xử lý rác thải hữu cơ sinh hoạt bằng hỗn hợp vi sinh để làm sạch môi trường tại vùng biển đảo

Vậy nên chúng em đặt ra câu hỏi là: Liệu có thể xử lý rác thải hữu cơ bằng phương pháp sinh học mà có thể xử lý theo một chu trình khép kín hay không tại các đảo ngoài biển với quy mô nh

LỜI CÁM ƠN

Nhóm khoa học thuộc đề tài: “Xử lý rác thải hữu cơ sinh hoạt bằng hỗn hợp vi sinh để làm sạch môi trường tại vùng biển đảo” xin bày tỏ lòng biết ơn

sâu sắc đến BGH trường THPT CHUYÊN NGUYỄN HUỆ đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng em trong thời gian thực hiện đề tài

Nhóm nghiên cứu xin chân thành cám ơn cố vấn khoa học PGS TS Tăng Thị Chính – Viện Công nghệ sinh học môi trường – Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam, TS Mai Xuân Thành Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội và cô giáo -Thạc sĩ Nguyễn Thị Hiên đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện thuận lợi để nhóm tác giả hoàn thành tốt đề tài này

Nhóm nghiên cứu xin chân thành cám ơn các anh chị cán bộ Viện Công nghệ sinh học môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam đã đưa ra những lời khuyên bổ ích cũng như giúp nhóm thực hiện đề tài

Cuối cùng nhóm tác giả chúng em xin gửi tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, anh chị, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ động viên nhóm trong suốt thời gian thực hiện

đề tài

MỤC LỤC

I Lí do chọn đề tài.

II Tổng quan vấn đề nghiên cứu.

1- Tổng quan đề tài

2- Điểm mới của đề tài

3- Mục tiêu của đề tài

4- Quá trình nghiên cứu

III Quá trình nghiên cứu và kết quả.

1- Quá trình nghiên cứu

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu

1.1.2 Vật liệu nghiên cứu

1.1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.2 Quy trình thí nghiệm

1.2.1 Giúp đỡ người dân phân loại rác

1.2.2 Thí nghiệm đối chứng

1.2.3 Phương pháp xử lý rác

1.2.4 Lắp ráp mô hình

2- Kết quả thí nghiệm

2.1 Mô hình nghiên cứu

2.2 Quá trình phân hủy rác hữu cơ ở đảo

3- Hướng nghiên cứu tiếp theo

3.1 Phương pháp chế tạo túi HPDE tại các vùng biển đảo

IV Kết luận và kiến nghị

V Tài liệu tham khảo

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong cuộc sống hiện đại, chất lượng đời sống của con người chúng ta được nâng cao lên rất nhiều nhưng kèm theo đó số lượng rác thải mà chúng ta đưa ra ngoài môi trường lại càng tăng Đó cũng là nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm môi trường và hàng loạt những hậu quả đáng lo ngại do ô nhiễm môi trường gây ra Chưa bao giờ vấn đề môi trường và xử lí rác thải lại được các Quốc gia đặc biệt quan tâm như hiện nay Việt Nam là một quốc gia đang phát triển cũng không nằm ngoài ngoại lệ

Công tác xử lý rác thải sinh hoạt ở đô thị hiện nay thường sử dụng như là chôn lấp hoặc mô hình bioga có một số ưu điểm như công nghệ đơn giản, giá thành đầu tư và chi phí không cao

Tuy nhiên công tác xử lý rác thải ở vùng đảo lại còn hạn chế hơn, chủ yếu là theo phương pháp chôn lấp (landfill) sẽ ảnh hưởng đến môi trường như là môi trường không khí, môi trường đất, môi trường nước mặt và môi trường nước ngầm vô cùng nguy hại

Vậy nên chúng em đặt ra câu hỏi là: Liệu có thể xử lý rác thải hữu cơ bằng phương pháp sinh học mà có thể xử lý theo một chu trình khép kín hay không tại các đảo ngoài biển với quy mô nhỏ?

Dựa trên những băn khoăn đó, chúng em đã quyết định nghiên cứu đề

tài:“Xử lý rác thải hữu cơ sinh hoạt bằng hỗn hợp vi sinh để làm sạch môi trường tại các vùng đảo”.

2 Mục tiêu của đề tài

- Sử dụng hỗn hợp vi sinh ưa mặn có hoạt tính enzyme ngoại bào (xenlulaza, amylaza, proteaza) cao để giúp rác thải hữu cơ phân giải nhanh hơn và ít tạo mùi khó chịu gây ảnh hưởng đến môi trường không khí trong quy mô nhỏ ở đảo (một cụm dân cư)

- Xử lý và tái sử dụng sản phẩm sau khi phân hủy rác thải để làm giá thể và phân bón cho cây không làm ô nhiễm môi trường

- Thiết kế quy trình phân giải rác hoàn chỉnh

3 Điểm mới của đề tài

- Sử dụng các chủng vi sinh vật có khả năng chịu mặn và ưa nhiệt để nâng cao hiệu quả phân hủy rác thải tại vùng đảo

- Lần đầu tiên đưa ra một mô hình phân hủy rác thải bằng hệ vi sinh vật khép kín an toàn với môi trường ở quy mô nhỏ, dễ sử dụng và có thể áp dụng trong các đảo biển

- Quy trình làm rẻ, đơn giản và dễ dàng sử dụng phù hợp với điều kiện vùng đảo

- Giúp người dân có ý thức hơn về việc phân loại rác thải và giữ gìn vệ sinh môi trường chung

4 Lợi ích của đề tài:

 Về mặt kinh tế: Có thể sử dụng hỗn hợp vi sinh ưa mặn có tốc độ phân

giải rác nhanh

 Về mặt sức khỏe con người: Giảm nguy cơ nhiễm một số bệnh do ô

nhiễm môi trường đất, nước và không khí sinh ra từ phân hủy rác không triệt để

 Về mặt môi trường: Xử lý rác thải đúng cách để giảm nguy cơ ô nhiễm

môi trường

 Về mặt nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu khả năng phân giải rác theo

quy mô nhỏ đảm bảo về mặt vệ sinh môi trường

CHƯƠNG I- TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Mỗi năm Việt Nam sản sinh trên 15 triệu tấn chất thải rắn, tức là trung bình mỗi người xả ra gần 2 tạ rác/năm, trong đó phần lớn không được tiêu hủy

an toàn Lượng rác khổng lồ này đang là nguy cơ đe dọa lớn với sức khoẻ cộng đồng và môi trường

Lượng rác thải phát sinh không ngừng tăng lên, song việc thu gom vẫn chưa được thực hiện hoàn toàn, khối lượng xử lý thì hầu như không đáng kể Theo số liệu của Ngân hàng thế giới, chỉ có gần 3/4 lượng rác thải ở các đô thị được thu gom, và 1/5 ở nông thôn.Trong số 91 điểm tiêu hủy rác của cả nước, chỉ có 17 bãi rác là hợp vệ sinh, số còn lại thường là lộ thiên, gây ô nhiễm nghiêm trọng đất, nước mặt và nước ngầm Các lò đốt rác thải y tế có công suất đủ để tiêu huỷ khoảng một nửa số rác thải y tế nguy hại trên cả nước, song do thiếu kinh phí vận hành và bảo dưỡng, các lò đốt này được hoạt động không đúng quy trình, làm tăng nguy cơ phát thải các khí dioxin và furan độc hại

Thực trạng về vấn đề rác thải hữu cơ và xử lí rác hiện nay tại vùng đảo chẳng hạn như tại xã đảo Tân Hiệp – Cù Lao Chàm – Hội An, rác được xử lý theo phương pháp phân loại tại nguồn thành các loại chính là hữu cơ phân hủy được và vô cơ không phân hủy Rác hữu cơ phân hủy được sẽ xử lý tại chỗ bằng công nghệ composting; rác không phân hủy sẽ được ép nén thành tấm rồi

chuyển vào đất liền

Một số nghiên cứu đã sử dụng công nghệ thông tin trong việc quản lý thông tin địa lý bằng GIS mở ra nhiều ứng dụng mới trong qui hoạch công trình chọn địa điểm bãi chôn lấp rác đã được đề cập đến trong Công nghệ GIS cho phép xem xét ảnh hưởng của các "lớp" khác nhau đến vấn đề xem xét một cách riêng rẽ hay tổng hợp

Chính vì vậy sử dụng quy trình phân giải rác khép kín sẽ hạn chế được những nhược điểm của các phương pháp thông thường và lại đảm bảo vệ sinh môi trường ở các vùng đảo Hơn nữa quy trình này lại rất rẻ tiền, dễ làm và phù hợp cho một cụm dân cư ở vùng biển đảo

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Vật liệu nghiên cứu

Thùng sơn(hoặc thùng hóa chất) 3 Thùng

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là thành phần chất hữu cơ trong CTR sinh hoạt tại các vùng biển đảo

1.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu là công nghệ xử lý CTRHC bằng phương pháp lên men yếm khí trong phòng thí nghiệm và khả năng ứng dụng trong điều kiện thực tế tại vùng biển đảo

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu chính sau: Phương pháp thống kê và kế thừa; Phương pháp khảo sát thực tế; Phương pháp nghiên cứu lý thuyết; Phương pháp mô hình hóa; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm; Phương pháp phân tích thực nghiệm; Phương pháp cân bằng vật chất thông qua quá trình chuyển khối; Phương pháp so sánh; Phương pháp tổng hợp

3 Phân loại rác

Bước 1: Hướng dẫn người dân về hai loại rác chính

- CTR hữu cơ là gì?

CTR hữu cơ là các chất thải có chứa các hợp chất hữu cơ, có khả năng/dễ dàng phân hủy sinh học (phân huỷ trong điều kiện tự nhiên).VD: rau quả, cơm thừa Hay nói một cách đơn giản: CTR hữu cơ là các rác thải có nguồn gốc từ sinh vật (cái cây, con vật) Chúng có “tuổi thọ” thấp nhất, tồn tại trong môi trường với thời gian ngắn rồi “biến mất” Gồm những loại: cây cỏ loại bỏ, lá rụng, rau quả

hư hỏng, đồ ăn thừa, vỏ trứng, rác nhà bếp, xác súc vật, phân chăn nuôi

- CTR vô cơ là những chất thải không có khả năng phân hủy trong điều kiện tự nhiên hoặc có thể phân hủy nhưng thời gian rất dài (tìm lại định nghĩa chuẩn)

như thuỷ tinh, sành sứ, kim loại, giấy, cao su, nhựa, vải, đồ điện, đồ chơi, cát sỏi, vật liệu xây dựng

Nguồn: Hà Nội URENCO & Dự án 3R JICA

3 Phương pháp và quy trình nghiên cứu thực nghiệm công nghệ lên men kỵ khí CTRHC

3.1 Mô hình thực nghiệm: Mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được

thể hiện trên sơ đồ nguyên lý:

Theo mô hình trên cách tiến hành cụ thể như sau:

Bước 1: chúng ta phân loại rác theo từng loại sau đó đưa các loại chất thải rắn

hữu cơ vào mô hình đã được tạo sẵn

Sau đó bổ sung thêm hỗn hợp vi sinh vật ưa mặn xử lí với môi trường nước mặn (chế phẩm vi sinh xử lý trong môi trường nước mặn và bùn sinh học

kị khí theo tỉ lệ 10:0,1:1)

Trong bước này diễn ra quá trình phân hủy kị khí là quá trình phân huỷ các hợp

Rác

hữu

cơ

Lên men yếm khí

Hỗn hợp khí sinh học

dd NaOH 10%

CH4, H2

Chất cặn bã

chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxi phân tử của không khí bởi các vi sinh vật kị khí

Quá trình phân huỷ kị khí các hợp chất hữu cơ có trong nước thải, rác thải hoặc các cặn bùn, cặn thải gồm hai giai đoạn:

+ Giai đoạn thuỷ phân: dưới tác dụng của các enzim thuỷ phân do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ sẽ bị phân huỷ- Hidratcacbon (kể cả các chất không hoà tan) phức tạp sẽ thành các đường đơn giản; protein thành albumoz, pepton, peptit, axit amin; chất béo (lipit) thành glyxerin và các axit béo

+ Giai đoạn tạo khí: sản phẩm thuỷ phân sẽ tiếp tục bị phân giải tạo thành sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các khí chủ yếu là CO2 và CH4 Ngoài ra còn tạo ta một số khí khác như H2 N2, H2S và một ít muối khoáng

Các hidratcacbon bị phân huỷ sớm nhất và nhanh nhất, hầu hết chuyển thành

CH4 và CO2 Các hợp chất hữu cơ hoà tan bị phân huỷ gần như hoàn toàn : axit béo tự do được phân huỷ tới 80-90%, axit béo loại este được phân huỷ 65-68% Riêng lignin là hợp chất hữu cơ khó phân giải nhất, nó là nguồn tạo ra mùn Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí sinh ra sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí, trong đó CH4 (metan) chiếm tới 60-75% Vì vậy, quá trình này còn được gọi là lên men metan Lên men metan gồm 2 pha điển hình : pha axit và pha kiềm ứng với 2 giai đoạn phân huỷ đã khảo sát ở trên Ở pha axit, hidratcacbon (xenluloza, hemixenluloza, tinh bột, các loại đường, dextrin ) rất dễ bị phân huỷ và tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (axit propionic, butyric, axêtic ) Một phần axit béo cũng chuyển thành axit hữu

cơ Đặc trưng của pha này là tạo thành axit, pH của môi trường có thể xuống dưới 5 và kèm theo mùi hôi thối

Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan có chứa nitơ tiếp tục bị phân huỷ thành các hợp chất amon, amin, muối của axit cacbonic, một lượng nhỏ hỗn hợp khi

CO2, N2, CH4, H2, pH của môi trường tăng lên và chuyển đến vùng trung tính sang kiềm Mùi rất khó chịu do trong hỗn hợp khí có chứa H2S, indol, scatol và mercaptan

Ở pha kiềm- pha tạo khí CH4, các sản phẩm thuỷ phân của pha axit làm cơ chất cho lên men metan và được tạo thành CO2, CH4, pH của pha này chuyển hoàn toàn sang kiềm Những amin tác dụng với CO2 thành muối cacbonat, tạo cho môi trường có tính đệm rất cao, thậm chí cho thêm nhiều axit vào môi trường, nồng độ H+ vẫn không thay đổi

Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ ở điều kiện kị khí hay là lên men metan

là một quá trình phức tạp Tham gia vào quá trình có tới hàng trăm loài vi khuẩn

kị khí bắt buộc và không bắt buộc Chúng có thể tiến hành phân huỷ cơ chất ở 3 thang nhiệt độ: 10-150C; 30-400C và trên 450C

Thời gian lên men là khá dài: với điều kiện tối ưu và ở nhiệt độ 45-550C thời gian lên men cũng khoảng 10-15 ngày, các thang nhiệt độ thấp hơn- thời gian lên men tới hàng tháng hoặc vài tháng

Bước 2: Thu các hỗn hợp khí ( CO2, H2S, CH4, H2,…) được thu qua bình đựng NaOH (10%) hoặc nước vôi trong nhằm loại bỏ một số khí như CO2,H2S… khí sạch thu được chỉ bao gồm CH4, H2, C2H8, được thu qua bình H2O lưu thông chịu áp lực (dựa vào thể tích nước chảy ra có thể tính được lượng khí chiếm chỗ) Thể tích các khí thu được được ghi lại chuyển sang điều kện tiêu chuẩn ở nhiệt độ ) 0oC và áp suất 1at có đơn vị NmL

Hình vẽ: Mô hình thí nghiệm

3.2 Các vi khuẩn tham gia quá trình phân hủy

Gồm hai nhóm: nhóm vi khuẩn không sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh metan + Nhóm vi khuẩn không sinh metan Nhóm này gồm có cả vi khuẩn kị khí và vi khuẩn kị khí không bắt buộc (tuỳ tiện) Các vi khuẩn kị khí thường là gram (-), không sinh bào tử, phân huỷ polysacarit thành axit axetic, axit butyric và CO2,

có một số loài còn sinh ra H2

Khi có mặt xenlulozơ, gặp các loài sau đây: Bacillus subtilis, Bacillus

cereus, B.megaterium, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas riboflavinam

Ps Reptilorova, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris.

Khi có mặt tinh bột với hàm lượng cao, sẽ bắt gặp các loài Micrococcus

candidus, M.varians, M.urea, Bacillus cereus, B.megaterium và Pseudomonas spp sinh trưởng và phát triển.

Trường hợp trong môi trường giầu protein, quần thể vi sinh vật sẽ là

Clostridium, Bacillus cereus, B,cirulans, B.spaericus, B.subtilis, Micrococcus varians, E.coli, các dạng coliform và Pseudomonas spp.

Dầu béo thực vật kích thích sinh trưởng các giống Bacillus, Micrococcus,

Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas.

Trong số vi khuẩn phân huỷ protein, cần chú ý đến giống Clostridium Chúng có

khá nhiều trong nước thải chứa protein Các loài thuộc giống này kị khí, phân huỷ rất mạnh protein và chia thành 3 nhóm:

 Clostridium nhóm I (Clostridium butylicum) phân huỷ trực tiếp tinh bột, sinh

axit axêtic chủ yếu là axit butylic

 Clostridium nhóm II phân huỷ protein sinh axitt inzovaleric và axit axetic.

 Clostridium nhóm III (Clostridium perfringens), phân huỷ protein, không

phân huỷ đường, thu nhận năng lượng từ chuyển hoá các axit amin

+ Vi khuẩn sinh metan Những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinh trưởng và phát triển rất chậm Vi khuẩn sinh metan được chia thành 4 giống theo hình thái và khả năng bào tử:

 Methanobacterium hình que, không sinh bào tử.

 Methanobacillus hình que, sinh bào tử/

 Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi.

 Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối.

Đặc điểm của quá trình sinh metan là do tác dụng của một quần thể vi khuẩn Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính là gram(-), không di động,

đa số không sinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt Chúng có thể sử dụng NH3

làm nguồn nitơ Chúng phát triển rất chậm Sau khi cấy trên môi trường dinh dưỡng vài tuần mới phát triển thành những dạng hoạt động

Những vi khuẩn phân huỷ kị khí gặp ở tất cả mọi nơi trong thiên nhiên, đặc biệt ở những nơi rác bẩn, ở bùn đáy ao hồ tù đọng, cống rãnh, ở những nơi có nhiều chất hữu cơ bị phân huỷ ở đây thấy đủ mặt các nhóm vi khuẩn phân huỷ xenlulozơ, protein, chất béo, vi khuẩn amon hoá, vi khuẩn khử sunfat, vi khuẩn tạo thành metan từ axit hữu cơ (vi khuẩn sinh metan) … Các nhóm này có hai khoảng nhiệt độ hoạt động: có thể ưa ấm với khoảng 25 – 37oC và các thể ưa nhiệt với khoảng 50 – 55oC

Bảng 3.1 Vi sinh vật sinh axit hữu cơ

Baccillus cereus 5,2 25 - 35 axetic, lactic

Baccillus knolfekampi 5,2 – 8,0 25 - 35 axetic, lactic

Baccillus megaterium 5,2 – 7,5 28 - 35 axetic, lactic

Bacteroides succinigenes 5,2 – 7,5 25 - 35 axetic, sucxinic

Clostridium carnefectium 5,2 – 8,5 25 - 37 formic, axetic

Clostridium cellobinharus 5,2 – 8,5 36 - 38 lactic, ethanol, CO2

Clostridium dissolvens

5,2 – 8,5 35 - 51 formic, axetic, lactic,

sucxinic

Clostridium

thermocellulaseum 5,2 – 8,5 55 - 65 lactic, sucxinic, etanol Pseudomonas

- 3 – 42 formic, axetic, lactic,

sucxinic, etanol

Ruminococcus sp. - 33 - 48 formic, axetic, sucxinic

Bảng 3.2 Vi khuẩn sinh metan

(toC)

Sản phẩm