Tài liệu Nghiên cứu thiết kế thiết bị composter xữ lý rác hữu cơ thành phân compost bằng phương pháp hiếu khí p2

1 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Hằng ngày nƣớc ta thải ra hàng ngàn tấn rác và trong đó rất nhiều chất hữu cơ phân hủy đƣợc nhƣ rau, củ, quả, rau, cơm thừa… Những chất này nếu không đƣợc xử lý đúng cách hoặc không đƣợc xử lý thì sẽ gây mùi và ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng. Mặt khác nếu chúng ta xử lý đúng cách thì nguồn hữu cơ này là một nguồn phân bón rất tốt cho cây trồng trong vƣờn và ngành nông nghiệp của nƣớc ta. Chúng sẽ thay thế tốt nguồn phân bón vô cơ. Để trả lại độ phì nhiêu cho đất biện pháp cấp thiết đó là sử dụng sản phẩm phân hữu cơ chế biến từ các nguồn khác nhau, đây chính là giải pháp hay nhất hiện nay có thể giải quyết đƣợc các vấn đề trên. Phân bón hữu cơ dựa vào các chủng vi sinh vật sẽ phân giải các chất hữu cơ, phế thải, rác thải, phế phẩm công nông nghiệp,… tạo ra sinh khối, sinh khối này rất tốt cho cây cũng nhƣ cho đất, giúp cải tạo làm đất tơi xốp. Mặt khác với mức sống trung bình của một ngƣời nông dân hiện nay khó có thể dùng các loại phân bón cho cây trồng với giá cả cao nhƣ vậy, sự ra đời của phân hữu cơ đã đáp ứng đƣợc mong muốn của ngƣời nông dân, vừa tăng năng suất lại hợp túi tiền. Trong khi đó, nguyên liệu để sản xuất phân hữu cơ từ chất thải rắn ít chịu ảnh hƣởng về mặt giá cả trên thị trƣờng giúp ngƣời dân yên tâm hơn trong việc đầu tƣ lâu dài vào ngành nông nghiệp. Thiết kế chế tạo thiết bị Composter cho phép các hộ dân hoặc bếp ăn tập thể tự sản xuất phân compost từ rác thải hữu cơ của mình, hạn chế rác thải nói chung và có thể tự sản xuất phân bón hữu cơ phục vụ trồng cây (rau xanh, cây cảnh, ...). Theo thống kê, rác thải từ hộ gia đình và các bếp tập thể chiếm khoảng 65% là chất hữu cơ (bảng 2.1). Vì thế đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị Composter xử lý rác hữu cơ thành phân compost bằng phương pháp hiếu khí với thể tích trống quay tương đương 90 lít” với mong muốn tận dụng chất thải hữu cơ để làm phân bón hữu cơ phục vụ cho cây trồng và sản xuất nông nghiệp. 2 1.2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo thiết bị Composter thùng quay xử lý rác hữu cơ thành phân compost. Thử nghiệm thực tế, hoàn thiện thiết bị và đánh giá chất lƣợng compost thu đƣợc, có phân tích chất lƣợng của phân compost. 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Rác thải là thực phẩm thừa sinh ra từ hộ gia đình hoặc bếp ăn tập thể, có chứa rau, củ, quả, cơm thừa và chất thải nông nghiệp… xử lý thành phân hữu cơ. Thiết bị Composter nhằm ủ hiếu khí rác hữu cơ thành phân mùn compost quy mô hộ gia đình và bếp ăn tập thể. 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu Sử dụng rác hữu cơ của rau, củ, quả, cơm thừa để thực nghiệm với thiết bị Composter. Chất lƣợng compost thu đƣợc sẽ đƣợc đánh giá qua phân tích hóa lý và thí nghiệm với cây trồng. 1.4. Nội dung nghiên cứu Tham khảo các thiết bị Composter trên thế giới để từ đó có cơ sở để thiết kế thiết bị Composter phù hợp với điều kiện ở Việt nam. Thiết kế chế tạo thiết bị Composter. Tiến hành nghiên cứu ủ với thiết bị Composter đã chế tạo. Phân tích chất lƣợng phân compost. Đánh giá chất lƣợng phân lên cây trồng. 3 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.5.1. Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu thiết bị Composter phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Nghiên cứu quá trình ủ compost bằng phƣơng pháp hiếu khí trong thiết bị Composter. 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn Xử lý chất thải từ rau, củ, quả, cơm thừa…. và phế phẩm nông nghiệp, tạo nguồn phân bón tốt cho cây trồng. Hạn chế lƣợng rác hữu cơ sinh ra từ gia đình và bếp ăn tập thể. 4 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU 2.1. Chất thải rắn sinh hoạt 2.1.1. Khái niệm Chất thải rắn đƣợc hiểu là tất cả các chất thải phát sinh do các hoạt động của con ngƣời và động vật tồn tại ở dạng rắn, đƣợc thải bỏ khi không còn hữu dụng hay khi không muốn dùng nữa [1]. Rác sinh hoạt: là loại rác thải bỏ trong quá trình sinh hoạt của con ngƣời, rác có thể là rau, củ, quả thừa sau quá trình chế biến thức ăn đƣợc thải bỏ… 2.1.2. Nguồn phát sinh [1] Chất thải rắn phát sinh từ những nguồn chính sau: Khu dân cƣ, chợ, khu thƣơng mại, nhà hàng, khách sạn, công sở, trƣờng học. Chất thải từ các cơ sở sản xuất, nhà máy xí nghiệp. 2.1.3. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt Các chất dễ bị phân hủy sinh học: Các thực phẩm thừa, cuống rau, lá rau, lá cây, xác động vật chết, các mảnh vải, dây buộc từ bông, sợi tự nhiên, các loại vỏ hoa quả,…[2]. Các chất khó phân hủy sinh học: Gỗ, cành cây, cao su, túi nylon [2]. Các chất hoàn toàn không bị phân hủy sinh học: Kim loại, thủy tinh, mảnh bát, mảnh sành, gạch, ngói, đá, vôi, vữa khô, vỏ sò, vỏ ốc [2]. Các mảnh vụn có kích thƣớc nhỏ hơn 8 mm đƣờng kính các loại: Sỏi, cát, than, các chất hữu cơ dễ phân hủy và không bị phân hủy sinh học [2]. 5 Bảng 2.1. Thành phần rác thải sinh hoạt [5] Stt Thành phần rác thải % Khối lƣợng 1 Rau, thực phẩm thừa, chất hữu cơ dễ phân hủy 64,7 2 Cây gỗ 6,6 3 Giấy, bao bì giấy 2,1 4 Plastic khó tái chế 9,1 5 Cao su, đế giày dép 6,3 6 Vải sợi, vật liệu sợi 4,2 7 Đất đá, bê tông 1,6 8 Thành phần khác 5,4 Thành phần rác thải nói chung là không ổn định, rất thay đổi. Chất dẻo dạng túi nylon, bao bì ngày một nhiều trở thành nguy cơ ô nhiễm trong những năm gần đây. Gạch, ngói, đá sỏi, cát, vôi vữa khô chiếm tỷ lệ lớn. Các thành phần này phụ thuộc vào vận tốc xây dựng, cải tạo nhà cửa của từng khu phố [2]. 2.1.4. Các phƣơng pháp xử lý chất thải rắn đô thị [1] Hiện nay có các phƣơng pháp chính xử lý chất thải rắn đô thị nhƣ sau: 6 Bảng 2.2. Các phương pháp xử lý chất thải rắn đô thị [1] Stt Phƣơng pháp 1 Cơ học 2 Chi tiết phƣơng pháp Giảm kích Nhiệt 3 thƣớc Phân loại theo kích thƣớc Đốt Sinh học và hóa học Phân loại theo khối lƣợng riêng Khí hóa Ủ hiếu khí Phân loại theo điện và từ trƣờng Nhiệt phân Lên men kỵ khí 2.1.4.1. Phƣơng pháp cơ học [1] Giảm kích thƣớc: Phƣơng pháp giảm kích thƣớc đƣợc sử dụng để giảm kích thƣớc của các thành phần chất thải rắn đô thị. Chất thải rắn đƣợc làm giảm kích thƣớc có thể sử dụng trực tiếp làm lớp che phủ trên mặt đất hay làm phân compost hoặc một phần đƣợc sử dụng cho các hoạt động tái sinh. Thiết bị thích hợp để làm giảm kích thƣớc chất thải rắn tùy thuộc vào loại, hình dạng, đặc tính của chất thải rắn và tiêu chuẩn yêu cầu: Các thiết bị thƣờng sử dụng là: Búa đập, rất có hiệu quả đối với các thành phần có đặc tính giòn, dễ gãy. Kéo cắt bằng thủy lực dùng để làm giảm kích thƣớc các vật liệu mềm. Máy nghiền, ƣu điểm của máy nghiền là di chuyển dễ dàng, có thể sử dụng để làm giảm kích thƣớc nhiều loại chất thải rắn khác nhau nhƣ nhánh cây, gốc cây, chất thải rắn xây dựng. Phân loại theo kích thƣớc: Phân loại theo kích thƣớc hay sàng lọc là một quá trình phân loại một hỗn hợp các vật liệu chất thải rắn có kích thƣớc khác nhau thành hai hay nhiều loại vật liệu có cùng kích thƣớc, bằng cách sử dụng các loại sàng có kích thƣớc khác nhau. Quá trình phân loại có thể thực hiện khi vật liệu ƣớt Nén 7 hoặc khô. Các thiết bị sàng đƣợc sử dụng trƣớc và sau khi nghiền rác. Đôi khi các thiết bị sàng lọc còn đƣợc sử dụng trong quá trình chế biến phân compost với mục đích tăng tính đồng nhất cho sản phẩm. Phân loại theo khối lƣợng riêng: Phân loại bằng phƣơng pháp khối lƣợng riêng là một phƣơng pháp kỹ thuật đƣợc sử dụng rất rộng rãi, dùng để phân loại các vật liệu có trong chất thải rắn dựa vào khí động lực và sự khác nhau về khối lƣợng riêng của chúng. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng để phân loại chất thải rắn đô thị, tách rời các loại vật liệu sau quá trình tách nghiền thành hai phần riêng biệt: dạng có khối lƣợng riêng nhẹ nhƣ giấy, nhựa, các chất hữu cơ và dạng có khối lƣợng riêng nặng nhƣ gỗ và các loại phế liệu vô cơ có khối lƣợng riêng tƣơng đối lớn. Phân loại theo điện trƣờng và từ trƣờng: Kỹ thuật phân loại bằng điện từ trƣờng đƣợc thực hiện dựa vào tính chất điện từ khác nhau của các thành phần chất thải rắn. Phƣơng pháp phân loại bằng từ trƣờng đƣợc sử dụng phổ biến khi tiến hành tách các kim loại màu ra khỏi kim loại đen. Phƣơng pháp phân loại bằng tĩnh điện cũng đƣợc áp dụng để tách ly nhựa và giấy dựa vào sự khác nhau về sự tích điện bề mặt của hai vật liệu này. Phân loại bằng dòng điện xoáy là kỹ thuật phân loại trong đó các dòng điện xoáy đƣợc tạo ra trong các kim loại không chứa sắt nhƣ nhôm và tạo thành nam châm nhôm. Nén chất thải rắn: Nén là một kỹ thuật làm tăng mật độ dẫn đến tăng khối lƣợng riêng của chất thải để công tác lƣu trữ và vận chuyển chất thải đạt hiệu quả cao hơn. Một vài kỹ thuật đƣợc sử dụng để nén chất thải rắn và thu hồi vật liệu sau khi nén chất thải có dạng khối, hình lập phƣơng hay viên tròn. Nén chất thải rắn làm giảm lƣu trữ khi tái sử dụng, giảm thể tích vận chuyển… 2.1.4.2. Phƣơng pháp nhiệt [1] Sử dụng nhiệt để tiêu hủy hoàn toàn chất thải rắn là một phƣơng pháp rất hiệu quả và đang đƣợc áp dụng phổ biến bởi tính ƣu việt của nó, bao gồm: Giảm thể tích chất thải rắn (giảm 80-90% khối lƣợng, thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đƣợc xử lý khá triệt để trong thời gian nhanh nhất). 8 Thu hồi năng lƣợng. Là thành phần quan trọng trong chƣơng trình quản lý tổng hợp chất thải rắn. Có thể xử lý chất thải rắn tại chỗ mà không cần phải vận chuyển đi xa, tránh đƣợc các rủi ro và chi phí vận chuyển. Song phƣơng pháp này cũng có những hạn chế nhƣ: đòi hỏi chi phí đầu tƣ và xây dựng lò đốt, chi phí vận hành lò đốt đòi hỏi phải có trình độ chuyên môn cao. Đặc biệt, quá trình đốt cháy chất thải có thể gây ô nhiễm môi trƣờng nếu các biện pháp kiểm soát quá trình đốt, xử lý khí thải không đảm bảo. 2.1.4.3. Xử lý chất thải rắn bằng phƣơng pháp chuyển hóa sinh học và hóa học [1] Quá trình ủ phân hiếu khí: Là một quá trình biến đổi sinh học đƣợc sử dụng rất rộng rãi, mục đích là biến đổi các chất thải rắn hữu cơ thành các chất vô cơ (quá trình khoáng hóa) dƣới tác dụng của vi sinh vật. Sản phẩm tạo thành mùn gọi là phân compost. Quá trình phân hủy chất thải lên men kỵ khí: Là quá trình biến đổi sinh học dƣới tác dụng của vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí, áp dụng đối với chất thải rắn có hàm lƣợng rắn từ 4-8% (bao gồm: chất thải rắn của con ngƣời, động vật, các sản phẩm thừa từ nông nghiệp và chất hữu cơ trong thành phần của chất thải rắn đô thị). Quá trình phân hủy lên men kỵ khí đƣợc áp dụng rộng rãi trên thế giới. Sản phẩm cuối cùng là khí metan, khí CO2 và chất mùn ổn định dùng làm phân bón. Quá trình chuyển hóa hóa học: Quá trình chuyển hóa hóa học bao gồm một loạt các phản ứng thủy phân đƣợc sử dụng để tái sinh tạp chất nhƣ gluco và một loạt các phản ứng khác dùng để tái sinh dầu tổng hợp, khí và axetat xenlulo. Kỹ thuật xử lý chất thải rắn bằng phƣơng pháp hóa học phổ biến nhất là phản ứng thủy phân xenlulo dƣới tác dụng của axit và quá trình biến đổi metan thành metanol. Năng lƣợng từ quá trình chuyển hóa sinh học của chất thải rắn: Một khi các sản phẩm đƣợc hình thành từ chất thải rắn hoặc từ quá trình phân hủy yếm khí 9 (tạo khí metan) hay từ biến đổi hóa học (tạo thành metanol), thì những bƣớc thực hiện tiếp theo là sử dụng và lƣu trữ. Nếu các sản phẩm này sinh ra năng lƣợng thì đòi hỏi cần thực hiện những bƣớc biến đổi tiếp theo. Biogas có thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong hoặc là sử dụng khí này làm quay tuabin để tạo ra điện năng. Trong tất cả các phƣơng pháp trên phân loại và xử lý chất thải rắn, với mục đích đề tài là xử lý sản phẩm hữu cơ thừa từ rau, củ, quả thì phƣơng pháp đơn giản là xử lý chất thải rắn bằng phƣơng pháp chuyển hóa sinh học, phƣơng pháp ủ hiếu khí là thích hợp nhất để phân hủy chất hữu cơ thành compost và giảm nguồn rác thải phát sinh. 2.2. Ủ sinh học hiếu khí rác sinh hoạt 2.2.1. Khái niệm Compost Compost là sản phẩm của quá trình chế biến compost, đã đƣợc ổn định nhƣ humus, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo các côn trùng, có thể đƣợc lƣu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng [4]. Compost là sản phẩm giàu chất hữu cơ và có hệ vi sinh vật phong phú, ngoài ra còn chứa các nguyên tố vi lƣợng có lợi cho đất và cây trồng [2]. Ủ compost đƣợc hiểu là quá trình phân hủy sinh học hiếu khí các chất thải hữu cơ dễ phân hủy sinh học đến trạng thái ổn định dƣới sự tác động và kiểm soát của con ngƣời, sản phẩm giống nhƣ mùn đƣợc gọi là compost. Quá trình diễn ra chủ yếu giống nhƣ phân hủy trong tự nhiên, nhƣng đƣợc tăng cƣờng và tăng tốc bởi tối ƣu hóa các điều kiện môi trƣờng cho hoạt động của vi sinh vật. 2.2.2. Nguồn gốc [11] Lịch sử quá trình ủ compost đã có từ rất lâu, ngay từ khi khai sinh của nông nghiệp hàng nghìn năm trƣớc công nguyên, ghi nhận tại Ai Cập từ 3.000 năm trƣớc công nguyên nhƣ là một quá trình xử lý chất thải nông nghiệp đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên đến năm 1943, quá trình ủ compost mới đƣợc nghiên cứu một cách khoa học và báo cáo bởi Giáo sƣ ngƣời Anh, Sir Albert Howard thực hiện tại Ấn Độ đã 10 khiến ông đƣợc công nhận nhƣ là cha đẻ hiện đại của nông nghiệp hữu cơ và làm vƣờn. Đến nay đã có nhiều tài liệu viết về quá trình ủ compost và nhiều mô hình công nghệ ủ compost quy mô lớn đƣợc phát triển trên thế giới. 2.2.3. Ứng dụng của phân compost Phân compost đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ trồng trọt, cây cảnh, lâm nghiệp, xử lý môi trƣờng… Bảng 2.3. Các lĩnh vực sử dụng phân compost [15] Stt Lĩnh vực Ứng dụng Cải tạo đất về mặt hóa lý, tác động tích 1 Trồng trọt 2 Cây cảnh 3 Lâm nghiệp Ƣơm giống, lớp phủ 4 Xử lý môi trƣờng Sửa đổi đất, lớp phủ cực đến cây trồng Sử dụng phân compost cho cây cảnh tại gia đình, cảnh quan đô thị Ghi chú 11 Hình 2.1. Sơ đồ chung của quá trình ủ hiếu khí chất thải rắn đô thị [1] Tất cả các quá trình làm compost đều xảy ra theo ba bƣớc: (1) xử lý sơ bộ chất thải rắn, (2) phân hủy hiếu khí phần chất hữu cơ của chất thải rắn và (3) bổ sung chất cần thiết để tạo thành sản phẩm có thể tiêu thụ trên thị trƣờng [4]. Trong quá trình làm phân compost hiếu khí, các vi sinh vật tùy tiện và hiếu khí bắt buộc chiếm ƣu thế. Ở giai đoạn đầu – pha thích nghi, giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trƣờng mới – vi sinh vật ƣu lạnh (mesophilic) chiếm ƣu thế nhất. Khi nhiệt độ gia tăng - pha tăng trƣởng và pha ƣu nhiệt – vi sinh vật chịu nhiệt (thermophilic) lại là nhóm trội trong khoảng từ 5-10 ngày. Và ở giai đoạn cuối – pha trƣởng thành – khuẩn tia (actinomycetes) và mốc xuất hiện. Do các loại vi sinh vật này có thể không tồn tại trong chất thải rắn ở nồng độ thích hợp, nên cần bổ sung chúng vào vật liệu làm phân nhƣ là chất phụ gia [4]. 2.2.4. Các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy [1] Quá trình phân hủy chất thải rắn diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và tạo nhiều sản phẩm trung gian. Ví dụ, quá trình phân hủy protein: Protein → peptides → amino axits → hợp chất ammonium → nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3. 12 Đối với carbonhydrat, quá trình phân hủy xảy ra: Carbonhydrat → đƣờng đơn → axít hữu cơ → CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn. Những phản ứng chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp, hiện vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu chi tiết. Một cách tổng quát căn cứ trên sự biến thiên nhiệt độ có thể chia quá trình ủ hiếu khí thành các pha sau: Pha thích nghi là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trƣờng mới. Pha tăng trƣởng đặc trƣng bởi sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học. Pha ƣu nhiệt là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Đây là giai đoạn ổn định chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất. Phản ứng hóa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kị khí đƣợc đặc trƣng bởi hai phƣơng trình: COHNS + O2 + vi sinh vật hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lƣợng COHNS + vi sinh vật kỵ khí → CO2 + H2S + NH3 + CH4 + sản phẩm khác + năng lƣợng. Pha trƣởng thành là giai đoạn giảm nhiệt độ đến bằng nhiệt độ môi trƣờng. Trong pha này, quá trình lên men xảy ra chậm, thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành chất mùn), các chất khoáng (sắt, canxi, nitơ…) và cuối cùng thành mùn. Ngoài ra còn xảy ra các phản ứng nitrat hóa, ammonia (sản phẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO-2) và cuối cùng thành nitrat (NO-3): NH4+ + 3/2O2→ NO2- + 2H+ + H2O NO-2 + 1/2 O2→NO3Kết hợp hai phƣơng trình trên, quá trình nitrat hóa diễn ra nhƣ sau: NH4+ + 2 O2→NO-3 + 2 H+ + H2O Mặt khác trong mô tế bào, NH4+ cũng đƣợc tổng hợp với phản ứng đặc trƣng cho quá trình tổng hợp: 13 NH4+ + 4CO2 + HCO-3 + H2O→C5H7NO2 + 5O2 Phƣơng trình phản ứng nitrat hóa tổng cộng xảy ra nhƣ sau: 22NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO-3→21NO-3 + C5H7NO2 + 20H2O + 42H+ 70 60 Nhiệt độ 50 40 30 20 10 Pha thích nghi Pha tăng trƣởng Pha ƣa nhiệt Pha trƣởng thành 0 Thời gian Hình 2.2. Biến thiên nhiệt độ trong quá trình ủ hiếu khí [1] Tóm lại quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn bao gồm ba giai đoạn chính sau: Giai đoạn nhiệt độ trung bình: Kéo dài trong một vài ngày. Giai đoạn nhiệt độ cao: Có thể kéo dài một vài ngày đến một vài tháng. Giai đoạn làm mát và ổn định: Kéo dài vài tháng. Trong quá trình phân hủy hiếu khí, ứng với từng giai đoạn ủ khác nhau các loài vi sinh vật ƣu thế cũng khác nhau. Quá trình phân hủy ban đầu do các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình chiếm ƣu thế, chúng sẽ phân hủy nhanh chóng các hợp chất dễ phân hủy sinh học. Nhiệt độ trong quá trình này sẽ gia tăng nhanh chóng do nhiệt mà các vi sinh vật này tạo ra. Khi nhiệt độ gia tăng trên 400C, các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình sẽ bị thay thế bởi các vi sinh vật hiếu nhiệt. Khi nhiệt độ gia tăng đến 550C và hơn nữa, các vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt. Khi nhiệt độ gia 14 tăng đến 650C sẽ có rất nhiều loài vi sinh vật bị chết và nhiệt độ này cũng là giới hạn trên của quá trình phân hủy hiếu khí [1]. Trong giai đoạn hiếu nhiệt, nhiệt độ cao làm tăng quá trình phân hủy protein, chất béo và các hydrocarbon phức hợp nhƣ xenlulo và hemixenlulo. Sau giai đoạn này, nhiệt độ của quá trình ủ sẽ giảm từ từ và các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình lại chiếm ƣu thế trong giai đoạn cuối [1]. 2.2.5. Các nhóm vi sinh vật có mặt trong quá trình ủ hiếu khí [1] Vi khuẩn có dạng hình que, hình phẩy hay hình xoắn, nhiều loài có khả năng tự di chuyển. Khi bắt đầu của quá trình ủ phân rác, các vi khuẩn chịu nhiệt trung bình chiếm ƣu thế. Khi nhiệt độ tăng trên 400C, các vi khuẩn hiếu nhiệt sẽ tiếp quản. Giai đoạn này, khuẩn hình que sẽ chiếm ƣu thế về số lƣợng. Khi quá trình ủ rác đƣợc làm mát, vi khuẩn chịu nhiệt trung bình lại chiếm ƣu thế. Xạ khuẩn có vai trò quan trọng trong việc phân hủy các chất hữu cơ phức tạp nhƣ xenlulo, lignin, chitin và protein trong quá trình ủ rác. Enzym của chúng cho phép xạ khuẩn phân hủy hóa học nhanh các mảnh vụn nhƣ thân cây, vỏ cây. Một vài loài xuất hiện trong giai đoạn chịu nhiệt trung bình, những loài khác đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn làm mát và ổn định. Nấm có vai trò quan trọng trong việc phân hủy các mảnh vụn, tạo cho các vi khuẩn tiếp tục quá trình phân hủy hết các xenlulo còn lại. Các loài nấm có số lƣợng lớn trong cả hai giai đoạn: nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Hầu hết nấm sống ở lớp bên ngoài của đống ủ khi nhiệt độ còn cao. Động vật nguyên sinh đƣợc tìm thấy ở trong nƣớc rỉ rác của đống ủ nhƣng có vai trò khá nhỏ trong phân hủy rác. Trùng roi đƣợc tìm thấy trong nƣớc rỉ rác của đống ủ. Chúng ăn các hợp chất hữu cơ, vi khuẩn và nấm. 15 2.2.6. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy hiếu khí [1] Vận tốc phân hủy chất hữu cơ trong quá trình ủ phân chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố nhƣ nhiệt độ, pH, vi sinh vật, oxygen, chất hữu cơ, độ ẩm, tỷ lệ C/N và cấu trúc chất thải. 2.2.6.1. Các yếu tố vật lý [1] Nhiệt độ: Nhiệt trong khối ủ là sản phẩm phụ của sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật, phụ thuộc vào kích thƣớc đống ủ, độ ẩm, không khí và tỷ lệ C/N, mức độ xáo trộn và nhiệt độ môi trƣờng xung quanh. Nhiệt độ trong hệ thống ủ không hoàn toàn đồng nhất trong suốt quá trình ủ, phụ thuộc vào lƣợng nhiệt tạo ra bởi các vi sinh vật và thiết kế của hệ thống. Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến hoạt tính của vi sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ và cũng là một trong các thông số giám sát điều khiển quá trình ủ chất thải rắn. Trong luống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55 - 650C, vì ở nhiệt độ này, quá trình chế biến phân vẫn hiệu quả và mầm bệnh bị tiêu diệt. Khi nhiệt độ tăng trên ngƣỡng này sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật. Ở nhiệt độ thấp hơn, phân hữu cơ không đạt chuẩn về mầm bệnh. Nhiệt độ trong luống ủ có thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau nhƣ hiệu chỉnh tốc độ thổi khí và độ ẩm, cô lập khối ủ với môi trƣờng bên ngoài bằng cách che phủ hợp lý. Độ ẩm (nƣớc): Là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Vì nƣớc cần thiết cho quá trình hòa tan chất dinh dƣỡng vào nguyên sinh chất của tế bào. Độ ẩm tối ƣu cho quá trình ủ phân chất thải rắn nằm trong khoảng 50 - 60%. Các vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy chất thải rắn thƣờng tập trung tại lớp nƣớc mỏng trên bề mặt phân tử chất thải rắn. Nếu độ ẩm quá nhỏ (<30%) sẽ hạn chế hoạt động của vi sinh vật, còn khi độ ẩm quá lớn (>65%) thì quá trình phân hủy sẽ chậm lại, sẽ chuyển sang chế độ phân hủy kỵ khí 16 và quá trình thổi khí bị cản trở do hiện tƣợng bít kín các khe rỗng không cho không khí đi qua gây mùi hôi, rò rỉ chất dinh dƣỡng và lan truyền vi sinh vật gây bệnh. Độ ẩm ảnh hƣởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nƣớc có nhiệt dung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác. Trong trƣờng hợp độ ẩm của khối ủ thấp, có thể điều chỉnh bằng cách thêm nƣớc vào. Còn khi độ ẩm khối ủ cao có thể điều chỉnh bằng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn nhƣ mạt cƣa, rơm rạ... Kích thƣớc hạt: Ảnh hƣởng lớn đến tốc độ phân hủy. Quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra trên bề mặt hạt, hạt có kích thƣớc nhỏ sẽ có tổng diện tích bề mặt lớn nên gia tăng sự tiếp xúc với oxy, gia tăng vận tốc phân hủy. Tuy nhiên nếu kích thƣớc hạt quá nhỏ và chặt làm hạn chế sự lƣu thông khí trong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các vi sinh vật trong đống ủ và làm giảm mức độ hoạt động của vi sinh vật. Ngƣợc lại hạt có kích thƣớc quá lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ. Đƣờng kính hạt tối ƣu cho quá trình chế biến khoảng 3 - 50mm. Kích thƣớc hạt tối ƣu có thể đạt đƣợc bằng nhiều cách nhƣ cắt, nghiền và sàng vật liệu thô ban đầu. Chất thải rắn đô thị và chất thải rắn công nghiệp phải đƣợc nghiền đến kích thƣớc thích hợp trƣớc khi làm phân. Phân bắc, bùn và phân động vật thƣờng có kích thƣớc hạt mịn, thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học. Độ rỗng (xốp): Độ rỗng của khối vật liệu ủ là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Độ rỗng tối ƣu sẽ thay đổi tùy theo loại vật liệu chế biến phân. Thông thƣờng, độ rỗng để quá trình chế biến diễn ra tốt khoảng 35 60%, tối ƣu là 32 - 36%. Độ rỗng của chất thải rắn ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình cung cấp oxy cần thiết cho sự trao đổi chất, hô hấp của các vi sinh vật hiếu khí và sự oxy hóa các phần tử hữu cơ hiện diện trong lớp vật liệu ủ. Độ rỗng thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy, nên hạn chế sự giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ 17 trong khối ủ. Ngƣợc lại, đỗ rỗng cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh không bị tiêu diệt. Độ rỗng có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỷ lệ trộn hợp lý. Kích thƣớc và hình dạng của hệ thống ủ phân rác: Kích thƣớc và hình dạng của các đống ủ có ảnh hƣởng đến sự kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm cũng nhƣ khả năng cung cấp oxy. Thổi khí: Khối ủ đƣợc cung cấp không khí từ môi trƣờng xung quanh để vi sinh vật sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng nhƣ làm bay hơi nƣớc và giải phóng nhiệt. Nếu khí không đƣợc cung cấp đầy đủ thì trong khối có thể có những vùng kỵ khí gây mùi hôi. Lƣợng không khí cung cấp cho khối phân hữu cơ có thể thực hiện bằng cách: • Đảo trộn. • Sử dụng ống thông khí. • Đổ chất thải từ tầng lƣu chứa trên cao xuống thấp. • Thổi khí. Quá trình đảo trộn cung cấp khí không đủ theo cân bằng tỷ lƣợng. Điều kiện hiếu khí chỉ thỏa mãn đối với lớp trên cùng, các lớp bên trong hoạt động trong môi trƣờng tùy tiện hoặc kỵ khí. Do đó tốc độ phân hủy giảm và thời gian cần thiết để quá trình ủ phân hoàn tất bị kéo dài. Cấp khí bằng phƣơng pháp thổi khí đạt hiệu quả phân hủy cao nhất. Tuy nhiên lƣu lƣợng khí phải đƣợc khống chế thích hợp. Nếu cấp quá nhiều khí sẽ dẫn đến chi phí cao và gây mất nhiệt của khối phân, kéo theo sản phẩm không đảm bảo an toàn vì có thể chứa vi sinh gây bệnh. Khi pH của môi trƣờng trong khối phân lớn hơn 7, cùng với quá trình thổi khí sẽ làm thất thoát nitơ dƣới dạng NH3. Trái lại, nếu thổi khí quá ít, môi trƣờng bên trong khối phân trở thành kỵ khí. Vận tốc thổi khí cho quá trình ủ phân thƣờng trong khoảng 5-10m3 khí/ tấn nguyên liệu/giờ. 18 2.2.6.2. Các yếu tố hóa sinh [1] Tỷ lệ C/N: Có rất nhiều nguyên tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật, trong đó Cacbon và Nitơ là cần thiết nhất, tỷ lệ C/N là thông số dinh dƣỡng quan trọng nhất; quan trọng kế tiếp là nguyên tố Photpho (P); Lƣu huỳnh (S); Canxi (Ca). Các nguyên tố vi lƣợng khác cũng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào. Khoảng 20 - 40% C của chất thải hữu cơ (trong chất thải nạp liệu) cần thiết cho quá trình đồng hóa thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hóa thành CO2. Cacbon cung cấp năng lƣợng và sinh khối cơ bản để tạo ra khoảng 50% khối lƣợng tế bào vi sinh vật. Nitơ là thành phần chủ yếu của protein, axit nucleic, axit amin, enzym, co-enzym cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào. Tỷ lệ C/N tối ƣu cho quá trình ủ phân rác khoảng 30/1. Ở mức tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, gây ra mùi khai. Ở mức tỷ lệ cao hơn, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật do thiếu N. Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hóa, oxy hóa phần Cacbon dƣ cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp. Do đó, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân bị kéo dài hơn và sản phẩm thu đƣợc chứa ít mùn hơn. Theo nghiên cứu cho thấy, nếu tỷ lệ C/N ban đầu là 20, thời gian cần thiết cho quá trình làm compost là 12 ngày, nếu tỷ lệ này dao động trong khoảng 20 - 50, thời gian cần thiết là 14 ngày và nếu tỷ lệ C/N là 78, thời gian cần thiết sẽ là 21 ngày. Mặc dù vậy, tỷ lệ này cũng có thể đƣợc hiệu chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu ủ, trong đó quan trọng nhất là cần quan tâm tới các vật liệu ủ có hàm lƣợng lignin cao. Trừ phân ngựa và lá khoai tây, tỷ lệ C/N của tất cả các chất thải khác nhau đều phải đƣợc điều chỉnh để đạt giá trị tối ƣu trƣớc khi tiến hành làm compost. Tỷ lệ C/N của các chất thải khác nhau đƣợc trình bày trong bảng 2.4. Khi bắt đầu quá trình ủ phân rác, tỷ lệ C/N là 30/1 và giảm dần còn 15/1 ở các sản phẩm cuối cùng do 2/3 Cacbon đƣợc giải phóng tạo ra CO2, khi các hợp chất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật. 19 Trong thực tế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỷ lệ C/N tối ƣu gặp phải khó khăn vì những lý do sau: • Một phần các cơ chất nhƣ xenlulo và lignin khó bị phân hủy sinh học, chỉ bị phân hủy sau một khoảng thời gian dài. • Một số chất dinh dƣỡng cần thiết cho vi sinh vật không sẵn có. • Quá trình cố định N có thể xảy ra dƣới tác dụng của nhóm vi khuẩn Azotobacter, đặc biệt khi có đủ PO3-4. • Phân tích hàm lƣợng C khó đạt kết quả chính xác. Bảng 2.4. Tỷ lệ C/N của chất thải (tính theo chất khô)[1] STT Chất thải N (% khối lƣợng khô) Tỷ lệ C/N 1 Phân bắc 5,5-6,5 6-10 2 Nƣớc tiểu 15-18 0,8 3 Máu 10-14 3,0 4 Phân động vật - 4,1 5 Phân bò 1,7 18 6 Phân gia cầm 6,3 15 7 Phân cừu 3,75 22 8 Phân heo 3,75 20 9 Phân ngựa 2,3 25 10 Bùn cống thải khô 4-7 11 11 Bùn hoạt tính đã phân hủy 1,88 15,7 12 Bùn cống đã phân hủy 2,4 - 13 Bùn hoạt tính thô 5,6 6,3 14 Cỏ cắt xén 3-6 12-15 15 Chất thải rau quả 2,5-4 11-12 16 Cỏ hỗn hợp 2,4 19 17 Lá khoai tây 1,5 25 18 Trấu lúa mì 0,3-0,5 128-150 20 STT Chất thải N (% khối lƣợng khô) Tỷ lệ C/N 19 Trấu yến mạch 1,05 48 20 Gỗ nghiền 0,13 170 21 Mạt cƣa 0,1 200-500 22 Gỗ thông 0,07 723 23 Trái cây thải 1,52 34,8 24 Chất thải giết mổ hỗn hợp 7-10 2 25 Giấy hỗn hợp 0,25 173 26 Giấy báo 0,05 983 27 Giấy nâu (gói hàng) 0,01 4490 28 Tạp chí 0,07 470 29 Tài liệu 0,17 223 30 Cỏ xén 2,15 20,1 31 Lá cây (tƣơi) 0,5-1,0 40-80 32 Sinh khối thực vật 1,96 20,9-24 (Nguồn: Chongrak, 1996, Tchobanoglous và cộng sự, 1993) Oxy: Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân rác. Khi vi sinh vật oxy hóa Cacbon tạo năng lƣợng, oxy sẽ đƣợc sử dụng và khí CO2 đƣợc sinh ra, khi không có đủ oxy thì sẽ trở thành quá trình yếm khí và tạo ra mùi hôi nhƣ mùi trứng gà thối của khí H2S. Các vi sinh vật hiếu khí có thể sống đƣợc ở nồng độ oxy bằng 5%. Nồng độ oxy lớn hơn 10% đƣợc coi là tối ƣu cho quá trình ủ phân rác hiếu khí. Tổng lƣợng khí cần cung cấp và do lƣu lƣợng dòng khí là các thông số thiết kế quan trọng đối với hệ thống ủ trong thùng kín. Nhu cầu oxy thay đổi theo tiến trình ủ gián đoạn, do đó cần xác định nhu cầu oxy tối đa để chọn máy thổi khí và thiết kế hệ thống ống phân phối khí phù hợp. Dinh dƣỡng: Ngoài một số nguyên tố đa lƣợng, quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật cũng cần một số nguyên tố vi lƣợng khác