* Nguyên lý
Chất hữu cơ là một chỉ tiêu quan trọng của đất, bao gồm toàn bộ phần khoáng của đất và một ít xác động thực vật ở trong đất. Đó là nguồn cung cấp trực tiếp nhiều dinh dưỡng cho cây trồng: N, P, K, Ca, Mg..., là yếu tố làm tăng lượng và chất của CEC (Cation Exchange Capacity), tăng kết cấu đất, cải thiện tính chất vật lý, khả năng giữẩm của đất.
Dựa trên cơ sở oxy hóa chất hữu cơ bằng K2Cr2O7 theo phương pháp Walkey- Black xác định lượng chất hữu cơ bằng phương pháp so màu xanh của Cr3+ tạo thành (K2Cr2O7đã bị khử) tại bước sóng 625 nm.
* Tiến hành:
- Cân chính xác khoảng 0,1g mẫu đã nghiền qua rây 0,2 mm cho vào erlen. - Thêm 10 ml K2Cr2O7, lắc đều.
- Cho nhanh 20 ml H2SO4 đậm đặc từ xilanh hoặc buret. - Thêm chính xác 60ml nước cất và trộn đều.
- Để qua đêm cho lắng trong.
- Trích 1 phần dung dịch trong để so màu ở bước sóng 625 nm.
- Tiến hành với dãy tiêu chuẩn: dùng micropipette lấy từ 0 – 1,0 ml dung dịch tiêu chuẩn mẹ (tương ứng 0 – 3 mg C) cho vào erlen, tiến hành như với mẫu thử.
- Làm đồng thời thêm 2 mẫu trắng. * Cách tính:
Xác định đồ thị tiêu chuẩn và trên cơ sở sốđo trên máy xác định hàm lượng carbon trong mẫu thử [14].
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
2.5.4. Xác định chất rắn tổng số (TS) và chất rắn bay hơi (VS) 2.5.4.1. Xác định chất rắn tổng số (TS – Total solid)
Các chất rắn trong nước có thể là những chất tan hoặc không tan. Các chất này bao gồm cả những chất vô cơ lẫn các chất hữu cơ. Tổng hàm lượng các chất rắn (TS - Total Solids) là lượng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi (đơn vị tính bằng mg/L).
2.5.4.2. Xác định tổng chất rắn bay hơi (VS – Volatile solid)
Để đánh giá hàm lượng các chất hữu cơ có trong mẫu nước, người ta còn sử
dụng các khái niệm tổng hàm lượng các chất không tan dễ bay hơi (VSS : Volatile Suspended Solids), tổng hàm lượng các chất hòa tan dễ bay hơi (VS : Volatile Solids).
Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VS) là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui
định trong một khoảng thời gian nhất định).
Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui
định trong một khoảng thời gian nhất định)
2.5.4.3. Xác định hàm lượng tro
Chất rắn ổn định (tro) = chất rắn tổng cộng (TS) – chất rắn bay hơi (VS)
2.5.5. Xác định nitơ tổng số (Phương pháp Kjedahl) * Nguyên tắc * Nguyên tắc
Chất đạm khi đem vô cơ hóa bằng H2SO4đđ và chất xúc tác sẽ chuyển thành dạng ammonium sulfat, khi cho tác dụng với chất kiềm mạnh (NaOH) sẽ đẩy NH3 từ
muối (NH4)2SO4 thành thể tự do.
(NH4)2SO4 + 2NaOH 2NH4OH + Na2SO4 (2.1) Lượng ammoniac phóng thích ra được hơi nước lôi cuốn bằng một dụng cụ là máy Parnas – Wagner và được dẫn đến bình tam giác có chứa một lượng thừa dd H2SO4. Từđó xác định được hàm lượng đạm trong mẫu nguyên liệu.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung * Tiến hành cất đạm
Đốt bình C cho đến khi sôi, sau khi rửa máy cất đạm, chúng ta tiến hành cất đạm bằng cách như sau:
Đặt bình D có chứa 25ml dung dịch H2SO4 N/100 và vài giọt methyl đỏ vào vòi
ống sinh hàn E, sao cho đầu nhọn ống sinh hàn nhúng chìm trong dung dịch. Hút 10ml dung dịch đạm vô cơ hóa đã pha loãng trên cho vào phễu H của máy cất đạm và mở khóa cho vào bình A từ từ cho đến khi hết, tráng phễu H 3 lần, mỗi lần với 1 ít nước cất rồi cũng cho xuống bình A. Cho 10 ml dd NaOHđđ và cũng cho xuống bình A từ từ, tráng 1 ít nước cất (mỗi lần cần chừa lại 1 ít để hệ thống kín). Để máy lôi cuốn trong 3 phút rồi hạ bình tam giác xuống để thêm 2 phút nữa. Rửa vòi bằng nước cất (nước rửa cho vào bình tam giác D). Lấy bình tam giác ra định phân với dung dịch NaOH có chuẩn độđúng là x.N/100 đến khi có màu vàng cam.
Thực hiện 3 thử thật, 3 thử không để lấy trị số trung bình. Phải xác định hệ số điều chỉnh x của dung dịch NaOH N/100 bằng dung dịch (COOH)2 N/100 [4].
* Kết quả
- Tính lượng N tổng số có trong 1 lít nguyên liệu
- Gọi V0 là thể tích dung dịch NaOH x.N/100 (trị số trung bình của 3 lần thử không)
- Gọi V1 là thể tích dung dịch NaOH x.N/100 (trị số trung bình của 3 lần thử không)
Vậy ∆V = V0 – V1 là lượng NaOH tương đương với lượng đạm ammoniac phóng thích bởi 10ml dịch vô cơ pha loãng.
1 mol ammoniac tương đương với 1 mol NaOH
Do đó số mol ammoniac phóng thích bởi 10 ml dung dịch vô cơ hóa đã pha loãng là 1000 ) 100 / 1 .( .x V mol = ∆V . x . 10-5 mol
Số gam đạm tổng số có trong 10ml dung dịch vô cơ hóa đã pha loãng là: 14 . ∆V . x . 10-5 g
Số gam đạm tổng số có trong 100 ml dung dịch vô cơ hóa đã pha loãng hay trong 1ml nguyên liệu:
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung 5 14. . .10 4 10 100 . 10 . . . 14V x V x g Số gam đạm tổng số trong 1 lít nguyên liệu
V x V x 1,4.x.V 10 . . 14 1 1000 10 . . . 14 4 g/lít
2.5.6. Xác định các thành phần khoáng : Cu, Zn, Mo, Co, Mn, Ca, Mg * Nguyên tắc máy quang phổ phát xạ:
Tiến hành hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu.
Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử. Các nguyên tử trong nguyên tố cần xác định trong đám hơi đó sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó.
Hệ thống máy quang phổ sẽ thu nhận toàn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó. Giá trị
cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố ở trong mẫu phân tích.
2.5.7. Phương pháp phân tích thống kê
Số liệu khảo sát các chỉ tiêu hóa lý ở các lô thí nghiệm được phân tích thống kê theo phương pháp Anova 2 nhân tố và không lặp lại với Excel 2007, trong đó:
Nếu P-value ≤ 0,05 và F > Fcrit thì sự sai khác về việc thay đổi các chỉ
tiêu hoá lý trong bùn hầm cầu theo thời gian ủ và theo hàm lượng hỗn hợp vi sinh vật bổ sung vào bùn là có ý nghĩa khi nghiên cứu.
Nếu P-value > 0,05 và F < Fcrit thì sự sai khác về việc thay đổi các chỉ
tiêu hoá lý trong bùn hầm cầu theo thời gian ủ và theo hàm lượng hỗn hợp vi sinh vật bổ sung vào bùn là không có ý nghĩa khi nghiên cứu.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
CHƯƠNG 3 :
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM & BIỆN LUẬN
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
3.1.Xác định số lượng vi sinh vật trước khi bổ sung vào bùn hầm cầu Bảng 3.1: Số lượng vi sinh vật trong môi trường bán rắn Bảng 3.1: Số lượng vi sinh vật trong môi trường bán rắn
Bacillus subtilis Actinomycetes sp Aspergillus niger
CFU/g 405.106 330.106 361.106
3.2.Các chỉ tiêu hóa lý trong bùn hầm cầu trước khi ủ hiếu khí với hỗn hợp vi sinh vật
Bảng 3.2: Một số chỉ tiêu dinh dưỡng khảo sát có trong bùn hầm cầu trước khi ủ.
STT Chỉ tiêu phân tích Kết quả Phương pháp thử
1 Độẩm(%) 60,80% Máy đo độẩm 2 pH 8,2 TCVN 5979:1995 3 Hàm lượng chất hữu cơ (OM) (%) 46,57 10TCN 366-99 4 Hàm lượng carbon (C) tổng số(%) 31,94 TCVN 6644:2000 5 Hàm lượng nitơ (N) tổng số (%) 4,02 TCVN 5815:2001 6 Tỉ lệ C:N 7,94
7 Hàm lượng ôxít phosphoric (P2O5) hữu hiệu (%) 3,01 TCVN 5815:2001 8 Hàm lượng ôxít kali (K2O) hòa tan (%) 1,64 TCVN 5815:2001 9 Hàm lượng acid humic (%) 1,68 10TCN 366-99 10
Hàm lượng
Na (ppm) 440,25
AOAC 957.02 (2002) AOAC 965.09 (2002)
Trên máy ICP
11 Cu (ppm) 31,28 12 Ca (ppm) 3,40 13 Mg (ppm) 0,26 14 Fe (ppm) 232,10 15 Mn (ppm) 168,30 16 Zn (ppm) 317,20
Theo kết quả phân tích cho thấy độ ẩm trong bùn hầm cầu 60,80% gần với ngưỡng độ ẩm cho phép trong ủ phân hữu cơ là 50-60%. Độ pH là 8,2 không quá cao so với giới hạn quy định pH phân bón hữu cơ 7-7,5 và tối đa là 8,0 (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn về việc ban hành Quy định sản xuất, kinh doanh và sử dụng phân bón).
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
3.3.Khảo sát nhiệt độ trong các lô thí nghiệm Bảng 3.3: Kết quả khảo sát nhiệt độ Bảng 3.3: Kết quả khảo sát nhiệt độ Ngày theo dõi Công thức thí nghiệm I (oC) II (oC) III (oC) IV (oC) V (oC) VI (oC) VII (oC) 0 28,0 28,0 28,0 28,0 28,0 28,0 28,0 1 32,4 34,8 34,4 34,2 35,6 34,8 33,2 2 34,6 33,6 34,8 34,8 36,6 35,4 35,8 3 34,8 36,7 36,8 36,4 37,0 35,8 39,4 4 38,4 37 36,8 34,4 35 39 38,8 5 38,4 39,0 37,0 36,4 36,4 38,8 38,0 6 37,0 38,8 37,0 35,8 36,8 37,0 39,4 7 42,0 48,0 45,0 42,0 40,0 44,0 52,4 8 43,0 52,8 39,4 38,8 37,0 42,0 45,8 9 41,4 42,0 40,8 35,8 35,8 44,0 41,4 10 33,4 36,4 35,4 33,4 34,0 33,4 36,0 11 34,8 36,8 36,8 36,4 37,0 35,8 39,4 12 33,8 35,4 36,4 35,4 33,8 35,0 37,4 13 33,4 35,4 37,0 35,4 34,0 34,8 35,8 14 32 33,4 32,2 33,6 32,8 32,2 33,4 15 31,6 32,8 33,2 33,4 32,0 31,6 32,8 16 31,2 30,6 31,8 32,4 32,6 30,8 30,2 17 28,6 27,4 27,2 26,6 27,8 28,2 28,0 18 26,4 25,8 26,2 25,4 24,8 26,4 25,0 19 25,2 24,6 25,8 25,0 26,0 25,4 25,6 20 25,2 24,0 24,2 24,4 25,8 24,4 24,2 Bảng 3.4: Diễn biến nhiệt độ trong các khối ủ Công thức thí nghiệm
Chỉ tiêu theo dõi Nhiệt độ trung bình (0C) Nhiệt độ cao nhất (0C) CT1 33,6 43,0 CT2 34,9 52,8 CT3 34,1 45,0 CT4 33,3 42,0 CT5 33,3 40,0 CT6 34,1 44,0 CT7 35,3 52,4
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Hình 3.1: Khảo sát nhiệt độ phân ủ bằng nhiệt kế
Đồ thị 3.1: Sự thay đổi nhiệt độ diễn ra trong khối ủ hiếu khí
Kết quả theo dõi ở bảng 3.3 và đồ thị 3.1 cho thấy, diễn biến quá trình thay đổi nhiệt độ bên trong khối ủ xảy ra theo quy luật: tăng nhanh – giảm dần – đi vào ổn
định. Ngay sau khi ủ từ 7 đến 8 ngày, nhiệt độ bên trong khối ủ tăng cao và đạt đến nhiệt độ cao nhất là 52,8oC ở ngày thứ 8 – công thức thí nghiệm 2 (CT2), sau đó giảm dần ở các ngày tiếp theo và đi vào ổn định. Ở ngày thứ 11; 12, nhiệt độ bên trong khối ủ lại tăng lên nhưng không đáng kể, sau đó lại tiếp tục giảm dần và đi vào ổn định ở cuối thời kỳủ từ ngày 18 đến ngày 20.
Quá trình nhiệt độ tăng cao trong thời gian đầu là do hoạt động của vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ và giải phóng nhiệt. Nhiệt độ sinh ra không được giải
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
phóng vào không khí mà bị tích tụ lại nên làm gia tăng nhiệt độ trong khối ủ. Sau đó nhiệt độ giảm cho thấy hoạt động của vi sinh vật giảm dần và đi vào ổn định. Hoạt
động sống của vi sinh vật làm phân giải các phân tử hữu cơ có kích thước lớn thành những phân tử có kích thước nhỏ.
Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ khối ủ sau khi kết thúc thí nghiệm đi vào
ổn định từ 26,4 – 24,2oC. Nhiệt độ trung bình của các lô thí nghiệm dao động từ 35,16 – 38,72oC. Do nhiệt độ trong khối ủ ở mức thấp, hoạt động sống của vi sinh vật chỉ phân cắt các liên kết trong các phân tử hữu cơ, không làm ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của các phân tử hữu cơ trong bùn.
Nghiên cứu của J.D.W.Adams, L.E. Frostick (2009) cũng cho kết quả tương tự. Nhiệt độ trong luống ủ rác thải nông trại – 200kg/luống (phủ bằng tấm nhựa) đạt
đến nhiệt độ cao nhất 70oC ở ngày thứ 7, duy trì nhiệt độ 40 – 50oC từ ngày thứ 13
đến ngày 21 sau đó. Trong thí nghiệm này, tấm nhựa ngoài việc là vật liệu ủ còn có vai trò lưu giữ nhiệt được sinh ra bởi hoạt động phân hủy bùn của vi sinh vật [15].
Trong quá trình ủ phân compost, quá trình ủ kết thúc khi nhiệt độ khối ủ không còn sự gia tăng nhiệt độ và trở lại nhiệt độ phòng. Dựa vào nhiệt độ khảo sát, quá trình kết thúc thí nghiệm bắt đầu từ ngày thứ 18 trởđi.
3.4.Khảo sát độ pH trong các lô thí nghiệm
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát pH trong các lô thí nghiệm
pH Ngày 4 8 12 16 20 CT1 7,3 6,88 6,97 6,96 6,8 CT2 7,12 6,93 6,75 6,81 6,1 CT3 7,08 6,9 6,73 6,61 6,3 CT4 7,03 6,72 6,8 6,49 6,7 CT5 6,63 6,66 6,68 6,33 5,2 CT6 7,09 6,64 6,51 6,41 5,5 CT7 6,47 6,59 6,27 6,37 5,9
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Biểu đồ 3.1: Sự thay đổi độ pH trong các khối ủ theo thời gian
Ban đầu, pH bùn hầm cầu được xác định là 8,2. Sau khi tiến hành ủ, các lô thí nghiệm có xu hướng giảm dần từ CT1 – CT7 và giảm dần qua các ngày 4 – ngày 20.
Qua khảo sát thí nghiệm, pH ở ngày thứ 4 có giá trị cao nhất ở lô thí nghiệm 1: 7,30 và giảm dần ở lô thí nghiệm 7: 6,47. pH thấp nhất ở ngày thứ 20 qua các lô thí nghiệm dao động trong khoảng 5,2 – 6,8. pH có xu hướng giảm dần qua các ngày thí nghiệm.
Trong quá trình ủ phân, pH tăng lên là do sự khoáng hóa ure (ure mineralization) của hỗn hợp vi sinh vật ở giai đoạn đầu và sau đó pH có xu hướng giảm dần do quá trình trao đổi chất của vi sinh vật thải ra acid. Vi sinh vật sử dụng nguồn NH4+ trong bùn hầm cầu và chuyển hóa thành NH3. Một phần NH3 thoát ra ngoài do sự bay hơi, phần còn lại tồn tại trong bùn dưới dạng NH4OH. Ngoài ra, sự hình thành NH3
trong phân ủ cũng kèm theo quá trình giải phóng nhiệt vào khối ủ khi vi sinh vật chuyển hóa các hợp chất trong bùn hầm cầu[25].
Nhìn chung, pH của các lô thí nghiệm đều nằm trong quy định cho phép là 5-7 Theo nghiên cứu của Trường đại học Kỹ thuật Thonburi - Thái Lan (2005) trên rác thải hữu cơ từ rau quả cho thấy, pH ở các lô ủ được đo ở pH 4-5. Sau đó pH tăng lên 8 ở ngày thứ 3 và đi vào ổn định từ ngày 16 trởđi ở pH 7,2 [27] .
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Kết quả phân tích Anova cho thấy, độ pH của khối ủ thay đổi theo thời gian ủ (F = 5,8 > Fcrit = 2,5) và thay đổi theo tỉ lệ bổ sung hỗn hợp vi sinh vật (F = 13,41 > Fcrit = 2,77) với p > 0,05 (xem bảng P1).
Qua kết quả phân tích Anova, các lô thí nghiệm ở các ngày 4, ngày 8, ngày 12, ngày 16, ngày 20 đều có pH trung tính và phù hợp sử dụng làm phân bón (pH 5-7).
3.5. Khảo sát độẩm trong các lô thí nghiệm
Bảng 3.6: Kết quả khảo sát độẩmtrong các lô thí nghiệm
Độẩm (%) Ngày 4 8 12 16 20 CT1 55,73 48,82 45,23 37,65 29,38 CT2 55,82 48,53 44,85 39,54 31,37 CT3 54,67 52,72 47,52 35,00 31,05 CT4 52,79 43,82 40,18 36,00 35,38 CT5 52,38 45,73 41,32 40,33 34,61 CT6 53,79 46,29 40,17 37,39 32,75 CT7 51,27 44,01 42,22 39,23 36,79
Biểu đồ 3.2: Sự thay đổi độẩm trong các khối ủ theo thời gian
Trong quá trình ủ phân, độ ẩm có vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy bùn hầm cầu. Độẩm giúp vi sinh vật có môi trường tốt để phân hủy bùn hầm cầu và
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
tăng cường quá trình trao đổi chất. Tuy nhiên, độẩm quá cao sẽ gây nên môi trường yếm khí, ảnh hưởng đến hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí và sinh ra mùi hôi trong bùn.
Độ ẩm ban đầu trong bùn hầm cầu 60,08%, xấp xỉ với ngưỡng độ ẩm cho phép