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. 2 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 – 800 o C. 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 t o 3 Nắp thùng Cơ cấu khuấy Máy thổi khí Thân thùng Hỗn hợp đệm sinh học + chế phẩm vi sinh + chất thải Hỡnh 1: S mụ hỡnh thc nghim Bio-toilet Mụ t thc nghim: Hn hp ch phm vi sinh v than cacbon húa tre c a vo thựng cha qua ca tip liu, 3 ngy nhit 25 30 o C vi sinh phỏt trin v bỏm dớnh lờn giỏ th. Lỳc ny cho mỏy thi khớ v c cu khuy hot ng nhm to iu kin cho vi sinh phỏt trin. Sau ú mi thờm cỏc thnh phn cht thi vi t l nh sau: giỏ th 3,6 kg; phõn 0,2kg; nc tiu 0,3 lớt. i vi mụ hỡnh bio-toilet theo m, chỳng tụi thay i thụng s v lng ch phm vi sinh, m v pH. Lng ch phm vi sinh thay i theo di t 0; 36; 108; 180; 360 g, m thay i theo di theo di 30, 40, 50, 60, 70%, pH thay i theo di t 4, 6, 7, 8, 10. i vi mụ hỡnh bio-toilet liờn tc, chỳng tụi thay i thụng s v tc khuy theo di 10, 20, 30, 40, 60 phỳt/ln. Cỏc thc nghim c tin hnh trong ba tun, mi tun ly mu mt ln phõn tớch cỏc ch tiờu vi sinh. Cỏc ch tiờu cn xỏc nh bao gm vi sinh vt hiu khớ tng s, vi sinh vt phõn gii xenluloza, coliform tng, coliform phõn, vi khun Salmonella. 2.4.2. Phng phỏp o mt vi sinh Mt vi sinh c xỏc nh bng phng phỏp m s lng khun lc trờn mụi trng c. Do vy m s khun lc trờn mụi trng c s cho ta kt qu v s lng vi sinh vt ban u. Mt t bo vi sinh vt trong mu ban u tớnh t s liu ca pha loóng Di c tớnh theo cụng thc Mi (CFU/gam) = A i x D i x 10 Trong ú : A i l s khun lc trung bỡnh trờn cỏc a D i l nghch o nng pha loóng 4 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 10 7 lên 109 CFU/g, vi sinh vật phân giải xenluloza tăng từ 10 5 lên 10 8 CFU/g 5 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) 6 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. 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. 8 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. 9 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 4 th 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. . 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. 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