Nghiên cứu tỉ lệ vi sinh trên chất nền để xử lý bã khoai mì

MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Ở nước ta trong những năm gần đây nền kinh tế đã, đang và sẽ chuyển biến mạnh mẽ sang nền kinh tế thị trường, dần dần hòa nhập cũng như gắn liền với sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới. Một trong vô vàn những hệ quả do sự thay đổi và phát triển của nền kinh tế đó là sự phát triển của cây khoai mì. Tại Việt Nam, khoai mì là cây lương thực thuộc loại củ có vị trí quan trọng trong cơ cấu phát triển cây lương thực của cả nước và có sản lượng đứng hàng thứ hai sau lúa. Ngoài ra khoai mì còn là nguyên liệu cho chế biến nông nghiệp, công nghiệp và xuất khẩu. Sản phẩm tinh bột của cây khoai mì có mục đích ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực phục vụ cho cuộc sống con người như lên men bột ngọt, enzim, làm vật liệu sinh học tự hủy, chế biến thực phẩm, sản xuất bia, công nghiệp hóa chất, sản xuất keo dán, giấy, gỗ, thực phẩm …. Bên cạnh những lợi ích kinh tế – xã hội của cây khoai mì thì việc thải ra bã thải là một vấn đề hết sức bức xúc của cộng đồng về mặt môi trường. Hiện tại cũng đã có một vài giải pháp để xử lý loại chất thải này ( như việc nghiên cứu lên men nhờ vi sinh vật để tăng hàm lượng dinh dưỡng làm thức ăn chăn nuôi ) nhưng việc tận dụng và xử lý chưa thật sự hợp lý và triệt để. Nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí ( nghiên cứu tỉ lệ vi sinh trên chất nền ) của bã khoai mì để xử lí và thu nhận khí sinh học (CH4) thể hiện tính khả thi và vô cùng cần thiết của đề tài trong việc áp dụng biện pháp khoa học để phần nào làm giảm và hạn chế lượng chất thải ra ngoài môi trường.Hiện nay việc áp dụng các biện pháp sinh học để xử lí ô nhiễm môi trường đang là vấn đề rất được giới chuyên môn cũng như công luận rất quan tâm vì các biện pháp sinh học khi áp dụng thường rất triệt để và chi phí xử lí thấp.chính vì vậy mà việc xử lí bã bằng biện pháp sinh học kị khí được thực hiện để đáp ứng nhu cầu của thị trường. MỤC TIÊU,PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đánh giá được hiệu quả xử lí và tận dụng bã khoai mì tạo ra các sản phẩm có ích phục vụ cho nhu cầu sản xuất và đời sống của con người. Nội dung nghiên cứu . Nghiên cứu quá trình sinh học kị khí diễn ra trong quá trình ủ mẫu kị khí Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ Từ đó xây dựng mô hình xử lí bã khoai mì bằng lên men kị khí . Đánh giá hiệu quả phân hủy của bã khoai mì phương pháp nghiên cứu. Nghiên cứu quá trình sinh học kị khí bã khoai mì, nghiên cứu tỉ lệ vi sinh trên chất nền để xử lí bã khoai mì bằng phương pháp ủ kị khí nhờ quá trình lên men của các vi sinh vật kị khí. Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đánh giá được hiệu quả xử lý tận dụng bã khoai mì tạo sản phẩm có ích phục vụ sản xuất và đời sống. Tính mới của đề tài: Hiện tại việc nghiên cứu xử lý bã khoai mì chưa được tiến hành rộng rãi. Có những nghiên cứu tận dụng bã khoai mì làm chế phẩm sinh học cho gia súc nhưng chỉ áp dụng với sản lượng thấp, chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế. Tính khoa học: Các nghiên cứu của đề tài đều được thực hiện trên mô hình thí nghiệm Khả năng áp dụng thực tế: Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng cho tất cả các cơ sở sản xuất có phụ phẩm là bã khoai mì như cơ sở chế biến tinh bột mì, bột ngọt….  TỔNG QUAN VỀ KHOAI MÌ VÀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT KHOAI MÌ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOAI MÌ Khoai mì có tên khoa học là Manigo esculenta Krantz là loại cây phát triển ở vùng khí hậu nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới.Khoai mì có xuất xứ ở lưu vực sông Amazon ở Nam Mỹ. Sau đó, phát triển dần đến Châu Phi vá Đông Nam Á.khoai mì có hàm lượng tinh bột cao được sử dụng dưới dạng tươi hay khô.dạng cục hay dạng mịn,khoai mì đã có mặt nhiều nơi trên thế giới và trở thành cây lương thực quan trọng đối với con người và gia súc. Tuy nhiên, khi dùng khoai mì làm lương thực phải bổ sung protêin và chất béo mới đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng.khoai mì còn là nguồn nguyên liệu cho nhiều nghành như : chế biến thực phẩm, sản xuất bia, công nghiệp hóa chất,sản xuất keo dán,công nghiệp giấy, gỗ, thực phẩm.Hiện nay khoai mì được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau : tiêu thụ tại gia đình (56,9 %), chế biến thực phẩm ( 35,6 %), xuất khẩu ( 7,4 %), phần còn lại là nguyên liệu cho các nghành công nghiệp khác, ở nước ta khoai mì được tách lấy tinh bột làm nguyên liệu chế biến các loại thực phẩm khác như bánh kẹo,mạch nha, bột ngọt hay các thực phẩm dưới dạng tinh bột qua chế biến như bún, miến, bánh tráng, v..v… Cấu tạo khoai mì : Củ khoai mì thướng có dạng hình trụ, vuốt hai đầu, kích thước cũ tùy thuộc vào chất dinh dưỡng của đất và điều kiện trồng mà dao độngv trong koảng dài từ 0,1 – 1m, đường kính từ 2 – 10cm, cấu tạo gồm 4 phần chính : lớp vỏ gỗ, vỏ cùi, phần thịt củ và phần lõi Vỏ gỗ Gồm những tế bào xếp sít, thành phần chủ ếu là cellulose và hemi_ cellulose, không có tinh bột,giữ vai trò bảo vệ củ khỏi tác động bên ngoài.Vỏ gỗ mỏng, chiếm khoảng 0.5 – 5 % trọng lượng củ, khi chế bến phần vỏ gỗ thường kết dính với các thành phần khác như : đất, cát, sạn và các chất hửu cơ khác, do đó, tách càng sạch càng tốt. vỏ cùi Dày hơn vỏ gổ nhiều, chiếm khoảng 5 – 20 % trọng lượng củ, cấu tạo gồm các lớp tế bào thành dày, thành tế bào chủ yếu là cellulose, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, các chất chứa nitrogen và dịch bào.Trong dịch bào có tannin, sắc tố, độc tố, enzyme…vì vỏ cùi có nhiều tinh bột ( 5 – 8% ) nên khi chế biến nếu tách đi thì tổn tất tinh bột trong củ, nếu không tách thì nhiều chất dịch bàolàm ảnh hưởng đến màu sắc củ tinh bột. Thịt củ khoai mì Là thành phần chủ yếu trong củ, bao gồm các tế bào như mô thành mỏng là chính, thành phần chủ yếu là cellulose, pentosan.Bên trong tế bào là các hạt tinh bột, nguyên sinh chất, glucide hòa tan và nhiều nguyên tố vi lượng khác.Những tế bào sơ bên ngoài thịt củ chứa nhiều tinh bột,càng vào sâu phía bn6 trong yhàm lượng tinh bột càng giảm dần.Ngoái các tế bào nhu mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột , cấu tạo từ cellulose nên cứng như gỡ gọi là xơ Lõi củ khoai mì Ở trung tâm dọc suốt từ cuống tới chuôi củ, ở cuống lõi to nhất rồi nhỏ dần tới chuôi, tỷ lệ khoảng 0.3 – 1 % trọng lượng toàn củ.thành phần lõi hầu như tòan bộ là cellulose và hemi_ cellulose. Phân loại củ khoai mì Khoai mì đắng ( Manihot palmate Murll hay Manihot aoprpohl ) : Hàm lượng HCN hơn 50 mg / kg củ.khoai mì đắng có thành phần tinh bột cao, sử dụng chủ yếu làm nguyên liệu cho các nghành công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghệp hóa dược, công nghiệp giấy và nhiều nghành công nghiệp khác. Khoai mì ngọt (Manihot aipi hay Manihot utilissima pohl) : Hàm lượng HCN nhỏ hơn 50 mg / kg củ.khoai nì ngọt chủ yéu được làm thực phẩm tươi vì vị ngọt và dễ tạo thành bột nhão, dễ nghiền nát hay dễ đánh nhuyễn. Thành phần hóa học: Thành phần các chất trong củ khoai mì dao động trong khoảng khá lớn tùy thuộc loại giống, chất đất, điếu kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch. Thành phần trung bình của củ khoai mì được trình bày trong bảng. Bảng 1.1: Thành phần hóa học của củ khoai mì. Thành phần Tỷ lệ ( % trọng lượng ) Nước 63-70 Tinh bột 18-30 Chất đạm 1.25 Chất béo 0.08 Chất xơ 0.08 Protein 1.2 Đường 5.13 Tro 0.85 CN 173 ppm Nguồn : theo Recent Process in research and extension (1998) Đường trong củ khoai mì chủ yếu là glucose và một ít maltose, saccarose. Khoai mì càng già thì hàm lượng đường càng giảm, hàm lượng đạm trong khoai mì khá thấp, trong chế biến đường hòa tan theo nước thải ra ngoài theo nước dịch. Chất đạm trong khoai mì cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu kĩ , tuy nhiên hàm lượng thấp nên ít ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất. Ngoài những thành phần có giá trị dinh dưỡng, trong củ khoai mì còn chứa độc tố, tannin, sắc tố và cả hệ enzyme phức tạp.Người ta cho rằng trong số các enzyme thì polyquinol sau đó trùng hợp với các chất không có gốc phenol như acid –amine tạo thành chất có màu.Những chất này gây khó khăn cho chế biến và nếu qui trình công nghệ không thích hợp sẽ cho sản phẩm có chất lượng kém. Độc tố trong củ khoai mì là CN, nhưng khi củ chưa đào nhóm này nằm ở dạng glucozite gọi là phasecolutanin ( C10H17NO6 ). dưới tác dụng của enzyme hay ở môi trường acid.Chất này được phân hủy thành glucose, acetane và acid cyanhydric.Như vậy, khi đào củ khoai mì rồi mới thấy xuất hiện HCN tự do vì chỉ sau khi đào các enzyme trong củ mới bắt đầu hoạt động mạnh và đặc biệt xuất hiện nhiều trong khi chế biến và sau khi ăn vì trong dạ dày người hay gia súc là môi trường acid và dịch trong chế biến cũng là môi trường acid. Phaseolutanin tập trung ở vỏ cùi, dễ tách ra trong quá trình chế biến , hòa tan tốt trong nước, kém tan trong rượu ethylic và methylic, rất ít tan trong chloroform và hầu như không tan trong ether. Vì hòa tan tốt trong nước nên khi chế biến, độc tố theo nước dịch ra ngoài, do đó mặc dù giống khoai mì đắng có hàm lượng độc tố CN cao nhưng tinh bột và khoai mì lát chế biến tứ khoai mì đắng vẫn sử dụng làm thức ăn cho người và gia súc tốt,Trong chế biến, nếu tách dịch bào nhanh thì có thể ảnh hưởng đến màu sắc của tinh bột do acid cyanhydric tác dụng với nguyên tố sắc có trong củ tạo thành feroxy cyonate có màu xám.Tùy thuộc giống và đất nơi trồng mà hàm lượng độc tố trong khoai mì có hàm lượng khoảng 0.001- 0.004 (Đoàn Dụ và các cộng sự 1983 ). Chất lượng và năng suất thu hồi tinh bột không những phụ thuộc vào qui trình công nghệ mà còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng nguyên liệu . Hiện nay, chưa có những tiêu chuẩn của nhà máy nước hay công nghiệp chế biến khoai mì làm nguyên liệu sản xuất tinh bột. Tuy nhiên, ở từng nhà máy, cơ sở sản xuất đều có những qui định về chỉ số chất lượng nguyên liệu .các chỉ số ( tính trung bình % ) trong khoảng như sau ( tiêu chuẩn nhập nguyên liệu của nhà máy chế biến bột khoai mi Tân Châu – Tây Ninh và Vedan – Bình Phước ). Hàm lượng tinh bột không chứa 14 % trọng lượng. ( Củ nhỏ < củ dài < 10 cm, đường kính củ chỗ lớn nhất < 1.5 cm ) không qúa 4 %, củ vụn và dập nát không quá 3 % không có củ thối. Tạp chất khoáng và hữu cơ không quá 2 % . CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Tình hình sản xuất khoai mì trên thế giới và Việt Nam Khoai mì được biết đên dưới nhiều tên. Cây sắn – khoai mì – (Manihot esculenta Crantz), tiếng Anh là cassava hay còn gọi là tapioca hoặc manioc, là một trong những hoa màu có hàm lượng tinh bột trong củ tương đối cao (62 – 65% chất khô). Khoai mì là cây lương thực được xếp hàng thứ sáu trên thế giới và là một trong mười lăm cây trồng chiếm diện tích của sản xuất nông nghiệp của loài người. nó được trồng dễ dàng, có năng suất lớn và ít bị ảnh hưởng bởi bệnh tật và côn trùng nên các vùng trồng khoai mì ngày càng nhiều. Nó được trồng ở nhiều nước có khí hậu nhiệt đới như: Braxin, Campuchia, Thái Lan, Indonesia, Malaysia, Philippine và Việt Nam. Là một trong những cây lương thực có vị trí hàng đầu của các nước có khí hậu nhiệt đới ẩm. Theo thống kê của trung tâm quốc tế về nông nghiệp nhệt đới (CIAI) năm 1991 thì trên thế giới hiện có 15,76 triệu ha đất canh tác khoai mì với tổng sản lượngtrên 153,38 triệu tấn/năm. Hằng năm châu Âu nhập từ châu Á triệu tấn sắn khô để làm thức ăn cho gia súc. Ở Việt Nam khoai mì được trồng từ Bắc xuống Nam và được trồng nhiều ở miền trung du và miền núi. Các vùng trồng nhiều khoai mì ở phía Nam là Tây Ninh và Bình Phước. đất trồng khoai mì hàng năm ở nước ta dao động vào khoảng trên dưới 300.000ha, sản lượng khoảng 2,5 – 2,9 triệu tấn củ tươi, chiếm khoảng 25% diện tích và 35 – 40% sản lượng quy ra thóc cho tổng số các cây hoa màu lương thực. Từ trước đến nay, cây khoai mì được coi là cây có giá trị cao trong số các cây có củ. tuy nhiên khoai mì dùng kém hiệu quả cho chăn nuôi chủ yếu có lượng protein quá thấp (0,8% trong củ tươi và 1,5 – 2,5% trong lát khô). Vì thế, nhân dân ta thường chủ yếu dùng củ khoai mì để chế biến thành tinh bột khoai mì hoặc các sản phẩm khác. Theo kết quả điều tra về sử dụng khoai mì ở nước ta cho thấy: - Dùng cho công nghiệp 15 – 20% sản lượng - Dùng làm lương thực cho người khoảng 10 – 15% - Thức ăn gia súc khoảng 32% - Dùng làm xuất khẩu 40 – 50% ngàn tấn hàng năm Thành phần hóa học của củ khoai mì. Theo Keliku (1970) thì thành phần chủ yếu của khoai mì gồm: - Hydratcarbon chiếm 88 – 91% trọng lượng củ khô. Trong đó: tinh bột chiếm 84 – 87%. đường tổng số chiếm 4% (saccarose 71%, glucose 13%, maltose 3%). - Ngoài carbonhydrat, củ khoai mì chứa một số chất khác với hàm lượng thấp như: đạm, chất béo, một số chất khoáng chủ yếu: P, K, Ca, Mg…, một số vitamin như:C, B1, B2…. Như vậy khoai mì không phải là loại lương thực có nhiều chất dinh dưỡng. Tuy nhiên khoai mì cho năng suất cao, tính theo sản lượng tinh bột cũng như calo/đơn vị diện tích. Nó có hiệu quả cao cho việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho công nghiệp (chủ yếu là tinh bột). Bã khoai mì Bã khoai mì sinh ra trong quá trình sản xuất tinh bột có thể được xem như là phụ phẩm hoặc thậm chí là phế phẩm. Chất thải từ quá trình sản xuất tinh bột khoai mì gồm: chất thải lỏng và chất thải rắn (vỏ, xác bã…). Trong đó, chất thải dạng bã (pulp) nhận được từ giai đoạn chắt lấy nước sữa bột trong quá trình sản xuất tinh bột khoai mì. lượng bã thải này chiếm khoảng 20% lượng nguyên liệu và chiếm 5)% tổng bã rắn. Theo số liệu từ cục thống kê năm 1998, diện tích trồng khoai mì ở nước ta gần 300.000 ha với năng suất bình quân đạt 9 – 10 tấn/ha, cho sản lượng gần 3 triệu tấn/năm. với kỹ thuật chế biến như của ta hiện nay lượng bã thải chiếm khoảng ½ lượng khoai mì nguyên liệu như vậy sẽ đạt tới trên 1 triệu tấn/năm. Có nhiều nhà máy sản xuất bột khoai mì với công suất bình quân 200 tấn củ/ngày, thải ra khoảng 120 tấn bã khoai mì tươi/ngày. * Lượng chất thải rắn hàng năm của sắn: - Thế giới: 106 triệu tấn - Nam Phi: 42 triệu tấn - Châu Mỹ La Tinh: 33 triệu tấn - Châu Á: 30 triệu tấn Trong bã khoai mì có một hàm lượng tinh bột kể cả carbonhydrat hòa tan chiếm khoảng 40 – 75%, xơ khoảng 10 – 22%, protein 2 – 4%, chất béo 1 – 2% và lượng khoáng tổng không quá 3% gồm Ca, Mg, K, Na, P. Phần bã lâu nay vẫn chưa được sử dụng một cách hợp lý đồng thời cũng là một yếu tố làm ô nhiễm môi trường sống của dân cư vùng chế biến. Với số lượng lớn như vậy, việc sử lý và sử dụng có hiệu quả nguồn bã thải này sẽ có ý nghĩa kinh tế – xã hội đáng kể vì đây là một loại chất thải có hàm lượng cơ chất sinh học cao với tiềm năng và triển vọng ứng dụng của nó. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NGHÀNH TINH BỘT SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ Tinh bột khoai mì là thực phẩm cho hơn 500 triệu người trên thế giới (theo Jackson 1990 ).Tinh bột mì cung cấp 37 % calories trong thực phẩm Châu Phi, 11% ở Mỹ latinh và 60% ở các nước Châu Á ( Lancaster eral 1982 ). Tinh bột khoai mì đựợc các nước trên thế giớisản xuất nhiều để tiêu thụ và xuất khẩu.Brazil sản xuất khoảng 25 triệu tấn /năm .Nigieria, Indonesia và Thái Lan cũng sản xuất một lượng lớn để xuất khẩu ( CaIJ 1993) .Câu Phi sản xuất khoảng 85,2 triệu tấn năm 1997, Châu Á 48,6 triệu tấn và 32,4 triệu tấn do Mỹ Latinh và Caribeen sản xuất ( FAO, 1998 ). Ở Việt Nam, do không đủ điều kiện xây dựng các nhà máy chế biến nên nghành sản xuất tinh bột mì trong nước bị hạn chế.các cơ sở phân bố theo qui mô hộ gia đình, sản xuất trung bình và sản xuất lớn. Chuẩn bị nguyên liệu Công đoạn này gồm các thao tác rửa, cắt khúc và loại bỏ phần rễ, lớp vỏ gỗ và đất cát bám trên củ trước khi đưa vào nghiền.Nguyên liệu được đưa vào thùng, rửa củ bằng xe xúc, tại thùng rửa củ , đất cát và lớp vỏ gỗ được chà xát bằng lô cuốn có gắn lớp sợi kim loại trên bề mặt kết hợp với nước rửa được bơm vào liên tục.Kết thúc công đoạn này, củ được tách hầu như hoàn toàn lớp gỗ, các tạp chất theo nước rửa ra ngoài và được thu gom ở lưới chắn rác có đường kính lỗ bằng 10 mm. Nghiền nguyên liệu và tách bã Nguyên liệu sau hi rửa và cắt khúc qua mày mài chuyển thành dạng bột nhão, sao đó vào máy ray tách bã.cụm máy rây gồm 12 máy và 3 cỡ rây. ở máy rây, nước sạch cũng được bơm vào liên tục với mục đích rửa sạch lớp bột bám trên bã.Nước dịch sửa bột sau khi qua máy rây đưa về thùng chứa và trộn với dung dịch H2CO3 để tẩy trắng bột. Tách ting bột : từ thùng chứa, sữa bột được bơm vào cụm 4 máy ly tâm tách dịch cần 1, sau đó lại được trộn với dung dịch tẩy H2SO3 và bơm vào 4 máy ly tâm tách dịch lần 2, máy ly tâm hoạt động liên tục, tinh bột và nước thải ra liên tục, nước sau ly tâm tách dịch thải ra ngoài. Lượng nước sạch được phun vào trong khi ly tâm dưới dạng tia nước áp lực cao để rửa bột . Qua 2 giai đoạn ly tâm tách dịch đồng thời rửa sạch tinh bột, sản phẩm sau ly tâm có độ trắng đạt yêu cầu. Hàm lượng SO3 trong sản phẩm nhỏ hơn 0.003 ppm.Hiệu suất thu hồi sản phẩm đạt xấp xỉ 90 %. Tinh bột ướt có độ ẩm 39 – 40 % sau đó được ly tâm 1 lần để tách bớt nước và theo băng tải đưa vào hệ thống sấy khí thổi, cuối cùng thu hồi bằng cyclone và đóng bao hoàn thiện. Công Nghệ Sản Xuất Tinh Bột Mì ở Thế Giới và ở Việt Nam Mài ,Nghiền Nước Bã Nước Sấy Nước dịch mủ Tinh bột khô Tinh bột ướt Rửa tinh bột, phân ly, lắng gạn Rây, Sàn Lột vỏ, cắt khúc,rửa Củ mì tươi Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ Phöông phaùp kî khí Baûn chaát cuûa phöông phaùp naøy laø caùc chaát phaân huyû nhôø vi sinh vaät trong ñieàu kieän hoaøn toaøn khoâng coù O2. Quaù trình naøy chia laøm hai giai ñoaïn: Giai ñoaïn thöù nhaát: caùc chaát höõu cao phaân töû ñöôïc vi sinh vaät chuyeån hoaù thaønh caùc chaát coù phaân töû thaáp hôn nhö caùc acid höõu cô, caùc chaát hoaø tan khaùc. Coù nhieàu loaïi vi sinh vaät tham gia vaøo quaù trình naøy. Caùc hydratcarbon chuyeån thaønh ñöôøng, protein seõ chuyeån thaønh caùc peptid caùc acid amine, caùc acid beùo taïo thaønh caùc acid höõu cô vaø glycerin. Giai ñoaïn thöù hai: laø giai ñoaïn phaùt trieån maïnh cuûa vi khuaån methan. Toaøn boä hydratcarbon chuyeån thaønh CH4 vaø CO2, caùc acid beùo bò phaân huyû nhieàu. Theo Eckenfelder W. W, thì leân men yeám khí xaûy ra qua 3 giai ñoaïn: - Leân men acid: caùc hydratcarbon ñöôïc phaân huyû vaø taïo ra acid coù troïng löôïng phaân töû thaáp nhö acid acetic, acid butyric, acid propionic. ÔÛ giai ñoaïn naøy pH giaûm tôùi 5, vi khuaån phaùt trieån maïnh. - Leân men acid keát thuùc chuyeån sang leân men methan: caùc acid höõu cô vaø caùc hôïp chaát nitô tieáp tuïc ñöôïc phaân huyû taïo thaønh caùc hôïp chaát khaùc nhau vaø caùc khí nhö CO2, N2, H2, CH4, pH moâi tröôøng chuyeån daàn sang kieàm. Trong giai ñoaïn naøy, caùc vi khuaån hieáu khí bò tieâu dieät, vi sinh vaät yeám khí baét ñaàu phaùt trieån maïnh. - Leân men methan (leân men kieàm): caùc vi khuaån leân men methan phaùt trieån maïnh vaø chuyeån hoaù nhanh taïo thaønh CO2, CH4. Vi khuaån leân men methan coù khaû naêng phaân giaûi caùc chaát coù phaân töû löôïng cao maø khoâng coù khaû naêng ñoàng hoaù caùc saûn phaåm coù phaân töû löôïng thaáp töø quaù trình thuyû phaân. Chuùng chæ xöû duïng moät soá cô chaát nhaát ñònh, caàn coù nhieàu CO2, nguoàn nitô laø 3,5 mg/g buøn laéng. Tyû leä C/N = 1/20. Toát nhaát laø cung caáp nitô daïng amon, chlorua, carbonat amon. Trong leân men kî khí caùc chaát thaûi vi khuaån gaây beänh thöôøng bò tieâu dieät do taùc ñoäng cuûa nhieàu yeáu toá khaùc nhau nhö khoâng coù oxy, hoaëc taùc ñoäng cuûa saûn phaåm trao ñoåi chaát. Öu ñieåm cuûa phöông phaùp kî khí la ø: -Khoâng tieâu toán naêng löôïng ñeå cung caáp O2 cho quaù trình xöû ly.ù -Löôïng buøn taïo thaønh ít hôn 10 – 20 laàn so vôùi phöông phaùp hieáu khí. Taïo ra khí methan (CH4), nhö moät nguoàn naêng löôïng saïch. Ngoaøi ra löôïng buøn thaûi ñöôïc söû duïng nhö nguoàn phaân boùn sinh hoïc coù giaù trò cao. Vi sinh vaät Nhieät ñoä (0C) T. gian löu (ngaøy) Tyû leä cheát -Salmonella spp -Salmonella typhosa -Mycobacterium tuberculosis -Polio virus – 1 22 – 37 22 – 37 30 35 6 – 20 6 – 20 6 – 20 2 82 – 96 99 100 98,5 Baûng 1.2. .Möùc ñoä tieâu dieät cuûa caùc vi sinh vaät gaây beänh trong xöû lyù nöôùc thaûi  Phöông phaùp xöû lyù baèng beå loïc sinh hoïc coå ñieån (Biophin) Beå loïc sinh hoïc laø beå loïc trong ñoù coù sinh khoái vi sinh vaät baùm chaët vaøo giaù theå nhuùng chìm moät phaàn trong nöôùc thaûi. Loaïi naøy coù 3 kieåu khaùc nhau: - Biophin vôùi vaät lieäu loïc töï nhieân: caùc vaät lieäu loïc thöôøng laø ñaù daêm, xæ. Caùc vaät lieäu naøy deã kieám, reû tieàn. Tuy nhieân, vaät lieäu naøy coù ñoä roãng vaø dieän tích beà maët keùm, do ñoù hieäu suaát xöû lyù khoâng cao. Phöông phaùp naøy khoù aùp duïng cho loaïi nöôùc coù chaát lô löûng lôùn (khoâng vöôït quaù 100 mg/L. Do khaû naêng thoâng gioù keùm neân taïo ra hieän töôïng yeám khí cuïc boä gaây haïn cheá trong xöû lyù nöôùc thaûi - Biophin vôùi vaät lieäu taám lôïp: caùc taám lôïp ñöôïc keát thaønh bloc, khe hôû giöõa caùc taám lôïp laø 50 mm, chieàu cao bloc phuï thuoäc vaøo kích thöôùc cuûa taám lôïp (trung bình töø 500 – 600 mm). Caùc bloc treân vaø döôùi xeáp cheùo nhau moät goùc 900. Nöôùc sau moåi laàn loïc coù tuaàn hoaøn. Vaät lieäu loïc baèng taám lôïp cho keát quaû xöû lyù toát hôn. Ngoaøi ra coøn coù moät soá ñieàu kieän kyõ thuaät caàn thieát khi thieát keá, dieän tích beà maët 60 m2/m3, ñoä roãng 80%, chieàu cao vaät lieäu loïc 4 – 6m. -Biopnin vôùi vaät lieäu loïc baèng chaát deûo: ôû caùc nöôùc tieân tieán, ngöôøi ta söû duïng loaïi vaät lieäu naøy töø nhöõng naêm 1960. Vaät lieäu chaát deûo coù nhieàu hình daùng khaùc nhau trong ñoù loaïi caáu truùc toå ong laø toát nhaát. Hoà sinh hoïc xöû lyù kî khí: Xöû lyù caû nöôùc thaûi sinh hoaït laãn nöôùc thaûi coâng nghieäp. Ngoaøi ra coøn coù hoà sinh hoïc hieáu khí – kî khí (facultative) laø loaïi hoà vöøa coù vuøng hieáu khí vöøa coù vuøng kî khí. Ñaây laø loaïi hoà khaù phoå bieán trong ñieàu kieän xöû lyù nhö ao, hoà. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ BÃ KHOAI MÌ HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI Trong số các chất thải rắn thải ra từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người , ngoại trừ các chất thải đặc biệt có độ nguy hại cao (chất thải dễ cháy nổ, chất thải kim loại nặng, chất thải nhiễm phóng xạ…) loại chất thải nguồn gốc hữu cơ chứa nhiều chất xơ như bã khoai mì cho đến nay vẫn là bài toán hóc búa cần giải quyết đối với các nhà quản lý cũng như nghiên cứu về môi trường, vì những ô nhiễm môi trường chúng có thể gây ra. Tùy thuộc vào chất thải sau khi thải sau khi thải ra có lẫn nước hay không lẫn nước mà một số biện pháp được đưa ra nhằm xử lí hỗn hợp hay tái sử dụng phần hỗn hợp đó. Dùng làm thức ăn cho gia súc Phụ phẩm bã khoai mì hiện nay chủ yếu được sử dụng để làm thức ăn cho gia cầm và gia súc. Sử dụng loại bã này làm nguồn cung cấp chất béo và phần tinh bột còn lại trong bã, làm nguồn cung cấp các chất dinh dưỡng như protein, chất đạm, tinh bột, đường chính vì vậy mà phần bã khoai mì này sau khi được lấy ra từ công nghệ sản xuất tinh bột mì thì có thể dùng làm thức ăn cho gia súc và gia cầm mà không cần phải qua chế biến sơ bộ Sản xuất cồn từ củ khoai mì Công nghệ sản xuất cồntừ khoai mì còn có thể thuthêm nhiều sản phẩm kháccó giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên qua khảo sát, hiện các đơn vị sản xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn. Do nguồn nguyên liệu quá đắt và công nghệ lạc hậu nên tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm không có sức cạnh tranh cao. Để thu được 1 lít cồn cần có 4 kg rỉ đường mía. Mỗi kg giá là 1.600 đồng/kg, vị chi 1 lít cồn tốn khoảng 6.400 đồng cho phí nguyên liệu, chưa tính đến các khoản chi phí khác. Trong khi đó, nếu sử dụng củ mì hoặc bã mì thì kinh phí sản xuất sẽ giảm rất nhiều, đây là nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và có thể sản xuất với qui mô lớn, giá thành lại tương đối rẻ. Một kg củ mì tươi trung bình giá khoảng 600 đồng/kg, nếu so với nguyên liệu rỉ đường mía rẻ gần 2/3 giá thành. Bã khoai mì lại là nguồn phế phẩm của các nhà máy chế biến tinh bột mì. Theo thống kê trên cả nước đang có khoảng 28 nhà máy bột mì. Phương pháp đường hoá tinh bột sẽ được thực hiện theo qui trình gồm: nguyên liệu được nghiền nát, sau đó tiến hành công đoạn đường hoá tinh bột, lên men cuối cùng là công đoạn chưng cất thu sản phẩm. Điểm ưu việt của công nghệ đường hoá tinh bột là có thể tận dụng nguồn nguyên liệu hoàn toàn hơn, nhờ vậy phương pháp này sẽ giúp cho nhà sản xuất giảm lượng nguyên vật liệu, tiết kiệm tối đa chi phí. Để có 1 lít cồn 94,5% chỉ cần tốn khoảng 2,5 kg khoai mì lác hoặc 15 kg bã khoai mì, như vậy nguồn chi phí sản xuất sẽ rẻ đi rất nhiều. Thời gian qua, ở Việt Nam đã có nơi sử dụng khoai mì khô để sản xuất cồn nhưng hiệu suất tạo cồn vẫn còn thấp, phải tốn hết 3,5 kg khoai mì/lít. Còn nguồn bã khoai mì thì vẫn chưa nơi thực hiện. Tiến sĩ Hạnh cho biết thêm: nếu sử dụng khoai mì hoặc bã khoai mì để sản xuất cồn không chỉ tận dụng nguồn phế phẩm của các nhà máy sản xuất tinh bột mì mà còn làm giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường do việc phơi bã mì để sản xuất thức ăn cho gia súc. Trong bã khoai mì có độ ẩm đến 80% nên phải mất một khoảng thời gian phơi nắng, do đó bã mì dễ bị nhiễm khuẩn sinh ra mùi hôi khó chịu làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Công nghệ sản xuất cồn Ethylic từ khoai mì, ngoài sản phẩm chính là cồn, nhà sản xuất còn có thể thu thêm nhiều sản phẩm khác có giá trị kinh tế cao từ những nguồn phế thải. Đó là, lượng khí CO2 lỏng thu được trong quá trình lên men chuyển sang giai đoạn chưng cất cồn 94,5%. Từ nguồn nước thải còn có thể chế tạo phân vi sinh và than bùn. Lượng xác nguyên liệu thải ra sau quá trình chưng cất cũng có thể dùng phương pháp cho xúc tác vi sinh kích hoạt quá trình lên men để sản xuất chế phẩm sinh học phục vụ nuôi trồng thuỷ sản. Đến nay, tại Việt Nam chưa có đơn vị nào sản xuất cồn từ bã khoai mì. Sử dụng phương pháp đường hoá tinh bột để sản xuất cồn Ethylic công nghiệp từ củ mì hoặc bã mì, ngoài việc đẩy mạnh hoạt động sản xuất nguồn nguyên liệu cồn, tạo đầu ra ổn định cho mặt hàng nông sản (củ khoai mì), thì còn tạo điều kiện thuận lợi để tiến tới sản xuất nguồn nhiên liệu sinh học xăng pha cồn - Gasohol) mà hiện tại  nước ta vẫn chưa có. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ KỊ KHÍ VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Động học của quá trình phân hủy kị khí Moâ hình ñoäng hoïc Monod moâ taû khaù chính xaùc toác ñoä sinh methane vaø moái lieân heä giöõa toác ñoä taêng tröôûng cuûa vsv vôùi hoaït tính cuûa buøn. Tuy nhieân, phöông trình Monod khoâng tính ñeán toác ñoä töï phaân huyû cuûa vsv Thöïc teá, toác ñoä taêng tröôûng cuoái cuûa vsv: mn = m - b (2) mn - Toác ñoä taêng tröôûng cuoái (ngaøy-1) b - Toác ñoä töï phaân huyû (ngaøy-1) Theá (1) vaøo (2), ta ñöôïc Phöông trình ñoä hoaït tính lôùn nhaát cuûa vsv  Y - Heä soá taêng tröôûng cuûa vsv (gVSVtaïo thaønh / gCODloaïi boû) rx,max - Toác ñoä phaân huyû cô chaát ñaëc tröng (gCODloaïi boû / gVSS.ngaøy) Theá (3) vaøo (2) ta ñöôïc Nhöõng moái lieân heä naøy coù theå aùp duïng cho caùc heä thoáng leân men hoãn hôïp, coù hoaëc khoâng coù löu buøn hay tuaàn hoaøn buøn. Những yếu tố ảnh hưởng pH Aûnh höôûng tröïc tieáp ñeán quaù trình bíeân ñoåi sinh hoïc vaø baûn thaân vsv. pH thaáp (<5): gaây keát tuûa protid, lipid Ftuoåi vaø hoaït tính cuûa buøn giaûm F Kieåm soaùt vaø giöõ pH ôû giaù trò toái öu (6,8 – 7,5) baèng caùch boå sung vaø duy trì moät löôïng bicacbonat nhaát ñònh nhaèm taïo pH ñeäm cho moâi tröôøng, giuùp trung hoaø caùc axit sinh ra trong quaù trình phaân huyû kò khí Nhieät ñoä: Aûnh höôûng maïnh ñeán quaù trình sinh hoïc cuûa vsv cuõng nhö ñaëc tính nhieät ñoäng hoïc cuûa caùc phaûn öùng trong moâi tröôøng kò khí. AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán toác ñoä taêng tröôûng cuûa vsv ñöôïc moâ taû theo PT Arrhenius: k1 = 0,84; k2 = 0,09; a1 = 0,11, a2 = 0,3 ; Xt = 58,7. Trong ñoù : a1 - Haèng soá naêng löôïng cho qt sinh toång hôïp (1/K) a2 - Haèng soá naêng löôïng phaân huyû (1/K) mmax - Toác ñoä taêng tröôûng lôùn nhaát (ngaøy-1) k1 - Haèng soá hoaït ñoäng (ngaøy-1) k2 - Haèng soá phaân huyû (ngaøy-1) T - Nhieät ñoä tuyeät ñoái (K) XT - Heä soá hieäu chænh nhieät ñoä (K) Trong khoaûng nhieät ñoä thích hôïp, Pt Arrhenius moâ taû toác ñoä taêng tröôûng cuûa vsv gia taêng vôùi nhieät ñoä Chaát dinh döôõng Ñeå Vk taêng tröôûng vaø gia taêng hoaït tính cuûa buøn, nöôùc thaûi phaûi chöùa ñaày ñuû caùc chaát dinh döôõng caàn thieát bao goàm ña löôïng (N,P) vaø vi löôïng. Nhu caàu N vaø P toái thieåu cung caáp cho vsv ñöôïc tính toaùn döïa vaøo toác ñoä taêng tröôûng vaø thaønh phaàn cuûa caùc nguyeân toá naøy trong TB vsv: C:N:P = 50:14:3 Coâng thöùc tính löôïng chaát dinh döôõng toái thieåu caàn thieát: NUTRcaàn thieát = COD0*Y*NUTRTB*1,14 Coâng thöùc tính löôïng dinh döôõng toái thieåu caàn thieát NUTRCT = COD0*Y*NUTRTB*1,14 COD0 - Gía trò COD ñaàu vaøo (g/l) Y - Heä soá naêng suaát sinh khoái (g/g) NUTRTB - Noàng ñoä chaát dd trong teá baøo VK (g/g) NUTRCT - Noàng ñoä dd toái thieåu caàn thieát trong ñaàu vaøo. 1,14 - Heä soá giaû ñònh cuûa tyû leä TSS/VSS. Thoâng thöôøng, löôïng chaát dd ñaàu vaøo thöôøng laáy gaáp 2 laàn so vôùi tính toaùn ñeå buø tröø cho caùc phaûn öùng keát tuûa… Ñieän theá oxi hoaù – khöû cho bieát hthoáng coù khaû naêng nhaän hay cho ñieän töû. Söï thay ñoåi caùc phaûn öùng oxi hoaù – khöû xaûy ra ñoàng thôøi vôùi söï thay ñoåi ñieän theá oxi hoaù – khöû. Quaù trình methane xaûy ra toát ôû ñieän theá oxi hoaù – khöû laø EH < 260mV. Trong ht kò khí, giaù trò cuûa theá oxi hoaù – khöû thöôøng oån ñònh vaø thay ñoåi theo: - Khoái löôïng buøn söû duïng: 15 giôø ñ/v buøn chöùa 13,4 g VSS/l 40 giôø ñ/v buøn chöùa 2,2 g VSS/l. Theá oxi hoaù – khöû Trong ht kò khí, giaù trò cuûa theá oxi hoaù – khöû thöôøng oån ñònh vaø thay ñoåi theo: Hoaït tính cuûa buøn: buøn coù hoaït tính cao seõ nhanh choùng coù ñieän theá oxi hoaù – khöû oån ñònh hôn buøn coù hoaït tính thaáp Thaønh phaàn cuûa dung dòch chöùa cô chaát, ñaëc bieät laø söï hieän dieän cuûa oxi seõ laøm ñieän theá oxi hoaù – khöû ñöôïc giöõ ôû möùc cao khoâng thuaän lôïi cho quaù trình phaân huyû kò khí Ñoäc tính H2S Löu huyønh laø ngtoá caán thieát cho vsv ôû 1mM ÔÛ noàng ñoä cao, gaây ra ñoäc tính ñv vsv. Thöù töï ñoäc tính: sulfate < thiosulfate < sulfite < H2S Trong mt nöôùc H2S ® HS- + H+ (pK = 6.83) H2S ® S2- + H+ (pK = 12.3) Söï phaân boá H2S giöõa pha khí vaø loûng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, taïi 300C ta coù: [H2S]khí = 0.4325 [H2S]loûng H2S töï do thaám qua maøng TB, ah ñeán pH noäi baøo, laøm bieán tính protein bôûi söï hình thaønh caùc lieân keát sulfide trong TB TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÃ KHOAI MÌ VÀ CÁC KHÍ SINH HỌC TẠO THÀNH SƠ LƯỢC VỀ LỊ._.