Nghiên cứu sản xuất phân compost từ vỏ khoai mì phục vụ nông nghiệp sinh thái

ế ngày càng tăng đã trở thành động lực cho ngành công nghiệp chế biến tinh bột mì. Tuy nhiên, song song với sự phát triển thì ngành công nghiệp chế biến tinh bột mì phải đối mặt với sự ô nhiễm môi trường phát sinh từ quá trình chế biến. Trong khi các biện pháp xử lý chất thải rắn hiện tại trong ngành chế biến tinh bột mì chưa thật sự phù hợp nên vẫn gây ảnh hưởng tới môi trường. Do đó, những phương pháp xử lý phù hợp và thân thiện với môi trường được quan tâm nghiên cứu. Vấn đề đặt ra hiện nay là có rất nhiều biện pháp xử lý rác thải hiệu quả và không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng rác thành sản phẩm có gía trị kinh tế. Trong đó biện pháp được ưu tiên hàng đầu hiện nay để xử lý chất thải là sử dụng biện pháp phân huỷ sinh học, có hai phương pháp phân huỷ sinh học của chất thải hữu cơ là chế biến compost hiếu khí và phân huỷ kỵ khí, trong đó chế biến compost hiếu khí là ít tốn kém, sản phẩm của quá trình là compost có thể làm phân bón. Bên cạnh đó, nhiệt độ trong hệ thống có thể cho phép loại được các mầm bệnh, do đó quá trình làm compost được đánh giá là ít ảnh hưởng tới môi trường và nhất là phù hợp với các quy luật tự nhiên, có thể tái sử dụng để làm phân bón cho nông nghiệp. Việt Nam là nước nông nghiệp với hơn 80% dân số tham gia sản xuất nông nghiệp, nhu cầu sử dụng phân bón khoảng 5,2 triệu tấn hàng năm. Các loại phân bón được tiêu thụ trên thị trường Việt Nam hiện nay chủ yếu là phân bón hoá học. Trong đó, nguyên liệu để sản xuất phân hữu cơ từ CTR ít chịu ảnh hưởng về mặt giá cả trên thị trường giúp người dân yên tâm hơn trong việc đầu tư lâu dài vào ngành nông nghiệp. Chính vì vậy, đề tài “ nghiên cứu sản xuất phân compost từ vỏ khoai mì phục vụ cho nông nghiệp sinh thái” ra đời với mong muốn nhằm giảm bớt lượng chất thải rắn phát sinh trong ngành sản xuất tinh bột khoai mì và cung cấp phân bón hữu cơ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu sản xuất phân compost từ vỏ khoai mì. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đồ án thực hiện với những nội dung chính sau: Lấy mẫu trấu và khoai mì phân tích các chỉ tiêu đầu vào như: độ ẩm, hàm lượng chất hữu cơ, C,N. Lắp đặt mô hình compost. Vận hành mô hình compost vỏ khoai mì và bùn hoạt tính. Xem xét tốc độ phân hủy thông qua các chỉ tiêu: nhiệt độ, đô sụt lún, pH, độ ẩm, chất hữu cơ, hàm lượng C, N trong quá trình ủ. Phạm vi nghiên cứu Do tính chất đặc trưng của vỏ khoai mì và mục tiêu của đề tài là tái sử dụng vỏ khoai mì thải nên đồ án chỉ tập trung nghiên cứu cách làm phân compost từ vỏ khoai mì chứ không nghiên cứu đối với các phế phẩm nông nghiệp khác. Đối tượng nghiên cứu Vỏ khoai mì thải và bùn hoạt tính của nhà máy xử lý nước thải tập trung KCN Tân Bình. Phương pháp nghiên cứu 1.6.1. Phương pháp luận Dựa vào những tài liệu sẵn có về quá trình lên men hiếu khí chất thải rắn có nguồn gốc hữu cơ, để xây dựng mô hình ủ compost từ vỏ khoai mì. Theo dõi liên tục các chỉ tiêu về nhiệt độ, độ ẩm, pH, hàm lượng Cacbon, Nito ảnh hưởng đến quá trình để tạo ra sản phẩm compost cho cây trồng. 1.6.2. Phương pháp thực tiễn Phương pháp thu thập số liệu: thu thập các số liệu từ quá trình ủ compost, các thông số trong quá trình theo dõi nhiệt độ,độ sụt lún, pH, độ ẩm,chất hữu cơ, hàm lượng C, N. Phương pháp thực nghiệm: làm thực nghiệm ủ compost. Phương pháp thống kê: tính toán các biến thiên nhiệt độ, độ ẩm, chất hữu cơ, hàm lượng C,N trong quá trình ủ. Phương pháp đánh giá: nhận xét, đánh giá kết quả thu được sau quá trình ủ. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học Đề tài mở ra một hướng mới cho việc tận dụng vỏ khoai mì thải tạo thành sản phẩm có ich. Ý nghĩa thực tiễn Quá trình tạo compost dễ thực hiện và có triển vọng cao. Compost tạo ra có thể ứng dụng trực tiếp cho nông nghiệp. Thời gian và địa điểm nghiên cứu Thời gian nghiên cứu Bắt đầu từ ngày 5/4/2010 đến ngày 28/06/2010 1.8.2. Địa điểm nghiên cứu Quá trình thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa Môi Trường Và Công Nghệ Sinh Học của Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh. Các số liệu được phân tích ở phòng thí nghiệm khoa Môi Trường Và Công Nghệ Sinh Học của Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh. Cấu trúc luận văn Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và thảo luận Chương 5: Kết luận - kiến nghị CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN 2.1. Tổng quan về compost 2.1.1. Định nghĩa Quá trình chế biến Compost : là quá trình phân hủy sinh học và ổn định của chất hữu cơ dưới điều kiện nhiệt độ thermophilic. Kết quả của quá trình phân hủy sinh học tạo ra nhiệt, sản phẩm cuối cùng ổn định, không mang mầm bệnh và có ích trong việc ứng dụng cho cây trồng. Compost : là sản phẩm của quá trình chế biến Compost, đã được ổn định như chất mùn, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo các côn trùng, có thể được lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng. 2.1.2. Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình ủ compost 2.1.2.1. Phản ứng sinh hóa Quá trình phân hủy CTR diễn ra rất phức tạp, qua nhiều giai đoạn và sản phẩm trung gian. Ví dụ, quá trình phân hủy protein: protein ž peptides žamino acids ž hợp chất ammonium ž nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3. Đối với carbonhydrate, quá trình phân hủy xảy ra: carbonhydrate ž đường đơn ž acid hữu cơ ž CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn. Những phản ứng chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết. Các giai đoạn khác nhau trong quá trình ủ hiếu khí có thể phân biệt theo biến thiên nhiệt độ như sau: Pha thích nghi: là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trường mới. Pha tăng trưởng: đặc trưng bởi sự gia tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học. Pha ưa nhiệt: là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Đây là giai đoạn ổn định chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất. Phản ứng hoá sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kỵ khí được đặc trưng bởi 2 phương trình: COHNS + O2 + VSV hiếu khí ž CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng COHNS + VSV kỵ khí ž CO2 + H2S + NH3 + CH4 +sản phẩm khác + năng lượng Pha trưởng thành: là giai đoạn giảm nhiệt độ đến bằng nhiệt độ môi trường. Quá trình lên men xảy ra chậm và thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình chuyển hoá các phức chất hữu cơ thành chất mùn) và các chất khoáng (sắt, canxi, nitơ…) và cuối cùng thành mùn. Các phản ứng nitrate hoá, trong đó ammonia (sản phẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxi hoá sinh học tạo thành nitrit (NO2-) và cuối cùng thành nitrate (NO3-): NH4+ + 3/2 O2 ž NO2- + 2H+ + H2O NO2- + ½ O2 ž NO3- Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrate diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 ž NO3- + 2H+ + H2O Vì NH4+ cũng được tổng hợp trong mô tế bào, phản ứng đặc trưng cho quá trình tổng hợp trong mô tế bào: NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O ž C5H7NO2 + 5O2 Phương trình phản ứng nitrate hoá tổng cộng xảy ra như sau: 22NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- ž21 NO3- + C5H7NO2 + 20 H2O + 42H+ 2.1.2.2. Phản ứng sinh học Ủ compost là quá trình sinh học mà các chất hữu cơ có trong chất thải rắn được biến đổi thành các chất mùn ổn định do hoạt động của các thể chức có thể sống trong điều kiện tự nhiên hiện diện trong chất thải. Các tổ chức này gồm các loại vi sinh vật như vi khuẩn, nấm, chất hữu cơ được phân huỷ như ban đầu từ vi sinh vật tiêu thụ bậc một như vi khuẩn thực hiện. Trong thời gian đầu, vi khuẩn thích hợp với điều kiện Mesophilic xuất hiện trước. Nhiệt độ tăng khi vi khuẩn thermophilic xuất hiện chiếm hầu hết các vị trí trong khối ủ, thermorphilic nấm thường tăng trưởng từ 5 – 10 ngày sau khi ủ. Nếu nhiệt độ cao hơn 50 – 60OC thì nấm và hầu hết các vi khuẩn bị ức chế, chỉ còn các dạng bào tử có thể phát triển. trong giai đoạn cuối cùng, nhiệt độ giảm Atinomycetes trở nên chiếm ưu thế làm cho bề mặt đống ủ xuất hiện màu trắng hoặc nâu. Các loại vi khuẩn Thermophilic, hầu hết là loài Bacillus đóng vai trò quan trọng trong việc phân huỷ protein và hydratcacbon. Mặc dù chỉ hoạt động bên lớp ngoài đóng ủ và chỉ hoạt dông trong thời gian cuối nhưng nhóm Atinomycetes đóng vai trò trong việc phân huỷ cenlulose, lignin và các chất bền vững khác. Sau giai đoạn tiêu thụ bậc một hay sơ cấp thực hiện xong, các chất này sẽ là thức ăn cho sinh vật tiêu thụ thứ cấp như ve, bọ cánh cứng, giun tròn, đông vật nguyên sinh, phiêu sinh. 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế biến compost 2.1.3.1. Các yếu tố vật lý Các yếu tố vật lý ảnh hưởng tới quá trình ủ gồm : nhiệt độ, độ ẩm, kích thước nguyên liệu, độ rỗng, thổi khí. a. Nhiệt độ Đây là yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến Compost vì nó quyết định thành phần quần thể vi sinh vật (ban đầu là nhóm Mesophilic và sau đó là nhóm Thermophilic chiếm ưu thế), ngoài ra nhiệt độ còn là một chỉ thị để nhận biết các giai đoạn xảy ra trong quá trình ủ Compost. Nhiệt độ tối ưu là 50 – 600 C, thích hợp với vi khuẩn Thermophilic và tốc độ phân hủy rác là cao nhất. Nhiệt độ trên ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật làm cho quá trình phân hủy diễn ra không thuận lợi, còn nhiệt độ thấp hơn ngưỡng này phân Compost sẽ không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh. Nhiệt độ trong luống ủ có thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau như hiệu chỉnh tốc độ thổi khí và độ ẩm, cô lập khối ủ với môi trường bên ngoài bằng cách che phủ hợp lý. Bảng 2.1 Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật Loại vi sinh vật Nhiệt độ (0C) Khoảng dao động Tối ưu Psychrophillic (VSV ưa lạnh) 10 - 30 15 Mesophilic (VSV ưa ấm) 40 – 50 35 Thermophilic (VSV ưa nhiệt) 45 - 75 55 b. Độ ẩm Là yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật trong quá trình chế biến Compost. Vì nước cần thiết cho quá trình hòa tan dinh dưỡng và nguyên sinh chất của tế bào. Độ ẩm tối ưu thường từ 50 – 60%. Các vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy CTR thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của phân tử CTR. Nếu độ ẩm quá nhỏ ( 65%) thì quá trình phân hủy sẽ chậm lại, sẽ chuyển sang chế độ phân hủy kỵ khí vì quá trình thổi khí bị cản trở do hiện tượng bít kín các khe rỗng không cho không khí đi qua, gây mùi hôi, rò rỉ chất dinh dưỡng và lan truyền vi sinh vật gây bệnh . Độ ẩm ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước có nhiệt dung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác. Độ ẩm thấp có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào. Độ ẩm cao có thể điều chỉnh bằng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như: mạt cưa, rơm rạ… Thông thường độ ẩm của phân bắc, bùn và phân động vật thường cao hơn giá trị tối ưu, do đó cần bổ sung các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết. Đối với hệ thống sản xuất phân hữu cơ liên tục, độ ẩm có thể khống chế bằng cách tuần hoàn sản phẩm phân hữu cơ. c. Kích thước hạt Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy. Quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra trên bề mặt hạt, hạt có kích thước nhỏ sẽ có tổng diện tích bề mặt lớn nên sẽ tăng sự tiếp xúc với oxy, giá tăng vận tốc phân hủy. Tuy nhiên, nếu kích thước hạt quá nhỏ và chặt làm hạn chế sự lưu thông khí trong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các vi sinh vật trong đống ủ và giảm mức độ hoạt tính của vi sinh vật. Ngược lại, hạt có kích thước quá lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ. Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3 – 50mm. Kích thước hạt tối ưu có thể đạt được bằng nhiều cách như cắt, nghiền và sàng vật liệu thô ban đầu. CTR đô thị và CTR công nghiệp phải được nghiền đến kích thước thích hợp trước khi làm phân. Phân bắc, bùn và phân động vật thường có kích thước hạt mịn, thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học. d. Độ xốp Độ xốp là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Độ xốp tối ưu sẽ thay đổi tuỳ theo loại vật liệu chế biến phân. Thông thường, độ xốp cho quá trình chế biến diễn ra tốt khoảng 35 – 60%, tối ưu là 32 – 36%. Độ xốp của CTR ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cung cấp oxy cần thiết cho sự trao đổi chất, hô hấp của các vi sinh vật hiếu khí và sự oxy hóa các phần tử hữu cơ hiện diện trong các vật liệu ủ. Độ xốp thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy, nên hạn chế sự giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ trong khối ủ. Ngược lại, độ xốp cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh không bị tiêu diệt. Độ xốp có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỉ lệ trộn hợp lý. e. Thổi khí Không khí ở môi trường xung quanh được cung cấp tới khối Compost để vi sinh vật sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng như làm bay hơi nước và giải phóng nhiệt. Nếu không được cung cấp khí đầy đủ thì sẽ tạo thành những vùng kị khí bên trong khối Compost gây mùi hôi. Để cung cấp không khí cho khối Compost có thể thực hiện được bằng cách: Đảo trộn. Cắm ống tre. Thải chất thải từ tầng lưu chứa trên cao xuống thấp. Thổi khí. Quá trình đảo trộn cung cấp khí không đủ theo cân bằng tỉ lượng. Điều kiện hiếu khí chỉ thỏa mãn đối với lớp trên cùng, các lớp bên trong hoạt động trong môi trường tuỳ tiện hoặc kị khí. Do đó, tốc độ phân hủy giảm và thời gian cần thiết để quá trình ủ phân hoàn tất bị kéo dài. Cấp khí bằng phương pháp thổi khí đạt hiệu quả phân hủy cao nhất. Tuy nhiên, lưu lượng khí phải được khống chế thích hợp. Nếu cấp quá nhiều khí sẽ dẫn đến chi phí cao và gây mất nhiệt của khối phân, kéo theo sản phẩm không đảm bảo an toàn vì có thể chứa vi sinh vật gây bệnh. Khi pH của môi trường trong khối phân lớn hơn 7, cùng với quá trình thổi khí sẽ làm thất thoát nitơ dưới dạng NH3. Trái lại, nếu thổi khí quá ít, môi trường bên trong khối phân trở thành kị khí. Vận tốc thổi khí cho quá trình ủ phân thường trong khoảng 5 –10m3 khí/tấn nguyên liệu/h. Thông thường áp lực tĩnh cần tạo ra để đẩy không khí qua chiều sâu 2 – 2.5m vật liệu ủ là 0.1 – 0.15m cột nước. Áp lực đó chỉ cần quạt gió là đủ chứ không cần máy nén. Ngoài ra các cửa sổ của hầm ủ cũng sẽ đủ cho làm thoáng, chỉ cần đảo cửa sổ mỗi ngày một lần hoặc nhiều ngày một lần. Đảo trộn liên tục sẽ đạt mức phân giải tối ưu trong vòng 10 – 14 ngày. Nên đảo trộn một lần một ngày hoặc nhiều lần một ngày. 2.1.3.2. Các yếu tố hóa sinh a. Các chất dinh dưỡng Có rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật: trong đó cacbon và nitơ là cần thiết nhất, tỉ lệ C/N là thông số dinh dưỡng quan trọng nhất; Photpho (P) là nguyên tố quan trọng kế tiếp; Lưu huỳnh (S), canxi (Ca) và các nguyên tố vi lượng khác cũng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào. Khoảng 20% - 40%C của chất thải hữu cơ (trong chất thải nạp liệu) cần thiết cho quá trình đồng hoá thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hoá thành CO2. Cacbon cung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo ra khoảng 50% khối lượng tế bào vi sinh vật. Nitơ là thành phần chủ yếu của protein, acid nucleic, acid amin, enzyme, co-enzyme cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào. Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ phân rác khoảng 30:1. Ở mức tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, nguyên nhân gây ra mùi khai. Ở mức tỷ lệ cao hơn, sự phân hủy xảy ra chậm. Tỷ lệ C/N của các chất thải khác nhau được trình bày trong bảng sau. Trừ phân ngựa và lá khoai tây, tỷ lệ C/N của tất cả các chất thải khác nhau đều phải được điều chỉnh để đạt giá trị tối ưu trước khi tiết hành làm phân. Bảng 2.2 Tỷ lệ C/N của các chất thải STT Chất thải N (% khối lượng khô) Tỷ lệ C/N 1 Phân bắc 5,5 – 6,5 6 –10 2 Nước tiểu 15 – 18 0,8 3 Máu 10 – 14 3,0 4 Phân động vật - 4,1 5 Phân bò 1,7 18 6 Phân gia cầm 6,3 15 7 Phân cừu 3,8 - 8 Phân heo 3,8 - 9 Phân ngựa 2,3 25 10 Bùn cống thải khô 4 – 7 11 11 Bùn cống đã phân hủy 2,4 - 12 Bùn hoạt tính 5 6 13 Cỏ cắt xén 3 – 6 12 – 15 14 Chất thải rau quả 2,5 – 4 11 – 12 15 Cỏ hỗn hợp 2,4 19 16 Lá khoai tây 1,5 25 17 Trấu lúa mì 0,3 – 0,5 128 – 150 18 Trấu yến mạch 0,1 48 19 Mạt cưa 0,1 200 – 500 Nguồn: Chongrak, 1996 Khi bắt đầu quá trình ủ phân rác, tỷ lệ C / N giảm dần từ 30:1 xuống 15:1 ở các sản phẩm cuối cùng do hai phần ba carbon được giải phóng tạo ra CO2 khi các hợp chất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật. Mặc dù đạt tỷ lệ C/N khoảng 30:1 là mục tiêu tối ưu trong quá trình ủ phân rác, nhưng tỷ lệ này có thể được điều chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu ủ, trong đó quan trọng nhất là cần quan tâm tới các thành phần có hàm lượng lignin cao. Trong thực thế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỉ lệ C/N tối ưu gặp phải khó khăn vì những lý do sau: Một phần các cơ chất như cenlulose và lignin khó bị phân hủy sinh học, chỉ bị phân hủy sau một khoảng thời gian dài. Một số chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật không sẵn có. Quá trình cố định N có thể xảy ra dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn Azotobacter, đặc biệt khi có mặt đủ PO43- Phân tích hàm lượng C khó đạt kết quả chính xác. Hàm lượng cacbon có thể xác định theo phương trình sau: % C trong phương trình này là lượng vật liệu còn lại sau khi nung ở nhiệt độ 5500C trong 1 giờ. Do đó, một số chất thải chứa phần lớn nhựa (là thành phần bị phân hủy ở 5500C) sẽ có giá trị %C cao, nhưng đa phần không có khả năng phân hủy sinh học Nếu tỷ lệ C/N của CTR làm phân cao hơn giá trị tối ưu, sẽ hạn chế sự phát triển của vi sinh vật do thiếu N. Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hoá, oxy hoá phân carbon dư cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp. Do đó, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân bị kéo dài hơn và sản phẩm thu được chứa ít mùn hơn. Theo nghiên cứu cho thấy, nếu tỷ lệ C/N ban đầu là 20, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân là 12 ngày, nếu tỷ lệ này dao động trong khoảng 20 – 50, thời gian cần thiết là 14 ngày và nếu tỷ lệ C/N = 78, thời gian cần thiết sẽ là 21 ngày. b. pH Giá trị pH trong khoảng 5,5 – 8,5 là tối ưu cho các vi sinh vật trong quá trình ủ phân rác. Các vi sinh vật, nấm tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các acid hữu cơ. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ phân rác, các acid này bị tích tụ và kết quả làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và vi sinh vật, kìm hãm sư phân hủy lignin và cenlulose. Các acid hữu cơ sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình ủ phân rác. Nếu hệ thống trở nên yếm khí, việc tích tụ các acid có thể làm pH giảm xuống đến 4,5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của vi sinh vật. c. Dinh dưỡng Cung cấp đủ photpho, kali và các chất vô cơ khác như Ca, Fe, Bo, Cu,... là cần thiết cho sự chuyển hóa của vi sinh vật. Thông thường, các chất dinh dưỡng này không có giới hạn bởi chúng hiện diện phong phú trong các vật liệu làm nguồn nguyên liệu cho quá trình ủ phân rác. c. Vi sinh vật Chế biến phân hữu cơ là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều loại vi sinh vật khác nhau. Vì sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ bao gồm: actinomycetes và vi khuẩn. Những loại vi sinh vật này có sẵn trong chất hữu cơ, có thể bổ sung thêm vi sinh vật từ các nguồn khác để giúp quá trình phân hủy xảy ra nhanh và hiệu quả hơn. d. Chất hữu cơ Tốc độ phân hủy tùy thuộc vào thành phần và tính chất của chất hữu cơ. Chất hữu cơ hòa tan dễ dàng phân hủy hơn chất hũu cơ không hòa tan. Lignin và Ligno – Cenluloses là những chất phân hủy rất chậm. Bảng 2.3 Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân hữu cơ hiếu khí Thông số Giá trị 1. Kích thước Quá trình ủ đạt hiệu quả tối ưu khi kích thước CTR khoảng 25 –75mm 2. Tỉ lệ C/N Tỉ lệ C:N tối ưu dao động trong khoảng 25 - 50 Ở tỉ lệ thấp hơn, dư NH3, hoạt tính sinh học giảm Ở tỉ lệ cao hơn, chất dinh dưỡng bị hạn chế. 3. Pha trộn Thời gian ủ ngắn hơn 4. Độ ẩm Nên kiểm soát trong phạm vi 50 – 60% trong suốt quá trình ủ. Tối ưu là 55% 5. Đảo trộn Nhằm ngăn ngừa hiện tượng khô, đóng bánh và sự tạo thành các rảnh khí, trong quá trình làm phân hữu cơ, CTR phải được xáo trộn định kỳ. Tần suất đảo trộn phụ thuộc vào quá trình thực hiện 6. Nhiệt độ Nhiệt độ phải được duy trì trong khoảng 50 – 550C đối với một vài ngày đầu và 55 – 600C trong những ngày sau đó. Trên 660C, hoạt tính vi sinh vật giảm đáng kể. 7. Kiểm soát mầm bệnh Nhiệt độ 60 – 700C, các mầm bệnh đều bị tiêu diệt 8. Nhu cầu về không khí Lượng oxy cần thiết được tính toán dựa trên cân bằng tỷ lượng. Không khí chứa oxy cần thiết phải được tiếp xúc đều với tất cả các phần của CTR làm phân 9. pH Tối ưu: 7 – 7,5. Để hạn chế sự bay hơi Nitơ dưới dạng NH3, pH không được vượt quá 8,5 10. Mức độ phân hủy Đánh giá qua sự giảm nhiệt độ vào thời gian cuối 11. Diện tích đất yêu cầu Công suất 50 tấn/ngày cần 1 hecta đất Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993. 2.1.3. Chất lượng compost Chất lượng Compost được đánh giá dựa trên 4 yếu tố sau : Mức độ lẫn tạp chất (thủy tinh, plastic, đá, kim loại nặng, chất thải hóa học, thuốc trừ sâu …) Nồng độ các chất dinh dưỡng (dinh dưỡng đa lượng N, P, K; dinh dưỡng trung lượng Ca, Mg, S; dinh dưỡng vi lượng Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co, Bo …). Mật độ vi sinh vật gây bệnh (thấp ở mức không ảnh hưởng có hại tới cây trồng). Độ ổn định (độ chín, hoai) và hàm lượng chất hữu cơ. Bảng 2.4 Tiêu chuẩn ngành 10 TCVN 562 – 2002 cho phân hữu cơ vi sinh vật chế biến từ chất thải rắn sinh hoạt do Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn ban hành Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Mức Hiệu quả đối với cây trồng Tốt Độ chín (hoai) cần thiết Tốt Đường kính hạt không lớn hơn mm 4 – 5 Độ ẩm không lớn hơn % 35 PH 6,0 – 8,0 Mật độ vi sinh vật hữu hiệu (đã được tuyển chọn) không nhỏ hơn CFU/g mẫu 106 Hàm lượng cacbon tổng số không nhỏ hơn % 13 Hàm lượng nitơ tổng số không nhỏ hơn % 2,5 Hàm lượng lân hữu hiệu không nhỏ hơn % 2,5 Hàm lượng kali hữu hiệu không nhỏ hơn % 1,5 Mật độ samonella trong 25 g mẫu CFU 0 Hàm lượng chì (khối lượng khô) không lớn hơn Mg/kg 250 Hàm lượng cadimi (khối lượng khô) không lớn hơn Mg/kg 2,5 Hàm lượng crom (khối lượng khô) không lớn hơn Mg/kg 200 Hàm lượng đồng (khối lượng khô) không lớn hơn Mg/kg 200 Hàm lượng niken (khối lượng khô) không lớn hơn Mg/kg 100 Hàm lượng kẽm (khối lượng khô) không lớn hơn Mg/kg 750 Hàm lượng thủy ngân (khối lượng khô) không lớn hơn Mg/kg 2 Thời gian bảo quản không ít hơn Tháng 6 Nguồn: Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn, 2002 2.1.4. Lợi ích và hạn chế của quá trình chế biến compost 2.1.4.1. Lợi ích Là phương án được lựa chọn để bảo tồn nguồn nước và năng lượng. Kéo dài tuổi thọ cho các bãi chôn lấp. Ổn định chất thải : Các phản ứng sinh học xảy ra trong quá trình chế biến Compost sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ dễ thối rữa sang dạng ổn định, chủ yếu là các chất vô cơ ít gây ô nhiễm môi trường khi thải ra đất hoặc nước. Làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh : Nhiệt của chất thải sinh ra từ quá trình phân hủy sinh học có thể đạt khoảng 600C, đủ để làm mất hoạt tính của vi khuẩn gây bệnh, virus và trứng giun sán nếu như nhiệt độ này được duy trì ít nhất một ngày. Các sản phẩm của quá trình chế biến Compost có thể thải bỏ an toàn trên đất hoặc sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng cho đất. Thu hồi dinh dưỡng và cải tạo đất : Các chất dinh dưỡng (N, P, K) có trong chất thải thường ở dạng hữu cơ phức tạp, cây trồng khó hấp thụ. Sau quá trình làm phân Compost, các chất này được chuyển hóa thành các chất vô cơ như NO3- và PO43- thích hợp cho cây trồng. Sử dụng sản phẩm của quá trình chế biến Compost bổ sung dinh dưỡng cho đất có khả năng làm giảm thất thoát dinh dưỡng do rò rỉ vì các chất dinh dưỡng vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng không tan. Thêm vào đó, lớp đất trồng cũng được cải tiến nên giúp rễ cây phát triển tốt hơn. Làm khô bùn : Phân người, phân động vật và bùn chứa khoảng 80 – 95% nước, do đó chi phí thu gom vận chuyển và thải bỏ cao. Làm khô bùn trong quá trình ủ phân Compost là phương pháp lợi dụng nhiệt của chất thải sinh ra từ quá trình phân hủy sinh học làm bay hơi nước chứa trong bùn. Tăng khả năng kháng bệnh cho cây trồng : Trong đất bón phân vi sinh với hàm lượng dinh dưỡng cao, dễ hấp thụ và chủng loại vi sinh vật đa dạng không những làm tăng năng suất cây trồng mà còn giảm thiểu bệnh cho cây trồng hơn so với các loại phân hóa học khác. 2.1.4.2. Hạn chế Hàm lượng chất dinh dưỡng trong Compost không thoả mãn yêu cầu. Do đặc tính của chất thải hữu cơ có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thời gian, khí hậu và phương pháp chế biến phân, dẫn đến tính chất của sản phẩm cũng khác nhau. Bản chất của vật liệu làm Compost thường làm cho sự phân bố nhiệt độ trong khối phân không đồng đều, do đó khả năng làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh trong sản phẩm Compost cũng không hoàn toàn. Quá trình sản xuất Compost tạo mùi khó chịu nếu không thực hiện quy trình chế biến đúng cách. Hầu hết các nhà nông vẫn thích sử dụng phân hóa học vì không quá đắt tiền, dễ sử dụng và tăng năng suất cây trồng một cách rõ ràng. 2.1.5. Một số phương pháp ủ compost trên thế giới 2.1.5.1. Phương pháp ủ theo luống dài và thổi khí thụ động có xáo trộn Trong phương pháp này, vật liệu ủ được sắp xếp theo luống dài và hẹp, và được đảo trộn theo một chu kỳ nhất định nhằm cấp khí cho luống ủ.. Các luống Compost được xáo trộn bằng cách di chuyển luống Compost với xe xúc hoặc xe trộn chuyên dụng. Các luống ủ có chiều cao thay đổi từ 1m (đối với nguyên liệu có mật độ dày như phân) đến 3,5m (đối với nguyên liệu nhẹ như lá cây). Chiều rộng luống ủ thay đổi thay đổi từ 1,5-6m. Không khí (oxy) được cung cấp tới hệ thống bằng các con đường tự nhiên như do khuếch tán, gió, đối lưu nhiệt… Các luống phân được xáo trộn định kỳ thường xuyên nhằm trộn đều CTR trong luống phân, trộn đều độ ẩm và hỗ trợ cho thổi khí thụ động. Việc xáo trộn được thực hiện bằng xe xúc hoặc bằng xe xáo trộn chuyên dụng. Các thiết bị sử dụng được xác định theo hình dạng thực tế của luống ủ. Tốc độ làm thoáng khí phụ thuộc độ xốp của đống ủ. Luống ủ với các nguyên liệu nhẹ như lá cây có tốc độ thoáng khí lớn hơn tốc độ thoáng khí của luống ủ với nguyên liệu phân. Nếu luống ủ quá lớn, các vùng kỵ khí có thể xuất hiện ở khu vực trung tâm, điều này sẽ tạo ra mùi khi luống ủ được đảo trộn. Ngược lại, Các luống ủ nhỏ sẽ mất nhiệt quá nhanh và không thể đạt được nhiệt độ đủ lớn để diệt vi sinh vật gây bệnh và bay hơi ẩm. Đảo trộn sẽ làm cho nguyên liệu ủ được trộn đều, tạo lại độ xốp của đống ủ, loại trừ các khoảng trống tạo ra bởi sự phân hủy và sa lắng. Đảo trộn sẽ làm xáo trộn các vật liệu bên trong và bên ngoài đống ủ. Điều này sẽ làm cho tất cả các vật liệu được tiếp xúc với không khí phía bên ngoài và nhiệt độ cao phía bên trong của đống ủ. Bằng cách này, tất cả các vật liệu sẽ được phân hủy với tốc độ như nhau và các vi sinh vật gây bệnh, ấu trùng của côn trùng có cánh sẽ bị diệt. Thêm vào đó, đảo trộn sẽ xé nhỏ các phần tử rác để gia tăng diện tích bề mặt và các vật liệu được trộn lẫn nhau. Ưu điểm Do xáo trộn thường xuyên nên chất lượng Compost thu được khá đều. Vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp vì không cần hệ thống cung cấp khí. Nhược điểm Cần nhiều nhân công. Thời gian ủ dài (3 – 6 tháng). Do sử dụng thổi khí tự động nên khó quản lý, đặc biệt là khó kiểm soát nhiệt độ và mầm bệnh. Xáo trộn luống Compost thường gây thất thoát Nitơ và gây mùi. Quá trình ủ có thể bị phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Cần một lượng lớn vật liệu tạo cấu trúc và vật liệu tạo cấu trúc này khó tìm hơn so với các phương pháp khác. 2.1.5.2. Phương pháp ủ theo luống dài hoặc đống với thổi khí cưỡng bức Trong phương pháp này, vật liệu ủ được sắp xếp thành đống hoặc luống dài. Không khí được cung cấp cho hệ thống bằng quạt thổi khí hoặc bơm nén khí qua hệ thống phân phối khí như ống phân phối khí hoặc sàn phân phối khí. Chiều cao luống hay đống ủ khoảng 2 – 2,5m. Để kiểm soát quá trình phân hủy hiếu khí bên trong khối ủ, mỗi khối ủ thường được trang bị một máy thổi khí. Lượng không khí cung cấp phải đảm bảo đủ nhu cầu oxy cho quá trình chuyển đổi sinh học và nhằm kiểm soát nhiệt độ trong khối ủ. Thời gian cần thiết cho quá trình ủ khoảng 3 – 5 tuần. Phần mùn sau khi ủ được đem đi sàng tinh nhằm thu được sản phẩm phân chất lượng cao. Trong một vài trường hợp, những vật liệu có kích thước lớn, độ ẩm thấp như mạt cưa, gỗ vụn được thêm vào để kiểm soát độ ẩm của khối ủ ở mức tối ưu. Ưu điểm Dễ kiểm soát khi vận hành hệ thống, đặc biệt là kiểm soát nhiệt độ và nồng độ Oxi trong luống ủ. Giảm mùi hôi và mầm bệnh. Thời gian ủ ngắn (3 – 6 tuần). Nhu cầu sử dụng đất thấp và có thể vận hành ngoài trời hoặc có che phủ. Nhược điểm Hệ thống phân phối khí dễ bị tắt nghẽn, cần bảo trì thường xuyên. Chi phí bảo trì hệ thống và năng lượng thổi khí làm chi phí của phương pháp này cao hơn thổi khí thụ động. 2.1.5.3. Phương pháp ủ trong Container Phương pháp ủ trong container là phương pháp ủ mà vật liệu ủ được chứa trong container hoặc thùng kín, túi đựng hay trong nhà. Thổi khí cưỡng bức thường được sử dụng cho phương pháp ủ này. Có nhiều phương pháp ủ trong container như ủ trong bể di chuyển theo phương ngang, ủ trong container thổi khí và ủ trong thùng quay. Trong bể di chuyển theo phương ngang, CTR được ủ trong một hoặc nhiều ngăn phản ứng dài và hẹp, thổi khí cưỡng bức và xáo trộn định kỳ. Vật liệu ủ được di chuyển liên tục dọc theo chiều dài của ngăn phản ứng trong suốt quá trình ủ. Trong Container thổi khí, vật liệu được chứa trong các loại container khác nhau như thùng chứa chất thải rắn hay túi polyethylene…vv. Thổi khí cưỡng bức được sử dụng cho phương pháp ủ dạng mẻ, không có sự rung hay xáo trộn trong container. Tuy nhiên, ở giữa quá trình ủ, vật liệu ủ có thể được lấy ra và xáo trộn bên ngoài, sau đó cho vào container lại. Trong thùng quay, vật liệu được ủ trong một thùng xoay chậm theo phương ngang với thổi khí cưỡng bức. Ưu điểm Ít nhạy cảm với điều kiện thời tiết. Khả năng kiểm soát quá trình ủ và kiểm soát mùi tốt hơn. Thời gian ủ ngắn hơn so với phương pháp ủ ngoài trời. Nhu cầu sử dụng đất nhỏ hơn các phương pháp khác. Chất lượng Compost tốt. Nhược điểm Vốn đầu tư cao. Chi phí vận hành và bảo trì hệ thống cao. Thiết kế phức tạp và đòi hỏi trình độ cao. 2.1.5.4. Phương pháp ủ theo luống dài (đánh luống cấp khí tự nhiên) Dạng đánh luống cấp khí tự nhiên._.