCO 3 -
4CH 3 CH 2 OH + 3H 2 O ↔ 4CH 3 COO - + H + + 3CH 4 + HCO 3 -
CH 3 CH 2 COO - + 2H 2 O + HCO 3 - ↔ 4CH 3 COO - + H + + CH 4
4CH 3 OH → 3CH 4 + HCOO - + 4NH 4 + + H +
Methylamine thủy phân tạo methane:
4CH 3 NH 3 + + 3H 2 O → 3CH 4 + HCO 3 - + 4NH 4 + + H +
2(CH 3 ) 3 NH + + 3H 2 O → 3CH 4 + HCO 3 - + 2NH 4 + + H +
4(CH 3 ) 3 NH + + 9H 2 O → 9CH 4 + 3HCO 3 - + 6NH 4 + + 3H +
Vi sinh vật học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
Nghiên cứu vi sinh vật trong quá trình phân hủy kỵ khí gặp nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng chậm và sự tồn tại của nhiều loài chỉ trong điều kiện cộng sinh Mỗi giai đoạn của quá trình này có sự tham gia của nhiều vi sinh vật khác nhau, và bản chất của chất nền cùng với các điều kiện như nhiệt độ, pH, tốc độ nạp chất nền và thời gian lưu ảnh hưởng lớn đến thành phần và số lượng vi sinh vật Các kỹ thuật truyền thống và phương pháp sinh học phân tử hiện đại đã được áp dụng để nghiên cứu sâu hơn về khu hệ vi sinh vật trong phân hủy kỵ khí Mặc dù một số loài nấm protozoa cũng tham gia, nhưng vai trò chính trong phân hủy chất hữu cơ kỵ khí chủ yếu thuộc về các vi sinh vật nhân sơ, bao gồm vi khuẩn và vi sinh vật cổ.
III.5.1 Vi sinh vật thủy phân
Nhóm vi sinh vật này phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp như protein, cellulose, lignin và lipids thành các đơn phân tử hòa tan như acid amin, acid béo và glycerol Những đơn phân tử này được nhóm vi khuẩn lên men acid sử dụng ngay lập tức Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzym ngoại bào như cellulase, protease và lipase Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển mạnh mẽ trong tự nhiên, bao gồm cả các vi khuẩn E coli và B subtilis.
Vi khuẩn Anaerovibrio lipolytica là loại chính chịu trách nhiệm thủy phân dầu mỡ trong điều kiện kỵ khí, tiếp theo là các loài thuộc giống Clostridium như Clostridium botulinum và Clostridium novyi, đều có khả năng tiết ra enzym lipaza trong pha logarit Clostridium là giống vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, gram dương, sinh bào tử và hình que Đối với việc phân hủy protein, các vi khuẩn cần tiết ra enzym protease, trong đó Clostridium peptococcus, Bifidobacterium và Bacillus là những loại vi khuẩn gram âm không sinh bào tử, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Tại bùn cặn, các vi khuẩn này có tỷ lệ cao lên tới 6,5 x 10^7 tế bào/ml.
III.5.2 Vi sinh vật acid hóa
Sản phẩm thủy phân của dầu mỡ bao gồm glycerin và acid béo tự do mạch dài, quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn thủy phân Glycerin sau đó tiếp tục bị phân giải bởi những vi khuẩn này, khi chúng hoạt động như vi khuẩn lên men Đồng thời, sự acid hóa các acid béo tự do mạch dài diễn ra nhờ vi khuẩn acetate hóa, tạo thành acid acetic Vi khuẩn này sẽ được đề cập trong phần tiếp theo.
III.5.3 Vi sinh vật acetate hóa
Các vi khuẩn acetate hóa thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí sinh acid
Quá trình acetate hóa là phản ứng oxy hóa khử, trong đó sản phẩm cuối cùng bao gồm hydro và acetate Phản ứng này được thực hiện bởi hai nhóm vi sinh vật khác nhau.
Các vi khuẩn khử proton kỵ khí bắt buộc: chuyển hóa cơ chất thành acetate và methane
Các vi khuẩn lên men, hay còn gọi là vi khuẩn khử proton kỵ khí tùy tiện, hoạt động như các chất khử proton bằng cách tách hydro ra khỏi cơ chất và chuyển nó đến chất nhận điện tử cuối cùng, thường là một chất hữu cơ Ngoài việc sản xuất H2, quá trình này còn tạo ra các sản phẩm oxy hóa khác.
Quá trình oxy hóa cơ chất của vi sinh vật lên men tạo ra năng lượng đáng kể, đặc biệt khi có sự hình thành của H2 Tuy nhiên, nồng độ H2 tăng cao sẽ ức chế sự hình thành tiếp tục của H2, dẫn đến việc các vi sinh vật chuyển sang sản xuất các sản phẩm khử hữu cơ khác cũng có năng lượng tương tự như quá trình lên men.
Vi khuẩn acetate có tốc độ sinh sản chậm, với thời gian thế hệ từ 3 - 7 ngày, ngay cả khi có vi sinh vật sinh methane pH tối ưu cho vi khuẩn này là từ 6 - 7, và chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ môi trường Một số giống vi sinh vật acetate quan trọng bao gồm Syntrophus, Syntrophobacter và Syntrophomonas Đặc biệt, hai loài Syntrophomonas wolfei subsp saponavida và Syntrophomonas sapovorans đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa β các acid béo dài ở nhiệt độ 30 - 40 độ C Chúng là vi khuẩn không sinh bào tử, gram âm, thuộc loại hóa dưỡng hữu cơ, có hình dạng que hơi xoắn với đầu hơi tròn và từ 2 đến 8 tiên mao phân bố xung quanh tế bào.
III.5.4 Vi sinh vật sinh methane
Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh methane thuộc giới vi sinh vật cổ (Archaea) với cấu trúc và màng tế bào khác biệt so với vi khuẩn Chúng đã tồn tại từ lâu và được phân loại thành nhánh riêng, đóng vai trò quan trọng trong chuỗi phân giải kỵ khí chất hữu cơ Các giống vi sinh vật này, như Methanococcus và Methanobacterium, có thành tế bào thuộc cả hai nhóm gram âm và gram dương Tất cả đều có khả năng chịu nhiệt độ cao (60 - 80°C) và phát triển trong môi trường khử thấp, nhưng nhạy cảm với biến động của oxy, nhiệt độ và pH, trong khi ít nhạy cảm với penicilin Coenzym của chúng, bao gồm coenzym M, F 430 và F 420, đặc biệt cho phép chúng phát quang tự nhiên, giúp dễ dàng phát hiện.
55 0 C đến 3 ngày ở 35 0 C và tời 50 ngày ở 10 0 C
Các chất cung cấp cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh methane rất đơn giản, chủ yếu là sản phẩm từ giai đoạn acetate hóa Mặc dù 70% khí methane được sinh ra từ sự oxy hóa acetate, chỉ một số loài vi sinh vật cổ có khả năng phân giải acetate, trong đó có các giống quan trọng.
Methanoseata, Methanosacina và Methanococcus là những loài vi sinh vật quan trọng trong quá trình sản xuất methane Nhiều loài sinh methane có khả năng tạo ra methane từ hydro và carbonic, trong khi một số nhóm chỉ phân giải acetic hoặc hợp chất chứa metyl Hai loài phổ biến nhất là Methanosarcina barkeri và Methanococcus mazei, vì chúng có khả năng sử dụng đa dạng các loại cơ chất.
Hiện nay, có 83 loài vi sinh vật sinh methane đã được xác định, tất cả đều thuộc loại kỵ khí bắt buộc Chúng được phân loại thành ba nhóm lớn dựa trên khả năng sử dụng cơ chất: nhóm đầu tiên gồm 61 loài sử dụng CO2 và H2 để tạo ra CH4; nhóm thứ hai bao gồm 20 loài sử dụng hợp chất chứa metyl, trong đó có 13 loài kỵ khí bắt buộc; và nhóm cuối cùng có 9 loài sử dụng acetate để sản xuất CH4, trong đó có 2 loài kỵ khí bắt buộc.
Khoảng 23% số loài thuộc vi sinh vật ƣa nhiệt (thermophllic)
Điều kiện vận hành phân hủy kỵ khí như pH, nhiệt độ, và thời gian lưu cơ chất quyết định loài vi sinh vật chiếm ưu thế, với nhu cầu chất dinh dưỡng thay đổi theo từng loài Gần đây, một số loài vi sinh vật có khả năng sử dụng nitơ phân tử ở thể khí đã được phát hiện, với biên độ pH lý tưởng từ 6,5 đến 7,6, trong khi một số loài đặc biệt vẫn phát triển ở pH thấp (5 - 5,5) hoặc pH cao (8 - 9,2) Các công cụ sinh học phân tử hiện đại cho phép phân loại vi sinh vật sinh methane chi tiết hơn dựa trên trình tự DNA, nhưng vẫn cần xác lập mối liên hệ giữa loại chất đem phân hủy và biến động của quần xã vi sinh vật sinh methane tương ứng.
Bảng 3.2 Các vi sinh vật chính tạo methane
Methanosacina barkeri H 2 , CO 2 , methanol, acetate
Methanobacterium suboxidans Butyrate, valerat, caproat
Methanobacterium methnica Acetate, mathanol, butyrate
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra trong một khoảng nhiệt độ rộng, với mỗi vùng nhiệt độ phù hợp cho các nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau Các vi sinh vật methane hóa hoạt động tốt nhất trong vùng nhiệt độ 20 - 40°C (ấm - trung bình) và 50 - 65°C (nóng) Một số vi sinh vật kỵ khí có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp từ 10 - 15°C, nhưng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 10°C, hầu hết vi khuẩn tạo methane sẽ không hoạt động Nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật tạo methane là 35°C (ấm) và 55°C (nóng).
Trong quá trình xử lý kỵ khí, các giai đoạn phân hủy tương tác lẫn nhau, ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy tổng thể Nhóm vi sinh vật acid hóa thường dễ thích nghi hơn nhóm vi sinh vật methane hóa khi xử lý nước thải mới Sự giảm pH mạnh (pH < 6) sẽ làm giảm sản lượng khí methane Khoảng pH tối ưu cho quá trình này nằm trong khoảng 6,8 - 7,3.
III.6.3 Tính chất của chất nền
Hàm lượng tổng chất rắn trong mẫu ủ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phân hủy Khi hàm lượng chất rắn quá cao, các chất không đủ hòa tan và không pha loãng được các chất trung gian, dẫn đến hiệu quả sinh khí giảm.
Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi trong mẫu phản ánh bản chất của chất nền, bao gồm các chất dễ phân hủy như đường và tinh bột, cùng với các chất khó phân hủy như cellulose và dầu mỡ Tốc độ và mức độ phân hủy của mẫu phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ phần trăm của từng thành phần trong mẫu.
III.6.4 Các chất dinh dƣỡng đa lƣợng và vi lƣợng Để đảm bảo quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra bình thường và liên tục thì cần phải cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật Các chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong hệ thống phân hủy kỵ khí gồm N và P là chủ yếu Tỷ lệ thích hợp đề nghị là 20:1 đến 30:1 cho C:N và 7:1 đối với N:P, trong đó N và P đều phải ở dạng dễ hấp thụ bởi vi sinh vật Quá nhiều N có thể dẫn tới sự tích tụ amoni khiến pH tăng lên và ức chế vi sinh vật sinh methane Trái lại, quá ít N không đủ cho vi sinh vật sinh methane tiêu thụ và sản lƣợng khí sinh học giảm
Nồng độ tối ưu của một số kim loại như Ba, Ca, Mg, Na, Co, Ni và Fe có vai trò quan trọng trong việc kích thích trao đổi chất của vi sinh vật trong quá trình lên men methane, thông qua ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme.
H 2 S và một số nguyên tố dạng vết nhƣ Se, Tu, Mo
III.6.5 Thời gian lưu bùn
Thời gian lưu bùn là một thông số thiết yếu trong thiết kế bể phân hủy, thường được chọn trong khoảng 12 - 15 ngày Nếu thời gian lưu bùn quá ngắn, dưới 10 ngày, sẽ dẫn đến tình trạng cạn kiệt vi sinh vật sản xuất methane, khi số lượng vi sinh vật loại bỏ vượt quá số vi sinh vật được tạo ra.
Thời gian lưu nước là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học Khi thời gian lưu ngắn, áp suất riêng phần khí hydro tăng, điều này ức chế sự phát triển của vi sinh vật sản sinh methane, dẫn đến hàm lượng khí methane trong khí sinh học bị giảm.
III.6.6 Các chất gây độc
Các chất trong môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của vi sinh vật kỵ khí Oxy được xem là độc tố trong quá trình này, trong khi các dẫn xuất của methane như CCl4, CHCl3, CH2Cl2 và một số kim loại nặng như Cu, Ni, Zn, cũng như các chất như HCHO, SO2, H2S, đều gây độc cho vi sinh vật kỵ khí Ngoài ra, NH4+ có tác dụng ức chế quá trình kỵ khí, và S2- được coi là chất ức chế trong quá trình methane hóa.
Các kim loại nhẹ và nặng được coi là dinh dưỡng vi lượng khi có nồng độ thấp, nhưng trở thành chất độc khi vượt ngưỡng cho phép Độc tính của kim loại tăng theo hóa trị và nguyên tử lượng, và dạng tồn tại của chúng cũng ảnh hưởng đến mức độ độc hại Các muối kết tủa và phức chất khó di chuyển qua màng tế bào, do đó ít độc hại hơn so với các muối hòa tan Trong môi trường giàu nitơ, sự hình thành ammoni (NH4+) và ammoniac (NH3) có cả lợi ích và tác hại; NH4+ là nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật, trong khi NH3 có thể ức chế và gây độc cho quá trình phân hủy Trong quá trình kỵ khí, nồng độ amoni lý tưởng nằm trong khoảng 50.
200 mg/l Tuy nhiên, amoni thường hiện diện trong nước thải ở nồng độ cao và nếu nồng độ đạt tới mức nào đó sẽ trở thành chất gây độc
Bảng 3.3 Nồng độ các chất gây ức chế quá trình phân hủy của vi sinh vật kỵ khí
Tên hóa học Hàm lƣợng
III.6.7 Sự khuấy đảo hỗn hợp phân hủy
Việc đảo trộn hỗn hợp phân hủy giúp phân bố đồng đều và tăng cường tiếp xúc giữa vi khuẩn, chất nền và các chất dinh dưỡng Ngoài ra, quá trình này còn điều hòa nhiệt độ trong bể phân hủy, giảm thiểu tình trạng tăng hoặc giảm nhiệt độ cục bộ.
III.6.8 Kết cấu hệ thống
Các bể phân hủy theo mẻ không khuấy trộn, không gia nhiệt và thời gian lưu dài
Trong khoảng thời gian từ 30 đến 60 ngày, sản lượng khí và tốc độ nạp chất nền sẽ thấp do hiện tượng phân tầng xảy ra trong bể Mặc dù cấu trúc này đơn giản, tiết kiệm chi phí và dễ vận hành, nhưng nó lại yêu cầu một diện tích mặt bằng lớn.
Bể có kết cấu cho phép nạp chất nền nhanh chóng, gia nhiệt và có thời gian lưu khoảng 15 ngày, đồng thời đảm bảo khuấy trộn hoàn chỉnh với nồng độ chất nền từ 10 - 15% (tính theo lượng chất khô) Loại bể này mang lại hiệu quả phân hủy cao và chất lượng khí sinh học thu được rất tốt.
Kết cấu khô trong hệ thống phân hủy chất thải, với hàm lượng chất rắn từ 20 - 40%, ra đời để khắc phục hạn chế của kết cấu ướt yêu cầu pha loãng chất nền nguyên thủy Kết cấu khô mang lại nhiều lợi ích như đơn giản hóa quá trình tách loại hợp phần vô cơ, giảm thể tích bể phân hủy, tăng tốc độ nạp chất nền, và giảm năng lượng cần thiết cho gia nhiệt, trong khi vẫn giữ mức độ nhạy cảm với chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học tương đương với kết cấu ướt Tuy nhiên, nó đòi hỏi mức đầu tư cao cho bộ phận khuấy đảo.
Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
Mô tả quá trình động học của sự phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ theo phương thức toán học gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp của cơ chất và thành phần vi sinh vật, cũng như sự biến động của chúng theo các điều kiện môi trường Tuy nhiên, trong thực tiễn, động học của quá trình này có thể được mô tả bằng mô hình động học Monod Biểu thức toán học mô tả tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật theo mô hình Monod là: μ = μ max ∗ S.
à: là tốc độ tăng trưởng riờng (ngày -1 )
à max : là tốc độ tăng trưởng lớn nhất (ngày -1 )
S: là nồng độ cơ chất (g/l)
K S : là hệ số ỏi lực (nồng độ của cơ chất khi à = ẵ à max )
Mô hình động học Monod mô tả chính xác tốc độ sinh methane và mối liên hệ giữa tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật và hoạt tính của bùn Tuy nhiên, để có cái nhìn đầy đủ hơn, cần kết hợp với công thức μ n = μ − b, trong đó μ là tốc độ tăng trưởng tối đa và b là tốc độ tự phân hủy của vi sinh vật.
àn: là tốc độ tăng trưởng cuối (ngày-1)
b: là tốc độ tự phân hủy (ngày-1)
Thay thế vào phương trình ta được: μ n = μ max ∗ S
Phương trình này liên kết với phương trình có độ hoạt tính lớn nhất (μ max), được tính bằng tích số giữa tốc độ phân hủy cơ chất đặc trưng và hệ số tăng trưởng của vi sinh vật Cụ thể, μ max = r x.max ∗ Y.
Y: là hệ số tăng trưởng vi sinh vật (gVSStạo thành/gCODloại bỏ)
rx,max: là tốc độ phân hủy cơ chất đặc trƣng (gCODloại bỏ/gVSS.ngày) Thế vào phát triển ta có kết quả nhƣ sau: μ = Y ∗r x,max ∗ S
K S + S − b Những mối liên hệ này cũng có thể đƣợc áp dụng cho các hệ thống lên men hỗn hợp, có hoặc không có lưu bùn hay tuần hoàn bùn
III.7.2 Năng suất tạo sinh khối
Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí góp phần quan trọng vào việc sản xuất khí methane Sản lượng khí sinh học có thể được dự đoán thông qua một phương trình cụ thể.
Sản lượng thực tế của khí sinh học thường thấp hơn so với giá trị tính toán theo phương trình hóa học C x H y O z + x − y 2 − z 4 H 2 O → x 2 − y 8 − z 4 CO 2 + x 2 − y 8 − z 4 CH 4, do chỉ một phần các chất dễ phân hủy sinh học tham gia vào quá trình này, bên cạnh đó còn có một số chất cản trở quá trình phân hủy trong bể.
MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Vật liệu nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình phân hủy đã được thực hiện với nguyên liệu là bã thải từ nhà máy sản xuất mì ăn liền của công ty Uni President Mẫu bùn thải (mẫu tổ hợp) được thu thập từ 4 vị trí khác nhau trong bể tiếp nhận, bao gồm toàn bộ bùn từ tầng mặt (tầng tiếp xúc không khí) đến tầng đáy (tầng tiếp xúc nước thải) Trước khi lấy mẫu tổ hợp, bùn được khuấy đều để đảm bảo tính đồng nhất.
Mẫu bùn thu được có dạng sệt, mùi hôi, nhớt, chứa nhiều nước và có màu vàng nhạt Tất cả các mẫu được chuyển ngay về Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Công nghệ sinh học, trường Đại học Kỹ thuật công nghệ Tp.HCM (HUTECH) để xác định các thông số thành phần Trước khi phân tích, mỗi mẫu được khuấy đều trong 15 phút nhằm đạt được sự đồng nhất về thành phần.
Kết quả phân tích các thông số của bã thải nhƣ sau:
Bảng 4.1 Các thông số đầu vão của bã thải
Các thông số Đơn vị Kết quả
Nhu cầu oxy hóa học (COD) mgO 2 /l 115.000
Chất rắn tổng cộng (TS) g/kg 55,2
Chất rắn bay hơi (VS) g/kg 49,8
Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng COD trong mẫu rất cao, cho thấy sự hiện diện của nhiều tạp chất như sa tế và vụn mì, dẫn đến hàm lượng cặn trong mẫu tương đối lớn.
Tỷ lệ chất rắn bay hơi (VS) và chất rắn tổng cộng (TS) lớn hơn 0,9 cho thấy hàm lượng chất rắn bay hơi trong mẫu bã thải rất cao, chủ yếu là chất béo (lipit) từ dầu thải trong quá trình sản xuất.
Quá trình nghiên cứu kết hợp bùn giống kỵ khí, cụ thể là men giống, được cấy vào tất cả các mẫu thử nghiệm kỵ khí Men giống này được thu từ bùn lắng trong bể phân hủy kỵ khí UASB tại hệ thống xử lý nước thải của xí nghiệp lợn giống Đông Á ở Bình Dương Trong bùn chứa men giống, vi khuẩn phát triển ở trạng thái lơ lửng.
Trước khi tiến hành cấy với mẫu ủ, bùn cần được lắng trong vài giờ để loại bỏ phần nước phía trên, nhằm giảm độ ẩm và tăng nồng độ vi khuẩn trong men giống Thành phần chất rắn tổng cộng và chất rắn bay hơi của men giống được xác định như sau:
Bảng 4.2 Kết quả phân tích TS và VS của men giống
Thông số Đơn vị Kết quả
Hàm lƣợng rắn tổng cộng (TS) g/kg 51
Hàm lƣợng rắn bay hơi (VS) g/kg 28,87
Mô hình nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Công nghệ sinh học, thuộc trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP Hồ Chí Minh.
Mô hình bao gồm 9 bình nhựa có nắp, mỗi bình có dung tích khoảng 2 lít, được sử dụng để phân hủy Các bình này được sắp xếp trong một bể chứa, và trên nắp của mỗi bình có 2 lỗ khoan.
Lỗ có đường kính 21mm được trang bị ống PVC và nắp đậy kín, phục vụ cho việc lấy mẫu và bổ sung hợp chất trong quá trình thí nghiệm.
- 1 lỗ được gắn với các van nối với các ống mềm có đường kính 10 mm có nhiệm vụ dẫn khí
Khí biogas được dẫn qua ống thu khí đến các bình nhựa 2 lít chứa dung dịch nước có pH = 2 để đo thể tích khí tạo thành Bộ thu khí bao gồm hai bình có thể tích gần bằng nhau, với bình thứ nhất 2 lít chứa dung dịch nước và bình thứ hai nhỏ hơn được lồng vào bình đầu tiên Bình thứ hai có lỗ khoan gắn van nối với ống mềm 10 mm từ các bình phân hủy Trên bình thứ hai có các vạch đo thể tích khí sinh ra (100ml, 200ml ) Một motor được đặt để khuấy đều các mẫu ủ trong quá trình phân hủy.
Hình 4.1 Sơ đồ mô hình nghiên cứu
A: Bể chứa các bình phân hủy
1: Ống lấy mẫu phân tích
Một số hình ảnh thực tế của mô hình thí nghiệm:
Hình 4.2 Bố trí mô hình thí nghiệm
Hình 4.3 Cấu tạo bình phân hủy kỵ khí trong mô hình thực nghiệm
Hình 4.4 Cấu tạo bình thu khí trong mô hình thực nghiệm
Phương pháp thực nghiệm
IV.3.1 Sơ đồ thực nghiệm
Nghiên cứu đƣợc thực hiện lặp lại 2 lần Tiến hành phối trộn chất nền (bùn thải) với men giống theo các tỷ lệ khác nhau nhƣ sau:
Bảng 4.3 Tỷ lệ phối trộn men giống và cơ chất
(VS men/VS chất) Cơ chất (g) Men giống (g)
Tỷ lệ COD : N : P trong bã thải là chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng phân hủy, với yêu cầu tỷ lệ tối ưu cho vi sinh vật sinh methane là 500 : 7 : 1 Để đảm bảo vi sinh vật kỵ khí phát triển tốt trong quá trình phân hủy kỵ khí, cần bổ sung thêm Nitơ và Photpho vào mẫu ban đầu dựa trên kết quả phân tích hàm lượng Nitơ tổng và Photpho tổng.
N được bổ sung vào mẫu dưới dạng NH 4 NO 3 2M và bổ sung P được bổ sung bằng
KH 2 PO 4 2M dung dịch Các lƣợng NH 4 NO 3 và KH 2 PO 4 đƣa vào mẫu sao cho tỷ lệ COD : N : P = 500 : 7 : 1 đƣợc thỏa mãn
Hỗn hợp chất nền và men được trộn đều theo tỷ lệ nhất định trên máy khuấy từ, sau đó được cho vào các bình ủ Các bình ủ được đậy kín và đặt trong bể có hệ thống rung lắc nhờ motor Trong quá trình phân hủy, pH của hỗn hợp được kiểm tra và điều chỉnh thường xuyên, duy trì trong khoảng 6,8 - 7,3.
Các thông số quan trắc trong quá trình thực nghiệm bao gồm:
Thể tích khí sinh ra ở mỗi bình ủ đƣợc theo dõi và ghi nhận hàng ngày từ lúc bắt đầu ủ mẫu cho đến khi hoàn toàn kết thúc sinh khí
pH: đo 1 lần/ngày và điều chỉnh pH của tất cả các mẫu về khoảng 6,8 - 7,3 (nếu cần)
COD: theo dõi 5 ngày/lần
TS, VS: theo dõi 5 ngày/lần
IV.3.2 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong quá trình thực nghiệm
Bảng 4.4 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong quá trình thực nghiệm
Thông số Đơn vị Phương pháp đo
Phân hủy mẫu bằng chất oxy hóa mạnh K 2 Cr 2 O 7 và
H 2 SO 4 có bổ sung xúc tác, sau đó chuẩn độ lại lƣợng dƣ
K 2 Cr 2 O 7 còn lại bằng dung dịch FAS
TS mg/l Làm bay hơi hơi nước (sấy ở nhiệt độ 100 -105 0 C) và cân phần rắn còn lại trên cốc
Chất rắn bay hơi được xác định bằng cách nung mẫu đã sấy ở nhiệt độ 550°C để đo hàm lượng chất rắn tổng cộng, sau đó cân phần tro còn lại.
Toàn bộ mẫu ban đầu được giả định chứa N ở dạng N-hữu cơ và N-NH3, trong khi N-NO2 và N-NO3 chưa có sự hiện diện đáng kể Phân tích tổng lượng N được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp Kjeldahl, kết hợp N-hữu cơ và N-NH3.
Tiền xử lý mẫu trong H2SO4 và HClO4 giúp chuyển đổi tất cả các dạng phosphate trong mẫu thành orthophosphate hòa tan Sau đó, orthophosphate sẽ phản ứng với ammonium molybdate và SnCl2 để tạo ra phức màu xanh dương Độ hấp thu của dung dịch được đo bằng máy đo quang ở bước sóng 690 nm.
Tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Công nghệ sinh học của trường Đại học Kỹ thuật công nghệ TP.HCM (HUTECH), các hợp chất, thiết bị và dụng cụ hiện đại được sử dụng để phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Về tổng thể tích khí sinh học tạo thành từ các bình ủ
Với các bình phân hủy đƣợc bố trí nhƣ trên, có thể thấy quá trình phân hủy xảy ra tuần tự qua các giai đoạn sau:
Phân hủy hiếu khí diễn ra nhờ sự hoạt động của các vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí tùy tiện, kết hợp với khí oxy có sẵn trong bình ủ Quá trình này thường diễn ra trong thời gian ngắn.
Phân hủy kỵ khí là quá trình chính trong bình ủ, diễn ra nhờ sự hoạt động của các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc sau khi oxy đã được tiêu thụ hoàn toàn.
Hình 5.1 thể hiện tổng lƣợng khí sinh học (Biogas) tạo thành từ các bình ủ trong thời gian ủ mẫu
Hình 5.1 Tổng thể tích khí sinh học tạo thành của các bình ủ
Theo đồ thị hình 5.1, thể tích khí sinh học sản sinh từ các bình ủ có tỷ lệ men giống và cơ chất khác nhau cũng khác nhau Trong thời gian ủ 30 ngày với cùng một lượng cơ chất, bình số 1 có tỷ lệ men giống thấp nhất là 1/1 (tương ứng với 100g cơ chất và 170g men giống) tạo ra thể tích khí thấp nhất, chỉ đạt 180ml Khi tăng lượng men giống bổ sung vào các bình ủ, thể tích khí sinh ra cũng tăng theo.
Bình 1 Bình 2 Bình 3 Bình 4 Bình 5 Bình 6 Bình 7 Bình 8 Mẫu trắng
Bình 1Bình 2Bình 3Bình 4Bình 5Bình 6Bình 7Bình 8Mẫu trắng sinh học tạo thành từ các bình ủ cũng tăng dần Tuy nhiên, xét trên tổng thể tích khí thì các bình sinh khí nhiều nhất là bình số 6 với tỷ lệ VS giống/VS chất là 2,5 tạo
5850ml khí và bình số 8 với tỷ lệ VS giống/VS chất là 3,0 cũng tạo một thể tích khí tương đương
Từ đồ thị cũng có thể thấy, thể tích khí sinh học tạo thành từ bình số 2 đến bình số
Tỷ lệ khối lượng men giống và khối lượng cơ chất trong mỗi bình gần như có mối quan hệ tuyến tính Tuy nhiên, từ bình số 6 trở đi, thể tích khí sinh học không còn tăng mặc dù khối lượng giống và cơ chất vẫn gia tăng, cho thấy tổng thể tích khí sinh thành từ các bình 6, 7 và 8 là khá tương đồng.
Nghiên cứu của V.Nallathambi Gunaseelan (1994) về tỷ lệ men giống và chất nền trong quá trình phân hủy kỵ khí cỏ khô Parthenium cho thấy, để quá trình sinh khí diễn ra thuận lợi, tỷ lệ men giống và chất nền tối thiểu phải đạt 3,9 Nếu tỷ lệ này thấp hơn, thể tích khí sinh ra sẽ không nhiều và không ổn định.
Theo báo cáo của P Chynoweth và cộng sự (1993), tỷ lệ men giống và cơ chất tối ưu trong quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là 2 Việc giảm tỷ lệ này có thể gây mất cân bằng phân hủy, dẫn đến sự phát triển quá nhanh của vi khuẩn acid hóa, làm tăng nồng độ acid béo bay hơi và giảm pH Các vi sinh vật sinh methane rất nhạy cảm với pH, chỉ phát triển tốt trong khoảng 6,5 - 7,5.
Khi giai đoạn acid hóa chiếm ưu thế và pH giảm xuống dưới 6, quá trình tạo thành methane bị ức chế, dẫn đến sự mất cân bằng trong quá trình phân hủy Hệ quả là quá trình phân hủy sẽ không đạt được hiệu quả hoàn toàn.
Tỷ lệ men giống và cơ chất có ảnh hưởng lớn đến lượng khí sinh ra trong quá trình ủ mẫu So sánh giữa tỷ lệ men giống và cơ chất trong nghiên cứu của chúng tôi với tỷ lệ 2,5 trong nghiên cứu khác cho thấy sự phù hợp và không có gì bất thường, đảm bảo hiệu quả trong quá trình phân hủy kỵ khí.
Tốc độ sinh khí của các bình ủ
V.2.1 Lƣợng khí sinh ra theo thời gian
Hình 5.2 Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 1 và bình số 2
Hình 5.3 Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 3 và bình số 4
Hình 5.4 Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 5 và bình số 6
Hình 5.5 Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 7 và bình số 8
Các đồ thị thể hiện thể tích khí sinh ra theo thời gian trong các hình 5.2, 5.3, 5.4 và 5.5 chỉ ra rằng, đối với các bình ủ có tỷ lệ men giống và cơ chất thấp (bình số 1 và 2), quá trình sinh khí diễn ra không hiệu quả.
2) thì quá trình sinh khí chỉ bắt đầu thực sự vào ngày thứ 4 và thứ 5 của quá trình ủ mẫu Tuy nhiên lƣợng khí sinh ra trong các ngày tiếp theo của các bình này nhìn chung là không đáng kể Đối với các bình có tỷ lệ men giống và cơ chất cao hơn (bình số 3 và 4) thì quá trình sinh khí bắt đầu ngay từ ngày thứ 2 sau khi thực nghiệm bắt đầu
Khi tỷ lệ men giống và cơ chất tăng cao, thời gian thích nghi của vi sinh vật với cơ chất sẽ giảm Quá trình thích nghi chỉ được quan sát thấy rõ ràng ở bình số 1 và bình số 2.
Trong quá trình ủ mẫu, lượng khí sinh ra đạt đỉnh từ ngày thứ 4 đến ngày thứ 12, sau đó bắt đầu giảm Nguyên nhân của hiện tượng này là do
Từ ngày thứ 12, lượng cơ chất vi sinh vật trong các bình giảm, trong khi mật độ sinh khối tăng, dẫn đến nguồn "thức ăn" không còn phong phú như trước Kết quả là, vi sinh vật sinh trưởng chậm lại và thể tích khí sinh học sản sinh trong những ngày sau cũng giảm dần.
V.2.2 Thể tích khí tích lũy theo thời gian của các bình ủ
Hình 5.6 Thể tích khí tích lũy của bình số 1 và bình số 2
Hình 5.7 Thể tích khí tích lũy của bình số 3 và bình số 4
Hình 5.8 Thể tích khí tích lũy của bình số 5 và bình số 6
Hình 5.9 Thể tích khí tích lũy của bình số 7 và bình số 8
Hình 5.6 đến 5.9 minh họa thể tích khí tích lũy theo thời gian ở các bình ủ Các bình ủ đầu (1, 2, 3 và 4) với tỷ lệ men giống và cơ chất thấp cho thấy quá trình phân hủy diễn ra chậm, dẫn đến lượng khí sinh ra không đáng kể và đường cong tích lũy tương đối thoải Ngược lại, ở các bình ủ còn lại (5, 6, 7 và 8), trong giai đoạn đầu của mẻ ủ, lượng khí sinh ra dồn dập nhưng sau đó giảm dần Điều này cho thấy khí chỉ sinh ra nhiều trong khoảng từ ngày thứ 4 đến ngày thứ 12, khi môi trường trong bình ủ còn tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật.
