Đánh giá hiệu quả của COMPOST ủ từ xơ dừa và phân bò bổ sung chế phẩm BIO-F trên cây cà chua

45 triệu tấn rác/năm . Trong đó, 98% chất thải rắn hiện nay được xử lý bằng phương pháp chôn lấp. Qua quáù trình vận hành, chôn lấp đã bộc lộ nhiều nhược điểm như tốn kém diện tích, chi phí cao,… đồng thời gây ra tác động đến môi trường thông qua lượng khí thải, nước rỉ rác và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến mỹ quan đô thị. Điều đó đòi hỏi thành phố phải có hướng công nghệ tích cực hơn. Mặt khác, là một nước có đến 80% dân số tham gia sản xuất nông nghiệp, mỗi năm phải sử dụng 8 triệu tấn phân hữu cơ trong đó phải nhập từ nước ngoài khoảng 50%. Trong khi đó thì chất thải rắn có thể tái sử dụng được để sản xuất phân hữu cơ (Compost). Quá trình chế biến Compost lại đơn giản với vốn đầu tư vừa phải và sản phẩm của quá trình là phân bón. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu này đã được Thành phố hướng đến trong thế kỷ này. Nhiều đề tài đã thực hiện nhằm mục đích tạo ra sản phẩm compost, nhưng chưa nhiều đề tài thực hiện việc đánh giá hiệu quả của compost trên cây trồng. Trong các đề tài đã thực hiện, đa phần sản phẩm compost tạo ra đã được ứng dụng trên cây công nghiệp lâu năm như cà phê, cao su… nhưng lại chưa được thử nghiem trên cây nông nghiệp ngắn ngày. Đề tài đã chọn cây cà chua làm đối tượng để nghiên cứu, vì cà chua là loại rau ăn trái rất được ưa thích có phẩm chất ngon và chế biến được nhiều cách, còn cho năng suất cao, mang lại lợi nhuận cao cho nhà nông. Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, việc thu gom vận chuyển và xử lý chất thải rắn (CTR) đang là vấn đề mang tính cấp bách và nan giải đối với nhiều địa phương trong cả nước. CTR và các vấn đề liên quan hiện nay không chỉ là điểm nóng trong các cuộc hội họp, hội thảo của các cấp lãnh đạo mà còn là vấn đề “cơm bữa” của các tầng lớp xã hội. Từ năm 1990 đến nay, cùng với sự tăng trưởng kinh tế, đời sống của người dân ngày càng được nâng cao, vì thế lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ngày càng lớn, tại thành phố Hồ Chí Minh khối lượng chất thải rắn sinh hoạt đã vượt khỏi con số một triệu tấn năm, những câu chuyện về rác và những hệ lụy môi trường từ rác đang “nóng lên” trong những năm gần đây. Với khối lượng 7.000 tấn chất thải rắn sinh hoạt phát sinh mỗi ngày, phương pháp xử lý duy nhất là chôn lấp, thành phố có 3 bãi chôn lấp (BCL) hợp vệ sinh, BCL Gò Cát, Phước Hiệp 1 và Phước Hiệp 1A (mới đi vào hoạt động). Cho đến nay, tổng khối lượng rác đã được chôn lấp tại 2 BCL Gò Cát và Phước Hiệp 1 đã lên đến con số 7.900.000 tấn, trong đó Gò Cát là 4.600.000 tấn, và Phước Hiệp 1 là 3.300.000 tấn. Và sự quá tải đó đã dẫn đến những hậu quả về mặt môi trường, như mùi hôi nồng nặc phát sinh từ các BCL đã phát tán hàng kilômét vào khu vực dân cư xung quanh và một vấn đề nghiêm trọng nửa là sự tồn đọng của hàng trăm ngàn mét khối nước rác tại các BCL và cùng với lượng nước rỉ rác phát sinh thêm mỗi ngày khoảng 1.000 - 1.500 m3 tại các BCL thì nuớc rỉ rác đang là nguồn hiểm họa ngầm đối với môi trường. (Báo cáo “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả và giảm chi phí xử lý nước rỉ rác”, CENTEMA, 2007.). Đây là kết quả của việc phân hủy tự nhiên các chất hữu cơ có trong rác thải. Vấn đề đặt ra hiện nay là phải có biện pháp xử lý rác thải hiệu quả, không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng rác thải thành các sản phẩm có giá trị kinh tế. Biện pháp được ưu tiên hàng đầu hiện nay để xử lý chất thải là sử dụng phương pháp phân hủy sinh học, có hai phương pháp phân hủy sinh học của chất thải hữu cơ là chế biến compost hiếu khí và phân hủy kỵ khí, trong đó chế biến compost hiếu khí ít tốn kém, sản phẩm của quá trình là compost có thể làm phân bón. Bên cạnh đó, nhiệt độ cao 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 môi trường và nhất là phù hợp với các qui 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 hóa học. Trong khi đó, nguyên liệu để sản xuất phân hữu cơ từ CTR không bị động về mặt giá thị trường giúp người dân yên tâm hơn trong việc đầu tư lâu dài vào ngành nông nghiệp. Có nhiều nghiêu cứu đã thực hiện để tạo compost và ứng dụng vào cây công nghiệp, nhưng chưa ứng dụng trên cây nông nghiệp ngắn ngày, có thời gian sinh trưởng phát triển ngắn như cây cà chua. Chính vì vậy, tác giả đã thực hiện đề tài “Đánh giá hiệu quả của compost ủ từ xơ dừa và phân bò bổ sung chế phẩm BIO-F trên cây cà chua”, nhằm giải quyết bài toán về tái sử dụng CTR tạo ra nguồn phân bón và ứng dụng rộng rãi vào sản xuất nông nghiệp. Mục đích của đề tài - Tạo được nguồn compost từ xơ dừa và phân bò bổ sung chế phẩm BIO-F. - Đánh giá hiệu quả của compost thành phẩm trên cây cà chua. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đồ án được thực hiện với những nội dung chính sau : Thí nghiệm 1: Tạo ra compost thành phẩm - Khảo sát quá trình ủ hiếu khí. - Chỉ tiêu theo dõi: khảo sát tốc độ phân hủy của các chất thải thông qua việc theo dõi sự biến thiên của các yếu tố như: nhiệt độ, độ ẩm, pH, hàm lượng chất hữu cơ, cacbon, nitơ trong quá trình ủ. - Tần suất: 2 ngày/lần. Thí nghiệm 2: Đánh giá hiệu quả của compost trên cây cà chua (cây trồng ngắn ngày). - Khảo sát: sự sinh trưởng và sinh sản của cây bón bằng compost. - Chỉ tiêu theo dõi: thử nghiệm trực tiếp và đánh giá hiệu quả của compost trên cây trồng ngắn ngày bằng việc theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng (số nhánh, chiều cao cây), và sinh sản (thời gian ra hoa). - Tần suất: 10 ngày đầu (sau khi bón lót). 15 ngày (sau khi bón thúc lần 1). 35 ngày (sau khi bón thúc lần 2). Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài: nghiên cứu tạo sản phẩm compost bằng xơ dừa và phân bò, bổ sung chế phẩm BIO-F. Đối tượng để đánh giá hiệu quả: thực hiện trên đối tượng là cây nông nghiệp ngắn ngày: cây cà chua trong thời gian 35 ngày. Phương pháp nghiên cứu 1.5.1. 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, đề tài xây dựng mô hình ủ từ xơ dừa và phân bò có bổ sung chế phẩm BIO-F để tăng tốc độ phân hủy, theo dõi liên tục các chỉ tiêu về nhiệt độ, độ ẩm, chất hữu cơ, hàm lượng C ảnh hưởng đến quá trình để tạo ra sản phẩm compost cho cây trồng. Thử nghiệm bón compost trên cây cà chua so sánh hiệu quả tăng trưởng và năng suất thu hoạch trái giữa mô hình bón compost và mô hình đối chứng (không bón phân), mô hình bón phân vô cơ. 5.1.2. Phương pháp thực tiễn Thí nghiệm 1: Tạo ra compost thành phẩm, sử dụng phương pháp: - Phương pháp thu thập số liệu: thu các số liệu về quá trình ủ compost, các thông số trong quá trình theo dõi (nhiệt độ, 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, C, N trong quá trình ủ. - Phương pháp đánh giá: nhận xét, đánh giá kết quả thu được sau thời gian ủ. Thí nghiệm 2: Đánh giá hiệu quả của compost, sử dụng phương pháp: - Phương pháp thu thập số liệu: thu thập các số liệu trong quá trình trồng cây. - Phương pháp thực nghiệm: trồng thử nghiệm cây cà chua. - Phương pháp quan sát: theo dõi sự sinh trưởng và phát triển của cà chua sau các lần bón phân. - Phương pháp thống kê: đo chiều cao cây, đếm tất cả các nhánh và tính thời gian ra hoa của cà chua. - Phương pháp đánh giá: nhận xét, đánh giá kết quả thu được. 1.6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.6.1. Ý nghĩa khoa học - Đề tài mở ra một hướng mới trong việc tận dụng xơ dừa và phân bò phế thải để biến thành sản phẩm có ích. - Đề tài là một bước khởi đầu trong việc đánh giá hiệu quả của compost trên cây trồng ngắn ngày. Ý nghĩa thực tiễn - Compost tạo ra có thể áp dụng trực tiếp cho nông nghiệp. - Quá trình tạo compost dễ thực hiện và có triển vọng cao. - Đặc biệt nước ta có khoảng 500 triệu ha đất nông nghiệp để sử dụng trồng cây ngắn ngày nếu compost được ứng dụng sẽ giảm được lượng phân bón hoá học. - Cà chua là một loại thực vật dễ trồng, nếu được bón compost thì sẽ cho năng suất cao hơn nhiều. Tính mới của đề tài Đề tài đã chọn xơ dừa và phân bò làm nguyên liệu ủ compost có bổ sung chế phẩm BIO-F mang tính mới hoàn toàn. Mặt khác, cũng chưa nhiều nghiên cứu thực hiện đánh giá hiệu quả của compost trên cây nông nghiệp ngắn ngày, đặc biệt cây cà chua. 1.7. Thời gian thực hiện đề tài. Đề tài được thực hiện từ 01/04 đến 24/06 năm 2009. Giới hạn đề tài Đề tài chỉ sử dụng CTR là xơ dừa và phân bò để tạo ra compost. Chỉ đánh giá được từ khi cây sinh trưởng phát triển cho đến khi ra hoa của cà chua. Địa điểm nghiên cứu - Quá trình thí nghiệm: thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa Môi Trường của Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp HCM. - Mô hình trồng cây đặt tại vườn rau của Trung Tâm Nghiên Cứu và Phát Triển Nông Nghiệp Công Nghệ Cao ở Củ Chi. - Các số liệu phân tích ở phòng thí nghiệm Hóa Môi Trường của Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp HCM. 1.10. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm 5 chương Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tổng quan lý thuyết Chương 3: Phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và thảo luận Chương 5: Kết luận và kiến nghị Chương 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Tổng quan về compost Định nghĩa Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về quá trình chế biến compost và compost, một định nghĩa thường được sử dụng là định nghĩa của Haug 1993. Theo Haug, quá trình chế biến compost và compost được định nghĩa như sau: “Quá trình chế biến compost là quá trình phân hủy sinh học và ổn định chất hữu cơ dưới điều kiện 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 cho việc ứng dụng cho cây trồng”. “Compost là sản phẩm quá trình chế biến compost, đã được ổn định như humus, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo côn trùng, có thể được lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng”. Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình ủ 2.1.2.1. Phản ứng sinh hóa Quá trình phân hủy CTR diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và tạo nhiều sản phẩm trung gian . Qúa trình phân hủy protein: protein → peptides → amino axit → hợp chất ammoniumn → nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3. Đối với carbonhydrat, quá trình phân hủy xảy ra: carbonhydrat → đường đơn → axit hữu cơ → CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn. Những phản ứng chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp, hiện vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết. Một cách tổng quát căn cứ trên sự biến thiên nhiệt độ có thể chia quá trình ủ hiếu khí thành các pha sau: Pha thích nghi (latent phase) là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật (VSV) thích nghi với môi trường mới. Pha tăng trưởng (growth phase) đặc trưng bới sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học. Pha ưa nhiệt (thermophilic phase) là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Đây là giai đoạn ổn định chất thải và tiêu diệt VSV gây bệnh hiệu quả nhất. Phản ứng hóa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kỵ khí được đặc trưng bởi hai phương trình: CHONS + O2 + VSV hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng CHONS + VSV kỵ khí → CO2 + H2S + CH4 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng Pha trưởng thành (maturation) là giai đoạn giảm nhiệt độ đến bằng nhiệt độ môi trường. Trong pha này, quá trình lên men xảy ra chậm, thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành chất mùn), các chất khoáng (sắt, canxi, nitơ…) và cuối cùng thành mùn. Ngoài ra còn xảy ra các phản ứng nitrat hóa, ammonia (sản phẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2-) và cuối cùng thành nitrat (NO3-): NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + 2H+ + H2O NO2- + ½ O2 → NO3- Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrat hóa diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O Mặt khác, trong mô tế bào, NH4+ cũng được tổng hợp với phản ứng đặc trưng cho quá trình tổng hợp: NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O → C5H7O2N + 5O2 Phương trình phản ứng nitrat hóa tổng cộng xảy ra như sau: 22NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- → 21 NO3- + C5H7O2N + 20H2O + 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 tổ chức có thể sống trong điều kiện tự nhiên hiện diện trong chất thải. Các tổ chức này gồm các loại vi sinh vật (VSV) như vi khuẩn, nấm, chất thải hữu cơ được phân hủy ban đầu từ sinh vật tiêu thụ bậc một như vi khuẩn, nấm. Sự ổn định chất thải do các phản ứng của vi khuẩn thực hiện. Trong thời gian đầu, vi khuẩn thích hợp với điều kiện mesophilic xuất hiện trước. Khi nhiệt độ tăng vi khuẩn thermophilic xuất hiện chiếm hầu hết các vị trí trong khối ủ, thermophilic nấm thường tăng trưởng từ 5 – 10 ngày sau khi ủ. Nếu nhiệt độ cao hơn 50 – 60 0C 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, khi nhiệt độ giảm nhóm vi khuẩn Atinomycetes trở nên chiếm ưu thế làm cho bề mặt đống ủ sẽ xuất hiện màu trắng hoặc nâu. Các loại vi khuẩn thermophilic, hầu hết là các loài Bacillus đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy protein và hợp chất hydratcarbon. Mặc dù chỉ hoạt động bên lớp ngoài của đống ủ và chỉ hoạt động ở giai đoạn cuối nhưng nhóm Atinomycetes đóng vai trong việc phân hủy cellulose, 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, động vật nguyên sinh, phiêu sinh. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost Hiệu quả của quá trình ủ phụ thuộc vào nhóm các tổ chức cư ngụ và làm ổn định trong chất thải hữu cơ. Do đó quá trình ủ sẽ không đạt kết quả mong muốn mà nguyên nhân chính là do sự mất cân bằng về thành phần hóa học và điều kiện lý học trong quá trình ủ. Chính vì vậy cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ Compost như nhiệt độ, độ ẩm, pH, VSV, oxy, tỷ lệ C/N và cấu trúc chất thải. 2.1.3.1. Các yếu tố vật lý Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trình ủ gồm: nhiệt độ, độ ẩm, kích thước nguyên liệu, độ rỗng, thổi khí. Nhiệt độ Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ và cũng là một trong các thông số giám sát và điều khiển quá trình ủ CTR. Trong luống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55÷650C, vì ở nhiệt độ này, quá trình chế biến phân vẫn hiệu quả và mầm bệnh bị tiêu diệt. Khi nhiệt độ tăng trên ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của VSV. Ở nhiệt độ thấp hơn phân hữu cơ 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. Hình 2.1: Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân Độ ẩm (nước) Là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Vì nước cần thiết cho quá trình hòa tan chất dinh dưỡng vào nguyên sinh chất của tế bào. Độ ẩm tối ưu cho quá trình ủ phân CTR nằm trong khoảng 50÷60%. Các VSV 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 VSV gây bệnh. Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước có nhiệt dung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác. Trong trường hợp độ ẩm của khối ủ thấp, có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào. Còn khi độ ẩm của khối ủ cao có thể điều chỉnh bằng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như mạt cưa, rơm rạ … Độ ẩm của phân bắc, bùn, phân động vật thường cao hơn giá trị tối ưu, do đó cần bổ sung thêm các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết. Đối với hệ thống làm compost vận hành liên tục, độ ẩm có thể được khống chế bằng cách tuần hoàn sản phẩm compost như sơ đồ hình 2.2. Hình 2.2: Tuần hoàn sản phẩm compost Kích thước nguyên liệu Kích thước nguyên liệu ảnh hưởng rất 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, gia 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 VSV trong đống ủ và giảm mức độ hoạt động của VSV. 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. Độ rỗng (xốp) Độ rỗng của khối vật liệu ủ là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Độ rỗng tối ưu sẽ thay đổi tùy theo loại vật liệu chế biến phân. Thông thường, để quá trình chế biến diễn ra tốt khoảng 35÷60%, tối ưu là 32÷36%. Độ rỗng của CTR ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cung cấp oxy cần thiết cho sự trao đổi chất, hô hấp của VSV hiếu khí và sự oxy hóa các phân tử hữu cơ hiện diện trong lớp vật liệu ủ. Độ rỗng thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy, nên hạn chế sự giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ trong khối ủ. Ngựợc lại, độ rỗng cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh không bị tiêu diệt. Độ rỗng có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỷ lệ trộn hợp lý. Thổi khí Khối ủ được cung cấp không khí từ môi trường xung quanh để VSV sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng như làm bay hơi nước và giải phóng nhiệt. Nếu khí không được cung cấp đầy đủ thì trong khối ủ có thể có những vùng kị khí, gây mùi hôi. Lượng không khí cung cấp cho khối phân hữu cơ có thể được thực hiện bằng cách: Đảo trộn Sử dụng ống khí Đổ chất thải từ tầng lưu chất trên cao xuống thấp Thổi khí Quá trình đảo trộn cung cấp khí không đủ theo cân bằng tỷ lượng. Điều kiện hiếu khí chỉ thỏa mãn đối với lớp trên cùng, các lớp bên trong hoạt động trong môi trường tùy 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 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 VSV 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/giờ. 2.1.3.2. Các yếu tố hóa sinh a. Tỷ lệ C/N (Cacbon/Nitơ) Có rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do VSV, trong đó C và N là cần thiết nhất, tỷ lệ C/N là thông số dinh dưỡng quan trọng nhất; quan trọng kế tiếp là nguyên tố photpho (P); lưu hùynh (S), canxi (Ca). Các nguyên tố vi lượng khác cũng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào. Khoảng 20%÷40% của chất thải hữu cơ (trong chất thải nạp liệu) cần thiết cho quá trình đồng hóa thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hóa thành CO2. C cung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo ra khoảng 50% khối lượng tế bào VSV. N là thành phần chủ yếu của protein, axit nucleic, axit amin, enzyme, co-enzym cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào. Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ phân khoảng 30:1. Ở mức tỷ lệ thấp hơn, N sẽ thừa và sinh ra khí NH3 gây ra mùi khai. Ở mức tỷ lệ cao hơn hạn chế sự phát triển của VSV do thiếu N. Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hóa, oxy hóa phần C 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. Mặc dù vậy, tỷ lệ này cũng có thể được hiệu chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu ủ, trong đó quan trọng nhất là cần quan tâm tới các vật liệu ủ có hàm lượng lignin cao. Khi bắt đầu quá trình ủ phân, tỷ lệ C/N là 30:1 và giảm dần còn 15:1 ở các sản phẩm cuối cùng do 2/3 C được giải phóng tạo ra CO2 khi các hợp chất hữu cơ bị phân hủy bởi các VSV. Trong thực tế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỷ lệ C/N tối ưu gặp phải khó khăn vì những lý do sau: - Một phần các chất như xenlulo 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 VSV không sẵn có. Quá trình cố định N có thể xảy ra dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn azotobacter, đặc biệt khi có đủ PO43-. - Phân tích hàm lượng C khó đạt kết quả chính xác. Bảng 2.1 Tỷ lệ C/N của chất thải (tính theo chất khô) STT Chất thải N (% khối lượng) 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 3.75 22 8 Phân heo 3.75 20 9 Phân ngựa 2.3 25 10 Bùn cống thải khô 4÷7 11 11 Bùn hoạt tính đã phân hủy 1.88 15.7 12 Bùn cống đã phân hủy 2.4 - 13 Bùn hoạt tính thô 5.6 6.3 14 Cỏ cắt xén 3÷6 12÷15 15 Chất thải rau quả 2.5÷4 11÷12 16 Cỏ hỗn hợp 2.4 19 17 Lá khoai tây 1.5 25 18 Trấu lúa mì 0.3÷0.5 128÷150 19 Trấu yến mạch 1.05 48 20 Gỗ nghiền 0.13 170 21 Mạt cưa 0.1 200÷500 22 Gỗ thông 0.07 723 23 Trái cây thải 1.52 34.8 24 Chất thải giết mổ hỗn hợp 7÷10 2 25 Giấy hỗn hợp 0.25 173 26 Giấy báo 0.05 983 27 Giấy nâu (gói hàng) 0.01 4490 28 Tạp chí 0.07 470 29 Tài liệu 0.17 223 30 Cỏ xén 2.15 20.1 31 Lá cây (tươi) 0.5÷1.0 40÷80 32 Sinh khối thực vật 1.96 20.9÷24 (Nguồn: Chongrak, Tchobanoglous và cộng sự, 1993) Hàm lượng C có thể xác định theo phương trình sau: %Tro trong phương trình này là lương vật liệu còn lại sau khi nung ở nhiệt độ 5500C trong một giờ. Do đó một số chất thải có thành phần chủ yếu là nhựa (thành phần bị phân hủy ở 5500 C) sẽ có giá trị %C cao, nhưng đa phần không có khả năng phân hủy sinh học. b. Oxy Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân. Khi VSV oxy hóa C tạo năng lượng, oxy sẽ được sử dụng và khí CO2 được sinh ra; khi không có đủ oxy thì sẽ trở thành quá trình yếm khí và tạo ra mùi hôi như mùi trứng gà thối của khí H2S. Các VSV hiếu khí có thể sống được ở nồng độ oxy bằng 5%. Nồng độ oxy lớn hơn 10% được coi là tối ưu cho quá trình ủ phân hiếu khí. Tổng lượng khí cần cung cấp và do lưu lượng dòng khí là các thông số quan trọng đối với hệ thống ủ trong thùng kín. Nhu cầu oxy thay đổi theo tiến trình ủ gián đoạn, do đó cần xác định nhu cầu oxy tối đa để chọn máy thổi khí và thiết kế hệ thống ống phân phối khí phù hợp. c. Dinh dưỡng Ngoài một số nguyên tố đa lượng, quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ hoạt động của VSV cũng cần một số nguyên tố vi lượng khác như P, K, Ca, Fe, Bo, Cu…Thông thường, các chất dinh dưỡng này không có giới hạn bởi chúng có mặt nhiều trong các vật liệu làm nguyên liệu cho quá trình ủ phân. d. pH Giá trị pH trong khoảng 5,5-8,5 là tối ưu cho các VSV trong quá trình ủ phân. Các VSV, nấm, tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các axit hữu cơ. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ phân, các axit này bị tích tụ và kết qủa làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và VSV, kìm hãm sự phân hủy của lignin và xenlulo. Các axit hữu cơ sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình ủ phân. Nếu hệ thống trở nên yếm khí, việc tích tụ các axit có thể làm pH giảm xuống đến 4,5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của VSV. e. Vi sinh vật Chế biến phân hữu cơ là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều loại VSV khác nhau. VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ bao gồm: actinomycetes và vi khuẩn. Những loại VSV này có sẵn trong chất hữu cơ, có thể bổ sung thêm VSV từ các nguồn khác để giúp quá trình phân hủy xảy ra nhanh và hiệu quả hơn. f. Chất hữu cơ Vận tốc phân hủy dao động tùy theo thành phần kích thước, tính chất của chất hữu cơ. Chất hữu cơ hòa tan thì dễ phân hủy hơn chất hữu cơ không hòa tan. Lignin và ligno- celulosics là những chất phân hủy rất chậm . Bảng 2.2 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. Tỷ lệ C/N Tỷ lệ C/N tối ưu dao động trong khoảng 25÷50 Ở tỷ lệ thấp hơn, dư NH3, hoạt tính sinh học giảm Ở tỷ 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 rãnh 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 VSV giảm đáng kể 7. Kiểm soát nhiệt độ Nhiệt độ 60÷700C, các mầm bệnh đều bị tiêu diệt 8. Nhu cầu về không khí Lượng oxy cần thiết tính toán dựa trên cân bằng tỷ trọng. 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 N 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 khoảng 0.6÷0.8 ha đất (Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993) 2.1.4 . Chất lượng của compost Chất lượng của compost được đánh giá dựa trên bốn 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 đến mức không ảnh hưởng đến cây trồng). - Độ ổn định (độ chín) và hàm lượng chất hữu cơ (độ ổn định liên quan tới nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ oxy trong quá trình chế biến phân hữu cơ; độ ổn định thường tỷ lệ nghịch với hàm lượng chất hữu cơ, khi thời gian ủ phân kéo dài, độ ổn định của phân sẽ tăng, tức là hàm lượng hữu cơ trong phân giảm). 2.1.5. Tính cấp thiết của compost Cải tạo cơ cấu Quân bình độ pH trong đất. Tạo ra sự màu mỡ trong đất. Duy trì độ ẩm cho đất. Tạo môi trường tốt cho VSV có lợi trong đất sinh sống. 2.1.6. Những lợi ích và hạn chế của quá trình làm compost 2.1.6.1. Lợi ích của quá trình làm compost - Ổn định chất thải: Các phản ứng sinh học xảy ra trong quá trình làm phân hữu cơ sẽ chuyển hóa chất hữu cơ dễ thối rửa sang dạng ổn định, chủ yếu là các chất vô cơ ít gây ô nhiễm môi trường khi thải ra đất và nước. - Làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh: Nhiệt độ của chất thải sinh ra từ quá trình phân hủy sinh vật có thể đạt khoảng 600C, đủ để làm mất hoạt tính của VSV gây bệnh, virut và trứng giun sán nếu như nhiệt độ này duy trì ít nhất một ngày. Do đó, các sản phẩm của quá trình làm phân hữu cơ có thể thải bỏ 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 hữu cơ, các chất này được chuyển hóa thành các chất vô cơ như NO3-, PO43- thích hợp cho cây trồng. Sử dụng sản phẩm của quá trình chế biến phân từ CTR hữu cơ bổ sung dinh dưỡng cho đất, có khả năng làm giảm sự 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 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: Với hàm lượng dinh dưỡng cao, dễ hấp thụ và chủng loại VSV đa dạng, phân hữu cơ không những làm tăng năng suất cây trồng mà còn giảm thiểu bệnh trên cây trồng. Đối với các loại phân hóa học khác cây trồng chỉ hấp thu được một phần chất dinh dưỡng nhưng đối với phân hữu cơ cây trồng có khả năng hấp thụ hầu hết các chất dinh dưỡng, đồng thời cây trồng phát triển tốt và có khả năng kháng bệnh cao. Ứng dụng phân hữu cơ trồng cây sầu rêng do trung tâm nghiên cứu cây Ăn Qủa Miền Đông Nam Bộ thực hiện cho thấy chỉ số bệnh Phytophthora trên cây Sầu Riêng giảm đáng kể sau 2÷3 năm bón phân hữu cơ là một ví dụ điển hình. 2.1.6.2. Hạn chế của quá trình làm compost - Hàm lượng chất dinh dưỡng trong phân hữu cơ không thỏa mãn yêu cầu. - Do đặc tính của chất hữu cơ có thể thay đổi rất nhiều theo thời gian, khí hậu và phương pháp thực hiện, nên tính chất của sản phẩm cũng khác nhau. Bản chất vật liệu làm phân thường làm cho sự phân bố nhiệt độ trong đống phân không đồng đều. Do đó, khả năng làm mất hoạt tính của VSV gây bệnh trong phân cũng không hoàn toàn. - Qúa trình làm phân hữu cơ thường tạo mùi hôi, gây mất mỹ quan… 2.1.7. Một số phương pháp ủ compost trên thế giới 2.1.7.1. Phương pháp ủ phân theo luống dài (đánh luống cấp khí tự nhiên) Dạng đánh luống cấp khí tự nhiên là quá trình ủ phân trong đó CTR được sắp xếp theo các luống dài, hẹp và được đảo trộn theo một chu kỳ nhất định nhằm cấp khí cho luống ủ. 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 ủ thay đổi từ 1,5÷6m. Không khí (oxy) được cung cấp tới hệ thống bằng các con đường tự nhiên như: khuếch tán, gió, đối lưu nhiệt…Các luống phân thường xuyên được xáo t._.