Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng than cacbon hóa làm giá thể sinh học trong mô hình Bio-toilet nhằm cải thiện môi trường nước ở Việt Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của đề tài: Tổng quan những nghiên cứu về công nghệ Bio-toilet khô trong nước và trên thế giới; nghiên cứu, chế tạo, thực nghiệm công nghệ Bio-toilet khô quy mô phòng thí nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng than cacbon hóa làm giá thể sinh học trong mô hình Bio-toilet nhằm cải thiện môi trường nước ở Việt Nam

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 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 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 2
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 3
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 4
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 5
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 6
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 -4 Hình 3.15. Lượng vi sinh vật khiếu khí tổng số (độ pha loãng 10 )........................ 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 7
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] 8
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. 9
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 < 10
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. 11
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]. 12
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. 13
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 14
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 15
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 16
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 Tỷ trọng, Diện tích bề Độ rỗng, (mm) kg/m3 mặt, m2/m3 % Đá cuội - Nhỏ 25,4 - 63.5 1249 - 1442 56 - 69 40 - 50 - Lớn 102 – 127 800 - 994 39 - 164 50 - 60 Xỉ lò cao - Nhỏ 50 - 76 881 - 1201 56 - 69 40 - 50 - Lớn 76 – 127 800 - 994 45 - 60 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. 17
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 Tỷ trọng, Diện tích bề Độ rỗng (mm) kg/m3 mặt, m2/m3 (%) Chất dẻo (tấm): - Thông 610 x 610 x 32 - 96 79 - 98 94 - 97 thường 1220 32 - 96 98 - 197 94 - 97 - Bề mặt riêng 610 x 610 x cao 1220 1220 x 1220 x Gỗ đỏ 144 - 176 39 - 49 70 - 80 508 Quả cầu chất dẻo 25.4 - 90 48 - 96 125 - 279 90 - 95 18
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, 19
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. 20