Luận văn 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

n 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 + PO42-  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