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

TRONG MÔ HÌNH BIO-TOILET NHẰM CẢI THIỆN MÔI

TRƯỜNG NƯỚC Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 608502

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH VĂN TUYÊN

Hà Nội - 2012

3

MỤC LỤC Tr.

MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 3

1.1. Tổng quan về công nghệ Bio-toilet khô............................................................... 3

1.1.1. Nguyên lý hoạt động của Bio-toilet khô............................................................... 3

1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của Bio-toilet................................................................. 4

1.1.3. Những ứng dụng của Bio-toilet trên thế giới....................................................... 4

1.1.4. Những nghiên cứu và ứng dụng của Bio-toilet ở Việt Nam................................. 8

1.2. Tổng quan về vật liệu đệm sử dụng trong mô hình Bio-toilet .......................... 10

1.2.1. Phương pháp chế tạo, đặc điểm và nguồn nguyên liệu than tre cacbon hóa....... 13

1.2.2. Đặc điểm than tre cacbon hóa............................................................................. 15

1.2.3. Tiềm năng nguyên liệu tre ở Việt Nam................................................................. 15

1.2.4. Phân tích lựa chọn giá thể sinh học cho công nghệ Bio-toilet khô...................... 17

1.3. Tổng quan các chủng vi sinh phân hủy chất thải hữu cơ.................................. 18

1.3.1. Cơ chế phân giải chất hữu cơ trong tự nhiên bằng vi sinh vật............................ 18

1.3.2. Các nhóm vi sinh vật phân giải hữu cơ trong tự nhiên........................................ 18

1.3.3. Cơ chế phân giải hợp chất cacbon trong tự nhiên bằng vi sinh vật.................... 20

1.3.4. Chế phẩm vi sinh sử dụng trong xử lý hầm cầu và nước thải ở Việt Nam........... 23

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................ 24

2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................ 24

2.1.1. Phân..................................................................................................................... 24

2.1.2. Nước tiểu.............................................................................................................. 24

2.1.3. Giá thể sinh học – than cacbon hóa tre............................................................... 24

2.1.4. Chế phẩm vi sinh BIOMIX1................................................................................. 25

2.2. Các phương pháp nghiên cứu.............................................................................. 25

2.3. Mô hình thực nghiệm............................................................................................ 28

2.3.1. Cách thức vận hành mô hình thực nghiệm........................................................... 29

2.3.2. Danh mục các dụng cụ thiết bị dùng để tiến hành thực nghiệm.......................... 29

2.3.3. Danh mục các hóa chất dùng để tiến hành thực nghiệm..................................... 30

2.3.4. Phương pháp tiến hành thực nghiệm Bio-toilet theo mẻ...................................... 30

4

2.3.5. Phương pháp tiến hành thực nghiệm Bio-toilet liên tục...................................... 32

2.3.6. Quy hoạch thực nghiệm....................................................................................... 33

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 35

3.1. Kết quả về tính toán, thiết kế mô hình thí nghiệm............................................. 35

3.2. Kết quả thực nghiệm Bio-toilet theo mẻ.............................................................. 37

3.2.1. Xác định pH tối ưu............................................................................................... 37

3.2.2. Xác định độ ẩm tối ưu.......................................................................................... 41

3.2.3. Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu.............................................................................. 44

3.3. Kết quả thực nghiệm Bio-toilet khô liên tục....................................................... 51

3.4. Kết quả thực nghiệm đo khí ở nhà vệ sinh sinh thái (Bio-toilet)...................... 58

3.5. Cách thức vận hành Bio-toilet khô...................................................................... 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 62

PHỤ LỤC...................................................................................................................... 64

LỜI CẢM ƠN

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 hiếu khí: Azotobacter, Flavobacterium, Archromobacter, Pseudomonas, Bacillus, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio, Cytophaga, Angioccocus, Polyangium, Sporocytophaga, Sorangium, Archangium, Promyxobacterium,...

- 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

(Na+), Kali (K+), clorua (Cl-), magie (Mg2+), canxi (Ca2+), amoni (NH4+), sulfat

(SO42-) và phốt phát.

Thành phần hoá học điển hình trong nước tiểu là:

Bảng 2.1. Thành phần hoá học trong nước tiểu

31

Nước Urê Clorua Natri Kali Creatinin

95% 9,3g/l 1,87g/l 1,17g/l 0,750g/l 0,670g/l

2.1.3. Giá thể sinh học - than cacbon hoá tre

Hiện nay, giá thể sinh học rất đa dạng, phong phú. Trên thế giới, Bio-toilet

thường dùng 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 hoá, diện tích bề mặt thấp nên hiệu suất

không cao, số lượng dùng lớn kéo theo thể tích bể phản ứng lớn. Vì vậy, Bio-toilet

dùng mùn cưa chỉ thích hợp với điều khiện lưu lượng sử dụng thấp, có diện tích mặt

bằng như miền núi, hải đảo, trang trại.

Tại Việt Nam, đặc biệt là 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. Chính vì vậy, giá thể sinh học bằng

than cacbon hoá tre là một phương pháp giải quyết hữu hiệu.

Ưu điểm của than cacbon hoá tre là có thành phần TOC rất cao có thể tự

phân huỷ theo thời gian. Cấu trúc, mật độ lỗ trên than được phân tích trên thiết bị

Scanning Electron Micrograph (SEM). Hình 2.1 cho thấy, 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. [5]

2.1.4. Chế phẩm vi sinh BIOMIX 1

Chế phẩm bao gồm các chủng vi khuẩn Bacillus Subtilis và các chủng xạ

khuẩn thuộc chi Streptomyces. Chế phẩm này có tác dụng phân huỷ các chất thải

Hình 2.1- Hình ảnh SEM của than cacbon hóa ở

32

hữu cơ, khử mùi và ức chế sự phát triển của nhóm vi khuẩn Coliform trong chất

thải. Thành phần của chế phẩm vi sinh gồm các chủng vi khuẩn Bacillus Subtills và

các chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces. Mật độ vi sinh vật hữu hiệu là 109

CFU/gam.

2.2. Các phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp thu thập tài liệu

Đây là phương pháp nghiên cứu các tài liệu, sách, báo, tạp chí, các báo, tham

luận ngành...Để tìm kiếm, thu thập thông tin có liên quan đến đề tài mình đang quan

tâm. Qua những thông tin này ta có thể có được những nhận định, đánh giá chính

xác mang tính logic và thuyết phục cao.

Sau khi áp dụng phương pháp tài liệu đã thu nhập được những thông tin có

liên quan đến đề tài như sau:

- Tổng quan về công nghệ Bio-toilet khô và những ứng dụng trên thế giới.

- Các loại vật liệu đệm sinh học, đặt biệt là đặc điểm của than cacbon hoá, từ đó lựa

chọn được chế phẩm vi sinh thích hợp với công nghệ Bio-toilet khô.

+ Phương pháp thực nghiệm

Đây là phương pháp được dùng trong quá trình tiến hành nghiên cứu công

nghệ Bio-toilet khô. Qua đó tìm ra các thông số, các số liệu thực nghiệm như: độ

pH, độ ẩm phù hợp của than cacbon hoá tre và chế phẩm vi sinh. Đặc biệt tôi quan

tâm đến chỉ tiêu về mùi (H2S, NH3), tỷ lệ phối trộn của giá thể, chế phẩm vi sinh và

lượng chất thải phù hợp; tốc độ khuấy trộn tối ưu nhất để việc tiến hành áp dụng

công nghệ có kết quả cao hơn.

+ Phương pháp đo mật độ vi sinh vật

Trong luận văn này, mật độ vi sinh được xác định bằng phương pháp đếm số

lượng khuẩn lạc trên môi trường đặc.

Nguyên lý của phương pháp: Đối với vi sinh vật đơn bào, ta có thể xem mỗi

khuẩn lạc là kết quả của sự phát triển từ một tế bào ban đầu. Do vậy đếm số khuẩn

lạc trên môi trường đặc sẽ cho ta kết quả về số lượng vi sinh vật ban đầu.

Tiến hành:

33

Phương pháp làm môi trường nuôi cấy

- Cân, đong thật chính xác từng thành phần môi trường cho vào bình tam giác, sau

đó đem khử trùng môi trường ở 121o C trong 30 phút.

- Phân phối môi trường đã khử trùng vào các đĩa Petri (tiến hành thao tác này trong

tủ cấy vô trùng). Các thao tác phân phối vi sinh phải nhanh, gọn, khéo léo để môi

trường không dính lên miệng dụng cụ hoặc nút bông và việc phân phối cần thực

hiện xong trước khi môi trường bị đông đặc

Những điểm cần chú ý:

- Thao tác đổ thạch phải hết sức khẩn trương và khéo léo để hạn chế sự nhiễm

khuẩn.

- Mặt thạch phải phẳng, nhẵn, có độ dày khoảng 2mm. Thông thường cứ 1/4 lít môi

trường có thể phân phối được 22 - 25 đĩa petri.

- Sau khi đổ môi trường vào đĩa petri, 1 - 2 ngày sau khi kiểm tra lại xem môi

trường có bị nhiễm khuẩn không rồi mới sử dụng.

Phương pháp xác định số lượng tế bào vi sinh vật

Lấy mẫu: Tuỳ theo loại vật phẩm cần xác định mà ta lấy mẫu để nghiên cứu với số

lượng và khối lượng khác nhau cho phù hợp. Yêu cầu của việc lấy mẫu bao gồm:

- Lấy mẫu có tính chất đại diện

- Lượng mẫu lấy vừa phải, đủ để phân tích các đặc tính lý, hoá, sinh học.

- Dụng cụ lấy mẫu, chứa mẫu phải vô trùng

- Lấy mẫu xong phải phân tích ngay và không được để quá 24h.

- Mẫu lấy phải có nhãn ghi ký hiệu và ghi vào sổ những đặc điểm của mẫu và nơi

thu mẫu.

Pha loãng mẫu: Chuẩn bị một số bình tam giác chứa 90 ml nước cất vô trùng, một

số ống nghiệm chứa 9ml nước cất vô trùng và đầu côn 1ml vô trùng (đầu côn dùng

cho pipetman).

- Cân 10 g mẫu cho vào bình tam giác chứa 90 ml nước cất vô trùng, lặc đều 5 phút,

để lắng 30 giây rồi tiếp tục pha loãng mẫu theo dãy thập phân.

- Tuỳ theo sự ước đoán số lượng vi sinh vật trong mẫu mà pha loãng nhiều hay ít.

Phương pháp cấy gạt trên bề mặt đĩa thạch:

- Ghi vào đáy đĩa petri có môi trường thạch các thông tin: nồng độ pha loãng, ngày

cấy.

34

- Dùng pipet đã vô trùng lấy 0,1 ml dịch pha loãng ở các nồng độ khác nhau như

10-1, 10-2, 10-3,10-4, 10-5... cho vào mỗi đĩa thạch (mỗi nồng độ lặp lại 3 đĩa). Số tế

bào cấy trên bề mặt thạch phải được dàn đều và không nên vượt quá vài trăm.

- Khi tất cả các thể tích 0,1 ml tế bào ở các độ pha loãng khác nhau đều đã được

chuyển lên bề mặt thạch của đĩa petri, sử dụng que cấy gạt bằng thuỷ tinh để dàn

đều các tế bào trên bề mặt thạch. Lưu ý rằng que cấy gạt thuỷ tinh phải được vô

khuẩn trước khi được đưa và đĩa petri tiếp theo, bằng cách nhúng vào trong cồn, đốt

cháy que cấy trên ngọn lửa đèn cồn để khử trùng. Làm nguội que cấy bằng cách đặt

nhẹ nó vào bề mặt thạch (chỗ thạch không có tế bào vi sinh vật), rồi dàn đều lượng

chất lỏng chứa tế bào trên đó.

- Đặt các đĩa thạch vừa cấy vào tủ ấm ở nhiệt độ 30oC và ủ từ 48 - 72 giờ, tuỳ thuộc

vào từng chủng vi sinh vật.

- Kết thúc thời gian ủ, lấy các đĩa thạch ra, tiến hành đếm khuẩn lạc. Mật độ tế bào

vi sinh vật trong mẫu ban đầu tính từ số liệu của độ pha loãng Di được tính theo

công thức là:

Mi (CFU/gam) = Ai x Di x 10

Trong đó : Ai là số khuẩn lạc trung bình trên các đĩa

Di là nghịch đảo nồng độ pha loãng

+ Phương pháp thống kê

Dựa vào kết quả khảo sát hiện trường, điều tra phỏng vấn và đặc tính của

than cacbon hoá cũng như khả năng xử lý, hấp phụ các chất ô nhiễm của than.

+ Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình

Hiệu quả xử lý của mô hình được đánh giá bằng khối lượng chất thải sinh

học thông qua thông số thể tích. Buồng chứa chất thải sinh học có kích thước cụ thể,

do đó dễ dàng đo được thể tích khi biết độ cao của khối chất thải sinh học.

+ Phương pháp tính toán thiết kế

Tính toán các thông số công nghệ và kích thước thiết bị và lắp ráp thiết bị để

thiết kế mô hình Bio-toilet khô.

+ Phương pháp kế thừa

Dựa vào các thông tin điều tra khảo sát, các kết quả nghiên cứu của các nhà

khoa học, chuyên gia và tài liệu tham khảo để bổ sung vào luận văn cao học này.

35

2.3. Mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm là thiết bị phân huỷ sinh học chất thải có công suất

tương đương 01 lượt người/ ngày.

Thiết bị bao gồm chứa hỗn hợp giá thể sinh học, chế phẩm và chất thải.

Ngoài ra, thiết bị cần có cơ cấu đảo trộn, đường cấp không khí vào và thoát khí thải.

Sơ đồ thiết bị được mô tả dưới đây:

Tho¸t khÝ Cöa tiÕp liÖu

§o to

N¾p thïng

C¬ cÊu khuÊy

M¸y thæi khÝ Th©n thïng

Hçn hîp ®Öm sinh häc +

chÕ phÈm vi sinh + chÊt th¶i

Hình 2.2: Sơ đồ mô hình thực nghiệm Bio-toilet

2.3.1. Cách thức vận hành mô hình thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành trên hệ thí nghiệm với thể tích 50 lít. Trộn chế

phẩm vi sinh với một ít nước cho đủ độ ẩm khoảng 50 - 60%, sau đó trộn cùng với

than cacbon hoá tre. Hỗn hợp được đưa vào thùng chứa qua cửa tiếp liệu, ủ 3 ngày ở

nhiệt độ 25 - 30oC để vi sinh phát triển và bám dính lên giá thể. Sau đó mới thêm

các thành phần chất thải vào theo yêu cầu của các quá trình thực nghiệm. Bật máy

thổi khí để cung cấp không khí cho quá trình phân huỷ chất thải sinh học.

36

2.3.2. Danh mục các dụng cụ thiết bị dùng để tiến hành thực nghiệm

- Máy thổi khí

- Tủ sấy điều chỉnh được nhiệt độ

- Bình tam giác các loại

- Ống đong các loại

- Máy lắc

- Máy đo pH

- Cân phân tích 4 số

- Bình hút ẩm

- Chén sứ

- Đũa thuỷ tinh đầu bẹt, dài khoảng 5 cm

- Tủ cấy vi sinh

- Ống nghiệm

- Đĩa petri

2.3.3. Danh mục các hoá chất dùng để tiến hành thực nghiệm

- Nước cất, thạch aga

- Cao thịt, pepton, casein, dextrin, bột giấy (CMC), tinh bột

- NaCl, K2HPO4, MgSO4.7H2O, KNO3, FeSO4, H2SO4, NaOH

2.3.4. Phương pháp tiến hành thực nghiệm Bio-toilet theo mẻ

Thực nghiệm được tiến hành trên hệ thí nghiệm với thể tích 50 lít (xem hình

2.2). Trộn chế phẩm vi sinh với một ít nước cho đủ độ ẩm khoảng 50 - 60%, sau đó

trộn cùng với than cacbon hoá tre. Hỗn hợp được đưa vào thùng chứa qua cửa tiếp

liệu, ủ 3 ngày ở nhiệt độ 25 - 30oC để vi sinh phát triển và bám dính lên giá thể. Sau

đó mới thêm các thành phần chất thải vào theo yêu cầu của quá trình thực nghiệm.

a. Xác định pH tối ưu

Chúng tôi sử dụng công thức phối trộn như sau:

- Than cacbon hoá tre: 3,6kg

- Chế phẩm vi sinh: 180g (5% so với giá thể)

- Phân: 0,2kg

- Nước tiểu: 0,3 lít

37

Thực nghiệm được tiến hành bằng cách thay đổi dải pH từ 4,6,7,8,10 thể hiện ở

bảng sau:

Bảng 2.2. Bảng công thức phối trộn xác định pH tối ưu

Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mô hình 4 Mô hình 5

Than cacbon

hóa tre (kg) 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6

Chế phẩm vi

sinh (g) 180 180 180 180 180

Phân (kg) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Nước tiểu

(lít) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Độ pH 4 6 7 8 10

Thực nghiệm được tiến hành trong 3 tuần, một tuần lấy mẫu 1 lần để phân

tích các chỉ tiêu vi sinh, từ đó xác định được độ pH phù hợp của than cacbon hoá tre

và chế phẩm vi sinh.

b. Xác định độ ẩm tối ưu

Chúng tôi cũng sử dụng công thức phối trộn như trên, nhưng thay đổi độ ẩm từ 30,

40, 50, 60, 70% thể hiện ở bảng sau:

Bảng 2.3. Bảng công thức phối trộn xác định độ ẩm tối ưu

Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mô hình 4 Mô hình 5

Than

cacbon hoá

tre (kg)

3,6 3,6 3,6 3,6 3,6

Chế phẩm

vi sinh (g) 180 180 180 180 180

Phân (kg) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Nước tiểu

(lít) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Độ ẩm (%) 30 40 50 60 70

38

Thực nghiệm được tiến hành trong 3 tuần, một tuần lấy mẫu 1 lần để phân

tích các chỉ tiêu vi sinh, từ đó xác định được độ ẩm phù hợp của than cacbon hoá tre

và chế phẩm vi sinh.

c. Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu

Trong thực nghiệm này, chúng tôi giữ nguyên các thông số về than cacbon

hoá tre là 3,6 kg; phân là 0,2 kg; nước tiểu là 0,3 lít; chỉ thay đổi lượng chế phẩm vi

sinh so với than cacbon hoá tre từ mô hình 1 đến mô hình 5 là 0; 1; 3; 5; 10%. Tỉ lệ

phối trộn thể hiện ở bảng sau:

Bảng 2.4. Bảng công thức phối trộn xác định tỉ lệ phối trộn tối ưu

Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mô hình 4 Mô hình 5

Than cacbon

hóa tre (kg) 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6

Phân (kg) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Nước tiểu

(lít) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Chế phẩm

vi sinh (g) 0 36 108 180 360

Thực nghiệm được tiến hành trong 3 tuần, 1 tuần lấy mẫu 1 lần để phân tích

các chỉ tiêu, đồng thời đo nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm lấy mẫu.

Các chỉ tiêu cần đo trong thực nghiệm Bio-toilet theo mẻ bao gồm:

- Nhiệt độ

- Vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí

- Chỉ tiêu tổng Coliform

- Chỉ tiêu Fecal Coliform

- Chỉ tiêu Salmonella

39

2.3.5. Phương pháp tiến hành thực nghiệm Bio-toilet liên tục

Thực nghiệm được tiến hành trên hệ thí nghiệm với thể tích 50 lít (xem hình

2.2). Tỷ lệ phối trộn của giá thể, chế phẩm vi sinh và lượng chất thải được xác định

ở mục 2.3.4 như sau:

- Giá thể: 3,6 kg

- Chế phẩm vi sinh: 180g (5% so với lượng giá thể)

- Phân: 0,2 kg/lần

- Nước tiểu: 0,3lít/lần

- pH: 6 - 8

- Độ ẩm: 50 - 60%

Để xác định được các thông số công nghệ như thời gian phân huỷ và tốc độ

khuấy trộn, tiến hành xây dựng mô hình thí nghiệm với tỷ lệ phối trộn như trên,

nhưng thay đổi tốc độ khuấy tại mỗi mô hình 10 phút/lần, 20 phút/lần, 30 phút/lần,

40 phút/lần, 60 phút/lần. Lượng chất thải được bổ sung liên tục qua cửa tiếp liệu

một ngày một lần. Sau đó tiến hành lấy mẫu một tuần một lần để phân tích các chỉ

tiêu vi sinh. Từ đó xác định được thời gian phân huỷ và tốc độ khuấy trộn tối ưu cho

mô hình. Phương pháp tiến hành thể hiện rõ hơn tại bảng sau:

Bảng 2.5. Bảng công thức phối trộn trong mô hình Bio-toilet liên tục

Mô hình 1

phút/lần

Mô hình 2

phút/lần

Mô hình 3

phút/lần

Mô hình 4

phút/lần

Mô hình 5

phút/lần

Than cacbon

hóa tre (kg) 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6

Chế phẩm vi

sinh (g) 180 180 180 180 180

Phân (kg)/ lần 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Nước tiểu

(lít)/ lần 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Tốc độ khấy

trộn

(phút/lần)

10 20 30 40 60

40

Thực nghiệm cũng được tiến hành trong 3 tuần, 1 tuần lấy mẫu 1lần để phân

tích các chỉ tiêu, đồng thời đo nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm lấy mẫu.

Các chỉ tiêu cần đo trong thực nghiệm Bio-tolet liên tục bao gồm:

- Nhiệt độ

- Tổng vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí

- Vi sinh vật phân giải xenluloza

- Chỉ tiêu tổng Coliform

- Chỉ tiêu Fecal Coliform

- Chỉ tiêu Salmonella

2.3.6. Quy hoạch thực nghiệm

+ Cách lấy mẫu để phân tích các chỉ tiêu về vi sinh: Lấy mẫu trong mỗi mô hình

(hình 3.1) ở các điểm với khoảng cách tương đối đều nhau, bên trên lấy 3 điểm,

giữa lấy 3 điểm và bên dưới lấy 3 điểm. Trộn đều 9 điểm đã lấy với nhau, sau đó cắt

làm 4 phần đều nhau, lấy 1 phần và lại tiếp tục trộn đều và chia đều thành 4 phần.

Cứ tiếp tục lặp đi lặp lại như vậy cho đến khi đủ lượng mẫu có thể phân tích được.

+ Cách điều chỉnh pH trong các mô hình thí nghiệm: Sử dụng hóa chất NaOH và

HCl (1%) để điều chỉnh các khoảng pH từ 4 đến 10.

41

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả về tính toán, thiết kế mô hình thí nghiệm

Sau khi đã lựa chọn được vật liệu là giá thể sinh học, chế phẩm sinh học

dùng để phân huỷ chất thải sinh học trong mô hình Bio-toilet, cần thiết phải xác

định các thông số vận hành tối ưu mô hình Bio-toilet như độ ẩm, pH, tỷ lệ phối trộn

giữa giá thể, chế phẩm và chất thải. Vì thế, đã tính toán, thiết kế mô hình như sau:

Hình 3.1. Mô hình thực nghiệm Bio-toilet

MH 1 MH

2 MH 3

MH 4 MH

5

42

Trong tính toán này, mô hình là thiết bị phân huỷ sinh học chất thải có công

suất tương đương 01 lượt người/ngày.

Thiết bị bao gồm phần chứa hỗn hợp giá thể sinh học, chế phẩm và chất thải. Ngoài

ra, thiết bị cần có cơ cấu đảo trộn, đường cấp không khí vào và thoát khí thải.

Tính toán lượng giá thể sinh học như sau:

+ Tải trọng chất hữu cơ BOD5 cần thiết phải được phân huỷ trong mô hình thiết bị

được xác định theo công thức sau:

MBOD=k.N.q.Chc.w (10)

Trong đó: MBOD – tải trọng BOD5 kg/ngày

k – hệ số quy đổi, k=1,1-1,3

N – số lượt người/ngày,

q- lượng thải trung bình của con người, kg/người/ngày;

Chc – tỷ lệ thành phần hyratcacbon trong chất thải (khô)

w – độ ẩm của chất thải

MBOD=1,2 x 1 x 0,2 x 0,4 x 0,55=0,0528 kg/ngày

+ Tải trọng xử lý trên 1 m2 bề mặt giá thể sinh học được tính theo công thức:

0. . TP H kC

Trong đó:

0C - Tải trọng chất hữu cơ BOD5 cho phép trên 1m2 bề mặt giá

thể sinh học, g/m3.ngày

H - chiều cao lớp vật liệu lọc trong thiết bị, m

P - độ rỗng của lớp vật liệu lọc

Tk -Hệ số nhiệt độ

43

Ta sử dụng than cacbon hóa từ tre làm giá thể sinh học có độ rỗng P= 90%

và diện tích bề mặt đơn vị Fa= 400 m2/m3

Với hiệu suất xử lý khoảng 90% thì ta có thể chọn ŋ= 2,6 - kT = 0,2 . 1,047T- 20, ở đây T là nhiệt độ những ngày lạnh mùa đông ở

Hà Nội t=100C (lấy gần đúng bằng nhiệt độ tháng lạnh nhất về mùa đông)

kt = 0,2. 1,04710-20 = 0,126

Thay số vào công thức trên ta có:

Co = . . TP H kn

= 90.1.0,1662,6

= 4,36 (g/m2ngày)

- Tải trọng xử lý BOD5 cho phép trên một đơn vị thể tích là:

0 0.aq F m

Trong đó: Fa: diện tích bề mặt, m2/m3

Vậy:

qo=400.4,36= 1744 g/m3/ngày= 1,744 kg/m3/ngày

- Thể tích khối giá thể sinh học được tính theo công thức sau:

Vsh=MBOD/q0=0,0528/1,744=0,030m3=30 lít

Chọn mô hình có thể tích là 50 lít vì cần có không gian để lắp đặt cơ cấu khuấy trộn

- Khối lượng than giá thể là:

Mthan =.Vsh=120.0,03=3,6 kg

Trong đó: - tỷ trọng của than giá thể sinh học, kg/m3

3.2. Kết quả thực nghiệm Bio-toilet theo mẻ

Thực nghiệm được tiến hành như mô tả ở phần trên. Kết quả của thực

nghiệm Bio-toilet theo mẻ như sau:

3.2.1. Xác định pH tối ưu

Mỗi nhóm vi sinh vật sống trong môi trường pH nhất định, đa số thích hợp

pH trung tính. Tuy nhiên một số nhóm vi sinh vật lại sống trong môi trường axit

hoặc kiềm. Chính vì vậy, khi pH thay đổi thì sẽ ảnh hưởng đến vi sinh vật bởi vì

làm mất sự thăng bằng về trao đổi chất giữa môi trường và vi sinh vật dẫn đến vi

sinh vật bị tiêu diệt.

ŋ

44

Tiến hành thực nghiệm này để tìm được pH tối ưu cho sự phát triển của vi

sinh vật trong công nghệ Bio-toilet khô.

a. Vi sinh vật hiếu khí tổng số

Ở mô hình 1 (pH = 4) và mô hình 5 (pH = 10), số lượng vi sinh vật tăng nhẹ

trong hai tuần đầu làm thực nghiệm, nhưng đến tuần thứ ba thì có xu hướng giảm.

Điều đó chứng tổ rằng độ pH 4 và 10 không thích hợp cho sự phát triển của vi sinh

vật có trong chế phẩm BIOMIX 1.

Ở mô hình 3 (pH = 7), số lượng vi sinh vật tổng số tăng mạnh sau ba tuần

tiến hành thực nghiệm. Mô hình 2 (pH = 6) và mô hình 4 (pH= 8), số lượng vi sinh

vật cũng tăng dần sau ba tuần thực nghiệm, tuy nhiên không tăng nhiều như mô

hình 3 (pH = 7).

Bảng 3.1 - Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 2,7 x 108 3,1 x 108 3,7 x 108 2,1 x 108

Mô hình 2 2,5 x 108 4,2 x 108 1,1 x 109 4,3 x 109

Mô hình 3 2,8 x 108 7,2 x 108 5,0 x 109 4,4 x 1010

Mô hình 4 3,0 x 108 6,0 x 108 2,0 x 109 4,2 x 109

Mô hình 5 2,4 x 108 3,7 x 108 4,0x 108 3,2 x 108

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

45

Hình 3.2. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số

b. Vi sinh vật kỵ khí tổng số (tính theo CFU/g)

Ở mô hình 2 ( pH - 6) và mô hình 3 (pH = 7), số lượng vi sinh vật kỵ khí

tăng nhiều hơn các mô hình khác. Mở mô hình 5 (pH = 10), nhóm vi sinh vật kỵ khí

có xu hướng giảm sau ba tuần thực nghiệm, vì pH này không thích hợp cho sự phát

triển của vi sinh vật kỵ khí.

Bảng 3.2 - Vi sinh vật kỵ khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 1,7 x 106 2,0 x 106 2,5 x 106 3,0 x 106

Mô hình 2 2,0 x 106 4,2 x 106 1,0 x 107 3,1 x 107

Mô hình 3 2,4 x 106 1,8 x 107 4,3 x 107 5,9 x 107

Mô hình 4 2,5 x 106 3,5 x 106 8,3 x 106 1,9 x 107

Mô hình 5 1,8 x 106 2,0 x 106 1,6x 106 1,1 x 106

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

46

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.3. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số

c. Vi sinh vật phân giải xenluloza

Có rất nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải xenluloza, bao gồm các

loại nấm. vi khuẩn và xạ khuẩn. Và mỗi một loại lại có một pH tối ưu cho sự phát

triển của chúng.

Bảng 3.3 - Vi sinh vật phân giải xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu

Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 1,9 x 105 2,1 x 105 3,2 x 105 2,1 x 105

Mô hình 2 3,3 x 105 1,2 x 106 3,3 x 106 5,4 x 106

Mô hình 3 3,6 x 105 3,0 x 106 5,2 x 106 2,3 x 107

Mô hình 4 2,8 x 105 2,2 x 106 3,2 x 106 3,7 x 106

Mô hình 5 2,3 x 105 2,5 x 105 3,0x 105 2,6 x 105

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

47

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.4. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân giải xenluloza

Qua đồ thị ta có thể thấy ở mô hình 2 (pH= 6), mô hình 3 (pH = 7) và mô

hình 4 (pH = 8) số lượng vi sinh vật phân giải xenluloza tăng mạnh từ 105 CFU/g

lên 107 CFU/g, nhưng mô hình 3 là tăng nhiều nhất.

Ở mô hình 1 (pH = 4) và mô hình 5 (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 khiềm thì nhóm vi sinh vật phân giải xenluloza phát triển kém. Nhóm vi sinh

vật này phát triển tốt nhất ở pH trung tính.

Kết luận:

Qua kết quả thực nghiệm về sự biến đổi số lượng của nhóm vi sinh vật hiếu

khí tổng sổ, vi sinh vật kỵ khí, vi sinh vật phân giải xenluloza, nhận thấy ở khoảng

pH 6 đến 8 là phù hợp với sự phát triển của hệ vi sinh vật có trong chế phẩm

BIOMIX 1. Ở điều kiện pH này, hệ vi sinh vật trong chế phẩm tăng trưởng một

cách đáng kể về số lượng, thuận lợi cho quá trình phân huỷ chất thải sinh học trong

công nghệ Bio-toilet khô.

3.2.2. Xác định độ ẩm tối ưu

a. Vi sinh vật hiếu khí tổng số

Số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số tại mô hình 1 (độ ẩm 30%), mô hình 2

(độ ẩm 40%) và mô hình 5 (độ ẩm 70%) giữ ở mức duy trì 108 CFU/g. Tại mô hình

3 (độ ẩm 50% và mô hình 4 (độ ẩm 60%), số lượng vi sinh vật hiếu khí tăng, từ 108

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

48

CFU/g lên 1010 CFU/g. Lượng vi sinh vật tăng sẽ giúp cho quá trình phân huỷ chất

thải hữu cơ diễn ra thuận lợi.

Bảng 3.4 - Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu

Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 3,2 x 108 3,8 x 108 4,0 x 108 5,3 x 108

Mô hình 2 2,9 x 108 3,0 x 108 3,5 x 108 4,3 x 108

Mô hình 3 3,1 x 108 5,2 x 108 2,0 x 109 6,4 x 109

Mô hình 4 2,8 x 108 3,7 x 108 4,2 x 109 5,1 x 1010

Mô hình 5 2,5 x 108 2,7 x 108 5,0x 108 1,2 x 109

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.5. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số

b.Vi sinh vật kỵ khí tổng số

Nói chung là tăng, nhưng tăng nhẹ. Nhóm vi sinh vật kỵ khí chủ yếu và vi

khuẩn và xạ khuẩn. Các vi sinh vật này có khả năng phân huỷ tinh bột, xenluloza,

protein...mạnh mẽ. Chỉ có mô hình 3 và 4 (độ ẩm 50 - 60%) là lượng vi sinh vật kỵ

khí tăng nhiều hơn cả.

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

49

Bảng 3.5- Vi sinh vật kỵ khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm lấy

mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 1,5 x 106 3,2 x 106 4,1 x 106 5,9 x 106

Mô hình 2 1,8 x 106 2,5 x 106 3,5 x 106 4,1 x 106

Mô hình 3 2,3 x 106 3,1 x 107 4,2 x 107 5,0 x 107

Mô hình 4 2,1 x 106 7,5 x 106 3,8 x 107 4,6 x 108

Mô hình 5 1,6 x 106 1,8 x 106 2,2 x 106 3,1 x 106

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.6. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số

c. Nhóm vi sinh vật phân giải xenluloza

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

50

Tăng cao ở mô hình 3 và 4, tăng từ 105 CFU/g đến 107 CFU/g, chứng tỏ ở

độ ẩm 50 - 60%, nhóm vi sinh vật phân giả xenlulza phát triển tốt. Nhóm vi sinh vật

này phân giải các hợp chất xenluloza trong chất thải sinh học.

Bảng 3.6 - Vi sinh vật phân giải xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu

Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 1,8 x 105 2,1 x 105 3,2 x 105 4,0 x 105

Mô hình 2 3,1 x 105 1,1 x 106 3,5 x 106 5,3 x 106

Mô hình 3 3,8 x 105 3,0 x 106 5,2 x 106 2,3 x 107

Mô hình 4 2,6 x 105 3,2 x 106 7,2 x 106 3,0 x 107

Mô hình 5 2,4 x 105 2,6 x 105 3,0 x 105 3,3 x 105

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.7. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân giải xenluloza

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

51

Kết luận:

Qua kết quả thực nghiệm về sự biến đổi số lượng của nhóm vi sinh vật hiếu

khí tổng số, vi sinh vật kỵ khí, vi sinh vật phân giải xenluloza, nhận thấy ở khoảng

độ ẩm 50 - 60% là phù hợp với sự phát triển của hệ vi sinh vật có trong chế phẩm

BIOMIX 1.

3.2.3. Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu

Thực nghiệm được tiến hành với tỷ lệ phối trộn như đã trình bày ở trên, cùng

với điều kiện tối ưu về pH là 6 - 8 và độ ẩm khoảng 50 - 60%

a. Vi sinh vật hiếu khí tổng số (tính theo CFU/g)

Vi sinh vật hiếu khí tổng số thể hiện tổng số lượng vi sinh vật hiếu khí có

trong hỗn hợp thí nghiệm. Lượng vi sinh vật này tăng sẽ thuận lợi cho quá trình

phân huỷ chất thải sinh học trong công nghệ Bio-toilet khô.

Bảng 3.7- Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 5,2 x 104 6,8 x 104 5,0 x 104 9,1 x 103

Mô hình 2 2,3 x 105 1,8 x 106 3,1x 107 9,1 x 107

Mô hình 3 1,4 x 106 1,4 x 107 1,1 x 108 2,7 x 108

Mô hình 4 1,1 x 107 5,3 x 107 4,5 x 108 5,2 x 109

Mô hình 5 1,2 x 108 4,7 x 107 1,3 x 108 6,8 x 108

52

Ở mô hình 1 (không có chế phẩm vi sinh) thì lượng vi sinh vật tổng số

khoảng 104 CFU/g, đến tuần thứ 3 thì lượng vi sinh vật tổng số có xu hướng giảm.

Ở các mô hình thực nghiệm còn lại thì tổng số vi khuẩn hiếu khí tăng dần theo thời

gian, tuy nhiên ở tỷ lệ phối trộn 5% chế phẩm so với than cacbon hoá tre thì lượng

vi sinh vật tăng nhiều nhất, từ 107 CFU/g lên 109 CFU/g.

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.8. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số

b. Vi sinh vật kỵ khí tổng số

Nhóm vi sinh vật kỵ khí chủ yếu là vi khuẩn và xạ khuẩn. Các vi sinh vật này

có khả năng phân huỷ tinh bột, xenluloza, protein...mạnh mẽ.

Bảng 3.8 - Vi sinh vật kỵ khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 2,5 x 102 2,3 x 102 2,0 x 102 1,8 x 102

Mô hình 2 2,1 x 103 5,1` x 103 6,4x 103 1,4 x 104

Mô hình 3 5,5 x 103 2,8 x 104 3,1 x 104 1,4 x 105

Mô hình 4 3,3 x 104 2,9 x 105 1,6 x 106 1,9 x 107

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

53

Mô hình 5 1,4 x 105 3,7 x 105 4,3 x 105 4,8 x 105

Ở hầu hết các mô hình thực nghiệm, lượng vi sinh vật kỵ khí đều tăng nhưng

ở các mức độ khác nhau. Tăng nhiều nhất là mô hình 4 (tỉ lệ chế phẩm so với giá

thể là 5%).

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.9. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số

c. Vi sinh vật phân giải Xenlulza

Nhóm vi sinh vật phân giải xenluloza bao gồm chủ yếu là vi khuẩn, xạ khuẩn

và nấm. Trong chế phẩm BIOMIX 1 chúng tôi sử dụng thì có chứa chủ yếu là các

chủng vi khuẩn Bacillus Subtilis và các chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces.

Ở mô hình 1, không bổ sung chế phẩm nên số lượng vi sinh vật phân giải

xanluloza rất ít, chỉ khoảng 102 CFU/g. Còn ở mô hình 2, 3, và 5, lượng vi sinh vật

phân giải xenluloza có tăng nhưng tăng ít. Mô hình 4 (tỉ lệ chế phẩm so với giá thể

là 5%), số lượng vi sinh vật phân giải xenluloza tăng từ 105 CFU/g lên 108 CFU/g,

thuận lợi cho quá trình phân huỷ hợp chất xenluloza có trong chất thải sinh học.

Bảng 3.9 - Vi sinh vật phân giải Xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu

Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

54

Mô hình 1 4,3 x 102 4,0 x 102 3,5 x 102 2,9 x 102

Mô hình 2 4,1 x 103 5,1` x 103 2,1x 104 5,4 x 104

Mô hình 3 2,1 x 104 2,4 x 104 1,5 x 105 1,8 x 105

Mô hình 4 2,4 x 105 2,5 x 106 1,8 x 107 2,3 x 108

Mô hình 5 1,1 x 106 4,7 x 106 6,3 x 106 2,8 x 107

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.10. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân hủy xenluloza

d. Tổng Coliform

Sau 3 tuần tiến hành thực nghiệm, tổng Coliform thuộc nhóm vi sinh vật gây

bệnh giảm đáng kể. Tuy nhiên ở mô hình 4 với tỉ lệ phối trộn giữa chế phẩm vi sinh

với than cacbon hóa tre là 5% thì tổng Coliform giảm mạnh, từ 104 CFU/g xuống

còn 101 CFU/g. Điều này chứng tỏ sự hiệu quả của chế phẩm vi sinh BIOMIX 1

trong công nghệ xử lý chất thải sinh học.

Bảng 3.10 - Tổng coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 2,5 x 104 2,3 x 104 2,0 x 104 1,8 x 104

Mô hình 2 2,1 x 104 1,5` x 104 5,0x 103 3,0 x 103

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

55

Mô hình 3 1,7 x 104 5,5 x 103 2,9 x 103 9,3 x 102

Mô hình 4 2,6 x 104 8,0 x 103 9,7 x 102 9,7 x 101

Mô hình 5 1,9 x 104 3,1 x 103 1,6 x 103 3,2 x 102

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.11. Sự biến đổi của chỉ số Total Coliform

e. Fecal Coliform

Tương tự như Tổng Coliform, lượng Fecal Coliform cũng giảm

nhiều, chứng tỏ vi khuẩn gây bệnh đường ruột Ecoli cũng bị giảm khi sử dụng chế

phẩm BIOMIX 1.

Bảng 3.11- Chỉ số Fecal Coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

56

Mô hình 1 230 200 180 140

Mô hình 2 250 230 160 78

Mô hình 3 200 180 110 50

Mô hình 4 270 150 47 8

Mô hình 5 260 180 97 42

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.12. Sự biến đổi của chỉ số Fecal Coliform

f. Chỉ số Salmonella

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

cách đáng kể, nhất là đối với mô hình 4 (tỉ lệ chế phẩm vi sinh so với giá thể là 5%).

Bảng 3.12- Chỉ số Salmonella của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

57

Mô hình 1 4,0 x 105 1,5 x 105 6,9 x 104 3,4 x 104

Mô hình 2 6,5 x 105 2,3 x 105 5,6 x 104 6,2 x 103

Mô hình 3 3,6 x 105 5,3 x 104 2,0 x 103 1,6 x 102

Mô hình 4 5,0 x 105 6,5 x 103 180 8

Mô hình 5 3,8 x 105 1,0 x 104 1,7 x 103 86

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.13. Sự biến đổi của chỉ số Salmonella

Kết luận:

Qua các số liệu khảo sát trên các mô hình thí nghiệm bio-toilet khô theo mẻ,

chúng tôi thấy rằng mô hình 4 là tối ưu nhất.

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

58

Hình 3.14. Khuẩn lạc của vi khuẩn Salmonella trên môi trường XLT4

Ở mô hình mô hình 4, số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số, kỵ khí và vi sinh

vật phân giải xenluloza tăng mạnh, đồng thời số lượng vi sinh vật gây bệnh như

Total-Coliform, Fecal-Coliform, Salmonella giảm đáng kể. Tỷ lệ phối trộn của mô

hình 4 như sau:

- Giá thể vi sinh : 3,6kg

- Chế phẩm vi sinh : 0,18 kg (5% so với lượng giá thể)

- Phân : 0,2 kg

- Nước tiểu : 0,3 lít

- pH : 6 ÷ 8

- Độ ẩm : 50 ÷ 60%

3.3. Kết quả thực nghiệm bio-toilet khô liên tục

Thực nghiệm được tiến hành như mô tả ở trên. Từ kết quả thực nghiệm

này, chúng tôi có được thông số về tốc độ khuấy phù hợp. Kết quả như sau:

a. Nhiệt độ

Yếu tố nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của các

nhóm vi sinh vật. Nhiệt độ của hỗn hợp nhóm nghiên cứu đo tại các thời điểm dao

động trong khoảng từ 26-30oC. Đa số các nhóm vi sinh vật vẫn phát triển tốt trong

khoảng nhiệt độ này.

b. Vi sinh vật hiếu khí tổng số

Vi sinh vật hiếu khí tổng số thể hiện lượng vi sinh vật hiếu khí có trong hỗn

hợp thí nghiệm. Trong mô hình thí nghiệm bio-toilet liên tục, chất thải được bổ

59

sung hàng ngày. Chính vì vậy mà lượng vi sinh vật tổng số cũng tăng vì bản thân

trong chất thải cũng có một lượng vi sinh vật nhất định.

Hình 3.15. Lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số (độ pha loãng10-4)

Lượng vi sinh vật tổng số trong mô hình 3 tăng nhiều nhất, đó chính là các

nhóm vi sinh vật có lợi cho quá trình phân hủy chất thải sinh học như nhóm vi sinh

vật phân hủy xenluloza, tinh bột, protein…, các nhóm vi sinh vật gây ức chế và tiêu

diệt các vi sinh vật gây bệnh như Ecoli, Salmonella…

Lượng vi sinh vật tăng sẽ giúp cho quá trình phân hủy chất thải hữu cơ diễn ra

thuận lợi.

Bảng 3.13- Vi sinh vật hiếu khí tổng số của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 2,6 x 108 2,9 x 108 3,5 x 108 3,5 x 108

Mô hình 2 2,8 x 108 4,5 x 108 1,3 x 109 4,0 x 109

Mô hình 3 2,4 x 108 6,9 x 108 5,1 x 109 4,8 x 1010

Mô hình 4 3,2 x 108 6,1 x 108 2,4 x 109 4,7 x 109

Mô hình 5 2,5 x 108 4,0 x 108 4,2 x 109 3,7 x 109

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

sau 1 tuần sau 2 tuần

60

Hình 3.16. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số

c. Vi sinh vật kỵ khí tổng số

Vi sinh vật kỵ khí tổng số là tổng lượng vi sinh vật kỵ khí có trong hỗn hợp thí

nghiệm. Nhóm vi sinh vật này chủ yếu là vi khuẩn và xạ khuẩn, phân hủy

xenluloza, tinh bột và protein.

Ở mô hình 1, do không bổ sung chế phẩm vi sinh nên lượng vi sinh vật kỵ khí

có xu hướng giảm dần. Các mô hình còn lại, lượng vi sinh vật kỵ khí tăng nhẹ, chỉ

có mô hình 3 thì lượng vi khuẩn kỵ khí tăng nhiều hơn cả, tăng từ 106 CFU/g lên

108 CFU/g.

Bảng 3.14- Vi sinh vật kỵ khí của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu

Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 1,8 x 106 2,1 x 106 2,7 x 106 3,5 x 106

Mô hình 2 2,2 x 106 4,2 x 106 5,3 x 106 6,5 x 106

Mô hình 3 2,6 x 106 1,9 x 107 4,5 x 107 2,1 x 108

Mô hình 4 2,7 x 106 3,6 x 106 8,6 x 106 2,2 x 107

Mô hình 5 1,9 x 106 2,5 x 106 3,0 x 106 3,8 x 106

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

61

Hình 3.17. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật kỵ khí tổng số

d. Vi sinh vật phân giải Xenluloza

Nhóm vi sinh vật phân giải xenluloza tăng rõ rệt ở mô hình 3 với tốc độ

khuấy 30 phút/lần. Nhóm vi sinh vật phân giải xenluloza chủ yếu là các xạ khuẩn

thuộc chi Streptomyces, thuộc nhóm vi sinh vật hiếu khí.

Bảng 3.15- Vi sinh vật phân giải xenluloza của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 2,0 x 105 2,7 x 105 3,4 x 105 3,8 x 105

Mô hình 2 2,8 x 105 8,3 x 105 1,2 x 106 3,4 x 106

Mô hình 3 4,0 x 105 2,3 x 106 5,4 x 106 3,6 x 107

Mô hình 4 2,5 x 105 5,6 x 105 1,9 x 106 3,8 x 106

Mô hình 5 3,8 x 105 5,3 x 105 8,5 x 105 2,7 x 106

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

62

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.18. Sự biến đổi số lượng vi sinh vật phân giải Xenlulloza

e. Tổng Coliform)

Ở mô hình 1 không bổ sung chế phẩm vi sinh, trong khi lượng chất thải vẫn

bổ sung liên tục hàng ngày nên tổng Coliform tăng dần theo thời gian.

Sau 3 tuần tiến hành thực nghiệm, tổng Coliform 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 của người. Trong đó tổng Coliform ở mô

hình 3 giảm nhiều nhất từ 104 xuống còn 52 CFU/g.

Bảng 3.16- Tổng Coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g

Thời điểm

lấy mẫu

Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 2,7 x 104 3,0 x 104 3,2 x 104 3,4 x 104

Mô hình 2 2,5 x 104 1,4 x 104 4,0 x 103 2,2 x 103

Mô hình 3 2,8 x 104 7,6 x 103 780 52

Mô hình 4 1,8 x 104 5,7 x 103 3,0 x 103 640

Mô hình 5 2,1 x 104 3,3 x 103 1,4 x 103 350

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

63

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.19. Sự biến đổi của chỉ số Total Coliform

f. Fecal Coliform

Tương tự như tổng Coliform, lượng Fecal Coliform cũng giảm nhiều, chứng

tỏ vi khuẩn gây bệnh đường ruột Ecoli cũng bị giảm khi sử dụng chế phẩm

BIOMIX 1.

Bảng 3.17- Chỉ số Fecal Coliform của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 240 270 280 300

Mô hình 2 250 210 150 75

Mô hình 3 280 140 35 6

Mô hình 4 220 200 120 42

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

64

Mô hình 5 270 170 68 37

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.20. Sự biến đổi của chỉ số Fecal Coliform

g. Chỉ tiêu Salmonella

Chỉ số Salmonella trong tất cả các mô hình đều giảm, tuy nhiên lượng vi sinh

vật gây bệnh Salmonella trong mô hình 3 giảm nhiều nhất.

Bảng 3.18- Chỉ tiêu Salmonella của hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau

(tính theo CFU/g)

Thời điểm

lấy mẫu Lúc 0 giờ Sau 6 ngày Sau 12 ngày Sau 18 ngày

Mô hình 1 3,9 x 105 5,5 x 105 6,7 x 105 7,4 x 105

Mô hình 2 4,5 x 105 2,7 x 105 5,4 x 104 5,7 x 103

Mô hình 3 5,2 x 105 5,5 x 104 40 22

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

65

Mô hình 4 3,7 x 105 5,4 x 104 2,6 x 103 1,8 x 102

Mô hình 5 4,7 x 105 3,5 x 104 1,8 x 103 2,1 x 102

Sự biến đổi về số lượng vi sinh vật được thể hiện ở đồ thị sau:

Hình 3.21. Sự biến đổi của chỉ số Salmonella

Kết luận:

Qua các số liệu khảo sát trên các mô hình thí nghiệm bio-toilet khô liên

tục, nhận thấy thấy mô hình thí nghiệm 3 là tối ưu nhất. Lượng vi sinh vật phân hủy

chất thải sinh học tăng đáng kể, tăng khoảng 10-100 lần, đồng thời lượng vi khuẩn

gây bệnh như Total-Coliform, Fecal-Coliform, Salmonella cũng giảm mạnh. Tổng

hợp kết quả nghiên cứu cho thấy các thông số công nghệ tối ưu khi tiến hành thực

nghiệm bio-toilet khô liên tục như sau:

- Tốc độ khuấy trộn phù hợp là 30 phút/lần

- Thời gian phân hủy khoảng 14-18 ngày

3.4. Kết quả thực nghiệm đo khí ở nhà vệ sinh sinh thái (Bio-

toilet)

Số lư

ợng

vi si

nh v

ật

66

Với những kết quả nghiên cứu tối ưu nhất như ở trên, Viện công nghệ

môi trường tiến hành sản xuất thử nghiệm một nhà vệ sinh dùng công nghệ Bio-

toilet đặt tại một công trường đang thi công số 18 đường Thụy Khuê Hà Nội với

công suất 30 đến 50 lượt sử dụng một ngày nhằm đánh giá thêm hiệu quả xử lý chất

thải trong mô hình Bio-toilet khô. Với kết quả thu

được như sau:

Bảng 3.19. Kết quả đo H2S và NH3 sau 1 tuần sử dụng

Kết quả (μg/m3) Stt Điểm đo khí

H2S NH3

1 Trong toilet <10 421

2 Đầu ra quạt hút <10 333

3 Ngoài toilet <10 556

QCVN 06:2009/BTNMT 42 200

Từ kết quả bảng 3.19 mùi H2S hoàn toàn không có, chứng tỏ rằng vi sinh vật

hoạt động rất có hiệu quả, nhưng bên cạnh đó mùi NH3 vẫn chưa đạt quy chuẩn Việt

Nam. Có thể mô hình này mới hoàn toàn, chưa quen thuộc đối với người sử dụng

nên trong lúc thực hiện có thể rơi rớt ra phía bên ngoài.

Bảng 3.20. Kết quả đo H2S và NH3 sau 1 tháng sử dụng

Kết quả (μg/m3) Stt Điểm đo khí H2S NH3

1 Trong toilet <10 92

2 Đầu ra quạt hút <10 162

3 Ngoài toilet <10 49

QCVN 06:2009/BTNMT 42 200

Bảng 3.22. Nhà vệ sinh sinh thái

67

Từ bảng 3.20, chứng tỏ rằng vi sinh vật bám dính lên than cacbon hoá hoạt

động hết sức mạnh mẽ. Chúng đã giải quyết triệt để mùi H2S và NH3, góp phần vô

cùng quan trọng nhằm giải quyết những vấn đề bức xúc hiện nay ở các nhà vệ sinh

công cộng.

3.5. Cách thức vận hành bio-toilet khô

Dựa trên các kết quả chính của việc tính toán, thiết kế mô hình thí nghiệm, các

quá trình thực nghiệm bio-toilet khô theo mẻ và liên tục, cách thức vận hành

bio-toilet được tiến hành theo các bước sau:

Bước 1: Trộn chế phẩm vi sinh với nước cho đủ độ ẩm khoảng 50-60%, sau

đó trộn cùng với than cacbon hóa tre. Hỗn hợp được đưa vào thùng chứa qua cửa

tiếp liệu, ủ 3 ngày ở nhiệt độ 25-30oC để vi sinh phát triển và bám dính lên giá thể.

Bước 2: Bổ sung chất thải vào thiết bị bio-toilet.

Bước 3: Đặt tốc độ khuấy trộn là 30 phút/lần.

68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận:

Công nghệ Bio-toilet khô có khả năng ứng dụng rộng rãi do các ưu điểm như

tiết kiệm 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 thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm bio-toilet theo mẻ và liên tục, đã

xác định được các thông số công nghệ tối ưu cho bio-toilet khô trong điều kiện khí

hậu miền Bắc Việt Nam như sau:

- Tỷ lệ phối trộn của giá thể, chế phẩm vi sinh và lượng chất thải tương

ứng là 3,6 kg giá thể; 0,18 kg chế phẩm vi sinh (5% so với giá thể), 0,2

kg phân; 0,3 lít nước tiểu; pH = 6 ÷ 8; độ ẩm 50 ÷ 60%

- Tốc độ khuấy trộn phù hợp là 30 phút/lần.

- Vi sinh vật ức chế vi khuẩn gây bệnh như tổng Coliform, Fecal-Coliform,

Salmonella tăng từ 10 - 120 lần trong mô hình Bio-toilet liên tục và theo

mẻ.

- Giải quyết triệt để mùi gây hôi thối NH3 và H2S.

Kiến nghị:

+ Tiếp tục nghiên cứu thêm các giải pháp cải tiến nhà vệ sinh sinh thái Bio-

toilet phù hợp với nhu cầu của người sử dụng. Từ một nhà vệ sinh phải sử dụng

điện để chạy động cơ khuấy đảo sang nhà vệ sinh thông minh hơn như khuấy đảo

ngay từ lúc đi vào thông qua cánh cửa ra vào.

+ Đưa ứng dụng Bio-toilet khô vào sử dụng thực tế, trước mắt phục vụ cho

những nơi có lễ hội, khách du lịch tham quan, nhất là ở thủ đô Hà Nội.

69

Tài liệu tham khảo

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

70

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.

71

PHỤ LỤC

MỘT SỐ HÌNH ẢNH HOẠT ĐỘNG TRONG QUÁ TRÌNH

THỰC HIỆN LUẬN VĂN

Đo khí H2S, NH3 ở lỗ thông hơi Đo khí H2S, NH3 trong Bio-toilet

Kiểm tra mật độ vi sinh

72

Nuôi cấy vi sinh

KẾT QUẢ KIỂM TRA H2S VÀ NH3

73