Công nghệ sinh học trong xử lý chất thải

CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI Ô NHIỄM DO CHẤT THẢI RẮN XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIẾU KHÍ(Ủ PHÂN COMPOST) LỊCH SỬ CỦA QUÁ TRÌNH Ủ COMPOST Lịch sử quá trình ủ compost đã có từ rất lâu, ngay từ khi khai sinh của nông nghiệp hàng nghìn năm trước Công nguyên. Ai Cập được ghi nhận là nơi có quá trình xử lý chất thải nông nghiệp đầu tiên trên thế giới (từ 3.000 năm trước Công nguyên) Người Trung Quốc đã ủ chất thải từ cách đây 4.000 năm. Người Nhật đã sử dụng compost làm phân bón trong nông nghiệp từ nhiều thế kỷ. Tuy nhiên đến năm 1943, quá trình ủ compost mới được nghiên cứu một cách khoa học và báo cáo bởi Giáo sư người Anh, Sir Albert Howard thực hiện tại Ấn Độ. Đến nay đã có nhiều tài liệu viết về quá trình ủ compost và nhiều mô hình công nghệ ủ compost quy mô lớn được phát triển trên thế giới. ĐỊNH NGHĨA Ủ compost được 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 dưới sự tác động và kiểm soát của con người, sản phẩm giống như mùn được gọi là compost. Quá trình diễn ra chủ yếu giống như phân hủy trong tự nhiên, nhưng được tăng cường và tăng tốc bởi tối ưu hóa các điều kiện môi trường cho hoạt động của vi sinh vật. Ủ compost là quá trình chuyển hóa các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc thực vật và động vật thành hợp chất mùn Hạn chế chôn lấp rác thải và đưa vào sản xuất phân compost giúp giảm thiểu ô nhiễm đối với nguồn nước, đất và không khí. Sản xuất phân compost còn giúp diệt các mầm bệnh nguy hiểm vì trong quá trình phân hủy sinh học, nhiệt độ trong hầm ủ gia tăng làm tiêu hủy các trứng, ấu trùng, vi khuẩn trong chất thải. Phân compost sử dụng an toàn hơn phân tươi. Phân compost là loại phân giàu chất hữu cơ, chứa nhiều nguyên tố vi lượng có lợi cho đất, làm tăng độ ẩm, tăng độ phì nhiêu cho đất và hạn chế sự bạc màu của đất. Nhờ phân compost, chất lượng nông sản cũng được tăng cao, giúp nông nghiệp phát triển bền vững. Biến rác thành phân compost chính là biến rác thành tiền. Không những thế, hoạt động này còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế khác như tiết kiệm chi phí chôn lấp rác, tận dụng được nguồn tài nguyên rác, tạo công ăn việc làm cho người dân. GIỚI HẠN CỦA VIỆC Ủ PHÂN COMPOST Nguyên liệu không dùng làm compost Nguyên liệu có mầm bệnh(virus) Cỏ dại chưa diệt chết Các vật liệu kim lọai, thủy tinh, nhựa Chiều dài lý tưởng của nguyên liệu là 2-5cm, nếu nguyên liệu có kích thước quá nhỏ (tro) thì có thể trộn với các nguyên liệu khác CÁC NHÓM SINH VẬT THAM GIA Ủ PHÂN COMPOST QUÁ TRÌNH COMPOSTING HEATING PHASE Sau 3 ngày tạo đống ủ compost, nhiệt độ tăng đến 60-70oC và ổn định ở nhiệt độ này trong 2-3 tuần, hầu hết quá trình phân hủy xảy ra trong suốt giai đọan heating phase. Trong giai đọan này vi khuẩn họat động là chủ yếu. Nhiệt độ cao là kết quả của quá trình phóng thích năng lượng trong suốt quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Nhiệt độ cao có vai trò quan trọng trong quá trình ủ compost, diệt mầm bệnh, sậu bệnh, hạt cỏ và rễ cỏ. Trong suốt giai đọan đầu của quá trình ủ phân này, vi khuẩn có nhu cầu về oxy rất cao bởi vì sự phát triển mật độ của vi khuẩn rất nhanh. Nhiệt độ cao trong đống ủ là dấu hiệu cho thấy có sự cung cấp đầy đủ oxy cho vi khuẩn.Nếu không đủ không khí trong đống ủ, sự phát triển của vi khuẩn sẽ bị trở ngại và compost sẽ tăng mùi hôi thối. Độ ầm cũng cần thiết cho quá trình ủ phân vì vi khuẩn cần điều kiện ẩm cho quá trình trao đổi chất của chúng. Nhu cầu nước lớn nhất trong suốt giai đọan heating bởi vì họat động sinh học cao và sự bay hơi xảy ra mạnh. Khi nhiệt tăng thì pH đống ủ tăng (acid giảm) COOLING PHASE Khi các vật liệu hũu cơ đã được chuyển hóa bởi vi khuẩn, nhiệt độ trong đống ủ sẽ giảm từ từ đến 25-45oC. Khi nhiệt độ giảm xuống, nấm phát triển và bắt đầu phân hủy các vật liệu xơ (rơm, sợi, gỗ). Khi quá trình phân hủy giảm hơn thì nhiệt độ đống ủ không tăng. Khi nhiệt độ giảm thì pH giảm (acid tăng). MATURING PHASE Trong suốt giai đọan maturing, dinh dưỡng được khóang hóa, acid numic và kháng sinh được tạo thành. Giun và những sinh vật đất khác bắt đầu sinh sống trong đống ủ trong suốt giai đọan này. Cuối giai đọan này, compost mất đi khỏang ½ thể tích ban đầu của chúng, có màu tối, đất mầu mở và có thể sử dụng. Nếu giai đọan này kéo dài thì chất lượng phân tạo ra sẽ giảm. Trong giai đọan maturing, compost cần ít nước hơn giai đọan heating Dấu hiệu để nhận biết kết thúc giai đọan maturing: Phân chuyển sang màu tối và có mùi thơm. CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG CẦN THIẾT CHO QUÁ TRÌNH Ủ PHÂN COMPOST Ba yếu tố quan trọng nhất để tạo phân (compost) tốt là: Thành phần hóa học của nguyên liệu thô (chất lượng và số lượng của cacbon và chất khoáng, pH). Kích thước và hình dạng vật lý của nguyên liệu và độ xốp của đống ủ. Mật độ sinh vật có liên quan trong quá trình ủ (macrofauna và mesofauna = micororganisms bao gồm vi khuẩn, actinomycetes, nấm). CHẤT LƯỢNG THỨC ĂN CHO SINH VẬT Việc cung cấp cân đối tỉ lệ carbon so với nitơ (tỷ lệ C: N) quyết định quá trình khóang hóa nitơ xảy ra hay là quá trình cố định nitơ sẽ xảy ra. Khoáng hoá là quá trình chuyển hóa nitơ hữu cơ thành nitơ vô cơ (vd: amoni và nitrat); cố định là quá trình chuyển nitơ vào sinh khối vi sinh vật. Như một quy luật chung, nếu tỷ lệ C: N lớn hơn 25:01, vi sinh vật sẽ cố định nitơ vào sinh khối của chúng. Nếu C: N ít hơn 25:01, nitơ có thể bị mất vào khí quyển dưới dạng khí amoniac, gây ra mùi hôi. Nói chung, vật liệu còn xanh có tỷ lệ C : N thấp hơn vật liệu gỗ hoặc lá già, và chất thải động vật giàu nitơ hơn chất thải thực vật. Thành phần nguyên vật liệu composting có tầm quan trọng lớn. Tỉ lệ c/n và cấu trúc nguyên liệu có ảnh hưởng lớn đến quá trình ủ phân. Nguyên liệu giàu nitơ (tỉ lệ c/n thấp) thường không tạo cấu trúc tốt cho đống ủ và vì vậy gây bất lợi trong qua 1trình phân hủy compost.Nguyên liệu có cấu trúc tốt (giàu cacbon=tỉ lệ c/n cao) không đủ nitơ để cung cấp cho vi khuẩn Độ ẩm thấp sẽ cản trở quá trình ủ phân, bởi vì các vi sinh vật cần nước. Độ ẩm thấp cũng làm cho đống phân ủ dễ bị đốt cháy tự phát. Độ ẩm vượt quá 60% có nghĩa là không gian lỗ trong đống phân ủ có chứa đầy nước hơn là không khí (oxy), dẫn đến phân hủy kỵ khí. Vì vậy trong quá trình ủ phân có thể pha trộn thêm các vật liệu phụ để đạt được độ ẩm lý tưởng. Các vật liệu có chứa nhiều cacbon chẳng hạn như giấy và mùn cưa thường được sử dụng là tác nhân giảm độ ẩm. ĐỘ ẨM Cấu trúc của các hợp chất cacbon cũng ảnh hưởng đến tốc độ phá vở của chất thải hửu cơ. Sự phức tạp của các hợp chất carbon cũng ảnh hưởng đến tốc độ mà các chất thải hữu cơ được chia nhỏ. Tốc độ phân hủy được xếp theo tốc độ từ dễ đến khó phân hủy sau đây: carbohydrates> hemicellulos> cellulose = chitin> lignin. Trái cây và rau là những chất thải dễ phân hủy bởi vì chúng chứa chủ yếu là đường và tinh bột. Ngược lại, lá, thân cây, vỏ cây bị phân hủy chậm hơn vì chúng có chứa cellulose, hemicellulose và lignin. Kích thước các hạt của chất thải hữu cơ trong đống ủ có vai trò quan trọng đối với hoạt động của vi vi sinh và dòng di chuyển của không khí trong đống phân ủ. các hạt nhỏ hơn có diện tích bề mặt nhiều hơn trên mỗi đơn vị thể tích, do vậy, vi sinh vật có khả năng tiếp xúc với chúng nhiều hơn. Vì vậy, việc nguyên vật liệu trước khi ủ có thể làm tăng nhanh quá trình ủ phân. Tuy nhiên, nếu các hạt quá nhỏ, luồng không khí (và ôxy sẵn có) trong đống phân ủ sẽ bị hạn chế, kết quả đống ủ chuyển sang điều kiện kỵ khí. Hàm lượng oxy tối thiểu cho ủ hiếu khí nên duy trì là 5%. Khi họat động vi sinh vật gia tăng trong đống ủ, nhiều oxi được tiêu thụ hơn. Nếu oxi không được bô sung thì đống ủ sẽ có thể chuyển sang phân hủy kỵ khí và dẫn đến có mùi hôi thôi. Vi khuẩn phân hủy ưa thích pH trong khỏang 6,0-7,5, nấm thích pH của 5,5-8,0. Một số vật liệu như giấy, chất thải chế biền và bụi lò nung xi măng có thể làm tăng pH, và chất thải động vật và chất thải thực phẩm chế biến có thể làm giảm pH. Nếu pH trong compost vượt quá 7,5, amoniac mất ở thể khí là chủ yếu. Nhiệt độ không khí xung quanh có thể ảnh hưởng đến vi sinh vật trong đống phân ủ và do đó sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy nghuyên vật liệu thô. Trong vùng có khí hậu ôn đới, ủ phân xảy ra nhanh nhất từ mùa xuân đến mùa thu; họat động của vi sinh vật có thể giảm từ từ và dừng trong mùa đông. Kích thước và cấu hình của đống phân ủ ảnh hưởng đến lượng oxy và nhiệt độ. Thích hợp là 1m3. Đống ủ nhỏ có thể duy trì nồng độ oxy bên trong cao hơn so với đống ủ lớn, nhưng đống ủ lớn lại giữ nhiệt cao tốt hơn so với đống ủ nhỏ. Chiều cao lý tưởng cho đống ủ hiếu khí không lớn hơn 1.5-1.8m. Điều kiện tối ưu cho ủ phân compost hiếu khí là tỷ lệ (C: N) nằm giữa 25:1 và 35:1, độ ẩm từ 45% và 60%, nồng độ oxy lớn hơn 5%, kích thước hạt nguyên liệu ủ không lớn hơn 2.5cm, và độ pH giữa 5,5 và 8,5. CÁC PHƯƠNG PHÁP Ủ COMPOST ĐANG ĐƯỢC ỨNG DỤNG Các mô hình công nghệ ủ compost quy mô lớn hiện nay trên thế giới được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Theo trạng thái của khối ủ compost tĩnh hay động. Theo phương pháp thông khí khối ủ cưỡng bức hay tự nhiên, có hay không đảo trộn. Dựa trên đặc điểm, hệ thống ủ compost lại được chia thành hệ thống mở và hệ thống kín, liên tục hay không liên tục. Mô hình ủ compost hệ thống mở phổ biến nhất là các phương pháp ủ luống tĩnh, luống động có kết hợp thông khí cưỡng bức hoặc đảo trộn theo chu kỳ Nhược điểm của hệ thống mở là chịu ảnh hưởng bởi thời tiết và thời gian ủ có thể kéo dài, thường chỉ áp dụng ở quy mô nông trường, trang trại có diện tích mặt bằng lớn, xa khu đô thị. Đối với ủ compost quy mô công nghiệp trong các nhà máy lớn, hiện nay trên thế giới thường áp dụng mô hình ủ compost hệ thống kín (hay hệ thống có thiết bị chứa) giúp khắc phục được các nhược điểm của hệ thống mở, vận hành và kiểm soát quá trình thuận tiện. Thông thường hệ thống ủ compost kín hiện đại được thiết kế hoạt động liên tục, khí thải được xử lý bằng phương pháp lọc sinh học (biofilter). Các mô hình công nghệ ủ compost hệ thống kín thường được phân loại theo nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên cấu trúc và chuyển động của dòng vật liệu. Các mô hình công nghệ phổ biến nhất là: Mô hình kiểu ngang Mô hình kiểu quay Sử dụng phân ủ compost Những điều cần quan tâm khi làm composting Địa điểm: gần nguồn nguyên liệu và nơi ứng dụng compost, gần nguồn nước, đống ủ không nên đặt quá gần nhà. Nguyên liệu: nên chọn nguyên liệu sao cho tỉ lệ C/N thích hợp. Thời gian: mùa ẩm Kích thước đống ủ: khỏang 1m3, rộng 2.5m và cao 1.5m Phương pháp: Chọn phương pháp thích hợp với điều kiện khí hậu