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 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 108 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 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: (n = ( - b (2) (n - 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 (tuoåi vaø hoaït tính cuûa buøn giaûm ( 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 : (1 - Haèng soá naêng löôïng cho qt sinh toång hôïp (1/K) (2 - Haèng soá naêng löôïng phaân huyû (1/K) (max - Toác ñoä taêng tröôûng lôùn nhaát (ngaøy-1) (1 - Haèng soá hoaït ñoäng (ngaøy-1) (2 - 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 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH VÀ XU HƯỚNG HIỆN NAY. Quá trình phân hủy kị khí ( anaerobic digestion ) là một trong những ứng dụng cổ xưa nhất.khí sinh học đã làm nóng nước tắm ở Assirya từ thế kỷ thứ 10 trước công nguyên.cho đến thế kỉ thứ 17, quá trình mới bắt đầu được nghiên cứu một cách khoa học.Năm 1776, Count Alessandro Volta đã khẳng định có mối liên hệ giữa lượng chất 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 của khí metan qua quá trình phân hủy kị khí phân gia súc. Quá trình được ứng dụng mang tính công nghiệp đầu tiên là một nhà máy được xây dựng ở Bombay, Ấn độ váo năm 1859 để sau đó nó bắt đầu thâm nhập vào Anh. Những tiến bộ của nghành 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 kị khí và các điều kiện thúc đẩy sự sinh khí. Khi những hiểu biết về quá trình đầy đủ hơn, các kỹ thuật ứng 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 than 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 hiếu 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 sự lựa chọn để xử lí chất thải cho tới ngày nay Trong khi đó các hệ hống lên men kị khí kiểu 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 kị khí đơn giản thu Metan làm nămg lượng.Tuy nhiên, những hiểu biết về quá trình còn hạn chế đã dẫn tới sự thát bại của 50 % hầm ủ ở Ấn độ, Trung Quốc và 80 % hầm ủ ở Mỹ và Châu Âu.Tuy nhiên đó lại là động lực thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn về quá trình .cùng với thời gian, kỹ thuật phân hủy kị khí không chỉ được áp dụng để xử lí chất thải nông nghiệp hay chăn nuôi mà thậm chí để xử lí chất thải đô thị hay công nghiệp ( chế biến hóa chất, sản xuất thực phẩm các loại …). Gần đây kĩ thuật phân hủy kị khí càng được lựa chọn nhiều hơn dưói áp lực của giá dầu mỏ cao và những qui 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 váo 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 ư kiểu Ấn độ và Trung Quốc. Tuy nhiên, vì hầm ủ xi măng có giá cao, khó lắp đặt và sửa chữa nên thực tế còn ít được áp dụng.Sự ra đời bằng túi ủ 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 hộ 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 rẽ còn bộc lộ nhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì. Tuy nhiên, những nghiên cứu về quá trình 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. HÓA SINH CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ CHẤT THẢI HỮU CƠ BÃ KHOAI MÌ Quá trình phân hủy kị khí nói chung gồm môt chuỗi các giai đoạn sinh học phức tạp nhưng được liên kết đồng bộ và chặt chẽ với nhau đễ biến đổi hợp chất hữu cơ ban đầu thành khí sinh học. một yếu tố bất lợi đối với bất kì một giai đoạn nào đều có thể gây ra sự cố và kìm hãm cả quá trình. Phản ứng tổng quát của quá trình có thể được viết : Hợp chất hữu cơ + H2O (sinh khối + CH4 + CO2 + NH3 Giai đọan thủy phân Trong bước này các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn giản hơn (để có thể thâm nhập được vào tế bào vi khuẩn ) với sự tham gia của các enzyme ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân (cũng là vi khuẩn lên men ). Protein bị phân hủy thành axit amin nhờ Proteaza, Hydratcacbon chuyển thành đường đơn nhờ cellulaza, và lipit, nhờ lipaza, được chuyển thành các axit béo mạch dài tương ứng và glycerin. Tốc độ thủy phân chất hữu cơ trong chất thải rắn xảy ra chậm hơn trong nước thải.Nhìn chung, kích thước và cấu trúc hình học của hạt cơ chất cho diện tích tiếp xúc giữa cơ chất và vi sinh càng nhỏ thì nồng độ vi sinh tham gia cơ chất càng thấp và tốc độ thủy phân càng chậm. Nhiệt độ thấp hay PH thấp cũng làm giảm tôc độ thủy phân. Đối với chất thải rắn thì trong tổng số 4 giai đoạn của cả quá trình, thủy phân trở thành giai đoạn giới hạn tốc độ ( tốc độ chậm nhất ) Giai đoạn axit hóa Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để có thể được vi sinh vật hấp thu nên cần được phân giải tiếp. giai đoạn bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi vào tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển. ở đó các axitamin, đường đơn và axit béo mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn ( axit propionic, axit valeric, axit acetic),rượu(ethanol ), kenton, một ít hydro và khí cacbonic…giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men. Do đó quá trình phân giải kị khí có đặc điểm khác với quá trình phân giải chất khác (đường, tinh bột …) ở giai đoạn tốc độ axit hóa chậm hơn Trong các nghiên cứu liên quan thời gian diễn ra pha lag đều tỉ lệ thuận gần tuyến tính với nồng độ axit ban đầu.Sự ức chế không thể khắc phục bằng cách pha loãng để giảm nồng độ chất nền. Ngoài sự ức chế từ các axit, sản phẩm của giai đoạn này là axit bay hơi, một mặt vừa là chất nền cho các vi khuẩn acetat hóa ở giai đoạn sau, mặt khác lại gây ức chế lên các vi khuẩn sinh metan và ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình . Độc tính thể hiện rõ nhất đối với propionic và butyric ở những nồng độ cao và ảnh hưởng càng lớn khi pH càng thấp. Điều này được lý giải bởi sự ức chế gây ra chủ yếu do phần axit không phân ly ( pH càng thấp thì lượng không phân ly càng thấp ). Khi pH bên ngoài màng tế bào quá thấp sẽ dẫn đến sự chênh lệch lớn gữa pH trong và ngòai màng tế bào, khiến bơm proton bị ức chế và ngưng trệ quá trình trao đổi chất qua màng tế bào. Giai đoạn acetat hóa Các vi sinh vật tạo metan vẫn không thể sử dụng trực tiếp các sản phẩm của giai đoạn axit hóa ( axit hữu cơ, rượu, keton…) ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần được phân giải tiếp thành những phân tử đơn giãn hơn nữa.Sản phẩm phân giải là acetic axit, khí hydro, cacbonic được tạo ra bởi vi khuẩn acetat hóa : CH3CH2OH ( ethanol ) + H2O ( CH3COO- + H+ + 2H2 CH3CH2COO- ( propionic ) + 3H2O ( CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2 CH3(CH2)2COO- (butyric ) + 2H2O (2CH3COO- + H- + 2H2 Đối với chất nền do sự phân hủy axit mạch dài cho sản phẩm là axit acetic mà không phải là các axit mạch cao hơn nên giai đoạn acetat hóa cũng chính là giai đoạn axit hóa. Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật sinh metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với cacbonic. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kị khí . Nếu vì lí 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 acetat hóa ) sẽ giảm mạnh.. Ngoài ra, axit tích tụ làm pH môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợp metan từ hydro và acetat.Cứ thế, yếu tố này tác động đến yếu tố kia và bản thân lại bị tác động của những yếu tố khác tạo thành một chuỗi tác đ ộng mang tính dây chuyền và quá trình phân hủy hoàn toàn “thất bại”. Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh hydro ( vi khuẩn acetat hóa) với vi sinh vật tiêu thụ hydro ( chính là vi sinh vật tạo metan ) là vô cùng quan trọng nhằm duy trì áp suất Hydrỏơ mức thấp từ 10-4 atm đến 10-6 atm để đảm bảo quá trình tạo metan tiến triển bình thường . điều này cũng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết về nhiệt động học của các phản ứng trong giai đoạn này vì phản ứng sinh axit acetic từ propionic, butyric hay ethanol ( phản ứng thu nhiệt ) chỉ có thể xảy ra đồng thời với các phản ứng sinh metan trong giai đoạn sinh metan hóa ( phản ứng tỏa nhiệt ) ] Trong khi acetat ( sản phẩm giai đoạn acetat hóa ) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tip61 thì chính sự tích tụ của nó cũng sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit bay hơi khác, ví dụ 15 mmol axit acetic ức chế phân giải axit propionic và 100 mmolaxit acetic ức chế phân giải axit butyric và do đó làm chậm tốc độ acetat hóa. Bản thân axit acetic ở nồng độ quá cao ( 6000 mg/l ) cũng khiến pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải axit béo bay hơi . Nói chung, pH và nhiệt độ tối ưu giai đoạn này là 6.8 – 7.8 và 35 – 420C Ngoài ra, một con đường acetat 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 metan ( từ hydro ) mạnh hơn của homoacetoge, nên lượng axit acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể. Giai đoạn tạo metan Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kị khí tạo ra sản phẩm mong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng tổ hợp các con đường sau. Mỗi con đường ứng với mỗi nhóm cơ chất sử dụng và nhóm vi sinh vật sinh metan khác nhau ( trong tổng thể các cơ thể sinh metan ) Con đường 1 : CO2 + 4 H2 ( CH4 + 2H2O Loại vi sinh vật HydrogenotrophicMethanogen sử dụng cơ chất là Hydro và cacbonic. Dưới 30% lượng metan được sinh ra bằng con đường này. Con đường 2 : CH3COOH(CO2 + CH4 4CO + 2H2O( CH4 + 3CO2 Loại vi sinh vật Acetotrophic Methanogen chuyển hóa acetat thành metan và cacbonic. Khoảng 70 % lượng metan sinh ra là qua con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ phản ứng này tương đối nhỏ.Cacbonic giải phóng ra lại được khử thành metan bằng con đường 1.Chỉ có một số loài vi sinh vật sinh metan sử dụng được cơ chất là cacbon monoxit. Con đường 3 : CH3OH + H2 (CH4 + H2O 4(CH3)3-N + 6H2O ( 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Loại vi sinh vật methylotrophic Methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm Metyl (-CH3 ).Chỉ một lượng không đáng kể metanđược sinh ra từ con đường này. Nhiều nghiên cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp và do đó từng được coi là giai đoạn giới hạn tốc độ của cả quá trình. Phương trình động học Monod được coi là nền tảng cho hầu hết các nghiên cứu với giả thiết tốc độ sinh trưởng tế bào chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất nền ( axit acetic ) trong bể phân hủy. Tuy nhiên, các mô phỏng này chỉ đặc trưng được một giai đoạn nhất định của cả quá trình hoặc chưa bao quát được tương đối đủ các yếu tố ảnh hưởng. Trong các nghiên cứu gần đây cho thấy giả thiết trên được coi là không còn mang tính đại diện khi một loạt các yếu tố ảnh hưởng khác được tính đến làm tiền đề cho mô hình nghiên cứu đầy đủ hơn, cặn kẽ hơn, phức tạp hơn rất nhiều cùng với sự trợ giúp đắc lực củ máy tính điện tử bao gồm nồng độ chất nền, sư ức chế bởi các sản phẩm trung gian và cân bằng ion của chúng, sự tương tác giữa các nhóm vi khuẩn khác nhaucủa mỗi giai đoạn, cấu trúc bể phân hủy ( kích thước hình học, kết cấu bể, hình thức tập hợp vi khuẩn ), các thông số thủy lực ( lưu lượng chất thải, ảnh hưởng của sự truyền khối cơ chất đến hoạt động của vi sinh vật và sự chuyển khí sinh học từ trong lòng hỗn hợp phân hủy ra ngoài ). Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của những chất khác nhau ( bao gồm cả chất béo, hydrat cacbon và protein ) càng đòi hỏi các nghiên cứu chi tiết hơn và mô phỏng chính xác hơn quá trình xảy ra để từ đó dự đoán được xu hướng và diễn biến của quá trình. Tóm lại, phân tích khá chi tiết các khía cạnh quan trọng và mới liên quan chặt chẽ lẫn nhau của từng giai đoạn ở trên cho thấy để cả quá trình phân giải kị khí có thể diễn tiến tuận lợi như mong muốn, cần duy trì môt cân bằng giữa tốc độ sinh thành axit ( bởi giai đoạn thủy phân, axit hóa và acetat hóa) với tốc độ tiêu thụ axit ( bởi giai đoạn tạo metan ). Sự sản xuất quá mức các axit dẫn đến sự tích tụ của các sản phẩm lên men đến ngưỡng gây ức chế và tiến tới chấm dứt quá trình. Bốn giai đoạn được phân chia như trên thật sự chỉ mang tính quy ước mà thôi, thực tế trong bể phân hủy kị khí các giai đoạn xảy ra cùng một lúcvà đồng bộ với nhau để đạt đến sự cân bằng và hiệu quả mong muốn. VI SINH VẬT HỌC CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ CHẤT THẢI HỮU CƠ BÃ KHOAI MÌ Công tác nghiên cứu vi sinh vật của quá trình phân hủy kị khí nhìn chung gặp phải nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng vi sinh chậm và nhiều loài thậm chí không sinh trưởng trong môi trường thuần khiết mà chỉ tồn tại trong điều kiện cộng sinh với loài khác hoặc cho các sản phẩm khác với môi trường tự nhiên. Mỗi giai đoạn trong quá trình có liên quan đến một số nhóm vi khuẩn khác nhau, mỗi nhóm gồm nhiều loài khác nhau. Ngoài ra, bản chất của chất nền cùng với điều kiện tiến hành phân hủy kị khí như nhiệt độ, pH, tốc độ nạp chất nền, thời gian lưu…có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần và số lượng loàicủa khu hệ sinh vật. Các kỹ thuật truyền thống và gần đây là các phương pháp sinh học phân tử hiện đại đã được ứng dụng để nghiên cứu ngày một sâu sắc hơn về khu hệ vi sinh vật gắn liền với quá trình phân hủy kị khí. Một số loại nấm và protozoa cũng đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ kị khí chủ yếu thuộc về các vi sinh vật nhân nguyên thủy ( procaryotes ) bao gồm vi khuẩn ( Bacteria ) và vi sinh vật cổ (Archaea). Giai đoạn thủy phân Tham gia vào giai đoạn đầu tiên của quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ chủ yếu là các vi khuẩn kị khí bắt buộc xen lẫn các vi khuẩn kị khí tùy tiện. Vi khuẩn thủy phân thường có hình que, nhuộm gram dương hoặc gram âm. Bản chất của chất nền rất quyết định đến chủng loại các vi khuẩn này. Đối với các chất nền dễ phân hủy như hydratcacbon thí các loài streptococus bovis, Bacteriodes amylophilus, Selenomonas ruminatium, Succinomonas amylolytica chiếm ưu thế.  Giai đoạn axit hóa Khi sự axit hóa các hợp chất hữu cơ không phải là dầu mỡ ( hydratcacbon, protein ) thì vi khuẩn axit hóa đồng nghĩa với vi khuẩn lên men. Các vi khuẩn lên men cũng chính là các vi khuẩn thủy phân ( đã đề cập trong mục 2.3.1 ). Giai đoạn acetat hóa Như đã đề cập trong mục 2.2.4, vi khuẩn tham gia quá trình acetat hóa sinh trưởng cộng sinh với vi sinh vật tạo metan. Áp suất khí hydro nếu tăng lên đến giới hạn nhất định có thể làm ngưng trệ hoạt động của các vi khuẩn giai đoạn này. Điều đó cũng có nghĩa chúng chỉ có thể sinh trưởng và phát triển trong môi trường mà sản phẩm do chúng tạo ra – hydro - phải luôn luôn được tiêu thụ. Chính vì thế việc sống cộng sinh với vi sinh vật sinh metan ( là vi sinh vật tiêu thụ hydro ) là thực sự quan trọng. Tốc độ sinh sản của vi khuẩn này tương đối chậm với thời gian thế hệ thường từ 3 đến 7 ngày, ngay cả khi có sự hiện diện của vi sinh vật sinh metan, pH tối ưu cho các vi khuẩn acetat hóa nằm trong khoảng 6 – 7. Cũng như vi sinh vật sinh metan, chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường. Các giống vi sinh vật acetat hóa quan trọng gồm Syntrophus, Syntrophobacter, Syntrophomonas. Được nghiên cứu nhiều có Syntrophobacter wolinii là loài vi khuẩn phân giải propionic và Syntrophomonas wolfei là loài vi khuẩn phân giải butyric. Giai đoạn sinh Metan Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh metan không thuộc giới vi khuẩn ( bacteria ) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộc giới vi sinh vật cổ ( Archae ) do có cấu tạo thành và màng tế bào khác biệt. Chúng đã xuất hiện từ rất lâu, được phân thành nhánh riêng trong cây phân loại nên được nghiên cứu khá kỹ lưỡng. Chuỗi phân giải kị khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này. Chúng có nhiều hình dạng khác nhau ( que, cầu, đĩa dẹt, kết thành đám…) và có loài chuyển động được, có loài không. Các giống khác nhau có thành tế bào thuộc cả hai nhóm gram âm ( methanococus ) và gram dương ( methanobacterium ). Đặc điểm chung của các cơ thể này là chịu được nhiệt độ khá cao ( 60 – 80oC, tùy loài ), sinh trưởng và phát triển trong môi trường có thế thử thấp ( < - 300mV), rất mẫn cảm với sự biến động của môi trường như oxy, nhiệt độ, pH…nhưng ít nhạy cảm với các chất kháng sinh như penicilin. Coenzyme của vi sinh vật sinh metan rất đặc biệt : coenzyme M, coenzyme F430 và F 420 ( khiến chúng có khà năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiện chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện này ). Thời gian thế hệ của chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 55oC đến 3 ngày ở 35oC và tới 50 ngày ở 10oC. Các chất có thể dùng để cung cấp nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh metan khá đơn giản. Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetat hóa. Tuy 70 % lượng khí metan được sinh ra từ sự oxy hóa acetat, chỉ có một số loài vi sinh vật cổ có khả năng phân giải acetat, trong đó các giống quan trọng là Methanosaeta, Methanosarcina, Methannococus. Trong khi đó rất nhiều loài sinh metan có khả năng tạo metan từ hydro và cacbonic, trừ một nhóm chỉ phân giải acetic và một nhóm chỉ phân giải hợp chất chứa metyl. Hai loài Methanosarcina barkeri và Methanococus mazei là thường gặp nhất vì chúng có khả năng sử dụng bất cứ cơ chất nào. Ngày nay đã biết đến khoảng 83 loài vi sinh vật sinh metan, đều thuộc loại kị khí bắt buộc. Dụa vào sự khác nhau về khả năng sử dụngcơ chất để xếp loại chúng thành 3 nhóm lớn là a) 61 loài sử dụng CO2 và H2 tạo CH4 ; b ) 20 loài sử dụng hợp vchất chứa metyl ( 13 loài bắt buộc ) và c) 9 loài sử dụng acetat tạo ra CH4 ( 2 loài bắt buộc ). khoảng 23 % số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt ( thermophillic ). Cần phải nhấn mạnh rằng điều kiện vận hành phân hủy kị khí ( pH, nhiệt độ, tính chất của chất nền, thời gian lưu cơ chất trong hệ thống…) sẽ quyết định loài vi sinh vật nào chiếm ưu thế. Nhu cầu chất dinh dưỡng thay đổi theo các loài khác nhau. Gần đây đã phát hiện một số loài có khả năng sử dụng Nitơ phân tử ở thể khí. Biện độ môi trường khá hẹp, trong khoảng 6,5 – 7,6. tuy nhiên có một số loài đặc biệt vẫn sinh trưởng được trong điều kiện pH thấp ( 5 – 5,5 ) hay pH cao ( 8 – 9,2 ).