Xử lý hỗn hợp bùn hầm cầu thành phân bón compost

Với kết quả đạt được từ thí nghiệm, tôi hy vọng đề tài sẽ là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu thực tiễn sâu hơn nhằm hoàn thiện quy trình sản xuất bùn hầm cầu thành phân compost dưới qu

Trang 1

Luận văn cao học Lời mở đầu

Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung

Trang 2

Luận văn cao học Lời mở đầu

Hiện nay, tốc độ đô thị hóa đã dẫn đến hiện tượng phát sinh chất thải sinh hoạt ngày ngày càng tăng và gây ô nhiễm môi trường, đặt biệt là chất thải từ bùn hầm cầu Trước

thực trạng trên, đề tài “Xử lý hỗn hợp bùn hầm cầu thành phân bón compost” được

thực hiện nhằm đưa ra những ưu điểm và lợi ích của việc sử dụng bùn hầm cầu làm phân bón trong nông nghiệp, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

Qua đó, tôi xin chân thành cảm ơn t hầy Nguyễn Văn Phước và t hầy Ngô Đại Nghiệp đã tận tình đóng góp ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn đến các cơ quan, đơn vị đã tạo điều kiện cho tôi lấy mẫu và tiến hành khảo sát thí nghiệm:

- Xí nghiệp Dịch vụ Môi trường - Công ty TNHH MTV Môi trường Đô thị TPHCM

- Nhà máy phân bón Hòa Bình – Xã Đa Phước – Huyện Bình Chánh

- Công ty TNHH Gia Tường – Huyện Dĩ An – Tỉnh Bình Dương

- Phòng thí nghiệm Sinh hóa – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học

Quốc gia TPHCM

Với kết quả đạt được từ thí nghiệm, tôi hy vọng đề tài sẽ là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu thực tiễn sâu hơn nhằm hoàn thiện quy trình sản xuất bùn hầm cầu thành phân compost dưới quy mô công nghiệp và tự động hóa, góp phần xử lý hiệu quả bùn hầm cầu và nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón trong nông nghiệp

Nguy ễn Mai Trung

Trang 3

Luận văn cao học 1 Đặt vấn đề

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trang 4

Luận văn cao học 2 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, ngành nông nghiệp cũng đã có

những thay đổi rất đáng kể Nhiều máy móc tiên tiến, công nghệ trồng trọt, giống mới

đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong nông nghiệp Việt Nam là nước nông nghiệp nên phân bón và giống được xem là 2 yếu tố có tính quyết định đến năng

suất và chất lượng Nông nghiệp hiện nay chủ yếu sử dụng phân bón hóa học quá nhiều, vì thế dư lượng các chất hóa học trong các loại phân bón này gây ô nhiễm m ôi trường đất, môi trường nước và ảnh hưởng nhiều đến sinh vật cũng như con người Bên cạnh đó, việc tận dụng bùn hầm cầu đã qua xử lý làm phân bón ở nước ta chưa thật sự phổ biến Nông dân thường sử dụng trực tiếp bùn hầm cầu chưa qua xử lý để bón trực tiếp lên rau trồng, còn lại thì đổ ngoài cống rãnh, gây ô nhiễm môi trường Bùn hầm cầu là một nguồn phân hữu cơ quý báu và an toàn mà từ trước tới nay chúng

ta đã không tận dụng hợp lý cho mục đích nông nghiệp

Trước thực trạng trên, đề tài “Xử lý hỗn hợp bùn hầm cầu thành phân bón compost”

được đặt ra nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của hỗn hợp vi sinh vật: Bacillus subtilis,

Actinomycetes sp, Aspergillus niger lên bùn hầm cầu thông qua sự thay đổi các chỉ tiêu hóa sinh trong các lô thí nghiệm Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm: khảo sát các chỉ tiêu sinh hóa có trong hỗn hợp bùn hầm cầu và so sánh với tiêu chuẩn quy định sử

dụng chất thải rắn làm phân bón của Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn Việt Nam Qua khảo sát thí nghiệm, chúng tôi có thể chọn ra thời điểm ủ phân và hàm lượng hỗn hợp vi sinh vật thích hợp để phân hủy bùn hầm cầu làm phân bón Bùn hầm cầu

sau khi được xử lý bằng phương pháp ủ hiếu khí với hỗn hợp vi sinh: Bacillus subtilis,

Aspergillus niger, Actinomycetes sp sẽ đảm bảo các tiêu chuẩn làm phân bón trong nông nghiệp mà không gây ô nhiễm môi trường

Trang 5

Luận văn cao học Mục lục

Trang

L ỜI MỞ ĐẦU

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Công tác quản lý chất thải rắn (CTR) 4

1.1.1 Tình hình quản lý chất thải rắn ở TPHCM 4

1.1.2 Hiện trạng xử lý bùn hầm cầu tại TPHCM 6

1.2 Nghiên cứu trong nước và ngoài nước 7

1.2.1 Nghiên cứu trong nước 8

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước 12

1.3 Xử lý chất thải hữu cơ thành phân compost 13

1.3.1 Giới thiệu về ủ bùn hầm cầu làm phân bón compost 13

1.3.2 Nhóm vi sinh vật bổ sung vào quá trình ủ bùn hầm cầu 15

1.3.2.1 Bacillus subtilis 15

1.3.2.2 Aspergillus niger 16

1.3.2.3 Actinomycetes.sp 17

1.3.3 Các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong bùn hầm cầu 19

1.3.4 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật 20

1.4 Điều kiện môi trường ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost 22

1.4.1 Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost 23

1.4.1.1 Nhiệt độ 23

1.4.1.2 Độ ẩm 25

1.4.1.3 Kích thước hạt 26

1.4.1.4 Độ xốp 27

1.4.2 Các phản ứng hóa sinh diễn ra trong quá trình phân hủy hữu cơ 27

1.4.3 Kích thước và hình dạng hệ thống ủ phân hữu cơ 29

Trang 6

1.4.4 Các yếu tố hóa sinh ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost 30

1.4.4.1 Tỉ lệ C:N 30

1.4.4.2 Oxy 32

1.4.4.3 Nguồn dinh dưỡng 33

1.4.4.4 Độ pH 33

1.4.5 Chất lượng phân hữu cơ compost 33

1.4.6 Vai trò của phân hữu cơ compost trong nông nghiệp 35

1.4.7 Mục đích, lợi ích và hạn chế của quá trình chế biến phân hữu cơ compost 37

1.4.7.1 Mục đích và lợi ích của quá trình làm phân hữu cơ compost 37

1.4.7.2 Những hạn chế của quá trình làm phân hữu cơ compost 38

CHƯƠNG 2 :VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 39

2.1 Quy trình xử lý bùn hầm cầu thành phân compost 40

2.2 Vật liệu – địa điểm thí nghiệm 40

2.3 Thiết kế thí nghiệm xử lý bùn hầm cầu ở điều kiện hiếu khí 40

2.3.1 Mục đích chọn đối tượng vi sinh vật nghiên cứu 40

2.3.2 Thiết kế thí nghiệm 40

2.4 Thiết bị và hóa chất thí nghiệm 42

2.5 Phương pháp khảo sát các chỉ tiêu hóa lý trong bùn hầm cầu 43

2.5.1 Xác định độ ẩm 43

2.5.2 Xác định độ pH 44

2.5.3 Xác định chất hữu cơ bằng phương pháp so màu (theo Grham) 44

2.5.4 Xác định chất rắn tổng cộng, chất rắn bay hơi và hàm lượng tro 45

2.5.4.1 Xác định chất rắn tổng số (TS – Total Solid) 45

2.5.4.2 Xác định chất rắn bay hơi (VS – Volatile Solid) 45

2.5.4.3 Xác định hàm lượng tro 45

2.5.5 Xác định nitơ tổng số (Phương pháp Kjedahl) 45

2.5.6 Xác định các thành phần khoáng : Cu, Fe, Mn, Ca, Mg, Na, Zn 47

2.5.7 Phương pháp phân tích thống kê 47

Trang 7

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM – BIỆN LUẬN 48

3.1 Xác định số lượng vi sinh vật trước khi bổ sung vào bùn hầm cầu 49

3.2 Các chỉ tiêu hoá lý trong bùn hầm cầu trước khi ủ hiếu khí với hỗn hợp vi sinh vật 49

3.3 Khảo sát nhiệt độ trong các lô thí nghiệm 50

3.4 Khảo sát độ pH trong các lô thí nghiệm 52

3.5 Khảo sát độ ẩm trong các lô thí nghiệm 54

3.6 Khảo sát hàm lượng nitơ tổng số trong các lô thí nghiệm 55

3.7 Khảo sát hàm lượng phospho và kali trong các lô thí nghiệm 57

3.8 Khảo sát hàm lượng carbon tổng số trong các lô thí nghiệm 60

3.9 Khảo sát hàm lượng chất hữu cơ (Organic matter - OM) trong các lô thí nghiệm 62

3.10 Khảo sát hàm lượng chất rắn bay hơi (Volatile solid - VS) trong các lô thí nghiệm 64

3.11 Khảo sát hàm lượng tro trong các lô thí nghiệm 66

3.12 Kết quả thí nghiệm tối ưu 68

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 71

4.1 Kết luận 72

4.2 Đề nghị 72

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang 8

Luận văn cao học Danh mục

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Bộ NNPTNT: Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn

CT: công thức

CTR: chất thải rắn

DS (Dissolve Solid): chất rắn hòa tan

ĐBSCL: đồng bằng sông Cửu Long

EM (Effective Microoganisms): vi sinh vật hữu hiệu

HTL: hòa tan lân

PCR (Poly Chain Reaction): phản ứng chuỗi trùng hợp hay phản ứng khuếch đại gen PSM – phosphate solubilizing microorganisms: vi sinh vật hòa tan lân

TPHCM: thành phố Hồ Chí Minh

TS (Total Solid): chất rắn tổng số

VS (Volatile Solid): chất rắn bay hơi

XLCT: xử lý chất thải

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG

B ảng 1.1: Tỷ lệ gia tăng chất thải rắn sinh hoạt từ năm 1992 - 2009 5

Bảng 1.2: Các chất nhận điện tử trong các phản ứng của vi sinh vật 19

Bảng 1.3: Chức năm sinh lý của nguyên tố vi lượng 20

Bảng 1.4: Chức năm sinh lý của nguyên tố vi lượng 21

Bảng 1.5: Phân loại vi sinh vật theo nguồn carbon và nguồn năng lượng 22

B ảng 1.6: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật 23

B ảng 1.7: tỉ lệ C:N theo thời gian phân hủy 31

Bảng 1.8: Hàm lượng nitơ và tỉ lệ C:N trong các loại chất thải 31

Bảng 1.9: Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân hữu cơ hiếu khí 34

Bảng 3.1: Số lượng vi sinh vật trong 1 gam môi trường bán rắn 49

Bảng 3.2: Một số chỉ tiêu dinh dưỡng khảo sát có trong bùn hầm cầu trước khi ủ 49

B ảng 3.3: Kết quả khảo sát nhiệt độ 50

B ảng 3.4: Diễn biến nhiệt độ trong các khối ủ 50

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát pH trong các khối ủ 52

Bảng 3.6: Kết quả khảo sát độ ẩm trong các khối ủ 54

Bảng 3.7: Kết quả khảo sát hàm lượng nitơ tổng số trong các khối ủ 55

Bảng 3.8: Kết quả khảo sát phospho trong các khối ủ 57

Bảng 3.9: Kết quả khảo sát kali trong các khối ủ 59

B ảng 3.10: Kết quả khảo sát hàm lượng carbon tổng số trong các khối ủ 60

Bảng 3.11: Tỉ lệ C:N trong các khối ủ 61

Trang 10

B ảng 3.12: Kết quả khảo sát hàm lượng chất hữu cơ trong các khối ủ 63

Bảng 3.13: Kết quả khảo sát chất rắn bay hơi trong các khối ủ 64

Bảng 3.14: Kết quả khảo sát hàm lượng tro trong các khối ủ 66

B ảng 3.15: Kết quả khảo sát các chi tiêu được xác định ở ngày thứ 20 68

Bảng 3.16: So sánh kết quả thí nghiệm với phân bón Ami-Ami của công ty Ajinomoto 69

B ảng 3.17: So sánh điều kiện ủ bùn hầm cầu từ thí nghiệm với phương pháp ủ của công ty phân bón Hòa Bình 69 Bảng 3.18: Bảng ước tính chi phí xử lý 1 tấn bùn hầm cầu thành phân bón 70

DANH M ỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cơ sở duy nhất tiếp nhận bùn hầm cầu Hòa Bình của TPHCM 7

Hình 1.2: Công đoạn lọc, xử lý để cho ra nước sạch tại nhà máy xử lý chất thải hầm cầu Hòa Bình 8

Hình 2.1: Máy cất đạm Parnas - Wargner 43

Hình 3.1: Khảo sát nhiệt độ phân ủ bằng nhiệt kế 51

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1: Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân 24

Sơ đồ 1.2: Sơ đồ hệ thống sản xuất phân hữu cơ liên tục 26

Sơ đồ 2.1: Quy trình xử lý bùn hầm cầu thành phân bón bằng hỗn hợp vi sinh 40

Trang 11

DANH M ỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 1.1: Diễn biến khối lượng CTR sinh hoạt tại TPHCM từ 1992 - 2009 6

Bi ểu đồ 3.1: Sự thay đổi độ pH trong khối ủ theo thời gian 53

Bi ểu đồ 3.2: Sự thay đổi độ ẩm trong các khối ủ theo thời gian 54

Biểu đồ 3.3: Sự thay đổi hàm lượng phospho trong các khối ủ theo thời gian 57

Biểu đồ 3.4: Sự thay đổi hàm lượng kali trong các khối ủ theo thời gian 59

Biểu đồ 3.5: Sự thay đổi hàm lượng carbon trong các khối ủ theo thời gian 60

Biểu đồ 3.6: Sự thay đổi tỉ lệ C:N trong các khối ủ theo thời gian 62

Bi ểu đồ 3.7: Sự thay đổi chất hữu cơ trong các khối ủ theo thời gian 63

Bi ểu đồ 3.8: Sự thay đổi hàm lượng chất rắn bay hơi trong các khối ủ theo thời gian 64

Biểu đồ 3.9: Sự thay đổi hàm lượng tro trong các khối ủ theo thời gian 67

DANH M ỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 1.1: Biến thiên nhiệt độ trong quá trình ủ hiếu khí 28

Đồ thị 3.1: Sự thay đổi nhiệt độ diễn ra trong khối ủ hiếu khí 51

Đồ thị 3.2: Sự thay đổi hàm lượng nitơ trong các khối ủ theo thời gian 56

Trang 12

Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Trang 13

1.1 Công tác quản lý chất thải rắn (CTR)

1.1.1 Tình hình quản lý chất thải rắn (CTR) ở thành phố Hồ Chí Minh

Ở nước ta, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, các ngành sản xuất kinh doanh, dịch vụ ở các đô thị - khu công nghiệp được mở rộng và phát triển nhanh chóng, một mặt góp phần tích cực cho sự phát triển kinh tế của đất nước, mặt khác tạo ra một khối lượng chất thải ngày càng lớn (bao gồm chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp, chất thải y tế…) Việc thải bỏ một cách bừa bãi các chất thải không hợp vệ sinh ở các đô thị

- khu công nghiệp là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, làm phát sinh dịch bệnh, ảnh hưởng đến sức khỏe và cuộc sống con người

Nguy cơ ô nhiễm môi trường do chất thải gây ra đang trở thành vấn đề cấp bách đối với hầu hết các đô thị trong nước, trong khi đó công tác quản lý chất thải ở các đô thị - khu công nghiệp còn rất yếu kém Theo Báo cáo Diễn biến Môi trường Việt Nam năm

2004 của World Bank, lượng chất thải phát sinh tại Việt Nam ước tính khoảng 15 triệu tấn/năm Trong thập kỷ tới, tổng lượng chất thải phát sinh được dự báo sẽ tiếp tục tăng nhanh Các khu vực đô thị chiếm khoảng 24% dân số cả nước nhưng lại chiếm hơn 50% tổng lượng chất thải phát sinh và ước tính trong những năm tới, lượng chất thải sinh hoạt phát sinh khoảng 60%, trong khi chất thải công nghiệp sẽ tăng 50% và chất thải độc hại sẽ tăng gấp 3 lần so với hiện nay [8]

Thành phố Hồ Chí Minh có diện tích 2.095,01 km2, dân số 7.123.340 người (theo kết quả điều tra dân số chính thức ngày 1 tháng 4 năm 2009) phân bố tại 24 quận huyện; nơi tập trung 12 khu công nghiệp, 3 khu chế xuất và 2 khu công nghệ cao với hơn 800 nhà máy riêng lẻ, 15.000 cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, 126 bệnh viện nhà nước,

145 bệnh viện tư nhân - trung tâm chuyên khoa, trung tâm y tế và hơn 800 phòng khám

tư nhân , hiện đang phát thải mỗi ngày khoảng 6.000 tấn CTR đô thị (2009) bao gồm CTR sinh hoạt trong các cơ sở công nghiệp và chất thải công nghiệp không nguy hại,

700 – 1.100 tấn chất thải xây dựng, hơn 1000 tấn CTR công nghiệp: trong đó 120 –

150 tấn CTR nguy hại, khoảng 13 tấn CTR y tế (số liệu của công ty Môi trường Đô thị TPHCM năm 2009)

Trang 14

Việc ứng dụng các công nghệ tái chế chất thải để tái sử dụng còn rất hạn chế, chưa được tổ chức và quy hoạch phát triển Các cơ sở tái chế rác thải có quy mô nhỏ, công nghệ lạc hậu, hiệu quả tái chế còn thấp và quá trình hoạt động cũng gây ô nhiễm môi trường Hiện chỉ có một phần nhỏ rác thải (khoảng 1,5-5% tổng lượng rác thải trên toàn thành phố) được chế biến thành phân bón vi sinh và chất mùn với công nghệ hợp vệ sinh Giải quyết vấn đề chất thải là một bài toán phức tạp từ khâu phân loại chất thải, tồn trữ, thu gom đến việc vận chuyển, tái sinh, tái chế và chôn lấp [8]; [9]

Biện pháp xử lý CTR hiện nay chủ yếu là chôn lấp nhưng chưa có bãi chôn lấp CTR nào đạt tiêu chuẩn kỹ thuật vệ sinh môi trường Các bãi chôn lấp CTR vẫn còn gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí

Bảng 1.1: Tỷ lệ gia tăng chất thải rắn sinh hoạt từ năm 1992 - 2009

Năm

Khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh Tỷ lệ gia tăng

chất thải hàng năm (%)

Trang 15

Biểu đồ 1.1: Diễn biến khối lượng CTR sinh hoạt tại TPHCM từ 1992 – 2009 1.1.2 Hiện trạng xử lý bùn hầm cầu tại thành phố Hồ Chí Minh

Trong giai đoạn tiếp quản Công ty Môi trường Đô thị từ Sở Giao thông Công chánh vào năm 2003, Sở Tài nguyên Môi trường chỉ tập trung vào công tác quản lý nhà nước trong lĩnh vực thu gom, vận chuyển và xử lý các loại chất thải sinh hoạt, công nghiệp nguy hại và y tế Một thời gian dài, chất thải bùn hầm cầu vẫn không có hướng quản lý

cụ thể, trong khi mỗi ngày, cư dân sinh sống tại TP.HCM đều đặn thải loại ra khoảng

hệ thống kênh rạch, hố ga thoát nước ở khu vực ngoại ô [1]; [5]

Theo Trung tâm y tế dự phòng: "Công ty xử lý chất thải Hòa Bình nhiều năm qua

đã góp phần rất lớn trong việc thu gom, xử lý chất thải bùn hầm cầu của các hộ dân thành phố tránh được tình trạng các xe chuyên chở bùn hầm cầu đổ xuống ao cá, sông, rạch, ao rau muống làm phát tán mầm bệnh gây dịch bệnh nguy hiểm cho cộng đồng dân cư thành phố vì trong phân người có chứa các vi khuẩn gây bệnh như: tiêu chảy, tả,

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Trang 16

lị, trực khuẩn, thương hàn, viêm gan siêu vi, bại liệt và ký sinh trùng đường ruột" Hiện nay, các hộ dân ngoại thành vẫn có thói quen sử dụng trực tiếp bùn hầm cầu (chưa qua

xử lý) làm phân bón cho các loại rau xanh dùng hằng ngày

Hình 1.1: Cơ sở duy nhất tiếp nhận bùn hầm cầu Hòa Bình của TPHCM

Nếu khoảng 500 tấn chất thải bùn hầm cầu trong một ngày thải đổ xuống ao rau muống, ao cá, sông rạch hoặc dùng làm phân bón do các xe hút hầm cầu tháo đổ sẽ dễ lan tràn vào môi trường nước và thực phẩm, nguy cơ phát triển thành dịch bệnh là điều không tránh khỏi Khi bùn hầm cầu được tưới, bón trực tiếp, các vi khuẩn, ký sinh trùng sẽ bám vào rau Quy trình rửa rau bình thường không thể loại bỏ được, bởi chúng

có kích thước nhỏ, nằm lọt trong các kẽ và gân lá, nên rất khó bị rửa trôi, ngay cả rửa dưới vòi nước đang xả

Nghiên cứu cuối năm 2008 của Trung tâm Y tế dự phòng TP.HCM cho thấy, có 97% mẫu rau dùng ăn sống có nhiễm ký sinh trùng như bào nang amip, trứng giun đũa, giun móc… Ngoài ra, Chi cục Bảo vệ Môi trường cũng đã phát hiện nguồn nước ngầm

có vi khuẩn E.coli mà nguyên nhân có thể do bón phân tươi trực tiếp [1]; [5]

1.2 Nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Từ những năm 1975 trở lại đây, phân hoá học được sử dụng rộng rãi với khối lượng lớn Nhưng việc tuyên truyền, hướng dẫn sử dụng còn chưa được chú ý đúng mức Người nông dân sử dụng phân bón rất tùy tiện nên hệ số sử dụng phân bón không cao,

Trang 17

cây trồng dễ bị sâu bệnh phá hoại, chất lượng nông sản thấp, gây ô nhiễm môi trường

Các biện pháp tác động để hướng tới mục tiêu "nông nghiệp bền vững" là bảo vệ và cải thiện một cách bền vững độ phì tự nhiên của đất, trong đó biện pháp ổn định hàm lượng hữu cơ trong đất là rất quan trọng vì nó không những làm cho đất tơi xốp mà còn tăng cường khả năng giữ ẩm, giữ chất dinh dưỡng và giảm các yếu tố độc hại cho đất Thiết lập một hệ thống quản lý dinh dưỡng tổng hợp mà trong đó dinh dưỡng từ nguồn cung cấp như phân hữu cơ, phân vi sinh, đảm bảo cung cấp đầy đủ về lượng, cân đối

về tỷ lệ tại từng thời điểm theo nhu cầu sinh trưởng của cây trồng nhằm khai thác hợp

lý khả năng của hệ sinh thái

1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Theo nghiên cứu của tác giả Dương Minh Viễn và Võ Thị Gương (2005) trên bã bùn mía, xác mía… được xử lý thành phân hữu cơ vi sinh, sau đó được bón trở lại đất phèn vùng trồng mía nguyên liệu chính ở ĐBSCL nhằm cải thiện độc chất nhôm (Al)

và dinh dưỡng lân Trên đất phèn, hàm lượng nhôm (Al) hoạt động, nhôm (Al) trao đổi, nhôm (Al) hòa tan cũng như các thành phần nhôm (Al) khác như nhôm (Al) liên kết với hữu cơ đều giảm đáng kể cùng với tăng lượng bón phân bã bùn mía Hầu hết Pi dễ tiêu trong phân bã bùn sau khi bón đều chuyển sang Al-Pi và Fe-Pi Phân bã bùn mía

có khả năng phòng trừ bệnh sinh học và hỗ trợ dinh dưỡng cho cây trồng, cải tạo độ phì nhiêu của đất, cải thiện được sinh trưởng của rễ bắp trồng trên nền đất phèn nhờ giảm độc chất nhôm (Al) Kết quả ban đầu cho thấy sử dụng phân bã bùn mía kết hợp với phân N-P-K có thể tiết kiệm một lượng đáng kể phân vô cơ cho cây mía trên đất phèn

so với cách bón truyền thống của nông dân Ngoài ra, phân hữu cơ vi sinh đã được thử nghiệm trong quá trình sản xuất rau màu, cây ăn trái ở tỉnh Lâm Đồng và một số tỉnh ĐBSCL cho năng suất và hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí so với dùng phân hóa học Công ty Phân bón Hóa chất Cần Thơ đang ứng dụng qui trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ bã bùn mía để sản xuất phân hữu cơ vi sinh, chuẩn bị bán ra thị trường Đây là

Trang 18

qui trình do Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng, Trường Đại học Cần Thơ, nghiên cứu và chuyển giao [11]

Hai loại sản phẩm phân bón vi sinh Biogro (dùng bón qua rễ và bón qua lá) của Trung tâm Nghiên cứu và Ứng dụng Phân bón Vi sinh (Barc) thuộc trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội được các hội đồng khoa học nghiệm thu đánh giá cao, cho phép sản xuất và đưa vào sử dụng trong sản xuất nông nghiệp với nhiều loại cây trồng

đa dạng Biogro đã được nông dân nhiều nơi sử dụng có hiệu quả trong nhiều năm qua, đặc biệt là các vùng sản xuất rau sạch, rau an toàn Biogro được tạo thành từ chế phẩm

vi sinh chọn lọc và cơ chất hữu cơ đã được xử lý Thành phần của phân vi sinh Biogro bón qua rễ gồm có: 1,0 x 106-107 (CFU/g) vi sinh vật cố định đạm; 4,0 x 106-107(CFU/g) vi sinh vật phân giải lân và trên 8,4% chất mang bao gồm các chất hữu cơ đã được xử lý như bùn rác, than bùn Tác dụng của phân vi sinh Biogro: dùng phân vi sinh

có thể thay thế được 50-100% lượng phân đạm hóa học (tùy từng loại cây trồng) Thực

tế sản xuất cho thấy 01 tấn phân vi sinh thay thế cho 10 tấn phân chuồng, 1kg đạm vi sinh thay thế cho 1kg đạm urê Bón phân vi sinh làm cho cây khỏe hơn, sinh trưởng nhanh hơn, khả năng chống chịu sâu bệnh tốt hơn, năng suất cây trồng có thể tăng từ 25-30%, chất lượng tốt hơn, mẫu mã đẹp hơn Phân vi sinh có thể tiết kiệm được nhiều chi phí do giá thành thấp, giảm lượng phân bón, giảm số lần phun và lượng thuốc bảo

vệ thực vật nên hạ được giá thành sản phẩm, tăng thêm thu nhập cho nông dân Do bón phân vi sinh nên sản phẩm an toàn, lượng nitrat giảm đáng kể, đất không bị ô nhiễm, khả năng giữ ẩm tốt hơn, tăng cường khả năng cải tạo đất do các hệ sinh vật có ích hoạt động mạnh làm cho đất tơi xốp hơn, cây dễ hấp thu chất dinh dưỡng hơn [1]

Các trang trại chăn nuôi gà, lợn thường gây ô nhiễm, ảnh hưởng tới khu vực dân cư lân cận Để giải quyết tình trạng này, các chuyên gia thuộc Viện Sinh học Nhiệt đới đã

sử dụng biện pháp sinh học làm giảm mùi hôi, đồng thời sản xuất phân bón chất lượng cao từ phân và nước thải Từ năm 2003, tác giả Võ Thị Hạnh - Phòng Vi sinh ứng dụng, cùng cộng sự đã nghiên cứu sản xuất VEM - chế phẩm dạng lỏng có chứa tập

đoàn vi sinh vật hữu ích như vi khuẩn lactic, Bacillus, nấm men và vi khuẩn quang

Trang 19

dưỡng Tất cả những vi sinh vật trên đều do nhóm nghiên cứu phân lập và chọn lọc, chịu được điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng Việt Nam, do vậy không phải phụ thuộc vào nguồn giống vi sinh của nước ngoài Sau khi cho ra đời VEM vào cuối năm 2004, nhóm nghiên cứu đã pha loãng chế phẩm này với nước ở tỷ lệ 1/1000 rồi cho 4.000 con

gà tại trang trại Trung Hậu - Bình Dương uống hằng ngày Ngoài ra 200 con lợn cũng được uống VEM pha loãng với tỷ lệ 1/500 Thời gian thử nghiệm kéo dài một tháng Kết quả cho thấy, vi sinh vật đã phân hủy thức ăn trong hệ tiêu hóa gia súc và giảm thiểu mùi hôi gia súc khi thải phân ra ngoài Hơn nữa, các chủng vi sinh còn giúp giảm lượng thức ăn tiêu tốn, chẳng hạn những con gà được uống VEM hằng ngày có tỷ lệ tiêu tốn thức ăn là 1,80 so với những con không được uống VEM (1,88) Không dừng lại ở thành công trên, nhóm nghiên cứu tiếp tục xử lý nguồn phân chuồng, biến chất thải này thành phân bón hữu cơ vi sinh Ở công đoạn này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng BIO-F, chế phẩm chứa các vi sinh vật do nhóm phân lập và tuyển chọn: xạ khuẩn

Streptomyces sp, nấm mốc Trichoderma sp và vi khuẩn Bacillus sp Những vi sinh vật

trên có tác dụng phân hủy nhanh các hợp chất hữu cơ trong phân lợn, gà và bò (protein

và cellulose), làm mất mùi hôi Trước đó, chế phẩm BIO-F đã được sử dụng để sản xuất thành công phân bón hữu cơ vi sinh từ bùn đáy ao, vỏ cà phê và xử lý rác thải sinh hoạt [1]

Tác giả Trần Kim Quy và nhóm cộng sự (2008) đã nghiên cứu thành công quy trình

xử lý rác sinh hoạt và chất thải công nghiệp chế biến thực phẩm để sản xuất ra phân hữu cơ có chất lượng cao (phân compost) Theo tác giả cho biết toàn bộ quy trình công nghệ phải trải qua nhiều công đoạn: từ khử mùi, phân giải rác đến ủ phân… Đầu tiên là nhóm nghiên cứu đã điều chế ra một chế phẩm mang tên OCM gồm có các giống vi

sinh Lactobacillus và Thiobacillus dùng để khử mùi hôi của rác sau khi được đưa về cơ

sở sản xuất Kết quả nghiên cứu thử nghiệm cho thấy chế phẩm OCM với nồng độ 1%

đã khử hết mùi hôi của rác Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tìm ra giải pháp đưa bùn hầm cầu và bùn ống cống vào ủ chung với rác thải sinh hoạt giúp cho vi sinh vật phân giải phát triển mạnh, nhằm phân hủy nhanh rác Việc tận dụng bùn hầm cầu và bùn cống

Trang 20

cũng góp phần làm giảm tình trạng ô nhiễm môi trường của hai loại bùn này Để rút ngắn tối đa thời gian ủ rác, nhóm nghiên cứu đã khảo sát, tuyển chọn, nuôi cấy, điều chế ra một chế phẩm vi sinh vật phân giải rác Đó là các chủng xạ khuẩn ưa nhiệt

Streptomyces, các chủng nấm mốc và nấm sợi Aspergillus niger, Trichoderma reesei

Chế phẩm này giúp cho thời gian ủ phân compost từ 50-60 ngày trước đây giảm xuống chỉ còn 20 ngày, bằng với thời gian ủ ngắn nhất mà hiện nay thế giới đạt được Sau cùng, để cải thiện chất lượng của phân compost, nhóm nghiên cứu đã áp dụng giải pháp bổ sung vào các chất thải rắn của lĩnh vực chế biến thực phẩm Để có thể bổ sung được các chất này vào rác, nhóm nghiên cứu cũng đã xây dựng được một quy trình công nghệ để xử lý các chất thải từ các lò giết mổ gia súc, gia cầm, thủy hải sản (xương, sừng, lông, móng, ruột cá…) và chất thải từ nhà máy sản xuất dầu thực vật…Đặc biệt, nhóm nghiên cứu còn tiến hành đo, kiểm tra, đánh giá mức độ ô nhiễm không khí tại khu vực sản xuất phân hữu cơ Nhóm đã đo đạc các thông số như: hàm lượng bụi, hàm lượng NH3, SO2, H2S, kiểm tra mầm bệnh vi sinh vật Salmonella,

Coliform, E.coli…kết quả cho thấy nồng độ bụi, NH3, SO2, H2S điều dưới mức tối đa

theo tiêu chuẩn Việt Nam và cũng không phát hiện Salmonella, Coliform, E.coli

…trong vùng không khí nơi ủ rác Với giải pháp công nghệ vừa nêu trên, nhóm nghiên cứu đã đạt được mục tiêu xử lý rác thải sinh hoạt, rác được phân giải hoàn toàn trong thời gian ngắn nhất 20 ngày, thành phần hữu cơ đạt tiêu chuẩn của ngành nông nghiệp Việt Nam Theo tính toán bước đầu, ước tính giá thành của phân hữu cơ này khoảng 535.000 đồng/tấn, chỉ bằng 1/3 giá phân hữu cơ nhập ngoại [1]

Lâu nay, các phụ phẩm (bã mía, bùn lọc và ván bọt nước) của các nhà máy đường ở nước ta vẫn là nguồn thải gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới sức khỏe của công nhân và người dân vùng lân cận Mỗi nhà máy đường với công suất 1000 tấn mía/ngày

sẽ thải ra 250 tấn bã, 25 tấn bùn lọc, 80% lượng bã mía này được sử dụng trực tiếp đốt

lò để sinh ra 5 tấn tro và 50 tấn bã dư Trong thành phần các chất gây ô nhiễm môi trường này lại có rất nhiều chất hữu cơ và các chất mà chính cây mía đã lấy từ đất Năm 2007, Lê Văn Tri cùng các cộng sự đã nghiên cứu công nghệ sản xuất phân bón

Trang 21

hữu cơ vi sinh Fitohoocmon từ nguồn phế thải, phụ phẩm nhà máy đường Đây là lần đầu tiên nhóm đã phân lập, phân loại và định danh được các chủng vi sinh vật cố định nitơ cộng sinh ở cây mía Việt Nam nhờ sử dụng các phương pháp hiện đại như: kính hiển vi điện tử, xác định cấu trúc gen Từ cây phát sinh chủng loại, công trình đã tìm

thấy chủng vi sinh vật rất gần gũi với Paenibacillus polymyxa Dựa trên các phân tích

về trình tự gen rRNA 16s, cây chủng loại phát sinh và các đặc tính sinh lý, sinh hóa đã

được khảo sát, công trình đã xác định chủng loại này thuộc loài Paenibacillus

polymyxa - đây là nhóm vi sinh vật có ý nghĩa to lớn trong việc sản xuất phân bón sinh

học cho cây mía Công trình đã được Cục Sở hữu Trí tuệ cấp bằng độc quyền sáng chế

số 4887 [1]

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước

J.D.W Adams và L.E Frostick (2009) đã nghiên cứu về sinh khối, hoạt động và sự

đa dạng của các loại vi khuẩn trong các luống ủ phân compost Vi khuẩn được khảo sát

ở các điều kiện khác nhau: O2, pH, chất rắn bay hơi, độ ẩm, hoạt động hô hấp của vi khuẩn Vi khuẩn khảo sát sẽ được giải trình tự bằng phương pháp PCR (polymerase chain reaction) để định danh [15]

Tại nhiều quốc gia trên thế giới, một số nghiên cứu trong thời gian vừa qua đã chỉ

ra nhiều vi sinh vật có khả năng đa hoạt tính sinh học, trong đó có nhiều vi sinh vật có khả năng tạo nguồn dinh dưỡng cho cây, sinh tổng hợp các chất kích thích sinh trưởng thực vật đồng thời cũng có khả năng ức chế một số vi sinh vật gây bệnh vùng rễ cây trồng

Một số nghiên cứu khác cũng đã chứng minh chế phẩm tổng hợp bao gồm nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau có tác dụng tốt hơn so với từng loại riêng rẽ, trong đó nhiều sản phẩm là phân bón vi sinh vật nhưng lại có tác dụng hạn chế bệnh vùng rễ cây trồng do vi khuẩn hoặc nấm bệnh gây nên

Những năm gần đây ở nước ta đang tiến hành khảo nghiệm chế phẩm EM của Giáo

sư người Nhật - Teruo Higa Chế phẩm này được đặt tên là vi sinh vật hữu hiệu (effective microoganisms - EM) Đây là chế phẩm trộn lẫn một nhóm các loài vi sinh vật có ích trong đó có vi khuẩn lactic, một số nấm men, xạ khuẩn, vi khuẩn quang

Trang 22

hợp… Tại hội nghị đánh giá kết quả sử dụng EM tại Thái Lan tháng 11/1989, các nhà khoa học đã đánh giá tác dụng tốt của EM như sau [1]:

- Cải tạo hóa tính và đặc tính sinh học của đất;

- Làm giảm mầm mống sâu bệnh trong đất;

- Tăng hiệu quả của phân bón hữu cơ;

- Cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt, cho năng suất cao, phẩm chất nông sản tốt;

- Hạn chế sâu bệnh hại cây trồng;

- Góp phần làm sạch môi trường;

- Chế phẩm EM còn được sử dụng trong chăn nuôi gia súc, làm tăng hệ vi sinh vật trong đường ruột, làm tăng sức khỏe, giảm mùi hôi của phân;

- EM còn được dùng để làm sạch môi trường nước thủy sản

1.3 Xử lý chất thải hầm cầu thành phân compost

1.3.1 Giới thiệu về ủ bùn hầm cầu làm phân compost

Bùn hầm cầu bao gồm phân, giấy vệ sinh, phụ gia carbon và chất thải thực phẩm, là nơi vi khuẩn hiếu khí và nấm phân hủy chất thải Các sản phẩm cuối cùng kết quả là một nguyên liệu ổn định giống như đất được gọi là chất mùn

Ủ phân compost là phương pháp hiệu quả trong việc phá vỡ các chất hữu cơ thành sản phẩm cuối có lợi cho đất và cây trồng Chất hữu cơ bị phân hủy hiếu khí dưới tác dụng của vi sinh vật Các vi sinh vật này tiêu thụ oxy và sử dụng các dưỡng chất bao gồm: carbon, nitơ, phospho và kali có trong chất hữu cơ Các chất dinh dưỡng bị phân hủy bởi vi sinh vật sẽ sản sinh ra nhiệt, phóng thích CO2 và hơi nước, làm trọng lượng của phân giảm một nữa so với ban đầu Kết quả của quá trình ủ phân là sự hình thành nên chất mùn, một dạng chất hữu cơ có cấu trúc xốp, độ ẩm thấp và không gây hại cho đất Nếu trong quá trình ủ đảm bảo nhiệt độ cao tối ưu thì các vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt [8]

Trang 23

Hình 1.2: Công đoạn lọc, xử lý để cho ra nước sạch tại

nhà máy XLCT hầm cầu Hòa Bình Lịch sử quá trình ủ phân compost đã có từ rất lâu, ngay từ khi khai sinh nông nghiệp hàng nghìn năm trước Công nguyên Cách đây 3.000 năm trước Công nguyên,

Ai Cập được xem là quốc gia sử dụng phân compost trong nông nghiệp đầu tiên trên thế giới Người Trung Quốc đã ủ chất thải từ cách đây 4.000 năm, người Nhật đã sử dụng compost làm phân bón trong nông nghiệp từ nhiều thế kỷ Tuy nhiên đến năm

1943, quá trình ủ phân compost mới được nghiên cứu một cách khoa học và báo cáo bởi giáo sư người Anh Albert Howard thực hiện tại Ấn Độ Đến nay đã có nhiều tài liệu viết về quá trình ủ phân compost và nhiều mô hình công nghệ ủ phân compost quy

mô lớn được phát triển trên thế giới Phân compost là sản phẩm giàu chất hữu cơ và có

hệ vi sinh vật dị dưỡng phong phú, ngoài ra còn chứa các nguyên tố vi lượng có lợi cho đất và cây trồng Sản phẩm phân compost được sử dụng chủ yếu làm phân bón hữu cơ trong nông nghiệp hay các mục đích cải tạo đất và cung cấp dinh dưỡng cây trồng Ngoài ra, phân compost còn được biết đến trong nhiều ứng dụng như là các sản phẩm sinh học trong việc xử lý ô nhiễm môi trường hay các sản phẩm dinh dưỡng, chữa bệnh cho vật nuôi và cây trồng [1]; [29]

Phương pháp ứng dụng vi sinh vật rất quan trọng trong quá trình ủ phân compost Thực tế, hệ vi sinh vật cần thiết cho quá trình ủ phân compost đã có sẵn trong vật liệu

Trang 24

hữu cơ, tự thích nghi và phát triển theo từng giai đoạn của quá trình ủ phân compost Các thành phần bổ sung thông thường có thể là sản phẩm sau ủ phân compost hay các thành phần giúp điều chỉnh dinh dưỡng (C:N) Việc bổ sung các chế phẩm có bản chất

là vi sinh vật ngoại lai hay enzyme chỉ có vai trò thúc đẩy tiến trình ủ phân compost được triệt để Kiểm soát tốt các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật chính là nhân tố quyết định sự thành công của quá trình ủ phân compost, ngoài

ra cũng giúp giảm mùi ô nhiễm và loại bỏ các mầm vi sinh vật gây bệnh Vì vậy các giải pháp kỹ thuật trong công nghệ ủ phân compost hiện đại đều hướng tới mục tiêu kiểm soát tối ưu các điều kiện môi trường cùng với khả năng vận hành thuận tiện Đặc điểm cần lưu ý đối với ủ phân compost từ chất thải rắn đô thị là phân loại để loại bỏ các kim loại nặng hay các hóa chất độc hại khác vì chúng cản trở quá trình chuyển hóa và có nguy cơ gây ô nhiễm cho sản phẩm phân compost [29]; [36]; [45]

1.3.2 Nhóm vi sinh vật bổ sung vào quá trình ủ bùn hầm cầu

1.3.2.1 Bacillus subtilis

B subtilis là vi khuẩn không gây bệnh và không gây độc Chúng được sử dụng là

nguồn cung cấp enzyme cho lĩnh vực thực phẩm trong nhiều năm trở lại đây Một số

enzyme được tách chiết từ B subtilis bao gồm: α-amylase, β-glucanase, glutaminase,

maltogenic amylase, protease, pullulanase và xylanase Ngoài ra, một số enzyme còn được tách chiết từ những chủng biến đổi gen

Đặc tính tự nhiên của B subtilis là khả năng hình thành bào tử, giúp vi khuẩn thích

nghi với môi trường nghèo dinh dưỡng và khả năng sản sinh protease ngoại bào có thể

ức chế các enzyme có lợi khác Do cả 2 đặc tính trên đều gây trở ngại đến khả năng sản

sinh các enzyme nên B subtilis đã được biến đổi để loại trừ sự hình thành bào tử và

giảm thiểu khả năng tổng hợp protease ngoại bào khi sử dụng trong sản xuất [29]

B subtilis có khả năng sản sinh phức hợp các xylanases nhằm mục đích:

• Ức chế nhiễm sắc thể của gen tổng hợp α-amylase

• Ngăn chặn cơ chế hình thành bào tử

• Hạn chế sản sinh các protease ngoại bào

Trang 25

• Sử dụng thiamine cho việc phát triển tối ưu

• Sử dụng nitrate như là nguồn N

Ảnh hưởng của pH lên hoạt tính của enzyme và tỉ lệ hình thành bào tử cũng được khảo sát [32]:

- pH 7-9: sự hình thành bào tử đạt tối ưu

- pH 5 : hoạt tính glucosaminidase và epimerase đạt tối ưu

- pH 8: hoạt tính phân giải của transglycosylase đạt cực đại

1.3.2.2 Aspergillus niger

Trong các loại nấm mốc, Aspergillus niger có một ý nghĩa đặc biệt:

- Phân hủy hầu hết các chất thải hữu cơ: đường, acid béo, protein, cellulose, pectin, xylan

- Ngưỡng nhiệt độ: phát triển tốt trong khoảng 30 – 45oC và phát triển tối ưu

37oC (nhiệt độ phát triển tối đa 52°C)

A niger có thể tồn tại ở nhiệt độ 55-60°C trong một thời gian khá dài Nhưng với

nhiệt độ >60oC tốc độ phân giải phân của nấm mốc suy giảm nhanh chóng Nhiệt độ

>80oC được ghi nhận tại trung tâm khối ủ Ở mức nhiệt độ này, các vi sinh vật gây bệnh đều bị kiềm hãm hoạt động sống Trong quá trình ủ phân compost, có sự hình thành thang nhiệt độ trong khối ủ, nhiệt độ vùng bên ngoài có thể đạt từ 30 – 40oC so

với vùng trung tâm A niger sinh trưởng tốt ở ngưỡng nhiệt độ này Ở ngưỡng nhiệt độ

>65oC, ngưỡng chịu đựng nhiệt độ của A niger, bào tử của A niger bị phân hủy [3];

[7]

Ngoài ra, nấm mốc cũng có khả năng gây dị ứng và ngộ độc Sự hiện diện của

A niger trong phân hữu cơ và trong không khí được xem như là một sinh vật chỉ thị

cho sự hiện diện và phát tán của các vi sinh vật gây bệnh khác

* Đặc tính sinh hóa nấm mốc Aspergillus niger [25]:

Khả năng đồng hóa các nguồn carbon khác nhau ở A niger đối với các loại đường như: glucose, fructose, mannose, saccharose Một số loại enzyme mà A niger có thể

tổng hợp:

Trang 26

- α-amylase: mức độ thủy giải tinh bột là 48%, sản phẩm chủ yếu khi phân giải tinh bột là dextrin và maltose

- Glucoamylase: thủy phân liên kết α-1,4-glucosidic và liên kết glucosidic ở tinh bột, glycogen và các polysaccharid khác Mức độ phân giải

α-1,6-tinh bột của enzyme này là 80%, sản phẩm chủ yếu là glucose A niger có

khả năng tổng hợp glucose – amylase nhiều hơn α-amylase

- α-galactosidase: thủy phân liên kết α-1,6-glucosidic trong melibiose, raffinose, stachyose thu những phân tử nhỏ hơn polysaccharide

- Lactase: thủy phân liên kết β-1,4-galactosidic trong lactose, thu hỗn hợp glucose và D-galactose

D Protease: thủy phân liên kết peptide trong protein và chuỗi polypeptide thu được những phân tử có độ trùng hợp nhỏ hơn

- Pectinase: thủy phân liên kết α-1,4-galacturonic trong pectin và các sản phẩm thủy phân của nó

- Cellulase: thủy phân liên kết β-1,4-glucosidic ở cellulose và các dẫn xuất của nó để thu những phân tử nhỏ hơn như cellodextrin, cellobiose, glucose

1.3.2.3 Actinomycetes.sp

Xạ khuẩn thuộc nhóm Procaryote, có cấu tạo nhân đơn giản giống như vi khuẩn Tuy vậy, đa số tế bào xạ khuẩn lại có cấu tạo dạng sợi, phân nhánh phức tạp và có nhiều màu sắc giống như nấm mốc

* Cấu tạo tế bào

Khuẩn lạc xạ khuẩn tuy có dạng sợi phân nhánh phức tạp đan xen nhau nhưng toàn

bộ hệ sợi chỉ là một tế bào có nhiều nhân, không có vách ngăn ngang Giống như vi khuẩn, nhân xạ khuẩn thuộc loại đơn giản, không có màng nhân

Thành tế bào xạ khuẩn giống với thành tế bào vi khuẩn gram dương Màng tế bào chất dày khoảng 50 nm và có cấu trúc tương tự như màng tế bào chất của vi khuẩn Nhân không có cấu trúc điển hình, chỉ là những nhiễm sắc thể không có màng Khi còn

Trang 27

non, toàn bộ tế bào chỉ có một nhiễm sắc thể sau đó hình thành nhiều hạt rải rác trong toàn bộ hệ khuẩn ty (gọi là hạt chromatin) [3]

* Sinh sản

Xạ khuẩn sinh sản sinh dưỡng bằng bào tử Bào tử được hình thành trên các nhánh phân hoá từ khuẩn ty khí sinh gọi là cuống sinh bào tử Cuống sinh bào tử ở các loài xạ khuẩn có kích thước và hình dạng khác nhau: có loài dài tới 100 - 200 nm, có loài chỉ khoảng 20 - 30 nm, có loài cấu trúc theo hình lượn sóng, có loài dạng lò xo hay xoắn ốc Sắp xếp của các cuống sinh bào tử cũng khác nhau, chúng có thể sắp xếp theo kiểu mọc đơn, mọc đôi, mọc vòng hoặc từng chùm Đặc điểm hình dạng của cuống sinh bào tử là một tiêu chuẩn phân loại xạ khuẩn [3]

Bào tử được hình thành từ cuốn sinh bào tử theo kiểu kết đoạn (fragmentation) hoặc cắt khúc (segmentation) Hạt chromatin trong cuống sinh bào tử được phân chia thành nhiều hạt phân bố đồng đều dọc theo sợi cuống sinh bào tử Sau đó, tế bào chất tập trung bao bọc quanh mỗi hạt chromatin gọi là tiền bào tử Tiền bào tử hình thành màng tạo thành bào tử nằm trong cuống sinh bào tử Bào tử thường có hình cầu hoặc ovan, được giải phóng khi màng cuống sinh bào tử bị phân giải hoặc bị tách ra Hạt chromatin phân chia phân bố đồng đều dọc theo cuống sinh bào tử Sau đó giữa các hạt hình thành vách ngăn ngang, mỗi phần đều có tế bào chất Bào tử hình thành theo kiểu này thường có hình viên trụ hoặc hình que

Ngoài hình thức sinh sản bằng bào tử, xạ khuẩn còn có thể sinh sản bằng khuẩn ty Các đoạn khuẩn ty đứt ra môi trường và phát triển thành hệ khuẩn ty

* Ý nghĩa thực tiễn của xạ khuẩn

Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong đất, chúng tham gia vào các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong đất như cellulose, tinh bột , góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên Đặc tính này còn được ứng dụng trong quá trình chế biến phân hủy rác Nhiều xạ khuẩn có khả năng sinh chất kháng sinh Đặc điểm này của xạ khuẩn được sử dụng trong nghiên cứu sản xuất các hoạt chất kháng sinh dùng trong y học, nông nghiệp và bảo quản thực phẩm [3]; [7]

Trang 28

1.3.3 Các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong bùn hầm cầu

Các vi sinh vật dị dưỡng hóa học có thể nhóm lại theo dạng trao đổi chất và nhu cầu oxy phân tử của chúng Các vi sinh vật tạo ra năng lượng bằng cách vận chuyển điện tử trung gian của enzyme từ chất cho điện tử đến chất nhận điện tử bên ngoài (như oxy) được gọi là quá trình trao đổi chất hô hấp (respiratory metabolism) Trong khi đó, cơ chế trao đổi chất lên men (fermentative metabolism) không có sự tham gia của chất nhận điện tử bên ngoài Quá trình lên men là quá trình tạo năng lượng ít, hiệu quả hơn quá trình hô hấp, do đó các vi sinh vật dị dưỡng loại này có tốc độ sinh trưởng và sinh sản tế bào thấp hơn so với vi sinh vật dị dưỡng trao đổi chất theo cơ chế hô hấp [8] Khi oxy phân tử được sử dụng làm chất nhận điện tử trong quá trình trao đổi chất thì quá trình này được gọi là quá trình hô hấp hiếu khí (aerobic respiration) Để đạt được nhu cầu năng lượng, các vi sinh vật phụ thuộc vào quá trình hô hấp hiếu khí chỉ

có thể tồn tại khi chúng được cung cấp oxy phân tử, gọi là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc (obligate aerobic) Các chất vô cơ bị oxy hóa chẳng hạn như nitrat và sulfat có thể đóng vai trò chất nhận điện tử đối với một số loại vi sinh vật hô hấp trong điều kiện không

có oxy phân tử [8]

Bảng 1.2: Các chất nhận điện tử trong các phản ứng của vi sinh vật [8]

Các vi sinh vật sản sinh năng lượng bằng quá trình lên men và chỉ có thể tồn tại trong điều kiện môi trường không có oxy được gọi là vi sinh vật kỵ khí bắt buột (obligate anaerobic) Bên cạnh đó còn có một nhóm vi sinh vật khác có thể phát triển trong cả điều kiện có khoặc không có oxy phân tử được gọi là vi sinh vật kỵ khí tùy ý (facultative anaerobic) Những vi sinh vật kỵ khí tùy ý có thể chuyển từ quá trình trao đổi chất theo cơ chế lên men sang dạng trao đổi chất theo cơ chế hô hấp hiếu khí tùy theo sự có mặt của oxy phân tử Các vi sinh vật kỵ khí chịu được điều kiện hiếu khí

Trang 29

(aerotolerant anaerobic) có cơ chế trao đổi chất lên men hoàn toàn nhưng khá trơ khi

có mặt oxy phân tử [8]; [15]

1.3.4 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật

Để có thể tái sinh và hoạt động một cách hợp lý, vi sinh vật cần có nguồn năng lượng: carbon để tổng hợp tế bào mới và các nguyên tố vô cơ (chất dinh dưỡng) như: nitơ (N), phospho (P), lưu huỳnh (S), canxi (Ca) và magie (Mg) Ngoài ra, các chất dinh dưỡng hữu cơ cũng cần thiết để tổng hợp tế bào [8]

Bảng 1.3: Chức năng sinh lý của nguyên tố đa lượng [8]

S (NH4)2SO4, MgSO4

Là thành phần của các aminoacid chứa S, một

số vitamin; glutathione có tác dụng điều chỉnh điện thế oxy hoá khử trong tế bào

Mg

MgSO4

Là thành phần trung tâm hoạt tính của enzyme phosphoryl hoá hexose, dehydrogenase của acid isocitric, polymerase của acid nucleic, thành phần của chlorophyll và bacterio-chlorophyll

K KH2PO4, KH2PO4

Là cofactor của một số enzyme, duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào, là nhân tố ổn định của ribosome ở một số vi khuẩn ưa mặn

Thành phần của sắc tố vi khuẩn và một sốenzyme, là vật chất và nguồn năng lượng của một số vi khuẩn sắt, cần thiết để tổng hợp chlorophyll và độc tố vi khuẩn bạch hầu

Trang 30

Bảng 1.4: Chức năng sinh lý của nguyên tố vi lượng [8]

Nguyên tố

Zn Có mặt trong alcohol dehydrogenase, lactodehydrogenase, phosphatase kiềm, RNA polymerase, DNA polymerase

Mn Có mặt trong peroxyd dismutase, carboxylase citric synthetase

Mo Có mặt trong nitrate reductase, nitrogenase, formic dehydrogenase

Se Có mặt trong glycin reductase, formic reductase

Co Có mặt trong glutamic mutase

Cu Có mặt trong cytochrome oxydase

W Có mặt trong formic dehydrogenase

Br Có mặt trong urease, cần cho sự sinh trưởng của vi khuẩn

hydrogen

Hai nguồn carbon thông dụng nhất đối với mô tế bào là carbon hữu cơ và CO2 Những vi sinh vật sử dụng nguồn carbon hữu cơ để tạo thành mô tế bào được gọi là vi sinh vật dị dưỡng (heterotrophs) Các vi sinh vật sử dụng nguồn carbon từ CO2 được gọi là vi sinh vật tự dưỡng (autotrophs) Sự chuyển hóa CO2 thành mô tế bào hữu cơ là quá trình khử đòi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng Do đó, các vi sinh vật tự dưỡng tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình tổng hợp hơn so với vi sinh vật dị dưỡng Đây chính là nguyên nhân khiến cho tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật tự dưỡng thường thấp hơn vi sinh vật dị dưỡng [2]; [8]

Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào có thể được cung cấp từ ánh sáng mặt trời hoặc từ phản ứng oxy hóa hóa học Các vi sinh vật có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng được gọi là vi sinh vật quang dưỡng (phototrophs) Các vi sinh vật quang dưỡng có thể là vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh) hoặc các vi sinh vật tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp) Các vi sinh vật lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học được gọi là chemotrophs Cũng giống như vi sinh vật quang dưỡng, cheomotrophs cũng gồm hai loại: dị dưỡng hóa học (nguyên sinh động vật, nấm

và hầu hết các vi khuẩn) và tự dưỡng hóa học (vi khuẩn nitrate hóa) Các vi sinh vật tự dưỡng hóa học thu năng lượng từ quá trình oxy hóa hợp chất vô cơ như: ammoniac,

Trang 31

nitrit và các hợp chất chứa lưu huỳnh Các vi sinh vật dị dưỡng hóa học thường thu năng lượng từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ Sự phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào được trình bày trong bảng 1.5:

Bảng 1.5: Phân loại vi sinh vật theo nguồn carbon và nguồn năng lượng

Loại Nguồn năng lượng Nguồn carbon

Phản ứng oxy hóa khử chất hữu cơ Ánh sáng mặt trời

CO2

Carbon hữu cơ Carbon hữu cơ (Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993)

1.4 Điều kiện môi trường ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost

Vận tốc phân hủy chất hữu cơ trong quá trình ủ phân chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu

tố như: nhiệt độ, pH, vi sinh vật, oxy, chất hữu cơ, độ ẩm, tỉ lệ C:N và cấu trúc chất thải [8] Trong khi đó, điều kiện môi trường: nhiệt độ và pH có ảnh hưởng quan trọng đến sự sống và sinh trưởng của vi sinh vật Nói chung, quá trình phát triển tối ưu của vi sinh vật chỉ xảy ra trong một khoảng dao động hẹp của nhiệt độ và pH, mặc dù chúng vẫn có thể tồn tại trong khoảng giới hạn rộng hơn nhiều Nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối

ưu sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật sẽ tăng lên gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên mỗi

10oC cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu Theo khoảng nhiệt độ mà vi sinh vật hoạt động tốt nhất có thể phân loại chúng thành:

+ Psychrophilic (vi sinh vật ưa lạnh)

+ Mesophilic (vi sinh vật ưa ấm)

+ Thermophilic (vi sinh vật ưa nhiệt)

Khoảng nhiệt độ thích hợp cho từng loại vi sinh vật này được trình bày trong bảng 1.6:

Trang 32

Bảng 1.6: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật

Loài vi sinh vật Khoảng dao động Tối ưu Nhiệt độ

Nồng độ H+, biểu diễn dưới dạng pH, là yếu tố không quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật nếu dao động trong khoảng pH 6 – 9 Thông thường, giá trị pH tối

ưu để vi sinh vật phát triển dao động trong khoảng 6,5 – 7,5 Tuy nhiên, khi pH lớn hơn 9,0 hoặc thấp hơn 4,5 thì các phân tử acid yếu hoặc base có thể khuếch tán vào tế bào dễ dàng hơn các ion H+ và OH-, do đó làm thay đổi pH và phá hủy tế bào [8]

Độ ẩm là một yếu tố môi trường quan trọng khác ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của

vi sinh vật Độ ẩm của chất thải hữu cơ cần chuyển hóa sinh học phải được xác định trước, đặc biệt là trong trường hợp làm phân compost theo quy trình khô Trong nhiều trường hợp cần bổ sung nước để đạt được độ ẩm tối ưu của vi sinh vật Độ ẩm tối ưu của quá trình làm phân compost hiếu khí dao động trong khoảng 50-60% Nếu độ ẩm giảm xuống dưới 40%, tốc độ của quá trình trao đổi chất sẽ chậm lại

Quá trình chuyển hóa sinh học chất thải hữu cơ đòi hỏi hệ thống sinh học tồn tại ở trạng thái cân bằng động học Để thiết lập và duy trì cân bằng động học, môi trường phải không chứa các kim loại nặng, ammonia, các hợp chất của lưu huỳnh và các thành phần độc tính khác ở nồng độ tới hạn [8]

1.4.1 Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost

1.4.1.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ trong khối ủ là sản phẩm phụ của sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật, phụ thuộc vào kích thước của đống ủ, độ ẩm, không khí và tỷ lệ C:N, mức độ xáo trộn và nhiệt độ môi trường xung quanh

Trang 33

Sơ đồ 1.1: Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost

Độ xốp của phân bón phụ thuộc vào cấu trúc hạt của bùn ủ Trong quá trình ủ, các cấu trúc hạt này bị phân hủy bởi các yếu tố môi trường (nhiệt độ, nồng độ O2 và CO2)

và hoạt tính của vi sinh vật Quá trình này giúp phân cắt các chất dinh dưỡng và tạo độ xốp cho bùn

Nhiệt độ trong hệ thống ủ không hoàn toàn đồng nhất trong suốt quá trình ủ, phụ thuộc vào lượng nhiệt tạo ra bởi các vi sinh vật và thiết kế của hệ thống [8]

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của vi sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ và cũng là một trong các thông số giám sát điều khiển quá trình ủ Trong luống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55-65oC, vì ở nhiệt độ này, quá trình phân hủy bùn hầm cầu của vi sinh vật đạt hiệu quả tối ưu Khi nhiệt độ tăng lên

Độ xốp

Cấu trúc

Dinh dưỡng C:N pH Khối lượng, thể tích

Trang 34

ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật 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 bằng cách che phủ hợp lý

1.4.1.2 Độ ẩm

Độ ẩm (nước) là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ, vì nước cần thiết cho quá trình hòa tan chất dinh dưỡng để vi sinh vật hấp thu dễ dàng

Độ ẩm tối ưu của quá trình ủ bùn hữu cơ nằm trong khoảng 50-60% Các vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy bùn thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của phân tử hữu cơ Nếu độ ẩm quá nhỏ (<30%) sẽ hạn chế hoạt động của vi sinh vật Nếu độ ẩm quá lớn (>65%) thì quá trình phân hủy sẽ chậm lại và chuyển sang chế độ phân hủy kỵ khí vì quá trình thông khí bị cản trở do hiện tượng bít kín các khe xốp không cho không khí đi qua, gây mùi hôi, rò rĩ chất dinh dưỡng và lan truyền vi sinh vật gây bệnh [7]; [8]; [30]

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

Trong trường hợp độ ẩm của khối ủ thấp, có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào Khi độ ẩm khối ủ cao, có thể điều chỉnh bằng cách trộn vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như: mạt cưa, rơm rạ, trấu…

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 (sơ đồ 1.2)

Trang 35

Sơ đồ 1.2: Sơ đồ hệ thống sản xuất phân hữu cơ liên tục

Chất hữu cơ, chất thải có độ ẩm rất cao trước khi ủ và sử dụng làm phân bón Hoạt động sống của vi sinh vật thông qua quá trình trao đổi chất giúp cho các chất hữu cơ bị phân hủy và trở nên đồng nhất Quá trình ủ phân hiếu khí giúp cho vi sinh vật sử dụng oxy để hô hấp và thải ra các chất khí CO2, NH3 Kết thúc quá trình hô hấp là sự hình thành các sản phẩm hữu cơ thích hợp để làm phân bón [8]; [27]; [30]

1.4.1.3 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, 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 vi sinh vật trong đống ủ và giảm mức độ hoạt động 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 không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ [8]

Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3-50 mm Kích thước hạt tối

ưu có thể đạt bằng nhiều cách như cắt, nghiền, sàn 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

Các chất

hữu cơ ướt Quá trình ủ phân phân hữu cơ Sản phẩm

Không khí Khí thải

Tuần hoàn

Trang 36

1.4.1.4 Độ xốp

Độ xốp của khối vật liệu ủ là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến phân

hữu cơ Độ xốp tối ưu sẽ thay đổi theo loại vật liệu chế biến phân Thông thường, độ

xốp để quá trình chế biến diễn ra tốt khoảng 35-60%, tối ưu là 32-36% [8]

Độ xốp của bùn ủ 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 lớp 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 tỷ lệ trộn

hợp lý [8]

1.4.2 Các phản ứng hóa sinh diễn ra trong quá trình phân hủy hữu cơ

Quá trình phân hủy bùn hữu cơ diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và tạo

nhiều sản phẩm trung gian

Ví dụ:

Quá trình phân hủy protein

Protein peptides amino acids

Đối với carbohydrate, quá trình phân hủy:

Carbohydrate đường đơn acid hữu cơ

Những chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp Căn cứ

vào sự biến thiên nhiệt độ có thể chia quá trình ủ hiếu khí thành các pha sau:

 Pha thích nghi: giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trường mới

 Pha tăng trưởng: đặc trưng bởi sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy

sinh học

hợp chất ammonium

nguyên sinh chất của vi khuẩn và nitơ hoặc NH3

CO2 và nguyên sinh chất của

vi khuẩn

Trang 37

 Pha ưa nhiệt: 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

Đồ thị 1.1: Biến thiên nhiệt độ trong quá trình ủ hiếu khí [8]

Phản ứng hóa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kỵ khí được đặc trưng bởi hai phương trình:

(C,O,H,N,S) + O2 + VSV hiếu khí  CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng (C,O,H,N,S) + VSV kỵ khí  CO2 + H2S +NH3 +CH4 + sản phẩm khác + năng lượng Pha trưởng thành là giai đoạn giảm nhiệt độ bằng với 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 (Fe, Ca, N…) và cuối cùng thành mùn Ngoài ra còn xảy ra các phản ứng nitrate 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-) [8]:

Phương trình phản ứng nitrate hóa tổng cộng:

22 NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3-  21NO3- + C5H7NO2 + 20H2O + 42H+ (1.5)

Thời gian ủ

Trang 38

Quá trình phân hủy hiếu khí bùn hữu cơ bao gồm ba giai đoạn chính sau:

+ Giai đoạn nhiệt độ trung bình: kéo dài trong một vài ngày

+ Giai đoạn nhiệt độ cao: có thể kéo dài một vài ngày đến một vài tháng + Giai đoạn làm mát và ổn định: kéo dài vài tháng

Trong quá trình phân hủy hiếu khí, ứng với từng giai đoạn ủ khác nhau thì các loài

vi sinh vật ưu thế cũng khác nhau Quá trình phân hủy ban đầu do các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình chiếm ưu thế, chúng sẽ phân hủy nhanh chóng những hợp chất có cấu trúc phân tử đơn giản Nhiệt độ trong quá trình này sẽ tăng nhanh chóng do nhiệt mà các vi sinh vật tạo ra Khi nhiệt độ gia tăng >40oC, các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình

sẽ bị thay thế bởi các vi sinh vật hiếu nhiệt Khi nhiệt độ gia tăng ≥ 55oC, các vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt Khi nhiệt độ gia tăng đến 65oC sẽ có rất nhiều loài vi sinh vật bị tiêu diệt và nhiệt độ này cũng giới hạn trên của quá trình phân hủy hiếu khí [8] Trong giai đoạn hiếu khí, nhiệt độ cao làm tăng quá trình phân hủy protein, chất béo và các carbohydrate phức hợp như cellulose và hemicellulose Sau giai đoạn này, nhiệt độ của quá trình ủ sẽ giảm từ từ và các vi sinh chịu nhiệt trung bình lại chiếm ưu thế trong giai đoạn cuối

1.4.3 Kích thước và hình dạng hệ thống ủ phân hữu cơ

Kích thước và hình dạng của các đống ủ có ảnh hưởng đến sự kiểm soát nhiệt độ và

độ ẩm cũng như khả năng cung cấp oxy [8]

Khối ủ được cung cấp không khí từ môi trường xung quanh để vi sinh vật 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 thực hiện bằng cách:

+ Đảo trộn;

+ Sử dụng ống thông khí;

+ Đổ chất thải từ tầng lưu chứa trên cao xuống thấp;

+ Thổi khí

Trang 39

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 ý hoặc kỵ khí Do đó, tốc độ phân hủy chậm 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 Ngược lại, nếu thổi khí quá

ít, môi trường bên trong khối phân sẽ trở thành kỵ khí Vận tốc thổi khí cho quá trình ủ phân thường trong khoảng 5-10 m3 khí/tấn nguyên liệu/giờ [8]; [30]; [47]

1.4.4 Các yếu tố hóa sinh ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost

1.4.4.1 Tỷ lệ C:N

Có rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật, trong đó carbon (C) và nitơ (N) là cần thiết nhất, tỉ lệ C:N là thông số dinh dưỡng quan trọng nhất; kế tiếp là phospho (P), lưu huỳnh (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% carbon của các chất hữu cơ cần thiết cho quá trình đồng hóa thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hóa thành CO2 Carbon 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 amin, enzyme, co-enzyme cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào [8]; [44]; [44]

Hầu hết các vi sinh vật sử dụng carbon nhiều gấp 25 lần so với nitơ trong phân hữu

cơ Tỉ lệ C:N trong phân ủ từ 10 – 20 Do đó, các vi sinh vật trong phân ủ thường tận dụng nguồn carbon trước khi sử dụng nitơ Nitơ còn lại có thể mất đi do bị biến đổi thành NH3 hoặc các oxit nitơ

Trang 40

Tỉ lệ C:N tối ưu cần thiết cho quá trình ủ phân rác khoảng 30:1 Ở mức tỉ lệ thấp

hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, gây ra mùi khai Ở mức tỉ lệ cao hơn, nitơ trong

môi trường sẽ thiếu, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật Theo nghiên cứu cho thấy:

Bảng 1.7: Tỉ lệ C:N theo thời gian phân hủy

Tỉ lệ C:N Thời gian phân hủy tối ưu

Mặc dù vậy, tỉ lệ này cũng có thể được hiệu chỉnh theo giá trị sinh học của vật liệu

ủ, trong đó quan trọng nhất là vật liệu ủ có hàm lượng lignin cao [8]

Trừ phân ngựa và lá khoai tây, tỉ lệ C:N của tất cả các chất thải khác nhau đều phải

được hiệu chỉnh để đạt giá trị tối ưu trước khi tiến hành làm phân Tỉ lệ C:N của các

chất thải khác nhau được trình bày trong bảng 1.8:

Bảng 1.8: Hàm lượng nitơ và tỉ lệ C:N trong các loại chất thải

STT Chất thải N (% trọng lượng khô) Tỉ lệ C:N

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	1,72 MB