Nghiên cứu xử lý hỗn hợp chất thải nhiều dầu của nhà máy mì ăn liền Uni President, Khu công nghiệp Sóng Thần 2, Bình Dương bằng phương pháp sinh học kỵ khí

n kỵ khí. Theo tính toán nếu tận dụng hết các nguồn phế thải trên trái đất thì hàng năm có thể tạo được khoảng 200 tỉ m3 khối khí sinh học, tương đương khoảng 150 - 200 triệu tấn nhiên liệu và khoảng 20 triệu tấn bã là nguồn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Việt Nam là nước có mật độ dân số cao. Dân số chủ yếu là sản xuất nông nghiệp. Trong những năm gần đây công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa được xem như chìa khóa phát triển đất nước. Do đó, hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất và các cơ sở sản xuất đã và đang hình thành. Từ đó các vấn đề ô nhiễm môi trường cũng phát sinh và ngày càng nóng bỏng. Trong khoảng 10 năm trở lại đây, ngành sản xuất mì ăn liền Việt Nam phát triển mạnh mẽ từ các sản phẩm trong nước và ngoài nước đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng của người dân. Đa số các cơ sở chế biến mì ăn liền đều sử dụng phương pháp chiên trực tiếp bằng cách đưa các vắt mì sau khí đã nhúng súp vào chiên trong dầu Shortening ở nhiệt độ 1500C. Một chảo dầu có thể được sử dụng để chiên nhiều lần, sau đó lượng dầu này được thải bỏ chung vào hệ thống nước thải sản xuất của nhà máy và được chuyển đến bể thu gom nước thải của nhà máy. Lượng dầu mỡ này cùng với nước tạo thành một hỗn hợp nổi lên trên mặt nước và được định kì thu gom đem chôn lấp cùng với rác thải. Nhà máy sản xuất mì ăn liền Uni President cũng như các nhà máy sản xuất mì ăn liền khác, hỗn hợp bã thải có hàm lượng chất hữu cơ rất cao được định kỳ chôn lấp cùng rác thải. Đó là một sự lãng phí vì vừa không tận dụng được nguồn năng lượng tiềm tàng trong hỗn hợp bã thải trong khi thời gian phân hủy lại khá dài, đồng thời sự tồn trữ lâu dài trong môi trường có thể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Khác với hướng đi trên, công nghệ xử lý lựa chọn của đề tài là phân hủy kỵ khí áp dụng riêng đối với hỗn hợp chất thải nổi nghiên cứu nhằm thu khí sinh học. Công nghệ sinh học kỵ khí sử dụng để chuyển chất hữu cơ sang khí sinh học (biogas) đã có từ nhiều năm nay ở các nước đã và đang phát triển. Khí sinh học thu được có thể dùng trực tiếp để nấu bếp hoặc thắp sáng, hoặc sử dụng gián tiếp làm nhiên liệu đốt trong cho các động cơ. Trong bối cảnh giá nhiên liệu hóa thạch (xăng, dầu...) ngày càng đắt đỏ như hiện nay thì nguồn năng lượng này càng trở nên có ý nghĩa. Do đó, đề tài "Nghiên cứu xử lý hỗn hợp chất thải nhiều dầu của nhà máy chế biến mì ăn liền Uni President - Khu công nghiệp Sóng Thần 2 - Bình Dương bằng phương pháp sinh học kỵ khí" được hình thành với mong muốn vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa đem lại lợi ích kinh tế - xã hội. Đối tượng nghiên cứu Hỗn hợp chất thải nhiều dầu thực vật được lấy từ bể thu gom trong hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất mì ăn liền Uni President Mục tiêu nghiên cứu Xác định khả năng xử lý hỗn hợp chất thải nhiều dầu bằng phương pháp sinh học kỵ khí trên mô hình phòng thí nghiệm. Nội dung nghiên cứu Thu thập các tài liệu liên quan đến quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ để thu khí sinh học. Khảo sát, phân tích các chỉ tiêu của bã thải nhiều dầu lấy từ nhà máy sản xuất mì ăn liền - Công ty Uni President (đối tượng nghiên cứu). Tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm và chạy mô hình, phân tích các tính chất liên quan và xác định khả năng xử lý chất thải nói trên. Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm Lý thuyết: Nghiên cứu thông tin về tình hình thải bỏ dầu thải của nhà máy Uni President. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình phân hủy kỵ khí và cơ chế chung của quá trình trên các khía cạnh hóa sinh học và vi sinh vật học. Thực nghiệm: Xác định tính chất ô nhiễm cơ bản của hỗn hợp chất thải nhiều dầu. Xây dựng mô hình thực nghiệm trên quy mô phòng thí nghiệm Lập sơ đồ thực nghiệm Vận hành mô hình thực nghiệm ứng với các tỷ lệ cơ chất/men giống khác nhau và rút ra các kết luận về khả năng và hiệu quả xử lý hỗn hợp chất thải nhiều dầu bằng phương pháp sinh học kỵ khí. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm tại trường Đại học Kỹ thuật công nghệ Tp.Hồ Chí Minh. Áp dụng cho hỗn hợp thải của nhà máy chế biến mì ăn liền Uni President. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN NGÀNH SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN VÀ CHẤT THẢI GIÀU DẦU MỠ PHÁT SINH TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN Giới thiệu công nghệ sản xuất mì ăn liền Công nghệ sản xuất Tùy theo từng loại mì ăn liền sản xuất, mỗi nhà sản xuất có công thức riêng để pha trộn các thành phần phụ liệu khác nhau với nguyên liệu để tạo ra các sản phẩm khác nhau. Trên thế giới có khá nhiều loại mì ăn liền được sản xuất theo quy trình khác nhau ở một số khâu. Có loại mì chỉ làm chín 80% sợi mì, có loại mì làm chín hoàn toàn. Phương thức làm chín mì cũng có thể bằng cách luộc hoặc hấp mì. Sau khi làm chín, một số loại được làm khô bằng nhiệt sấy trong khi một số loại khác được làm khô bằng cách nhúng mì qua dầu chiên. Qua tìm hiểu quy trình chế biến tại một số nhà máy mì ăn liền, quy trình chế biến nói chung rất giống nhau và được giới thiệu trong hình 2.1. PHA TRỘN NGUYÊN LIỆU CÁN THÀNH TẤM CÁN TINH - CẮT SỢI HẤP NHÚNG NƯỚC SÚP LÀM RÁO CẮT ĐỊNH HÌNH LÒ HƠI NƯỚC SÚP ĐÓNG THÙNG ĐÓNG GÓI LÀM NGUỘI CHIÊN DẦU SẢN XUẤT GÓI NÊM THÀNH PHẨM Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ tổng quát sản xuất mì ăn liền Nguyên vật liệu sản xuất Nguyên liệu Nguyên liệu chính là bột lúa mì được nhập từ các nước: Pháp, Úc, Canada, Trung Quốc, Ấn Độ... được phối liệu với các phụ liệu khác như: Dầu, shortening, bột ngọt, muối, đường, tôm cua, thịt bò, thịt heo, tiêu, hành, tỏi, ớt... Các xí nghiệp mì ăn liền sản xuất nhiều chủng loại mặt hàng khác nhau, tùy theo từng loại mì ăn liền, các cơ sở sản xuất có thể pha trộn các thành phần phụ liệu khác nhau: mì súp cua, mì thịt gà, mì thịt bò, mì tôm, mì chay... Bao bì Bao bì đóng gói có nhiều hình thức như: mì kiếng, mì giấy, mì tô, mì cốc. Thùng chứa bằng carton, giấy bóng cứng, bao bì cho các loại gói nêm bằng bao PE. Nhiên liệu sản xuất Qui trình sản xuất có các khâu sử dụng nhiên liệu như sau: Đốt lò hơi bằng dầu FO để cung cấp nhiệt cho các công đoạn nhúng súp. Đốt dầu FO cung cấp nhiệt cho dầu shortening nóng sôi. Đốt than, củi, dầu DO cho công đoạn nấu súp, sa tế, dầu nêm. Nhiên liệu chủ yếu thường sử dụng cho nồi hơi là dầu đốt FO. Còn đối với chảo chiên thường các cơ sở sản xuất cũng sử dụng nhiên liệu dầu đốt FO. Ngoài các khâu vận hành khác của thiết bị sử dụng năng lượng điện. Một số vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình sản xuất mì ăn liền Trong quá trình sản xuất mì ăn liền có nhiều công đoạn khác nhau và ở một số công đoạn chủ yếu đều phát sinh ra các yếu tố gây tác động đến môi trường (công đoạn hấp, nhúng nước súp, sản xuất gói nêm....). Tuy nhiên trọng tâm là một số khâu trong dây chuyền sản xuất gây ô nhiễm bởi dầu chiên có liên quan mật thiết đến đối tượng nghiên cứu của đề tài. Các yếu tố khác như khí thải, rác thải không chứa thành phần dầu phát sinh trong quá trình sản xuất mì ăn liền nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của đề tài. Nước thải (BOD, SS, dầu mỡ) Sản xuất thùng carton Nước thải (BOD) Pha trôn nguyên liệu Cán thành tấm Cán tinh - Cắt sợi Hấp Nhúng nước súp Cắt định hình Vô khuôn Lò hơi Nước súp Nước thải (BOD, SS, dầu mỡ) Đóng gói Để gói nêm Làm nguội Chiên Sản xuất gói nêm Thành phẩm Khói thải (SOx, NOx, Bụi) Nước thải (BOD, SS, dầu mỡ) Sản xuất gói Kraft, Kiếng Khói thải (SOx, NOx, Bụi) Đóng thùng Rác thải, giấy vụn Bao nilong Hình 2.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất mì ăn liền và một số công đoạn phát sinh chất thải chính. Từ sơ đồ trên có thể thấy được các công đoạn như làm nước súp, nhúng nước súp, chế biến gói nêm và đặc biệt là từ công đoạn chiên đều phát sinh ra lượng dầu mỡ. Lượng dầu mỡ này được đưa chung vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy, đây là thành phần không tan trong nước nên hỗn hợp dầu mỡ này thường nổi lên phía trên bề mặt nước thải. Tổng quan về chất thải giàu dầu mỡ trong nhà máy sản xuất mì ăn liền Uni President Sơ lược về công ty sản xuất mì ăn liền Uni President Từ những năm 1994 - 1997 tập đoàn Uni President đã đi đến nhiều khu vực, vùng kinh tế trọng điểm của Việt Nam để khảo sát các khu công nghiệp. Cuối cùng công ty TNHH Uni President đã chọn khu công nghiệp Sóng Thần 2 (tỉnh Bình Dương) là điểm đầu tư lý tưởng do nhiều nguyên nhân như sau: Sóng Thần 2 mang tính an toàn cho một khu công nghiệp, gần Tp.HCM và các tỉnh Đồng bằng Sông Cửu Long và đặc biệt là nằm gần quốc lộ 1, quốc lộ 13, xa lộ Đại Hàn và đường xe lửa Nam - Bắc rất dễ dàng cho việc thông thương hàng hóa. Với sự nỗ lực không ngừng, đến tháng 2/1999 công ty được cấp giấy phép đầu tư dưới hình thức 100% vốn nước ngoài, hoạt động 50 năm. Công ty Uni President có tổng vốn đầu tư trên 200 triệu USD, là công ty có vốn đầu tư nước ngoài lớn nhất tại Việt Nam. Khu công nghiệp Sóng Thần 2 được chọn làm địa điểm thiết lập nhà máy chế biến thức ăn gia súc - thủy sản, nhà máy sản xuất mì ăn liền và nhà máy sản xuất bột mì. Toàn bộ dây chuyền sản xuất mì gói của công ty đều nhập hoàn chỉnh theo công nghệ Châu Âu với tổng số vốn đầu tư 20 triệu USD, năng lực sản xuất trên 50 triệu thùng/tháng. Thị trường xuất khẩu chính: Mỹ, Châu Âu, Úc, Đông Nam Á. Qui trình sản xuất Qui trình sản xuất mì ăn liền tại công ty Uni President cũng tương tự các nhà máy khác với sơ đồ qui trình đã nêu trên. (Hình 2.1.) Thành phần và tính chất nước thải tại công ty Uni President Bảng 2.1. Kết quả phân tích nước thải tại công ty Uni President STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 1 pH 6,7 7,2 8,3 2 SS mg/l 1.084 889 815 3 BOD5 mg/l 725 689 672 4 COD mg/l 1225 1386 1627 5 Dầu mỡ mg/l 923 875 759 (Nguồn: Công ty TNHH Uni President Vietnam, 2007) Ghi chú: Mẫu 1: mẫu lấy tháng 02/2007 Mẫu 2: mẫu lấy tháng 04/2007 Mẫu 3: mẫu lấy tháng 06/2007 Nói chung nước thải từ công nghiệp chế biến mì ăn liền có độ ô nhiễm khá cao, vượt xa tiêu chuẩn thải cho phép. Tính chất ô nhiễm của nước thải sản xuất ngành công nghiệp chế biến mì ăn liền có 2 đặc trưng cơ bản: Ô nhiễm hữu cơ nồng độ cao (BOD, COD) Ô nhiễm dầu mỡ nồng độ cao (chủ yếu là các loại dầu thực vật). Hình 2.3 là dây chuyền công nghệ hệ thống xử lý nước thải mà công ty Uni President đang sử dụng để xử lý nước thải sản xuất. Máy nén khí Bể tiếp nhận Bể điều hòa Bể đông/keo tụ Bình áp lực Bể tuyển nổi Khí nén Bể Aeroten Bể lắng ly tâm Bể nước sau xử lý Bùn tổng hợp Phèn nhôm Bể chưa bùn Thiết bị ép bùn Bùn cặn nổi lắng Xả ra nguồn Bùn ép chở đến bãi rác Nước tách bùn Chất thải dầu mỡ vớt định kỳ Polymer Khí nén Nước thải Công suất hệ thống xử lý: 200 m3/ngày đêm Hình 2.3. Qui trình công nghệ hệ thống xử lý nước thải công ty Uni President Tình hình thải bỏ bã thải tại công ty Uni President Tại công ty Uni President, bã thải (đối tượng nghiên cứu) được vớt bỏ định kỳ từ bể tiếp nhận sau mỗi 2 tuần và sau đó được chứa trong thùng phuy với khối lượng mỗi phuy khoảng 170kg để được chở đến bãi chôn lấp rác bởi dịch vụ thu gom rác thải. Đây là hỗn hợp nổi tự nhiên trong nước thải theo tỉ trọng. Qua khảo sát tại công ty, nguồn gốc của bã thải này chủ yếu là dầu thực vật có tỉ lệ nhỏ mỡ bị thất thoát trong công đoạn chiên mì. Thêm vào đó, định kì 2 ca thì dầu cặn bị đen do oxy hóa được xả bỏ hết khỏi chảo chiên trước khi đổ dầu mới vào chiên và khối dầu cặn này thông thường vẫn bị các công nhân xả trực tiếp xuống hố thu. Định kì toàn bộ hệ thống chiên mì được vệ sinh bằng hơi nước nóng và xà bông một lần/một tuần. Thực tế tất cả lượng dầu cũ đổ bỏ cũng như nước thải ra từ công tác vệ sinh chảo dầu đều được thải vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy. Ngoài ra, tại bộ phận nấu dầu để làm gói nêm trong các gói mì nhỏ (độc lập với bộ phận chiên mì), dầu ở đây có lẫn các phụ gia như hành, sa tế... Công tác vệ sinh chảo dầu và các nồi chứa, máy triết trung gian... được thực hiện 2 lần/ngày. Tất cả các phần này đều có tiếp xúc với dầu và lượng nước vệ sinh thải bỏ khá lớn. Tất cả dầu cũ cũng như nước thải vệ sinh đều thải vào hệ thống xử lý. Trong hệ thống xử lý nước thải lẫn dầu mỡ, phần dầu nổi lên trên mặt luôn được tách riêng vì những nguyên nhân sau: Gây cản trở đến quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải tại bể hiếu khí do sự bao phủ của dầu lên các bông bùn hoạt tính là nơi trú ngụ của hệ vi sinh vật nước, làm giảm khả năng trao đổi của vi sinh vật với oxy. Dầu bao quanh các bông bùn hoạt tính khiến tỉ trọng bông bùn này giảm và khả năng lắng của chúng trong bể lắng kém hơn. Sự dính bám và độ nhớt cao của dầu cũng có thể là nguyên nhân gây hỏng hóc thiết bị trong hệ thống (kẹt bơm, máy sục khí...). Sự tích tụ và lắng đọng của dầu trong các đường ống làm thu hẹp tiết diện đường ống, trở lực đường ống tăng lên. Một số acid béo trong thành phần dầu còn ức chế quá trình phân hủy sinh học. Các tác động môi trường gây ra do hỗn hợp dầu thải của nhà máy Thành phần chủ yếu của hỗn hợp dầu thải trong một số nhà máy chế biến mì ăn liền, như tên gọi của nó, chủ yếu là dầu thực vật, cụ thể hơn là dầu cọ. Dầu cọ được ép từ cùi thịt của quả cây cọ (thuộc loài E.Guineensis) thuộc họ Cau (Arecaceae). Trong sản xuất mì ăn liền bằng công nghệ làm khô mì qua dầu thực vật, dầu cọ là loại dầu được ưa chuộng hơn cả vì một số ưu điểm của nó so với các loại dầu khác như: tính kháng oxy hóa tốt (ở nhiệt độ phòng) vì thành phần acid béo không no nhiều nối đôi thấp do sợi mì đã qua dầu cọ chiên được bảo quản lâu hơn; giá thành tương đối thấp; thành phần hóa học cân bằng giữa các acid béo no, không no một nối đôi và không no nhiều nối đôi tương tự như thành phần trong các mô mỡ cấu tạo cơ thể một người khỏe mạnh. Trong hỗn hợp bã thải chứa dầu là đối tượng nghiên cứu, hàm lượng dầu biến động trong một dải rộng, phụ thuộc vào thời điểm vệ sinh chảo dầu chiên. Ở đây chỉ xin nêu ra một số tác động môi trường gây ra bởi thành phần dầu có trong hỗn hợp bã thải. Khi bị thải không kiểm soát ra ngoài môi trường, sự lan truyền của dầu có thể gây hại đến các loài thủy sinh và động vật dưới nhiều hình thức: Dầu có thể phủ lên lông của các loài chim cũng như các loài động vật khác khiến lông bị sắp xếp vô trật tự, làm mất tính cách nhiệt, gây nên sự giảm nhiệt độ cơ thể chúng. Bộ lông bị thấm nước, cơ thể nặng hơn, khả năng di chuyển giảm sút làm cho chúng trở nên dễ bị tổn thương vì đói, chết đuối và bị động vật khác ăn thịt. Dầu có thể tác động đến mô cá, tích lũy trên mang cá và làm trở ngại quá trình hô hấp của cá. Lớp dầu nổi phủ lên trên mặt nước sông suối rõ ràng làm giảm sút các quá trình hòa tan oxy hóa tự nhiên vào nước và quang hợp nước. Nồng độ oxy trong nước giảm là nguyên nhân khiến các thủy sinh thiếu oxy và nghẹt thở. Các vi sinh vật và tảo khi bị bao phủ bởi dầu chìm xuống đáy hồ cùng với chất lơ lửng chính lại tiếp tục đe dọa các sinh vật đáy. Dầu có thể qua lông chim mà tiếp xúc với trứng ấp, lấp kín các lỗ trên bề mặt trứng, làm giảm khả năng trao đổi không khí của trứng là nguyên nhân làm hư trứng. Dầu làm tăng giá trị BOD và do đó tiêu thụ nhanh oxy hòa tan trong nước khiến cá chết nhanh chóng. Tiêu thụ thức ăn có lẫn nhiều dầu qua thời gian dài có thể thúc đẩy phát triển nhưng gây nên béo phì, tuổi thọ ngắn và làm giảm khả năng sinh sản ở một số loài động vật. Khả năng mắc bệnh ung thư của các động vật này tăng cao. Động vật có vỏ cứng như trai hay sò lại ức chế phát triển khi bị phơi nhiễm với dầu ngay cả ở nồng độ thấp. Ngoài ra, dầu có thể bao phủ lên thức ăn của cá và động vật khác. Khi động vật tiêu thụ một lượng lớn dầu có lẫn trong thức ăn, nước đã bị nhiễm hoặc khi chim rỉa lông có lẫn nhiều dầu có thể bị chết. Khi cơ thể bị bao phủ bởi lớp dầu, sinh vật đòi hỏi tiêu thụ nhiều năng lượng hơn để duy trì thân nhiệt chúng, nhất là trong điều kiện khí hậu lạnh. Khi đó, nếu không thể kiếm đủ thức ăn đáp ứng nhu cầu, sinh vật chết nhanh chóng. Dầu có thể gây mùi ôi khó chịu và khi cá ăn phải sẽ gây ra chứng nhuận tràng cho cá, làm tổn thương ruột cá. Có thể tồn lưu trong môi trường qua thời gian dài, khi điều kiện phân hủy không mấy thuận lợi (pH, nhiệt độ, oxy không khí, tỷ lệ dinh dưỡng, nồng độ chất nền...). Khi bị oxy hóa hay dưới tác động của nhiệt độ cao, có thể tạo ra một số chất gây độc ngay cả ở nồng độ thấp (monomer mạch vòng, aldehyde, ketone...). Các chất này gây độc cho tim, hồng cầu, ảnh hưởng đến hệ miễn dịch của cơ thể, tác động lên quá trình trao đổi chất, làm giảm sự sinh sản, là nguyên nhân gây ung thư và xơ vữa động mạch. Một số thành phần bị lẫn trong dầu có thể gây độc cấp tính cho một số loài, tổn thương đến gang, làm thay đổi cấu trúc hồng cầu, rối loạn nhịp tim, chết phôi thai... Nồng độ cao của dầu gây ức chế quá trình lên men và tiêu hóa của động vật nhai lại. Dầu bị oxy hóa và thủy phân trong tự nhiên gây nên mùi khét khó chịu. Làm mất mỹ quan ở những nơi xuất hiện.. Các phương pháp xử lý bã thải nhiều dầu của nhà máy sản xuất mì ăn liền đang được áp dụng hiện nay Sử dụng làm nguồn bổ sung vào thực phẩm chăn nuôi Phương pháp này tận dụng dầu trong bã thải làm nguồn cung cấp chất béo trong các sản phẩm thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, trước khi đem trộn cần gia nhiệt và lọc để loại bỏ bớt tạp chất và diệt bớt vi khuẩn trong quá trình lưu trữ và chuyên chở dầu thải để không ảnh hưởng đến chất lượng thức ăn. Phương pháp này do vậy đòi hỏi nhiều năng lượng và chỉ thích hợp khi dầu thải không lẫn nước. Chôn lấp cùng rác thải Phương thức này là phổ biến nhất tại nhiều nước và cũng như Việt Nam, tuy nhiên đó là một sự lãng phí khi không tận dụng được nguồn hóa năng tiềm tàng trong khối vật chất trong khi thời gian phân hủy lại rất lâu dài, sự tồn trữ lâu trong môi trường có thể gây ô nhiễm môi trường nặng nề. Phân hủy hiếu khí có gia nhiệt Chất thải nhiều dầu mỡ được đem đi phân hủy trong điều kiện có oxy ở nhiệt độ cao (600C) tạo thành sản phẩm cuối là CO2, H2O và phân có thể sử dụng trong nông nghiệp. Phương pháp này có ưu điểm là thời gian phân hủy ngắn nhưng lại đòi hỏi tiêu hao nhiều năng lượng để thổi khí liên tục và gia nhiệt đến 600C. Do đó, phương pháp này chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu và thử nghiệm. Phân hủy kỵ khí Các công nghệ sử dụng để chuyển chất hữu cơ sang khí sinh học (biogas) đã tồn tại nhiều năm ở các nước đã và đang phát triển. Khí sinh học thu được có thể trực tiếp để nấu bếp hoặc thắp sáng, hoặc sử dụng gián tiếp làm nhiên liệu đốt trong các động cơ. Như vậy có thể tận dụng được nguồn chất hữu cơ và biến đổi thành nhiệt năng. Chất thải sau khi phân hủy kỵ khí cũng trở nên ổn định về mặt sinh học và có thể sử dụng như một nguồn phân bón cho cây trồng. CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC CHẤT THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN KỴ KHÍ Lịch sử phát triển quá trình và xu hướng hiện nay Quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là một trong những kỹ thuật ứng dụng cổ xưa nhất. Khí sinh học đã được ứng dụng để làm nóng nước tắm ở Assyria từ thế kỷ thứ 10 Trước Công Nguyên. Cho đến thế kỷ 17, quá trình mới bắt đầu nghiên cứu một cách khoa học. Năm 1776, Count Alessandro Volta đã khẳng định có mối liên hệ giữa lượng hữu cơ phân hủy và lượng khí cháy được tạo thành. Sau đó, năm 1808, Sir Humphry Davy đã chứng minh được sự tạo thành khí methane qua quá trình phân hủy kỵ khí phân gia súc. Quá trình được ứng dụng mang tính công nghiệp đầu tiên là một nhà máy xây dựng ở Bombay, Ấn Độ vào năm 1859 để sau đó nó bắt đầu thâm nhập vào Anh. Những tiến bộ của ngành vi sinh vật học khi đó có tác dụng hỗ trợ phát triển kỹ thuật trong đó nghiên cứu của Buswell những năm 1930 đã đặt nền móng cho việc xác định các loài vi khuẩn kỵ khí và các điều kiện thúc đẩy sự sinh khí. Khi những hiểu biết về quá trình đầy đủ hơn, các kỹ thuật áp dụng trong vận hành và điều khiển ngày càng hoàn thiện với sự ra đời của những bể ủ kín cùng các thiết bị hâm nóng và khuấy đảo. Tuy nhiên, vì lúc đó giá thanh đá rẻ và trữ lượng dầu mỏ còn rất lớn nên khí sinh học không được quan tâm, một phần do sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phân hủy kỵ khí. Quá trình công nghiệp hóa cùng với giá điện rẻ đã dẫn tới kết quả là các kỹ thuật phân hủy hiếu khí chế biến compost và chôn lấp trở thành lựa chọn để xử lý nước thải cho tới ngày nay. Trong khi đó các hệ thống lên men kỵ khí cỡ nhỏ mọc lên rất nhiều tại các nước chậm phát triển hơn như Trung Quốc, Ấn Độ chủ yếu tạo nguồn năng lượng phụ. Rồi hai cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973 và năm 1979 đã phát động mối quan tâm mới tới kỹ thuật phân hủy kỵ khí đơn giản thu methane làm năng lượng. Tuy nhiên những hiểu biết về quá trình còn hạn chế đã dẫn tới sự thất bại của 50% hầm ủ ở Ấn Độ, Trung Quốc và 80% hầm ủ ở Mỹ và Châu Âu. Tuy nhiên, đó chính là động lực để thúc đẩy sự nghiên cứu sâu hơn về quá trình. Cùng với thời gian, kỹ thuật phân hủy kỵ khí không chỉ được áp dụng để xử lý nước thải đô thị hay công nghiệp (chế biến hóa chất, sản xuất thực phẩm các loại...). Gần đây kỹ thuật phân hủy kỵ khí càng được lựa chọn nhiều hơn dưới áp lực của giá dầu mỏ cao và những quy định ngày càng chặt chẽ về môi trường để kiểm soát khắt khe về mùi và khối lượng của phần chất hữu cơ chôn lấp. Đức và Đan Mạch đã tăng sản lượng khí sinh học sản xuất gấp đôi vào năm 2000 và gấp ba vào năm 2005. Ở Việt Nam, sản xuất khí sinh học đã được giới thiệu và áp dụng từ hơn 20 năm qua để thắp sáng do thiếu điện ở một số khu vực nông thôn. Một loạt các hầm ủ sinh học vật liệu xi măng với thiết kế khác nhau đã được đưa vào thử nghiệm ở các vùng nông thôn dưới sự tài trợ của chính phủ Việt Nam và quốc tế. Từ các hầm ủ kiểu Ấn Độ đến kiểu Trung Quốc. Tuy nhiên, vì hầm ủ xi măng có giá cao, khó lắp đặt và sữa chữa nên thực tế còn ít được áp dụng. Sự ra đời của túi ủ hình ống bằng vật liệu PE sau đó đã giảm được đáng kể chi phí đầu tư và chi phí vận hành nên nhận được sự ủng hộ của nhiều nông dân nghèo. Trong vòng 10 năm trở lại đây hơn 20.000 túi ủ như thế đã ra đời ở Việt Nam và đa phần do nông dân tự trang trải chi phí. Túi ủ với giá thành rẻ cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì. Tuy nhiên, những nghiên cứu về quá trình phân hủy đối với rác thải nông thôn Việt Nam (với một số đặc trưng riêng) để làm căn cứ khoa học và ứng dụng còn rất hạn chế. Cơ sở lý thuyết Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do quần thể vi sinh vật hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2... trong đó thông thường có tới 65 - 65% là CH4. Vì vậy quá trình này còn có thể gọi là quá trình lên men methane. Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu cơ trong nước thải để xây dựng tế bào, tăng sinh khối. Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí: CHOn→CO2+H2O+CH4+NH4+H2+H2S+tế bào VSV+… Trong 10 năm trở lại đây, do các phương pháp sinh học phát triển, quá trình xử lý kỵ khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lý các loại cặn chất thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao: BOD đến 10 - 30 g/l. Hiện nay, đã có hàng trăm nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải ở các nước như: Hoa Kỳ, Hà Lan, Đức, Việt Nam,... đi vào hoạt động, do phương pháp này có các ưu điểm sau: Thiết kế đơn giản Thể tích công trình nhỏ Chiếm ít diện tích mặt bằng Công trình có thiết kế đơn giản và giá thành không cao Chi phí vận hành về năng lượng thấp Khả năng thu hồi năng lượng cao, không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng. Lượng bùn sinh ra ít hơn 10 - 20 lần so với phương pháp hiếu khí và có tính ổn định tương đối cao. Có thể tồn trữ trong một thời gian dài và là một nguồn phân bón có giá trị. Tải trọng phân hủy chất bẩn hữu cơ cao. Chịu đựng được sự thay đổi đột ngột về năng lượng. Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thì công nghệ này cũng gặp phải một số khó khăn như: Rất nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng công trình. Những hiểu biết về các vi sinh vật kỵ khí còn hạn chế. Thiếu kinh nghiệm về vận hành công trình Xử lý nước thải chưa triệt để. Mô tả quá trình sinh học kỵ khí Sự tạo thành khí sinh vật là quá trình phân hủy phức tạp xảy ra rất nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật kỵ khí đã phân hủy từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hòa tan. Một số yếu tố bất lợi đối với bất kỳ giai đoạn nào đều có thể gây ra sự cố kiềm hãm cả quá trình. Các giai đoạn đó có thể được mô tả bằng sơ đồ trong hình 4.1. Hình 3.1. Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Phản ứng tổng quát của quá trình có thể được viết: Hợp chất hữu cơ + H2O → Sinh khí + CH4 + CO2 + NH3 Hóa sinh học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Giai đoạn thủy phân Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ phức tạp như chất béo, hydrat cacbon (chủ yếu là cenluloza và tinh bột), protein được thủy phân thành những chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glycerin, acid béo, acid amin,... (để có thể thâm nhập được vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân. Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loài vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như protein bị thủy phân thành acid amin nhờ proteaza, hydratcacbon chuyển thành đường đơn nhờ cenllulaza, amylaza và lipit được chuyển hóa thành các acid béo mạch dài tương ứng và glycerin nhờ vào enzym lipaza. Giai đoạn acid hóa: Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật hấp thụ nên cần được phân giải tiếp. Giai đoạn này được bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi đến tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển. Ở đó các acid amin, đường đơn và acid béo mạch dài đều biến đổi về các acid hữu cơ mạch ngắn hơn (acid propionic, acid valeric, acid acetic), rượu (ethanol), keton, một ít khí hydro và khí CO2... Giai đoạn này có tên gọi là giai đoạn lên men, các acid được sinh thành nhiều nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh. (4 - 5). Cơ chế acid hóa acid béo và glycerin là sản phẩm giai đoạn thủy phân dầu mỡ tương đối phức tạp và có thể tóm tắt như sau: Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian như 1,3-propandiol để tạo thành các sản phẩm cuối cùng là propionate và acetate. Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối. Acid béo mạch yếu phân giải khá phức tạp như sau: Acid béo + CoA ↔ Acyl-CoA Acyl-CoA Oxy hóa β Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA Acetyl-CoA + H2+ năng lượng tích lũy ATP Acid acetic + Co-A (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-) Oxy hóa β lặp lại liên tục Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm ở trong màng tế bào vi khuẩn. Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là acid acetic nên đây cũng chính là giai đoạn acetate hóa của chất thải dầu mỡ. Khi phân giải cơ chất giàu mỡ thì điều khó khăn nhất là sự ức chế của các acid béo dài tạo thành từ giai đoạn thủy phân có ảnh hưởng đến toàn bộ các giai đoạn sau. Do đó quá trình phân giải kỵ khí chất béo có đặc điểm khác với quá trình phân giải chất khác (đường, tinh bột...) ở tốc độ giai đoạn acid hóa chậm hơn. Giai đoạn acetate hóa Các vi khuẩn tạo methane không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình acid hóa nêu trên, ngoại trừ acid acetic, do vậy các phân tử này cần được phân giải thành các phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là acid acetic, khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn acetate đồng hình. Bảng 3.1. Các phản ứng sinh acetate Phản ứng CH3CHOHCOO-+2H2O→CH3COO-+HC03-+H++2H2 (lactate) CH3CH2OH+H2O→CH3COO-+H++2H2 (ethanol) CH3CH2CH2COO-+2H2O→2CH3COO-+H++2H2 (butyrate) CH3CH2COO-+3H2O→CH3COO-+HCO3-+H++3H2 (propionate) 4CH3OH+2CO2→3CH3COOH+2H2O (methanol) 2HCO3-+4H2+H+→CH3COO-+4H2O (bicacbonate) Đối với chất thải giàu dầu mỡ, do sự phân hủy acid béo mạch dài cho sản phẩm là acid acetic mà không phải là aicd béo mạch cao hơn nên giai đoạn acetate hóa cũng chính là giai đoạn acid hóa. Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetate hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật methane ở giai đoạn sau sử dụng như chất nền cùng với CO2. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó bởi vi khuẩn acetate hóa sẽ giảm mạnh. Khi đó acid béo bay hơi tích tụ lại kéo theo sự không phân giải các acid béo dài tạo thành dây chuyền, đến mức nào đó sẽ ức chế các vi khuẩn acid hóa, acetate hóa và methane hóa. Ngoài ra acid tích tụ làm pH của môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợp methane từ hydro và acetate. Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh hydro (vi khuẩn acetate hóa) với vi sinh vật tiêu thụ hydro (chính là vi sinh vật tạo methane) là vô cùng quan trọng nhằm duy trì áp suất hydro ở mức thấp từ 10-6 atm đến 10-4 atm để đảm bảo quá trình tạo methane tiến triển bình thường. Trong khi acetate (sản phẩm giai đoạn acetate hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh methane sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các acid béo bay hơi khác, ví dụ 15 mmol acid acetic ức chế phân giải acid propionic và 100 mmol acid aceic ức chế phân giải acid butyric, do đó làm chậm tốc độ acid hóa. Bản thân acid acetic nồng độ quá cao cũng gây pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải acid béo bay hơi. Nói chung, khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6,8 - 7,8 và nhiệt độ từ 35 - 420C. Ngoài ra, một con đường acetate hóa khác có thể xảy ra bởi sự tham gia của nhóm vi khuẩn homoacetogen từ hydro và cacbonic (tự dưỡng) hay từ các chất hữu cơ (dị dưỡng). Tuy nhiên trong môi trường có nồng độ hydro thấp thì ái lực với hydro của vi sinh vật sinh methane (từ hydro) mạnh hơn của homoacetogen, nên lượng acid acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể. Giai đoạn tạo me._.