Giống nhƣ cỏc quỏ trỡnh phõn giải cỏc chất hữu cơ trong tự nhiờn, quỏ trỡnh phõn giải hợp chất cacbon trong tự nhiờn là quỏ trỡnh sinh hoỏ phức tạp. Nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, một số lƣợng lớn chất hữu cơ bị phõn giải và làm giảm trọng lƣợng. Trong quỏ trỡnh này, cỏc hydratcacbon (tinh bột, xenluloza, pectin, hemixenluloza, lignin...) đƣợc phõn giải thành những phần nhỏ hơn, sinh khối vi sinh vật mới đƣợc tạo thành đồng thời tạo ra cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh trao đổi
chất, cỏc chất khớ (N2 ,CO2) .... Ngoài ra, tạo thành cỏc axit hữu cơ nhƣ: axit focmic, axit axetic, axit propionic, axit bộo, axit lactic... Cỏc chất này tiếp tục chuyển hoỏ thành cỏc sản phẩm khỏc.
Chu trỡnh chuyển hoỏ hợp chất cacbon đƣợc chuyển hoỏ qua hàng loạt cỏc phản ứng hoỏ học. Xỳc tỏc mỗi phản ứng là một enzym. Để duy trỡ sự sống, cỏc vi sinh vật sử dụng cỏc sản phẩm do chỳng phõn huỷ hay do vi sinh vật khỏc chuyển hoỏ. Trong quỏ trỡnh chuyển hoỏ vật chất trong tự nhiờn cú nhiều loại vi sinh vật cựng tham gia. Sản phẩm chuyển hoỏ của chủng vi sinh vật này lại là cơ chất cho vi sinh vật khỏc, hoạt động của vi sinh vật diễn ra phức tạp và cú mối liờn quan chặt chẽ.
Xenluloza là hợp chất cacbon phõn bố nhiều nhất, là thành phần cơ bản của tế bào thực vật và là nguồn cacbon dự trữ lớn nhất trong tự nhiờn. Do vậy, sản phẩm của quỏ trỡnh phõn giải xenluloza là một phần cơ bản nhất tạo nờn phõn hữu cơ và mựn rỏc. Chỳng giữ vai trũ to lớn trong sản xuất nụng nghiệp.
Lờn men xenluloza là quỏ trỡnh phõn giải kỵ khớ nhờ cỏc vi khuẩn khử sunfat hay vi khuẩn sinh metan. Cơ chế hoỏ học của quỏ trỡnh lờn men xenluloza rất phức tạp, song cú thể túm tắt theo cỏc phƣơng trỡnh 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 trờn cũng chỉ là giả định, vỡ metan đƣợc hỡnh thành hoặc do axit axetic phõn giải hoặc do CO2 hoàn nguyờn nhờ phản ứng hydro:
1. CH3COOH CH4 + CO2 2. CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
Do vậy, lờn men hydro lƣợng khớ (CO2 + H+) chỉ bằng 1/3 trọng lƣợng xenluloza bị phõn giải, cũn lờn men metan thỡ lƣợng khớ (CH4 + CO2) cao hơn, bằng 1/2 trọng lƣợng xenluloza bị phõn giải. Nhờ cú sự phõn bố cỏc vi sinh vật phõn giải xenluloza trong tự nhiờn mới thực hiện đƣợc chu trỡnh cacbon từ xenluloza (Gusterov, 1970).
Quỏ trỡnh phõn huỷ cỏc hợp chất chứa nitơ trong tự nhiờn:
Nhiều vi sinh vật cú khả năng chuyển húa cỏc hợp chất chứa nitơ, nhƣng vi khuẩn đƣợc chỳ ý nhiều vỡ chỳng vai trũ quyết định trong tất cả cỏc bƣớc chuyển húa của vũng tuần hoàn nitơ.
Nhúm này phõn giải protein và cỏc hợp chất hữu cơ chứa nitơ tạo thành amonia (NH3). Tất cả cỏc vi khuẩn amụn húa đều tiết men phõn giải protein vào mụi trƣờng. Cỏc sản phẩm đặc trƣng của quỏ trỡnh phõn giải protein là NH3 (ở pH trung tớnh cú dạng ion là NH4) và H2S.
Trong quỏ trỡnh phõn giải protein cú thể xảy ra trong điều kiện kỵ khớ và hiếu khớ. Trong điều kiện hiếu khớ, cỏc hợp chất hữu cơ đƣợc phõn giải bởi cỏc loài trong chi Bacillus và Pseudomonas. Một số loài trong chi Clostridium thực hiện quỏ trỡnh amụn húa trong điều kiện kỵ khớ. Cũng nhƣ cỏc vi sinh vật phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ núi chung, hoạt động của nhúm vi khuẩn amụn húa giỳp loại bỏ cỏc chất hữu cơ gõy ụ nhiễm nguồn nƣớc nuụi tụm.
- Quỏ trỡnh nitrat húa
Nitrat hoỏ là quỏ trỡnh oxy hoỏ amon thành nitrat đƣợc thực hiện bởi * Giai đoạn nitrat hoỏ I (quỏ trỡnh nitrit hoỏ)
NH4 + HCO3- + O2 + PO42- NO2- + SKTB
Đõy là quỏ trỡnh oxy húa amon thành nitrit nhờ hai enzym là Amonia monooxygenaza và Hydroxylamin oxydoreductaza.
* Giai đoạn nitrat húa II (quỏ tỡnh nitrat húa) NO2- + HCO3- + O2 + PO42- NO3- + SKTB
Đõy là giai đoạn oxy húa nitrat do enzym Nitrit oxydaza và Cytochrom oxydaza.
Quỏ trỡnh nitrat hoỏ chủ yếu đƣợc thực hiện dƣới tỏc động của nhúm vi khuẩn hiếu khớ hoặc hiếu khớ tựy tiện. Chỳng bao gồm một số đại diện nhƣ: Pseudomonas,
Azospirillum, Rhizobium, Bacillus.
- Quỏ trỡnh phản nitrat hoỏ
Trong điều kiện tự nhiờn, sự chuyển hoỏ nitrat hoỏ hoặc nitrit thành cỏc hợp chất nitơ dạng khớ đƣợc gọi là quỏ trỡnh phản nitrat hoỏ. Quỏ trỡnh khử nitrat đến nitơ phõn tử là quỏ trỡnh phản nitrat hoàn toàn.
Quỏ trỡnh phản nitrat hoàn toàn xảy ra qua bốn giai đoạn, mỗi giai đoạn do một emzym xỳc tỏc.
( 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)
Quỏ trỡnh phản nitrat hoỏ cú thể đƣợc thực hiện nhờ cỏc loại vi khuẩn Pseudononas,
Alcaligenes, Azospirillum, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Bacillus. Cỏc vi khuẩn
phản nitrat hoỏ cú hại cho nụng nghiệp vỡ làm mất nguồn dinh dƣỡng NO3 -
cho cõy nhƣng chỳng lại rất cú lợi cho quỏ trỡnh xử lý nƣớc thải vỡ loại đƣợc 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 trờn thị trƣờng Việt Nam đó và đang cú hàng trăm cỏc chế phẩm vi sinh đƣợc lƣu hành đƣợc sản xuất trong nƣớc và nhập khẩu: Chế phẩm vi sinh Microphốt của Cụng ty Cổ Phần sinh hoỏ Nam Định, chế phẩm DW 98 Cụng ty sinh hoỏ Việt Nam, BIO-Phốt của cụng ty Vi sinh mụi trƣờng…, nhỡn chung thành phần chớnh của cỏc chế phẩm trờn đều cú chứa cỏc vi sinh vật cú tỏc dụng phõn huỷ cỏc hợp chất hữu cơ nhƣ tinh bột, protein và xenluloza. Do tớnh chất của cỏc vi sinh vật sử dụng để sản xuất chế phẩm cũng nhƣ cụng nghệ sản xuất lờn hiệu quả phõn huỷ chất thải trong bể phốt của cỏc chế phẩm rất khỏc nhau. Cho đến hết năm 2010, cỏc chế phẩm vi sinh trờn khi lƣu hành chƣa cú cơ quan nào kiểm định đỏnh giỏ chất lƣợng. Theo thụng tƣ 19/2010 của Bộ tài Nguyờn và mụi trƣờng cỏc chế phẩm sinh học dựng trong xử lý mụi trƣờng khi lƣu hành ở Việt Nam phải xin cấp phộp lƣu hành chế phẩm.
Chế phẩm vi sinh BIOMIX1 của phũng Vi sinh vật mụi trƣờng, Viện Cụng nghệ mụi trƣờng:
Thành phần vi sinh vật: Mật độ vi sinh vật hữu hiệu: 109 CFU/gam
Bao gồm cỏc chủng vi khuẩn Bacillus Subtilis và cỏc chủng xạ khuẩn thuộc chi
Streptomyces.
Cụng dụng của chế phẩm BIOMIX 1: Cú tỏc dụng phõn huỷ cỏc thải hữu cơ, khử mựi và ức chế sự phỏt triển của nhúm vi khuẩn Coliform trong chất thải. Chế phẩm đó và đang đƣợc sử dụng trong xử lý phế nụng nghiệp thành phõn hữu cơ vi sinh và sử dụng để bổ sung vào chất độn lút chuồng nuụi gia cầm tại Vĩnh Phỳc và 1 số địa phƣơng khỏc.
Trong luận văn này, tụi sử dụng chế phẩm BIOMIX 1 để bổ sung vào chất mang cacbon trong quỏ trỡnh thớ nghiệm cho chế tạo Biotoilet khụ.
CHƢƠNG 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIấN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiờn cứu
Trong đề tài này, đối tƣợng nghiờn cứu là chất thải sinh học của ngƣời (phõn và nƣớc tiểu). Đƣợc lấy trực tiếp từ cỏc cỏn bộ nghiờn cứu của Viện Cụng nghệ mụi trƣờng.
2.1.1. Phõn
Phõn là sản phẩm chất thải của hệ thống tiờu hoỏ của con ngƣời bao gồm Hydratcarbon chiếm đến 37 - 40%, protein, cỏc chất khoỏng 5 - 10%, nƣớc chiếm 50 - 55% và cỏc vi sinh vật gõy bệnh, chủ yếu là nhúm Coliform.
2.1.2. Nước tiểu
Nƣớc tiểu là một chất lỏng đƣợc thận sản xuất để loại bỏ cỏc chất thải từ mỏu. Nƣớc tiểu ngƣời cú màu vàng trong và cú thành phần rất phức tạp. Nƣớc tiểu bao gồm chủ yếu là nƣớc cựng với cỏc chất hữu cơ hoà tan nhƣ ure, creatinine, axit uric, vết của một số enzyme, cacbonhydrat, axit bộo và cỏc ion vụ cơ nhƣ Natri (Na+), Kali (K+), clorua (Cl-), magie (Mg2+), canxi (Ca2+), amoni (NH4+), sulfat (SO42-) và phốt phỏt.
Thành phần hoỏ học điển hỡnh trong nƣớc tiểu là:
Bảng 2.1. Thành phần hoỏ học trong nước tiểu
Nƣớc Urờ Clorua Natri Kali Creatinin
95% 9,3g/l 1,87g/l 1,17g/l 0,750g/l 0,670g/l
2.1.3. Giỏ thể sinh học - than cacbon hoỏ tre
Hiện nay, giỏ thể sinh học rất đa dạng, phong phỳ. Trờn thế giới, Bio-toilet thƣờng dựng mựn cƣa là giỏ thể sinh học bởi giỏ thành rẻ và tớnh tận dụng rỏc thải của nú.Tuy nhiờn, vỡ là gỗ chƣa đƣợc hoạt hoỏ, diện tớch bề mặt thấp nờn hiệu suất khụng cao, số lƣợng dựng lớn kộo theo thể tớch bể phản ứng lớn. Vỡ vậy, Bio-toilet dựng mựn cƣa chỉ thớch hợp với điều khiện lƣu lƣợng sử dụng thấp, cú diện tớch mặt bằng nhƣ miền nỳi, hải đảo, trang trại.
Tại Việt Nam, đặc biệt là địa điểm cụng cộng, lƣu lƣợng sử dụng lớn, diện tớch mặt bằng thiếu, Bio-toilet dựng mựn cƣa là khụng hợp lý. Tại đõy, đũi hỏi toilet cú hiệu quả xử lý cao, khụng mựi, diện tớch nhỏ. Chớnh vỡ vậy, giỏ thể sinh học bằng than cacbon hoỏ tre là một phƣơng phỏp giải quyết hữu hiệu.
Ƣu điểm của than cacbon hoỏ tre là cú thành phần TOC rất cao cú thể tự phõn huỷ theo thời gian. Cấu trỳc, mật độ lỗ trờn than đƣợc phõn tớch trờn thiết bị Scanning Electron Micrograph (SEM). Hỡnh 2.1 cho thấy, đại đa số lỗ trờn than cú kớch thƣớc ở cỡ macro D> 50nm, thớch hợp cho làm giỏ thể dớnh bỏm của vi sinh vật. [5]
2.1.4. Chế phẩm vi sinh BIOMIX 1
Chế phẩm bao gồm cỏc chủng vi khuẩn Bacillus Subtilis và cỏc chủng xạ
khuẩn thuộc chi Streptomyces. Chế phẩm này cú tỏc dụng phõn huỷ cỏc chất thải
hữu cơ, khử mựi và ức chế sự phỏt triển của nhúm vi khuẩn Coliform trong chất thải. Thành phần của chế phẩm vi sinh gồm cỏc chủng vi khuẩn Bacillus Subtills và cỏc chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces. Mật độ vi sinh vật hữu hiệu là 109
CFU/gam.
2.2. Cỏc phƣơng phỏp nghiờn cứu
+ Phương phỏp thu thập tài liệu
Đõy là phƣơng phỏp nghiờn cứu cỏc tài liệu, sỏch, bỏo, tạp chớ, cỏc bỏo, tham luận ngành...Để tỡm kiếm, thu thập thụng tin cú liờn quan đến đề tài mỡnh đang quan tõm. Qua những thụng tin này ta cú thể cú đƣợc những nhận định, đỏnh giỏ chớnh
Hỡnh 2.1- Hỡnh ảnh SEM của than cacbon húa ở nhiệt độ 640oC.
Sau khi ỏp dụng phƣơng phỏp tài liệu đó thu nhập đƣợc những thụng tin cú liờn quan đến đề tài nhƣ sau:
- Tổng quan về cụng nghệ Bio-toilet khụ và những ứng dụng trờn thế giới.
- Cỏc loại vật liệu đệm sinh học, đặt biệt là đặc điểm của than cacbon hoỏ, từ đú lựa chọn đƣợc chế phẩm vi sinh thớch hợp với cụng nghệ Bio-toilet khụ.
+ Phương phỏp thực nghiệm
Đõy là phƣơng phỏp đƣợc dựng trong quỏ trỡnh tiến hành nghiờn cứu cụng nghệ Bio-toilet khụ. Qua đú tỡm ra cỏc thụng số, cỏc số liệu thực nghiệm nhƣ: độ pH, độ ẩm phự hợp của than cacbon hoỏ tre và chế phẩm vi sinh. Đặc biệt tụi quan tõm đến chỉ tiờu về mựi (H2S, NH3), tỷ lệ phối trộn của giỏ thể, chế phẩm vi sinh và lƣợng chất thải phự hợp; tốc độ khuấy trộn tối ƣu nhất để việc tiến hành ỏp dụng cụng nghệ cú kết quả cao hơn.
+ Phương phỏp đo mật độ vi sinh vật
Trong luận văn này, mật độ vi sinh đƣợc xỏc định bằng phƣơng phỏp đếm số lƣợng khuẩn lạc trờn mụi trƣờng đặc.
Nguyờn lý của phƣơng phỏp: Đối với vi sinh vật đơn bào, ta cú thể xem mỗi khuẩn lạc là kết quả của sự phỏt triển từ một tế bào ban đầu. Do vậy đếm số khuẩn lạc trờn mụi trƣờng đặc sẽ cho ta kết quả về số lƣợng vi sinh vật ban đầu.
Tiến hành:
Phƣơng phỏp làm mụi trƣờng nuụi cấy
- Cõn, đong thật chớnh xỏc từng thành phần mụi trƣờng cho vào bỡnh tam giỏc, sau đú đem khử trựng mụi trƣờng ở 121o
C trong 30 phỳt.
- Phõn phối mụi trƣờng đó khử trựng vào cỏc đĩa Petri (tiến hành thao tỏc này trong tủ cấy vụ trựng). Cỏc thao tỏc phõn phối vi sinh phải nhanh, gọn, khộo lộo để mụi trƣờng khụng dớnh lờn miệng dụng cụ hoặc nỳt bụng và việc phõn phối cần thực hiện xong trƣớc khi mụi trƣờng bị đụng đặc
Những điểm cần chỳ ý:
- Thao tỏc đổ thạch phải hết sức khẩn trƣơng và khộo lộo để hạn chế sự nhiễm khuẩn.
- Mặt thạch phải phẳng, nhẵn, cú độ dày khoảng 2mm. Thụng thƣờng cứ 1/4 lớt mụi trƣờng cú thể phõn phối đƣợc 22 - 25 đĩa petri.
- Sau khi đổ mụi trƣờng vào đĩa petri, 1 - 2 ngày sau khi kiểm tra lại xem mụi trƣờng cú bị nhiễm khuẩn khụng rồi mới sử dụng.
Phƣơng phỏp xỏc định số lƣợng tế bào vi sinh vật
Lấy mẫu: Tuỳ theo loại vật phẩm cần xỏc định mà ta lấy mẫu để nghiờn cứu với số lƣợng và khối lƣợng khỏc nhau cho phự hợp. Yờu cầu của việc lấy mẫu bao gồm: - Lấy mẫu cú tớnh chất đại diện
- Lƣợng mẫu lấy vừa phải, đủ để phõn tớch cỏc đặc tớnh lý, hoỏ, sinh học. - Dụng cụ lấy mẫu, chứa mẫu phải vụ trựng
- Lấy mẫu xong phải phõn tớch ngay và khụng đƣợc để quỏ 24h.
- Mẫu lấy phải cú nhón ghi ký hiệu và ghi vào sổ những đặc điểm của mẫu và nơi thu mẫu.
Pha loóng mẫu: Chuẩn bị một số bỡnh tam giỏc chứa 90 ml nƣớc cất vụ trựng, một số ống nghiệm chứa 9ml nƣớc cất vụ trựng và đầu cụn 1ml vụ trựng (đầu cụn dựng cho pipetman).
- Cõn 10 g mẫu cho vào bỡnh tam giỏc chứa 90 ml nƣớc cất vụ trựng, lặc đều 5 phỳt, để lắng 30 giõy rồi tiếp tục pha loóng mẫu theo dóy thập phõn.
- Tuỳ theo sự ƣớc đoỏn số lƣợng vi sinh vật trong mẫu mà pha loóng nhiều hay ớt. Phƣơng phỏp cấy gạt trờn bề mặt đĩa thạch:
- Ghi vào đỏy đĩa petri cú mụi trƣờng thạch cỏc thụng tin: nồng độ pha loóng, ngày cấy.
- Dựng pipet đó vụ trựng lấy 0,1 ml dịch pha loóng ở cỏc nồng độ khỏc 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 trờn bề mặt thạch phải đƣợc dàn đều và khụng nờn vƣợt quỏ vài trăm.
- Khi tất cả cỏc thể tớch 0,1 ml tế bào ở cỏc độ pha loóng khỏc nhau đều đó đƣợc chuyển lờn bề mặt thạch của đĩa petri, sử dụng que cấy gạt bằng thuỷ tinh để dàn đều cỏc tế bào trờn bề mặt thạch. Lƣu ý rằng que cấy gạt thuỷ tinh phải đƣợc vụ khuẩn trƣớc khi đƣợc đƣa và đĩa petri tiếp theo, bằng cỏch nhỳng vào trong cồn, đốt chỏy que cấy trờn ngọn lửa đốn cồn để khử trựng. Làm nguội que cấy bằng cỏch đặt nhẹ nú vào bề mặt thạch (chỗ thạch khụng cú tế bào vi sinh vật), rồi dàn đều lƣợng
- Đặt cỏc 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 thỳc thời gian ủ, lấy cỏc đĩa thạch ra, tiến hành đếm khuẩn lạc. Mật độ tế bào vi sinh vật trong mẫu ban đầu tớnh từ số liệu của độ pha loóng Di đƣợc tớnh theo cụng thức là:
Mi (CFU/gam) = Ai x Di x 10
Trong đú : Ai là số khuẩn lạc trung bỡnh trờn cỏc đĩa Di là nghịch đảo nồng độ pha loóng
+ Phương phỏp thống kờ
Dựa vào kết quả khảo sỏt hiện trƣờng, điều tra phỏng vấn và đặc tớnh của than cacbon hoỏ cũng nhƣ khả năng xử lý, hấp phụ cỏc chất ụ nhiễm của than.
+ Phương phỏp đỏnh giỏ hiệu quả xử lý của mụ hỡnh
Hiệu quả xử lý của mụ hỡnh đƣợc đỏnh giỏ bằng khối lƣợng chất thải sinh học thụng qua thụng số thể tớch. Buồng chứa chất thải sinh học cú kớch thƣớc cụ thể, do đú dễ dàng đo đƣợc thể tớch khi biết độ cao của khối chất thải sinh học.
+ Phương phỏp tớnh toỏn thiết kế