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

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 nhấ

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

Hoàng Lương

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02

Người hướng dẫn: TS Trịnh Văn Tuyên

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về công nghệ Bio-toilet khô và ứng dụng của nó Tìm hiểu

nghiên cứu về công nghệ Bio-toilet khô trong nước và trên thế giới Trình bày 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 Nghiên cứu, chế tạo, thực nghiệm công nghệ Bio-toilet khô quy mô phòng thí nghiệm 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

Keywords: Khoa học môi trường; Than tre; Mô hình Bio-toilet; Xử lý ô nhiễm;

Cacbon hóa; Môi trường nước

Content

1 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 Vì vậy mà công nghệ Bio-toilet khô là sự lựa chọn thích hợp để thay thế công nghệ toilet xả nước hiện nay

Trên thế giới, toilet khô không chỉ được dùng phổ biến ở các nước đang phát triển thiếu nước sinh hoạt như Tajikistan, Ấn Độ, Bangladesh 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 như Phần Lan, Scotland, Nhật Bản

Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng than cacbon hóa làm giá thể sinh học trong mô hình bio-toilet nhằm cải thiện môi trường nước ở Việt Nam” và đã có một số kết quả khả quan cho việc áp dụng vào thực tế

2 VẬT LIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Than cacbon hóa tre

Là tre được cacbon hóa trong thiết bị VIR Series do Venture Visors ProCo.,Ltd, Nhật Bản chế tạo Nhiệt độ cacbon hóa dao động trong khoảng 600 – 800oC Ưu điểm của than cacbon hóa tre là đa số các lỗ trên than có kích thước ở cỡ macro D>50 nm, thích hợp để làm giá thể dính bám của vi sinh vật Ngoài ra than cacbon hóa tre có thành phần TOC rất cao có thể tự phân hủy theo thời gian

2.2 Chế phẩm vi sinh BIOMIX1

Được sản xuất bởi Phòng vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường Chế phẩm có tác dụng phân hủy các chất thải hữu cơ, khử mùi và ức chế sự phát triển của nhóm vi khuẩn Coliform trong chất thải Thành phần vi sinh vật trong chế phẩm gồm các chủng vi

khuẩn Bacillus Subtilis và các chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces với mật độ vi sinh hữu

hiệu 109 CFU/g

2.3 Chất thải sinh học của con người

Chất thải sinh học của con người bào gồm phân và nước tiểu Lượng chất thải sinh học trung bình của một người trong này của Việt Nam bao gồm phân 100 – 200 g, nước tiểu 1000 – 15000 g Nếu tính cho cả năm thì lượng chất thải khoảng 500kg/người, trong đó thành phần chất thải rắn khoảng 60 – 70 kg, còn lại là nước 430 – 440 kg Phân là sản phẩm chất thải của

hệ thống tiêu hóa 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 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

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp thức nghiệm

Quy trình thực nghiệm bio-toilet được tiến hành theo hai mô hình thí nghiệm khác nhau là mô hình bio-toilet theo mẻ và mô hình bio-toilet khô liên tục Mô hình thí nghiệm như hình 1 và được tiến hành trên hệ thí nghiệm với thể tích 50 lít

Tho¸t khÝ Cöa tiÕp liÖu

§o to

Nắp thùng

Cơ cấu khuấy

Máy thổi khí Thân thùng

Hỗn hợp đệm sinh học +

chế phẩm vi sinh + chất thải

Hỡnh 1: Sơ đồ mụ hỡnh thực nghiệm Bio-toilet

Mụ tả thực nghiệm: Hỗn hợp chế phẩm vi sinh và than cacbon húa tre được đưa vào thựng chứa qua cửa tiếp liệu, ủ 3 ngày ở nhiệt độ 25 – 30oC để vi sinh phỏt triển và bỏm dớnh lờn giỏ thể Lỳc này cho mỏy thổi khớ và cơ cấu khuấy hoạt động nhằm tạo điều kiện cho vi sinh phỏt triển Sau đú mới thờm cỏc thành phần chất thải với tỉ lệ như sau: giỏ thể 3,6 kg; phõn 0,2kg; nước tiểu 0,3 lớt Đối với mụ hỡnh bio-toilet theo mẻ, chỳng tụi thay đổi thụng số

về lượng chế phẩm vi sinh, độ ẩm và pH Lượng chế phẩm vi sinh thay đổi theo dải từ 0; 36; 108; 180; 360 g, độ ẩm thay đổi theo dải theo dải 30, 40, 50, 60, 70%, độ pH thay đổi theo dải

từ 4, 6, 7, 8, 10 Đối với mụ hỡnh bio-toilet liờn tục, chỳng tụi thay đổi thụng số về tốc độ khuấy theo dải 10, 20, 30, 40, 60 phỳt/lần

Cỏc thực nghiệm được tiến hành trong ba tuần, mỗi tuần lấy mẫu một lần để phõn tớch cỏc chỉ tiờu vi sinh Cỏc chỉ tiờu cần xỏc định bao gồm vi sinh vật hiếu khớ tổng số, vi sinh vật

phõn giải xenluloza, coliform tổng, coliform phõn, vi khuẩn Salmonella

2.4.2 Phương phỏp đo mật độ vi sinh

Mật độ vi sinh được xỏc định bằng phương phỏp đếm số lượng khuẩn lạc trờn mụi trường đặc Do vậy đếm số khuẩn lạc trờn mụi trường đặc sẽ cho ta kết quả về số lượng vi sinh vật ban đầu Mật độ tế bào vi sinh vật trong mẫu ban đầu tớnh từ số liệu của độ pha loóng

Di được tớnh theo cụng thức

Mi (CFU/gam) = Ai x Di x 10 Trong đú : Ai là số khuẩn lạc trung bỡnh trờn cỏc đĩa

Di là nghịch đảo nồng độ pha loóng

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Mô hình thực nghiệm bio-toilet theo mẻ

Thực nghiệm bio-toilet theo mẻ được tiến hành trên hệ thí nghiệm 50 lít Hỗn hợp đưa vào thí nghiệm bao gồm các thành phần giá thể 3,6kg; chế phẩm vi sinh; phân 0,2kg; nước tiểu 0,3 lít (theo tính toán thiết kế mô hình thực nghiệm) Các thông số về lượng chế phẩm vi sinh, độ ẩm và pH được thay đổi Lượng chế phẩm vi sinh thay đổi từ 0; 36; 108; 180; 360 g,

độ ẩm từ 30, 40, 50, 60, 70%, độ pH từ 4; 6; 7; 8; 10

Kết quả thực nghiệm như sau:

3.1.1 Tỉ lệ phối trộn tối ưu của hỗn hợp

Thực nghiệm được tiến hành trong ba tuần và lấy mẫu để xác định các chỉ tiêu về vi

sinh vật hiếu khí tổng số, phân giải xenluloza, Coliform tổng, Coliform phân, vi khuẩn

Salmonella, từ đó xác định được tỉ lệ phối trộn tối ưu của hỗn hợp

Hình 2 Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số(a), phân giải cenluloza (b)

Kết quả thể hiện ở hình 2 cho thấy ở mô hình không có chế phẩm vi sinh thì lượng vi sinh vật tổng số và vi sinh vật phân giải xenluloza có xu hướng giảm Ở các mô hình thực nghiệm còn lại thì số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số tăng dần theo thời gian Tuy nhiên, ở

tỉ lệ phối trộn với lượng chế phẩm vi sinh 180 g thì số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số tăng nhiều nhất, cụ thể là vi sinh vật hiếu khí tổng số tăng từ 107

lên 109 CFU/g, vi sinh vật phân giải xenluloza tăng từ 105

lên 108 CFU/g

Hình 3 Sự biến đổi số lượng Coliform tổng (a), Coliform phân (b)

Kết quả thể hiện ở hình ấy, Coliform tổng, Coliform phân thuộc nhóm vi sinh vật gây

bệnh giảm đáng kể Điều này chứng tỏ sự hiệu quả của chế phẩm vi sinh BIOMIX 1 trong công nghệ xử lý chất thải sinh học

Hình 4 Sự biến đổi số lượng vi khuẩn Salmonella

Sau ba tuần tiến hành thực nghiệm, số lượng vi khuẩn Salmonella giảm một cách đáng

kể nhất là đối với mô hình với lượng chế chế phẩm vi sinh 180 g, giảm từ 5 x 105 MPN/g xuống còn 8 MPN/g

3.1.2 Độ ẩm tối ưu của hỗn hợp

Để xác định được độ ẩm tối ưu của hỗn hợp, chúng tôi giữ nguyên các thông số vè giá thể 3,6 kg; chế phẩm vi sinh 0,18 kg, phân 0,2 kg, nước tiểu 0,3 lít, chỉ thay đổi thông số về độ ẩm theo dải 30; 40; 50; 60; 70% Thực nghiệm được tiến hành trong ba tuần, một tuần lấy mẫu một lần, và phân tích các chỉ tiểu về vi sinh vật tổng số và vi sinh vật phân giải xenluloza

Hình 5 Sự biến đổi vi sinh vật hiếu khí tổng số (a), phân giải xenluloza (b)

Số lượng vi sinh vật tổng số, vi sinh vật phân giải xenluloza ở các mô hình đều tăng theo thời gian, tuy nhiên ở mô hình với độ ẩm 50 – 60 % thì số lượng các vi sinh vật này tăng cao nhất, thuận lợi cho quá trình phân hủy chất thải sinh học

3.1.3 Độ pH tối ưu của hỗn hợp

Để xác định được độ pH tối ưu của hỗn hợp thì các thông số về giá thể 3,6kg; chế phẩm vi sinh 0,18 kg, nước tiểu 0,3 lít được giữ nguyên, chỉ thay đổi thông số về độ pH theo dải 4; 6; 7; 8; 10 Thực nghiệm được tiến hành trong ba tuần, một tuần lấy mẫu một lần, và phân tích các chỉ tiêu về vi sinh vật hiếu khí tổng số và vi sinh vật phân giải xenluloza

Hình 6 Sự biến đổi vi sinh vât hiếu khí tổng số (a), phân giải xenluloza (b)

Ở mô hình pH = 4 và mô hình pH = 10, sau ba tuần tiến hành thực nghiệm thì lượng vi sinh vật có xu hướng giảm, chứng tỏ ở môi trường quá axit và quá kiềm thì các vi sinh vật hiếu khí tổng số, vi sinh vật phân giải xenluloza phát triển kém Các vi sinh vật này phát triển tốt nhất ở pH trung tính

Ở mô hình pH = 6, mô hình pH = 7 và mô hình pH = 8 số lượng vi sinh vật tổng số, vi sinh vật phân giải xenluloza tăng mạnh, nhưng mô hình pH = 7 là tăng nhiều nhất

Sau ba tuần tiến hành thực nghiệm với 5 mô hình thí nghiệm bio-toilet theo mẻ khác nhau thu được tỉ lệ phối trộn tối ưu của hỗn hợp là giá thể 3,6 kg; chế phẩm vi sinh 0,18 kg; phân 0,2 kg; nước tiểu 0,3 lít Độ ẩm và độ pH thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật phân hủy chất thải sinh học lần lượt là 50 – 60% và 6 – 8

3.2 Mô hình thực nghiệm bio-toilet liên tục

Thực nghiệm bio-toilet liên tục được tiến hành trên hệ thí nghiệm 50 lít Hỗn hợp đưa vào thí nghiệm bao gồm các thành phần giá thể 3,6 kg; chế phẩm vi sinh 0,18; phân 0,2; nước tiểu 0,3 lít Tốc độ khuấy được thay đổi ở mỗi hình thí nghiệm là 10; 20; 30; 40; 60 phút/ lần

Với các mô hình khuấy khác nhau, số lượng vi sinh vật đã biến động và kết quả được thể hiện ở hình 7

Hình 7 Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số (a), phân giải xenluloza (b)

Ở hầu hết các mô hình thực nghiệm, số lượng vi sinh vật đều tăng theo thời tgian Tuy nhiên, ở

mô hình với tốc độ khuấy 30 phút/lần số lượng vi sinh vật tăng nhiều nhất

Hình 8 Sự biến đổi số lượng Coliform tổng (a), Coliform phân (b)

Sau ba tuần tiến hành thực nghiệm, Coliform tổng, Coliform phân thuộc nhóm si vinh vật gây

bệnh giảm đáng kể Tuy nhiên ở mô hình với tốc độ khuấy 30 phút/ lần lượng vi sinh vật gây bệnh giảm nhiều nhất

Hình 9 Sự biến đổi số lượng vi khuẩn Salmonella

Sau ba tuần tiến hành thực nghiệm, số lượng vi khuẩn Salmonella giảm một cách đáng

kể, nhất là đối với mô hình với tốc độ khuấy là 30 phút/lần

Với kết quả thí nghiệm trên 5 mô hình thực nghiệm liên tục khác nhau thu được tốc độ khuấy phù hợp cho mô hình thực nghiệm bio-toilet là 30 phút/lần

KẾT LUẬN

Công nghệ bio-toilet khô có khả năng ứng dụng rông rãi do các ưu điểm như tiết kiệm nguồn nước, xây dựng đơn giản 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 đó có thể thu gom chất thải

dễ dàng

Qua quá trình thực nghiệm bio-toilet khô theo mẻ và bio-toilet khô liên tục, thu được các kết quả sau:

Tỉ lệ phối trộn tối ưu cho công nghệ bio-toilet khô: giá thể 3,6 kg; chế phẩm vi sinh 0,18 kg; phân 0,2 kg; nước tiểu 0,3 lít

Độ ẩm và độ pH thích hợp cho công nghệ bio-toilet khô tương ứng là độ ẩm 50 – 60% và 6 –

7

Tốc độ khuấy trộn phù hợp là 30 phút/lần

References

1 Tăng Thị Chính, Hoàng Thị Dung, Đào Thị Minh Hạnh ( 2008), "Ứng dụng các chủng xạ

khuẩn ưa nhiệt - chịu axit để xử lý bã thải dứa", Tạp chí Khoa học và Công nghệ 46 (6A)

2 Tăng Thị Chính, Đặng Đình Kim, Phan Thị Tuyết Minh, Lê Thanh Xuân (2006), "Nghiên

cứu sản xuất và ứng dụng một số chế phẩm vi sinh vật để xử lý chất thải hữu cơ", Tạp chí

Khoa học, ĐHQGHN, KHTN&CN 22 (3B), tr.38-44

3 Nhà xuất bản Y học (4/2011), “Tình hình dinh dưỡng Việt Nam năm 2009 – 2010”, tr.20

4 Trịnh Văn Tuyên, Tô Thị Hải Yến, Shuji Yosizawa (2010), "Nghiên cứu công nghệ

cacbon hoá để xử lý chất thải đô thị ở Việt Nam", Hội nghị khoa học kỷ niệm 35 năm

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, tr.72-78

5 Viện Công nghệ môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (2008), "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"

6 John Cant (2009), "Toilet provision in the Cairngorms National Park, Scotland", U.K

7 Jovita Triastuti, Neni Sintawardani and Mitsuteru Irie (2009), "Characteristics of

composted bio-toilet residue and its potential use as a soil conditioner", Indonesian

Journal of Agricultural Science

8 Leena Mehtatalo (2009), "The current dry toilet practises in Finnish national parks",

University of Applied Sciences

9 Neni Sintawardani, Dewi Nilawati, Umi Hamidah, Jovita Tri Astuti (2006), "Observation

in start-up process by varying heater and dischange in bio-toilet system", The 4th

International Symposium On Sustainable Sanitation, Research Center for Physics, Indonesian Institute of Sciences

10 The Global Dry Toilet Association of Finland, Finland (2007), "Finnish Dry Toilets"

11 Shuji Yoshizawa, Satoko Tanaka, Michio Ohata (2008), "Bio - toilet using Charcoal and

Aerobic Complex Microorganisms As a Media", Meisei University