1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- HOÀNG LƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THAN CACBON HOÁ LÀM GIÁ THỂ SINH HỌC TRONG MÔ HÌNH BIO-TOILET NHẰM CẢI THIỆN MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------
HOÀNG LƯƠNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THAN CACBON HOÁ LÀM GIÁ THỂ
SINH HỌC TRONG MÔ HÌNH BIO-TOILET NHẰM CẢI THIỆN MÔI
TRƯỜNG NƯỚC Ở VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2012
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------
HOÀNG LƯƠNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THAN CACBON HOÁ LÀM GIÁ THỂ SINH HỌC
Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cám ơn chân thành tới TS. Trịnh Văn
Tuyên, Viện phó Viện Công nghệ môi trường, Viện Khoa học và công nghệ
Việt Nam, người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
nghiên cứu và thực nghiệm trong thời gian thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa môi trường, trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, đặt nền
móng tri thức khoa học cho tôi trong hai năm học tập tại trường.
Qua đây, tôi cũng xin gửi những lời tri ân, lời cám ơn sâu sắc đến các
cô chú, anh chị em đồng nghiệp hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm, Viện Công
5
nghệ môi trường đã hỗ trợ và tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi để tôi hoàn
thành luận văn của mình.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm tạ, cảm ơn tới hai bên Gia đình nội
ngoại, là nơi hậu phương vững chắc đã động viên, khích lệ, sát cánh bên tôi
trên những chặng đường nghiên cứu khoa học cũng như cuộc sống hàng ngày
của tôi.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Hoàng Lương DANH MỤC BẢNG
TÊN BẢNG Tr.
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của đá, xỉ làm giá thể sinh học............................................. 11
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của chất dẻo, gỗ đỏ làm giá thể sinh học............................. 12
Bảng 2.1. Thành phần hoá học trong nước tiểu............................................................ 24
Bảng 2.2. Bảng công thức phối trộn xác định tối ưu................................................... 30
Bảng 2.3. Bảng công thức phối trộn xác định độ ẩm tối ưu.......................................... 31
Bảng 2.4. Bảng công thức phối trộn xác định tỉ lệ phối trộn tối ưu............................... 32
Bảng 2.5. Bảng công thức phối trộn trong mô hình Bio-toilet liên tục.......................... 33
Bảng 3.1. Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau........ 38
Bảng 3.2. Vi sinh vật kỵ khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau…… 39
Bảng 3.3. Vi sinh vật phân giải xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau... 40
Bảng 3.4. Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau…… 41
Bảng 3.5. Vi sinh vật kỵ khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau……… 42
Bảng 3.6. Vi sinh vật phân giải xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau... 43
Bảng 3.7. Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau……. 45
6
Bảng 3.8. Vi sinh vật kỵ khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau........... 46
Bảng 3.9. Vi sinh vật phân giải Xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau.. 47
Bảng 3.10. Tổng coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau………………... 48
Bảng 3.11. Chỉ số Fecal Coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau………… 49
Bảng 3.12. Chỉ số Salmonella của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau…………….. 50
Bảng 3.13. Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau…... 52
Bảng 3.14. Vi sinh vật kỵ khí của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau…………….. 53
Bảng 3.15. Vi sinh vật phân giải xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau.. 54
Bảng 3.16. Tổng Coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau………………... 55
Bảng 3.17. Chỉ số Fecal Coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau………… 56
Bảng 3.18. Chỉ tiêu Salmonella của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau…………… 57
Bảng 3.19. Kết quả đo H2S và NH3 sau 1 tuần sử dụng………………………………. 59
Bảng 3.20. Kết quả đo H2S và NH3 sau 1 tháng sử dụng……………………………... 59
DANH MỤC HÌNH TÊN HÌNH Tr.
Hình 1.1. Sơ đồ Bio-toilet......................................................................................... 3
Hình 1.2. Bio – toilet khô tại công viên quốc gia Phần Lan................................... 5
Hình 1.3. Bio-toilet ở các nước Đông Á................................................................... 6
Hình 1.4. Bio-toilet ở Namibia (Châu Phi)............................................................... 6
Hình 1.5. Bio-toilet khô trong công viên Tokyo...................................................... 7
Hình 1.6. Hố xí 2 ngăn 8
Hình 1.7. Hình ảnh đá dăm, đá cuội, xỉ lò................................................................ 11
Hình 1.8. Giá thể sinh học bằng PVC....................................................................... 12
Hình 1.9. Vật liệu đệm từ đầu mẫu gỗ sau khi được cacbon hoá............................. 13
Hình 1.10. Vật liệu đệm từ tre sau khi được cacbon hoá......................................... 13
Hình 1.11. Tre cắt khúc trước khi cacbon hóa......................................................... 14
Hình 1.12. Biểu đồ nhiệt độ của quá trình cacbon hóa............................................. 15
Hình 2.1. Hình ảnh SEM của than cacbon hóa ở nhiệt .................................. 25
Hình 2.2. Sơ đồ mô hình thực nghiệm Bio-toilet.................................................... 29
Hình 3.1. Mô hình thực nghiệm Bio-toilet............................................................... 35
7
Hình 3.2. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số..................................... 38
Hình 3.3. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số....................................... 39
Hình 3.4. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân giải xenluloza............................... 40
Hình 3.5. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số..................................... 42
Hình 3.6. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số....................................... 43
Hình 3.7. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân giải xenluloza............................... 44
Hình 3.8. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số..................................... 45
Hình 3.9. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số....................................... 46
Hình 3.10. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân hủy xenluloza............................. 47
Hình 3.11. Sự biến đổi của chỉ số Total Coliform.................................................... 48
Hình 3.12. Sự biến đổi của chỉ số Fecal Coliform................................................... 49
Hình 3.13. Sự biến đổi của chỉ số Salmonella.......................................................... 50
Hình 3.14. Khuẩn lạc của vi khuẩn Salmonella trên môi trường XLT4.................. 51
Hình 3.15. Lượng vi sinh vật khiếu khí tổng số (độ pha loãng 10-4)........................ 52
Hình 3.16. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số................................... 53
Hình 3.17. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số.................................... 54
Hình 3.18. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân giải Xenlulloza........................... 55
Hình 3.19. Sự biến đổi của chỉ số Total Coliform.................................................... 56
Hình 3.20. Sự biến đổi của chỉ số Fecal Coliform .................................................. 57
Hình 3.21. Sự biến đổi của chỉ số Salmonella ......................................................... 58
Hình 3.22. Nhà vệ sinh sinh thái.............................................................................. 58
TỪ VIẾT TẮT
COD: Carbon oxygent demand
BOD: Biological oxygent demand
TOC: total organic carbon
PVC: polyvinyl
PP: polypropylen
SW: Solid waste
SEM: Scanning electron micrograph
CFU: Colony firming unit
8
To: Nhiệt độ
VSV: vi sinh vật
MỞ ĐẦU
Công nghệ Bio-toilet khô đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ rất lâu
trên thế giới. Công nghệ này được phát triển và ứng dụng rộng rãi như một phần của
mục tiêu phát triển bền vững quốc gia và thế giới vì tiết kiệm được tài nguyên
nước, một nguồn tài nguyên quý giá ngày càng khan hiếm. Có nhiều tổng kết chỉ ra
rằng, 21% lượng nước sinh học của con người dùng vào việc xả toilet và nước thải
này có thể gây ô nhiễm nguồn nước mặt [11]. Vì vậy mà công nghệ Bio-toilet khô
là sự lựa chọn thích hợp để thay thế công nghệ toilet xả nước hiện nay. Các ưu điểm
của công nghệ Bio-toilet khô là:
- Tiết kiệm nguồn nước
- Xây dựng đơn giải và vận hành dễ dàng nên rất thích hợp với những vùng xa
xôi, biệt lập và xa nguồn nước.
- Không cần những đường ống nước phức tạp
- Không gây ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt với những nơi không có bể phốt do có
thể thu gom chất thải dễ dàng.
Công nghệ Bio-toilet khô là công nghệ sinh học sinh thải, các vi sinh vật sẽ
phân huỷ chất thải sinh học thành khí CO2 và hơi nước. Do đó các chất dinh dưỡng
sẽ quay trở lại vòng tuần hoàn vật chất mà không gây ô nhiễm môi trường. [10]
Toilet khô không chỉ dùng phổ biến ở các nước đang phát triển, thiếu nước
sinh hoạt mà cũng được dùng ở các nước phát triển tại những nơi xa nguồn nước
như tại các trang trại, công viên quốc gia hay các khu du lịch rộng lớn. Tại Phần
Lan, chính phủ khuyến khích các chủ trang trại rộng lớn ở vùng nông thôn xây toilet
khô. Hay tại công viên quốc gia của Phần Lan nơi khách du lịch thường đến trượt
tuyết, công viên quốc gia Cairngorms của Scotland người ta cũng xây toilet khô cho
khách du lịch.[10,6]
9
Tại Việt Nam, năm 1961, các vùng nông thôn, từ nhà tiêu cầu, hôi thối, ô
nhiễm môi trường nước, môi trường đất, ruồi nhặng đã được thay bằng nhà tiêu hai
ngăn, một ngăn ủ, một ngăn sử dụng. Dạng hố tiêu này, phân được phân hủy, các vi
khuẩn hiếu khí gây bệnh, virus, trứng giun, sán bị tiêu diệt và phân có thể tái sử
dụng làm nguồn phân bón. Hố tiêu hai ngăn phù hợp cho nhiều hộ dân thu nhập
thấp, do chi phí xây dựng thấp, đơn giản. Tuy nhiên, dạng nhà vệ sinh 2 ngăn này
có được cải thiện, song mùi hôi thối, ruồi nhặng vẫn còn rất phố biến.
Hiện nay, trong nước cũng đã có một vài nghiên cứu và ứng dụng Bio-toilet
khô, song sử dụng hỗn hợp phụ gia mùn sinh học làm môi trường xử lý chất thải.
Dưới những điều kiện thích hợp được chủ động tạo ra, vi sinh vật sẽ phân huỷ các
chất hữu cơ thành hơi nước và CO2 ( thoát ra bên ngoài ống hơi). Công nghệ này
không sử dụng nước, chất thải được phân huỷ thành những chất không mùi, vô hại.
Chính vì vậy, tôi xin chọn đề tại " Nghiên cứu ứng dụng than cacbon hoá làm giá
thể sinh học trong mô hình Bio-toilet nhằm cải thiện môi trường nước ở Việt
Nam"
Với nội dung chính của đề tài:
Nội dung 1: Tổng quan những nghiên cứu về công nghệ Bio-toilet khô trong nước
và trên thế giới.
- Tổng quan công nghệ Bio-toilet khô và ứng dụng của nó
- Tổng quan về các vật liệu đệm sinh học, các giá thể sinh học đặc biệt là than
cacbon hoá và phân tích lựa chọn giá thể sinh học cho mô hình Bio-toilet khô
Nội dung 2: Nghiên cứu, chế tạo, thực nghiệm công nghệ Bio-toilet khô quy mô
phòng thí nghiệm
- Nghiên cứu xác định độ pH, độ ẩm phù hợp của than tre cacbon hoá và chế phẩm
vi sinh.
- Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm.
- Thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm Bio-toilet theo mẻ để tìm ra được tỷ lệ phối
trộn của giá thể, chế phẩm vi sinh và lượng chất thải phù hợp nhất cho Bio-toilet
khô trong điều kiện khí hậu miền bắc Việt Nam.
- Thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm Bio-toilet khô liên tục nhằm xác định các
thông số công nghệ tối ưu như thời gian phân huỷ, tốc độ khuấy, cách thức vận
hành.
10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về công nghệ Bio-toilet khô Bio-toilet khô là một loại toilet tự chứa có sử dụng hỗn hợp phụ gia mùn sinh học
làm môi trường xử lý chất thải. Dưới những điều kiện thích hợp được chủ động tạo ra, vi
sinh vật sẽ phân huỷ chất thải thành hơi nước và khí CO2 ( thoát ra ngoài theo ống thống
hơi). Thời gian phân huỷ từ 3 đến 24 tiếng tuỳ theo việc cài đặt chế độ hoạt động.
1.1.1 Nguyên lý hoạt động của Bio-toilet
Với công nghệ Bio-toilet các vi sinh sẽ phân huỷ các chất thải thành khí CO2
và hơi nước. Các chất này sẽ quay trở lại vòng tuần hoàn vật chất mà không gây ô
nhiễm môi trường. Sử dụng than hoạt tính để khử mùi, đồng thời cấy một số loại vi
sinh vật có lợi lên bề mặt hạt than, nhờ chúng phân huỷ các chất thải và ức chế các
vi sinh vật có hại (nếu có)
Hình 1.1. Sơ đồ Bio-toilet
Chất thải được máy trộn đều với hỗn hợp phụ gia trong khoang xử lý nhằm:
tăng cường tiếp xúc giữa chất thải với vi sinh vật, cấp thêm oxy cho vi sinh vật,
tăng tốc độ bay hơi nước. Khi duy trì nhiệt độ trong khoảng 35 - 45oC, độ ẩm <
11
65% và một số yếu tố thích hợp khác, vi sinh vật trở nên cực kỳ phát triển và phân
huỷ phần lớn chất thải (95%) thành hơi nước và khí CO2. Nhiệt lượng và vi sinh ưa
nhiệt sẽ ức chế và tiêu diệt các loại khuẩn có hại Ecoli, Coliform trong chất thải.
Khoảng 5% chất thải rắn là những chất chậm phân huỷ sẽ tích tụ dần trong hỗn hợp
phụ gia chất thải và được thay định kỳ. Các điều kiện cần thiết trong Boi-toilet được
cài đặt vận hành tự động.
1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của Bio-toilet
Ưu điểm của công nghệ Bio-toilet khô:
- Sử dụng công nghệ Bio-toilet khô giúp tiết nghiệm nguồn nước.
- Thiết kế linh hoạt, dễ vận hành, không cần những đường ống nước phức tạp nên
dùng được ở những vùng xa xôi, xa nguồn nước rất phù hợp.
- Sử dụng Bio-toilet giúp tránh xả thải, cho phép xử lý hợp vệ sinh, không gây ô
nhiễm nguồn nước nên ngăn ngừa được bệnh tật và giảm các nguy cơ ảnh hưởng
xấu đến sức khoẻ của con người.
- Chất thải sau khi phân huỷ sinh học được thu gom và có thể sử dụng để sản xuất
phân bón. Phân trộn từ Bio-toilet làm tăng sản lượng 10 - 15% so với phân bón hoá
học, giúp tăng thu tiền mặt cho hộ nông dân.
Nhược điểm của Bio-toilet:
Vì sự vận hành của Bio-toilet khô phụ thuộc rất lớn vào khả năng hoạt động
của vi sinh do đó các điều kiện như nhiệt độ, độ ẩm, pH là những yếu tố quyết định
chính khả năng phân huỷ của vi sinh vật. Theo những nghiên cứu đã có, pH trong
quá trình phân huỷ sinh học của Bio-toilet khô thường trong khoảng trung tính, rất
thích hợp cho vi sinh vật hoạt động [9]. Nhiệt độ và độ ẩm của Bio-toilet khô phụ
thuộc vào điều kiện thời tiết khí hậu từng vùng. Trong một số nghiên cứu, vào mùa
đông lạnh giá, các nhà khoa học tiến hành gia nhiệt cho bể chứa chất thải [9].
Một trong những nhược điểm lớn của Bio-toilet khô là Bio-toilet khô đòi hỏi
phải có cả phân và nước tiểu nếu chỉ có nước tiểu không thì vi sinh vật rất khó hoạt
động.
12
1.1.3. Những ứng dụng của Bio-toilet trên thế giới
Công nghệ Bio-toilet khô là công nghệ sinh học sinh thái, các vi sinh vật sẽ
phân huỷ chất thải sinh học thành khí CO2 và hơi nước. Do đó các chất dinh dưỡng
sẽ quay trở lại vòng tuần hoàn vật chất mà không gây ô nhiễm môi trường [10].
Thấy được lợi ích của công nghệ toilet khô, Hiệp hội toàn cầu về toilet khô ở Phần
Lan ( The Global Dry Toilet Association of Finland) đã được thành lập năm 2002
nhằm tăng cường đưa công nghệ Bio-toilet khô vào ứng dụng triển khai thực tế trên
toàn thế giới. Hiệp hội cũng đã xuất bản cuốn sổ tay về công nghệ toilet khô, trong
đó có các thông tin về toilet khô, một số kết quả của những nơi ứng dụng công nghệ
này cách xây dựng và vận hành một toilet khô. Cuốn sổ tay được xuất bản là một
phần của dự án " Toilet khô - một phần trong quản lý nước và nước thải Châu Âu"
( Dry toilets as of European water and waste water management). Dự án được tài trợ
bởi quỹ EU Leader Fund và kéo dài từ 1 tháng 1 đến 30 tháng 9 năm 2007 [1].
Hình 1.2. Bio – toilet khô tại công viên quốc gia Phần Lan
Hiệp hội đã thúc đẩy và tiến hành việc xây dựng các toilet ở những vùng hẻo
lánh của các nước sạch. Ví dụ như tại một số thị trấn của Namibia - Châu Phi đã
được tài trợ để xây dựng các nhà vệ sinh ứng dụng công nghệ toilet khô và cho kết
quả tốt [10].
13
Tajikistan là một nước Trung Á, đã ứng dụng thành công công nghệ toilet
khô cho vùng nông thôn. Tại nông thôn của Tajikistan, chỉ gần một nửa dân số được
tiếp cận với nước sạch, còn hầu hết họ sử dụng nguồn nước từ sông, hồ, ao, giếng
khoan hay các nguồn nước không an toàn khác. Chỗ đi vệ sinh của họ chỉ là những
hố đào, được che chắn một cách cẩu thả, nguy cơ mất vệ sinh, ảnh hưởng đến sức
khoẻ là rất lớn. Đặc biệt, khoảng 140 trường học đều nguy cơ mất vệ sinh. Do đó,
năm 2004, UNICEF đã tài trợ dự án "Hệ thống vệ sinh và giáo dục cộng đồng về vệ
sinh thông qua trường học" ( Sanitation and Hygiene Promotion through schools).
Dự án đã xây cho 70 trường học và 500 hộ gia đình nhà vệ sinh kiểu giật nước. Tuy
nhiên, vài năm sau khi dự án hoàn thành, các nhà vệ sinh này đều nằm trong tình
trạng hỏng hóc và không thể sử dụng được, một trong những nguyên nhân là thiếu
nước. Năm 2008, Bộ Ngoại thương Hà Lan đã tài trợ cho Tajikistan xây thí điểm 43
toilet dạng khô. Đến nay, các toilet này vẫn được sử dụng và nhân dân trong vùng
còn dùng chất thải sau khi phân huỷ sinh học như một dạng phân bón.
Hình 1.3. Bio-toilet ở các nước Đông Á
Năm 2005, Pakistan xảy ra một trận động đất lớn. Nhà cửa của người dân đổ
sập, họ phải đi sơ tán, sống tụ tập trong những chiếc lều tạm bợ và phải đối mặt với
nạn đói, thiếu nước uống, sinh hoạt và dịch bệnh. Vệ sinh cũng trở thành một vấn
đề bức xúc và là nguồn bệnh lớn. UNICEF đã tài trợ xây dựng các toilet khô tại
vùng sơ tán và giải quyết phần nào vấn đề an toàn vệ sinh cho người dân Pakistan.
14
Hình 1.4. Bio-toilet ở Namibia (Châu Phi)
Ngoài ra, tại các nước như Ấn Độ, Bangladesh, Mexico...toilet khô cũng
được dùng phổ biến tại vùng nông thôn. Đặc biệt, tại Mông Cổ cũng xây dựng thử
nghiệm toilet khô tại khu chung cư cao tầng. Chất thải sau khi phân huỷ sinh học
được thu gom và đưa về nhà máy sản xuất phân bón.
Tuy nhiên, toilet khô không chỉ được dùng phổ biến ở các nước đang phát
triển, thiếu nước sinh hoạt mà cũng được dùng ở các nước phát triển tại những nơi
xa nguồn nước như tại các trang trại, công viên quốc gia hay các khu du lịch rộng
lớn.
Hình 1.5. Bio-toilet khô trong công viên Tokyo
Những toilet khô trên được xây dựng với lưu lượt người sử dụng không quá
lớn. Còn đối với những nơi mà có lưu lượng người sử dụng lớn như Vườn Bách
Thú Nhật Bản, các nhà khoa học Nhật Bản đã nghiên cứu mô hình Bio-toilet khô
15
nâng cao hiệu quả xử lý của vi sinh. Đó là, bổ sung lớp vật liệu đệm vào bể chứa
chất thải sinh học. Lớp vật liệu đệm có diện tích bề mặt lớn làm tăng bề mặt tiếp
xúc của vi sinh với chất thải và làm tăng hiệu quả xử lý. Tuổi thọ của lớp vật liệu
đệm này từ 2 đến 3 năm. Công nghệ này cũng đã được công ty đường sắt Hokkaido
lần đầu tiên thử nghiệm trên tàu "Ryhyo Norokko" chạy suốt mùa đông từ ga
Abashiri và ga Shiretoko, miền bắc Nhật Bản từ 31/1/2009 đến 8/3/2009. Hiện tại,
công ty đường sắt Hokkaido có kế hoạch để tổng hợp các dữ liệu liên quan đến hệ
thống Bio-toilet khô và sẽ xác nhận sự hữu ích của nó trước khi cân nhắc để đưa
vào ứng dụng rộng rãi.
Theo các nghiên cứu của các nhà khoa học thế giới, trong quá trình vận hành
Bio-toilet khô, các loại vi khuẩn đường ruột như Ecoli và Salmonella luôn có mặt
trong bể chứa chất thải vì phân và nước tiểu được người sử dụng bổ sung liên tục.
Tuy nhiên, để tăng cường khả năng phân huỷ sinh học của vi sinh vật, các
nhà khoa học có thể bổ sung vào bể chứa chất thải chế phẩm vì sinh hoặt cấy trực
tiếp lên bề mặt than cacbon các chủng vi sinh vật có lợi cho việc phân huỷ chất thải
sinh học.
Các vi sinh vật này ngoài phân huỷ chất thải sinh học còn ức chế và tiêu diệt
các loại vi sinh vật gây bệnh thông qua quá trình phân huỷ sinh học. Các chủng vi
sinh vật sử dụng để bổ sung vào Bio-toilet khô có thể dùng các chủng vi sinh vật có
lợi trong quá trình ủ phân compost [7].
1.1.4. Những nghiên cứu và ứng dụng của Bio-toilet ở Việt Nam
Ở Việt Nam hiện nay, nhiều vùng vẫn còn sử dụng những hố tiêu không đảm
bảo vệ sinh do khó khăn về kinh phí, thiếu nguồn nước. Năm 1961, các vùng nông
thôn, từ nhà tiêu cầu, hôi thối, ô nhiễm môi trường nước, môi trường đất, ruồi nhặng
đã được thay bằng nhà tiêu hai ngăn, một ngăn ủ, một ngăn sử dụng. Dạng hố tiêu
này, phân được phân huỷ, các vi khuẩn hiếu khí gây bệnh, vius, trứng giun, sán bị
tiêu diệt và phân có thể tái sử dụng làm nguồn phân bón. Hố tiêu hai ngăn phù hợp
cho nhiều hộ dân thu nhập thấp, do chi phí xây dựng thấp, đơn giản. Tuy nhiên, loại
hố tiêu này vẫn gây mùi hôi thối, ruồi nhặng rất phổ biến.
Kể cả ở những thành phố lớn như Hà Nội, đa số nhà vệ sinh công cộng tại
các điểm du lịch đang xuống cấp, gây mất vệ sinh, mất thẩm mỹ. Khảo sát tại nhiều
16
nhà vệ sinh khu vực hồ Tây, đường Láng, Giảng Võ, Phùng Hưng, Tây Sơn....tất cả
đều chung tình trạng là bẩn, mùi nồng nặc, không có nước để xả và rửa tay. Vì vậy,
áp dụng công nghệ Bio-toilet tại Việt Nam sẽ giải quyết được những vấn đề khó
khăn trên, đảm bảo vệ sinh, mỹ quan đô thị.
Hiện nay, trong nước cũng đã có một vài nghiên cứu và ứng dụng Bio-toilet
khô, song sử dụng hỗn hợp phụ gia mùn sinh học làm môi trường xử lý chất thải.
Dưới những điều kiện thích hợp được chủ động tạo ra, vi sinh vật sẽ phân huỷ chất
hữu cơ thành hơi nước và CO2 ( thoát ra bên ngoài ống hơi). Công nghệ này không
sử dụng nước, chất thải được phân huỷ thành những chất không mùi, vô hại.
Công nghệ Bio-toilet với ưu thế hoàn toàn không mùi, không dùng nước,
không dùng hoá chất và thân thiện môi trường sẽ là giải pháp cho những nhà vệ
sinh trong những khu phố cổ, hệ thống đường sắt và những khu vệ sinh công cộng
tại những điểm du lịch của Việt Nam.
Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đang
tiến hành nghiên cứu xây dựng mô hình nhà vệ sinh công cộng sử dụng công nghệ
Bio-toilet khô dùng than cacbon hoá là quá trình loại bỏ nước và các chất hữu cơ dễ
bay hơi có trong nguyên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon. Đây là quá trình đốt
cháy không hoàn nguyên liệu. Các chất hữu cơ được phân huỷ dưới tác dụng của
nhiệt [7]. Viện Công nghệ môi trường đã tiến hành cacbon hoá tre ở nhiệt độ 650 -
800oC trong thời gian 30 phút đạt hiệu suất thu hồi khoảng 25 - 35%. Ngoài ra, hàm
lượng TOC ( total Organic Cacbon, tổng cacbon hữu cơ) của than tre rất cao
(khoảng 80 - 90% khối lượng). Diện tích bề mặt của than tre >300 m2/g, kích thước
mao quản khoảng 10 - 20 μm rất thích hợp cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển.
Tại Việt Nam, ngoài vấn đề công nghệ cần nghiên cứu cho phù hợp với điều
kiện sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, các nhà khoa học cũng cần chú ý đến
vấn đề thiết kế nhà vệ sinh công cộng cho phù hợp với vóc dáng, thói quen sinh
hoạt và cơ sở vật chất, hạ tầng kỹ thuật. Người dân Việt Nam sinh hoạt theo tục lệ,
thói quen nhiều hơn là theo nguyên tắc, trong khi đó việc sử dụng Bio-toilet khô đòi
hỏi phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt như không vứt túi nilon, bao bì và
những chất không có nguồn gốc hữu cơ, không dội nước vào bể chứa chất thải...Do
đó, việc thiết kế Bio-toilet khô cho phù hợp với thói quen của người Việt Nam là rất
17
quan trọng. Vấn đề quản lý, vận hành và bảo dưỡng tại Việt Nam sẽ càng khó khăn
hơn khi người sử dụng không hợp tác với cơ quan quản lý. Ngoài ra, việc vận hành
Bio-toilet khô không thể thiếu được máy khuấy đảo để tăng cường sự hoạt động của
vi sinh vật, tuy nhiên nguồn điện không ổn định ở Việt Nam cũng là một khó khăn
cần khắc phục khi thiết kế, xây dựng.
1.2. Tổng quan về vật liệu đệm sử dụng trong mô hình Bio-toilet
Hiện nay, giá thể sinh học rất đa dạng, phong phú: từ đá giăm, đá cuội, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo tấm uốn lượn,…
Trước đây, giá thể sinh học thường có nguồn gốc tự nhiên. Sau này, khi trình độ khoa học kỹ thuật phát triển giá thể sinh học được sản xuất bằng chất dẻo, plastic có độ bền và diện tích bề mặt lớn.
Các loại đá được chọn là giá thể sinh học thường là đá cục có kích thước trung bình 60 - 100mm. Nếu kích thước hạt vật liệu nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc bị giảm nhiều dẫn đến giảm hiệu suất xử lý.
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của đá, xỉ làm giá thể sinh học
Vật liệu Kích thước (mm)
Tỷ trọng, kg/m3
Diện tích bề mặt, m2/m3
Độ rỗng, %
Đá cuội - Nhỏ - Lớn
25,4 - 63.5 102 – 127
1249 - 1442
800 - 994
56 - 69
39 - 164
40 - 50 50 - 60
Xỉ lò cao - Nhỏ - Lớn
50 - 76
76 – 127
881 - 1201 800 - 994
56 - 69 45 - 60
40 - 50 50 - 60
Hình 1.6. Hình ảnh đá dăm, đá cuội, xỉ lò
Các thanh gỗ, đặc biệt là gỗ đỏ ở Mỹ và các tấm chất dẻo (plastic) lượn sóng hoặc gấp nếp được xếp thành những khối bó chặt được gọi là modun vật liệu. Các modun này được xếp trên giá đỡ, khối lượng của vật liệu giảm đi nhiều.
18
Những thập niên gần đây, do kỹ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC (polyvinyl clorit), PP (polypropylen) được làm thành tấm lượn sóng, gấp nếp, dạng cầu khe hở, dạng vành hoa (plasdek), dạng vách ngăn v.v… có đặc điểm là rất nhẹ.
Phần lớn các vật liệu lọc có trên thị trường đáp ứng được các yêu cầu sau: - Diện tích riêng lớn, thay đổi từ 80 - 220 m2/m3. - Chỉ số chân không cao để tránh lắng đọng (thường cao hơn 99%). - Có độ bền cơ học đủ lớn. Khi làm việc, vật liệu dính màng sinh học ngậm
nước nặng tới 300 - 350 kg/m3. Để tính toán, giá đỡ thường lấy giá trị an toàn là 500 kg/m3.
- Ổn định hóa học. Tuổi thọ trung bình của vật liệu chất dẻo vào khoảng chục năm. Việc thay
thế chúng do nhiều nguyên nhân: do quá bẩn, bị vỡ, giá đỡ bị hỏng,… Vật liệu là chất dẻo khác nhau về hình dạng được xác định bằng tỉ số giữa
diện tích bề mặt/thể tích, trọng lượng/thể tích; tính xốp của vật liệu, bản chất của vật liệu.
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của chất dẻo, gỗ đỏ làm giá thể sinh học
Vật liệu Kích thước (mm)
Tỷ trọng, kg/m3
Diện tích bề mặt, m2/m3
Độ rỗng (%)
Chất dẻo (tấm): - Thông
thường - Bề mặt riêng
cao
610 x 610 x
1220 610 x 610 x
1220
32 - 96 32 - 96
79 - 98
98 - 197
94 - 97 94 - 97
Gỗ đỏ 1220 x 1220 x
508 144 - 176 39 - 49 70 - 80
Quả cầu chất dẻo 25.4 - 90 48 - 96 125 - 279 90 - 95
19
Hình 1.7. Giá thể sinh học bằng PVC
Năm 2008 - 2009, Viện Công nghệ môi trường nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu công nghệ cacbon hóa các chất hữu cơ cháy được trong rác thải đô thị của thành phố Hà Nội làm nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường”. Kết quả của đề tài là đã nghiên cứu thành công công nghệ cacbon hóa chất hữu cơ cháy được, cụ thể là tre tạo thành than cacbon hóa có tính ứng dụng như giá thể sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trường. Than cacbon hóa từ tre có hàng loạt tính chất phù hợp cho mô hình bio-toilet như diện tích bề mặt lớn, kích thước mao quản phù hợp, ngoài ra còn là nguồn cacbon hữu cơ cho vi sinh vật phát triển.
Nguyên liệu gỗ Sản phẩm cacbon hoá
Hình 1.8. Vật liệu đệm từ đầu mẫu gỗ sau khi được cacbon hoá
Nguyên liệu tre Sản phẩm cacbon hoá
Hình 1.9. Vật liệu đệm từ tre sau khi được cacbon hoá
Vật liệu đệm được sử dụng với mục đích chính để tăng hiệu quả xử lý của vi
sinh vật vì bề mặt vật liệu đệm được sử dụng là than cacbon hoá [11]. Tuy nhiên,
20
ngoài than cacbon, cũng có nhiều loại vật liệu đệm thay thế với giá thành rẻ, dễ
kiếm những diện tích bề mặt không lớn bằng than và thành phần không dễ phân huỷ
như than. Vật liệu được nghiên cứu sử dụng nhiều nhất là mùn cưa, các đầu mẩu gỗ
thừa. Ngoài ra, lõi ngô, thân cây đậu nành cũng có thể dùng là một loại vật liệu đệm
[7].
1.2.1. Phương pháp chế tạo, đặc điểm và nguồn nguyên liệu than tre cacbon hóa
Nhiệt phân một số nhiên liệu trong tự nhiên để tạo thành những sản phẩm, nhiên liệu có giá trị cao hơn đã được thế giới nghiên cứu và sử dụng trong phạm vi sản xuất công nghiệp từ rất lâu, ví dụ: luyện coke trong công nghiệp sản xuất gang thép, chế biến các sản phẩm dầu mỏ từ dầu thô,… Nhiệt phân với các mục đích thu hồi sản phẩm khác nhau thì có quy trình công nghệ cụ thể rất khác nhau.
Các công nghệ tiên tiến xử lý chất thải bằng nhiệt như nhiệt phân và khí hoá, cho phép thu hồi nguồn năng lượng (như nhiệt năng, điện năng hoặc nhiên liệu). Biện pháp này cũng loại bỏ các chất thải đô thị có khó phân huỷ sinh học khỏi bãi chôn lấp, đây là một yếu tố quan trọng của chính sách quản lý chất thải.
Nhiệt phân và khí hoá không phải là những công nghệ mới, trước đây, chúng được dùng để sản xuất than củi và than cốc từ gỗ và than đá. Tuy nhiên, gần đây phương pháp này được sử dụng để xử lý chất thải rắn (SW). Một số nhà máy lớn ở châu Âu và Nhật Bản hiện nay đang sử dụng phương pháp này.
Công nghệ cacbon hoá nhiệt độ thấp là một trong những công nghệ của phương pháp nhiệt phân.
Cacbon hoá là quá trình loại bỏ nước và các chất hữu cơ dễ bay hơi có trong nguyên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon. Đây là quá trình đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu. Các chất hữu cơ được phân hủy dưới tác dụng của nhiệt.
Quá trình đốt xảy ra trong môi trường thiếu oxy và đốt không trực tiếp thông qua một buồng gia nhiệt. Điều đáng chú ý là công nghệ nhiệt phân thiếu oxy cho rác thải ở nhiệt độ thấp sẽ giúp tránh được nguy cơ phản ứng sinh ra các chất độc hại như dioxin, furan từ các vật liệu có nguồn gốc nhân thơm, chứa các chất clo hữu cơ.
Tre thải được cắt khúc dài từ 50-70 mm, sau đó được cacbon hóa trong thiết bị VIR Series do Venture Visors Pro Co., Ltd, Nhật Bản chế tạo. Nhiệt độ cacbon hóa dao động trong khoảng 600-700oC. Thời gian thiết bị hoạt động dành cho việc cacbon hóa một mẻ than khoảng 8 giờ, không kể thời gian tự làm nguội đến nhiệt độ an toàn 50oC tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, trung bình khoảng 12 giờ. Khí thải của quá trình được xử lý nhiệt đến mức an toàn trước khi ra môi trường.
21
5 cm
Hình 1.10. Tre cắt khúc trước khi cacbon hóa
Sự biến thiên nhiệt độ tại các vùng quan sát trong quá trình cacbon hóa theo
mẻ. Nhiệt độ diễn biến trong buồng cacbon hóa được ghi lại tự động. Ngoài ra, tình
trạng nhiệt độ của buồng xử lý khí thải và buồng truyền nhiệt cacbon hóa cũng được
theo dõi và ghi chép lại. Hình 1.11 biểu diễn chi tiết giai đoạn quan trọng nhất như
nâng nhiệt - giữ nhiệt – làm nguội giai đoạn đầu.
Hình 1.11. Biểu đồ nhiệt độ của quá trình cacbon hóa
1.2.2. Đặc điểm than tre cacbon hóa Việc khảo sát trọng lượng vật liệu khác nhau về chất lượng và than tương
ứng của từng mẻ cacbon hóa được tiến hành cho thấy: đối với loại tre càng khô và
già, độ hao hụt về trọng lượng của sản phẩm so với nguyên liệu ban đầu ít hơn so
với tre non hoặc tươi. Năng suất trung bình mỗi mẻ đạt 6-7 kg than trên tổng 20-30
kg tre tùy theo độ ẩm ban đầu.
Đồ thị cacbon hóa 19.02.08
0
200
400
600
800
1000
1200
0 2000 4000 6000 8000
Điểm đo
Nhiệ
t đo,
độ
C
0 5 10 15 20
Thời gian, giờ
Buồng than Buồng đốt khí Buồng than hóa Buồng than !
22
Than của các mẻ cacbon hóa từ tre thải có chất lượng khác nhau được lấy
mẫu để phân tích chỉ tiêu Diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp hấp phụ trên
Thiết bị Automatic Water Vapor Adsorption Apparatus Belsorp-18. Giá trị của diện
tích dao động trong khoảng 390-405m2/g.
Cấu trúc, mật độ lỗ trên than được phân tích trên thiết bị Scanning Electron
Micrograph (SEM), đại đa số lỗ trên than có kích thước ở cỡ macro D>50nm, thích
hợp cho làm giá thể dính bám của vi sinh vật.
1.2.3. Tiềm năng nguyên liệu tre ở Việt Nam
Để tăng hiệu quả cho quá trình xử lý sinh học, Viện Công nghệ môi trường bước đầu đã nghiên cứu để ứng dụng sản phẩm của quá trình cacbon hoá tre. Sản phẩm của quá trình cacbon hoá tre là than tre làm giá thể cho vi sinh vật. Với độ xốp bề mặt lớn, than tre là ngôi nhà lý tưởng cho các vi sinh vật.
Nguyên liệu cho phương pháp cacbon hoá ở Việt Nam rất đa dạng: các sản phẩm là sinh khối nông nghiệp, chất thải nông nghiệp như lõi ngô, vỏ trấu, vỏ dừa đặc biệt là tre. Việt Nam là nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới rất thích hợp cho sự phát triển của các thực vật thuộc nhóm mây, tre. Đây là nhóm cây trồng ngắn ngày có thể tạo ra những vùng nguyên liệu tái sinh khổng lồ. Có thể nói mây, tre ở Việt Nam có trữ lượng lớn nhất thế giới. Ở Việt Nam có tới 200 loài tre khác nhau và hàng chục loại thực vật khác nhau thuộc nhóm song mây.
Về nguyên liệu tự nhiên thì hiện nay nước ta có hơn 1 triệu hecta tre nứa dưới các loại rừng khác nhau. Trong đó diện tích có thể khai thác bền vững được là 354.000 hecta với tổng trữ lượng khoảng 4,3 tỷ cây và sản lượng có thể khai thác hàng năm có thể đạt 432 triệu cây. Ngoài ra ở Thanh Hoá và Nghệ An đã thiết lập được 80,000 hecta nguyên liệu luồng chuyên canh, phục vụ cho tiêu thụ chế biến ở địa phương và các tỉnh lân cận. Ngoài ra, vùng nguyên liệu phân bố rải rác trên cả nước ở Yên Bái, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Thái Nguyên...
Bằng nguyên liệu mây tre, người Việt Nam có thể tạo ra những sản phẩm cần thiết cho cuộc sống từ vật dụng nhỏ nhất như chiếc tăm đến cả công trình kiến trúc, các ngôi nhà cư trú. Nếu được xử lý đúng kỹ thuật, các sản phẩm mây tre đan không những có giá trị sử dụng thực tế với nét mỹ thuật độc đáo mà còn có độ bền hàng trăm năm. Tuy nhiên, Khoa học công nghệ liên quan đến trồng, thu hoạch và chế biến mây tre ở nước ta hiện nay cũng chưa phát triển do đó lợi ích kinh tế thu được từ cây tre chủ yếu là từ ngành thủ công mỹ nghệ mây tre đan. Hiện nay, Trung Quốc là một trong những nước thành công đa dạng hoá các sản phẩm từ tre nứa như chế biến than hoạt tính, bia, dược liệu... Vì thế mà nhu thập từ 1 hecta tre nứa lên đến con số ngoạn mục là 15,000 USD Mỹ/năm.
23
Hiệu quả kinh tế quá hấp dẫn của việc trồng nguyên liệu mây và tre đã rộ lên phong trào trồng mây rộng khắp trên cả nước. Hiệu quả trồng luồng ở Thanh Hoá hiện nay là 4 triệu đồng/ hecta /năm cao hơn rất nhiều so với những cây lâm nghiệp khác như bạch đàn và keo. Đối với trồng mây nguyên liệu ở Thái Bình và Quảng Nam, hiệu quả kinh tế đạt từ 16-28 triệu đồng/ha/năm ở quy mô hộ gia đình (hộ ông Vũ Xuân Đức xã Bình Minh, Kiến Xương, Thái Bình) và 19 triệu đồng/ hecta /năm với quy mô doanh nghiệp (Công ty CP Song Mây Dũng Tấn - xã Thượng Hiền, Kiến Xương, Thái Bình).
Hiện nay quỹ đất lâm nghiệp trong dân cũng rất lớn. Đến nay đã có khoảng 8,1 triệu ha đất lâm nghiệp đã giao cho tổ chức, hộ gia đình và cá nhân. Trong đó có 3,2 triệu ha đã giao và cấp giấy chứng nhận cho 1,102 triệu hộ gia đình với diện tích trung bình khoảng 2,87 ha/hộ. Tuy nhiên số liệu gần đây của Bộ chủ quản đã chỉ ra rằng chỉ có 20-30% diện tích đất lâm nghiệp đã sử dụng đúng mục đích, có nghĩa là 70-80% diện tích còn lại chưa được sử dụng hoặc sử dụng sai mục đích. Như vậy, phải nói rằng tiềm năng đất lâm nghiệp trong hộ dân rất lớn, nhưng việc có tập hợp được thành vùng rộng lớn để trồng nguyên liệu tre lại là vấn đề khác. Đó là chưa kể quỹ đất khổng lồ hiện nay đang nằm trong tay của 355 lâm trường trên toàn quốc, nơi mà khả năng hình thành các vùng nguyên liệu lớn hàng ngàn hecta đang được mong đợi.
Hơn nữa, tre sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cacbon hoá để sản xuất than tre không nhất thiết phải là tre nguyên cây. Ta có thể tận dụng những đoạn tre, thanh tre nhỏ là chất thải của các quá trình sản xuất khác như sản xuất đồ thủ công mỹ nghệ từ tre. Việt Nam là quốc gia có nghề mây tre đan phát triển và đa dạng bậc nhất trên thế giới. Nhiều làng nghề mây tre đan có lịch sử tới hàng trăm năm. Cả nước có 332 làng có nghề làm hàng mây tre đan trong tổng số 1.451 làng nghề truyền thống. Hơn nữa, trên cả nước không ở đâu có nghề mây tre đan phát triển mạnh như Hà Tây. Mười tám làng nghề truyền thống mây, tre, giang đan, với nhiều cái tên quen thuộc như Phú Vinh, Trường Yên, Ninh Sở, Bình Phú góp phần làm rạng danh nghề thủ công truyền thống này của Việt Nam. Riêng tại xã Phú Nghĩa, huyện Chương Mỹ, tỉnh Hà Tây có 31 doanh nghiệp thì 25 doanh nghiệp kinh doanh mặt hàng mây, tre đan. Còn cả làng mây, tre đan Phú Vinh có trên 600 hộ thì 100% số hộ đều làm nghề này.
Với tiềm năng nguyên liệu dồi dào, giá thành rẻ, vị trí địa lý vùng nguyên liệu thuận lợi, tre sẽ là nguyên liệu tiềm năng cho quá trình cacbon hoá để ứng dụng trong công nghệ môi trường. 1.2.4. Phân tích lựa chọn giá thể sinh học cho công nghệ Bio - toilet khô
Ở một số nước, có các ứng dụng Bio - toilet sử dụng mùn cưa là giá thể sinh học bởi giá thành rẻ và tính tận dụng rác thải của nó. Tuy nhiên, vì là gỗ chưa được hoạt hóa, diện tích bề mặt thấp nên hiệu suất không cao, số lượng dùng lớn kéo theo
24
thể tích bể phản ứng lớn. Vì vậy, Bio - toilet dùng mùn cưa chỉ thích hợp với điều kiện lưu lượng sử dụng thấp, có diện tích mặt bằng như miền núi, hải đảo, trang trại. Mặt khác, mùn cưa chưa được hoạt hóa dễ bị phá vỡ cấu trúc làm giảm độ rỗng gây khó khăn cho quá trình hấp thu oxy, và vì thế sẽ làm giảm khả năng phân hủy sinh học.
Tại Việt Nam, đặc biệt là ở những địa điểm công cộng, lưu lượng sử dụng lớn, diện tích mặt bằng thiếu, Bio-toilet dùng mùn cưa là không hợp lý. Tại đây, đòi hỏi toilet có hiệu quả xử lý cao, không mùi, diện tích nhỏ.
Giá thể sinh học bằng than cacbon hóa tre là một phương pháp giải quyết hữu hiệu. Với những đặc điểm của than cacbon hóa như đã trình bày ở trên, than làm giá thể vi sinh sẽ giúp tăng số lượng vi sinh vật, việc đảo trộn tăng khả năng tiếp xúc của vi sinh vật với chất thải cộng với kiểm soát độ ẩm tốt sẽ làm tăng đáng kể hiệu quả xử lý chất thải hữu cơ của Bio toilet. Khi chất thải phân hủy nhanh thành hơi nước và khí CO2, mùi sẽ được triệt tiêu nhanh chóng. Hơn nữa, với đặc điểm cấu trúc lỗ trên bề mặt, mùi một phần cũng được xử lý bằng hấp phụ với những lỗ có kích thước nhỏ.
1.3. Tổng quan các chủng vi sinh phân hủy chất thải hữu cơ Trong quá trình xử lý chất thải hữu cơ, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng và
quyết định nhất trong việc chuyển hoá các hữu cơ như xenluloza, hemixenluloza, tinh bột, protein,... thành các chất khoáng và mùn. Vì vậy, hiện nay ở nước ta đã và đang sử dụng rất nhiều loại chế phẩm vi sinh được sản xuất trong nước cũng như nhập ngoại vào quá trình xử lý chất thải, nhằm thúc đẩy nhanh quá trình phân huỷ chất thải mang lại hiệu quả cao hơn. 1.3.1. Cơ chế phân giải chất hữu cơ trong tự nhiên bằng vi sinh vật Công nghệ sinh học truyền thống thường sử dụng các chủng vi sinh vật thuần khiết đã được chọn lọc và tối ưu điều kiện lên men để tổng hợp các sản phẩm đặc hiệu. Môi trường lên men thường giới hạn ở các thành phần đã biết làm nguồn năng lượng và nguồn dinh dưỡng. Vi sinh vật học là một ngành khoa học chỉ quan tâm nghiên cứu: sinh trưởng, phát triển, sinh khối và các sản phẩm liên quan đến điều kiện nuôi cấy các chủng sản thuần khiết trong môi trường dinh dưỡng xác định.
Nhưng công nghệ phân huỷ các chất bằng vi sinh vật dựa trên cơ sở loại bỏ hỗn hợp nhiều chất có trong chất thải và tái sử dụng chúng. Trong chất thải, nồng độ của các chất hoà tan thường là thấp, phần lớn hợp chất cao phân tử khó hoà tan và khó phân huỷ. Do vậy, xử lý môi trường hỗn hợp gồm nhiều chất ô nhiễm bằng cách sử dụng nhiều chủng vi sinh sẽ tăng cường khả năng phân huỷ các chất, giảm thời gian cần thiết dẫn đến giảm giá thành sản phẩm.
Việc tìm hiểu tính đa dạng vi sinh vật tham gia vào quá trình phân huỷ các chất trong hệ sinh thái đất và nước là cần thiết. Các nguyên lý sinh thái học trong
25
phân huỷ các chất trong việc xử lý chất thải đã được các nhà khoa học: Curds và Hawkes (1975/1983), Mittchell (1972/1978) và Rheinheiner (1985) tìm ra và đề cập nhiều trong các công trình nghiên cứu của mình.
Vi sinh vật luôn tham gia vào quá trình phân giải các chất. Tuy kích thước của các vi sinh vật bé nhưng với số lượng lớn có trong đất và nước sẽ đóng vai trò to lớn trong hệ sinh thái. Ví dụ, chúng tham gia vào quá trình oxy hoá NH4
+ đến NO3- và NO2- đòi hỏi phải có O2 và tiếp tục khử NO3 đến N2 đòi hỏi không có O2.
1.3.2. Các nhóm vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ trong tự nhiên + Các nhóm vi sinh vật phân giải tinh bột
Nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng sinh amilaza như vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn và nấm men.
Các vi khuẩn gram dương đặc biệt là Bacillus thường tạo ra nhiều (-amilaza hơn các vi khuẩn gram âm (Forgarty & Kelly, 1990). Ngoài (-amilaza ra, vi khuẩn còn tạo ra - amilaza (- amilaza trước đây chỉ thấy ở thực vật). Ví dụ ( -amilaza từ B. polymyxa, khi thủy phân tinh bột có thể tạo ra 92 - 94% maltoza. Đây là (- amilaza đầu tiên được phát hiện ở vi khuẩn. Hoạt tính của nó gần giống như (- amilaza của thực vật. Sau này, người ta tìm thấy (- amilaza ở một số vi khuẩn khác như Acetobacter, B. megaterium, B. Cereus.
Khả năng sinh amilaza của nấm mốc là mạnh nhất trong các nhóm vi sinh vật. Các giống nấm mốc điển hình có khả năng phân giải tinh bột mạnh đó là: Aspergillus (A. niger, A. awamori, A. oryzae). Rhizopus (R. delemar, R. niveus..). Xạ khuẩn cũng là một nhóm vi sinh vật có khả năng sinh amilaza mạnh, trong đó Streptomyces là nhóm giữ vị trí tiên phong sinh amilaza (S. limosus, S. aurefaciens, S. praecox ....). Nấm men là vi sinh vật ít thấy có khả năng tổng hợp amilaza. Tuy nhiên, gần đây cũng đã có nhiều công bố về nấm men có khả năng thuỷ phân tinh bột (Candida antaritica, lipomyces, ..). + Các vi sinh vật phân giải xenluloza
Trong tự nhiên có rất nhiều loại nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn có khả năng phân giải xenluloza. Các nghiên cứu cho thấy trong điều kiện hiếu khí, nấm thường chiếm ưu thế và ngược lại trong điều kiện yếm khí vi khuẩn và xạ khuẩn chiếm ưu thế. Các loại vi sinh vật có khả năng phân giải xenluloza mạnh mẽ thường thuộc về các chi sau: Achromobacter, P.Seudomonas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Anginococcus, Micromonospora, Actinomyces, Streptomyces, Streptospotangium, Fusarium, Aspergillus.
Trong tự nhiên, có rất nhiều loài vi sinh vật có khả năng phân huỷ xenluloza bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và các loài nấm.
26
Vi khuẩn: Là nhóm vi sinh vật được nghiên cứu nhiều. Năm 1785, lần đầu tiên L. Popov đã phát hiện ra rằng các vi khuẩn kỵ khí tham gia vào quá trình lên men xenluloza. Thế kỷ 19 các nhà khoa học đã phân lập đợc một số vi sinh vật kị khí có khả năng phân giải xenluloza từ phân và dạ cỏ của động vật nhai lại. Năm 1902, V.L. Omelianski đã thuần khiết và mô tả 2 giống vi khuẩn phân giải xenluloza và nêu ra 2 kiểu lên men xenluloza: Lên men hydro do loài Bacillus cellulosae hydrogenicus và lên men metan - Bacillus cellulosae metanicus. Chúng là vi khuẩn ưa ấm với nhiệt độ sinh trưởng tối ưu từ 30-35oC (Gusterov, 1970). Đầu thế kỷ 20, ngoài những nhóm vi khuẩn kỵ khí, người ta phân lập được các nhóm vi khuẩn hiếu khí ưa ấm, ưa nhiệt có khả năng phân giải xenluloza. Hơn nữa, trong môi trường có độ ẩm cao hơn thường khả năng phân giải xenluloza và hemixenluloza của các nhóm vi khuẩn cũng tăng lên.
- Vi khuẩn kị khí: Người ta thường gọi quá trình phân giải xenluloza kị khí là quá trình lên men xenluloza. Điển hình là vi khuẩn trong khu hệ vi sinh vật trong dạ cỏ của động vật nhai lại: Ruminococcus flavofeciens, R. albus, R. parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibriosolvens, Clostridium cellobioparum, Cillobacterium cellosolvens...
Xạ khuẩn: Xạ khuẩn một nhóm vi khuẩn đặc biệt, Gram dương, hiếu khí, tế bào đặc trưng bởi sự phân nhánh, thường có mặt quanh năm trong tất cả các loại đất. Xạ khuẩn phân giải xenluloza được phân lập từ các mẫu đất, mùn rác, mẫu mùn; ở những nơi có chứa xenluloza.
Các nhóm xạ khuẩn phân giải xenluloza: Micromonospora, Proactinomyces, Nocardia, Actinomyces, Streptomyces, Streptosporangium, Thermomonospora, Thermoactinomyces ....
Nấm: Có rất nhiều loài nấm phân giải xenluloza mạnh, nhưng phần lớn chúng thường phân huỷ xenluloza khi độ ẩm cao và ở nhiệt 20-30oC, pH trong khoảng từ 3,5-6,6. Vì vậy chúng thường phân huỷ xenluloza ở giai đoạn cuối của bể ủ, khi nhiệt độ bể ủ lạnh đi.
Các loài nấm được nghiên cứu nhiều là: Trichoderma viride, T. reesei, Fusarium solani, Phanerochaete chrysosporium. Penicilium pinophinum....Tuy nhiên cũng có một số nấm ưa nhiệt (40-45oC) có thể sinh tổng hợp xenlulaza chịu nhiệt, chúng sinh trưởng và phát triển nhanh nhưng hoạt lực xenlulaza trong dịch nuôi cấy lại thấp. + Các vi sinh vật phân giải protein
27
Proteaza được sinh tổng hợp từ nhiều loại vi sinh vật như: vi khuẩn, nấm sợi... Hầu hết proteaza thương mại hiện nay đều được sản xuất từ vi khuẩn thuộc chi Bacillus. Những proteaza chịu kiềm, chịu mặn thường được phân lập từ các chủng vi khuẩn ưa kiềm, ưa mặn. Nấm mốc cũng là một nguồn cung cấp proteaza đa dạng, một chủng nấm có thể tổng hợp được nhiều loại proteaza khác nhau. Ví dụ chủng Aspergillus ozyzae sản sinh proteaza kiềm, axit và trung tính. Tuy nhiên, proteaza có nguồn gốc từ nấm mốc lại kém bền so với vi khuẩn.
1.3.3. Cơ chế phân giải hợp chất cacbon trong tự nhiên bằng vi sinh vật
Giống như các quá trình phân giải các chất hữu cơ trong tự nhiên, quá trình phân giải hợp chất cacbon trong tự nhiên là quá trình sinh hoá phức tạp. Nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, một số lượng lớn chất hữu cơ bị phân giải và làm giảm trọng lượng. Trong quá trình này, các hydratcacbon (tinh bột, xenluloza, pectin, hemixenluloza, lignin...) được phân giải thành những phần nhỏ hơn, sinh khối vi sinh vật mới được tạo thành đồng thời tạo ra các sản phẩm của quá trình trao đổi chất, các chất khí (N2 ,CO2) .... Ngoài ra, tạo thành các axit hữu cơ như: axit focmic, axit axetic, axit propionic, axit béo, axit lactic... Các chất này tiếp tục chuyển hoá thành các sản phẩm khác.
Chu trình chuyển hoá hợp chất cacbon được chuyển hoá qua hàng loạt các phản ứng hoá học. Xúc tác mỗi phản ứng là một enzym. Để duy trì sự sống, các vi sinh vật sử dụng các sản phẩm do chúng phân huỷ hay do vi sinh vật khác chuyển hoá. Trong quá trình chuyển hoá vật chất trong tự nhiên có nhiều loại vi sinh vật cùng tham gia. Sản phẩm chuyển hoá của chủng vi sinh vật này lại là cơ chất cho vi sinh vật khác, hoạt động của vi sinh vật diễn ra phức tạp và có mối liên quan chặt chẽ.
Xenluloza là hợp chất cacbon phân bố nhiều nhất, là thành phần cơ bản của tế bào thực vật và là nguồn cacbon dự trữ lớn nhất trong tự nhiên. Do vậy, sản phẩm của quá trình phân giải xenluloza là một phần cơ bản nhất tạo nên phân hữu cơ và mùn rác. Chúng giữ vai trò to lớn trong sản xuất nông nghiệp.
Lên men xenluloza là quá trình phân giải kỵ khí nhờ các vi khuẩn khử sunfat hay vi khuẩn sinh metan. Cơ chế hoá học của quá trình lên men xenluloza rất phức tạp, song có thể tóm tắt theo các phương trình sau:
1. (C6H10O5)n + nH2O n C6H12O6
2. n C6H10O5 n CH3CH2CH2COOH + CH3COOH + H2 + CO2 + Kcal.
3. n C6H10O5 n CH3CH2CH2COOH + CH3COOH + CH4 + CO2 + Kcal.
Sơ đồ trên cũng chỉ là giả định, vì metan được hình thành hoặc do axit axetic phân giải hoặc do CO2 hoàn nguyên nhờ phản ứng hydro:
28
1. CH3COOH CH4 + CO2
2. CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
Do vậy, lên men hydro lượng khí (CO2 + H+) chỉ bằng 1/3 trọng lượng xenluloza bị phân giải, còn lên men metan thì lượng khí (CH4 + CO2) cao hơn, bằng 1/2 trọng lượng xenluloza bị phân giải. Nhờ có sự phân bố các vi sinh vật phân giải xenluloza trong tự nhiên mới thực hiện được chu trình cacbon từ xenluloza (Gusterov, 1970).
Quá trình phân huỷ các hợp chất chứa nitơ trong tự nhiên:
Nhiều vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ, nhưng vi khuẩn được chú ý nhiều vì chúng vai trò quyết định trong tất cả các bước chuyển hóa của vòng tuần hoàn nitơ.
- Quá trình amôn hóa và vi khuẩn amôn hóa
Nhóm này phân giải protein và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ tạo thành amonia (NH3). Tất cả các vi khuẩn amôn hóa đều tiết men phân giải protein vào môi trường. Các sản phẩm đặc trưng của quá trình phân giải protein là NH3 (ở pH trung tính có dạng ion là NH4) và H2S.
Trong quá trình phân giải protein có thể xảy ra trong điều kiện kỵ khí và hiếu khí. Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được phân giải bởi các loài trong chi Bacillus và Pseudomonas. Một số loài trong chi Clostridium thực hiện quá trình amôn hóa trong điều kiện kỵ khí. Cũng như các vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ nói chung, hoạt động của nhóm vi khuẩn amôn hóa giúp loại bỏ các chất hữu cơ gây ô nhiễm nguồn nước nuôi tôm.
- Quá trình nitrat hóa
Nitrat hoá là quá trình oxy hoá amon thành nitrat được thực hiện bởi
* Giai đoạn nitrat hoá I (quá trình nitrit hoá)
NH4 + HCO3- + O2 + PO4
2- NO2- + SKTB
Đây là quá trình oxy hóa amon thành nitrit nhờ hai enzym là Amonia monooxygenaza và Hydroxylamin oxydoreductaza.
* Giai đoạn nitrat hóa II (quá tình nitrat hóa)
NO2- + HCO3
- + O2 + PO42- NO3
- + SKTB
Đây là giai đoạn oxy hóa nitrat do enzym Nitrit oxydaza và Cytochrom oxydaza.
29
Quá trình nitrat hoá chủ yếu được thực hiện dưới tác động của nhóm vi khuẩn hiếu khí hoặc hiếu khí tùy tiện. Chúng bao gồm một số đại diện như: Pseudomonas, Azospirillum, Rhizobium, Bacillus.
- Quá trình phản nitrat hoá
Trong điều kiện tự nhiên, sự chuyển hoá nitrat hoá hoặc nitrit thành các hợp chất nitơ dạng khí được gọi là quá trình phản nitrat hoá. Quá trình khử nitrat đến nitơ phân tử là quá trình phản nitrat hoàn toàn.
Quá trình phản nitrat hoàn toàn xảy ra qua bốn giai đoạn, mỗi giai đoạn do một emzym xúc tác.
( Giai đoạn 1: Khử nitrat thành nitrit do enzym Nitrat reductaza)
( Giai đoạn 2: Khử nitrit thành oxit nitơ (NO) do enzym Nitrit reductaza)
( Giai đoạn 3: Khử NO thành N2O do enzym Dinitro reductaza)
( Giai đoạn 4: Khử N2O thành N2 do enzym Dinitro reductaza)
Quá trình phản nitrat hoá có thể được thực hiện nhờ các loại vi khuẩn Pseudononas, Alcaligenes, Azospirillum, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Bacillus. Các vi khuẩn phản nitrat hoá có hại cho nông nghiệp vì làm mất nguồn dinh dưỡng NO3
- cho cây nhưng chúng lại rất có lợi cho quá trình xử lý nước thải vì loại được nguồn nitơ độc hại.
1.3.4. Chế phẩm vi sinh vật sử dụng trong xử lý hầm cầu và nước thải ở Việt Nam
Hiện nay trên thị trường Việt Nam đã và đang có hàng trăm các chế phẩm vi sinh được lưu hành được sản xuất trong nước và nhập khẩu: Chế phẩm vi sinh Microphốt của Công ty Cổ Phần sinh hoá Nam Định, chế phẩm DW 98 Công ty sinh hoá Việt Nam, BIO-Phốt của công ty Vi sinh môi trường…, nhìn chung thành phần chính của các chế phẩm trên đều có chứa các vi sinh vật có tác dụng phân huỷ các hợp chất hữu cơ như tinh bột, protein và xenluloza. Do tính chất của các vi sinh vật sử dụng để sản xuất chế phẩm cũng như công nghệ sản xuất lên hiệu quả phân huỷ chất thải trong bể phốt của các chế phẩm rất khác nhau. Cho đến hết năm 2010, các chế phẩm vi sinh trên khi lưu hành chưa có cơ quan nào kiểm định đánh giá chất lượng. Theo thông tư 19/2010 của Bộ tài Nguyên và môi trường các chế phẩm sinh học dùng trong xử lý môi trường khi lưu hành ở Việt Nam phải xin cấp phép lưu hành chế phẩm.
Chế phẩm vi sinh BIOMIX1 của phòng Vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường:
Thành phần vi sinh vật: Mật độ vi sinh vật hữu hiệu: 109 CFU/gam
30
Bao gồm các chủng vi khuẩn Bacillus Subtilis và các chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces.
Công dụng của chế phẩm BIOMIX 1: Có tác dụng phân huỷ các thải hữu cơ, khử mùi và ức chế sự phát triển của nhóm vi khuẩn Coliform trong chất thải. Chế phẩm đã và đang được sử dụng trong xử lý phế nông nghiệp thành phân hữu cơ vi sinh và sử dụng để bổ sung vào chất độn lót chuồng nuôi gia cầm tại Vĩnh Phúc và 1 số địa phương khác.
Trong luận văn này, tôi sử dụng chế phẩm BIOMIX 1 để bổ sung vào chất mang cacbon trong quá trình thí nghiệm cho chế tạo Biotoilet khô.
CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu là chất thải sinh học của người (phân
và nước tiểu). Được lấy trực tiếp từ các cán bộ nghiên cứu của Viện Công nghệ môi
trường.
2.1.1. Phân
Phân là sản phẩm chất thải của hệ thống tiêu hoá của con người bao gồm
Hydratcarbon chiếm đến 37 - 40%, protein, các chất khoáng 5 - 10%, nước chiếm
50 - 55% và các vi sinh vật gây bệnh, chủ yếu là nhóm Coliform.
2.1.2. Nước tiểu
Nước tiểu là một chất lỏng được thận sản xuất để loại bỏ các chất thải từ
máu. Nước tiểu người có màu vàng trong và có thành phần rất phức tạp. Nước tiểu
bao gồm chủ yếu là nước cùng với các chất hữu cơ hoà tan như ure, creatinine, axit
uric, vết của một số enzyme, cacbonhydrat, axit béo và các ion vô cơ như Natri