Tải bản đầy đủ

QUÁ TRÌNH Ủ PHÂN TRONG MÔ HÌNH PHÒNG THÍ NGHIỆM : HIỆU SUẤT VÀ ĐỘ LẶP LẠI

QUÁ TRÌNH Ủ PHÂN TRONG MÔ HÌNH PHÒNG THÍ NGHIỆM :
HIỆU SUẤT VÀ ĐỘ LẶP LẠI

Abstract
Lò phản ứng quy mô nhỏ (<10 m) đã được sử dụng trong ủ phân nghiên cứu, nhưng vài
nỗ lực đánh giá hiệu suất ủ phân, xem xét các biến đổi của các chất hữu cơ. Hơn nữa, ủ
phân ở quy mô nhỏ thường được thực hiện bằng cách áp đặt một nhiệt độ cố định, tạo
điều kiện nhân tạo, và khả năng tái sinh của ủ phân hiếm khi được báo cáo. Mục tiêu của
nghiên cứu này là thiết kế một thiết bị ủ phân quy mô nhỏ tiên tiến đảm bảo an toàn tự
làm nóng để điều khiển quá trình tổng hợp và đánh giá hiệu quả hoạt động và khả năng
tái sinh của ủ phân trong các mô hình thí nghiệm quy mô nhỏ. Thiết lập thí nghiệm gồm
sáu lò phản ứng 4L được sử dụng để làm phân trộn một hỗn hợp của bùn thải và chất thải
xanh. Hiệu suất của quá trình này được đánh giá bằng cách giám sát nhiệt độ, O2 tiêu thụ
và khí CO2 phát thải, và đặc trưng cho sự phát triển hoá sinh của chất hữu cơ. Một khả
năng tái sinh tốt đã được tìm thấy trong sáu lần lặp với hệ số biến đổi đối với tất cả các
thông số nói chung thấp hơn 19%. Cường độ tự làm nóng cao đảm bảo sự tồn tại của một
pha ưa nhiệt tự nhiên trong tất cả các lò phản ứng. Sự mất mát trung bình của tổng số
chất hữu cơ (TOM) là 46% lượng ban đầu. So với hỗn hợp ban đầu, các phần hòa tan
trong nước nóng giảm 62%, phần hemicellulose giống 68%, phần cellulose như 50% và
các phần phân đoạn của lignin như 12% trong phân cuối cùng. Những tổn thất TOM, sự
ổn định của phân và sự phát triển của các phần sinh hóa cũng tương tự như quan sát thấy

trong các lò phản ứng lớn hoặc tại chỗ các thí nghiệm, ngăn cản sự suy giảm lignin, điều
này kém quan trọng hơn trong toàn hệ thống. Khả năng tái sinh của quá trình và chất
lượng của các phân ủ cuối cùng có khả năng đề xuất việc sử dụng các thiết bị thí nghiệm
này để nghiên cứu đòi hỏi phải giảm khối lượng của hỗn hợp chất thải ban đầu.
1. Giới thiệu
Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong các lò phản ứng thực nghiệm quy mô lớn cho
phép theo dõi dễ dàng hơn quá trình phân huỷ trong toàn bộ dự án. (Mason và Milke,
2005). Lò phản ứng quy mô lớn (10-300 l) thường liên quan đến một giai đoạn tự làm
nóng, trong đó nhiệt độ phân hủy vượt quá 60? C, phụ thuộc hoàn toàn vào sự sản sinh
nhiệt của vi sinh vật và đảm bảo một quá trình phân huỷ được tiến hành tốt. Trong điều
kiện đó, sự mô phỏng của chế độ nhiệt động lực học, bao gồm giai đoạn ưa nhiệt, làm
mát và giai đoạn trưởng thành, nên ,cho phép sản sinh nhiều thông số khác nhau của toàn
bộ hệ thống phân hủy quy mô lớn, bao gồm cả hoạt động sinh học và khả năng trao đổi


chất, sự vận chuyển độ ẩm và hơi nước, trạng thái của oxi, nhiệt độ. Các lò phản ứng quy
mô nhỏ (<10 l) cũng đã được sử dụng bởi vì, chúng dễ xử lý, ít tốn kém và dễ kiểm
soát hơn so với các lò phản ứng quy mô lớn hoặc các hệ thống toàn diện (Petiot và de
Guardia). Chúng đã được sử dụng để đánh giá sự phân hủy chất nền hoặc quy trình phù
hợp , xác định các tham số cho các mô hình toán học và điều tra số liệu của các hợp chất
cụ thể. Thật vậy, sự thu nhỏ của quá trình này là cần thiết khi sự tác động của các chất ô
nhiễm được nghiên cứu bằng cách sử dụng hoá chất phóng xạ đánh dấu do số lượng hạn
chế về tài liệu cần thiết và khả năng kiểm soát đầu ra . Tuy nhiên,sự mô phỏng của thí
nghiệm phân hủy ở quy mô nhỏ là không rõ ràng bởi vì khối lượng của các chất hữu cơ
tham gia vào quá trình này có thể không đủ lớn để tái tạo nhiệt và sự chuyển đổi nhiệt và
kết quả quán tính nhiệt mong muốn của hệ thống toàn diện. Một kích thước nhỏ của lò
phản ứng cũng có thể hạn chế tiềm năng lấy mẫu trong toàn bộ quá trình . Trong lò phản
ứng số lượng nhỏ , sự giảm nhanh chóng của nhiệt độ thường được thấy vì số lượng hạn
chế của các chất nền hữu cơ và tổn thất nhiệt , trái ngược với sự suy giảm chậm và giảm
dần nhiệt độ của sự phân hủ đủ quy mô . Mặt khác , rất ít nghiên cứu đã đánh giá thực tế
của quá trình phân huỷ ở quy mô nhỏ , so sánh các đặc tính sinh học - hóa học của các
chất hữu cơ trước và sau khi phân hủy . Hơn nữa , thí nghiệm phân hủy diễn ra tại quy
mô nhỏ thường được thực hiện ở 1 nhiệt độ nhất định thông qua quá trình mà có thể tái
tạo điều kiện nhân tạo hoặc không thực tế. Cuối cùng, khả năng tái sinh của lò phản ứng
phân hủy đã là báo cáo hiếm gặp. Mặc dù, nó có khả năng sử dụng kết quả so sánh sư
khác nhau trong cả cách trộn và điều kiện. Do đó, điều này dẫn tới việc thiết kế ra một thí
ngiệm mới thiết bị mới để thực hiện phân hủy một cách thực tế trong khi giảm thể tích
pilot và lương chất thải phân hủy và để đánh giá hiệu quả thực hiện và sự sản sinh(sản
xuất) của hệ thống phân hủy quy mô nhỏ về hóa học và sự biến đổi sinh hóa của vật chất
hữu cơ. Một hệ thống lò phản ứng quy mô nhỏ cho phép tự làm nóng trong sáu lần nhân


đôi song song được tạo ra, và nó đã được thử nghiệm sử dụng như một hỗn hợp chất thải
đơn giản của bùn nước thải và chất thải xanh.
2. Nguyên liệu và phương pháp.
2.1 Phản ứng ủ phân.
Hệ thống ủ phân compost bao gồm 6 lò phản ứng song song nhau (C1-C6) để đo lường
khả năng tái sinh của phân. Lò phản ứng là những xylanh thuỷ tinh 4L được bảo vệ bởi
lớp màng bên ngoài với flo, ethylene, propylene Teflon. Để bù đắp những thất thoát nhiệt
trong suốt quá trình tự làm nóng do diện tích bề mặt lớnđến tỉ lệ khối lượng của các lò
phản ứng, nhiệt độ mỗi lò phản ứng được khiểm soát. Do đó, mỗi lò phản ứng có 1 vỏ
bọc bên ngoài mà thông qua đó nước được tuần hoàn từ buồng tĩnh nhiệt. Những lò phản
ứng được bao bọc bởi những sợi thuỷ tinh cách nhiệt. Những màng thép (có lỗ) được đặt


cách đáy 5cm. Nước lọc được thu hồi ở phần dưới cùng và có thể được lấy ra thông qua
những lỗ hổng. Hỗn hợp hữu cơ được đặt phía trên màng trong một hộp thép có thể dịch
chuyển khi lấy mẫu và pha trộn. Khí nén được cung cấp thông qua 1 lỗ hỗng ở dưới cùng
và được phân phối qua các ống phân tán. Tốc độ dòng khí được điều chỉnh và đo đạc
hằng ngày bằng máy đo thể tích khí. Sự thất thoát độ ẩm do khí nóng và sự sản suất được
bù đắp bằng cách làm nóng ở những đường ống khí chiềm, sau đó làm ẩm không khí
thông qua 2 bình đựng đầy nước ở buồng tĩnh nhiệt.
Hai cảm biến nhiệt được đặt vào giữa của phân compost và gần với tường phản ứng T2.
Cảm biến thứ 3 được đặt ở buồng tĩnh nhiệt (T3). Giá trị nhiệt được ghi lại sau 5 phút. Sử
dụng hệ thống thu thập dữ liệu.
Lượng CO2, O2 trong khí thải của lò phản ứng được định lượng trong 20 phút ( 3h 1 lần),
phân tích khí dựa vào sự hấp thu hồng ngoại của CO2 và tế bào điện hoá O2. Khí thải
được làm lạnh trước khi phân tích. Van Solenoid điều khiển tự động đảm bảo cung cấp
liên tục khí thoát ra của 6 lò phản ứng.
Trong giai đoạn chín của quá trình ủ phân, chất hữu cơ của mỗi lò phản ứng được di
chuyển đến hộp thuỷ tinh đóng kín 21L. Ít thiết bị được sử dụng ở đây do hoạt động của
VSV và nhu cầu oxy giảm, nhiệt độ vẫn ổn định trong suốt quá trình chin.
2.2 Thí nghiệm ủ phân.
2.2.1 Hỗn hợp phân ủ.
Một hỗn hợp bùn ưa khí được trộn với nhánh cây, cỏ, cây thuỷ lạp và lá cây theo thứ tự
20, 25, 15, 20 và 20% tổng khối lượng khô của hỗn hợp ban đầu. Những nguyên liệu hữu
cơ được chọn ban đầu tượng trung cho từng loại nguyên liệu điển hình tại nhà máy ủ bùn
thải và phân xanh. Thành phần và khả năng làm phân compost của hỗn hợp ban đầu được
kiểm tra trong suốt quá trình thử nghiệm sơ bộ ( kết quả không được công bố). Nhánh cây
được cắt thành từng đoạn dài 4cm, lá cây và cây thuỷ lạp được đặt gần mặt đất. Tương
đương 287 g khối lượng khô của hỗn hợp ban đầu được đưa vào 6 lò phản ứng.


2.2.2 Phương thức ủ phân compost.
Độ ẩm ban đầu dược đưa lên đến 60% bằng cách phun nước. Trong 6 ngày đầu tiên nhiệt
độ bên ngoài thành lò phản ứng được duy trì ở 1-2ºC thấp hơn so với nguyên liệu làm
phân để quan sát quá trình tự làm nóng lên của phân hữu cơ tự nhiên trong khi bù đắp
những tổn thất nhiệt xảy ra ở bề mặt bên ngoài. Phương thức này được chọn để duy trì
một mạng lưới dòng nhiệt thoát ra tối thiểu và mô phỏng khả năng giữ nhiệt của phân.
Nhiệt độ kiểm soát quá trình ủ phân, do đó một khi điều kiện ưa nhiệt được hình thành
một cách tự nhiên, nhiệt độ được điều chỉnh giống với thông số nhiệt của hỗn hợp chất
thải ban đầu. Từ ngày thứ 7-11, nhiệt độ bên ngoài được giữ liên tục từ 60-65º C để duy
trì giai đoạn ưa nhiệt. Những ngày thứ 12-41, nhiệt độ bên ngoài giảm dần đến 28 C để
mô phỏng giai đoạn làm mát. Đến ngày 42-83 phân compost được chuyển đến bình 21L
và được đặt trong phòng tĩnh nhiệt ở đk 28 ±1º C.
Trong 8 ngày đầu tiên, dòng khí được giữ ở mức 47 l h -1kg-1 DM của hỗn hợp ban đầu. và
sau đó từ ngày thứ 9-41, giá trị này giảm xuống 29 l h -1kg-1 DM do hoạt động của vi sinh
vật và nhu cầu oxy giảm. Hỗn hợp phân compost được lấy 3 lần vào các thời điểm: ngày


cuối của giai đoạn ưa nhiệt, bắt đầu giai đoạn chin ( ngày thứ 41) và kết thúc giai đoạn
chín (ngày thứ 83). Toàn bộ hỗn hợp được được đồng nhất trước khi lấy mẫu. Lấy trung
bình của 46g DM và 43g DM vào các ngày tương ứng 13 và 41. Trong những ngày lấy
mẫu đó, nước được phun vào phân ủ, sau khi lấy mẫu giữ độ ẩm ở mức 55-70%. Nước
thải cũng được kiểm soát và độ hoà tan của chúng được phân tích bằng độ hấp thu hồng
ngoại của C-CO2 sau khi đốt ở 680º C (Shimazu TOC, ASI 5000)
2.3 Năng suất và khả năng tái sinh của quá trình ủ phân compost.
2.3.1 Đặc trưng sinh hoá của nguyên liệu hữu cơ.
Sự biến đổi khối lượng khô được đo đạt trong suốt quá trình ủ phân. Hỗn hợp ban đầu
được cân trước khi đưa vào lò phản ứng và 6 hỗn hợp ủ được cân trước khi được khuấy
trộn và sau khi lấy mẫu vào mỗi ngày lấy mẫu. Khối lượng thất thoát trong quá trình lấy
mẫu được tính toán trong quá trình cân bằng .
Tất cả mẫu của hốn hợp phân ủ, nguyên liệu và hỗn hợp ban đầu được làm khô ở 40º C
và được nghiền mịn đến 1mm trước khi phân tích. Tổng nguyên liệu hữu cơ (TOM) được
xát định bằng những thất thoát khi nung ở 480º C. Tổng C hữu cơ (TOC) và N được xát
định bằng phương pháp vi sinh sau khi nghiền chất phụ gia đến 200µm và đốt cháy trong
máy phân tích CHN.
Tính chất sinh hoá của nguyên liệu, hỗn hợp ban đầu và sự biến đổi của chúng trong phân
ủ được xát định trên 1mm mẫu đất. Phần nước nóng hoà tan được tách cùng với milli-Q
nước ở 100ºC trong 30 phút. Phần phụ gia hoà tan được tách ra với chất tẩy trung tính
trong vòng 1h. Thành phần Hemicelulose, Cellulose, Lignin được thu theo tiêu chuẩn
French XPU44-162 với máy tách sợi thô. Chưng cất phân đoạn được thực hiện trên 1g
DM mẫu, sử dụng chén nung thuỷ tinh với độ sốp thô 40-100µm.
2.3.2 Đánh giá sự ổn định của chất hữu cơ.
Sự thoái hoá sinh học của các nguyên liệu, hỗn hợp ban đầu và phân compost được đánh
giá thông qua sự đo đạt lượng C hữu cơ trong suốt thời kì ủ của hỗn hợp nền. được kiểm
soát trong điều kiện phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn XPU44-163 (AFNOR, 2009). Điều
này rất thích hợp để so sánh sự thoái hoá sinh học và sự ổn định của tất cả chất nền hữu
cơ trong điều kiện được xem xét tối ưu nhất cho hệ vi thực vật. Giai đoạn ủ được thực
hiện trong 4 lọ kín đặt ở điều kiện 28±1ºC trong bong tối. Hỗn hợp ủ được thực hiện với
lượng đất khô tương đương 25g. Đất được lấy từ khu vực thử nghiệm ở Feucherolles
(Parisian Basin, France). Đất Glossic Luvisol (WRB-FAO classification) với kết cấu mùn
phù sa: 76 phù sa, 17 sét, 0.9 chất hữu cơ chứa C. Tất cả mẫu hữu cơ làm khô ở 40ºC và


1mm đất được thêm vào dựa trên lượng C hữu cơ giống nhau. Một lượng thấp N được
thêm vào lúc bắt đầu giai đoạn ủ để ngăn cản các chất hữu cơ phân huỷ. Việc sử dung
milli-Q nước, độ chứa nước của hỗn hợp được điều chỉnh đến 240g kg-1 DM, độ chứa
nước trong đất tương đương với sức chứa và mức này được duy trì trong suốt quá trình ủ
bằng việc thêm nước khi cần thiết. Khoáng CO2 được giữ lại trong 10mL dd NaOH 0.5M
thay thế sau 1,3,7,14, 21, 28, 49,70 và 91 ngày của quá trình ủ. C-CO2 bị giữ lại được
phân tích bằng cách đo màu dòng liên tục. Động học của tổng C được tính toán bằng tổng
C-CO2 do quá trình hô hấp trong 2 ngày lấy mẫu. Kiểm soát giai đoạn ủ của đất không có
mẫu hữu cơ đầu vào được tiến hành để xát định nguồn gốc hữu cơ trong đất. Do đó
những khoáng chất trong chất nền hữu cơ được xát định dựa vào sự khác nhau C-CO2
sinh ra trong đất khi có và không có chất hữu cơ đầu vào.
2.3.3 Đánh giá khả năng tái sinh của phân Compost.
Khả năng tái sinh của phân compost được tính toán ước lượng, độ lệch chuẩn (mean ±
SD), hệ số thay đổi (CV, in%) cho 6 composting replicates of composting parameters và
đặc trưng phân tích của hỗn hợp ban đầu và mẫu sau 13, 41 và 83 ngày ủ phân. Các thông
số bao gồm: nhiệt độ cao nhất có thể đạt tới của quá trình tự nóng lên, sự tiến triển của độ
chứa ẩm, sự thất thoát của khối lượng khô, tổng C hữu cơ (TOC), tổng chất hữu cơ
(TOM). Đặc trưng phân tích được đánh giá thông qua sự thay đổi các thông số: chất hữu
cơ, lượng N và C, thành phần sinh hoá và lượng khoáng CO2 trong suốt 91 ngày ủ.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Quá trình ủ phân
3.1.1 Yếu tố nhiệt độ
Nhiệt độ của hỗn hợp phân ủ tăng nhanh sau khi bắt đầu thí nghiệm và đạt 69 ± 4 0C
trong vòng 2 -4 ngày, tức là tăng trung bình khoảng 12 0C/ngày (Hình 2). Sự tăng này là
quá trình tự nóng tự nhiên của hỗn hợp phân ủ khi nhiệt độ bên ngoài bể phản ứng được
duy trì ở mức thấp hơn từ 1-2 0C so với nhiệt độ trong bể phản ứng. Nhiệt độ tăng lên
trong quá trình này tương tự như hỗn hợp bùn ủ trong thiết bị ủ phân cỡ lớn và trên mô
hình ủ đầy đủ. Tuy hỗn hợp trong dòng chất thải mô hình đầy đủ có sự tăng nhiệt độ do
chất dinh dưỡng và hàm lượng chất này ở các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học,
nhưng trên thực tế mức tăng này rất thấp trong chất thải xanh ở mô hình đầy đủ (Hannon
and Mason, 2003) và trong hỗn hợp chất thải xanh dễ phân hủy sinh học trong bể phản
ứng loại lơn (Francou et al., 2008). Hệ số biến thiên nhiệt độ ở mức thấp (6%) chứng tỏ
quá trình tự nóng lên của hỗn hợp hữu cơ có sự lặp lại.


Để tránh nhiệt độ giảm nhanh trong bể phản ứng loại nhỏ nhiệt độ được thiết lập tới một
giá trị gần đến nhiệt độ động học của phân ủ tại chỗ trong điều kiện ưa nhiệt. Yếu tố nhiệt
độ được mở rộng là giai đoạn chịu nhiệt trong 3 ngày ở mức tối thiểu để cảnh báo việc
loại bỏ mầm bệnh và sau đó dần dần đi đến nhiệt độ nhất định và giảm xuống trong giai
đoạn hoàn chỉnh. Giai đoạn nhiệt độ giảm đi là từ ngày 12 đến ngày 41 tương đồng với
bể phản ứng loại lớn nhưng thời gian này ngắn hơn rất nhiều so với quá trình ủ phân mô
hình đầy đủ với hỗn hợp chất hữu cơ tương đương. Phương pháp điều chỉnh nhiệt độ làm
cho quá trình ủ có thể mô phỏng được chế độ nhiệt thích hợp và tương tự với các thông
số khác của quá trình ủ như quá trình sinh học, hoạt động của quần xã Vi sinh vật, độ ẩm
mặc dù nó có thể phần nào hạn chế độ lặp lại của quá trình ủ phân đầy đủ.
3.1.2. Nồng độ CO2, O2 trong khí thoát ra
Nồng độ O2 trong khí thoát ra giảm nhẹ qua hai tuần đầu tiên và duy trì liên tục sau đó,
điều này cho thấy điều kiện hiếu khí trong hỗn hợp. Hỗn hợp phân ủ được lật lại hai lần
để ngăn chặn sự thoát ra của đường khí ưu tiên. Nồng độ CO2 ở dòng khí thoát ra tăng
lên trong tuần đầu tiên và sau khi lấy mẫu ở ngày 13 khi phân ủ đã đồng nhất và ẩm. Sự
thay đổi nồng độ CO2 và O2 trong dòng khí thoát ra được lặp lại trong 6 bể phản ứng cho
thấy có sự hoạt động của những vi sinh vật nội sinh. Không có sự thay đổi nồng độ CO2
và O2 sau hai tuần ủ bởi vì tính quan trọng của sự pha loãng mặc dù lượng khí đã giảm đi
trong giai đoạn làm lạnh. Hàng loạt lượng khí đã được nghiên cứu và sau khi kiểm tra sơ


bộ, tỉ lệ khí được sử dụng là khoảng giữa tỉ lệ khí tối ưu 120 Lh-1kg-1 DM, đề xuất bởi
Yamada và Kawase (2006) và tỉ lệ khí tối ưu 8.5 – 16.6 l h-1kg-1 DM, đề xuất bởi
Guardia et al., (2008) trong quá trình ủ bùn với tác nhân lớn.
3.1.3 Độ ẩm
Độ ẩm có xu hướng giảm do sự kết hợp của nhiệt độ mức cao và lượng khí trong giai
đoạn ưa nhiệt và được điều chỉnh bằng việc sử dụng nước trong mỗi ngày lấy mẫu và
bằng độ ẩm của dòng khí thu vào. Độ ẩm ban đầu (66% khối lượng ướt) đã giảm đi trong
tất cả các thí nghiệm để đạt một giá trị độ ẩm trung bình là 41 ± 7% (CV = 11%) khối
lượng ướt, tức là trên mức độ ẩm thấp nhất trong điều kiện ủ phân tối ưu được đề xuất bởi
Haug (1993) (Bảng 1). Tuy nhiên, quá trình ủ có thể bị hạn chế bởi độ ẩm thấp trong một
vài trường hợp phân ủ khô đi bởi dòng khí mặc dù vậy độ ẩm tối ưu vẫn được bảo toàn
trong mọi trường hợp bằng cách bổ sung nước vào ngày lấy mẫu.
3.2. Sự tiến triển đặc tính của phân ủ
3.2.1. Chất hữu cơ mất đi trong quá trình ủ
Chất khô mất đi trong quá trình ủ chủ yếu trong 13 ngày đầu tiên nhưng khác nhau từng
giai đoạn ủ trong các quá trình ủ lặp lại. Điều đó có nghĩa là mức chất khô mất đi khoảng
31 ± 9% (bảng 1) và hệ số thay đổi là 29%. Chất khô trung bình mất đi là 40 ± 7% qua
toàn bộ quá trình ủ và thay đổi trong các quá trình ủ lặp lại là giảm 17%. Khối lượng chất
khô mất đi tương đương như trong quá trình ủ bùn thải trên mô hình ủ phân đầy đủ hơn
110 ngày (Sánchez –Monedero et al., 1999). Mô hình tương tự được theo dõi bởi TOM
trong quá trình ủ tổng quát. Tổng Carbon hữu cơ mất đi từ TOC ban đầu là 42 ± 6% (CV
= 14%) lúc kết thúc quá trình ủ tương đương mất đi 39% TOC được quan sát thấy bởi
Doublet et al. (2011) trong quá trình ủ bùn thải trong bể 170 l qua các chu kỳ tương tự.
Mức tăng dự kiến của nồng độ N được quan sát thấy trong tất cả các bể phản ứng do N
mất đi bởi bay hơi thấp hơn so với TOC mất đi qua sự khoáng hóa trong quá trình ủ. Tỉ
lệ C:N giảm đi trong quá trình ủ. Tỉ lệ C:N - hệ số của sự thay đổi là 12% cho thấy sự
tiến triển hóa học qua thí nghiệm 6 bể phản ứng tương tự được lặp lại. Sự mất đi của C
trong dung dịch lọc là không đáng kể chỉ khoảng 0.1 -1.6% trong TOC ban đầu.
3.2.2. Sự ổn định của thành phần chất hữu cơ trong quá trình ủ.
Sự suy giảm của quần thể VSV trong hỗn hợp hữu cơ dễ phân hủy sinh học dẫn đến sự ổn
định chất hữu cơ. Tỉ lệ C hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong hỗn hợp ban đầu khoảng
52% của TOC và giảm đều trong mẫu phân ủ sau 14, 41 và 83 ngày (36 ± 3, 35 ± 6 và 22
± 2% của TOC, hình 3). Tỉ lệ C hữu cơ dễ phân hủy sinh học có CV giao động khoảng 9


tới 17% qua 6 lần ủ chứng minh độ lặp lại cao khả năng duy trì ổn định chất hữu cơ trong
quá trình ủ. Sau 83 ngày ủ, 56 gC hữu cơ trong mỗi bể đã bị khoáng hóa (Tính toán từ
bảng 1), và 17 g còn lại là chất dễ phân hủy sinh học trong phân ủ cuối cùng. Tổng C hữu
cơ là 73 g phù hợp với C hữu cơ phân hủy sinh học trong hỗn hợp ban đầu. Các phần bền
nhất của C hữu cơ còn lại không đổi trong suốt quá trình (58g C hữu cơ) đại diện cho
48% từ TOC trong hỗn hợp ban đầu và 78% TOC trong phân ủ cuối cùng. Khả năng duy
trì các chất hữu cơ có thể được so sánh từ kết quả quan sát được ở các bể phản ứng với
thể tích lớn hơn hoặc trong quy mô công nghiệp (Bernal et al., 1998; Tognetti et al., 2008;
Doublet et al., 2011).


3.2.3. Sự chuyển đổi chất hữu cơ trong quá trình ủ
Sự biến đổi mức độ phân phối chất hữu cơ trong giai đoạn hóa sinh tương tự như trong
tất cả các bể phản ứng, với CV khoảng 6 – 19%, trừ phần HEM có độ lặp lại rất thấp
(Bảng 1). Khả năng duy trì chất hữu cơ trong phân ủ đã được giải thích bởi sự tăng phần
LIC, và giảm của phần CEL, HEM, W100 (Hình 4). Độ giảm trung bình là 62 ± 5, 31 ±
17, 68 ± 7, 50 ± 11 và 12 ± 13% trong tương ứng từng phần W100, SOL, HEM, và LIC
ban đầu. Phần W100, SOL và HEM hiếm khi giảm trong tuần đầu tiên và duy trì ổn định
trong các thiết bị ủ lớn hơn (Francou et al., 2008; Doublet et al., 2011), trong khi phần
CEL giảm rõ rệt sau 41 ngày trong pha ổn định. Nước nóng tách ra là nguồn sẵn có C và
N cho sinh khối VSV (Said-Pullicino et al., 2007) , đây là sự phân hủy đầu tiên. Sự phân
hủy CEL trong pha lag đã qua sát được trước đó và được giải thích là do sự có mặt nguồn
C đễ chuyển hóa trong giai đoạn đầu của quá trình ủ (Eiland et al., 2001) và bởi sự ức chế
hoạt động ban đầu của VSV cellulolytic ở nhiệt độ cao (Jouraiphy et al., 2005). Sự phân
hủy phần CEL và HEM vượt quá 50% hàm lượng ban đầu, không phân biệt kích thước
phân ủ (Jouraiphy et al., 2005; Cayuela et al., 2006; Alburquerque et al., 2009; Doublet et
al., 2011). Phần LIC có xu hướng giảm nhẹ hoặc duy trì ổn định, cho thấy phần này khó
phân hủy sinh học. Tuy nhiên, Phân hủy lignin xảy ra trong phân ủ và giai đoạn ưa nhiệt,
vi nấm rất quan trọng trong sự phân hủy lignin ở điều kiện tối ưu 50 0C (Tuomela et al.,
2000) và sự phân hủy lignin tăng lên trong pha ưa nhiệt. Trong bể phản ứng nhỏ, sự phân


hủy phần LIC được ghi nhậntương tự trong bể 170 l (Francou et al., 2008; Doublet et al.,
2011) nhưng vẫn thấp hơn trong phân ủ từ bùn thải trong mô hình đầy đủ bởi vì giai đoạn
ưa nhiệt ngắn hơn (Jouraiphy et al., 2005; Cayuela et al., 2006). Tỉ lệ LIC:(CEL+HEM)
tăng với sự ổn định hàm lượng chất hữu cơ trong quá trình ủ (Francou et al., 2008) (Bảng
1). Sự phân hủy phần HEM và CEL và/hoặc sự ô xi hóa phần LIC có thể ăn de novo nước
hòa tan và phần SOL cân bằng giữa sự giảm khoáng hóa và sự ổn định tương đối của các
phần sau 13 ngày ủ (Sánchez-Monedero et al., 1999; Said-Pullicino et al., 2007; Francou
et al., 2008).
Sự tiến triển chất hữu cơ trong phân ủ pù hợp với các nghiên cứu trước đây trong các bể
phản ứng lớn hơn và mô hình ủ phan đầy đủ. Tuy nhiên, với quy mô công nghiệp ở giai
đoạn cuối cần phân tách các chất hữu cơ thô khó phân hủy sinh học chủ yếu là phần CEL
và LIC (Doublet et al., 2011) và cần nhấn mạnh mức giảm của hai phần này trong phân ủ
sàng lọc cuối cùng. Trong nghiên cứu này, không tiến hành sàng lọc vì kích thước hỗn
hợp hữu cơ khá nhỏ và ít trong bể phản ứng nhỏ. Đây là hạn chế trong mô phỏng quá
trình ủ công nghiệp ở quy mô nhỏ, nhưng rất khó để kiểm soát ảnh hưởng vì rất ít được
nghiên cứu trong các tài liệu. Hạn chế khác của quá trình tương tự trong phòng thí
nghiệm là thiếu sự phụ thuộc của macrofaura như trong mô hình đầy đủ. (Ảnh hưởng của
macrofaura trong chất hữu cơ trong pha cân bằng rất ít được đề cập)
4. Kết luận
Những thách thức để giảm thiểu lượng khối và chất thải một hệ thống ủ phân quy mô nhỏ
tiến hành để xây dựng một thiết lập thử nghiệm đổi mới bao gồm sáu lò phản ứng hoạt
động gắn thiết song song. Công việc này nhằm mục đích để xác nhận rằng thiết bị này tái
lập quá trình phân huỷ và các phân compost cuối cùng là so sánh với những sản phẩm tạo
ra bởi các nhà máy ủ phân trên toàn quy mô.
Hiệu suất và khả năng tái sinh đã được điều tra trên một hỗn hợp bùn nước thải và chất
thải xanh như ví dụ về hỗn hợp chất thải ban đầu cổ điển được sử dụng. Lập các điều kiện
ưa nhiệt bởi tự làm nóng đã thành công tất cả các lò phản ứng. Những tổn thất TOM
trong toàn bộ quá trình tương tự như lò phản ứng quy mô lớn hoặc các thí nghiệm tại chỗ.
Một sự ổn định cổ điển của phân compost chất hữu cơ tương ứng với việc làm giàu các
phần LIC và giảm các phần phân đoạn phân hủy sinh học đã được quan sát. Tuy nhiên, sự
suy thoái lignin là không quan trọng so với hệ thống toàn qua mô có thể liên quan với các
giai đoạn ngắn ưa nhiệt, cần thiết cho lignin suy giảm, và sự thiếu kiểm tra mà các loại
phần thô LIC và CEL tắng cao.


Quá trình phân compost trong các lò phản ứng quy mô nhỏ đã rất cao tái sản xuất cho
nhiệt độ tối đa đạt được thông qua tự sưởi ấm, vật chất khô và tổn thất chất hữu cơ và
phân hữu cơ sự ổn định chất hữu cơ và biến đổi sinh hóa. Mặc dù có những khó khăn vốn
có của sự thu nhỏ của quá trình phân huỷ, các lò phản ứng quy mô nhỏ và các thủ tục
thực hiện phân compost phân compost đại diện. Nó có thể được sử dụng trong các nghiên
cứu sâu hơn về sự giảm thiểu của chất gây ô nhiễm hữu cơ trong quá trình phân compost
sử dụng các phân tử vô tuyến có nhãn đòi hỏi một lượng nhỏ các hỗn hợp ban đầu.
Lời cảm ơn
Công trình này được tài trợ bởi ADEME (Môi trường Pháp và Cơ quan Quản lý năng
lượng) và INRA (Viện quốc gia Pháp nghiên cứu nông nghiệp). Các thí nghiệm được tài
trợ bởi Veolia Môi trường, nghiên cứu và development.We xin cảm ơn Christophe Labat
và Guillaume Bodineau giúp đỡ của họ trong việc thiết lập thử nghiệm, Valérie
Bergheaud và Valérie Dumeny để được hỗ trợ của họ trong lấy mẫu và Véronique
Etievant cho sự hợp tác của mình trong các phân tích trong phòng thí nghiệm . Chúng tôi
muốn gửi lời cảm ơn Suzette Tanis-thực vật để thảo luận của mình và tư vấn biên tập
tiếng Anh.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×