Tài liệu 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- HOÀNG LƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THAN CACBON HOÁ LÀM GIÁ THỂ SINH HỌC TRONG MÔ HÌNH BIO-TOILET NHẰM CẢI THIỆN MÔI TRƢỜNG NƢỚC Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- HOÀNG LƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THAN CACBON HOÁ LÀM GIÁ THỂ SINH HỌC TRONG MÔ HÌNH BIO-TOILET NHẰM CẢI THIỆN MÔI TRƢỜNG NƢỚC Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng Mã số: 608502 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH VĂN TUYÊN Hà Nội - 2012 2 MỤC LỤC Tr. MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................ 24 2.1. Đối tƣợng 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 phƣơng 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 CHƢƠNG 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 4 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 nƣớc tiểu............................................................ 24 Bảng 2.2. Bảng công thức phối trộn xác định tối ƣu................................................... 30 Bảng 2.3. Bảng công thức phối trộn xác định độ ẩm tối ƣu.......................................... 31 Bảng 2.4. Bảng công thức phối trộn xác định tỉ lệ phối trộn tối ƣu............................... 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 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 5 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 nƣớc 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 đƣợc cacbon hoá......................... 13 Hình 1.10. Vật liệu đệm từ tre sau khi đƣợc cacbon hoá..................................... 13 Hình 1.11. Tre cắt khúc trƣớc 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 Hình 3.2. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật hiếu khí tổng số................................ 38 Hình 3.3. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật kỵ khí tổng số................................... 39 Hình 3.4. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật phân giải xenluloza......................... 40 Hình 3.5. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật hiếu khí tổng số................................ 42 Hình 3.6. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật kỵ khí tổng số.................................. 43 Hình 3.7. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật phân giải xenluloza........................... 44 Hình 3.8. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật hiếu khí tổng số................................ 45 Hình 3.9. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật kỵ khí tổng số................................... 46 Hình 3.10. Sự biến đổi số lƣợng 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 trƣờng XLT4............. 51 Hình 3.15. Lƣợng vi sinh vật khiếu khí tổng số (độ pha loãng 10-4).................. 52 Hình 3.16. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật hiếu khí tổng số............................. 53 6 Hình 3.17. Sự biến đổi số lƣợng vi sinh vật kỵ khí tổng số................................ 54 Hình 3.18. Sự biến đổi số lƣợng 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 7 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 To: Nhiệt độ VSV: vi sinh vật 8 MỞ ĐẦU Công nghệ Bio-toilet khô đã đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới. Công nghệ này đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi nhƣ một phần của mục tiêu phát triển bền vững quốc gia và thế giới vì tiết kiệm đƣợc tài nguyên nƣớc, một nguồn tài nguyên quý giá ngày càng khan hiếm. Có nhiều tổng kết chỉ ra rằng, 21% lƣợng nƣớc sinh học của con ngƣời dùng vào việc xả toilet và nƣớc thải này có thể gây ô nhiễm nguồn nƣớc mặt [11]. Vì vậy mà công nghệ Bio-toilet khô là sự lựa chọn thích hợp để thay thế công nghệ toilet xả nƣớc hiện nay. Các ƣu điểm của công nghệ Bio-toilet khô là: - Tiết kiệm nguồn nƣớc - Xây dựng đơn giải và vận hành dễ dàng nên rất thích hợp với những vùng xa xôi, biệt lập và xa nguồn nƣớc. - Không cần những đƣờng ống nƣớc phức tạp - Không gây ô nhiễm nguồn nƣớc, 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 nƣớc. Do đó các chất dinh dƣỡng sẽ quay trở lại vòng tuần hoàn vật chất mà không gây ô nhiễm môi trƣờng. [10] Toilet khô không chỉ dùng phổ biến ở các nƣớc đang phát triển, thiếu nƣớc sinh hoạt mà cũng đƣợc dùng ở các nƣớc phát triển tại những nơi xa nguồn nƣớc nhƣ 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 thƣờng đến trƣợt tuyết, công viên quốc gia Cairngorms của Scotland ngƣời ta cũng xây toilet khô cho khách du lịch.[10,6] Tại Việt Nam, năm 1961, các vùng nông thôn, từ nhà tiêu cầu, hôi thối, ô nhiễm môi trƣờng nƣớc, môi trƣờng đất, ruồi nhặng đã đƣợc thay bằng nhà tiêu hai ngăn, một ngăn ủ, một ngăn sử dụng. Dạng hố tiêu này, phân đƣợc 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 9 thấp, do chi phí xây dựng thấp, đơn giản. Tuy nhiên, dạng nhà vệ sinh 2 ngăn này có đƣợc cải thiện, song mùi hôi thối, ruồi nhặng vẫn còn rất phố biến. Hiện nay, trong nƣớc 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 trƣờng xử lý chất thải. Dƣới những điều kiện thích hợp đƣợc chủ động tạo ra, vi sinh vật sẽ phân huỷ các chất hữu cơ thành hơi nƣớc và CO2 ( thoát ra bên ngoài ống hơi). Công nghệ này không sử dụng nƣớc, chất thải đƣợc 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 trƣờng nƣớc 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 nƣớc 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 đƣợc tỷ lệ phối trộn của giá thể, chế phẩm vi sinh và lƣợng 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 ƣu nhƣ thời gian phân huỷ, tốc độ khuấy, cách thức vận hành. 10 CHƢƠNG 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 trƣờng xử lý chất thải. Dƣới những điều kiện thích hợp đƣợc chủ động tạo ra, vi sinh vật sẽ phân huỷ chất thải thành hơi nƣớc 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 CO 2 và hơi nƣớc. Các chất này sẽ quay trở lại vòng tuần hoàn vật chất mà không gây ô nhiễm môi trƣờng. 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 đƣợc máy trộn đều với hỗn hợp phụ gia trong khoang xử lý nhằm: tăng cƣờng tiếp xúc giữa chất thải với vi sinh vật, cấp thêm oxy cho vi sinh vật, tăng tốc độ bay hơi nƣớc. Khi duy trì nhiệt độ trong khoảng 35 - 45oC, độ ẩm < 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 nƣớc và khí CO2. Nhiệt lƣợng và vi sinh ƣa nhiệt sẽ ức chế và tiêu diệt các loại khuẩn có hại Ecoli, Coliform trong chất thải. 11 Khoảng 5% chất thải rắn là những chất chậm phân huỷ sẽ tích tụ dần trong hỗn hợp phụ gia chất thải và đƣợc thay định kỳ. Các điều kiện cần thiết trong Boi-toilet đƣợc cài đặt vận hành tự động. 1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của Bio-toilet Ƣu điểm của công nghệ Bio-toilet khô: - Sử dụng công nghệ Bio-toilet khô giúp tiết nghiệm nguồn nƣớc. - Thiết kế linh hoạt, dễ vận hành, không cần những đƣờng ống nƣớc phức tạp nên dùng đƣợc ở những vùng xa xôi, xa nguồn nƣớc rất phù hợp. - Sử dụng Bio-toilet giúp tránh xả thải, cho phép xử lý hợp vệ sinh, không gây ô nhiễm nguồn nƣớc nên ngăn ngừa đƣợc bệnh tật và giảm các nguy cơ ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ của con ngƣời. - Chất thải sau khi phân huỷ sinh học đƣợc thu gom và có thể sử dụng để sản xuất phân bón. Phân trộn từ Bio-toilet làm tăng sản lƣợng 10 - 15% so với phân bón hoá học, giúp tăng thu tiền mặt cho hộ nông dân. Nhƣợc 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 nhƣ 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 thƣờng 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 nhƣợc điểm lớn của Bio-toilet khô là Bio-toilet khô đòi hỏi phải có cả phân và nƣớc tiểu nếu chỉ có nƣớc tiểu không thì vi sinh vật rất khó hoạt động. 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 nƣớc. Do đó các chất dinh dƣỡng sẽ quay trở lại vòng tuần hoàn vật chất mà không gây ô nhiễm môi trƣờng [10]. Thấy đƣợc lợi ích của công nghệ toilet khô, Hiệp hội toàn cầu về toilet khô ở Phần 12 Lan ( The Global Dry Toilet Association of Finland) đã đƣợc thành lập năm 2002 nhằm tăng cƣờng đƣa 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 đƣợc xuất bản là một phần của dự án " Toilet khô - một phần trong quản lý nƣớc và nƣớc thải Châu Âu" ( Dry toilets as of European water and waste water management). Dự án đƣợc 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 nƣớc sạch. Ví dụ nhƣ tại một số thị trấn của Namibia - Châu Phi đã đƣợc tài trợ để xây dựng các nhà vệ sinh ứng dụng công nghệ toilet khô và cho kết quả tốt [10]. Tajikistan là một nƣớc 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 đƣợc tiếp cận với nƣớc sạch, còn hầu hết họ sử dụng nguồn nƣớc từ sông, hồ, ao, giếng khoan hay các nguồn nƣớc không an toàn khác. Chỗ đi vệ sinh của họ chỉ là những hố đào, đƣợc che chắn một cách cẩu thả, nguy cơ mất vệ sinh, ảnh hƣởng đến sức khoẻ là rất lớn. Đặc biệt, khoảng 140 trƣờng 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 13 sinh thông qua trƣờng học" ( Sanitation and Hygiene Promotion through schools). Dự án đã xây cho 70 trƣờng học và 500 hộ gia đình nhà vệ sinh kiểu giật nƣớc. 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 đƣợc, một trong những nguyên nhân là thiếu nƣớc. Năm 2008, Bộ Ngoại thƣơng Hà Lan đã tài trợ cho Tajikistan xây thí điểm 43 toilet dạng khô. Đến nay, các toilet này vẫn đƣợc sử dụng và nhân dân trong vùng còn dùng chất thải sau khi phân huỷ sinh học nhƣ 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 ngƣời 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 nƣớc 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 ngƣời dân Pakistan. Hình 1.4. Bio-toilet ở Namibia (Châu Phi) 14 Ngoài ra, tại các nƣớc nhƣ Ấn Độ, Bangladesh, Mexico...toilet khô cũng đƣợc dùng phổ biến tại vùng nông thôn. Đặc biệt, tại Mông Cổ cũng xây dựng thử nghiệm toilet khô tại khu chung cƣ cao tầng. Chất thải sau khi phân huỷ sinh học đƣợc thu gom và đƣa về nhà máy sản xuất phân bón. Tuy nhiên, toilet khô không chỉ đƣợc dùng phổ biến ở các nƣớc đang phát triển, thiếu nƣớc sinh hoạt mà cũng đƣợc dùng ở các nƣớc phát triển tại những nơi xa nguồn nƣớc nhƣ 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 đƣợc xây dựng với lƣu lƣợt ngƣời sử dụng không quá lớn. Còn đối với những nơi mà có lƣu lƣợng ngƣời sử dụng lớn nhƣ Vƣờn Bách Thú Nhật Bản, các nhà khoa học Nhật Bản đã nghiên cứu mô hình Bio-toilet khô 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 đƣợc công ty đƣờng 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 đƣờng 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 trƣớc khi cân nhắc để đƣa vào ứng dụng rộng rãi. 15 Theo các nghiên cứu của các nhà khoa học thế giới, trong quá trình vận hành Bio-toilet khô, các loại vi khuẩn đƣờng ruột nhƣ Ecoli và Salmonella luôn có mặt trong bể chứa chất thải vì phân và nƣớc tiểu đƣợc ngƣời sử dụng bổ sung liên tục. Tuy nhiên, để tăng cƣờng 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 nƣớc. Năm 1961, các vùng nông thôn, từ nhà tiêu cầu, hôi thối, ô nhiễm môi trƣờng nƣớc, môi trƣờng đất, ruồi nhặng đã đƣợc thay bằng nhà tiêu hai ngăn, một ngăn ủ, một ngăn sử dụng. Dạng hố tiêu này, phân đƣợc 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 nhƣ 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 nhà vệ sinh khu vực hồ Tây, đƣờng Láng, Giảng Võ, Phùng Hƣng, Tây Sơn....tất cả đều chung tình trạng là bẩn, mùi nồng nặc, không có nƣớc để xả và rửa tay. Vì vậy, áp dụng công nghệ Bio-toilet tại Việt Nam sẽ giải quyết đƣợc những vấn đề khó khăn trên, đảm bảo vệ sinh, mỹ quan đô thị. Hiện nay, trong nƣớc 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 trƣờng xử lý chất thải. Dƣới những điều kiện thích hợp đƣợc chủ động tạo ra, vi sinh vật sẽ phân huỷ chất hữu cơ thành hơi nƣớc và CO2 ( thoát ra bên ngoài ống hơi). Công nghệ này không sử dụng nƣớc, chất thải đƣợc phân huỷ thành những chất không mùi, vô hại. 16 Công nghệ Bio-toilet với ƣu thế hoàn toàn không mùi, không dùng nƣớc, không dùng hoá chất và thân thiện môi trƣờng sẽ là giải pháp cho những nhà vệ sinh trong những khu phố cổ, hệ thống đƣờng sắt và những khu vệ sinh công cộng tại những điểm du lịch của Việt Nam. Viện Công nghệ môi trƣờng - 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 nƣớc 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 đƣợc phân huỷ dƣới tác dụng của nhiệt [7]. Viện Công nghệ môi trƣờng 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 lƣợng TOC ( total Organic Cacbon, tổng cacbon hữu cơ) của than tre rất cao (khoảng 80 - 90% khối lƣợng). Diện tích bề mặt của than tre >300 m2/g, kích thƣớc mao quản khoảng 10 - 20 μm rất thích hợp cho vi sinh vật sinh trƣởng và phát triển. Tại Việt Nam, ngoài vấn đề công nghệ cần nghiên cứu cho phù hợp với điều kiện sinh trƣởng 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. Ngƣời 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 nhƣ không vứt túi nilon, bao bì và những chất không có nguồn gốc hữu cơ, không dội nƣớc vào bể chứa chất thải...Do đó, việc thiết kế Bio-toilet khô cho phù hợp với thói quen của ngƣời Việt Nam là rất quan trọng. Vấn đề quản lý, vận hành và bảo dƣỡng tại Việt Nam sẽ càng khó khăn hơn khi ngƣời sử dụng không hợp tác với cơ quan quản lý. Ngoài ra, việc vận hành Bio-toilet khô không thể thiếu đƣợc máy khuấy đảo để tăng cƣờng 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 lƣợn,… 17 Trƣớc đây, giá thể sinh học thƣờng có nguồn gốc tự nhiên. Sau này, khi trình độ khoa học kỹ thuật phát triển giá thể sinh học đƣợc sản xuất bằng chất dẻo, plastic có độ bền và diện tích bề mặt lớn. Các loại đá đƣợc chọn là giá thể sinh học thƣờng là đá cục có kích thƣớc trung bình 60 - 100mm. Nếu kích thƣớc hạt vật liệu nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thƣớc 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 Đá cuội - Nhỏ - Lớn Xỉ lò cao - Nhỏ - Lớn Kích thƣớc (mm) Tỷ trọng, kg/m3 Diện tích bề mặt, m2/m3 Độ rỗng, % 25,4 - 63.5 102 – 127 1249 - 1442 800 - 994 56 - 69 39 - 164 40 - 50 50 - 60 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) lƣợn sóng hoặc gấp nếp đƣợc xếp thành những khối bó chặt đƣợc gọi là modun vật liệu. Các modun này đƣợc xếp trên giá đỡ, khối lƣợng của vật liệu giảm đi nhiều. Những thập niên gần đây, do kỹ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC (polyvinyl clorit), PP (polypropylen) đƣợc làm thành tấm lƣợn 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 trƣờng đáp ứng đƣợc các yêu cầu sau: - Diện tích riêng lớn, thay đổi từ 80 - 220 m2/m3. - Chỉ số chân không cao để tránh lắng đọng (thƣờng cao hơn 99%). - Có độ bền cơ học đủ lớn. Khi làm việc, vật liệu dính màng sinh học ngậm nƣớc nặng tới 300 - 350 kg/m3. Để tính toán, giá đỡ thƣờng lấy giá trị an toàn là 500 kg/m3. - Ổn định hóa học. 18 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 đƣợc xác định bằng tỉ số giữa diện tích bề mặt/thể tích, trọng lƣợng/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 Chất dẻo (tấm): - Thông thƣờng - Bề mặt riêng cao Gỗ đỏ Quả cầu chất dẻo Kích thƣớc (mm) Tỷ trọng, kg/m3 Diện tích bề mặt, m2/m3 Độ rỗng (%) 610 x 610 x 1220 610 x 610 x 1220 1220 x 1220 x 508 25.4 - 90 32 - 96 32 - 96 79 - 98 98 - 197 94 - 97 94 - 97 144 - 176 39 - 49 70 - 80 48 - 96 125 - 279 90 - 95 Hình 1.7. Giá thể sinh học bằng PVC Năm 2008 - 2009, Viện Công nghệ môi trƣờng nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu công nghệ cacbon hóa các chất hữu cơ cháy đƣợc trong rác thải đô thị của thành phố Hà Nội làm nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trƣờng”. Kết quả của đề tài là đã nghiên cứu thành công công nghệ cacbon hóa chất 19 hữu cơ cháy đƣợc, cụ thể là tre tạo thành than cacbon hóa có tính ứng dụng nhƣ giá thể sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Than cacbon hóa từ tre có hàng loạt tính chất phù hợp cho mô hình bio-toilet nhƣ diện tích bề mặt lớn, kích thƣớc 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 đƣợc sử dụng với mục đích chính để tăng hiệu quả xử lý của vi sinh vật vì bề mặt vật liệu đệm đƣợc sử dụng là than cacbon hoá [11]. Tuy nhiên, 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 nhƣ than. Vật liệu đƣợc nghiên cứu sử dụng nhiều nhất là mùn cƣa, 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 đƣợc 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. 20