TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
CHƯƠNG 3 VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI RẮN
HỮU CƠ

Phân hủy chất thải rắn hữu cơ nhờ vi sinh vật là một trong những con đường xử
lý chất thải bằng con đường sinh học cổ điển nhất. Từ nhiều thế kỷ trước con người đã
chôn vùi những chất thải rắn và vi sinh vật đã phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp
này thành những hợp chất đơn giản và sau đó thực vậ
t bậc cao sẽ dùng làm nguồn dinh
dưỡng. Vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ theo 2 con đường: phân hủy hiếu khí và phân
hủy kỵ khí. Hiện nay, việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt thông qua bãi chôn lấp đã được
sử dụng rộng rãi, tuy nhiên làm phân compost và sản xuất khí sinh học (biogas) ngày
càng được ứng dụng nhiều và sẽ giữ một vai trò quan trọng trong tương lai.
1. VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ
Quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi vi sinh vật làm giảm thể tích và khối lượng
chất thải, sản xuất phân compost dùng bổ sung chất dinh dưỡng cho đất, và sản xuất khí
sinh học (methane) là một loại khí năng lượng có giá trị.
Các loại vi sinh vật chủ yếu tham gia quá trình chuyển hóa sinh học chất thải rắn
hữu cơ bao gồm vi khuẩn, nấm, men, và Antinomycetes. Các quá trình này có thể được
thực hiện hiếu khí hoặc kỵ
khí, tùy theo lượng oxy sẵn có. Những điểm khác biệt cơ bản
giữa các phản ứng chuyển hóa hiều khí và kỵ khí là bản chất của các sản phẩm cuối của
quá trình và lượng oxy thực sự cần phải cung cấp để thực hiện quá trình chuyển hóa
hiếu khí.
Những quá trình sinh học ứng dụng để chuyển hóa chất thải rắn hữu cơ bao gồm
quá trình làm phân compost hiếu khí, quá trình làm phân kỵ khí và quá trình phân hủy
k
ỵ khí với nồng độ chất rắn cao.

O
y
N
z
thì lượng oxy cần thiết cho quá trình phân hủy
hiếu khí các chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học có thể được ước tính
theo phương trình phản ứng sau:
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 52

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG C
a
H
b
O
c
N
d
+ 0.5 (ny+2s+r-c)O
2
nC
w
H
x
O
y
N
z

b
O
c
N
d
+ (4a + b-2c-3d)O
2
2aCO
2
+ bH
2
O (3-3)
Trong nhiều trường hợp, ammonia sinh ra từ quá trình oxy hoá các hợp chất hữu
cơ bị tiếp tục oxy hóa thành nitrat (quá trình nitrt hóa). Lượng oxy cấn thiết để oxy hóa
ammonia thành nitrat có thể tính theo phương trình sau:
NH
3
+ 3/2 O
2
HNO
2
+H
2
O
HNO
2
+ 1/2O
2
HNO
3

•
Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử
thành các thành phần xây dựng cấu trúc như acid béo, monosacharic, amino acid
và các hợp chất liên quan.
•
Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai lên men các sản phẩm đã cắt mạch của nhóm 1
thành các acid hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acid acetic. Nhóm vi sinh vật thứ
hai được gọi là nonmethanogenic bao gồm các sinh vật kỵ khí tùy tiện và vi sinh
vật kỵ khí bắt buộc.
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 53

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG • Nhóm vi sinh vật thứ 3 chuyển hóa hidro và acetic acid thành khí CH
4
và CO. Vi
sinh vật methane hóa chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định để chuyển hóa
thành methane như CO, H2, formate, acetate, methanol, methano, methylamines,
và CO. Các phương chuyển hóa xảy ra như sau:
4H
2
+CO CH
4
+ 2H
2
O (3-5)
4COOH CH
4
+ 3 CO

+ 4NH
3
(3-9)
4CO + 2H
2
O CH
4
+ 3CO
2
(3-10)
Động học của quá trình phân hủy kỵ khí
Tốc độ của quá trình phân hủy kỵ khí phụ thuộc vào điều kiện môi trường và các
thông số động học. Để dự đoán và xác định tốc độ phân hủy kỵ khí của các phức trong
thành phần chất thải rắn hữu cơ, động học quá trình là nội dung cơ bản cần được hiểu
rõ. Nhiều nghiên cứu động học quá trình chuyển hóa sinh học, đặc biệt là quá trình
chuyển hóa kỵ khí, th
ường sử dụng phương trình Monod để thực hiện mối quan hệ giữa
nồng độ cơ chất giới hạn sự phát triển và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật. (Monod,
1949).
ax
Ks+S
m
S
µ
µ
= (3-11)
Trong đó:
µ: Tốc độ tăng trưởng riêng của vi sinh vật (ngày
-1
)

Mặc dù phương trình này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu quá trình phân
hủy các chất thải phức tạp như bùn cống thải, phần chất hữu cơ của chất thải rắn sinh
hoạt và rơm rạ (Eastman và Ferguson, 1981: Pferffer, 1974, Jewell, 1982), nhưng nó
vẫn còn nghi ngờ là nồng độ cơ chất S nó thực sự được xác định trong quá trình nghiên
cứu không. Những chất này chứa một phần các chất hòa tan và nhiều hợp chấ
t cao phân
tử như protein, lipids và celluclose. Tất cả các hợp chất này có tốc độ phân hủy khác
nhau trong điều kiện kỵ khí và hầu hết là những thành phần giới hạn tốc độ phân hủy
(Noikle và cộng sự 1985, Guher và ehnder, 1982). Những nghiên cứu cơ bản về động
học quá trình thủy phân và các phức chất trong quá trình phân hủy kỵ khí nhưng không
được báo cáo. Tốc độ quá trình thủy phân sẽ phụ thuộc vào loại cơ chất, giá trị pH,
nhiệt đ
uá trình phân hủy kỵ khí chất thải
rắn sinh hoạt đi nghiền bước giới hạn tốc độ chính là quá trình thủy phân phần
celluclo
iễn tốc độ khử
cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khí phần chất hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt
bao gồm hai hợp chất trong trường h
ộ và sự có mặt của các chất ức chế (Gijer và Zehnder, 1983; Sander, 1999).
Theo nghiên cứu của Pfeffer (1974) đối với q
se của cơ chất đã tạo nên động học bậc nhất.
Đối với cơ chất dị thể như phần chất hữu cơ của ch
ất thải rắn sinh hoạt, với
thành phần xác định động học quá trình phân hủy bậc 1 dường như là một dạng đơn
giản nhất và hướng thực tế nhất để mô tả toàn bộ quá trình. Tuy nhiên, khoảng 13-15%
các hợp chất hữu cơ của các cơ chất này bị phân hủy với tốc độ cao hơn phần chất hữu
cơ còn lại, cũng như động học bậ
c. Phần này có thể chứa các loại đường và amino acid,
vì tốc độ khử các hợp chất lớn hơn đáng kể so với celluclose (Noikle và cộng sự, 1985).
Theo Cecche và Alvarez (1991), còn một phần thứ 3 nữa tồn tại gồm các acid béo dễ

và VS
2
thì:
R= (-k
1
VS
1
ó:
k
1
và k
2
: hằng số tốc độ bậc 1 của hợp chất 1 và hợp chất 2
VS
1
và VS
2
: nồng độ chất rắn bay hơi của hợp chất 1 và hợp chất 2 tương ứng.
Trong thực tế, nồng độ chất rắn bay hơi VS= VS
1
+ VS
2
có thể được xác định
một cách gián tiếp bằng cách đo đại lượng khí methane sinh ra. Đối với một quá trình
phân hủy, tốc độ khử các chất rắ
thành sinh k
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 55

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG



Như vậy nếu biểu diễn theo tốc độ hình thành khí methane, phương trình trên trở thành:
4
4ax
t
m
CH
kt
CH
⎞
1
n
⎛
−=−
⎜
Trong đó CH
t là tổng lượng methane sinh ra theo thời gian t, CH là lượng
khí methane sinh ra có thể xác định lượng phân hủy chất hữu cơ một cách dễ dàng hơn.
3. CÁC
ợc gọi một cách
ên
hất
thả
ữ
Vi khu khuẩn là những tế bào đơn có dạng hình cầu , que hoặc dạng xoắn ốc.
n dạng xoắn ốc (khuẩn xoắn) có thể dài hơn 10m và rộng khoảng 0,5µm.
⎟
⎝⎠
(3-18)
4 4max


TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG trên công thức này, khoảng 53% (theo khối lượng) của phần chất hữu cơ là carbon. Các
hợp chất tạo thành phần vô cơ trong tế bào vi khuẩn gồm có P
2
O (50%), CaO (9%),
Na
2
O (11%), MgO (8%), K
2
O (6%) và Fe
2
O
3
(1%). Vì tất cả các nguyên tố và hợp chất
này phải lấy từ môi trường, nên nếu thiếu những hợp chất này sẽ hạn chế sự phát triển
của vi khuẩn.

Hình 3. 1
: Vi khuẩn hình que
Nấm.
Nấm được xem là nhóm nguyên sinh động vật đa bào, không quang hợp
và dị dưỡng. Hầu hết các loại nấm có khả năng phát triển trong điều kiện ẩm thấp, là
điều kiện không thích hợp cho vi khuẩn. Thêm vào đó, nấm có thể chịu được môi
trường có pH khá thấp. Giá trị pH tối ưu cho hầu hết các nhóm nấm là vào khoảng 6,
nhưng giá trị pH cũng có thể dao động trong khoảng 2 - 9, quá trình trao đổi chất của
các vi sinh v
ậy này là quá trình hiếu khí và chúng phát triển thành các sợi dài gọi là sợi


3.2 Cá
so với quá trình hô hấp, do đó các vi sinh vật dị dưỡng loại này có tốc độ sinh
trưởng và sinh sản tế bào thấp hơn so với vi sinh vật dị dưỡng trao đổi chất theo cơ chế
hô hấp.
điều kiệ
n không có oxy phân tử. Trong lĩnh vực công nghệ môi trường, các
quá trình sử dụng các loại vi sinh vật này thường được gọi là quá trình thiếu khí
(Anoxi
ủa oxy phân tử. Các vi sinh vật kỵ khí chịu
được điều kiện hiếu khí (Aerotolerant Anaerobes) có thể trao đổi chấ
t lên men hoàn
Bảng 3. hận điện tử tro sinh vật.

M g Ch tử
này được sử dụng rộng rãi để sản xuất chất kháng sinh.
c loại quá trình trao đổi chất của vi sinh vật
Các vi sinh vật dị dưỡng hóa học có thể nhóm lại theo dạng trao đổi chất và nhu
cầu oxy phân tử của chúng. Các vi sinh vật tạo ra năng lượng bằng cách vận chuyển
điện tử trung gian của enzyme từ chất cho điện tử đến nhận điện tử bên ngoài (như oxy)
được gọi là quá trình trao đổi chất hô hấp (Respiratory Metabolism). Trong khi đó, cơ
chế trao đổi chất lên men (Fermentative Metabolism) không có sự tham gia của chất
nhận diệ
n điện tử từ bên ngoài. Quá trình lên men là quá trình tạo năng lượng ít hiệu
quả hơn

Khi oxy hóa phân tử được sử dụng làm chất nhận điện tử trong quá trình trao đổi
chất hô hấp, thì quá trình này được gọi là quá trình hô hấ
p hiếu khí (Aerobic
Metabolism).Các vi sinh vật phụ thuộc quá trình hô hấp hiếu khí để đạt được nhu cầu

2-
đổi chất hiếu
Khử nitrat Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 58

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 3.3 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật
Để có thể tái sinh và hoạt động một cách hợp lý, vi sinh vật cần có nguồn năng
lượng: carbon để tổng hợp tế bào mới và các nguyên tố vô cơ (chất dinh dưỡng) như
nitơ (N
2
), photpho (P), lưu huỳnh (S), canxi (C) và magie (Mg). Các chất dinh dưỡng
hữu cơ cũng cần thiết để tổng hợp tế bào.
Nguồn Carbon Và Năng Lượng. Hai nguồn carbon thông dụng nhất đối với
mô tế bào carbon hữu cơ và CO. Những vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để tạo
thành mô tế tào được gọi là vi sinh vật dị dưỡng (Heterotrophs). Sự chuyển hoá CO
2

thành mô tế bào hữu cơ là quá trình khử đòi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng. Do đó,
các vi sinh vật tự dưỡng tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình tổng hợp hơn so với vi
sinh vật dị dưỡng. Đây chính là nguyên nhân khiến cho tốc độ sinh trưởng của vi sinh
vật tự dưỡng thường thấp hơn.
Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào có thể được cung cấ
p từ ánh sáng mặt
trời hoặc từ phản ứng oxy hoá hoá học. Các vi sinh vật có thể sử dụng ánh sáng mặt trời
làm nguồn năng lượng gọi là vi sinh vật quang dưỡng (Photrophs). Các vi sinh vật


CO
2
CO
2

Carbon hữu cơ
Carbon hữu cơ
Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993
Nhu cầu dinh dưỡng và các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật.
Các chất dinh dưỡng, không phải là nguồn carbon hoặc năng lượng có thể là thành phần
hạn chế sự tổng hợp và phát triển tế bào vi sinh vật. Các chất dinh dưỡng vô cơ cơ bản
cần thiết cho vi sinh vật bao gồm nitơ (N), lưu huỳnh (S), photpho (P), kali (K), magiê
(Mg), canxi (Ca), sắt (Fe), natri (Na) và clo (Cl). Các chất dinh dưỡng ít quan trọng h
ơn
bao gồm kẽm (Zn), mangan (Mn), molyden (Mo), selen (Se), Coban (Co), niken (Ni) và
tungsten (W).

Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 59

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bên cạnh các chất dinh dưỡng vô cơ, một số loại vi sinh vật cần cung cấp các
chất dinh dưỡng hữu cơ. Mặc dù nhu cầu dinh dưỡng của các vi sinh vật khác nhau sẽ
khác nhau nhưng các chất dinh dưỡng hữu cơ có thể phân thành 3 loại chính như sau:
(1) amino acid, (2) purines và pyrimidines, và (3) vitamins.
Sự dinh dưỡng của vi sinh vật và các quá trình chuyển hoá sinh học. Mục đích
chính của hầu hết các quá trình chuyển hoá sinh học là chuyển hoá các chất hữu cơ có
trong chất thải thành các s

Psychrphilic
Mesophilic
Thermophilic
10 – 30
40 – 50
45 – 75
15
35
55
Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993
Nồng độ ion hydro, biểu diễn dưới dạng pH, là yếu tố không quan trọng đối với
sự phát triển của vi sinh vật nếu dao động trong khoảng pH = 6 – 9. Thông thường, giá
trị pH tối ưu để vi sinh vật phát triển dao động trong khoảng 5 – 7. Tuy nhiên, khi pH
lớn hơn 9 hoặc thấp hơn 5 các phân tử acid yếu hoặc bazơ yếu có thể khuếch tán vào tế
bào dễ dàng hơn các ion hydro và hydroxyl, do đó làm thay đổi pH nộ
i bào và phá huỷ
tế bào.
Độ ẩm là một yếu tố môi trường quan trọng khác đối với sự sinh trưởng của vi
sinh vật (VSV). Độ ẩm của chất thải hữu cơ cần chuyển hoá sinh học phải được xác
định trước, đặc biệt là trong trường hợp làm phân compost theo qui trình khô. Trong
nhiều trường hợp cần bổ sung nước để đạt được độ hoạt tính tối ưu của vi sinh vật. Độ

ẩm tối ưu của quá trình làm phân compost hiếu khí dao động trong khoảng 50 – 60%.
Nếu độ ẩm xuống thấp hơn 40%, tốc độ của quá trình sẽ bị chậm lại.

Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 60

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 61

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Trong quá trình làm phân compost hiếu khí phần chất hữu cơ (CHC) có trong
chất thải sinh hoạt sẽ bị phân hủy sinh học. Mức độ và thời gian cần thiết cho quá trình
phân hủy xảy ra phụ thuộc vào bản chất của chất thải, độ ẩm, dinh dưỡng sẵn có và các
yếu tố môi trường khác. Dưới điều kiện môi trường được khống chế thích hợp, rác vườn
và phần chất hữu cơ có trong CTRSH được chuy
ển hóa thành compost trong một
khoảng thời gian tương đối ngắn (từ 4 – 6 tuần).
Quá trình làm phân compost hiếu khí, các vi sinh vật tùy tiện và hiếu khí bắt
buộc chiếm ưu thế. Ở giai đoạn đầu, vi sinh vật ưu ấm (Mesophilic) chiếm ưu thế nhất.
Khi nhiệt độ tăng, vi sinh vật chịu nhiệt (Thermophilic) lại là nhóm trội trong khoảng 5
– 10 ngày. Và ở giai đoạn cuối, ở nồng độ thích hợp, nên c
ần bổ sung chúng vào vật liệu
làm phân như là chất phụ gia.
Quá trình làm composting xảy ra trong điều kiện hiếu khí có thể biễu diễn theo
qui trình sau:
Chất hữu cơ + O
2
+ Dinh Dưỡng Tế bào mới + phần chất hữu cơ không phân
hủy + CO
2
+ H
2
O + NH
3
+ SO


Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 62

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bảng 3. 4: Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân compost hiếu khí

STT Thông số Giá trị
01 Kích thước Kích thước tối đa của chất thải: 25 – 75 mm (1 – 3 in)
02 Tỷ lệ C/N
Tỷ lệ C/N tối ưu: 25 – 50. Nếu tỷ lệ này thấp có thể sinh khí
NH Hoạt tính sinh học cũng có thể cản trở ở tỷ lệ C/N thấp. Ở
tỷ lệ cao nitơ có thể là nguyên tố giới hạn.
03 Độ ẩm
Độ ẩm có thể giao động trong khoảng 50 – 60%. Giá trị tối ưu
55%
04
Mức độ xáo
trộn
Để tránh hiện tượng khô, tạo thành bánh, tạo kênh khí, trong
quá trình làm phân vật liệu phải được xáo trộn định kỳ. Chu kỳ
xáo trộn tuỳ thuộc vào dạng quá trình thực hiện
05 Nhiệt độ Nhiệt độ duy trì trong khoảng 55 – 60
0
C
06
Nhu cầu
không khí
Lượng oxy tính toán dựa trên cân bằng tỷ lượng. Không khí

-
Đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật để sinh tổng hợp enzym.
Xử lý rác bằng công nghệ vi sinh không đòi hỏi vốn ban đầu lớn, bằng phương
pháp đốt hay phương pháp hóa lý khác. Ở mọi khối lượng của rác đều có thể áp dụng
công nghệ vi sinh vật để giải quyết.
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 63

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Xử lý rác bằng công nghệ vi sinh vật sẽ tạo ra loại phân hữu cơ: loại phân này có
chất lượng tương đương các loại phân hữu cơ khác. Công nghệ này giúp ta tăng nhanh
vòng quay vật chất trong thiên nhiên: Khối lượng vật chất trong chu trình chuyển hóa trên mất đi không nhiều (chủ
yếu là vật chất được chuyển thành dạng lắng, khí). Do đó, phân bón hữu cơ được tạo ra
như một khâu trong chuỗi thức ăn c
ủa thực vật. Chuỗi này rất ngắn, do đó sự mất mát
năng lượng trong chuỗi thức ăn này là rất ít. Nếu ta tiến hành phương pháp đốt, các chất
hữu cơ bị cháy hết, vật chất còn lại để tái tạo sinh khối thực vật chỉ là chất khoáng.
Năng lượng tái tạo sẽ mất gần như hết.

Thực vật

Phân bón hữu cơ


chiếm 99% tổng lượng khí sinh ra. Phần chất hữu cơ trên còn lại (bùn) phải được tách
nước trước khi đổ ra bãi chôn lấp. Bùn đã được tách nước thường được ủ phân compost
hiếu khí trước khi bón cho đất hoặc đổ vào bãi chôn.
Trong những năm gần đây, việc áp dụng quá trình phân hủy kỵ khí xử lý phần chất hữu
cơ của CTRSH đã trở nên phổ biến vì có thể thu hồi được khí methane và sản phẩm
phân hủy có thể sử dụng như chất bổ sung dinh dưỡng cho đất.
Một số quá trình phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ đang được nghiên cứu và triển khai
trên thế giới, gồm (Nguồn Tchobanoglous và cộng sự 1993).
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 64

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG - Công nghệ phân hủy dạng mẻ nối tiếp SEBAC – Mỹ gồm 3 giai đoạn: (1) nạp liệu, ủ
với nước rỉ rác, (2) chuyển hóa khí methane, (3) phân hủy cuối.
- Công nghệ KAMPOGAS – Thụy sĩ thiết bị phản ứng có dạng hình trụ tròn,
cánh khuấy thủy lực, vận hành ở nồng độ chất thải rắn cao, nhiệt độ thermophilic.
- Công nghệ DRAVO – Bỉ: thiết bị phản ứng dòng chảy tầng, không khu
ấy trộn
cơ khí, vận hành ở nồng độ chất thải rắn cao, nhiệt độ thermophilic.
Công nghệ BTA – Đức: gồm 4 giai đoạn: (1) Xử lý sơ bộ, (2) Phân loại, (3) thủy
phân kỵ khí chất hữu cơ, (4) Methane hóa chất thải rắn sinh học hòa tan. Nhiệt độ
Mesophilic.
Công nghệ VALOGRA – Pháp: gồm 3 giai đoạn: phân loại, lên men methane,
tinh chế. Hoạt động ở nồng độ chất rắn cao, nhiệt độ ấ
m. Xáo trộn bằng cách tuần hoàn
khí sinh học dưới áp suất ở dưới đáy thiết bị.
Công nghệ BIOCELL – Hà Lan: là hệ thống mẻ, thiết bị hình trụ tròn, đường
kính 12m, cao 5m, chất rắn nạp liệu có nồng độ 30% thu được do phối trộn rác đã phân
loại và chất thải đã phân hủy từ mẻ trước đó.


Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 65