Hiện tại, cả nước có khoảng trên 800 doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh phân NPK, các doanh nghiệp nhỏ lẻ chiếm hơn 30% thị phần, cịn lại là nhập khẩu. Có thể thấy phần lớn các doanh nghiệp nội địa sản xuất NPK với công nghệ thô sơ, lạc hậu, dẫn đến sản phẩm sản xuất trong nước kém chất lượng, khơng có thương hiệu, dễ bị làm giả. Nên khiến cho việc nhập khẩu phân NPK đang tăng dần sản lượng trong từng năm [9].
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ Hình 1.8: Biểu đồ sản lượng nhập khẩu phân NPK tại Việt Nam [9]
1.3.3. Nhu cầu sử dụng
Trên thế giới, lượng tiêu thụ phân bón trên một hecta đất canh tác của Việt Nam ở mức khá cao. Năm 2016, Việt Nam tiêu thụ 430 kg phân bón trên một hecta đất canh tác, chỉ sau một số quốc gia như New Zealand (1.717 kg/ha), Ai Cập (645,5 kg/ha), Trung Quốc (503 kg/ha). Mức tiêu thụ tại Việt Nam cao gấp 3,1 lần mức trung bình thế giới (138 kg/ha năm 2016) [9].
Theo số liệu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hàng năm, nước ta sử dụng trên 10 triệu tấn phân bón. Trong năm 2020, nền nông nghiệp tại Việt Nam sử dụng 10,23 triệu tấn, trong đó 7,6 triệu tấn phân bón vơ cơ và 2,63 triệu tấn phân bón hữu cơ [9].
Hình 1.9: Đồ thị sản lượng tiêu thụ phân bón tại Việt Nam từ năm 1961-2017 [9]
Hình 1.10: Đồ thị lượng tiêu thụ phân bón trên hecta đất canh tác so giữa Việt Nam và các quốc gia trong khu vực [9]
1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý chất thải hữu cơ trên thế giới và Việt Nam
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
1.4.1. Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý chất thải hữu cơ trên thế giới
Việc áp dụng chế phẩm vi sinh vật vào xử lý rác thải hữu cơ trên thế giới đã được phổ biến từ rất lâu, họ không chỉ dùng chế phẩm để xử lý rác thải hữu cơ mà còn sử dụng để xử lý phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp.
Theo nghiên cứu của Babett et al. (2021) về việc áp dụng vi khuẩn Cellulomonas flavigena và Streptomyces viridosporus trong việc xử lý phế phẩm hoa oải hương (hoa
lavander) sau khi được chiết xuất thì việc sử dụng chế phẩm và vật liệu ủ đã kéo dài được giai đoạn ưa nhiệt, đẩy nhanh sự phân huỷ các chất hữu cơ và nâng cao số lượng vi sinh vật hữu ích cịn sống, nhưng cũng có tác dụng phụ quan sát được như giảm chỉ số nảy nầm. Sản phẩm ủ khơng có sự xuất hiện của vi khuẩn thương hàn Salmonella và
E.coli, sản phẩm ủ ổn định và sẵn sàng để sử dụng. Theo kết quả nghiên cứu từ trước
đến nay thì chưa có nghiên cứu nào thành cơng trong việc sử dụng vật liệu ủ là hoa oải hương [12].
Ngoài những yếu tố quan trọng như pH, độ ẩm, ủ kỵ khí hay hiếu khí thì vật liệu là phần rất quan trọng trong quá trình ủ phân và qua sự nghiên cứu của Yee Van Fan et al. (2017) về so sánh giữa việc sử dụng nguyên liệu ủ là phế phẩm nông nghiệp hay chất thải đơ thị hữu cơ (CTĐTHC) đã nói lên rằng phế phẩm nơng nghiệp tạo được nhiều kết quả tích cực hơn là chất thải đơ thị hữu cơ trong việc xử lý bằng chế phẩm vi sinh. Chất thải đô thị hữu cơ được sử dụng để ủ ít có sự thay đổi lớn giữa mẫu đối chứng và mẫu có chế phẩm, khác biệt lớn nhất là mẫu có chế phẩm kiểm sốt được tốt mùi hơi trong quá trình ủ [13].
Cũng theo Yee Van Fan et al. (2017) ở một nghiên cứu khác trình bày ảnh hưởng của chế phẩm vi sinh đến các thông số ủ phân cho cả chất thải đô thị hữu cơ và phế phẩm nơng nghiệp. Chế phẩm vi sinh có nhiều khả năng tăng cường hiệu quả đáng kể quá trình ủ phân của phế phẩm nông nghiệp (80%) so với CTĐTHC (38%). Tuy nhiên, chế phẩm vi sinh được phát hiện có hiệu quả trong việc kiểm sốt mùi hơi trong quá trình ủ phân của CTĐTHC. Hiệu quả của chế phẩm để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ủ phân tuỳ vào loại chất thải và chất lượng mục tiêu của quá trình làm phân trộn, vì khơng phải tất cả các thơng số kết quả thu được đều có thể được nâng cao một cách hiệu quả. Đánh giá cho thấy vi sinh vật bản địa là đủ cho quá trình phân hủy trong điều kiện bình thường, nơi các thơng số được đề cập hoặc chất lượng phân trộn khơng phải là mối quan tâm chính. Điều này đặc biệt phù hợp với quy trình ủ hiếu khí. Tối ưu hóa các thơng số hóa lý của q trình ủ phân, tức là tỉ lệ C:N ban đầu, giá trị pH, độ ẩm và sự thơng khí để tạo mơi trường thuận lợi cho các vi sinh vật bản địa, có thể là một lựa chọn tốt hơn cho việc dùng chế phẩm vi sinh vật. Nghiên cứu so sánh về tính khả thi
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
giữa việc ứng dụng cơng nghệ cấy vi sinh và tối ưu hóa các điều kiện vận hành (ví dụ tần suất sục khí) thì việc sử dụng chế phẩm vi sinh cũng yêu cầu kiểm soát cụ thể về điều kiện hoạt động. Tuy nhiên, chỉ riêng việc kiểm soát điều kiện hoạt động cũng có khả năng bỏ qua các bước sử dụng chế phẩm vi sinh vì vi sinh vật bản địa có sẵn trong nguyên liệu ủ là đủ. Cần cân nhắc sự cân bằng giữa chi phí, hiệu quả của quy trình và tác động đến mơi trường liên quan đến việc áp dụng chế phẩm vi sinh để hỗ trợ quá trình ủ phân hữu cơ một cách bền vững. Việc đánh giá chế phẩm vi sinh đối với quá trình ủ phân hữu cơ đã được thực hiện và qua đó trong tương lai nên xem xét thành phần chi tiết hơn của nguyên liệu đầu vào, ủ kỵ khí hay hiếu khí, kích cỡ và các nguyên liệu bổ sung. Lý tưởng nhất thì cần phải có một chỉ tiêu phân tích để áp dụng chế phẩm vi sinh vật hiệu quả cho các tình huống ủ phân khác nhau [14].
Ở Thái Lan, Karnchanawong và Nissaikla (2014) đã tiến hành một nghiên cứu so sánh về việc sử dụng giữa một chế phẩm vi sinh được bán trên thị trường và một sản phẩm phân ủ thành cơng, vật liệu bổ sung nào là thích hợp nhất cho việc ủ phân tại nhà. Cách thức thực hiện của họ là sử dụng 05 thùng 200L có sục khí, mỗi ngày sẽ cho thức ăn thừa và lá khô vào (theo tỉ lệ 1:0,14) đến ngày thứ 60 sẽ ngưng cho vào. Kết quả so sánh dựa trên tỉ lệ C:N thì phân ủ với chế phẩm có thời gian ổn định lâu hơn là việc sử dụng thành phẩm phân ủ. Nghiên cứu từ Karnchanawong và Nissaikla (2014) đã cho thấy được việc ủ phân tại nhà lần đầu tiên có thể tốn chi phí cho chế phẩm, nhưng từ lần ủ thứ 02 trở đi thì có thể sử dụng sản phẩm ủ thành cơng trước đó thay thế cho chế phẩm [15]. Một trong những công nghệ phổ biến để xử lý chất thải rắn hữu cơ tại thành phố Bangkok và các thành phố khác là công nghệ ủ sinh học “DANO system”. Rác thải hữu cơ được đưa đến các phễu tiếp nhận và theo băng chuyền đến tang quay phân loại, để loại bỏ các thành phần tạp chất và tách kim loại trên băng từ. Sau đó, các thành phần hữu cơ có thể ủ được đưa đến khu “ổn định sinh học- DANO Bio-Stabilizer”. Quá trình xử lý trong thùng thường kéo dài từ 2,5-5 ngày [16].
Ngoài việc sử dụng nguyên liệu ủ là phế phẩm nơng nghiệp, chất thải hữu cơ thì Jing Zhao et al. (2021) có thực hiện một nghiên cứu về sử dụng bùn thải kết hợp bốn chủng vi khuẩn tốt nhất được phân lập ra từ bùn thải là Bordetella sp, Ochrobactrum sp, Bacillus subtilis và Staphylococcus sciuri tại khu vực tây bắc của Trung Quốc để tiến
hành xử lý bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải trong khu vực để làm phân bón. Và kết quả thu được là sản phẩm từ q trình ủ kỵ khí của họ đã đạt tiêu chuẩn GB / T 23486- 2009 (tiêu chuẩn cho bùn thải sau xử lý được sử dụng tại vườn và công viên của Trung Quốc) [17].
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ Hình 1.11: Quá trình ủ được che đậy tại khu cao tốc tây bắc Trung Quốc [17]
Tại Hoa kỳ vào những năm 2010 đã ban hành lệnh cấm chơn lấp chất thải hữu cơ vì theo những thơng số từ bộ Nơng nghiệp Hoa Kỳ thì có khoảng 133 tỉ pound (60 triệu tấn) thực phẩm bị lãng phí mỗi năm, trong đó bao gồm thức ăn thừa, bị thối rửa hoặc không được thu hoạch. EPA Hoa Kỳ ban hành dữ liệu cho rằng thực phẩm là nguyên liệu lớn nhất trong các bãi chơn lấp tại Hoa Kỳ, vừa lãng phí vừa tạo nguồn thải khí metan lớn ảnh hưởng biến đổi khí hậu tồn cầu. Song hành với lệnh cấm chôn lấp rác thải hữu cơ thì Hoa Kỳ cũng ban bố nhiều luật liên quan đến việc tạo điều kiện cho các cơ sở tư nhân, doanh nghiệp thu nhận rác thải hữu cơ kết hợp chế phẩm vi sinh vật để làm phân ủ cảnh quan (không mùi, không ảnh hưởng mĩ quan). Và càng ngày thì nhiều quy định về quy tắc ủ phân đã được đưa ra để tạo điều kiện cho các cơ sở tư nhân và doanh nghiệp có thể dễ dàng tiến hành ủ phân hơn [18].
Theo bài báo từ tác giả Angie Light (2021) trên báo Journal thì tại quần đảo San Juan thuộc bang Washington, Hoa Kỳ có một trang trại tên Federico, mọi người trên đảo có thể mang thức ăn thừa, trái cây rau củ thối, thực phẩm hết hạn đến trang trại để thực hiện ủ phân. Chủ trang trại sau khi tiếp nhận chất thải hữu cơ thì tiến hành ủ phân kết hợp với chế phẩm vi sinh vật của riêng họ và tạo ra phân bón hữu cơ từ những chất thải được mang đến để rồi bón phân cho cây cối, rau củ từ chính trang trại Federico. Người dân tại San Juan có thể mua thùng chứa và chế phẩm vi sinh vật từ trang trại để tự ủ phân tại nhà [19].
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ Hình 1.12: Thùng ủ phân được sử dụng tại trang trại Federico [19]
Có một phương pháp ủ phân tại Nhật Bản từ lâu đời, và hiện nay thì lan rộng trên tồn thế giới, đó là phương pháp Bokashi. Từ “Bokashi” được dịch ra là chất hữu cơ lên men. Nó xuất phát từ phương pháp canh tác của Nhật Bản trong đó nơng dân chơn các thực phẩm thừa xuống đất có chứa vi sinh vật để tăng tốc độ phân huỷ của thức ăn. Đến năm 1980 thì người ta mới phát hiện ra cách sử dụng phương pháp này trong nhà, bằng cách sử dụng thùng Bokashi.và chế phẩm vi sinh vật Bokashi [20].
Hình 1.13: Thùng Bokashi và chế phẩm vi sinh vật Bokashi
Phương pháp này có nhiều ưu điểm để khiến cho nó nổi bật trên tồn thế giới như dễ thực hiện, khơng gây mùi, ít tốn diện tích, thời gian ủ ngắn và sản phẩm từ thùng ủ có thể dùng bón cây trực tiếp.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ Hình 1.14: Phương pháp thực hiện ủ Bokashi
Nhiều quốc gia trên thế giới đang áp dụng chế phẩm vi sinh để xử lý chất thải, lợi ích từ việc sử dụng chế phẩm vi sinh để xử lý mang đến nguồn lợi lớn cho môi trường, vừa giảm thiểu ô nhiễm vừa tái sử dụng chất thải, giảm thiểu chi phí cần có để xử lý.
1.4.2. Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý chất thải hữu cơ tại Việt Nam
Xử lý chất thải bằng biện pháp sinh học là quá trình phân giải hữu cơ trong tự nhiên: quá trình tự làm sạch. Muốn thúc đẩy nhanh q trình phân hủy, ngồi việc tăng cường các điều kiện lên men, cần phải bổ sung các chủng vi sinh vật phù hợp và phân hủy mạnh nguồn các chất cần xử lý.
Trong nhiều năm qua, những nhà khoa học tại Việt Nam đã đưa ra nhiều nghiên cứu lựa chọn và áp dụng vào xử lý chất thải hữu cơ.
Tác giả Vũ Thuý Nga và các cộng sự (2011) đã tuyển chọn được 05 chủng giống vi sinh vật bản địa gồm Streptomyces griseosporeus, Streptomyces rochei, Bacillus subtillis, Lactobacillus farraginis, Saccharomyces cerevisiae từ phế thải chăn nuôi tại Quỳ Hợp, Nghệ An từ đó tạo ra chế phẩm vi sinh xử lý phế thải chăn nuôi thành phân bón hữu cơ sinh học và xây dựng được 05 mơ hình ủ phân trên cây lúa, ngơ, lạc, đậu tương và rau tại Quỳ Hợp [21].
Trong năm 2016, Ngô Thị Tường Châu cùng cộng sự (2016) bằng việc sử dụng môi trường nuôi cấy làm giàu và các loại mơi trường phân lập thích hợp, đã phân lập được 78 chủng vi khuẩn, 73 chủng xạ khuẩn và 53 chủng nấm mốc ưa nhiệt từ bùn thải nhà máy tinh bột sắn FOCOCEV Thừa Thiên Huế. Tiến hành đánh giá hoạt lực phân hủy
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
chất hữu cơ bằng phương pháp khuếch tán enzyme, đã tuyển chọn được các chủng vi khuẩn V18, chủng xạ khuẩn X38 và chủng nấm mốc N37 từ các chủng được phân lập. Các chủng này đã khơng thể hiện đặc tính đối kháng lẫn nhau. Dựa vào đặc điểm hình thái và phân tích trình tự 16S rRNA (hoặc 28S rRNA) đã xác định được các chủng V18, X38 và N37 lần lượt thuộc các loài Bacillus subtilis, Aspergillus fumigatus và Streptomyces glaucescens. So với đối chứng và các cơng thức thí nghiệm
khác, cơng thức CT8 với việc sử dụng tất cả các chủng được tuyển chọn đã nâng cao đáng kể hiệu quả phân hủy sinh khối bùn thải nhà máy tinh bột sắn FOCOCEV Thừa Thiên Huế với độ giảm khối lượng, thể tích và cellulose lần lượt là 19,73; 33,75 và 29,33%. Vì vậy tập hợp giống vi sinh vật ưa nhiệt này có thể được xem xét sử dụng trong sản xuất phân bón hữu cơ từ bùn thải nhà máy tinh bột sắn FOCOCEV Thừa Thiên Huế nói riêng và bùn thải hữu cơ nói chung [22].
Nguyễn Thị Hằng Nga và cộng sự (2016) đã nghiên cứu sản xuất thành công chế phẩm vi sinh vật từ phế thải trong quá trình chế biến tinh bột để làm phân hữu cơ sinh học, chế phẩm sử dụng than bùn là chất mang và đạt yêu cầu chất lượng theo TCVN 6168-2002 với mật độ tế bào 108 CFU/g và đảm bảo chất lượng sau 3 tháng bảo quản [23].
Từ mẫu nước thải tại nhà máy giấy, Vũ Thị Dinh cùng cộng sự (2017) đã phân lập được 11 chủng vi sinh có khả năng phân giải cellulose, và trong đó lựa ra được chủng tối ưu nhất là Bacillus subtillis và bắt đầu áp dụng để xử lý nước thải nhà máy giấy. Với quy mơ phịng thí nghiệm thì hiệu quả thu được từ việc áp dụng chủng Bacillus subtillis là khá cao với hiệu suất COD đạt 84,3% sau 09 ngày xử lý [24].
Lê Thị Loan và Cao Ngọc Điệp (2019) đã phân lập được chủng vi khuẩn Bacillus
subtillis từ một cơ sở sản xuất hủ tiếu Mỹ Tho ở Tiền Giang và ứng dụng vào xử lý nước
thải tại đó. Ứng dụng vi khuẩn này trong xử lý nước thải cơ sở sản xuất bún đã làm giảm các chỉ số BOD5, TSS, chỉ số N tổng, P tổng và hàm lượng ammonium lần lượt là 17,76%, 11,26%, 21,87%, 21,67% và 36,61% so với chỉ số ban đầu. Chỉ tiêu tổng chất rắn lơ lửng và hàm lượng amoni đạt tiêu chuẩn A của QCVN:40-2011/BTNMT [25].
Tại Khánh Hồ, tác giả Lê Đặng Cơng Toại (2020) đã giới thiệu một quy trình kỹ thuật ủ phân hữu cơ mới với nguyên liệu là phụ phẩm thu hoạch trong nông nghiệp kết hợp chế phẩm sinh học Fito- Biomix RR. Các kết quả đạt được có độ chính xác cao, hiệu quả, dễ thực hiện và có khả năng nhân rộng lớn [26].
Tác giả Đặng Quang Hải (2020) đã phân lập và tuyển chọn từ nước thải nhà máy sản xuất cồn được 03 chủng vi khuẩn có hoạt tính amylase, cellulose và protease cao. Thực