1.4.4.1. Tỷ lệ C:N
Có rất nhiều nguyên tốảnh 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.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
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
20 12 ngày
20-50 14 ngày
78 21 ngày
Mặc dù vậy, tỉ lệ này cũng có thểđược 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 1 Phân bắc 5,5 – 6,5 6 – 10 2 Nước tiểu 15 – 18 0,8 3 Máu 10 - 14 3 4 Phân động vật - 4,1 5 Phân bò 1,7 18 6 Phân gia cầm 6,3 15 7 Phân cừu 3,75 22 8 Phân heo 3,75 20 9 Phân ngựa 2,3 25 10 Bùn cống thải khô 4 – 7 11 11 Bùn hoạt tính đã phân hủy 1,88 15,7 12 Bùn cống đã phân hủy 2,4 - 13 Bùn hoạt tính thô 5,6 6,3 14 Cỏ cắt xén 3 – 6 12 – 15 15 Chất thải rau quả 2,5 – 4 11 – 12 16 Cỏ hỗn hợp 2,4 19 17 Lá khoai tây 1,5 25 18 Trấu lúa mì 0,3 – 0,5 128 – 150 19 Trấu yến mạch 1,05 48 20 Gỗ nghiền 0,13 170 21 Mạt cưa 0,1 200 -500
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung STT Chất thải N (% trọng lượng khô) Tỉ lệ C:N 22 Gỗ thông 0,07 723 23 Trái cây thải 1,52 34,8 24 Chất thải giết mổ hỗn hợp 7 – 10 2 25 Giấy hỗn hợp 0,25 173 26 Giấy báo 0,05 983 27 Giấy nâu (gói hàng) 0,01 4490 28 Tạp chí 0,07 470 29 Tài liệu 0,17 223 30 Cỏ xén 2,15 20,1 31 Lá cây (tươi) 0,5 – 1 40 – 80 32 Sinh khối thực vật 1,96 20,9 – 24
(Nguồn: Chongrak, 1996, Tchobanoglous và cộng sự, 1993)
Khi bắt đầu quá trình ủ phân rác, tỉ lệ C:N là 30:1 và giảm dần còn 15:1 ở các sản phẩm cuối cùng do 2/3 carbon được giải phóng tạo ra CO2, khi các chất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật [8]; [30]; [37]; [46].
Trong thực tế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỉ lệ C:N tối ưu gặp phải khó khăn vì những lý do sau:
+ Một phần cơ chất như cellulose và lignin khó bị phân hủy sinh học, chỉ bị phân hủy một phần sau một thời gian dài.
+ Một số chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật không có sẵn.
+ Quá trình cố định N có thể xảy ra dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn
Azotobacter, đặc biệt khi có đủ ion PO43-.
+ Phân tích hàm lượng C khó đạt kết quả chính xác. Hàm lượng carbon có thể xác định theo phương trình sau:
- Phần trăm (%) tro: lượng vật liệu còn lại sau khi nung ở nhiệt độ 550oC trong 1 giờ.
Một số chất thải có thành phần chủ yếu là nhựa (thành phần bị phân hủy ở 550oC) sẽ có giá trị %C cao, nhưng đa phần không có khả năng phân hủy sinh học [8].
1.4.4.2. Oxy
Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân rác. Khi vi sinh vật oxy hóa carbon tạo năng lượng, oxy sẽđược sử dụng và khí CO2 được sinh ra.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Khi không đủ oxy, quá trình ủ phân sẽ chuyển sang giai đoạn yếm khí và tạo mùi hôi từ khí H2S, NH3
Các vi sinh vật hiếu khí có thể sống được ở nồng độ oxy bằng 5%. Nồng độ oxy lớn hơn 10% được coi là tối ưu cho quá trình ủ phân hiếu khí.
Tổng lượng khí cần cung cấp và đo lưu lượng dòng khí là các thông số thiết kế quan trọng đối với hệ thống ủ trong thùng kín. Nhu cầu oxy thay đổi theo tiến trình ủ gián đoạn, do đó cần xác định nhu cầu oxy tối đa để chọn máy thổi khí và thiết kế hệ thống ống phân phối khí phù hợp [8]; [30].
1.4.4.3. Nguồn dinh dưỡng
Ngoài một số nguyên tố đa lượng, quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật cũng cần một số nguyên tố vi lượng khác như P, K, Ca, Fe, Bo, Cu,…Thông thường, các chất dinh dưỡng này không có giới hạn bởi chúng hiện diện nhiều trong các vật liệu làm nguyên liệu cho quá trình ủ phân [8].
1.4.4.4. Độ pH
Giá trị pH trong khoảng 5,5 – 8,5 là tối ưu cho các vi sinh vật trong quá trình ủ phân. Các vi sinh vật, nấm tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các acid hữu cơ. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ phân rác, các acid này bị tích tụ và kết quả làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và vi sinh vật, kìm hãm sự phân hủy lignin và cellulose. Các acid hữu cơ sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình ủ phân rác. Nếu hệ thống ủ trở nên yếm khí, việc tích tụ acid có thể làm pH giảm xuống đến 4 - 5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sống của vi sinh vật [8].
1.4.5. Chất lượng phân hữu cơ compost
Vận tốc phân hủy dao động tùy theo thành phần, kích thước, tính chất của chất hữu cơ. Chất hữu cơ hòa tan thì dễ phân hủy hơn chất hữu cơ không hòa tan. Lignin và lingo – cellulosic là những chất phân hủy rất chậm.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Bảng 1.9: Các thông số quan trọng trong quá trình ủ phân compost
Thông số Giá trị
1. Kích thước Quá trình ủ đạt hiệu quả tối ưu khí kích thước phân ủ khoảng 25-75 mm
2. Tỉ lệ C:N Tỉ lệ C:N tối ưu dao động khoảng 25-50
- Ở tỉ lệ thấp hơn: dư NH3, hoạt tính sinh học giảm - Ở tỉ lệ cao hơn: chất dinh dưỡng bị hạn chế
3. Pha trộn Thời gian ủ ngắn hơn
4. Độẩm 50-60%, tối ưu 55%
5. Đảo trộn Nhằm ngăn ngừa hiện tượng khô, đóng bánh và tạo thành các rãnh khí. Quá trình làm phân hữu cơ cần phải được xáo trộn định kì, tần suất đảo trông phụ thuộc vào quá trình thực hiện.
6. Nhiệt độ Nhiệt độ phải được duy trì trong khoảng 50-55oC một vài ngày đầu và 55-60oC ở những ngày sau.
Trên 66oC, hoạt tính vi sinh vật giảm đáng kể. 7. Kiểm soát mầm bệnh Nhiệt độ 60-70oC: các mầm bệnh bị tiêu diệt
8. Nhu cầu không khí Lượng oxy cần thiết được tính toán dựa trên cân bằng tỉ lượng. Không khí chứa oxy cần thiết phải được tiếp xúc đều với tất cả các phần của vật liệu làm phân.
9. pH Tối ưu: 7-7,5; hạn chế sự bay hơi nitơ dưới dạng NH3 pH không được vượt quá 8,5.
10. Mức độ phân hủy Đánh giá qua sự giảm nhiệt độ vào thời gian cuối. 11. Diện tích đất yêu cầu Công suất 50 tấn/ngày cần khoảng 0,6-0,8 ha đất.
(Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993)
Chất lượng phân hữu cơđược đánh giá dựa trên bốn yếu tố sau [8]:
+ Mức độ lẫn tạp chất (thủy tinh, plastic, đá, kim loại nặng, chất thải hóa học, thuốc trừ sâu…).
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
+ Nồng độ các chất dinh dưỡng (dinh dưỡng đa lượng N, P, K; dinh dưỡng trung lượng Ca, Mg, S; dinh dưỡng vi lượng Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co, Bo).
+ Mật độ vi sinh vật gây bệnh (thấp đến mức không ảnh hưởng có hại đến cây trồng).
+ Độ ổn định và hàm lượng chất hữu cơ (độ ổn định liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ oxy trong quá trình chế biến phân hữu cơ, khi thời gian ủ phân kéo dài, độổn định của phân sẽ tăng, tức là hàm lượng hữu cơ trong phân giảm).
1.4.6.Vai trò của phân hữu cơ compost trong sản xuất nông nghiệp
Trong điều kiện canh tác hiện nay, phân hữu cơ rất cần cho cây trồng, kể cả cây ăn trái và lúa. Chất hữu cơđược bổ sung vào đất sẽ làm tăng lượng mùn trong đất giúp cải thiện lý tính và hóa tính của đất. Bằng kinh nghiệm sản xuất của mình, nông dân Việt Nam đã đúc kết “Nhất nước, nhì phân, tam cần, tứ giống”. Câu nông dao đã khẳng định vai trò của phân bón trong hệ thống liên hoàn tăng năng suất cây trồng.
Trong vài thập kỷ qua, năng suất cây trồng đã không ngừng tăng lên, ngoài vai trò của giống mới còn có tác dụng quyết định của phân bón. Giống mới cũng chỉ phát huy được tiềm năng của mình (cho năng suất cao) khi được bón đủ phân và bón hợp lý. Cây trồng hút chất dinh dưỡng trong đất và từ phân bón để tạo nên sản phẩm của mình sau khi kết hợp với sản phẩm của quá trình quang hợp, cho nên sản phẩm thu hoạch phản ánh tình hình đất đai và việc cung cấp thức ăn cho cây. Bón phân cân đối và vừa phải thì việc bón phân có thể làm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Thiếu chất dinh dưỡng, bón phân không cân đối hoặc bón quá nhu cầu của cây đều làm giảm chất lượng nông sản. Giữa các bộ phận của cây thì phân bón làm thay đổi thành phần của lá dễ hơn là thay đổi thành phần hóa học của hạt [1]; [7]; [8].
* Ảnh hưởng đến lý tính của đất
Cải thiện cấu trúc đất: ảnh hưởng trực tiếp do làm mất độ cứng của đất, chất mùn có tác dụng gắn kết các hạt keo đất lại với nhau, tạo nên cấu trúc bền vững, làm cải thiện độ xốp của đất, hạn chế sự rửa trôi, xói mòn đất và tạo điều kiện cho cây trồng hấp thu các chất dinh dưỡng dễ hơn.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Gia tăng khả năng giữ nước của đất thông qua sự liên kết nước với chất hữu cơ.
Cải thiện độ thoáng khí của đất, cung cấp oxy cho rễ cây, giúp rễ hô hấp tốt.
* Ảnh hưởng đến hóa tính của đất
Cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng: cung cấp chất dinh dưỡng khoáng, đặc biệt là chất đạm, lân, lưu huỳnh và các nguyên tố khác bao gồm cả nguyên tố vi lượng.
Tăng độ phì nhiêu của đất: trong điều kiện nhiệt đới ẩm của nước ta tốc độ khoáng hóa hữu cơ trong đất rất cao nên sẽ làm suy giảm lượng hữu cơ dẫn đến giảm sút độ phì nhiêu của đất. Bổ sung chất hữu cơ vào đất sẽ làm tăng hoạt động sinh khối của vi sinh vật, góp phần làm tăng độ phì nhiêu của đất thông qua việc khoáng hóa và mùn hóa chất hữu cơ trong đất.
Cung cấp năng lượng cho các sinh vật trong đất hoạt động như vi khuẩn, nấm, giun đất… Sau khi chết, các sinh vật này bị phân hủy sẽđể lại lượng chất dinh dưỡng đáng kể cho đất trồng. Một số hoạt động của sinh vật sống trong đất cũng góp phần cải thiện môi trường đất (sự di chuyển của giun đất giúp cho đất thoáng khí).
Tăng tính đệm pH: tác dụng trung hòa khi điều kiện pH quá chua hoặc quá kiềm nên làm giảm stress cho cây và gia tăng hiệu quả của phân bón hóa học vào đất.
Giúp cốđịnh các kim loại như Fe, Al trong đất phèn (điều kiện pH thấp) ngăn ngừa khả năng gây độc cho cây.
Tuy phân hữu cơ có chứa đầy đủ các dưỡng chất có thể thay thế phân hóa học nhưng phân hữu cơ là dạng cung cấp dưỡng chất lâu dài và ổn định, do đó tùy mức độ thâm canh và phát triển của cây trồng thì ta có thể cung cấp thêm phân hóa học để làm tăng tác dụng của phân hữu cơ khi cây trồng cần dinh dưỡng ngay để đảm bảo năng suất [1]; [7]; [8].
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
1.4.7. Mục đích, lợi ích và hạn chế của quá trình chế biến phân hữu cơ compost 1.4.7.1. Mục đích và lợi ích của quá trình làm phân hữu cơ compost 1.4.7.1. Mục đích và lợi ích của quá trình làm phân hữu cơ compost
Về kinh tế:
- Giảm chi phí sản xuất nông nghiệp
- Năng suất tăng do cây trồng dễ dàng hấp thụ bùn hầm cầu đã qua xử lý
- Giá thành sản xuất phân bón từ bùn hầm cầu rẻ hơn rất nhiều so với phân hữu cơ vi sinh khác sản xuất ở quy mô công nghiệp.
- Giảm sử dụng phân hóa học và thuốc bảo vệ thực vật trong nông nghiệp Về môi trường:
- Ổn định chất thải: các phản ứng sinh học xảy ra trong quá trình làm phân hữu cơ sẽ chuyển hóa chất hữu cơ dễ thối rửa sang dạng ổn định, chủ yếu là các chất vô cơ ít gây ô nhiễm môi trường khi thải ra đất và nước.
- Làm mất khả năng gây bệnh của vi sinh vật: nhiệt độ của chất thải sinh ra từ quá trình phân hủy sinh học có thểđạt khoảng 60oC, đủđể làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh, virus và trứng giun sán nếu nhiệt độ này được duy trì ít nhất 1 ngày. Do đó, các sản phẩm từ quá trình ủ phân hữu cơ có thể loại bỏ mầm bệnh một cách an toàn trên đất hoặc làm chất bổ sung dinh dưỡng cho đất. Theo nghiên cứu của Nengwu Zhu (năm 2004) và cộng sự trên phân heo, trong suốt quá trình ủ, các vi sinh vật gây bệnh hoặc ký sinh đều bị giết 1 phần hoặc hoàn toàn. Báo cáo cho rằng, hầu hết E.coli bị tiêu diệt ở nhiệt độ 55oC trong khoảng 1 giờ và bị diệt hoàn toàn ở 60oC trong khoảng 15 – 20 phút. Sau 3 ngày ủ, E.coli được kiểm soát trong giới hạn cho phép và tất cả trứng trùng đều bị tiêu diệt sau 63 ngày ủ [8]; [9]
- Thu hồi dinh dưỡng và cải tạo đất: các chất dinh dưỡng (N, P, K) có trong chất thải thường ở dạng hữu cơ phức tạp, cây trồng khó hấp thụ. Sau quá trình làm phân hữu cơ, các chất này được chuyển thành chất vô cơ như NO3-, PO43- thích hợp cho cây trồng. Sử dụng sản phẩm của quá trình chế biến phân từ CTR hữu cơ bổ sung dinh dưỡng cho đất, có khả năng làm giảm sự thất thoát dinh dưỡng do rò rỉ vì các chất dinh
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
dưỡng vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng không tan. Thêm vào đó, lớp đất trồng cũng được cải tiến nên giúp rễ cây phát triển tốt hơn [8].
- Làm khô bùn: phân người, phân động vật và bùn chứa khoảng 80-95% nước, do đó chi phí thu gom, vận chuyển và thải bỏ cao. Làm khô bùn trong quá trình ủ phân là phương pháp lợi dụng nhiệt của chất thải phát sinh từ quá trình phân hủy sinh học làm bay hơi nước chứa trong bùn.
- Tăng khả năng kháng bệnh cho cây trồng: với hàm lượng dinh dưỡng cao, dễ hấp