Đề tài Nghiên cứu sử dụng chủng Phanerochaete chrysosporium phân hủy rác hữu cơ làm compost

Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Sự cần thiết của đề tài Thành phố Hồ Chí Minh bao gồm 19 quận và 5 huyện, tổng diện tích 2.095,01 km². Vào năm 2006, thành phố có dân số 6.424.519 người. Cùng với sự phát triển kinh tế, kéo theo đó là hàng loạt các vấn đề về ô nhiễm môi trường. Mỗi ngày tại thành phố Hồ Chí Minh có trên 6.000 tấn rác thải sinh hoạt được thải ra môi trường. Vấn đề rác thải hiện nay đang là vấn đề báo động đối với thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và cả nước nói chung. Các loại rác thải sinh hoạt hiện nay chủ yếu được đem chôn lấp, chỉ số ít được xử lý, vì vậy đã gây ra ô nhiễm nguồn nước ngầm và ô nhiễm không khí trầm trọng. Các loại rác thải sinh hoạt của thành phố Hồ Chí Minh chủ yếu được chôn lấp tại các bãi rác như bãi rác Đông Thạnh, Phước Hiệp, Gò Cát… nhưng các bãi rác này hiện nay đang ngày một quá tải và hàng loạt vấn đề kéo theo như phát thải khí metan, nước rỉ và đặc biệt là mùi, đây là kết quả của việc phân hủy tự nhiên các chất hữu cơ có trong rác thải. Vì vậy, vấn đề đặt ra hiện nay là phải có biện pháp xử lý rác thải hiệu quả, không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng rác thải thành các sản phẩm có giá trị kinh tế. Đã có nhiều biện pháp được đưa ra như phun thuốc hóa học, đem đốt, cho vào thùng và bỏ xuống đáy biển… Tuy nhiên các phương pháp này rất tốn kém và đặc biệt ảnh hưởng xấu đến môi trường. Biện pháp được ưu tiên hàng đầu hiện nay để xử lý rác thải sinh hoạt là sử dụng phương pháp phân hủy sinh học, vì thành phần chủ yếu trong rác thải sinh hoạt chiếm 65 – 90% là thành phần hữu cơ. Sử dụng phương pháp sinh học ít tốn kém, không gây ô nhiễm môi trường và nhất là phù hợp với các qui luật tự nhiên, có thể tái sử dụng và tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Vì vậy, cần phải xem rác thải như một nguồn tài nguyên cần được khai thác chứ rác không phải là thứ bỏ đi. Rác thải là nguồn tài nguyên quý giá và vô tận khi chúng ta biết tận dụng nó đúng cách. Bằng các phương pháp sinh học, rác thải sẽ được xử lý thành nguồn phân bón có giá trị. Hiện nay, có 2 phương pháp ủ rác thải thông qua VSV phổ biến nhất là ủ hiếu khí và ủ kỵ khí. Phương pháp ủ hiếu khí là rác thải bị phân hủy bởi VSV trong điều kiện có oxy, sinh ra khí cacbonic, hơi nước và nhiệt. Sản phẩm ổn định sẽ làm phân bón cho nông nghiệp. Phương pháp ủ kỵ khí là rác thải bị VSV phân hủy trong điều kiện không có oxy, sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy kỵ khí chủ yếu là khí metan, khí cacbonic, sản phẩm trung gian giữa axit hữu cơ và rượu. Khí mêtan sinh ra có thể thu hồi, sử dụng làm nguồn năng lượng chất đốt. Quá trình phân hủy kỵ khí còn có sản phẩm phụ là cặn. Vì vậy cần phải xử lý cặn. Như vậy, sử dụng phương pháp ủ hiếu khí đơn giản hơn, dễ làm nhưng không thu hồi được năng lượng sinh ra như phương pháp ủ kỵ khí. Phương pháp này phù hợp với những nơi điều kiện kinh tế chưa phát triển, phù hợp với các nước đang và chậm phát triển, trong đó có Việt Nam, còn phương pháp ủ kỵ khí khó làm hơn, cần chi phí đầu tư xây dựng mới có thể làm được, nhưng lại thu hồi được lượng metan làm nguồn năng lượng chất đốt, phương pháp này phổ biến ở các nước phát triển phương tây. Đề tài đã chọn phương pháp ủ hiếu khí vì nó thích hợp với điều kiện thực tế ở nước ta, dễ làm, đơn giản. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp chôn lấp hiện nay là là giảm phát thải khí mêtan, một trong những tác nhân gây ô nhiễm không khí. Vấn đề đặt ra ở đây là phải phân loại rác, chủ yếu rác thải sinh hoạt hiện nay chưa được phân loại tại nguồn, gây khó khăn cho quá trình ủ. Vì vậy trước khi đem ủ, cần băm rác nhỏ, tách lựa các chất vô cơ như túi nilon, gỗ lớn, sắt, nhựa… 1.2 Mục đích của đề tài: Mục đích của đề tài là nghiên cứu sử dụng chủng VSV Phanerochaete chrysosporium, kết hợp xạ khuẩn và nấm Trichoderma phân hủy chất thải rắn hữu cơ làm compost. Đánh giá hiệu quả và tốc độ phân hủy so với không bổ sung VSV. Đo hàm lượng các chất dinh dưỡng trong sản phẩm, bổ sung dinh dưỡng N, P, K để tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ vi sinh đạt tiêu chuẩn 10TCN 526-2002 của bộ nông nghiệp phát triển nông thôn hiện nay và có thể đem bán ra thị trường. 1.3 Giới hạn của đề tài Đề tài chỉ tập trung vào qui trình công nghệ để sản xuất compost, các yếu tố ảnh hưởng và các tác nhân sinh học, không đề cập đến thiết kế kỹ thuật công trình, không đề cập đến bản vẽ. Qui trình xử lý rác thải sinh hoạt, chủ yếu là rác hữu cơ, không đề cập đến các loại rác thải khác. Đề tài chỉ tập trung vào giai đoạn phân hủy sinh học, các bước cơ bản ban đầu như tách lựa, băm rác, sàng lọc làm hoàn toàn bằng thủ công. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Khái niệm compost, con đường hình thành: 2.1.1 Khái niệm compost: 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 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, ghi nhận tại Ai Cập từ 3.000 năm trước Công nguyên như là một quá trình xử lý chất thải nông nghiệp đầu tiên trên thế giới. 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. Compost là sản phẩm giàu chất hữu cơ và có hệ vi sinh vật dị dưỡng phong phú, ngoài ra còn chứa các nguyên tố vi lượng có lợi cho đất và cây trồng. Sản phẩm compost được sử dụng chủ yếu làm phân bón hữu cơ trong nông nghiệp hay các mục đích cải tạo đất và cung cấp dinh dưỡng cây trồng. Ngoài ra, compost còn được biết đến trong nhiều ứng dụng, như là các sản phẩm sinh học trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, hay các sản phẩm dinh dưỡng, chữa bệnh cho vật nuôi và cây trồng. Phương pháp ứng dụng vi sinh vật rất quan trọng trong quá trình ủ compost. Thực tế, hệ vi sinh vật cần thiết cho quá trình ủ compost đã có sẵn trong vật liệu hữu cơ, tự thích nghi và phát triển theo từng giai đoạn của quá trình ủ compost. Các thành phần bổ sung thông thường có thể là sản phẩm sau ủ compost hay các thành phần giúp điều chỉnh dinh dưỡng (C/N). Việc bổ sung các chế phẩm có bản chất là vi sinh vật ngoại lai hay enzyme là không cần thiết mà vẫn có thể ủ compost thành công. Kiểm soát tốt các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật chính là nhân tố quyết định sự thành công của quá trình ủ compost. Kiểm soát tốt quá trình ủ compost cũng giúp giảm phát sinh mùi ô nhiễm và loại bỏ các mầm vi sinh vật gây bệnh. Vì vậy các giải pháp kỹ thuật trong công nghệ ủ compost hiện đại đều hướng tới mục tiêu kiểm soát tối ưu các điều kiện môi trường cùng với khả năng vận hành thuận tiện. Đặc điểm cần lưu ý đối với ủ compost từ chất thải rắn đô thị là phân loại để loại bỏ các kim loại nặng hay các hóa chất độc hại khác vì chúng cản trở quá trình chuyển hóa và có nguy cơ gây ô nhiễm cho sản phẩm compost. 2.1.2 Mục đích của quá trình ủ compost: Ổn định chất thải: các phản ứng sinh học xảy ra trong quá trình compost sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ dễ thối rữa sang dạng ổn định chủ yếu là các chất vô cơ ít gây ô nhiễm môi trường khi thải ra đất hoặc nước. Làm mất hoạt tính của VSV: nhiệt của chất thải sinh ra từ quá trình phân hủy sinh học có thể đạt khoảng 50 - 600C, đủ để làm mất hoạt tính của vi khuẩn gây bệnh, virus có hại nếu như nhiệt độ này được duy trì ít nhất 3 ngày. Do dó, các sản phẩm của quá trình compost có thể sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng an toàn cho đất. Thu hồi dinh dưỡng và cải tạo đất: Các chất dinh dưỡng (N, P, K) có trong chất thải thường ở dạng hữu cơ phức tạp, cây trồng khó hấp thụ. Sau quá trình compost các chất này được chuyển hóa thành các chất vô cơ như NO3- và PO43- thích hợp cho cây trồng. Sử dụng sản phẩm của quá trình chế biến compost bổ sung dinh dưỡng vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng không tan. Thêm vào đó, lớp đất trồng cũng được cải thiện nên giúp rễ cây phát triển tốt hơn. Tăng khả năng kháng bệnh cho cây trồng: đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới chứng minh sự tăng khả năng kháng bệnh của cây được trồng trong đất có bón compost. Cho đến nay, ở Việt Nam compost chưa được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp. Với hàm lượng dinh dưỡng cao dễ hấp thụ và chủng loại VSV đa dạng, phân hữu cơ không những làm tăng năng suất cây trồng mà còn có khả năng kháng bệnh cao. 2.1.3 Động học quá trình compost Vi sinh vật Quá trình chuyển hóa sinh học hiếu khí CTR có thể biểu diễn một cách tổng quát theo phương trình sau: Chất hữu cơ + O2 + Dinh dưỡng Tế bào mới + Chất hữu cơ khó phân hủy + CO2 + H2O + NH3 + SO4 2- + …. + Nhiệt. Nếu chất hữu cơ có trong CTR được biểu diễn dưới dạng CaHbOcNd, sự tạo thành tế bào mới và sulfate không đáng kể và thành phần của vật liệu khó phân hủy còn lại được đặc trưng bởi CwHxOyNz thì lượng oxy cần thiết cho quá trình ổn định hiếu khí các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học của CTR đô thị có thể được ước tính theo phương trình phản ứng sau: CaHbOcNd + 0.5(ny + 2s + r – c)O2 à nCwHxOyNz + sCOz + rH2O + (d – nx)NH3 Trong đó: r = 0.5[b – nx – 3(d – nx)] s = a – nw CaHbOcNd và CwHxOyNz biểu diễn thành phần phân tử thực nghiệm của chất hữu cơ ban đầu và sau khi kết thúc quá trình. Nếu quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn, phương trình biểu diễn có dạng như sau: b – 3d 2 4a + b – 2c – 3d 4 CaHbOcNd + O2 à aCO2 + H2O + dNH3 Trong nhiều trường hợp, amoniac sinh ra từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ bị tiếp tục oxy hóa thành nitrat (quá trình nitrat hóa). Lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniac thành nitrat có thể tính theo phương trình sau: NH3 + 3/2 O2 à HNO3 + H2O HNO2 + ½O2 à HNO3 __________________________ NH3 + 2O2 à H2O + HNO3 VSt VSo Như vậy, trong quá trình phân hủy sinh học hiếu khí, sản phẩm tạo thành không có mặt CH4. Hay nói cách khác, trong trường hợp này tốc độ phân hủy được xác định dựa trên hàm lượng chất hữu cơ còn lại theo thời gian phân hủy và được biểu diễn như sau: ln =-k*t Quá trình phân hủy chất thải xảy ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và sản phẩm trung gian. Ví dụ quá trình phân hủy protein bao gồm các bước: Protein à peptodes à amino acids à hợp chất ammonium à nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3. Đối với carbonhydrats, quá trình phân hủy xảy ra theo các bước như sau: Carbonhydrate à đường đơn à acid hữu cơ à CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn. Chính xác những chuyển hóa hóa sinh xảy ra trong quá trình composting vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết. Các giai đoạn khác nhau trong quá trình làm compost có thể phân biệt theo biến thiên nhiệt độ như sau: * Pha thích nghi (latent phase) là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trường mới; * Pha tăng trưởng (growth phase) đặc trưng bởi sự gia tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học đến ngưỡng nhiệt độ mesophilic; * Pha ưa nhiệt (thermophilic phase) là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Đây là giai đoạn ổn định hóa chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất. Phản ứng hóa sinh này được đặc trưng bằng các phương trình (1) và (2) trong trường hợp làm compost hiếu khí và kị khí như sau: COHNS + O2 + VSV hiếu khí à CO2 + NH3 + Sản phẩm khác + Năng lượng (1) CHONS + VSV kỵ khí à CO2 + H2S + NH3 + CH4 + Sản phẩm khác + Năng lượng(2) * Pha trưởng thành (maturation phase) là giai đoạn giảm nhiệt độ đến mức mesophilic và cuối cùng bằng nhiệt độ môi trường. Quá trình lên men lần thứ hai xảy ra chậm và thích hợp cho sự hình thành các keo mùn (là quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành chất mùn) và các chất khoáng (sắt, canxi, nitơ,…) và cuối cùng thành mùn. Các phản ứng nitrate hóa, trong đó ammonia (sản phẩm phụ của quá trình ổn định hóa chất thải bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2-) và cuối cùng thành nitrate (NO3-) cũng xảy ra như sau: Nitrosomonas bacteria NH4 + + 3/2 O2 -------------------------------------> NO2 - + 2H+ + H2O (3) Nitrobactor bacteria NO2- + ½ O2 -------------------------------------> NO3 - (4) Kết hợp hai phản ứng (3) và (4), quá trình nitrate hóa xảy ra theo phương trình phản ứng sau: NH4+ + 2O2 à NO3- + 2H+ + H2O (5) Vì NH4+ cũng được tổng hợp trong mô tế bào, phản ứng đặc trưng cho quá trình tổng hợp mô tế bào như sau: NH4+ + 4CO2 +HCO3- + H2O à C5H7O2N + 5O2 (6) Kết hợp phương trình (5) và (6), ta có phương trình phản ứng nitrate hóa tổng cộng xảy ra như sau: 22NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- à 21NO3- + C5H7O2N + 20H2O + 42H+ Hình 2.1: Biến thiên nhiệt độ trong quá trình Composting 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ Compost Bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, pH, kích thước nguyên liệu và nguồn đạm trong nguyên liệu. 2.1.4.1 Nhiệt độ: Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của VSV trong quá trình compost. Hầu hết các tài liệu cho thấy nên duy trì nhiệt độ 55-600C trong luống ủ compost vì ở nhiệt độ này quá trình chế biến compost vẫn có hiệu quả và mầm bệnh bị tiêu diệt. Nhiệt độ tăng trên ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của VSV. Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ trên, compost không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh. Nhiệt độ trong luống ủ compost có thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau như hiệu chỉnh tốc độ thổi khí và độ ẩm cô lập khối ủ với môi trường bên ngoài bằng cách che phủ hợp lý. 2.1.4.2 Nước và độ ẩm: Nước và độ ẩm rất quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ủ compost. Nếu quá ẩm sẽ gây thiếu oxy, không khí khó lọt qua đống ủ. Quá khô sẽ ảnh hưởng đến hoạt động VSV vì VSV cần độ ẩm. Độ ẩm tối ưu cho quá trình ủ compost khoảng 50-60%. Độ ẩm thấp có thể điều chỉnh bằng cách trộn vật liệu độn có độ ẩm cao. Độ ẩm của phân bắc, bùn, phân động vật thường cao hơn giá trị tối ưu, do đó cần bổ sung thêm các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết. Đối với hệ thống làm compost vận hành liên tục, độ ẩm có thể được khống chế bằng cách tuần hoàn sản phẩm compost như sơ đồ sau. Hình 2.2: Tuần hoàn sản phẩm compost 2.1.4.3 pH: VSV cần một khoảng pH tối ưu để hoạt động. pH tối ưu khoảng 6.5-8.0. Tùy thuộc vào thành phần tính chất của chất thải, pH sẽ thay đổi trong quá trình ủ compost. 2.1.4.4 Kích thước nguyên liệu: Kích thước nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phân hủy. Quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra trên bề mặt hạt, hạt có kích thước nhỏ sẽ có tổng diện tích bề mặt lớn nên sẽ tăng sự tiếp xúc với oxy, có thể làm tăng vận tốc phân hủy trong một khoảng độ xốp nhất định, vì hạt quá nhỏ sẽ có độ xốp thấp ức chế vận tốc phân hủy. Hạt có kích thước quá lớn sẽ có độ xốp cao và có thể tao ra các kênh thổi khí làm cho sự phân bổ khí không đồng đều, không có lợi cho quá trình ủ compost ảnh hưởng đến chất lượng chế biến phân bón. Kích thước hạt tối ưu cho quá trình chế biến trong khoảng đường kính từ 3-50mm. Kích thước hạt có thể đạt tối ưu bằng cách cắt, nghiền, hoặc sàng vật liệu thô ban đầu. Chất thải rắn sinh hoạt và chất thải nông nghiệp phải được nghiền đến kích thước thích hợp trước khi làm phân. Phân bắc, bùn và phân động vật thường có kích thước hạt mịn, thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học. 2.1.4.5 Nguồn đạm trong nguyên liệu: Thông số dinh dưỡng quan trọng nhất là tỉ lệ C/N, nhu cầu N trong nguyên liệu làm compost chiếm khoảng 2-4% C ban đầu, hay nói cách khác tỉ lệ C/N khoảng 25/1. Trong thực tế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỉ số C/N tối ưu gặp khó khăn do một phần các chất C như Cellulose và Lignin khó phân hủy sinh học, chỉ bị phân hủy sau một thời gian dài. Một số chất dinh dưỡng cần thiết cho VSV không sẵn có. Quá trình cố định N có thể xảy ra dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn Azotobacter, đặc biệt khi có mặt đủ PO43-. Phân tích hàm lượng C khó đạt kết quả chính xác. Nếu tỉ lệ C/N của vật liệu làm compost cao hơn giá trị tối ưu sẽ hạn chế sự phát triển của VSV do thiếu N. Chúng phải trải qua nhiều chu trình chuyển hóa, oxy hóa phần C dư khi đạt tỉ lệ C/N ban đầu là 20-50 thời gian cần thiết là 14 ngày và tỉ lệ C/N = 78, thời gian cần thiết là 21 ngày. Ở tỉ lệ C/N thấp (như phân bắc và bùn) N sẽ thất thoát dưới dạng NH3, đặc biệt ở điều kiện nhiệt độ cao, có thổi khí. 2.2 Các công nghệ sản xuất compost hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam 2.2.1 Các công nghệ sản xuất compost hiện nay trên thế giới 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 kh