Có một số biện pháp sinh học thƣờng đƣợc áp dụng nhƣ [27, 34, 57, 61, 71]: - Sử dụng giun (Phƣơng pháp này còn gọi là Vermicomposting): Đƣợc sử dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Cu Ba, Philippin, Ấn Độ, một số nƣớc châu Phi, ngƣời ta dùng một số loại giun trong đó có giun quế (Lumbricus rubellus) nhƣ là tác nhân chính để phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong phân gia súc. Giun sử dụng phân gia súc làm thức ăn, sản phẩm thải ra là dạng đất có giá trị dinh dƣỡng cho cây trồng. - Sử dụng thảm thực vật: Thảm này đƣợc xem là một hệ thống phối hợp các biện pháp sinh hóa và cơ học, bao gồm hệ thống cây cỏ bản địa trồng xung quanh hồ chứa phân, có vai trò xử lý nƣớc thải chảy tràn từ hồ chứa, giữ lại khoảng 70-90% các chất dinh dƣỡng không hoà tan và 50% chất dinh dƣỡng hoà tan. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào từng loại thực vật, độ dốc, loại đất và độ rộng của thảm. Phƣơng pháp này có chi phí đầu tƣ thấp nhƣng đòi hỏi diện tích rộng, đƣợc áp dụng ở Mỹ, Canada...
- Sử dụng vi sinh vật (VSV): Sử dụng vi sinh vật là biện pháp chính trong phƣơng pháp sinh học. Dựa trên cơ sở tối ƣu hoá các điều kiện môi trƣờng cho hệ VSV tự nhiên hoặc VSV khởi động phát triển để phân giải các hợp chất hữu cơ của phân trong điều kiện hiếu khí hay kỵ khí để tạo sản phẩm cuối cùng ổn định, có giá trị kinh tế, giảm hàm lƣợng chất rắn tổng số, giảm mùi, tiêu diệt VSV gây bệnh.
+ Sử dụng vi sinh vật kỵ khí: Thƣờng đƣợc dùng để xử lý chất thải dạng lỏng và bán lỏng. Phân huỷ kỵ khí là quá trình phân huỷ diễn ra bởi vi sinh vật trong điều kiện không có oxy để tạo khí CO2, CH4 nhƣng hàm lƣợng chất dinh dƣỡng N, P hầu nhƣ không thay đổi, phốt pho có thể lắng đọng ở lớp bùn trong khối kín không có
29
hệ thống hút, nitơ có thể chuyển hoá thành NH4 nhƣng không bay hơi do hệ thống bị bịt kín. Ƣu điểm là tạo ra khí sinh học (biogas) cung cấp năng lƣợng cho các trang trại. Lợi ích của quá trình phân huỷ tạo biogas là giảm đƣợc phần lớn nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ, giảm BOD xuống 4-5 lần, giảm trên 90% số lƣợng ký sinh trùng, vi sinh vật gây hại, tuy nhiên hàm lƣợng các chất hữu cơ cũng nhƣ các chất gây hại trong nƣớc thải sau biogas vẫn cao hơn qui định, vì vậy cần tiếp tục xử lý trƣớc khi sử dụng cho cây trồng hoặc xả xuống ao cá và hệ thống thải công cộng. Ngoài ra hệ thống biogas sau một thời gian sử dụng phải đƣợc xử lý các sự cố nhƣ tắc, đóng váng và rạn nứt bể.
+ Sử dụng vi sinh vật hiếu khí: Đó là các hồ có lắp đặt hệ thống thông khí cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí phân huỷ chất hữu cơ trong chất thải. Hệ thống thông khí có thể hoạt động liên tục hoặc gián đoạn trong quá trình phân huỷ, vì vậy cần chi phí đầu tƣ và vận hành cao.
+ Xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn bằng chế phẩm vi sinh vật khởi động
Đây là quá trình xử lý chất thải bằng biện pháp ủ (composting) có sử dụng VSV khởi động. Để rút ngắn thời gian ủ cũng nhƣ hạn chế tối đa các ảnh hƣởng không có lợi của quá trình chế biến phân ủ đến môi trƣờng, kỹ thuật ủ nhanh (Rapid Composting) đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại Ấn Độ, Philippin, Mỹ, Canada…Ngoài các yếu tố cân bằng tỷ lệ C/N, điều khiển nhiệt độ, độ thông khí của khối ủ, các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến vai trò của VSV khởi động (microbial activator) và VSV làm giàu dinh dƣỡng phân ủ [34, 47, 57, 61, 77, 93].
Các kết quả nghiên cứu [34, 47, 57, 61] cho thấy: Bổ sung VSV có khả năng phân giải xenlulo, protein, tinh bột, phốt phát hữu cơ…cùng các nguyên tố dinh dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho dạng quặng photphorit và một số điều kiện môi trƣờng khác đã giúp rút ngắn thời gian ủ phân chuồng từ 4- 6 tháng xuống còn 2- 4 tuần, giảm lƣợng H2S, NH3 bay hơi. Quá trình ủ sẽ cho ra phân bón có giá trị hơn, giảm thiểu mùi phát tán trong không khí và giảm chi phí cho vận chuyển phân vì phân ủ nhẹ hơn phân tƣơi. Thời gian ủ không những phụ thuộc vào chu trình sống của VSV trong đống ủ, mà còn phụ thuộc vào các yếu tố môi trƣờng và tính di truyền của
30
VSV. Trong quá trình ủ phân, VSV phân huỷ chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các khí CO2, H2O và NH3...Đặc biệt trong quá trình ủ, nhiệt độ tăng tới 50-600C trong nhiều ngày nên có thể tiêu diệt VSV gây hại và làm ung trứng giun [10, 27].
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình ủ gồm :
* Độ ẩm: Nếu độ ẩm của nguyên liệu quá khô, quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ sẽ diễn ra chậm; nếu độ ẩm quá cao, trong đống ủ sẽ xảy ra quá trình phân giải yếm khí. Nên điều chỉnh độ ẩm ban đầu của đống ủ ở 45- 60%, sản phẩm sau quá trình ủ đạt khoảng 20- 25% [57, 77, 109, 116].
* Nhiệt độ: Quá trình ủ luôn gắn liền với việc giải phóng năng lƣợng. Nhiệt độ đống ủ tăng nhanh hay chậm phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và sự hoạt động của VSV. Nhiệt độ phù hợp nhất cho quá trình ủ đƣợc xác định khoảng 55- 600C. Nếu nhiệt độ tăng lên quá 600C thì quần thể VSV trong đống ủ sẽ giảm mạnh. Với nhiệt độ trên 700C độ hoạt động của VSV sẽ giảm 10-15% so với nhiệt độ 600C [77, 109].
* pH: Khoảng pH thích hợp cho quá trình ủ là rất rộng, tuy nhiên đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu [10, 47, 57, 77, 109, 116] cho thấy giá trị pH trong quá trình ủ compost không nên cao hơn 8, pH cao là nguyên nhân làm bay hơi khí NH3 dẫn đến tình trạng thất thoát nitơ ra không khí.
* Kích cỡ nguyên liệu, nồng độ oxy và quá trình sục khí: Để đảm bảo cung cấp oxy cho vi sinh vật, thể tích khí trong đống ủ phải đạt khoảng 20- 30%. Điều này phụ thuộc vào tính chất vật lý của nguồn nguyên liệu, khoảng cách giữa các đơn vị nguyên liệu với nhau và áp suất khí trao đổi. Kích cỡ nguyên liệu nhỏ có tác dụng làm tăng khả năng phân giải của vi sinh vật song lại hạn chế lƣu lƣợng khí trao đổi, vì vậy phải cân đối hài hoà sao cho hai yếu tố này không mâu thuẫn nhau. Cung cấp khí trong quá trình ủ có tác dụng ổn định nhiệt độ khối ủ và làm khô nguyên liệu, đồng thời tăng cƣờng oxy cho vi sinh vật hoạt động. Lƣợng khí cần thiết đƣợc xác định khoảng 2,5 L/kg nguyên liệu khô trong một phút [47, 57, 77, 109, 116]
* Thành phần dinh dưỡng: Vi sinh vật có nhu cầu sử dụng C, N, P, K nhƣ những nguồn dinh dƣỡng cơ bản. Tỷ lệ C/N thích hợp là từ 25:1 đến 30:1. Nếu tỷ lệ này cao hơn 40:1 sẽ hạn chế sự sinh trƣởng của vi sinh vật, làm cho quá trình ủ bị kéo
31
dài. Nếu tỷ lệ C/N thấp hơn 20:1 sẽ dẫn đến sự thất thoát nitơ trong quá trình ủ. Tỷ lệ tốt nhất khi kết thúc quá trình ủ là 10:1 đến 15:1. Tỷ lệ C/P phù hợp trong quá trình phân giải đƣợc xác định là 75:1 đến 150:1. Để tạo thuận lợi cho VSV sinh trƣởng, thông thƣờng ngƣời ta bổ sung thêm rỉ mật vào đống ủ nhằm cung cấp nguồn đƣờng và axit amin cần thiết cho các chủng vi sinh vật [47, 57, 77, 109, 116].
* Đảo trộn: Khi quá trình phân giải trong đống ủ bắt đầu thì sự đảo trộn đƣợc xem nhƣ một quá trình cung cấp không khí cho vi sinh vật sinh trƣởng. Sự đảo trộn không những cung cấp không khí cho quá trình ủ mà còn làm giảm nhiệt độ của đống ủ. Nhiệt độ quá cao sẽ hạn chế sự sinh trƣởng của vi sinh vật và làm gián đoạn quá trình chuyển hóa nguyên liệu.
* Vi sinh vật khởi động (Starter microorganisms) và làm giàu dinh dưỡng: Việc lựa chọn các chủng vi sinh vật khởi động cần dựa vào các nguyên tắc: Các chủng vi sinh vật phải có hoạt tính sinh học mạnh (khả năng sinh phức hệ enzym phân hủy các hợp chất hữu cơ cao và ổn định); sinh trƣởng tốt trong điều kiện của đống ủ, cạnh tranh đƣợc với vi sinh vật có sẵn trong đống ủ, có khả năng chịu nhiệt; không độc với ngƣời, động thực vật và vi sinh vật hữu ích; nuôi cấy dễ dàng, sinh trƣởng tốt trên môi trƣờng tự nhiên, thuận tiện cho quá trình nhân giống thu sinh khối [34].
Các chủng vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ đóng vai trò VSV khởi động nhƣ Aspergillus, Trichoderma, Penicillium...đƣợc bổ sung trong quá trình ủ để phân giải nhanh các loại chất thải giàu xenluloza tạo phân bón hữu cơ. Cũng từ các kết quả nghiên cứu và thực tiễn sản xuất, Gauze và cs [61] đã đề xuất kỹ thuật bổ sung thêm quặng phốt phát với liều lƣợng 5% và VSV phân giải lân (Aspergillus, Penicillium, Pseudomonas, Bacillus) với mật độ 106-108 CFU/g cùng với VSV cố định nitơ tự do Azotobacter nhằm nâng cao giá trị dinh dƣỡng của sản phẩm. Bình thƣờng trong đống ủ tự nhiên có cả VSV có lợi và hại. Khi tạo điều kiện thích hợp, các VSV có hại cũng sinh trƣởng mạnh, nhƣng khi đƣa VSV khởi động chúng sẽ sinh trƣởng vƣợt trội lấn át tối đa VSV có hại, do đó sản phẩm tạo ra là rất an toàn.
Ở Nam Phi đã sản xuất phân ủ (compost) từ nguồn nguyên liệu là phân chim và amoni cacbonat. Năm 1982, Công ty Dickerson Composting Plant ở Mỹ đã sản xuất
32
100.000 tấn compost trị giá 7.000.000 USD. Từ năm 1986 Đài Loan đã phát triển sản xuất compost, hàng chục loại compost đƣợc đƣa ra thị trƣờng phục vụ cho sản xuất thuốc lá, chè, ngô... Các nƣớc Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia, Philippin, Indonesia... đã sản xuất và sử dụng compost rộng rãi cho nhiều loại cây trồng: cọ dầu, cao su, mía, lúa... Tại Ấn Độ, sản lƣợng phân hữu cơ từ các nguồn chất thải khác nhau là 1.750 triệu tấn, đạt giá trị hàng hoá 536 triệu USD. Tại Thái Lan, số lƣợng phân bón hữu cơ do các cơ sở nhà nƣớc sản xuất là 24.000 tấn và khoảng 100.000 tấn do các công ty tƣ nhân sản xuất. Công ty Farmatic Biotech Energy của Đức đã xây dựng nhà máy phân huỷ kỵ khí, nhà máy khí sinh vật có công suất xử lý tới 146.000 tấn phân trâu bò, gia cầm và xử lý cả phế thải lƣơng thực hữu cơ [10, 27, 57, 61, 71, 109, 116].
Việt Nam thƣờng sử dụng phƣơng pháp ủ (composting) để xử lý phân dạng rắn, trong đó có phƣơng pháp ủ nóng, ủ nguội và phối hợp (ủ nóng trƣớc- ủ nguội sau). Nguyên lý của quá trình ủ phân chuồng là: dƣới tác động của các VSV hiếu khí và yếm khí ở điều kiện tối ƣu, các chất hữu cơ phân tử lớn sẽ chuyển thành chất hữu cơ phân tử nhỏ, các chất khó tiêu chuyển thành dễ tiêu, nhờ đó cây trồng tăng khả năng sử dụng nhanh các chất dinh dƣỡng cần thiết. Thông thƣờng để chất thải chăn nuôi hoai mục hoàn toàn đòi hỏi thời gian ủ từ 3 đến 6 tháng.
Trƣờng Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã nghiên cứu thử nghiệm và tiếp thu công nghệ VSV hữu hiệu (EM) ứng dụng trong nông nghiệp và vệ sinh môi trƣờng. Khi chăn nuôi quy mô lớn thì lƣợng phân thải tập trung nhiều, tạo ra mùi hôi đặc trƣng, là môi trƣờng thuận lợi hấp dẫn ruồi đến sinh sôi nảy nở. Sử dụng chế phẩm EM trong chăn nuôi có thể giảm tỷ lệ bệnh đƣờng ruột cho vật nuôi và giảm mùi hôi thối từ phân vật nuôi ở các trại chăn nuôi [18].
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giới thiệu phƣơng pháp ủ phân có sử dụng VSV để sản xuất phân ủ quy mô hộ gia đình. Qui trình này giúp tận dụng nguồn phân gia súc, phế phụ phẩm chăn nuôi tại địa phƣơng, sản xuất thành phân bón giúp tăng năng suất cây trồng, giảm chi phí sản xuất nông nghiệp, đồng thời góp phần cải tạo đất và bảo vệ môi trƣờng sinh thái. Năm 2001, Đặng Xuyến Nhƣ nghiên cứu thành công quy trình sử dụng chế phẩm
33
sinh học để xử lý phế thải chăn nuôi lợn ở trang trại quy mô hộ gia đình nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, sử dụng nguồn chất thải làm phân bón hữu cơ [17].
Chế phẩm Bio-F do tác giả Võ Thị Hạnh và cs nghiên cứu chứa các VSV nhƣ xạ khuẩn Streptomyces sp., nấm mốc Trichoderma sp. và vi khuẩn Bacillus sp. có tác dụng phân huỷ nhanh các hợp chất hữu cơ, làm mất mùi hôi trong phân lợn, gà và bò. Sau 3 ngày các VSV hữu ích phát triển mạnh phân giải chất hữu cơ và làm mất mùi hôi. Nhiệt độ trong khối ủ cũng tăng lên tới 60-700C, có tác dụng tiêu diệt các VSV gây bệnh và trứng giun trong phân. Sau 7-10 ngày, tiếp tục ủ chín và sản phẩm thu đƣợc là phân bón hữu cơ chất lƣợng cao, có tác dụng giảm tỉ lệ bệnh héo cây dƣa leo do nấm Fusarium sp. [9].
Năm 2005, dự án KC04-DA11của Bộ môn Vi sinh vật- Viện Thổ nhƣỡng Nông hóa đã sản xuất thử nghiệm thành công chế phẩm Compost Maker phục vụ cho sản xuất hàng nghìn tấn phân bón hữu cơ từ nguồn phế thải chăn nuôi. Từ năm 2008-2011, trong chƣơng trình CNSH Nông nghiệp và nguồn tài trợ ADB, Viện Thổ nhƣỡng Nông hóa, Viện Môi trƣờng Nông nghiệp đã sản xuất thử nghiệm thành công và chuyển giao công nghệ sản xuất chế phẩm vi sinh vật cho sản xuất phân hữu cơ từ phế thải chăn nuôi tại nhiều tỉnh thành trong cả nƣớc. Chế phẩm chứa Streptomyces, Bacillus, nấm men và vi khuẩn lactic có tác dụng phân huỷ nhanh các hợp chất hữu cơ trong chất thải, làm mất mùi hôi. Trong quá trình ủ, nhiệt độ khối ủ tăng lên tới 600C, các vi sinh vật gây bệnh và trứng giun bị tiêu diệt. Sau 21-30 ngày, giai đoạn kết thúc sản phẩm thu đƣợc là phân hữu cơ có chất lƣợng dinh dƣỡng cao, đáp ứng đƣợc yêu cầu phục vụ sản xuất nông nghiệp an toàn, bền vững [10, 25, 27].
Kết quả nghiên cứu lựa chọn giải pháp KHCN phù hợp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng của Viện Chăn nuôi năm 2008-2010 cho thấy, thử nghiệm xử lý phân lợn ở vùng chăn nuôi trang trại tập trung bằng các chế phẩm sinh học (EM thứ cấp, EM Bokaski và Compost Maker) đã làm giảm trung bình 1/3 thời gian ủ so với ủ phân bằng phƣơng pháp truyền thống, giảm sự phát thải khí NH3, H2S gây mùi hôi thối và giảm các mầm bệnh vi sinh vật, ký sinh trùng. Sử dụng chế phẩm đơn giản, dễ làm, phù hợp với các trang trại qui mô tập trung. Phân lợn sau khi xử lý đã đáp ứng đƣợc các yêu cầu của phân hữu cơ cho cây trồng [27].
34