Nghiên cứu xử lý váng mỡ ở các nhà hàng ăn uống bằng phương pháp hóa học và sinh học

1 Mở ðầu Ô nhiễm môi trường ñược xem là vấn ñề bức xúc hiện nay, không chỉ riêng ở Việt Nam, mà cả trên Thế giới. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta tiêu thụ và sử dụng một lượng lớn các nhiên liệu, nguyên liệu, sản phẩm từ thiên nhiên, từ sản xuất ñể tồn tại và phát triển ñồng thời cũng thải vào môi trường tự nhiên các phế thải, rác thải. Khi nền kinh tế càng phát triển, dân số tại các vùng ñô thị, trung tâm công nghiệp càng tăng nhanh thì phế thải, rác thải càng nhiều làm ô nhiễm môi trường xung quanh, ảnh hưởng tới sức khỏe cộng ñồng và làm giảm ñi vẻ ñẹp cảnh quan thiên nhiên. Chất thải rắn nói chung và rác thải sinh hoạt nói riêng ñang là một vấn ñề nổi cộm ở Việt Nam, ñặc biệt là các ñô thị lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh. Do nhu cầu ăn uống ở các nhà hàng, khách sạn ngày càng tăng ñặc biệt trong các dịp lễ, tết, cưới xin và những ngày cuối tuần. Vì thế có một lượng lớn thức ăn thừa giàu dinh dưỡng ñược thải ra. Với chất thải thô có thể sử dụng làm thức ăn cho gia súc nên các cơ sở chăn nuôi nhỏ lẻ ñã cố gắng thu gom nhưng không triệt ñể và ñôi khi còn gặp khó khăn do không ñảm bảo vệ sinh trong chăn nuôi, dễ gây bệnh cho gia súc gia cầm nên phần nhiều vẫn ñược thu gom ñể chôn lấp. Với chất thải khác dạng vụn, lỏng theo nước rửa tới hệ thống cống ngầm. Sau một thời gian các chất thải này kết hợp với nhau tạo thành lớp váng mỡ dày nổi lên trên mặt nước. ðây là vấn ñề nhức nhối không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn gây ách tách dòng chảy trong các cống thoát ñối với các nhà hàng, khách sạn, các cơ sở sản xuất dầu ăn, giết mổ gia súc gia cầm và ñôi khi cả ở các gia ñình. Vì thế trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi ñã tập trung nghiên cứu xử lý váng mỡ nhà hàng bằng các phương pháp hóa học và sinh học. ðối tượng nghiên cứu là váng mỡ ở nhà hàng Phương Nguyên Tây Hồ Hà Nội. 2 Chương 1.Tổng quan 1. Chất thải nhà hàng ăn uống 1.1. Sự phát sinh chất thải ðể nấu các món ăn, các gia ñình, các bếp nấu nhà hàng, khách sạn phải vứt bỏ ñi các loại lá, vỏ, hạt của rau củ qủa, các phế thải từ thịt, trứng…Sau khi ăn xong thì bỏ ñi ñồ ăn thừa như vỏ hoa qủa, lá gói bánh, xương xẩu…Thức ăn thừa thường ñược ñổ chung ñến khu tập kết rác thải rắn. Ngoài ra, trong qúa trình chế biến thức ăn, rửa bát ñĩa một phần thức ăn tươi và thức ăn thừa như mỡ, bột, nước mắm, vụn thịt,…cùng với chất tẩy rửa theo nước tới hệ thống xử lý nước thải của nhà hàng. Như vậy thành phần của hỗn hợp này gồm các huyền phù, nhũ tương của lipit, gluxit, protein, các chất tẩy rửa và các thành phần khác. Hàm lượng các chất trên khác nhau tùy theo thời gian trong ngày, trong tuần và tùy theo mùa, nhưng thành phần chủ yếu là dầu ăn. Trong qúa trình chiên, rán chỉ một lượng nhỏ dầu ăn là bám vào thức ăn còn lại dính vào dụng cụ chế biến, bát ñĩa chúng ñược cuốn theo nước rửa. Vì có tỉ khối nhẹ hơn chúng kéo theo một phần các chất khác nổi lên trên mặt nước tạo thành một lớp váng mỡ dày. Theo thời gian các thành phần dễ phân hủy yếm khí như protein, gluxit làm tăng COD, sinh ra mùi khó chịu gây ô nhiễm môi trường nước và khu vực lân cận. ðây là vấn ñề nhức nhối với các nhà hàng, chính vì vậy phải có biện pháp thu gom nhanh, triệt ñể và xử lý hiệu qủa lớp váng mỡ. 1.2. Thành phần chính của váng mỡ 1.2.1. Lipit 1.2.1.1. ðịnh nghĩa và phân loại [1] - ðịnh nghĩa: Lipit là những hợp chất của axit béo với ancol hoặc aminoancol - Phân loại: Lipit ñược chia làm hai loại: lipit thuần và lipit tạp. + Lipit thuần: triglixerit (gilixerit), sterit, xerit (sáp) Glixerit: este của axít béo với glixerin 3 Sáp: Este của monoancol phân tử khối lớn với axit béo phân tử khối lớn là chất rắn ở ñiều kiện thường (sáp ong…) Sterit: Este của axit béo có phân tử khối lớn với monoancol ña vòng có phân tử khối lớn (gọi chung là sterol) là chất rắn không màu, không tan trong nước. + Lipit tap: Photpholipit: có chứa thêm một gốc axit photphoric, thông thường có kèm theo các bazơ nitơ và các nhóm thế khác. Ví dụ: Glixerophotpholipit: ancol là glixerin và ñối với Shingophotpholipit: ancol là sphingozin Glicolipit (glicosphingolipit): có chứa một axit béo, sphingozin và ñường Các lipit phức tạp khác: sunfolipit, aminolipit, lipprotein. 1.2.1.2. Khái niệm chất béo Chất béo là trieste của glixerin với các axit monocacboxylic có số chẵn nguyên tử C (thường từ 12C ñến 24C) không phân nhánh, gọi chung là triglixerit. Khi thủy phân chất béo thì thu ñược glixerin và axit béo (hoặc muối). Chất béo có công thức chung là: (R1, R2, R3 là các gốc hiñrocacbon no hoặc không no, không phân nhánh, có thể giống nhau hoặc khác nhau). - Axit béo no thường gặp là: C15H31COOH (axit panmitic, tnc = 630C) C17H35COOH (axit stearic, tnc = 700C) - Axit béo không no thường gặp là: C17H33COOH (axit oleic hay axit cis-octañeca-9-enoic, tnc = 130 C) C17H31COOH (axit linoleic hay axit cis,cis-octañeca-9,12-ñienoic, tnc = 50C) 4 - Tristearin (glixerin tristearat) có tnc = 71.50C; tripanmitin (glixerin panmitat) có tnc = 65.50 C; triolein (glixerin trioleat) có tnc = - 5.50 C. 1.2.1.3. Tính chất của chất béo Tính chất vật lí - Các chất béo không tan trong nước do gốc hiñrocacbon lớn của các axit béo làm tăng tính kị nước của các phân tử chất béo. - Dầu thực vật thường có hàm lượng axit béo chưa no (ñều ở dạng –cis) cao hơn mỡ ñộng vật làm cho nhiệt ñộ nóng chảy của dầu thực vật thấp hơn so với mỡ ñộng vật. Thực tế, mỡ ñộng vật hầu như tồn tại ở trạng thái rắn còn dầu thực vật tồn tại ở trạng thái lỏng. Tính chất hóa học Phản ứng thủy phân trong môi trường axit: Triglixerit Glixerin Axit béo Phản ứng xà phòng hóa: Triglixerit Glixerin Xà phòng - Khi ñun nóng chất béo với dung dịch kiềm thì tạo ra glixerin và hỗn hợp muối của các axit béo. Muối natri (hoặc kali) của axit béo chính là xà phòng. - Phản ứng xà phòng hóa xảy ra nhanh hơn phản ứng thủy phân trong môi trường axit và không thuận nghịch. 5 - ðể xác ñịnh chất lượng của chất béo người ta thường dựa vào một số chỉ số sau: + Chỉ số axit: là số miligam KOH ñể trung hòa hoàn toàn các axit tự do có trong 1 gam chất béo. + Chỉ số xà phòng hóa: là tổng số miligam KOH ñể xà phòng hóa chất béo và axit tự do có trong 1 gam chất béo. + Chỉ số este: là hiệu của chỉ số xà phòng hóa và chỉ số axit. + Chỉ số iot: là số gam iot có thể cộng vào liên kết bội trong mạch cacbon của 100 gam chất béo. Phản ứng hiñro hóa: Triolein (lỏng) Tristearin (rắn) Phản ứng hiñro hóa chất béo làm tăng nhiệt ñộ nóng chảy của chất béo. Phản ứng oxi hóa: Nối ñôi C=C ở gốc axit không no của chất béo bị oxi hóa chậm bởi oxi không khí tạo thành peoxit, chất này bị phân hủy thành anñehit có mùi khó chịu. ðó là nguyên nhân của hiện tượng dầu mỡ bị ôi thiu. 1.2.1.4. Vai trò của chất béo trong cơ thể Chất béo là thức ăn quan trọng của con người. Ở ruột non, nhờ tác dụng xúc tác của các enzim như lipaza và dịch mật, chất béo bị thủy phân thành axit béo và glixerol rồi ñược hấp thụ vào thành ruột. Ở ñó, glixerol và axit béo lại kết hợp với nhau tạo thành chất béo rồi ñược máu vận chuyển ñến các tế bào. Nhờ những phản ứng sinh hóa phức tạp, chất béo bị oxi hóa thành CO2, nước và cung cấp năng lượng cho cơ thể. Chất béo chưa sử dụng ñược tích lũy vào các mô mỡ. Vì thế trong cơ thể chất béo là nguồn cung cấp và dự trữ năng lượng. Chất béo còn là nguyên liệu ñể 6 tổng hợp một số chất khác cần thiết cho cơ thể. Nó còn có tác dụng bảo ñảm sự vận chuyển và hấp thụ các chất hòa tan ñược trong chất béo. 1.2.2. Protein 1.2.2.1. Khái niệm và phân loại Khái niệm: Protein là một polime sinh học của L - α - aminoaxit kết hợp với nhau bằng liên kết peptit. Có khoảng 20 aminoaxit này ñược mã hóa trong gen và ñược hợp nhất trong protein. Phân loại: Protein ñược phân thành 2 loại - Protein ñơn giản: ñược tạo thành chỉ từ các α-aminoaxit Thí dụ một số enzyme của tụy bò như ribonucleaza gồm hoàn toàn amino axit nối với nhau thành một chuỗi polypeptit duy nhất (có 124 gốc aminoaxit, khối lượng phân tử 12.640 ñvc), chymotripsin gồm toàn aminoaxit nối với nhau thành chuỗi polypeptit (có 241 gốc aminoaxit, khối lượng phân tử 22.600 ñvc) v.v... - Protein phức tạp: là những protein mà thành phần phân tử của nó ngoài các α- aminoaxit như protein ñơn giản còn có thêm thành phần khác có bản chất không phải là protein còn gọi là nhóm ngoại (nhóm thêm). Tuỳ thuộc vào bản chất của nhóm ngoại, người ta chia các protein phức tạp ra các nhóm nhỏ và thường gọi tên các protein ñó theo bản chất nhóm ngoại: - Lipoprotein: nhóm ngoại là lipit. - Nucleoprotein: nhóm ngoại là axit nucleic. - Glycoprotein: nhóm ngoại là gluxit và dẫn xuất của nó. - Photphoprotein: nhóm ngoại photphat, ví dụ casein sữa - Cromoprotein: nhóm ngoại là hợp chất có màu. Tuỳ theo tính chất của từng nhóm ngoại mà có những màu sắc khác nhau như ñỏ (ở hemoglobin), vàng (ở flavoprotein).. 1.2.2.2. Vai trò và chức năng của protein Protein là thành phần không thể thiếu của tất cả các cơ thể sinh vật, nó là cơ sở của sự sống. Không những thế, protein còn là một loại thức ăn chính của con người và nhiều loại ñộng vật dưới dạng thịt, cá, trứng… Tám chức năng quan trọng của protein là: 7 + Xúc tác + Vận tải + Vận ñộng + Bảo vệ + ðiều hoà + Truyền xung thần kinh + Cấu trúc + Dự trữ. 1.2.2.3. Tính chất của protein Tính chất vật lý a) Hình dạng: - Dạng sợi: như keratin (trong tóc, móng sừng), miozin (trong cơ bắp), fibroin (trong tơ tằm, mạng nhện). - Dạng cầu: như albumin (trong lòng trắng trứng), hemoglobin (trong máu). b) Tính tan: Protein hình sợi không tan, protein hình cầu tan trong nước tạo thành các dung dịch keo như albumin (lòng trắng trứng), hemoglobin (máu). - Albumin: tan trong nước, bị kết tủa ở nồng ñộ muối (NH4)2SO4 khá cao (70-100%). - Globulin: không tan hoặc tan ít trong nước, tan trong dung dịch muối loãng của một số muối trung tính như NaCl, KCl, Na2SO4...,và bị kết tủa ở nồng ñộ muối (NH4)2SO4 bán bão hoà. - Prolamin: không tan trong nước hoặc dung dịch muối loãng, tan trong etanol, isopropanol 70-80%. - Glutein: chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc axit loãng. - Histon: là protein có tính kiềm dễ tan trong nước, không tan trong dung dịch amoniac loãng. c) Sự ñông tụ: Là sự ñông lại của protein và tách ra khỏi dung dịch khi ñun nóng hoặc thêm axit, bazơ, muối. 8 Tính chất hóa học a) Phản ứng thủy phân: - ðiều kiện thủy phân: xúc tác axit hoặc kiềm và ñun nóng hoặc xúc tác enzim - Sản phẩm: các α-aminoaxit. b) Phản ứng màu: Albumin (protein có trong lòng trắng trứng) HNO3 ñặc Kết tủa màu vàng (do sản phẩm có nhóm NO2) Cu(OH)2 Phức chất có màu tím ñặc trưng (phản ứng biure) 1.2.3. Cacbohydrat 1.2.3.1. ðịnh nghĩa và phân loại ðịnh nghĩa: Cacbohydrat hay saccarit là những hợp chất hữu cơ tạp chức thường có công thức trung là Cn(H20)m. Phân loai: Cacbohydrat ñược phân thành 3 nhóm chính sau. + Monosaccarit (ozơ, ñường ñơn): Là nhóm cacbohydrat ñơn giản nhất không có thể thủy phân ñược. Thí dụ: triozơ, tetrozơ, pentozơ, hexozơ, heptozơ. + Oligosaccarit (oligozơ, trong phạm vi từ 2 ñến 10 phân tử ñường) Thí dụ: ðisaccarit, trisaccarit, tetrasaccarit. + Polisaccarit (pliozơ, trên 10 phân tử ñường): Polisaccarit thuần (holopolisaccarit, holoozit: Polihomosaccarit (gồm một loại ozơ trong phân tử) và poliheterosaccarit (gồm nhiều ozơ trong phân tử). Polisaccarit tạp (heteropolisaccarit, heteroozit): N-heteropolisaccarit (ngoài hợp chất của ozơ còn có những hợp chất của nitơ), S-heteropolisaccarit (ngoài hợp chất của ozơ có những hợp chất của lưu huỳnh). 1.2.3.2. Chức năng Làm nhiên liệu, cung cấp 60% năng lượng cho cơ thể sống. Làm bộ khung cấu trúc và vỏ bảo vệ, thường có mặt ở vách của tế bào vi khuẩn và thực vật cũng như ở mô nối và vỏ bảo vệ ñộng vật. Liên kết với protein và lipit màng ñóng vai trò làm phương tiện vận chuyển tín hiệu giữa các tế bào. 9 1.3. Sự biến ñổi các chất trong quá trình chiên rán [15] Rán là cho nguyên liệu vào trong dầu ở nhiệt ñộ cao. Dầu dùng ñể rán nguyên liệu có thể là dầu lạc, dầu bông, dầu hướng dương, dầu ñậu nành, dầu cọ. ðối với thịt, có thể dùng mỡ ñộng vật ñể rán. Mục ñích khi rán là - Tăng giá trị cảm quan của sản phẩm. - Tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. - Tiêu diệt hệ thống men và vi sinh vật. Yêu cầu và tính chất của dầu mỡ dùng ñể rán Có thể dùng dầu hoặc mỡ, nên dùng dầu ñã tinh chế. Dầu rán phải ñạt các yêu cầu sau: - Mùi vị: không ôi, khét, có mùi ñặc trưng. - Màu sắc: trong, sáng, không lắng cặn. - Lượng ẩm và các chất bay hơi không quá 0.3 %. - Chỉ số axit của dầu < 0.2. • Những biến ñổi trong quá trình rán Biến ñổi của nguyên liệu - Protein trong nguyên liệu bị biến tính. Rau chứa ít protein nên khi ñông, protein chuyển thành dạng hạt rời, rồi phân hủy thành dạng bông. Sự biến ñổi của protein bắt ñầu ở nhiệt ñộ 30 – 350C, và tốc ñộ tăng dần theo nhiệt ñộ, ở nhiệt ñộ 60 – 650C thì protein ñã bị biến tính. Các protein mất tính tan, các phân tử protein chứa S bị cắt ñứt, giải phóng H2S. - Gluxit bị biến ñổi, ñường và tinh bột ở lớp bề mặt bị caramel hóa. Protopectin bị thủy phân thành pectin hòa tan, làm rau rán trở nên mềm. - Chlorophyl chuyển thành pheophytin, caroten ít bị phân hủy, nhưng lại tan nhiều trong dầu nóng làm cho dầu có màu da cam. Các chất hữu cơ hòa tan và các vitamin hòa tan trong chất béo ñều chuyển vào dầu. Vitamin B1, B2 tổn thất ít. Vitamin C bị phá hủy 7 – 18%. Các este và các chất thơm bay hơi cũng bị tổn thất khi rán. - Nước thoát ra làm tăng nồng ñộ chất khô. 10 Biến ñổi của dầu Trong quá trình rán, do tác dụng của nhiệt ñộ cao và thời gian dài, do tác dụng của nước thoát ra từ nguyên liệu và do sự hòa lẫn các chất gluxit, protein, lipit, tạo thành nhũ tương, do tiếp xúc với không khí trên mặt thoáng và với mặt truyền nhiệt, nên dầu bị biến tính. - Khi rán ñộ nhớt của dầu tăng do các chất dinh dưỡng trong nguyên liệu dịch chuyển vào dầu, dầu bị xẫm màu. - Ở nhiệt ñộ cao, dầu tiếp xúc với hơi nước và oxi nên bị thủy phân và oxi hóa thành axit béo, glixerin, rồi thành các chất peoxit, anñehit, xeton (có mùi ôi khét) và acrolein (là chất lỏng, ñộc, khi rán bốc thành khói xanh thoát ra trên mặt thoáng của dầu làm cay mắt) theo sơ ñồ sau: ChÊt bÐo (dÇu, mì) NhiÖt, oxi NhiÖt Acrolein (G©y ®éc) + Axit bÐo An®ehit, xeton (¤i dÇu) Oxi hãa Glixerin Hiện nay, biện pháp chủ yếu ñể chống hiện tượng hư hỏng dầu trong khi rán là duy trì dầu rán trong lò rán với thời gian ngắn nhất. Người ta còn chống oxi hóa dầu bằng cách cho chất chống oxi hóa vào dầu rán. 2. Các phương pháp xử lý váng mỡ nhà hàng ăn uống 2.1. Thu gom Váng mỡ từ các nhà hàng ăn uống là một khối nổi trên mặt nước có thành phần phức tạp gồm chủ yếu là mỡ, nước, ngoài ra còn có tinh bột, protein, chất hoạt ñộng bề mặt và các thành phần khác…Như vậy cần phải thu gom nhanh triệt ñể, tránh ñể quá trình phân huỷ sinh học làm tăng COD, mùi khó chịu gây khó khăn cho qúa trình xử lý nước tiếp theo. Váng mỡ có thể ñược vớt vào các bao tải ñể loại bỏ một phần nước tích tụ trong ñó. ðể thu gom triệt ñể hơn chúng ta có thể dùng phương pháp keo tụ hoặc tuyển nổi. 11 2.2. Các phương pháp xử lý với chất thải sau thu gom Hiện nay có ba phương pháp chủ yếu xử lý chất thải rắn là: chôn lấp, xử lý bằng nhiệt và phân hủy sinh học. 2.2.1. Chôn lấp Với váng mỡ ở nhà hàng có thể loại bớt nước, sau ñó ñóng bao tải ñể chôn lấp Phương pháp chôn lấp hoàn toàn: ñối với các loại chất thải sinh hoạt, công nghệ ít ñộc hại ñược thu gom sau ñó chuyển tới bãi chứa ñể tiến hành chôn lấp. ðây là phương pháp ñơn giản nhất, rẻ tiền nhưng không vệ sinh dễ gây ô nhiễm cho các nguồn nước ngầm, tốn diện tích ñất chứa bãi rác và dễ bị khu dân cư gần ñó lên án. Phương án này chỉ phù hợp với các nước chưa phát triển, kinh tế còn khó khăn, thường ñược áp dụng ở các ñô thị nhỏ trong giai ñoạn tạm thời. ðối với các chất thải ñộc hại thì ñáy bãi chôn lấp phải ñược xử lý ñầm nén hoặc phải dùng tấm lót polime ñặc biệt như một cái túi chứa rác do vậy rất tốn kém. Phương pháp chôn lấp có xử lý thích hợp: rác thải ñược thu gom và vận chuyển ñến bãi chứa rác. Các bể này phải có xử lý ñáy thích hợp ñể bảo vệ nguồn nước mặt và nước ngầm. Có hệ thống thu gom và xử lý nước thải rò rỉ cũng như xử lý khí thoát ra từ quá trình phân hủy rác. Ưu ñiểm + ðầu tư ban ñầu thấp + Chi phí bảo hành và bảo dưỡng thấp + Không ñòi hỏi công nghệ phức tạp và giải pháp ñơn giản nhất ñể xử lý những nguyên liệu không thể sử dụng ñược. Nhược ñiểm + Về lâu dài giải pháp này sẽ trở lên ñắt vì ñòi hỏi ñiện tích ñất tăng. Ngoài ra bãi chôn lấp rác là nguồn gây ô nhiễm lớn ñến ñất, nguồn nước, không khí trên phạm vi rộng. ðiều này thường ñòi hỏi những biện pháp tốn kém ñể xử lý trong quá trình sử dụng và khi không hoạt ñộng. + Không tái sinh, sử dụng ñược nguồn nguyên liệu có trong rác. Chính vì vậy ở các nước phát triển giải pháp này ñang bị thu hẹp theo thời gian. 12 2.2.2. Xử lý bằng nhiệt ðốt rác hoặc sản xuất thành chất ñốt Phương pháp này hoạt ñộng theo nguyên tắc: nguyên liệu ñốt cháy dưới nhiệt ñộ cao trên 8000C. Sản phẩm cháy là nhiệt lượng, tro và các khí như nitơ, cacbonic, hơi nước. Có nhiều công nghệ khác nhau ñể ñốt rác, thông thường một nhà máy ñốt rác luôn có: + Hệ thống lò ñốt + Hệ thống nồi hơi và máy phát ñiện ñể biến nhiệt năng từ quá trình ñốt thành ñiện. + Hệ thống xử lý khí thải + Bãi chôn tro và quặng Ưu ñiểm + Giảm thể tích rác ñáng kể từ 70- 85% + Xử lý nhiều loại rác + Tốn ít diện tích + Tạo ra nhiệt lượng Nhược ñiểm + Chi phí cho công nghệ, vận hành và bảo dưỡng cao + Chỉ áp dụng thích hợp cho các nguyên liệu có nhiệt năng cao Như vậy xử lý bằng phương pháp thiêu ñốt không thích hợp với cơ sở sản xuất nhỏ như khách sạn, nhà hàng ăn uống. 2.2.3. Phân hủy sinh học Phương pháp phân huỷ sinh học ñược áp dụng với rác thải hữu cơ. Có hai phương pháp là phân hủy yếm khí và hiếu khí. Nó ñược áp dụng chủ yếu vào hai công nghệ compost và biogas. So với phương pháp chôn lấp và thiêu ñốt phương pháp sinh học có nhiều ưu thế hơn, bởi sản phẩm vừa có giá trị kinh tế, vừa góp phần hạn chế ñược tình trạng ô nhiễm môi trường. Với thành phần hữu cơ cao, rác thải sinh hoạt rất thích hợp với phương pháp xử lý bằng công nghệ sinh học. Nhưng với váng mỡ nhà hàng tuy hàm lượng chất 13 hữu cơ cao, song lại chứa qúa nhiều lipit là chất rất khó bị phân hủy sinh học. Vì vậy trong khóa luận này chúng tôi ñã ñi sâu vào nghiên cứu khả năng tạo khí metan bằng qúa trình phân hủy vi sinh yếm khí ñối với váng mỡ nhà hàng. 2.2.3.1. Nguyên lý chung Phân hủy sinh học yếm khí gồm một chuỗi quá trình vi sinh học chuyển hoá các hợp chất hữu cơ thành khí metan [4]. Quá trình tạo ra khí metan là một hiện tượng thông thường trong một số môi trường tự nhiên khác nhau như: các lớp trầm tích, ñầm lầy, dạ dày các loài ăn cỏ hay ở các giếng dầu. Qúa trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ ñược ñơn giản hóa theo phương trình sau ñây. (CHO)nNS + Vi sinh vật yếm khí → CO2 + H2O + tế bào vi sinh + các sản phẩm dự trữ + các chất trung gian + CH4 + H2 + NH4+ + H2S + năng lượng. Ở ñiều kiện yếm khí sinh khối vi sinh vật ñược tạo thành ít, ngoài các chất trung gian có tới (70%) một sản phẩm ñược quan tâm nhiều là khí metan. 2.2.3.2. Quá trình phân hủy sinh học yếm khí Quá trình xử lý yếm khí về mặt hóa học và vi sinh vật phức tạp hơn xử lý hiếu khí. ðó là quá trình chuyển hóa các chất của vi sinh vật liên quan ñến sự chuyển hóa toàn bộ vật chất hữu cơ hỗn hợp thành metan bắt ñầu với vi khuẩn thủy phân vật chất hữu cơ phức tạp như cacbohydrat, protein, và chất béo thành cacbohydrat ñơn giản, aminoaxit, và axit béo. ðường ñơn và axit sau ñó ñược sử dụng ñể thu ñược năng lượng cho sự sinh trưởng bởi vi khuẩn lên men, sự sinh ra axit hữu cơ và hiñro ở các sản phẩm trung gian. Axit hữu cơ sau ñó ñược oxi hóa một phần bởi những vi khuẩn lên men khác, sản xuất thêm hiñro và axit axetic. Hiñro và axit axetic là cơ chất chính ñược sử dụng bởi vi khuẩn sinh metan, ñể chuyển chúng thành metan. H2 ñược sử dụng như phần tử cho electron, với CO2 như một phần tử nhận electron ñể hình thành metan, trong khi axetat ñược tách ra (phản ứng acetoclactic) ñể tạo thành metan từ nhóm metyl và CO2 từ nhóm cacboxyl trong phản ứng lên men. . Về mặt hóa học: Quá trình phân hủy thực tế này rất phức tạp, có khả năng liên quan ñến hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, rất nhiều trong số ñó có 14 yêu cầu bổ sung chất xúc tác, enzim hoặc chất ñiều phối. Quá trình phân giải yếm khí xảy ra ở một trong ba khoảng nhiệt ñộ riêng biệt sau ñây: Ưa lạnh (< 20 °C); Ưa ấm (< 40 °C); Ưa nóng (> 45 °C). Vì phân giải yếm khí tỏa nhiệt kém hơn nhiều so với quá trình ủ ñống, các bãi chôn rác thải, vùng lầy và ñầm lầy, nó tiến hành trong ñiều kiện lạnh. ðể khắc phục những hạn chế này, bể phản ứng yếm khí ñược thiết kế thường chạy tại một hoặc nhiều khoảng nhiệt ñộ cao hơn, nhiệt ñược cung cấp từ bên ngoài ñể nâng cao nhiệt ñộ lên mức yêu cầu. Một loạt các nhà cung cấp công nghệ ñã phát triển hệ thống dựa trên sự phân giải ưa ấm hoặc ưa nóng, trong ñó có các ñặc tính riêng. Một ñiều ñáng chú ý là các ñiều kiện nội tại tỏ ra có lợi ñối với sự bổ sung vi khuẩn khác nhau và diện mạo của các phản ứng chi tiết cũng khác nhau. Do ñó, với bất kì ứng dụng nào ñược ñưa ra, một hoặc hơn có thể là ñặc biệt phù hợp, phụ thuộc vào ñặc trưng nguyên liệu ñược xử lý và yêu cầu tổng thể ñể xử lý. Quá trình phân hủy yếm khí gồm ba giai ñoạn. • Thủy phân ðường, xenlulozơ, protein và chất béo bị phân hủy thành các chất hữu cơ ñơn giản, dễ tan trong nước bởi các enzim ngoại bào (enzim hydrolaza) ñược sản xuất bởi vi khuẩn thủy phân. Protein bị phân hủy thành các aminoaxít, chất béo thành axit béo mạch dài và ñường thành ñường ñơn giản, trong ñó các chất tan có bậc tỉ lệ giới hạn trong sự phân hủy. Tốc ñộ thủy phân phụ thuộc vào cấu tạo và tính chất của chất nền, tập hợp vi khuẩn, nhiệt ñộ và pH. • Sinh axit Ở giai ñoạn này, dưới tác dụng của các vi khuẩn sinh axit, các monome ñược giải phóng bởi sự thủy phân, cùng với các axit béo dễ bay hơi nhận ñược từ các thành phần protein, chất béo, ñường của nguyên liệu ñược xử lý biến ñổi thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn như axetic, lactic, propionic axit,… Metanol và các rượu ñơn giản khác, cacbon ñioxit và hiñro cũng ñược sinh ra trong suốt quá trình này. pH giảm do sự tăng lên của các chất này. Tỉ lệ chính xác của các 15 sản phẩm phụ phụ thuộc vào loại vi khuẩn và ñiều kiện môi trường trong bể phản ứng. Một số tác giả chia giai ñoạn này thành acidogenesis và acetogenesis ñể làm nổi bật tầm quan trọng của axit axetic, nguyên liệu chủ yếu chiếm tới 75% metan ñược sinh ra trong bậc tiếp theo. • Sinh metan ðây là giai ñoạn quan trọng nhất của quá trình. Dưới tác dụng của các vi khuẩn sinh metan, các axit hữu cơ và các chất ñơn giản khác ñược chuyển hóa thành khí CH4, CO2, H2S,…Với sự yếm khí bắt buộc, vi khuẩn sinh metan có tốc ñộ sinh trưởng chung chậm hơn so với tốc ñộ sinh trưởng của vi sinh vật chịu trách nhiệm giai ñoạn trước ñó, giai ñoạn cuối cùng này liên quan ñến sản xuất metan từ nguyên liệu thô ñược tạo ra trước ñó. Trong số này, axit axetic và axetat có vai trò quan trọng nhất, vì lý do ñã ñề cập ở trên. Có các chất khác ñược tạo thành do vi khuẩn yếm khí. Sự tạo thành CH4 có thể ñược tóm lại trong ba phương trình phản ứng chính như sau: Axetic axit: CH3 COOH → CH4 + CO2 Metanol: CH3 OH + H2 → CH4 + H2 O Dưới tác dụng của vi khuẩn, một phần CO2 bị khử thành CH4: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2 O Vi khuẩn sinh metan giữ vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy tổng thể, do sự chuyển hóa axit béo dễ bay hơi thành metan, hoạt ñộng của chúng làm pH trong bể giảm. Với sự cân bằng axit/bazơ tự nhiên ñược ñiều chỉnh trong cách này, bất cứ khả năng cản trở vi khuẩn nào bởi sự axit hóa cũng ñược sửa chữa có hiệu quả. ðiều này ñặc biệt quan trọng ñối với vi khuẩn sinh metan, bởi vì chúng phát triển mạnh trong khoảng pH tương ñối hẹp từ 6.6 – 7.0, dần dần trở nên suy yếu khi pH giảm xuống 6.4. Trong biến cố này, tính bền của axit béo dễ bay hơi có khả năng tác ñộng nghiêm trọng ñến sự sử dụng cuối cùng hoặc sự sử dụng các nguyên liệu nhận ñược. 16 Có bốn nhóm chính liên quan ñến phân giải yếm khí, với một số ví dụ ñiển hình, ñược chỉ ra dưới ñây: Vi khuẩn lên men thủy phân - Clostridium và Peptococcus. Vi khuẩn Acetogenic - Syntrophobacter và Syntrophomonas. Vi khuẩn lên men metan acetoclactic - Methanosarcina và Methanothrix. Vi khuẩn lên men metan hydrogenotrophic - Methanobacterium và Methanobrevibacterium. Bảng 1.1. Một số loại vi khuẩn sinh metan Tên vi khuẩn pH Nhiệt ñộ (°C) Axit bị chuyển hóa Methanobacterium omelianskii 6.5 – 8 37 – 40 CO2, H2, rượu I và II Methanopropionicum Axit propionic Methanoformicum H2, CO2, axit focmic Methanosochngenii Axit axetic Methanosuboxydans Axit butyric, valeric caprionic Methanoruminanticum H2, axit focmic Methanococcus vanirielii 1.4 – 9 Axit focmic, H2 Methanococcuss mazei 30 – 37 Axit axetic, butyric Methanosarcina methanica 35 – 37 Axit axetic, butyric Methanosarcina barkerli 7 30 CO2, H2, axit axetic, metanol Trong thực tế, ñây là những loại không chỉ xuất hiện trong một bể phân hủy, mặc dù các giai ñoạn trước ñã miêu tả tượng trưng các phản ứng hóa sinh chính, số lượng các vi khuẩn bổ sung và các con ñường hóa sinh chiếm một vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy tổng thể. ðây là sự tác ñộng qua lại giữa các cơ thể khác nhau này. 17 2.2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình sản sinh khí sinh học Môi trường yếm khí Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong ñó các vi khuẩn sinh metan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc. Sự có mặt của oxi sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn này, vì vậy phải ñảm bảo ñiều kiện yếm khí tuyệt ñối của môi trường lên men. Sự có mặt của oxi hoà tan trong dịch lên men là một yếu tố không có lợi cho quá trình phân huỷ yếm khí. Nhiệt ñộ Hoạt ñộng của vi khuẩn sinh metan chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt ñộ. Trong ñiều kiện vận hành ñơn giản, nhiệt ñộ lý tưởng vào khoảng 35°C. Sản lượng khí giảm rõ rệt khi nhiệt ñộ môi trường giảm. Dưới 10°C quá trình sinh metan hầu như ngừng hẳn. ðồ thị ở hình 1 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñối với sản lượng khí với thời gian phân hủy 120 ngày với các loại phân. Hình 1.1. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñối với sản lượng khí [16] Các vi khuẩn sinh metan không chịu ñược sự thăng giáng nhiệt ñộ quá nhiều trong ngày. ðiều này sẽ làm giảm sản lượng khí. Vì vậy vào mùa ñông cần phải giữ ấm cho thiết bị, thậm chí ñối với những vùng lạnh cần phải ñảm bảo cách nhiệt tốt cho quá trình lên men. ðôi khi ở những quá trình lên men nhanh người ta phải gia nhiệt cho dịch lên men ñể giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men. 18 ðộ pH Hầu hết các vi khuẩn tạo metan hoạt ñộng trong phạm vi pH từ 6.7 ñến 7.4, tối ưu là từ 7.0 ñến 7.2, sự phân hủy có thể thất bại nếu pH gần ở mức 6.0. Vi khuẩn tạo axit tạo ra những axit hữu cơ có khuynh hướng làm giảm ñộ pH trong bồn phản ứng. Dưới ñiều kiện bình thường sự giảm pH này sẽ ñược giảm ñi do chất ñệm (bicarbonate) tạo ra bởi nhóm vi khuẩn tạo metan. Trong những ñiều kiện môi trường khắc nghiệt, khả năng tạo chất ñệm có thể không xảy ra và cuối cùng làm ngưng việc tạo ra metan. Axit gây cản trở nhiều hơn cho nhóm vi khuẩn tạo metan so với nhóm vi khuẩn tạo axit. Sự tăng axit dễ bay hơi như thế sẽ là dấu hiệu cho thấy hệ thống không còn hoạt ñộng hiệu quả. Theo dõi tỷ lệ tổng mức axit dễ bay hơi (như axit acetic) so với tổng ñộ kiềm (như cacbonat canxi) ñể bảo ñảm rằng tỷ lệ này luôn dưới 0.1. Bề mặt dung dịch lên men bị một lớp váng bao phủ. Chúng ta có thể ñiều chỉnh pH cho thích hợp bằng cách giảm tốc ñộ bổ sung nguyên liệu ñầu vào, tìm cách ổn ñịnh nhiệt ñộ môi trường xung quanh, thêm vôi hoặc amoniac hay phá tan lớp váng. ðặc tính của nguyên liệu a. Hàm lượng chất khô Hình 1.2. Quan hệ giữa hàm lượng chất khô và sản lượng khí [16] Hàm lượng chất khô thường ñược biểu thị là phần trăm. Quá trình phân huỷ sinh metan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trường có hàm lượng chất khô tối ưu vào 19 khoảng 7 - 9%. ðối với bèo tây hàm lượng này là 4 - 5%, còn rơm rạ là 5 - 8%. Nguyên liệu ban ñầu thường có hàm lượng chất khô cao hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị khí sinh học cần phải pha thêm nước. Tỷ lệ pha loãng thích hợp là 1-3 lít nước cho 1 kg phân tươi. b.Tỷ lệ cacbon và nitơ của nguyên liệu Các chất hữu cơ ñược cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hoá học trong ñó chủ yếu là cacbon (C), hydrô (H), nitơ (N), phôtpho (P) và lưu huỳnh (S). Tỷ lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu ñể ñánh giá khả năng phân huỷ của nó. Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30/1 là tối ưu. Tỷ lệ này quá cao thì quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một ñộc tố ñối với vi khuẩn ở nồng ñộ cao. Nói chung phân trâu bò và lợn có tỷ lệ C/N thích hợp. Phân người và gia cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật tỷ lệ này lại cao, nguyên liệu càng già thì tỷ lệ này càng cao. ðể ñảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp ñối với các loại nguyên liệu này ta nên dùng hỗn hợp nhiều nguyên liệu. Thời gian lưu Hình 1.3. Quan hệ giữa sản lượng khí với thời gian phân huỷ và nhiệt ñộ [16] Trong thực tế, quá trình phân huỷ của nguyên liệu trong ñiều kiện nhiệt ñộ khí quyển xảy ra với tốc ñộ chậm vì ñiều kiện nhiệt ñộ không thuận lợi: Thấp hơn nhiệt 20 ñộ tối ưu (370C) và thăng giáng ngày ñêm. ðối với phân ñộng vật thời gian phân huỷ hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng. ðối với nguyên liệu thực vật, thời gian này kéo dài tới hàng năm. Tuy nhiên tốc ñộ sinh khí chỉ cao ở thời gian ñầu, càng về sau tốc ñộ sinh khí càng giảm. Quá trình phân huỷ của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất ñịnh. Ta gọi thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân huỷ. ðây là khoảng thời gian dịch phân huỷ sản sinh ra khí sinh học. ðối với chế ñộ nạp liên tục, nguyên liệu ñược bổ sung hàng ngày. Khi một lượng nguyên liệu mới nạp vào, nó sẽ chiếm chỗ của nguyên liệu cũ và ñẩy dần nguyên liệu cũ về phía lối ra. Thời gian lưu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy qua thiết bị từ lối vào tới lối ra. Thời gian này ñược tính bằng tỷ số giữa thể tích phân huỷ và thể tích nguyên liệu nạp bổ sung hàng ngày. Trong ñiều kiện nhiệt ñộ khí quyển, nếu chúng ta lưu giữ nguyên liệu trong bể phân huỷ cho tới khi chúng phân huỷ hoàn toàn thì chúng ta phải xây bể phân huỷ rất lớn. Thí dụ ñể phân lợn phân huỷ hết phải mất trên 120 ngày. Nếu mỗi ngày ta nạp 10 kg phân (thể tích gần bằng 10 lít) pha với 10 lít nước thì ta phải có bề chứa dung tích: (10 lít phân + 10 lít nước) x 120 ngày = 2400 lít = 2.4m3. Mặc dù thời gian lưu càng lớn thì khí thu ñược từ một lượng nguyên liệu nhất ñịnh càng nhiều. Song như vậy thiết bị phải có thể tích phân huỷ rất lớn và vốn ñầu tư sẽ nhiều. Vì thế người ta phải lựa chọn thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc ñộ sinh khí là mạnh nhất và sản lượng khí thu ñược chiếm khoảng 75% tổng sản lượng khí của nguyên liệu. Thời gian này phụ thuộc vào loại nguyên liệu và nhiệt ñộ môi trường. Trong ñiều kiện Việt Nam, Tiêu chuẩn ngành 10 TCN 492 - 2002 ñã qui ñịnh thời gian lưu ñối với phân ñộng vật như sau: Bảng 1.2. Thời gian lưu ñối với phân ñộng vật theo Tiêu chuẩn ngành Vùng Nhiệt ñộ trung bình về mùa ñông (0C) Thời gian lưu (ngày) I 10 – 15 60 II 15 – 20 50 III > 20 40 21 Thời gian lưu ñối với nguyên liệu thực vật ñược qui ñịnh là 100 ngày. Khuấy trộn Khuấy trộn tạo ñiều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng qúa trình sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng ñọng của các chất rắn xuống ñáy và sự tạo bọt, váng trên mặt. Khuấy ñảo ñược thực hiện tốt nhất bằng cánh khuấy. Các ñộc tố Hoạt ñộng của vi khuẩn chịu ảnh hưởng của một số các ñộc tố. Khi hàm lượng của các loại này có trong dịch phân huỷ vượt quá một giới hạn nhất ñịnh sẽ giết chết các vi khuẩn, vì thế không cho phép các chất này có trong dịch phân huỷ. Trong thực tế các loại thuốc hoá học như thuốc trừ sâu, diệt cỏ, thuốc sát trùng, các chất kháng sinh, nước xà phòng, thuốc nhuộm, dầu nhờn không ñược phép ñổ vào các thiết bị khí sinh học. Tóm tắt các ñiều kiện tối ưu cho quá trình sản xuất khí sinh học ñược cho ở bảng dưới ñây. Bảng 1.3. ðiều kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí sinh học TT Yếu tố ảnh hưởng Giá trị tối ưu 1. Nhiệt ñộ (0C) 30 - 40 2. pH 6.5 – 7.5 3. Thời gian lưu (ngày) - Phân ñộng vật 30 - 60 4. Thời gian lưu (ngày) - Thực vật 100 5. Hàm lượng chất khô (%) - Phân ñộng vật 7 - 9 6. Hàm lượng chất khô (%) - Thực vật 4 - 8 7. Tỷ lệ C/N 30/1 2.2.3.4. Phân hủy yếm khí của lipit Phân giải của lipit và các hợp chất béo: Lipit ñược nhiều loại vi sinh vật sử dụng làm nguồn dinh dưỡng. Lipit có nhiều trong các loại nước thải của các xí nghiệp sản xuất dầu ăn, các lò mổ gia súc và các loại nước thải sinh hoạt. So với các nguồn cơ chất khác lipit phân hủy chậm hơn. Bước ñầu tiên của qúa trình phân giải 22 lipit là phân giải chúng thành glixerin (hoặc các rượu ñơn chức) và các axit béo. Lipaza của các vi sinh vật có phổ tác dụng khá rộng. Một số vi sinh vật sinh ra enzyme photpholipaza xúc tác cho qúa trình phân giải lipit. Sau khi phosphoril hóa thành glixerin sẽ tiếp tục chuyển hóa theo ñường Embden – Meyerhof – Parnas và tích lũy lại năng lượng trong ATP. Các axit béo ñược ñồng hóa nhờ quá trình β oxy hóa. Ảnh hưởng của nồng ñộ lipit ñối với sự thủy phân và quá trình tạo khí metan của mẫu nước thải giàu lipit ñược ñánh giá trong các quá trình phản ứng gián ñoạn khi tăng nồng ñộ lipit từ 5% - 47% theo thành phần khối lượng, dựa trên nhu cầu oxi hóa hóa học (COD) ñã ñược nghiên cứu [11]. Khí metan thu hồi ñược là trên 93% ñối với tất cả các thí nghiệm. Giai ñoạn ñầu của pha lag (giai ñoạn vi khuẩn thích nghi) là khoảng 6 -10 ngày, ñược quan sát ñối với tất cả các thí nghiệm. Tốc ñộ sản xuất khí metan ñược quan sát thấy là tương ñương nhau ñối với các thí nghiệm sử dụng hàm lượng lipit là 5, 10, 18% (dựa vào số liệu COD). Khi hàm lượng lipit cao hơn (31, 40, 47%), có sự ức chế mạnh ñược quan sát thấy. Tuy nhiên, quá trình này có khả năng phục hồi từ sự ức chế. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung enzim lipaza (thủy phân lipit), kết quả cho thấy nồng ñộ enzim cao gây ức chế quá trình sản xuất metan. Sự có mặt của các enzim này làm tăng quá trình thủy phân, nhưng các hợp chất trung gian sinh ra lại gây ức chế cho các bước tiếp theo. Vì vậy, các axit béo dễ bay hơi cho thấy có xu hướng tương tự nhau trong các thí nghiệm với các nồng ñộ lipit khác nhau, nhưng trở ngại chính cho quá trình sản xuất khí metan là sự hình thành lên các axit béo mạch dài. 2.2.3.5. Ưu ñiểm và nhược ñiểm của các quy trình phân hủy sinh học yếm khí Ưu ñiểm Quá trình phân hủy yếm khí dùng CO2 có sẵn như một tác nhân nhận ñiện tử làm nguồn oxi của nó. Quá trình này không ñòi hỏi oxi vì việc cung cấp oxi sẽ làm tăng ñáng kể chi phí xử lý nước thải. Quá trình phân hủy yếm khí tạo ra lượng bùn thấp hơn (từ 3 ñến 20 lần so với quá trình hiếu khí), vì năng lượng do vi khuẩn yếm khí tạo ra tương ñối thấp. Hầu hết năng lượng rút ra từ sự phân hủy chất nền là từ sản phẩm cuối cùng ñó là CH4. 23 Quá trình phân hủy yếm khí tạo ra một loại khí có ích ñó là metan. Chất khí này có chứa 90% năng lượng, có thể dùng ñể ñốt tại chỗ cho các lò phân hủy chất thải, hay dùng ñể sản xuất ñiện năng. Khoảng 3 - 5% bị thải bỏ dưới hình thức nhiệt. Việc tạo ra metan góp phần làm giảm BOD (nhu cầu oxi sinh hóa) trong bùn ñã bị phân hủy. Năng lượng cần cho xử lý nước thải cũng giảm. Sự phân hủy yếm khí thích hợp cho chất thải có ñộ ô nhiễm cao. Nhược ñiểm của qúa trình yếm khí Quá trình này xảy ra chậm hơn quá trình hiếu khí. Rất nhạy với chất ñộc. ðòi hỏi một thời gian dài ñể khởi ñầu qúa trình này. Thiết bị sử dụng cho qúa trình yếm khí ñòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp Vì ñược coi là phân hủy sinh học các hợp chất qua một quá trình ñồng trao ñổi chất, quá trình phân hủy yếm khí ñòi hỏi nồng ñộ chất nền ban ñầu cao. 2.2.4. Tái sinh chất thải Khái niệm tái sử dụng rác thải của qúa trình sản xuất và sinh hoạt ñã có từ rất lâu. Từ xưa, ông cha ta ñã tận dụng sắt vụn, ñồng vụn trong sản xuất nông cụ và vật dụng sinh hoạt. Những hoạt ñộng tái chế sơ khai này ñã góp phần làm giảm giá thành và giúp giải quyết vấn ñề khan hiếm nguyên liệu sản xuất thời ñó. Ngày nay, trong bối cảnh cạnh tranh khốc liệt, vai trò của tái chế rác thải như là nguồn cung cấp nguyên liệu, nhiên liệu giá rẻ cho các công ty, xí nghiệp sản xuất ngày càng trở nên quan trọng hơn. Nguồn nguyên liệu, nhiên liệu từ rác thải có thể coi là vô tận vì có sản xuất là có rác thải và có cơ hội cho tái chế. Mặt khác việc tái chế rác còn là một giải pháp hữu hiệu làm giảm chi phí cho sản xuất, giảm chi phí xử lý chất thải và do ñó giá thành sản phẩm có thể giảm ñi. Bên cạnh ñó, tái chế rác còn góp phần làm cho môi trường trong sạch hơn, cải thiện sức khỏe cộng ñồng và còn là giải pháp quan trọng ñảm bảo cho sự phát triển bền vững của xã hội. Với thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ váng mỡ nhà hàng có thể phơi khô hoặc nén lại ñể sử dụng làm chất ñốt. 24 Sử dụng chất thải tách lipit ñể làm ñiezen sinh học, cồn khô. Phần bã có thể sử dụng làm thức ăn gia súc. 2.2.4.1. ðiezen sinh học ðiezen sinh học: ðiezen sinh học ñược ñịnh nghĩa là các este mono ankyl của các axit béo mạch dài chuyển hóa từ các nguồn nguyên liệu béo có khả năng tái tạo như dầu thực vật. ðể sản xuất ñiezen sinh học người ta cho ancol vào dầu thực vật và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (ñặc biệt là hydroxit kali, hydroxit natri và các ancolat). Ở áp suất thông thường và nhiệt ñộ vào khoảng 60°C liên kết este của glixerin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ ñược este hóa với ancol. Chất glixerin hình thành phải ñược tách ra khỏi dầu ñiezen sinh học sau ñấy. H2C HC H2C OCOR1 OCOR2 OCOR3 + 3ROH xúc tác ROCOR1 ROCOR2 + + ROCOR3 + H2C HC H2C OH OH OH Triglixerit ancol este glixerin Thông qua việc chuyển ñổi este này dầu ñiezen sinh học có ñộ nhớt ít hơn dầu thực vật rất nhiều và có thể ñược dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu ñiezen mà không cần phải cải biến ñộng cơ ñể phù hợp. ðiezen sinh học có nhiều ưu ñiểm ñối với môi trường so với ñiezen thông thường: ví dụ như ñiezen sinh học từ cây cải dầu phát sinh khí thải ít hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch. Bụi trong khí thải ñược giảm một nửa, các hợp chất hyñrocacbon ñược giảm thiểu ñến 40%. ðiezen sinh học gần như không chứa ñựng lưu huỳnh, không ñộc và có thể dễ dàng phân hủy bằng phương pháp sinh học. ðiezen sinh học hiện nay ñược coi là một trong những nhiên liệu thân thiện với môi trường nhất trên thị trường. Dầu nấu ăn thải từ các nhà hàng ở thành phố Hồ Chí Minh ñã ñược sử dụng làm nguyên liệu ñể sản xuất ñiezen sinh học [10]. Hóa chất ñược dùng ở ñây là ancol metylic, xúc tác là KOH. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ xúc tác, nhiệt ñộ, tỉ lệ metanol/ khối lượng chất thải tới hiệu suất hình thành ñiezen sinh học. Kết 25 qủa hiệu suất từ 88 - 90% khi tỉ lệ metanol/khối lượng chất thải 7:1 - 8:1, nhiệt ñộ 300 – 500C, khối lượng xúc tác là 0.75% so với khối lượng chất thải. ðiezen sinh học và hỗn hợp của nó với ñiezen có những tính chất vật lý ñặc trưng cho nhiên liệu ñiezen . Như vậy nếu tách ñược lipit chúng ta có thể sản xuất ñược ñiezen sinh học. 2.2.4.2. Cồn khô Cồn khô ở dạng gel ñó là một trạng thái vật chất của một hệ keo có môi trường phân tán ở thể rắn và chất phân tán ở thể lỏng. Chất phân tán ở ñây là ancol etylic, môi trường phân tán là các chất rắn như C17H35COONa. Trong thành phần của nhiên liệu cồn khô dạng gel này cũng có thể ñược trộn vào một số chất mà vẫn không có ảnh hưởng bất lợi ñến tính chất của sản phẩm. Các chất ñó có thể là: Thuốc nhuộm (như Phenolphtalein, Rose Bengal) dùng ñể chỉ thị hoặc ñể gia tăng giá trị thẩm mỹ cho sản phẩm; những chất dùng ñể tạo màu ngọn lửa như muối Natri và muối Kali của Nitrat và Clorat, cũng như các muối của Li, Bo, Cu…Những thành phần này chỉ ñược sử dụng với một lượng nhỏ, thường thì sử dụng không vượt quá 1% khối lượng và thích hợp nhất là 0.5%. Có rất nhiều phương pháp khác nhau dùng ñể ñiều chế cồn khô như: 2.2.4.2.1. Phương pháp ñiều chế cồn khô có sử dụng Canxi axetat bão hoà. Khi trộn Canxi axetat bão hòa trong dung môi nước với rượu thì sẽ tạo thành cồn khô dưới dạng keo Canxi axetat. Kết quả trên có thể ñược giải thích bằng “phương pháp thay dung môi”: Khi thông số trạng thái thay ñổi làm cho hóa thế cấu tử tồn tại trong môi trường phân tán trở nên lớn hơn ở trạng thái cân bằng, do ñó xu hướng của quá trình sẽ diễn ra theo chiều chuyển về trạng thái cân bằng, tức là pha mới ñược tạo ra [14]. Trong phương pháp này dung môi ñược thay thế, tức là thay ñổi thành phần môi trường. Do vậy, Canxi axetat bão hòa trong môi trường nước, nhưng nó trở thành quá bão hoà trong môi trường rượu - nước (Canxi axetat không tan trong rượu) nên quá trình ngưng tụ sẽ xảy ra. 2.2.4.2.2. Phương pháp ñiều chế cồn khô có sử dụng axit béo và kiềm Trong ancol etylic nóng, axit béo ñược hòa tan tốt hơn và phản ứng nhanh với kiềm tạo thành một tác nhân tạo gel là xà phòng axit béo và nước. 26 C17H35COOH + NaOH ---> C17H35COONa +H2O Natri stearat ñược tạo thành sẽ hòa tan một phần trong nước và hình thành một lớp vỏ cứng. Khi ñó rượu sẽ thấm vào lớp vỏ cứng này và tạo thành cồn khô. Sản phẩm có những tính chất sau + Không bị hoá lỏng trong suốt quá trình cháy. + Vẫn duy trì ñược hình dạng ban ñầu của nó. + Sản phẩm cháy sạch, không có bồ hóng. + Khi cháy không có khói, không mùi và ngọn lửa có thể nhìn thấy ñược. 2.2.4.2.3. Phương pháp ñiều chế cồn khô có sử dụng dẫn xuất xenlulozơ Ở vùng pH của dung dịch nhỏ, chính các nhóm ion ñược ion hoá gây tác dụng qua lại làm cho mạch phân tử có phần bị co lại, nên ñộ nhớt cũng giảm. Khi tăng pH của dung dịch thì mạch phân tử của các chất cao phân tử ñiện li giãn ra do sự ion hoá tăng lên, nên ñộ nhớt của dung dịch cũng tăng lên. Do ñó khi trộn lẫn các thành phần nước, cồn, Hydroxypropyl metyl xenlulozơ ñược thực hiện bằng cách hạ thấp ñộ pH của hỗn hợp. Sau ñó ñộ pH của hỗn hợp ñược tăng lên làm tăng ñộ nhớt và cồn ñược chuyển sang dạng gel. (1): Trước tiên trộn 200 ml cồn với 50 ml nước. (2): Sau ñó 10 g Methocel J75 MS ñược thêm vào, thu ñược dung dịch sệt có chứa nước. (3): ðổ dung dịch sệt này vào vật chứa có chứa sẵn một lượng chất kiềm ñủ ñể tăng pH ñến 8 hoặc trên 8 (lượng Natri hydroxit sử dụng là từ 2 ñến 4 gam). Sự tạo gel sẽ lập tức xảy ra. Nhiên liệu cồn khô ñược ñều chế theo phương pháp này gồm có: + 10 g Methocel J75 MS + 50 g nước +170 g rượu + 2 – 4 g NaOH + Một lượng rất ít nhôm trihydrat ñược thêm vào ñể ngăn chặn sự hydrat hóa Sản phẩm ñược tạo thành có các ñặc ñiểm như: + Hạn chế sinh ra thành phần ñộc hại khi cháy. 27 + An toàn và tiện lợi khi vận chuyển và sử dụng 2.2.4.2.4. Phương pháp ñiều chế cồn khô có sử dụng nguyên liệu vô cơ + Cho 72 g Silic ñioxit và 1.2 g Canxi hydroxit vào 2874 g Etanol và khuấy nhanh khoảng 15 phút. Sau ñó thêm vào 54 g Hydroxypropyl xenlulozơ và trộn ñều. Hỗn hợp này sẽ ñông ñặc dần cho ñến khi giống như một khối gel ñồng nhất (khoảng 1.5 giờ). + Cho 6 g Silic ñioxit, 6 g Titan ñioxit và 0.1 g Canxi hydroxit vào 2898 g Etanol. Sau ñó thêm vào 90 g Hydroxypropyl xenlulozơ và trộn ñều. + 6 g Silic ñioxit, 6 g Nhôm oxit vào 1026 g Etanol. Cho vào 84 g Metylhydroxybutyl và trộn ñều trong khoảng 10 phút Sau ñó thêm vào 374 g nước. Sau 20 phút cho vào thêm 1504 g Etanol sẽ thu ñược khối gel ñồng nhất. 2.2.4.3 Thức ăn gia súc ðịnh nghĩa: Thức ăn là những sản phẩm của thực vật, ñộng vật, khoáng vật và các chất tổng hợp khác, mà ñộng vật có thể ăn, tiêu hóa, hấp thu ñể duy trì sự sống, phát triển và tạo ra sản phẩm. Phân loại: Có nhiều phương pháp phân loại thức ăn khác nhau, căn cứ vào nguồn gốc, ñặc tính dinh dưỡng, tính chất thức ăn [5]. - Phân loại theo nguồn gốc Căn cứ vào nguồn gốc thức ăn ñược chia thành các nhóm sau: + Thức ăn có nguồn gốc từ thực vật: Trong nhóm này gồm các thức ăn xanh, thức ăn rễ, củ, quả, thức ăn hạt các sản phẩm phụ của ngành chế biến nông sản: thức ăn xơ, rơm rạ, dây lang, thân lá lạc, thân cây ngô các loại cám, khô dầu (do các ngành chế biến dầu) bã bia, rượu, sản phẩm phụ. Nhìn chung, loại thức ăn này là nguồn năng lượng chủ yếu cho người và gia súc, ngoài ra nó còn cung cấp vitamin, protein thô, các loại vi khoáng, kháng sinh, hợp chất sinh học. + Thức ăn có nguồn gốc từ ñộng vật: gồm tất cả các loại sản phẩm chế biến từ nguyên liệu ñộng vật như bột cá, bột tôm, bột thịt, bột nhộng tằm, bột sữa và bột máu. Hầu hết thức ăn ñộng vật có protein chất lượng cao, có ñủ các axit amin thiết yếu, các nguyên tố khoáng và một số vitamin A, D, E, K, B12.., tỷ lệ tiêu hóa và 28 hấp thụ các chất dinh dưỡng trong thức ăn ñộng vật cao hay thấp phụ thuộc vào cách chế biến, làm thức ăn bổ sung protein quan trọng trong khẩu phần của gia súc gia cầm. + Thức ăn nguồn khoáng chất: Gồm các loại bột sò, ñá vôi và các muối khoáng khác nhằm bổ sung các chất khoáng ña và vi lượng. - Phân loại theo thành phần các chất dinh dưỡng Phương pháp này chủ yếu dựa vào hàm lượng các chất dinh dưỡng chính trong thức ăn: protein, lipit, gluxit, nước.. + Thức ăn giàu protein: Tất cả những loại thức ăn có hàm lượng protein thô chiếm trên 20% (tính theo vật chất khô) thì ñược gọi là những loại thức ăn giàu protein. + Thức ăn giàu lipit: Gồm các loại thức ăn mà hàm lượng lipit chiếm trên 20%. Mục ñích sử dụng thức ăn này là cung cấp một lượng lipit thích hợp trong khẩu phần ñã ñủ hàm lượng vật chất khô nhưng giá trị năng lượng còn quá thấp. + Thức ăn giàu gluxit: Là loại thức ăn trong ñó có hàm lượng gluxit 50% trở lên, gồm các loại hạt ngũ cốc, ngô, thóc cám, bột khoai, bột sắn. Thức ăn này chiếm tỷ lệ rất lớn trong khẩu phần thức ăn gia súc dạ dầy ñơn, nó là nguồn năng lượng dễ tiêu hóa, hấp thụ và ít gây tai biến trong quá trình sử dụng mà giá thành rẻ. + Thức ăn nhiều nước: Gồm các loại thức ăn có hàm lượng nước từ 70% trở lên. Ví dụ: thức ăn củ quả, bã rượu, bia, rau xanh, bèo... + Thức ăn nhiều xơ: Gồm các loại thức ăn mà hàm lượng xơ thô 18% trở lên. Loại thức ăn này là sản phẩm chế biến ngành trồng trọt, như rơm rạ, dây lang, dây lạc.. những loại thức ăn này ít có ý nghĩa với gia súc dạ dày ñơn nhưng chiếm tỷ trọng lớn trong khẩu phần gia súc nhai lại. + Thức ăn giàu khoáng: gồm các loại muối khoáng, bột xương, muối ăn, bột sò... + Thức ăn giàu vitamin: gồm những loại vitamin hoặc những loại thức ăn giàu vitamin như: bột rau xanh, dầu gan cá... + Thức ăn bổ sung khác: gồm các loại thức ăn có nguồn gốc ñặc biệt như kháng sinh, 29 các hợp chất chứa nitơ, các chất chống oxy hóa, các chất kích thích sinh trưởng. - Phân loại theo ñương lượng tinh bột Theo phương pháp này, người ta phân thức ăn thành 2 loại: thức ăn tinh và thức ăn thô. + Thức ăn thô: bao gồm các loại thức ăn có ñương lượng tinh bột dưới 45% nghĩa là trong 100 kg thức ăn có giá trị không quá 45 ñơn vị tinh bột. + Thức ăn tinh: bao gồm các loại thức ăn có ñương lượng tinh bột trên 45% (trong vật chất khô) như các hạt ngũ cốc, bột củ quả, các hạt khô dầu. Trong thức ăn tinh còn phân ra thức ăn giàu protein, gluxit, lipit... - Phân loại theo tính axit và kiềm Người ta căn cứ vào ñộ pH của sản phẩm chuyển hóa cuối cùng ñể chia thức ăn thành axit hay kiềm. Thường những thức ăn có chứa nhiều P, Cl, S thì sản phẩm cuối cùng của sự chuyển hóa mang tính axit. Ví dụ: P cho H3PO4, S cho H2SO4, Cl cho HCl, còn loại thức ăn nhiều Ca, K, Na, Mg thì sản phẩm chuyển hóa cuối cùng mang tính kiềm. Những loại thức ăn kiềm tính gồm: thức ăn xanh, củ quả, thức ăn ủ xanh... Những loại thức ăn này thích hợp cho gia súc sinh sản, tác dụng tốt ñối với kích thích tiết sữa. Trong khi, những loại thức ăn toan tính như: các loại thức ăn ñộng vật, hạt họ ñậu và một vài loại thức ăn giàu protein lại thích hợp với gia súc ñực, gia súc ñực sinh sản nhất là trong thời gian lấy tinh. - Hiện nay trên thế giới người ta phân thức ăn thành tám nhóm: + Thức ăn thô khô: Tất cả các loại cỏ xanh tự nhiên thu cắt và các loại phế phụ phẩm của cây trồng ñem phơi khô có hàm lượng xơ trên 18% ñều là thức ăn thô khô. Bao gồm: cỏ khô họ ñậu hoặc hòa thảo, rơm rạ, dây lang, dây lạc và thân cây ngô... phơi khô. Ngoài ra còn gồm vỏ các loại hạt thóc, lạc, ñậu, lõi và bao ngô. + Thức ăn xanh: Tất cả các loại cỏ trồng, cỏ tự nhiên, các loại rau xanh cho gia súc sử dụng ở trạng thái tươi, xanh bao gồm: rau muống, bèo hoa dâu, lá bắp cải, su hào, cỏ tự nhiên, cỏ trồng như cỏ voi và cỏ sả, bèo tấm, rau dừa nước, rau dền, rau lấp, thân lá khoai lang... 30 + Thức ăn ủ chua: Tất cả các loại thức ăn chua, các loại cỏ hòa hoặc thân, bã phụ phẩm của ngành trồng trọt như thân, lá lạc, bã