NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL BẰNG KĨ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI GIA SÚC

TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật bức xạ ứng dụng trong xử lý chất thải gia súc” được nghiên cứu với mục tiêu xử lý chất thải gia súc nhằm làm giảm bớt s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL BẰNG KĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL BẰNG KĨ

THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ

CHẤT THẢI GIA SÚC

Tháng 8/2009

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên mà con muốn nói đó là: “Con xin cảm ơn bố mẹ và các em nhiều thật nhiều!” Gia đình mình đã luôn bên cạnh con, động viên và giúp đỡ con trong cả quá trình dài học tập

Em xin cảm ơn các thầy cô của trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh – Khoa Công nghệ Sinh học đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức khoa học, kiến thức chuyên ngành, cũng như những kinh nghiệm quý báu trong những năm học tại trường

Lòng biết ơn chân thành sâu sắc xin được gửi đến TS Lê Quang Luân, người

đã dành hết nhiệt tâm và trách nhiệm để hướng dẫn, chỉ dạy em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Xin cảm ơn các bạn của tôi đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi vượt qua khó khăn trong cuộc sống cũng như trong học tập suốt thời gian qua

Và đặc biệt xin cảm ơn cô Võ Thị Thu Hà, chị Nguyễn Huỳnh Phương Uyên, bạn Nguyễn Công Chính, bạn Tô Văn Lợi đã giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian làm

đề tài này

Do hạn chế về mặt thời gian và kiến thức, nên luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để luận văn được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật bức xạ ứng dụng trong xử lý chất thải gia súc” được nghiên cứu với mục tiêu xử lý chất thải gia súc nhằm làm giảm bớt sự ô nhiễm môi trường do nguồn thải này gây ra và tạo được sản phẩm phân hữu cơ có tính ưu việt cao

Trong đề tài này, chất thải gia súc được sử dụng là phân bò tươi có độ ẩm ban

đầu 82%, ủ lên men với chế phẩm Trichoderma cung cấp từ trường Đại học Nông Lâm

Thành phố Hồ Chí Minh và với vật liệu hydrogel được chế tạo bằng kĩ thuật bức xạ, với các tỉ lệ phối trộn 0,5%, 1%, 2%, 3%, và theo hai phương pháp: lót - phủ, trộn đều Sau khi lên men, phân bón được bón cho cây trồng, đánh giá sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, cụ thể là cây cải thảo giống F1

Vật liệu hydrogel từ khâu mạch CMC 20%, và từ tinh bột ghép acrylic acid được sử dụng trong xử lý chất thải gia súc

Phối hợp hydrogel chế tạo bằng kĩ thuật bức xạ đã có tác dụng gia tăng hiệu quả phân hủy cellulose trong phân bò sau 30 ngày và 45 ngày ủ Công thức phối trộn tối ưu

là sử dụng hydrogel biến tính ghép bức xạ trộn đều vào khối phân, với tỉ lệ 1% so với khối lượng phân cần xử lý

Phân hữu cơ lên men từ phân bò có phối hợp hydrogel giữ nước chế tạo bằng kĩ thuật bức xạ và chế phẩm phân bón này đã có tác dụng tốt khi bón cho cây rau cải thảo giống F1 sử dụng

Như vậy việc phối trộn hydrogel vào chất thải gia súc cho hiệu quả lên men cao hơn, sản phẩm phân bón thu được có hiệu ứng tốt trên cây trồng

SUMMARY

The subject “Study on preparation of hydrogel by radiation technique for application for treatment of waste of cattle” was carried out to reduce the enviromental pollution and produced the good property organic ferrilizer

In this study, the sellected material was waste of cattle with humidity about 82% fermented with Trichoderma from Nong Lam University and hydrogel prepared by radiation technique, with the mixing ratio of 0,5%, 1%, 2%, 3% and and by two methods The fermented products were also tested with vegetable (F1 Chinese cabbage) to investigate the growth effect on plant

Hydrogel was successfully preparation by irradiation technique from CMC 20% and from starch and acrylic acid irradiated used for treatment of waste of cattle

The mix of hydrogel prepared by radiation technique showed a better effect of cellulose degradiation in waste of cattle after fermenting 30 and 45 days The optimum mixing formula was determined by mixing 1% hydrogel in waste of cattle

The fermented product by mixing hydrogel prepare by radiation technique showed a better effect on the growth of vegetable namely F1 Chinese cabbage

Hydrogel was used for mixing of cattle waste for more efficient fermentation, fertilizer products obtained have good effects on plants

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Summary v

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các bảng x

Danh sách các hình xi

Chương 1 Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

Chương 2 Tổng quan tài liệu 3

2.1 Hydrogel và các phương pháp chế tạo, ứng dụng 3

2.1.1 Định nghĩa 3

2.1.2 Ứng dụng của vật liệu hydrogel 4

2.1.3 Các phương pháp chế tạo hydrogel 5

2.1.3.1 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học 5

2.1.3.2 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ 5

2.1.3.3 Công nghệ bức xạ 5

2.1.3.4 Ứng dụng của kĩ thuật bức xạ trong chế tạo hydrogel 7

2.1.4 Carboxymethylcellulose (CMC) 9

2.1.5 Tinh bột 10

2.2 Sơ lược đặc điểm chất thải chăn nuôi 10

2.2.1 Chất thải rắn 10

2.2.2 Chất thải lỏng 12

2.2.3 Chất thải khí (khí độc và mùi hôi) 13

2.2.4 Đặc điểm phân bò tươi 13

2.2.5 Đặc điểm phân heo 14

2.3 Ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi 14

2.3.1 Ô nhiễm không khí 14

2.3.2 Ô nhiễm nguồn nước 16

2.3.3 Ô nhiễm nguồn đất 16

2.4 Các phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi 16

2.5 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp hiếu khí (composting) 18

2.5.1 Khái niệm về composting 18

2.5.2 Diễn biến quá trình ủ phân 18

2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân 19

2.6 Cấu tạo của phân tử cellulose, cơ chế phân hủy cellulose bởi vi sinh vật 20

2.6.1 Cấu tạo của phân tử cellulose 20

2.6.2 Cơ chế phân hủy cellulose bởi vi sinh vật 20

2.7 Trichoderma 21

2.7.1 Đặc điểm sinh học của Trichoderma 21

2.7.2 Khả năng kiểm soát sinh học của Trichoderma 22

2.7.2.1 Trong lĩnh vực phân hủy chất hữu cơ, xử lý môi trường 22

2.7.2.2 Tương tác với nấm bệnh 23

Chương 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 25

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 25

3.2 Vật liệu nghiên cứu 25

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 25

3.2.2 Dụng cụ thí nghiệm 25

3.2.3 Hóa chất thí nghiệm 26

3.3 Phương pháp nghiên cứu 26

3.3.1 Chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật bức xạ 26

3.3.1.1 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp khâu mạch CMC 26

3.3.1.2 Chế tạo hydrogel từ tinh bột ghép acrylic 26

3.3.1.3 Đánh giá các đặc trưng của mẫu hydrogel đã được chế tạo 27

3.3.2 Khảo sát sự phân hủy phân bò có bổ sung Trichoderma và hydrogel 27

3.3.2.1 Bố trí thí nghiệm 27

3.3.2.2 Xác định sự phân hủy cellulose 28

3.3.3 Khảo sát hiệu ứng của sản phẩm phân bón trên rau trồng 29

3.3.4 Phương pháp xử lý thống kê số liệu 30

Chương 4 Kết quả và thảo luận 31

4.1 Chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật chiếu xạ 31

4.1.1 Chế tạo vật liệu hydrogel bằng phương pháp khâu mạch CMC 31

4.1.2 Chế tạo vật liệu hydrogel từ tinh bột biến tính ghép bức xạ AAc 35

4.2 Hiệu suất phân hủy cellulose trong phân bò có sử dụng hydrogel 38

4.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của phân gia súc sau lên men trên cây trồng 42

Chương 5 Kết luận và đề nghị 46

5.1 Kết luận 46

5.2 Đề nghị 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAc: Acrylic acid CMC: CarboxymethylcelluloseCNBX: Công nghệ bức xạHLCK: Hàm lượng chất khô kGy: Kilogray

LSD: The least significant difference NS: None significant difference SVĐC: So với đối chứng

TB: Trung bình

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần trong phân gia súc 11

Bảng 2.2 Các loại vi sinh vật có trong phân 12

Bảng 2.3 Chất lượng không khí trong chuồng nuôi của các xí nghiệp quốc doanh 15

Bảng 2.4 Thành phần dưỡng chất trong phân còn lại qua các cách xử lý 17

Bảng 3.1 Công thức thí nghiệm 28

Bảng 4.1 Sự phân hủy cellulose trong phân bò có bổ sung hydrogel sau 15 ngày 39

Bảng 4.2 Sự phân hủy cellulose trong phân bò có bổ sung hydrogel sau 30 ngày 40

Bảng 4.3 Sự phân hủy cellulose trong phân bò có bổ sung hydrogel sau 45 ngày 41 Bảng 4.4 Ảnh hưởng của phân gia súc sau lên men lên sinh trưởng của cải thảo F1 43

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 3.1 Bố trí thí nghiệm xử lý phân bò tươi 30

Hình 3.2 Vật liệu hydrogel chế tạo được sử dụng trong thí nghiệm 30

Hình 4.1 Sự hình thành gel theo nồng độ CMC 31

Hình 4.2 Độ trương của hydrogel theo nồng độ CMC 32

Hình 4.3 Sự hình thành gel theo liều xạ của hydrogel từ CMC 20% 33

Hình 4.4 Độ trương theo liều xạ của hydrogel từ CMC 20% 34

Hình 4.5 Sự hình thành gel theo liều xạ của hydrogel biến tính ghép 35

Hình 4.6 Độ trương theo liều xạ của hydrogel biến tính ghép bức xạ 36

Hình 4.7 Vật liệu hydrogel từ khâu mạch CMC 37

Hình 4.8 Vật liệu hydrogel từ ghép mạch AAc lên tinh bột biến tính 37

Hình 4.9 Sự sinh trưởng của cây cải thảo F1 sau 14 ngày (1) 44

Hình 4.10 Sự sinh trưởng của cây cải thảo F1 sau 14 ngày (2) 45

Trong lĩnh vực nông nghiệp, ngành chăn nuôi đã phát triển nhanh trong những năm gần đây Phong trào chăn nuôi gia súc, gia cầm theo mô hình trang trại phát triển khá mạnh, mang lại hiệu quả kinh tế cao Theo số liệu thống kê của Cục Chăn nuôi năm 2006 cả nước hiện có 220 triệu con gia cầm, 8,5 triệu con trâu – bò, 27 triệu con lợn, trên 1,3 triệu con dê và 11 vạn con ngựa Mỗi năm ngành chăn nuôi thải ra trung bình trên 73 triệu tấn chất thải rắn và 25 đến 30 triệu khối chất thải lỏng Trong đó, một thực trạng đáng báo động là khoảng 50% lượng chất thải rắn (36,5 triệu tấn), 80% chất thải lỏng (20 - 24 triệu m3) xả thẳng ra tự nhiên, hoặc sử dụng không qua xử lí Đây là tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ở khu vực thành thị đông dân cư

Việc tận dụng chất thải gia súc để sản xuất phân hữu cơ đã được nhiều nhà khoa học quan tâm bởi nó có nhiều ý nghĩa thiết thực như tái sử dụng nguồn chất thải để tạo sản phẩm hữu ích trong nông nghiệp và đồng thời giảm thiểu nguồn chất thải gây ô nhiễm môi trường Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật có khả năng tiết các enzyme cellulase ngoại bào để lên men xử lý nguồn chất thải hữu cơ tươi để sản xuất phân hữu cơ Nhưng nếu chỉ đơn thuần áp dụng các vi sinh vật mà không có biện pháp

xử lý kết hợp nhằm giảm thiểu lượng nước trong chất thải thì hiệu quả lên men không cao, quá trình có thể tạo ra các sản phẩm ngoài ý muốn và đồng thời gây ô nhiễm môi trường xung quanh bởi mùi hôi và chất thải dạng lỏng

Việc tìm kiếm chất hấp thu nước để điều hòa độ ẩm ứng dụng trong xử lý chất thải gia súc nhằm gia tăng hiệu quả lên men và giảm thiểu ô nhiễm môi trường hết sức cần thiết, đặc biệt là trong các khu đô thị đông dân cư Cho đến nay một số nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Bức xạ Tiên tiến Takasaki, Nhật Bản đã có những

nghiên cứu thành công bước đầu từ việc ứng dụng các hydrogel khâu mạch từ polymer

tự nhiên bằng kĩ thuật bức xạ làm chất điều hòa độ ẩm để gia tăng hiệu quả lên men, khắc phục được vấn đề ô nhiễm do mùi hôi và chất thải dạng lỏng trong quá trình xử

lý chất thải gia súc Đối với nước ta, đây vẫn còn là hướng nghiên cứu còn khá mới mẻ

và cho đến nay vẫn chưa có đơn vị nghiên cứu

Sử dụng hydrogel để xử lý chất thải gia súc là nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, nó không chỉ giải quyết vấn đề môi trường trong chăn nuôi mà còn tạo ra phân hữu cơ có có tính ưu việt rất cao như có khả năng điều hòa độ ẩm đất, giảm hàm lượng nước tưới, đồng thời tăng khả năng hấp thụ dinh dưỡng cho cây trồng

Trên cơ sở tìm hiểu về chất hấp thu nước hydrogel được chế tạo từ kĩ thuật khâu mạch và ghép mạch bức xạ, cũng như nhận thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao của hướng nghiên cứu này, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật bức xạ ứng dụng trong xử lý chất thải gia súc”

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel có độ hấp thu nước cao từ các polymer tự nhiên bằng kĩ thuật bức xạ

Sử dụng vật liệu hydrogel chế tạo từ kỹ thuật bức xạ kết hợp vi sinh vật để xử

lý hiệu quả chất thải gia súc là phân bò tươi

1.3 Nội dung thực hiện

Chế tạo hydrogel có các đặc trưng thích hợp

Khảo sát tỉ lệ phối trộn hydrogel – vi sinh vật – phân bò tươi ở các mức khác nhau nhằm tìm ra tỉ lệ tối ưu cho sự phân hủy phân bò tươi đạt hiệu quả nhất

Xác định hiệu ứng của sản phẩm phân bón đối với cây trồng

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Hydrogel và các phương pháp chế tạo, ứng dụng

2.1.1 Định nghĩa

Hydrogel là các gel được hình thành từ các polymer mang các nhóm phân cực như COO-, HSO3-, -CONH2 có thể trương mà không tan trong nước do có cấu trúc

không gian ba chiều nhờ được khâu mạch bởi các monomer lưỡng chức

Hai loại thông thường của hydrogel là gel hóa học và gel giả Những chuỗi này được nối với nhau bằng lực hút tĩnh điện, liên kết hydro hoặc những chuỗi phức tạp (nhiều gel là không bền và thường có thể được chuyển đổi thành dung dịch polymer bằng sức nóng), đó là gel Và gel hóa học (thật, bền) nối các chuỗi lại với nhau bằng liên kết cộng hóa trị

Một khi xem hydrogel như vật liệu vừa có thuộc tính như chất lỏng và như chất rắn thì thành phần chính tạo ra hiệu quả của dạng này đó là nước Vì vậy, chất hòa tan

có trọng lượng phân tử thấp hoặc dung môi thấm vào sẽ xuyên qua lớp màng dày của gel Mặt khác dựa vào tính đàn hồi của một số chuỗi mạng lưới, hình dạng của gel sẽ cho phép việc gia tăng sức chứa trong chính bản thân nó Có nhiều ứng dụng của hydrogel nhưng thành công và hứa hẹn nhất là trong lĩnh vực y khoa và dược phẩm, với một số lượng lớn các sản phẩm đã được thương mại hóa trên thị trường

Polymer ưa nước được sử dụng để tạo vật liệu hydrogel có tầm quan trọng rất lớn đến thuộc tính của sản phẩm Hiệu quả của nó phụ thuộc vào sự có mặt của nhóm

ưa nước trên suốt chiều dài mạch, như là -OH, -COOH, -CONH2 và một số nhóm khác Chức năng của các nhóm chức này thường tạo nên các hydrogel nhạy cảm đối với các điều kiện xung quanh và thường thì nó được đề cập đến như là vật liệu có đáp ứng thuận nghịch đối với môi trường Những hydrogel này, chứng minh khả năng tạo

ấn tượng về sự thay đổi dung tích như sự thay đổi dung tích của các pha chuyển tiếp trong phản ứng khác nhau với môi trường, chẳng hạn nhiệt độ, pH, chiều dài mạng lưới ion, nồng độ chất hòa tan, v.v đã được thử nghiệm cho việc sử dụng, được gọi là

“vật liệu sinh học thông minh” (Tanaka và ctv, 1978)

Để kiểm soát lượng nước và chất hòa tan được chấp nhận bằng đoạn kỵ nước của hydrogel có thể được áp dụng khi kèm theo các polymer ghép hoặc ghép chuỗi hoặc giống như là xâm nhập vào hoặc mạng lưới polymer bán thẩm thấu, bằng các thành phần của một polymer khác, mà không phải bằng các liên kết hóa học nhưng chỉ làm bị bẫy trong matix Sự trương của hydrogel là nội dung được nghiên cứu rất nhiều Nhiều học thuyết đại diện thuyết phục rằng áp lực của sự trương phồng xảy ra khi tổng kết sự đóng góp của các thành phần phân chia dựa vào hỗn hợp dung môi polymer, độ mềm dẻo của cấu trúc mạng lưới, sự thấm chọn lọc của các ion và sự đào thải Trạng thái trương bão hòa đạt được khi mà sự trương chọn lọc của mạng lưới gel là bằng không Từ quan điểm tổng hợp hydrogel như vậy đã được quyết định bởi dạng polymer sử dụng (hoặc monomer) và sức chứa của mạng lưới ion

Bản chất của hydrogel chính là khả năng hấp thụ dung môi của các ion có độ dài mạch khác nhau hoặc pH khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như là vật liệu siêu hấp thụ nước

Các hydrogel có thể tạo được từ chính các polymer tự nhiên hoặc copolymer với các polymer tổng hợp Dạng ete của cellulose, dựa vào nét đặc trưng mới lạ của khả năng hình thành gel và dễ bị phân hủy sinh học, được xem như là vật liệu tuyệt vời Nhiều nghiên cứu gần đây chọn ete của cellulose được kiểm tra dưới bức xạ ion hóa Đó là Carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylcellulose (HPC) và hydroxyethylcellulose (HEC), dạng hydrogel tự phân hủy sinh học khi được chiếu xạ (Dr Alan Cooper, 2000)

2.1.2 Ứng dụng của vật liệu hydrogel

Vật liệu hydrogel được sử dụng rất phổ biến trong công nghệ sinh học, y học, nông nghiệp, v.v Chúng được dùng làm màng vi lọc, siêu lọc, thấm khí, thẩm tích thuận nghịch các quá trình tách chiết (Nguyễn Quốc Hiến và ctv, 1999) Trong lĩnh vực y - sinh, hydrogel được dùng trong chuẩn đoán, điều trị, tạo vật liệu cấy ghép, tạo

da nhân tạo, màng chữa bỏng, màng lọc máu, các hệ ly giải có điều khiển, vật liệu trong nha khoa, mô ghép, ứng dụng trong việc chữa trị mắt và nhiều ứng dụng khác… (Phạm Thị Lệ Hà và ctv, 1996)

Trong nông nghiệp, gần đây vật liệu hydrogel “siêu trương nước” chế tạo bằng

kỹ thuật khâu mạch, ghép mạch bức xạ từ polylysin, polyacrylamide (PAM), CMC và tinh bột được dùng như chất giữ nước cho các vùng canh tác khô hạn, chất phụ gia

chống xói mòn đất (Nguyễn Quốc Hiến và ctv, 1996) Vật liệu hydrogel cũng được dùng trong xử lý nước thải (Lê Hải, 2003; Trần Đại Nghiệp, 2007)

Hydrogel cũng được phát triển theo hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy canh Theo kết quả nghiên cứu của Võ Thị Thu Hà và các ctv (2007), vật liệu hydrogel chế tạo được khi chiếu xạ ở liều 15 kGy từ hợp phần CMC 20% kết hợp với PAM 20%, alginate 1% và chất dinh dưỡng là phù hợp cho sự sinh trưởng của cây trồng, như: kích thích gia tăng sự nảy mầm của hạt rau, kích thích sự sinh trưởng của cây rau mầm 14 ngày tuổi Trong nuôi trồng thủy canh, cây cải xanh và xà lách nuôi trồng trên vật liệu hydrogel này đã sinh trưởng và phát triển tốt hơn khi trồng trên xơ dừa

2.1.3 Các phương pháp chế tạo hydrogel

Hydrogel có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học và phương pháp bức

xạ Tùy vào bản chất của polymer mà sử dụng một trong hai phương pháp trên

2.1.3.1 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học

Hydrogel có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học từ các monomer ưa nước như acrylamide/acrylic acid và dẫn xuất của nó Một phương pháp phổ biến khác

là khâu mạch chiều dài tự nhiên hoặc tổng hợp polymer bằng hợp chất đa hóa trị Trong các phương pháp tổng hợp này, sử dụng tác nhân khâu mạch, mật độ khâu mạch được kiểm soát bởi nồng độ của các chất phản ứng đa hóa trị hoặc chất phản ứng sinh học, thời gian phản ứng, nhiệt độ Trong khi phương pháp chiếu xạ, được quyết định bằng các liều xạ Ngoài ra khâu mạch bằng phương pháp hóa học chỉ có thể thực hiện được trong trạng thái lỏng

2.1.3.2 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ

Các polymer tự nhiên hoặc polymer tổng hợp khi được chiếu xạ sẽ tạo hydrogel Mẫu được chiếu xạ có thể ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái rắn

Bức xạ ion hóa rất phù hợp cho việc chế tạo hydrogel Qui trình dễ kiểm soát, khả năng tham gia tạo hydrogel và tiệt trùng trong một bước công nghệ, không cần thiết phải thêm chất xúc tác, tác nhân khâu mạch, v.v dẫn đến hạ giá thành sản phẩm

Đó chính là lý do lựa chọn phương pháp chiếu xạ trong việc tổng hợp hydrogel

2.1.3.3 Công nghệ bức xạ

a Khái niệm

Công nghệ bức xạ là một bộ môn khoa học mới, nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hoá học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền

năng lượng cho vật chất nhằm biến các hiệu ứng này thông qua các quy trình công nghệ để tạo ra các sản phẩm với những phẩm chất, tính năng và công dụng mới phục

vụ con người Sự ra đời của bộ môn công nghệ bức xạ là kết quả của sự giao nhau và kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, hoá học và sinh học Các dạng bức xạ phổ biến áp dụng hiện nay là bức xạ electron, tia gamma, bức xạ hãm, bức xạ tử ngoại, chùm ion, bức xạ nơtron Nói chung đây là các dạng bức xạ có năng lượng thấp Các nguồn bức xạ thông dụng bao gồm các nguồn bức xạ thụ động (nguồn đồng vị phóng xạ như 60-Co, 137-Cs, v.v.), các nguồn bức xạ chủ động (máy gia tốc, thiết bị phát chùm tia) (Trần Đại Nghiệp, 2007)

Các ứng dụng nổi bật của công nghệ bức xạ ở nước ta tập trung chủ yếu trong lĩnh vực sinh học và nông nghiệp, như: Chiếu xạ để bảo quản thực phẩm (gia vị, trái cây, thực phẩm đông lạnh, v.v.), khử trùng mĩ phẩm và bao bì cho thực phẩm; Chiếu

xạ kích thích và gây đột biến tạo các giống cây trồng mới như lúa, đậu tương, hoa cúc, v.v; Chiếu xạ gây bất dục côn trùng; Chiếu xạ xử lý phế thải nông nghiệp;Chiếu xạ biến tính ghép, khâu mạch và cắt mạch vật liệu tạo vật liệu tổng hợp sinh học và vật liệu có hoạt tính sinh học, chế phẩm dược phẩm, hormone thải chậm, như gel giữ nước, chế phẩm phòng và trị bệnh thực vật từ chitosan chiếu xạ; Chiếu xạ xử lý chất thải cellulose làm thức ăn gia súc, v.v (Trần Đại Nghiệp, 2007)

Phương pháp chiếu xạ có nhiều ưu điểm nổi bật, như: Phản ứng ở nhiệt độ bình thường, dễ dàng điều chỉnh quá trình, tiết kiệm năng lượng, không gian và nguyên liệu, có độ tin cậy cao (quá trình được kiểm tra hữu hiệu); Sản phẩm chất lượng cao, chế tạo sản phẩm mới, sản phẩm sau xử lý không cần tinh chế; Thuận lợi cho quá trình ứng dụng ở quy mô lớn, đem lại hiệu quả kinh tế cao; Đáp ứng bảo vệ môi trường

2.1.3.4 Ứng dụng của kĩ thuật bức xạ trong chế tạo hydrogel

Tùy theo bản chất của polymer, thành phần trong hệ phản ứng, điều kiện chiếu

xạ, mà diễn tiến của quá trình có thể là ghép mạch, khâu mạch hoặc cắt mạch (Nguyễn Quốc Hiến, 1997) Thông thường đối với các polymer tự nhiên thì hầu hết khi chiếu

xạ, quá trình cắt mạch sẽ xảy ra, dù là ở dạng dung dịch hay dạng bột Đó là quá trình biến tính cắt mạch các polymer có nguồn gốc tự nhiên để tạo ra các oligomer tương ứng Cho đến nay, các chế phẩm oligomer tương ứng từ chiếu xạ cắt mạch các polysacharide (carageenan, chitosan, alginate, v.v) được ứng dụng hiệu quả trong nông nghiệp Phương pháp ghép mạch và khâu mạch được sử dụng để tổng hợp nhiều loại polymer khác nhau, trong đó có hydrogel Quá trình polymer hóa bức xạ cơ bản xảy ra theo cơ chế gốc tự do bao gồm ba giai đoạn chính là khơi mào, phát triển và ngắt mạch Mô tả quá trình như sau:

M hay S R (tạo gốc tự do)

R + M RM (khơi mào)

RM + M RM 2

RM 2 + M RM 3 (phát triển mạch)

RM mn-1 + M Rmn Rmn + Rmn P

Trong đó: M là monomer, S là dung môi, và P là polymer Tốc độ quá trình phụ hàm mũ vào suất liều bức xạ Vp~K.Ix, và hằng số tốc độ của quá trình phụ thuộc nồng

độ các gốc tự do tạo ra trong monomer (tác động trực tiếp) và trong dung môi (tác động gián tiếp) (Nguyễn Quốc Hiến, 1997)

a Khâu mạch bức xạ dung dịch polymer tan trong nước

Biến tính khâu mạch cũng được thực hiện nhờ quá trình hình thành gốc tự do trong quá trình chiếu xạ Khi chiếu xạ dạng paste các dẫn xuất của cellulose như carboxylmethylcellulose, hydroxylpropylcellulose, carboxylmethylchitin, carboxylmethylchitosan, v.v thì quá trình khâu mạch lại hình thành Mật độ khâu mạch của các phân tử trong hydrogel và hàm lượng gel hình thành thông thường tỉ lệ thuận với liều chiếu xạ Sản phẩm hydrogel có độ trương nước khác nhau, độ trương này thường tỉ lệ nghịch với độ khâu mạch của các phân tử trong hydrogel

Có hai cách hình thành gốc polymer và tạo khâu mạch như sau:

b Copolymer hóa ghép bức xạ

Một copolymer ghép là một polymer mà phân tử của nó chứa hai hay nhiều thành phần polymer có cấu trúc hóa học khác nhau Như vậy có thể xem copolymer

ghép là sự kết hợp hóa học giữa hai phân tử polymer có cấu trúc hóa học khác nhau

(A K Bajpai and A Giri, 2003)

A – A – A – A – A – A – A – A

B – B – B – B – B – B Copolymer ghép

Polymer ghép đóng vai trò trong khoa học polymer tương tự như hợp kim trong luyện kim

Phương pháp copolymer hóa ghép bức xạ được nghiên cứu phát triển chủ yếu dựa trên polymer hóa vinylmonomer B từ các tâm phản ứng trên Ap và kết hợp giữa hai gốc đại phân tử Ap và Bq Người ta cho rằng copolymer hóa ghép bức xạ thường tiến hành dễ dàng hơn kĩ thuật hóa học thông thường và được phân loại gồm bốn kiểu:ghép chiếu xạ trực tiếp; ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các nhóm peroxit; ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các gốc tự do bị bẫy; liên kết không gian giữa hai polymer khác nhau

Vật liệu hydrogel chế tạo từ các monomer ưa nước hoặc là khâu mạch dung dịch polymer thường không bền vững, tính chất cơ lí kém cho nên phải tiến hành ghép

monomer ưa nước lên vật liệu polymer bền (A K Bajpai and A Giri, 2003)

Nhiều chế phẩm có hoạt tính sinh học như enzyme, kháng nguyên, kháng thể, v.v được chế tạo trên cơ sở gắn lên các giá thể polymer hóa ghép bức xạ monomer ưa nước Mức độ ghép thường được tính theo phần trăm trọng lượng (%) nhưng đôi khi cũng được tính theo diện tích bề mặt (g/cm2) Giá thể polymer được chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều để làm giá thể cố định các chất có hoạt tính sinh học như tế bào vi sinh vật, enzyme, các loại dược phẩm điều trị ung thư, v.v

2.1.4 Carboxymethylcellulose (CMC)

CMC là dẫn xuất của cellulose có chứa nhóm carboxyl, là một polymer tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thuốc làm sạch vết thương, trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp giấy và công nghiệp dệt, v.v Cũng giống như những polymer tự nhiên khác, CMC có thể bị khâu mạch tạo thành vật liệu hydrogel dưới tác dụng của bức xạ (Phạm Thị Lệ Hà, 2006; Trần Thị Thủy và ctv, 2006)

Vật liệu hydrogel chế tạo từ khâu mạch CMC có độ trương tốt và dưới góc độ môi trường nó còn có khả năng tự phân hủy sinh học (Pengfei Liu và ctv, 2000)

2.1.5 Tinh bột

Tinh bột (C6H10O5)n) là một polysacarit carbohydrate chứa hỗn hợp amylose và amylopectin, tỷ lệ phần trăm amilose và amilopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này thường từ 20/80 đến 30/70 Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa học khác nhau Chúng đều là các polymer carbohydrat phức tạp của glucose (công thức phân tử là C6H12O6)

Trong công nghiệp thực phẩm, tinh bột thường được dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho thực phẩm dạng lỏng, là tác nhân làm bền cho thực phẩm dạng keo, là các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng và độ đàn hồi cho nhiều thực phẩm Trong công nghiệp, ứng dụng tinh bột để xử lí nước thải, tạo màng bao bọc kị nước trong sản xuất thuốc nổ nhũ tương, thành phần chất kết dính trong công nghệ sơn, v.v (Lê Văn Hoàng và Trương Thị Minh Hạnh, 2007)

Hiện nay, bằng các phương pháp vật lý, hóa học, hay sử dụng enzyme, các nhà khoa học đã tạo ra tinh bột biến tính từ tinh bột ban đầu, đem lại nhiều ứng dụng có giá trị trong công nghiệp xây dựng (làm chất gắn bê tông, keo dính gỗ, phụ gia cho sơn, v.v.), công nghiệp mỹ phẩm (phấn tẩy trắng, đồ trang điểm, phụ gia cho xà phòng v.v.), công nghiệp giấy (chất phủ bề mặt, thành phần nguyên liệu giấy không tro, v.v.), công nghiệp dệt, làm màng plastic phân huỷ sinh học, pin khô, thuộc da, keo nóng chảy, v.v (Trần Đại Nghiệp, 2007) Trong nông nghiệp, sản phẩm tinh bột ghép acrylic acid (CH2CHCOOH) từ kỹ thuật bức xạ ghép mạch cho ra hydrogel “siêu trương nước” làm chất giữ nước cho cây trồng (Lê Hải và ctv, 2007; Đoàn Bình và ctv, 2007)

2.2 Sơ lược đặc điểm chất thải chăn nuôi

Chất thải trong chăn nuôi được chia làm 3 loại: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí Trong chất thải chăn nuôi có nhiều hỗn hợp hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật và trứng kí sinh trùng có thể gây bệnh cho động vật và con người (Hoàn Đức Trung và Tống Ngọc Tuấn, 2000)

2.2.1 Chất thải rắn

Chất thải rắn bao gồm phân gia súc, xác súc vật chết, thức ăn dư thừa, vật liệu lót chuồng, v.v

Phân là dạng chất thải thức ăn gia súc khi qua cơ quan tiêu hóa không được tiêu hóa một cách triệt để và được thải ra ngoài cơ thể gia súc Thành phần chính của phân gồm cellulose, hemicellulose, lignin, protein và trứng ký sinh trùng Lượng phân thải

ra trong một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi, khẩu phần thức ăn, trọng lượng gia súc

Thành phần hóa học của phân phụ thuộc nhiều vào dinh dưỡng, tình trạng sức khỏe, cách nuôi dưỡng, chuồng trại Theo Nguyễn Đức Lượng và ctv (2003), các loại phân trâu bò thường chứa nhiều vi khuẩn có khả năng phân giải cellulose hơn các loại phân heo, phân gà - vịt Do đó dùng vậy liệu này để ủ phân có nhiều thuận lợi hơn

Bảng 2.1 Thành phần trong phân gia súc (Nguyễn Chí Minh, 2002)

Thành phần trong phân Loại gia súc

H 2 O (%) Nitơ (%) P 2 O 5 (%) K 2 O(%)

Ngựa 74 0,5 0,4 0,3

Bò 84 0,3 0,2 0,2 Heo 82 0,6 0,6 0,2

Xác súc vật chết do bệnh luôn là nguồn gây ô nhiễm chính cần phải được xử lý triệt để nhằm tránh lây lan cho con người và vật nuôi Những loại chất thải rắn khác có thành phần đa dạng gồm: cám, bột ngũ cốc, bột tôm, bột cá, bột thịt, các khoáng chất

bổ sung, các loại kháng sinh, rau xanh, rơm rạ, bao bố, vải vụn, gỗ, v.v

2.2.2 Chất thải lỏng

Trong các loại chất thải của chăn nuôi, chất thải lỏng là loại chất thải có khối lượng lớn nhất Đặc biệt khi lượng nước thải rửa chuồng được hòa chung với nước tiểu

và nước tắm gia súc

Bảng 2.2 Các loại vi sinh vật có trong phân (Lê Trình, 1997)

Điều kiện bị tiêu diệt Tên ký sinh vật Lượng ký

sinh trùng

Khả năng gây bệnh Nhiệt độ

( o C)

Thời gian (phút)

Escherichia coli 105/100ml Viêm dạ dày ruột 55 60

Nước tiểu là chất thải ra qua quá trình trao đổi chất bằng việc hấp thu các dinh dưỡng trong thức ăn gia súc đã tiêu hóa hòa tan vào máu, sau quá trình trao đổi chất được bài tiết ra ngoài dưới dạng nước Thành phần nước tiểu tương đối đơn giản, tất cả đều tan trong nước, chủ yếu là urê, acid uric, acid hippuric và các muối vô cơ như muối của kali, natri, canxi, magie

2.2.3 Chất thải khí (khí độc và mùi hôi)

Mùi hôi chuồng nuôi là hỗn hợp khí tạo ra bởi quá trình phân hủy kị khí và hiếu khí của các chất thải chăn nuôi, quá trình thối rữa các chất hữu cơ trong phân, nước

tiểu gia súc hay thức ăn thừa sẽ sinh ra các khí độc hại có mùi hôi thối khó chịu

Theo Phạm Thị Thu Lan (2000), trong 3 – 5 ngày đầu, mùi hôi sinh ra rất ít, do

vi sinh vật chưa kịp phân hủy NH3 được tạo ra nhiều nhất vào ngày thứ 3 và 21

Thành phần các khí trong chuồng nuôi biến đổi tùy theo giai đoạn phân hủy chất hủy chất hữu cơ, tùy theo thành phần của thức ăn, hệ thống vi sinh vật và tình trạng sức khỏe của vật nuôi Các khí thường được quan tâm là NH3, H2S, CH4

Quá trình khử amin:

Nhóm –NH2 của amin được tách ra để hình thành NH3

Alanin acid lactic + NH3

Serine acid pyruvic + NH3

NH3

Protein H2S

Indole Scatole phenol Acid hữu cơ mạch ngắn

2.2.4 Đặc điểm phân bò tươi

Trâu bò là động vật nhai lại, thức ăn được nhai lại nên nhỏ và mịn, trâu bò uống nhiều nước lượng phân nhiều nên lượng nước trong phân cao làm hàm lượng vật chất khô thấp Thành phần phân bò chủ yếu là chất xơ khó phân huỷ nên thời gian phân giải

chậm, lâu hoai, nhiệt độ khi ủ thấp, sau khi ủ cho hiệu quả bón phân cao

Phân bò là một loại phân tốt, không chỉ làm tăng năng suất cây trồng mà còn làm tăng hiệu lực của phân hoá học Phân bò chứa hầu hết các chất dinh dưỡng cho cây như đạm, lân, kali và các yếu tố vi lượng như Bo, Mo, Cu, Mn, Zn, các chất kích thích tố cho cây như auxin, heteroauxin và nhiều vitamin khác Tỷ lệ C/N trong phân

bò từ 17-19 Ngoài ra phân bò thường chứa nhiều vi khuẩn có khả năng phân huỷ cellulose hơn các loại phân heo, phân gà, phân vịt Giá trị dinh dưỡng của phân bò tuỳ thuộc vào thành phần thức ăn mà bò sử dụng cũng như khả năng hấp thu các chất dinh dưỡng Một số chỉ tiêu cơ bản về thành phần dinh dưỡng của phân bò tươi: protein = 2,69%, năng lượng thô = 23,86 kcal, béo thô = 0,3%, xơ thô = 19,88, Ca = 0,58%, P = 0,16%

2.2.5 Đặc điểm phân heo

Phân heo được xếp vào loại phân lỏng hoặc hơi lỏng Phân heo chứa 56 - 83% nước, phần còn lại là chất khô gồm các chất hữu cơ, hợp chất N-P-K dưới dạng các hợp chất vô cơ

Hai thành phần chính tạo mùi hôi trong phân heo là phospho (P) và nitơ (N), đặc biệt là N vì nó có mặt trong thành phần amoniac Theo Reese và Koelsch (2000), lượng N và P thải ra dưới dạng chất thải bị ảnh hưởng bởi 3 yếu tố: Lượng N và P tiêu thụ; Tỉ lệ N và P được tiêu thụ và được dùng cho phát triển và sinh sản; Lượng N và P hiện diện từ chất tiết, tế bào chết và vi khuẩn trong đường ruột Khả năng gây mùi hôi của phân heo thay đổi tuỳ theo khẩu phần thức ăn, vì N là thành phần chính của amoniac và nhiều hợp chất mùi hôi khác nên lượng N trong phân heo càng cao thì mùi hôi càng nhiều Một số chỉ tiêu về thành phần dinh dưỡng phân heo: P2O5 = 1,76%,

K2O = 1,37%, Mùn = 62,26%, Tỉ lệ C/N = 15,57, v.v

Ngoài ra phân heo còn chứa mầm bệnh, trứng kí sinh trùng, kháng sinh, v.v Lượng muối trong phân heo cũng khá cao vì hầu như tất cả muối mà heo ăn vào đều được thải ra dưới dạng này hay khác, trong đó 75% muối được thải qua nước tiểu và 25% qua phân Tuy nhiên, phân heo vẫn được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tận dụng do hàm lượng các chất dinh dưỡng trong phân khá cao, đặc biệt là nitơ

Rõ ràng nếu không được quản lý và sử dụng đúng đắn, chất thải chăn nuôi sẽ là nguồn gây tiêu tốn cho các cơ sở chăn nuôi, ngược lại, nếu được tận dụng đúng cách,

nó lại trở thành một nguồn tài nguyên

2.3 Ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi

2.3.1 Ô nhiễm không khí

Theo kết quả phân tích chất lượng môi trường không khí ở một số xí nghiệp chăn nuôi quốc doanh của Viện Khoa Học Nông Nghiệp Miền Nam năm 1999 cho thấy môi trường không khí trong khu vực chăn nuôi và văn phòng bị ô nhiễm nặng (Trần Thị Ngọc Diệu, 2001)

NH3 là khí độc có khả năng kích thích mạnh lên đường hô hấp và niêm mạc, gây bỏng do phản ứng kiềm hóa kèm theo tỏa nhiệt Trường hợp NH3 trong không khí cao kéo dài có thể gây hôn mê

Bảng 2.3 Chất lượng không khí trong chuồng nuôi của các xí nghiệp quốc doanh

Xí nghiệp chăn nuôi heo Phước Long

Khu vực văn phòng 0,42 0,3 0,076 Khu vực chăn nuôi 0,3 3,42 3,47

Xí nghiệp chăn nuôi heo 3/2

Khu vực văn phòng 0,32 0,04 0,072 Khu vực chăn nuôi 0,35 1,36 1,45

- Hydro sulfua (H 2 S)

H2S là loại khí độc được sinh ra do sự phân hủy phân gia súc, là sản phẩm hợp chất chứa lưu huỳnh, nặng hơn không khí (d = 1,19), dễ hòa tan trong nước, chỉ một lượng nhỏ cũng có thể gây tử vong Cơ chế gây độc chủ yếu của H2S là gây kích ứng màng nhầy, phù đường hô hấp, tích lũy K2S, Na2S, ức chế cytochrom oxidase, làm suy thoái chuyển hóa tế bào và tác động lên thần kinh trung ương Ngoài việc tích lũy hai chất trên, không khí chuồng nuôi cũng tích lũy một số khí như CO2 và các khí có mùi hôi thối khác

Tổ chức nông lương thế giới (FAO) vừa thừa nhận, chăn nuôi đang được coi là một ngành gây ô nhiễm lớn, thậm chí lớn hơn mức gây ô nhiễm của ngành vận tải Chất thải của gia súc toàn cầu tạo ra tới 65% lượng N2O trong khí quyển Động vật nuôi còn thải ra 9% lượng khí CO2 toàn cầu, 37% lượng khí CH4 - khí có khả năng hấp thụ nhiệt cao gấp 23 lần khí CO2 Điều này có nghĩa là chăn nuôi gia súc đã được

khẳng định là một tác nhân chính làm tăng hiệu ứng nhà kính Chăn nuôi gia súc còn đóng góp tới 64% khí amoniac (NH3) - thủ phạm của những trận mưa acid

2.3.2 Ô nhiễm nguồn nước

Khi lượng chất thải chăn nuôi không được xử lý đúng cách thải vào môi trường quá lớn làm gia tăng hàm lượng chất hữu cơ, vô cơ trong nước, làm giảm quá mức lượng oxi hòa tan, làm giảm chất lượng nước mặt, ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật nước,

là nguyên nhân tạo ra dòng nước chết Nitơ và phospho trong nước thải gây nên vấn đề phù dưỡng nguồn nước

So với nước bề mặt, nước ngầm ít bị ô nhiễm hơn Tuy nhiên với quy mô chăn nuôi tập trung, lượng chất thải ngày càng nhiều, phạm vi bảo vệ không đảm bảo thì lượng chất thải chăn nuôi thâm nhập qua đất đi vào nước ngầm làm giảm chất lượng nước

Ngoài ra nhu cầu thức ăn, nước uống, tập tính bầy đàn, nhu cầu bãi chăn thả, v.v của gia súc cũng đang được coi là một trong những tác nhân chính gây thoái hoá đất nông nghiệp, ô nhiễm nguồn nước và mất cân bằng hệ sinh thái (Dương Nguyên Khang, 2004)

2.4 Các phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi

Phân chuồng là nguy cơ chính gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm Nếu quản lý và sử dụng đúng đắn, phân chuồng có thể đem lại nhiều giá trị, ngược lại, chúng có thể là mối nguy cơ lớn đối với môi trường Bón phân cho đất giúp tuần hoàn dưỡng chất và có thể thay thế phân vô cơ Phân chuồng có tác dụng làm tăng sự màu

mỡ, tăng khả năng giữ nước của đất và giúp hoàn thiện lớp đất trồng trọt

Phân gồm 3 thành phần: rắn (bán rắn), sền sệt và lỏng, sự thất thoát dưỡng chất trong phân tuỳ theo phương pháp thu thập, tồn trữ và vận chuyển, đồng thời sự thay đồi tuỳ thuộc vào các nhân tố như thời gian tồn trữ, phương pháp xử lý, v.v

Do đặc điểm khác biệt về thành phần mà chất thải chăn nuôi có phương pháp

xử lý sẽ hoàn toàn khác so với chất thải công nghiệp Mục đích chung của xử lý chất thải chăn nuôi gồm:Giảm lượng chất hữu cơ, tiêu diệt các vi sinh vật và trứng ký sinh trùng, hạn chế sự thất thoát của N, P, K để tăng giá trị sinh học của phân sau xử lý, thúc đẩy chu trình tuần hoàn các chất trong tự nhiên

Bảng 2.4 Thành phần dưỡng chất trong phân còn lại qua các hệ thống quản lý khác

nhau (Agricultural Waste Management Field Handbook, 2006)

Phân trữ trên khu đất mở, nơi mát và ẩm 55 – 70 65 – 80 55 – 70 Phân trữ ở nơi được xây trát, che đậy kín 75 – 85 85 – 95 85 – 95 Phân trữ ở nơi được xây trát, không che nhưng kín nước 70 - 75 80 – 90 80 – 90 Phân trữ trong hố phía trên là nền được dầm nén 70 – 85 90 – 95 90 – 95 Phân được xử lý trong bể phân huỷ sinh học

hoặc được trữ trong bể sau khi được pha loãng hơn 50 % 25 – 30 35 – 50 50 - 60

Phương pháp xử lý chất thải chủ yếu được sử dụng rộng rãi là phương pháp xử

lý sinh học vì không ảnh hưởng đến môi trường Xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học là phương thức biến đổi dần các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản nhờ hoạt động lên men của hệ vi sinh vật Phương pháp này dễ thực hiện và hiệu quả cao

Theo Nguyễn Thị Hoa Lý (1994), có 3 phương pháp xử lý sinh học: phương pháp hiếu khí: sử dụng các vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ triệt để Phương pháp thường dùng theo kiểu hiếu khí là ủ phân (composting); Phương pháp kỵ khí: các vi sinh vật kỵ khí lên men nhanh các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản hơn, chủ yếu là các khí hữu cơ Hiện nay phương pháp này được sử dụng trong hầm xử lý biogas, ngoài ra trong chăn nuôi người ta còn phối hợp hai phương pháp trên để xử lý triệt để hơn, phương pháp hồ sinh học: sử dụng các loại thực vật, thủy sinh và tảo để xử lý chất thải Thế nhưng các hồ sinh học yếm khí này làm bay hơi 70 – 90 % lượng nitơ trong phân do nitơ bị chuyển thành amoniac

2.5 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp hiếu khí (composting)

2.5.1 Khái niệm về composting

Composting là quá trình phân hủy sinh học các chất rắn trong điều kiện hiếu khí Hợp chất hữu cơ sau xử lý có thể dùng làm phân bón một cách an toàn, không có mùi hôi Cả phân rắn và chất thải rắn sau khi tách khỏi chất thải lỏng đều có thể ủ compost (Bùi Xuân An, 2004)

Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997), ở điều kiện hiếu khí, chất hữu cơ được vi sinh vật phân hủy theo phương trình sau:

Composting có thể được thực hiện ở quy mô công nghiệp ở các trại chăn nuôi lớn, phân sau khi ủ có thể được đóng gói bán ra thị trường Ở quy mô gia đình phương pháp composting được sử dụng rộng rãi nhằm tận thu nguồn phân và rác hữu cơ sẵn có

để làm phân bón trong vườn

2.5.2 Diễn biến của quá trình ủ phân

Phân ủ compost cũng như quá trình trong đất nhưng xảy ra nhanh hơn do các điều kiện của đống ủ

Theo W S Galler và ctv (1978) quá trình ủ gồm hai giai đoạn, giai đoạn đầu tiên diễn ra trong điều kiện hiếu khí và phải đảo lộn cơ học Sự lên men của vi khuẩn làm nhiệt độ tăng lên rất cao Ở điều kiện này các vi sinh vật gây bệnh hầu hết là kém chịu nhiệt dễ dàng bị tiêu diệt, các trứng ký sinh trùng, hạt cỏ dại cũng bị phá hủy, ngoài ra giúp ổn định những thành phần trong hỗn hợp Giai đoạn thứ hai xảy ra khi có

sự hiện diện của Actinomycetes và các loài nấm chịu nhiệt giúp phân hủy cellulose,

lignin và các chất bền vững khác Sản phẩm cuối cùng có đặc điểm C/N giảm, không còn mùi khó chịu và hàm lượng dinh dưỡng cân bằng

Theo Nguyễn Tấn Phong (2002), những dấu hiệu nhận biết sự kết thúc hay hoàn tất quá trình composting: nhiệt độ đống phân giảm khi quá trình ủ kết thúc, hàm lượng chất hữu cơ trong đống phân ủ giảm được xác định bằng các thông số như chất

rắn bay hơi, COD, hàm lượng tro và tỉ số C/N, sự hiện diện của các thành phần như nitrate, và sự vắng mặt của các phần tử khác như amoniac, thiếu sự hấp dẫn các loài côn trùng hoặc sự phát triển của nhộng trong sản phẩm cuối cùng, sự vắng mặt của các loại khí độc, xuất hiện của các đống phân ủ thông thường là màu trắng hoặc màu nâu

cùng với sự phát triển của nấm Actinomycetes

2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân

Trong khi thực hiện quá trình ủ phân cần lưu ý đến một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình compost như tỉ lệ C/N, độ ẩm, độ thông thoáng, chất mồi, kích thước hạt của chất độn, nhiệt độ, nhu cầu về oxi, v.v

Tỉ lệ C/N cần phải đạt khoảng 25 – 30/1 để thúc đẩy quá trình ủ Theo Day, Biddlestone và ctv (1978), nếu tỉ lệ C/N dưới 25/1 thì lượng nitơ sẽ bị thất thoát dưới dạng amoniac Nếu tỉ lệ này cao hơn thì đòi hỏi phải có quá trình oxi hóa carbon dư thừa và phải trải qua nhiều biến đổi để đạt được tỉ lệ C/N sau cùng là 10/1

Độ ẩm và độ thông thoáng với độ ẩm tối ưu đạt 50 – 60% Quá trình phân hủy

sẽ ngưng khi độ ẩm xuống đến 15% Tuy nhiên khi độ ẩm quá cao sẽ giới hạn sự thông thoáng, tạo điều kiện kỵ khí ức chế các vi sinh vật hiếu khí (Bùi Xuân An, 2004)

Chất mồi thường có thể bổ sung chất mồi dạng chế phẩm hỗn hợp vi sinh vật, chất trích từ thảo mộc để thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy (Biddlestone và ctv, 1978)

Kích thước hạt của chất độn: kích thước nhỏ sẽ làm tăng độ bám của vi sinh vật

và diện tích tiếp xúc, nhưng phải lưu ý đến độ xốp của đống ủ (Bùi Xuân An, 2004)

Nhiệt độ đống phân ủ cao chứng tỏ quá trình diện ra tốt, có thể diệt được các mầm bệnh trong phân Thường nhiệt độ tăng 45- 60oC trong 4 – 6 ngày Nếu nhiệt độ trên 70oC sẽ ức chế thậm chí tiêu diệt vi sinh vật có lợi Nhiệt độ đống phân ủ thấp có thể do các nguyên nhân sau: đống ủ quá nhiều nước, thiếu nitơ, kích thước đống ủ quá nhỏ, không đủ oxi hoặc không thoáng (Bùi Xuân An, 2004)

Nhu cầu về oxi trong quá trình ủ phân hiếu khí cần một lượng oxi cần thiết để các vi sinh vật làm ổn định và phân hủy chất thải Việc cung cấp oxi có thể thực hiện bằng các biện pháp thủ công như đảo đống theo chu kỳ thời gian, đặt các ống thông lỗ bằng tre vào đống phân hoặc đặt các ống theo tầng Để việc thông khí có hiệu quả hơn thì có thể dùng các máy nén thổi khí, không khí sẽ theo hệ thống lỗ để đi vào trong đống ủ Khi thực hiện việc cung cấp oxi bằng máy nén khí thì tỉ lệ không khí cũng cần

phải kiểm soát chặt chẽ Quá nhiều oxi thì tiêu tốn nhiều nhiên liệu và làm giảm sức nóng hay nhiệt độ đống phân ủ, còn thiếu oxi thì điều kiện ủ hiếu khí chuyển sang yếm khí xảy ra bên trong đống phân ủ (Nguyễn Tấn Phong, 2002)

2.6 Cấu tạo của phân tử cellulose, cơ chế phân hủy cellulose bởi vi sinh vật

2.6.1 Cấu tạo của phân tử cellulose

Cellulose là hợp chất cao phân tử, mỗi phân tử cellulose là một polymer mạch thẳng có từ 100 đến 1 triệu phân tử glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glucosidic Cellulose có công thức cấu tạo (C6H10O5)n, trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000, là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật Trong gỗ

lá kim, cellulose chiếm khoảng 41- 49%, trong gỗ lá rộng nó chiếm 43-52% thể tích

Cellulose là sản phẩm được tạo ra trong vòng tuần hoàn carbon, là một chất hữu

cơ khó phân hủy Cellulose từ những nguồn khác nhau chỉ giống nhau ở mức độ phân

tử, khác nhau về cấu trúc và những liên kết hydro trong tinh thể Sự khác nhau này tạo nên sự bền vững cho cellulose Có hai kiểu liên kết trong phân tử cellulose là liên kết giữa nhóm C3-OH và oxi trong vòng pyranose bên trong phân tử, và liên kết giữa nhóm C6-OH và oxi với glucosidic của phân tử

Nhờ những liên kết này mà cellulose tạo thành những tinh thể bền chặt Những tinh thể này đôi khi nước hay enzyme không thể xâm nhập vào chúng Duy chỉ có exogluconase, một nhóm nhỏ của men cellulase, là có thể phân hủy glucosidic Tính không thấm nước này cũng giải thích cho hiện tượng cellulose không tan trong nước Mặt khác endogluconase, nhóm nhỏ khác của men cellulose có thể thủy phân cellulose

vô định hình

Hệ quả tự nhiên của sự khác nhau trong cấu trúc tinh thể là tốc độ phân hủy nhanh hay chậm của cellulose Quá trình bẽ gãy những liên kết của glucosidic trong phân tử cellulose gọi là quá trình thủy phân Bởi vì một phân tử nước phải được cung cấp để hoàn lại mối liên kết bị bẻ gãy

Ngoài dạng liên kết phân tử, những hợp chất hữu cơ bao quanh cellulose như lignin, v.v cũng giới hạn sự khuếch tán của enzyme vào trong những vị trí phản ứng, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ thủy phân

2.6.2 Cơ chế phân hủy cellulose bởi vi sinh vật

Nhìn chung, việc sử dụng cellulose có liên quan đến các vi sinh vật có hệ men cellulase Việc chuyển đổi trong chu trình carbon từ dạng cellulose sang dạng khác chủ

yếu nhờ vi sinh vật dị dưỡng có khả năng tiết enzyme cellulase Vi sinh vật này thuộc nhiều nhóm: vi khuẩn, nấm Sự phân giải cellulose có thể thự hiện trong môi trường hiếu khí hay kị khí, môi trường acid hoặc bazơ

Hệ enzyme cellulase gồm 3 loại chính (Nguyễn Ngọc Như và ctv, 2004):

Endo- -glucanase phân cắt chuỗi cellulose thành glucose và celloogino saccharide; Exo-  glucanase xâm nhập vào đầu cuối không phân hủy của cellulose với màng sinh học

-cellulose như cấu trúc ban đầu;  - glucosidase thủy phân màng cellulose thành

glucose Nhìn chung, quá trình này nhằm biến cellulose dạng tự nhiên thành glucose là nguồn carbon và năng lượng cho vi sinh vật

2.7 Trichoderma

2.7.1 Đặc điểm sinh học của Trichoderma

Trichoderma là một trong những nhóm vi nấm gây nhiều khó khăn cho công tác

phân loại do còn nhiều đặc điểm cần thiết cho việc phân loại còn chưa được biết đầy

đủ Trichoderma là một loại nấm đất, phát triển tốt trên các loại đất giàu dinh dưỡng

hoặc trên tàn dư thực vật (Kredics và ctv, 2003)

Trichoderma thuộc nấm bất toàn, sinh sản vô tính bằng bào tử từ khuẩn ty

Khuẩn ty của vi nấm không màu, cuống bào tử phân nhánh nhiều, ở cuống nhánh phát triển thành một khối tròn mang các bào tử trần không vách ngăn, không màu, liên kết nhau thành chùm nhỏ ở đầu cành nhờ chất nhầy Bào tử thường có màu xanh, đơn bào hình trứng, hình tròn, oval hoặc elip thùy theo từng loài Khuẩn lạc nấm có màu trắng

hoặc từ lục trắng đến lục, vàng xanh, lục xỉn đến lục đậm Các chủng Trichoderma có

tốc độ phát triển nhanh, có thể đạt đường kính khuẩn lạc từ 2 - 9 cm sau 4 ngày nuôi cấy ở 20oC (Papavizas, 1985)

Trichoderma phần lớn là loại nấm hoại sinh trong đất, nhưng chúng cũng có

khả năng tấn công các loại nấm khác (Klein and Eveleigh, 1998) Trichoderma rất ít

tìm thấy trên thực vật sống và không sống nội kí sinh với thực vật Chúng có thể tồn tại trong tất cả các vùng khí hậu từ miền cực Bắc đến vùng núi cao cũng như miền nhiệt đới Tuy nhiên, có một sự tương quan giữa phân bố các loài và các điều kiện môi trường

Trichoderma polysporum và Trichoderma viride có mặt ở vùng khí hậu lạnh,

trong khi Trichoderma harzianum có ở các vùng khí hậu nóng Điều này tương quan

với nhu cầu nhiệt độ tối đa cho từng loài (Nguyễn Thị Uyên Thảo và ctv, 2004)

Nồng độ CO2 trong môi trường nuôi trồng cũng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của nấm đối kháng trong đất Tuy nhiên ảnh hưởng của CO2 đến tố độ sinh trưởng và

sản sinh của Trichoderma phụ thuộc vào nồng độ pH của môi trường đất CO2 nồng độ

10% không ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng của Trichoderma Thông thường

Trichoderma xuất hiện ở đất acid, nó có khả năng phát triển tốt ở bất cứ pH nào nhỏ

hơn 7 và có thể phát triển tốt ở đất kiềm nếu ở đó tập trung một lượng lớn CO2 và bicarbonat (Nguyễn Ngọc Phúc, 2005)

Trichoderma có khả năng sử dụng nguồn hỗn hợp carbon và nitơ Nguồn

carbon và năng lượng Trichoderma sử dụng được là đường đơn và đường đa, cùng với

hỗn hợp purines, pyrimidines, acid amin, tanmins và caechins cô đọng; aldehydes và acid hữu cơ Đặc biệt acid béo, methanol methylamine, formate và NH3 là nguồn đạm

bắt buộc phải có trong môi trường nuôi cấy Trichoderma Môi trường có nhiều dinh

dưỡng, muối, các nguồn sulfua và các hỗn hợp như vitamin cũng có ảnh hưởng đến

khả năng sinh trưởng của Trichoderma Nhưng muối sodium chloride sẽ làm giảm sự sinh trưởng và phát triển của một số loại Trichoderma, do đó trong môi trường nuôi

cấy không được có mặt muối này (Nguyễn Thị Hồng Thương và ctv, 2003)

Trichoderma là vi nấm ưa độ ẩm, thông thường không chịu được độ ẩm thấp,

chúng đặc biệt chiếm ưu thế ở những vùng ẩm ướt, những khu rừng khác nhau

Trichoderma hamatum và Trichoderma pseudokoningii có thể chịu điều kiện có độ ẩm

cao hơn so với những loài khác Các loài Trichoderma khác nhau thì yêu cầu về nhiệt

độ và độ ẩm cũng khác nhau

Trichoerma sp có thể được phát hiện trong đất nhờ mùi hương của chúng

Hương dừa (6-pentyl-α-pyrone dễ bay hơi) thường được tạo ra trong quá trình sinh

trưởng của Trichoderma (Nguyễn Ngọc Phúc, 2005)

2.7.2 Khả năng kiểm soát sinh học của Trichoderma

2.7.2.1 Trong lĩnh vực phân hủy chất hữu cơ, xử lý môi trường

Trichoderma harzianum có khả năng phân hủy các chất gây ô nhiễm đất rừng,

làm giảm sự tập trung của các hợp chất tự do 2,4,6-trichlorophenol; dichloroguaiacol và cả AOX (các hợp chất halogen thấm nước) trong môi trường có chứa muối khoáng, đặc biệt chúng còn dehalogen hóa tetrachlorouaiacol tự do trong môi trường khoáng mặn