BK
TPHCM

BÀI GIẢNG

CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
CHƯƠNG 7
PHÂN HỦY SINH HỌC CHẤT THẢI RẮN
GVHD: TS. Lê Hoàng Nghiêm


CÁC DÒNG VẬT CHẤT CHÍNH TRONG QUÁ TRÌNH XỬ
LÝ SINH HỌC CHẤT HỮU CƠ TRONG CTR ĐÔ THỊ

BK
TPHCM

Chôn lấp

Phân hủy kỵ khí
CTR hữu
cơ có thể
phân hủy
sinh học

Nước thải
(nước rỉ rác)
Khí thải
(biogas)

Nhiệt, Năng
lượng

CTR ổn
đònh để
cải tạo đất
hiếu khí
(composting)

Khí thải
Phân hữu cơ

2

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

MỤC ĐÍCH & ƯU ĐIỂM (1)
Ổn đònh chất thải: Những phản ứng sinh học
xuất hiện trong quá trình ủ phân compost sẽ
biến đổi các hợp chất hữu cơ thành các chất
ổn đònh, các dạng vô cơ thích hợp cho việc
cải tạo đất và hấp phụ của cây trồng.
Làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh:
Nhiệt độ phát sinh trong quá trình ủ các chất
thải có thể đạt đến 60oC, nhiệt độ này đủ để
ức chế hầu hết các mầm bệnh như là vi

khuẩn, virus, hoặc là trứng giun sán.

3

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

•
•
4

MỤC ĐÍCH & ƯU ĐIỂM (2)

Thu hồi dinh dưỡng và cải tạo đất: các
chất dinh dưỡng (N, P, K) hiện diện trong
chất thải thông thường tồn tại dưới
dạng hợp chất hữu cơ, rất khó hấp thụ
bởi cây trồng.
Sau quá trình ủ các chất dinh dưỡng
này sẽ biến đổi thành các chất vô cơ
như NO3-, PO43- phù hợp cho việc hấp
thụ cây trồng.

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK

TPHCM

NHỮNG HẠN CHẾ (1)

Chất lượng phân ủ phụ thuộc rất nhiều
vào chất lượng các chất thải đem ủ
• Yêu cầu: chất thải đem ủ phải không
chứa kim loại nặng và các chất độc
hại và được phân loại tốt
Trong quá trình ủ thường tạo ra một số
khí gây mùi hôi và một lượng nước rỉ
đọng ở đáy khối ủ cần đïc quan
tâm xử lý
5

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

NHỮNG HẠN CHẾ (2)

Trong quá trình ủ một lượng lớn carbon và
nitơ mất đi do hoạt động của vi khuẩn mà
không còn giữ lại được trong sản phẩm cuối
cùng để phục vụ cho trồng trọt

6


TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

QUA TRèNH PHAN HUY SINH HOẽC Kẻ KH
(ANAEROBIC BIOLOGICAL TRANSFORMATION)

7

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ (1)

Phân huỷ kò khí là quá trình phân huỷ chất
hữu cơ trong môi trường không có oxy ở điều
kiện nhiệt độ từ 30÷65oC.
Sản phẩm của quá trình phân huỷ kò khí là khí
sinh học (biogas) chủ yếu là CO2 và CH4.
Khí CH4 có thể thu gom và sử dụng như một
nguồn nhiên liệu sinh học.
Bùn đã được ổn đònh về mặt sinh học, có thể
sử dụng như nguồn bổ sung dinh dưỡng cho
cây trồng hoặc dùng để cải tạo đất.


8

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ (2)

Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của CTRSH
dưới điều kiện kỵ khí xảy ra theo 3 bước.
Bước thứ nhất là quá trình thủy phân các hợp chất
có phân tử lượng lớn thành những hợp chất thích
hợp dùng làm nguồn năng lượng và mô tế bào.
Bước thứ hai là quá trình chuyển hóa các hợp chất
sinh ra từ bước 1 thành các hợp chất có phân tử
lượng thấp hơn xác đònh.
Bước thứ ba là quá trình chuyển hóa các hợp chất
trung gian thành các sản phẩm cuối đơn giản hơn,
chủ yếu là khí methane (CH4) và khí carbonic (CO2).
9

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ (3)


Tên giai đoạn

Các chất
ban đầu

Giai đoạn 1
Thuỷ phân

Acid hoá

Đường phức
tạp, protein,
chất béo

Đường đơn
giản
Vi khuẩn
acid hoá

Vi sinh vật

10

Giai đoạn 2

Sản phẩm

Đường đơn
giản


Amino acid,
acid hữu cơ

Khí sinh ra

CO2

CO2, H2

Giai đoạn 3

Acetate hóa Methane hóa
Amino acid,
acid hữu cơ

Acetate

Vi khuẩn
Vi khuẩn
acetate hóa methane hóa
Acetate
CO2, NH3, H2 CO2, CH4 ,NH3

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM


QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ (4)

Các giai đoạn lý
thuyết
Lipids

Polysaccharides

Protein

Acid nucleic

Thủy phân
Acid béo

Monosaccharides

Amino acids

Các hợp chất
vòng thơm đơn
giản

Acid
hóa
Lên men
acid

Purines và
pyrimidines


Các sản phẩm lên men khác
như: propionate, butyrate,
succinate, lactate, ethanol
Acetate
hóa

Lên men
methane

Các chất nền cho quá trình lên
men methane: H2,CO2, formate,
methanol, methylamine, acetate

Methane (CH4) +
carbon dioxide (CO2)
11

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ (5)

Vi sinh vật methane hóa chỉ có thể sử dụng một số cơ
chất nhất đònh để chuyển hóa thành methane như
CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines
và CO. Các phương trình chuyển hóa xảy ra như sau:

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
4HCOOH
CH3COOH
4CH3OH

→ CH4 + 3CO2 + 2H2O
→ CH4 + CO2
→ 3CH4 + CO2 + 2H2O

4(CH3)3N + 6 H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3
4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2

12

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CTR HỮU CƠ

BK
TPHCM

vật
Chất hữu cơ + H 2 O + Chất dinh dưỡng ⎯Vi
⎯sinh
⎯⎯
→ Tế bào mới + Chất hữu cơ khó phân hủy

+ CO 2 + CH 4 + NH 3 + H 2 S + Q


CaHbOcNd và CwHxOyNz biểu diễn thành phần phân tử
thực nghiệm của chất hữu cơ ban đầu và sau khi kết
thúc quá trình, có thể mô tả bằng phương trình sau:
CaHbOcNd → nCwHxOyNz + mCH4 + sCO2 + rH2O
+ (d – nx) NH3
Trong đó s = a – nw – m và r = c – ny – 2s

Nếu quá trình chuyển hóa kỵ khí xảy ra hoàn toàn:
C a H b Oc N d +

13

4a + b − 2c − 3d
4a − b + 2c + 3d
⎛ 4a + b − 2c − 3d ⎞
H2O → ⎜
CO2 + d NH 3
⎟CH 4 +
4
8
8
⎠
⎝

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM


Bài tập ví dụ 6.1

Tính toán lượng khí sinh học sinh ra từ quá trình
phân hủy kỵ khí phần hữu cơ chất thải rắn đô thò.
Xác đònh lượng khí sinh ra trên một đơn vò khối
lượng CTR theo lý thuyết có thể sinh ra từ quá
trình phân hủy kỵ khí của chất thải rắn trong bãi
chôn lấp CTR. Biết rằng chất thải rắn chôn lấp
có 56,0% là các thành phần hữu cơ có thể
phân hủy sinh học và công thức hóa học tổng
quát của phần hữu cơ là C60H94,3O37,8N.

14

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


Bài giải ví dụ 6.1(1)

BK
TPHCM

1. Sử dụng phương trình biểu diễn quá trình phân hủy kỵ
khí hoàn toàn chất thải rắn hữu cơ:
C a H b Oc N d +

4a + b − 2c − 3d
4a − b + 2c + 3d
⎛ 4a + b − 2c − 3d ⎞
H2O → ⎜

CO2 + d NH 3
⎟CH 4 +
4
8
8
⎝
⎠

Với a = 60; b= 94; c= 37,8 và d = 1 ta có:
C60H94,3O37,8N + 18,28H2O → 31,96CH4 + 28,04CO2 + NH3
1433,1
56,0

15

329,0

511,4
x kg?

1233,8
y kg?

17
z kg?

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK

TPHCM

Bài giải ví dụ 6.1 (2)

2. Xác đònh khối lượng CH4 và CO2 sinh ra trên 100 kg CTR hay 56 kg
phần hữu cơ có thể phân hủy sinh học từ phương trình trên:
CH4 = x = (511,4/1433,1)×(56,0) = 20,0 kg
→ x = 20/16 kmol = 1,25 kmol
CO2 = y = (1233,8/1433,1)×(56,0) = 48,2 kg
→ y = 48,2/44 kmol = 1,095 kmol
NH3 = z = (17/1433,1)×(56,0) = 0,664 kg
→ y = 0,664/17 kmol = 0,039 kmol
3. Xác đònh thể tích khí CH4 và CO2 ở điều kiện chuẩn:
VCH4 = 1,25 kmol×(22,4m3/kmol) = 28 m3
VCO2 = 1,095 kmol×(22,4m3/kmol) = 24,538 m3
VNH3 = 0,039 kmol×(22,4m3/kmol) = 0,875 m3
16

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Bài giải ví dụ 6.1 (3)

4. Xác đònh thành phần phần trăm của CH4 và CO2 , và
NH3 trong hỗn hợp khí:
%CH4 = 28/(28 + 24,538 + 0,875) = 52,42%
%CO2 = 24,538/(28 + 24,538 + 0,875) = 45,94%

%NH3 = 0,875/(28 + 24,538 + 0,875) = 1,64%
5. Xác đònh tổng lượng khí lý thuyết trên một đơn vò khối
lượng chất thải:
m3/kg CTR = (28 + 24,538 + 0,875)(m3)/100(kg)
= 0,534 m3/kgCTR
m3/kg CTRHC = (28 + 24,538 + 0,875)(m3)/56(kg)
= 0,954 m3/kgCTRHC
17

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC HIẾU KHÍ
(AEROBIC BIOLOGICAL TRANSFORMATION)

18

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY HIẾU KHÍ CTR HỮU CƠ (1)

BK
TPHCM

vật
⎯sinh

⎯⎯
→ Tế bào mới + Chất hữu cơ khó phân hủy
Chất hữu cơ + O2 + Chất dinh dưỡng ⎯Vi

+ CO2 + H 2 O + NH 3 + SO24- + ... + Q

Nếu CTR hữu cơ được biểu diễn dưới dạng CaHbOcNd, và
vật liệu khó phân hủy còn lại được đặc trưng bởi
CwHxOyNz lượng oxy cần thiết có thể được tính theo
phương trình sau:

CaHbOcNd + 0.5(ny + 2s + r – c)O2 → nCwHxOyNz
+ sCO2 + rH2O + (d – nx)NH3
Trong đó:

r = 0.5[b – nx – 3(d – nx)] và s = a – nw

Nếu quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn:

4a + b − 2c − 3d
b − 3d
C a H b Oc N d +
O2 → aCO 2 +
H 2 O + d NH 3
2
4
19

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM



QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY HIẾU KHÍ CTR HỮU CƠ (2)

BK
TPHCM

Trong nhiều trường hợp, ammonia sinh ra từ
quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ bò
tiếp tục oxy hóa thành nitrat (quá trình nitrat
hóa).
Lượng oxy cần thiết để oxy hóa ammonia
thành nitrat có thể tính theo phương trình sau:
• NH3 + 3/2 O2 → HNO2 + H2O
• HNO2 + 1/2 O2 → HNO3
• NH3 + 2 O2 → H2O + HNO3

20

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


SẢN XUẤT PHÂN COMPOST BẰNG PP Ủ HIẾU KHÍ

BK
TPHCM

Proteins
Amino
acids
Lipids

Carbonhydr
+ O2
ate
Cellulose
Lignin
Tro
(Thành
phần hữu
cơ của CTR)

21

+ Chất dinh + VSV
dưỡng

Phân ủ + Tế bào VSV mới

+ Tế bào VSV chết

+ CO2 + H2O + NO3- + SO42- + Q

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Bài tập ví dụ 6.2

Xác đònh lượng oxy yêu cầu để oxy hóa 1000 kg

chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp hiếu khí.
Biết rằng thành phần ban đầu của chất thải
rắn hữu cơ được biểu diễn bằng công thức
[C6H7O2(OH)3]5, thành phần của chất hữu cơ
còn lại sau cùng được biểu diễn bằng công
thức[C6H7O2(OH)3]2, và khối lượng chất thải rắn
còn lại sau quá trình phân hủy là 400 kg.

22

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Bài giải ví dụ 6.2 (1)

p dụng phương trình tổng quát biển diễn quá trình phân hủy
hiếu khí CTR hữu cơ:
CaHbOcNd + 0.5(ny + 2s + r – c)O2 → nCwHxOyNz + sCO2 + rH2O +
(d – nx)NH3
1. Xác đònh số mol của chất thải ban đầu (C30H50O25) và chất
thải còn lại sau khi phân hủy(C12H20O10)
Số mol ban đầu = 1000/[(30×12) + (50×1) + (25×16)] = 1,23
Số mol còn lại = 400/[(12×12) + (20×1) + (10×16)] = 1,23
2. Xác đònh tỷ số mol của chất thải còn lại và chất thải ban
đầu:
n = (Số mol còn lại)/(Số mol ban đầu) = 1,23/1,23 = 1


23

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


Bài giải ví dụ 6.2 (2)

BK
TPHCM

3. Xác đònh các hệ số a, b, c, d, w, x, y, z và xác đònh các giá trò
của r và s trong phương trình phân hủy hiếu khí CTR hữu cơ:
CaHbOcNd + 0.5(ny + 2s + r – c)O2 → nCwHxOyNz + sCO2 + rH2O + (d –
nx)NH3
Đối với chất thải ban đầu [C6H7O2(OH)3]5 = (C30H50O25):
a = 30; b = 50; c = 25; d = 0
Đối với chất thải ban đầu [C6H7O2(OH)3]2 = (C12H20O10):
w = 12; x = 20; y = 10; z = 0
Giá trò của r là: r = 0,5[b – nx – 3(d –nz)] = 0,5×[50 – 1,0×20] = 15
Giá trò của s là: s = a - nw = 30 - 1×12 = 18
4. Xác đònh lượng oxy yêu cầu
O2 (kg) = 0,5(ny + 2s + r –c)O2 = 0,5×[1×10 + 2×18 + 15 – 25]×1,23×32
= 708 kg
24

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM


VI SINH VẬT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC
CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ

25

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM