CHƢƠNG 2 : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu
+ Phương pháp thu thập tài liệu
Đây là phƣơng pháp nghiên cứu các tài liệu, sách, báo, tạp chí, các báo, tham luận ngành...Để tìm kiếm, thu thập thơng tin có liên quan đến đề tài mình đang quan tâm. Qua những thơng tin này ta có thể có đƣợc những nhận định, đánh giá chính xác mang tính logic và thuyết phục cao.
Hình 2.1- Hình ảnh SEM của than cacbon hóa ở nhiệt độ 640oC. nhiệt độ 640oC.
Sau khi áp dụng phƣơng pháp tài liệu đã thu nhập đƣợc những thơng tin có liên quan đến đề tài nhƣ 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 hố, từ đó lựa chọn đƣợc chế phẩm vi sinh thích hợp với công nghệ Bio-toilet khô.
+ Phương pháp thực nghiệm
Đây là phƣơng pháp đƣợc dùng trong q trình tiến hành nghiên cứu cơng nghệ Bio-toilet khơ. Qua đó tìm ra các thơng số, các số liệu thực nghiệm nhƣ: 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 lƣợng chất thải phù hợp; tốc độ khuấy trộn tối ƣu nhất để việc tiến hành áp dụng cơng nghệ có kết quả cao hơn.
+ Phương pháp đo mật độ vi sinh vật
Trong luận văn này, mật độ vi sinh đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đếm số lƣợng khuẩn lạc trên môi trƣờng đặc.
Nguyên lý của phƣơng 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 trƣờng đặc sẽ cho ta kết quả về số lƣợng vi sinh vật ban đầu.
Tiến hành:
Phƣơng pháp làm môi trƣờng nuôi cấy
- Cân, đong thật chính xác từng thành phần mơi trƣờng cho vào bình tam giác, sau đó đem khử trùng mơi trƣờng ở 121o
C trong 30 phút.
- Phân phối môi trƣờng 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 mơi trƣờng khơng dính lên miệng dụng cụ hoặc nút bông và việc phân phối cần thực hiện xong trƣớc khi môi trƣờng bị đông đặc
Những điểm cần chú ý:
- Thao tác đổ thạch phải hết sức khẩn trƣơng và khéo léo để hạn chế sự nhiễm khuẩn.
- Mặt thạch phải phẳng, nhẵn, có độ dày khoảng 2mm. Thơng thƣờng cứ 1/4 lít mơi trƣờng có thể phân phối đƣợc 22 - 25 đĩa petri.
- Sau khi đổ môi trƣờng vào đĩa petri, 1 - 2 ngày sau khi kiểm tra lại xem mơi trƣờng có bị nhiễm khuẩn khơng rồi mới sử dụng.
Phƣơng pháp xác định số lƣợng tế bào vi sinh vật
Lấy mẫu: Tuỳ theo loại vật phẩm cần xác định mà ta lấy mẫu để nghiên cứu với số lƣợng và khối lƣợng khác nhau cho phù hợp. Yêu cầu của việc lấy mẫu bao gồm: - Lấy mẫu có tính chất đại diện
- Lƣợng mẫu lấy vừa phải, đủ để phân tích các đặc tính lý, hoá, sinh học. - Dụng cụ lấy mẫu, chứa mẫu phải vơ trùng
- Lấy mẫu xong phải phân tích ngay và khơng đƣợc để q 24h.
- Mẫu lấy phải có nhãn ghi ký hiệu và ghi vào sổ những đặc điểm của mẫu và nơi thu mẫu.
Pha lỗng mẫu: Chuẩn bị một số bình tam giác chứa 90 ml nƣớc cất vô trùng, một số ống nghiệm chứa 9ml nƣớc 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 nƣớc cất vô trùng, lặc đều 5 phút, để lắng 30 giây rồi tiếp tục pha loãng mẫu theo dãy thập phân.
- Tuỳ theo sự ƣớc đoán số lƣợng vi sinh vật trong mẫu mà pha loãng nhiều hay ít. Phƣơng pháp cấy gạt trên bề mặt đĩa thạch:
- Ghi vào đáy đĩa petri có mơi trƣờng thạch các thơng tin: nồng độ pha lỗng, ngày cấy.
- Dùng pipet đã vô trùng lấy 0,1 ml dịch pha loãng ở các nồng độ khác nhau nhƣ 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 đƣợc dàn đều và không nên vƣợt quá vài trăm.
- Khi tất cả các thể tích 0,1 ml tế bào ở các độ pha loãng khác nhau đều đã đƣợc 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. Lƣu ý rằng que cấy gạt thuỷ tinh phải đƣợc vô khuẩn trƣớc khi đƣợc đƣa 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 khơng có tế bào vi sinh vật), rồi dàn đều lƣợng 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 đƣợc tính theo cơng 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 trƣờng, điều tra phỏng vấn và đặc tính của than cacbon hoá cũng nhƣ khả năng xử lý, hấp phụ các chất ô nhiễm của than.
+ Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý của mơ hình
Hiệu quả xử lý của mơ hình đƣợc đánh giá bằng khối lƣợng chất thải sinh học thông qua thơng số thể tích. Buồng chứa chất thải sinh học có kích thƣớc cụ thể, do đó dễ dàng đo đƣợc thể tích khi biết độ cao của khối chất thải sinh học.
+ Phương pháp tính tốn thiết kế
Tính tốn các thơng số cơng nghệ và kích thƣớc thiết bị và lắp ráp thiết bị để thiết kế mơ hình Bio-toilet khơ.
+ 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.
2.3. Mơ hình thực nghiệm
Mơ hình thực nghiệm là thiết bị phân huỷ sinh học chất thải có cơng suất tƣơng đƣơng 01 lƣợt ngƣời/ ngày.
Thiết bị bao gồm chứa hỗn hợp giá thể sinh học, chế phẩm và chất thải. Ngồi ra, thiết bị cần có cơ cấu đảo trộn, đƣờng cấp khơng khí vào và thốt khí thải. Sơ đồ thiết bị đƣợc mô tả dƣới đây:
Tho¸t khÝ Cưa tiÕp liƯu §o to N¾p thïng Cơ cấu khuấy Máy thổi khÝ Th©n thïng Hỗn hợp đệm sinh học + chÕ phÈm vi sinh + chÊt th¶i
Hình 2.2: Sơ đồ mơ hình thực nghiệm Bio-toilet
2.3.1. Cách thức vận hành mơ hình thực nghiệm
Thực nghiệm đƣợc tiến hành trên hệ thí nghiệm với thể tích 50 lít. Trộn chế phẩm vi sinh với một ít nƣớc cho đủ độ ẩm khoảng 50 - 60%, sau đó trộn cùng với than cacbon hố tre. Hỗn hợp đƣợc đƣa 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 khơng khí cho q trình phân huỷ chất thải sinh học.
2.3.2. Danh mục các dụng cụ thiết bị dùng để tiến hành thực nghiệm
- Máy thổi khí
- Tủ sấy điều chỉnh đƣợc 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
- Nƣớc 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 đƣợc tiến hành trên hệ thí nghiệm với thể tích 50 lít (xem hình 2.2). Trộn chế phẩm vi sinh với một ít nƣớc cho đủ độ ẩm khoảng 50 - 60%, sau đó trộn cùng với than cacbon hoá tre. Hỗn hợp đƣợc đƣa 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 ƣu
Chúng tôi sử dụng công thức phối trộn nhƣ sau: - Than cacbon hoá tre: 3,6kg
- Chế phẩm vi sinh: 180g (5% so với giá thể) - Phân: 0,2kg
- Nƣớc tiểu: 0,3 lít
Thực nghiệm đƣợc 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
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 Nƣớc tiểu (lít) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Độ pH 4 6 7 8 10
Thực nghiệm đƣợc tiến hành trong 3 tuần, một tuần lấy mẫu 1 lần để phân tích các chỉ tiêu vi sinh, từ đó xác định đƣợc độ pH phù hợp của than cacbon hoá tre và chế phẩm vi sinh.
b. Xác định độ ẩm tối ƣu
Chúng tôi cũng sử dụng công thức phối trộn nhƣ trên, nhƣng 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
Mơ hình 1 Mơ hình 2 Mơ hình 3 Mơ hình 4 Mơ hình 5 Than cacbon hố 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 Nƣớc tiểu (lít) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Độ ẩm (%) 30 40 50 60 70
Thực nghiệm đƣợc tiến hành trong 3 tuần, một tuần lấy mẫu 1 lần để phân tích các chỉ tiêu vi sinh, từ đó xác định đƣợc độ ẩm phù hợp của than cacbon hoá tre và chế phẩm vi sinh.
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; nƣớc tiểu là 0,3 lít; chỉ thay đổi lƣợng chế phẩm vi sinh so với than cacbon hố tre từ mơ hình 1 đến mơ 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
Mơ hình 2 Mơ hình 3 Mơ hình 4 Mơ 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 Nƣớc tiểu (lít) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Chế phẩm vi sinh (g) 0 36 108 180 360
Thực nghiệm đƣợc 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
2.3.5. Phương pháp tiến hành thực nghiệm Bio-toilet liên tục
Thực nghiệm đƣợc 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 lƣợng chất thải đƣợc xác định ở mục 2.3.4 nhƣ sau:
- Giá thể: 3,6 kg
- Phân: 0,2 kg/lần - Nƣớc tiểu: 0,3lít/lần - pH: 6 - 8
- Độ ẩm: 50 - 60%
Để xác định đƣợc các thông số công nghệ nhƣ thời gian phân huỷ và tốc độ khuấy trộn, tiến hành xây dựng mơ hình thí nghiệm với tỷ lệ phối trộn nhƣ trên, nhƣng thay đổi tốc độ khuấy tại mỗi mơ hình 10 phút/lần, 20 phút/lần, 30 phút/lần, 40 phút/lần, 60 phút/lần. Lƣợng chất thải đƣợc 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 đƣợc thời gian phân huỷ và tốc độ khuấy trộn tối ƣu cho mơ hình. Phƣơng pháp tiến hành thể hiện rõ hơn tại bảng sau:
Bảng 2.5. Bảng cơng thức phối trộn trong mơ hình Bio-toilet liên tục
Mơ hình 1 phút/lần Mơ hình 2 phút/lần Mơ hình 3 phút/lần Mơ hình 4 phút/lần Mơ 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 Nƣớc tiểu (lít)/ lần 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Tốc độ khấy trộn (phút/lần) 10 20 30 40 60
Thực nghiệm cũng đƣợc 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
- 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 mơ hình (hình 3.1) ở các điểm với khoảng cách tƣơng đối đều nhau, bên trên lấy 3 điểm, giữa lấy 3 điểm và bên dƣới 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 nhƣ vậy cho đến khi đủ lƣợng mẫu có thể phân tích đƣợc. + Cách điều chỉnh pH trong các mơ hình thí nghiệm: Sử dụng hóa chất NaOH và HCl (1%) để điều chỉnh các khoảng pH từ 4 đến 10.
CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả về tính tốn, thiết kế mơ hình thí nghiệm 3.1. Kết quả về tính tốn, thiết kế mơ hình thí nghiệm
Sau khi đã lựa chọn đƣợc vật liệu là giá thể sinh học, chế phẩm sinh học dùng để phân huỷ chất thải sinh học trong mơ hình Bio-toilet, cần thiết phải xác định các thông số vận hành tối ƣu mơ hình Bio-toilet nhƣ độ ẩm, pH, tỷ lệ phối trộn giữa giá thể, chế phẩm và chất thải. Vì thế, đã tính tốn, thiết kế mơ hình nhƣ sau:
Hình 3.1. Mơ hình thực nghiệm Bio-toilet
Trong tính tốn này, mơ hình là thiết bị phân huỷ sinh học chất thải có cơng suất tƣơng đƣơng 01 lƣợt ngƣời/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, đƣờng cấp khơng khí vào và thốt khí thải.
Tính tốn lƣợng giá thể sinh học nhƣ sau:
+ Tải trọng chất hữu cơ BOD5 cần thiết phải đƣợc phân huỷ trong mơ hình thiết bị đƣợc xác định theo cơng thức sau:
MH 1 MH 2 MH 3 MH 4 MH 5
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 lƣợt ngƣời/ngày,
q- lƣợng thải trung bình của con ngƣời, kg/ngƣời/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 đƣợc tính theo cơng thức:
0 . . T P H k C