Bài 13: Công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong thu hồi khí sinh học và xử lí chất thải rắn
Nội dung lý thuyết
I. CÔNG NGHỆ THU HỒI KHÍ SINH HỌC
1. Khí sinh học
Khí sinh học đã và đang được sử dụng ở nhiều quốc gia để cung cấp năng lượng như khí đốt, điện sinh hoạt cho người dân ở ngoại ô của các thành phố lớn và vùng nông thôn. Cùng với năng lượng mặt trời và khí hydrogen, khí sinh học được coi là nguồn năng lượng tái sinh.
Khí sinh học là hỗn hợp khí gồm 55 – 65 % methane, 35 – 45 % carbon dioxide và 1 – 3 % các khí khác được sinh ra từ quá trình phân giải kị khí các hợp chất hữu cơ nhờ các nhóm vi sinh vật khác nhau.
Quá trình này được gọi là lên men methane, chia thành bốn giai đoạn.
Vi sinh vật tham gia trong mỗi giai đoạn lên men methane là tổ hợp các vi khuẩn khác nhau.
2. Các nguồn nguyên liệu được sử dụng để thu hồi khí sinh học bằng công nghệ lên men methane
Các nghiên cứu thành phần hoá học tế bào và hoạt động sinh lí của tế bào vi sinh vật cho thấy nhu cầu đồng hoá carbon so với nitrogen của vi sinh vật gấp khoảng 20 – 30 lần. Các nguồn nguyên liệu được sử dụng để sản xuất khí sinh học rất đa dạng và phong phú bao gồm:
– Các loại bùn từ ao tù, đầm lầy, cống rãnh, bùn trong xử lí nước thải bậc một và bậc hai. Đây là nguyên liệu sản xuất khí sinh học khá phù hợp, đặc biệt, bùn từ quá trình xử lí nước thải có hàm lượng protein cao do 60 – 70 % là sinh khối vi khuẩn cùng các vitamin và khoáng chất.
– Các loại phân hữu cơ: các loại phân gia súc, gia cầm,... Các loại phân gia súc có tỉ lệ C/N (carbon/nitrogen) rất phù hợp để lên men methane thu khí sinh học. Các loại phân khác nếu sử dụng cần phải được phối trộn thêm các thành phần khác để đảm bảo tỉ lệ C/N phù hợp.
– Các loại nước thải từ chăn nuôi, cơ sở chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác không có độc tố ức chế hoạt động của các vi sinh vật.
– Các loại phế phẩm, phụ phẩm từ nông nghiệp như rơm rạ, thân cây ngô, đậu, mùn cưa, trấu, vỏ cà phê,... Các phế phẩm, phụ phẩm này phổ biến, giàu cellulose nhưng thường nghèo nitrogen nên tỉ lệ CN không phù hợp. Nguyên liệu này cần phải được làm nhỏ và phối trộn thêm các nguyên liệu giàu nitrogen khi tiến hành lên men methane.
3. Công nghệ sản xuất khí sinh học
Sản xuất khí sinh học từ bất kì nguồn nguyên liệu nào đều tiến hành qua các giai đoạn tương tự và có thể khái quát theo sơ đồ:
Hiện nay, công nghệ lên men thu hồi khí sinh học đã áp dụng ở quy mô các hộ gia đình, đặc biệt là tại các vùng nông thôn, nơi có nguồn nguyên liệu khá dồi dào. Hệ thống bể lên men có thể được làm từ gạch và vữa, bê tông, kim loại hoặc vật liệu tổng hợp (composite) với dung tích vài mét khối đến hàng chục mét khối. Công nghệ lên men thu hồi khí sinh học gồm ba giai đoạn:
- Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu: Các nguyên liệu cần nghiền nhỏ nếu kích thước lớn, phối chế với nguyên liệu khác để đảm bảo tỉ lệ C/N là 20 – 30 (lượng carbon gấp 20 – 30 lần lượng nitrogen theo nhu cầu đồng hoá của vi sinh vật). Nguyên liệu cần được trộn kĩ với nước, rồi đánh tơi. Nguyên liệu và giống vi sinh vật sau đó được nạp vào bể lên men. Giống vi sinh vật là tổ hợp các vi sinh vật như Bacteroides, Clostridium, Methanobacterium, Methanosarcina,... có trong bùn thải.
– Giai đoạn lên men methane: Có thể tiến hành theo mẻ, bán liên tục hoặc liên tục tuy thuộc vào thiết kế của hệ thống lên men. Thời gian lưu nguyên liệu phụ thuộc vào loại nguyên liệu (chất thải chăn nuôi 35 – 45 ngày, rơm rạ 80 – 100 ngày). Nhiệt độ của quá trình lên men có thể duy trì hai chế độ khoảng 30 – 35 °C hoặc 50 – 55 °C.
– Giai đoạn thu hồi khí: Khí được thu hồi thông qua hệ thống ống dẫn và van. Hỗn hợp khí cần được xử lí để tăng hàm lượng CH, và giảm mùi hôi.
Hiện nay, ở các trang trại chăn nuôi, nguồn chất thải phân trâu, bò hoặc lợn sau khi loại bỏ nước tiểu được phối trộn với trấu và bèo tây nghiền nhỏ theo tỉ lệ 3,1 : 3,2 : 4,3 (khối lượng tươi) để đảm bảo tỉ lệ C/N = 25 của nguyên liệu, rồi bổ sung nước. Sau đó, người ta bổ sung tổ hợp các vi sinh vật bằng cách sử dụng một phần bùn từ mẻ lên men trước hoặc bổ sung chế phẩm vi sinh cùng với nguyên liệu đưa vào bể để tiến hành lên men thu khí sinh học. Hiệu quả thu khí CH, có thể đạt 0,3 – 0,4 m3/m3 nguyên liệu/ngày.
II. CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ CHẤT THẢI RẮN
1. Đặc điểm của chất thải rắn
Chất thải rắn rất đa dạng về chủng loại bao gồm rác thải sinh hoạt, rác thải xây dựng và chất thải thông thường từ công nghiệp và nông nghiệp. Thành phần chất thải rắn gồm các chất hữu cơ, vô cơ và nhiều nhóm vi sinh vật như vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc, nấm men. Bên cạnh những vi sinh vật dị dưỡng, trong rác thải cũng xuất hiện các nhóm vi sinh vật hoá tự dưỡng. Các vi sinh vật tồn tại trong rác thải có thể là nhóm hiếu khí, kị khí hoặc kị khí tuỳ nghi. Các vi sinh vật đó được chia thành nhóm ưa ấm (25 – 35 °C), ưa nhiệt (50 – 55 °C) và chịu nhiệt (70 – 85 °C).
2. Công nghệ xử lí rác thải rắn nhờ công nghệ vi sinh
Hiện nay có nhiều phương pháp xử lí chất thải rắn gồm có chôn lấp, đốt, thải trực tiếp ra sông hồ và sử dụng công nghệ vi sinh vật. Các phương pháp chôn lấp, đốt, thải ra sông hồ là những phương pháp truyền thống nhưng lại là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí khu vực xung quanh. Với sự xuất hiện của các nhóm vi sinh vật khác nhau trong rác thải rắn, công nghệ ứng dụng vi sinh vật được lựa chọn để xử lí rác thải bằng phương pháp ủ hiếu khí và ủ kị khí để tạo ra các sản phẩm phân bón cho cây trồng.
- Ủ hiếu khí là phương pháp mà trong đó rác thải rắn được tập hợp thành luống, đống hoặc đưa vào các bể ủ, có đảo trộn hoặc thổi khí để các nhóm vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng.
- Ngược lại, trong phương pháp ủ kị khí rác thải được tập hợp thành đống, trát kín hoặc chôn lấp trong các hố sâu, nén chặt và phủ kín tạo điều kiện kị khí cho các nhóm vi sinh vật kị khí phát triển.
Quy trình sản xuất phân hữu cơ được chia thành ba giai đoạn:
- Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu: Để xử lí hiệu quả, chất thải rắn cần được phân loại thành các nhóm rác vô cơ và rác hữu cơ. Một số loại rác vô cơ như kim loại, thuỷ tinh và một số loại rác hữu cơ như giấy, bìa, chất dẻo, nhựa, gỗ được loại ra để tái chế, các loại rác vô cơ khác được loại bỏ và chôn lấp. Việc phân loại rác này có thể thực hiện từ nguồn, tức là tại hộ gia đình, cơ sở kinh doanh hoặc tại các nhà máy thu gom rác thải. Trong thành phần rác hữu cơ cũng có một số thành phần khó phân giải, vì vậy cũng cần loại bỏ những thành phần này trong rác thải. Nguyên liệu rác hữu cơ sau đó được nghiền nhỏ, phối trộn với nguyên liệu khác để đảm bảo tỉ lệ C/N là 30 – 35, bổ sung nước, giống vi sinh vật, đảo trộn cho đồng đều về độ ẩm và vi sinh vật. Giống vi sinh vật gồm các nhóm vi sinh vật ưa ấm, ưa nhiệt, chịu nhiệt. Độ ẩm của đống ủ cần duy trì ở 45 – 50 %. Nguyên liệu được đánh luống cao khoảng 1,5 – 2,0 m hoặc chất vào bể ủ có chiều cao khoảng 2,0 − 2,5 m để chuẩn bị cho giai đoạn xử lí tiếp theo.
- Giai đoạn ủ rác thải: Trong quá trình ủ, khí O2 được cung cấp cho đống ủ bằng hệ thống thổi khí và phận tán khí thiết kế phía dưới đống ủ, phun nước nếu cần thiết. Thời gian ủ thường kéo dài khoảng 3 tuần, nhiệt độ đống ủ tăng cao lên 50 – 60 °C. Sau khi nhiệt độ đống ủ hạ xuống nhiệt độ bình thường, dỡ đống ủ và đưa vào ủ bổ sung, thời gian kéo dài 2 tuần. Trong quá trình này, cần đảo trộn để cung cấp đủ oxygen cho vi sinh vật tồn tại trong đống ủ.
- Giai đoạn thu hồi và hoàn thành thành phẩm: Phân sau ủ được sàng lọc để loại bỏ các vật có kích thước lớn, không phân giải trong quá trình ủ. Sau đó, các chất phụ gia, thành phần N, P, K, vi lượng được trộn bổ sung. Thành phẩm được đóng gói và bảo quản trong kho.