Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng khơng chỉ với cây trồng mà ngay cả
đối với vi sinh vật. Nitơ được vi sinh vật sử dụng thơng qua việc phân hủy các chất
hữu cơ và giải phĩng NH3 tạo ra mơi trường kiềm. Trong hoạt động sống, vi sinh vật phân giải chất hữu cơ (cĩ dạng NH4-N) chứa nitơ tự do và giải phĩng NH3, quá trình này làm gia tăng độ pH cho khối ủ tạo mơi trường kiềm. Hàm lượng nitơ trong khối ủ giảm dần và đi vào ổn định ở các ngày 12, ngày 16, ngày 20 khi hoạt động
sống của vi sinh vật chậm dần [15].
Trong những ngày đầu, hoạt động của vi sinh vật diễn ra chậm nên hàm lượng nitơ cao ở mẫu ban đầu là 4,02%. Sau đĩ, hàm lượng nitơ trong bùn hầm cầu giảm dần ở ngày thứ 4 từ 3,60% – 3,96% và đi vào ổn định ở ngày 16; 20 dao động từ
1,78% – 2,51%.
Hàm lượng nitơ theo tiêu chuẩn quy định làm phân bĩn hữu cơ ≥ 2,5%; kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng nitơ khảo sát ngày 4, ngày 8 đều ≥ 2,5%. Ở các lơ thí nghiệm ngày 12, 16, 20 cĩ hàm lượng nitơ giảm và thấp nhất ở ngày 20 (nằm trong khoảng 2,0% – 2,5%). Trong quá trình ủ phân hầm cầu làm phân bĩn compost, quá trình ủ kết thúc khi nhiệt độ khối ủ trở lại nhiệt độ phịng (ngày 18, 19, 20). Qua đĩ, hàm lượng nitơ ở giai đoạn kết thúc thí nghiệm ngày 20 là 1,85% - 2,31%.
Việc giảm hàm lượng nitơ trong bùn hầm cầu cịn tăng lên theo sự gia tăng nhiệt
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
ngày thứ 3, nhiệt độ gia tăng lên 75oC thì sự thất thốt nitơ cũng gia tăng nhanh chĩng. Việc xác định sự thất thốt của nitơ được khảo sát bằng máy đo phân tử khí hồng ngoại (photoacoustic infrared gas analyzer) cứ 15 phút/lần ở các lơ thí nghiệm. Kết quả khảo sát cho thấy, hàm lượng nitơ mất đi khoảng 40% nitơ tổng số trong vật liệu ủ, so sánh với phương pháp dùng acid để hấp phụ NH3 thì tỉ lệ nitơ thất thốt được khảo sát là 37% [46].
Kết quả phân tích Anova cho thấy, độ ẩm của khối ủ thay đổi theo thời gian ủ (F = 3,92 > Fcrit = 2,5) và thay đổi theo tỉ lệ bổ sung hỗn hợp vi sinh vật (F = 116,23 > Fcrit = 2,77) với p > 0,05 (xem bảng P3).
3.7. Khảo sát hàm lượng phospho (P) và kali (K) trong các lơ thí nghiệm Bảng 3.8: Kết quả khảo sát phospho trong các lơ thí nghiệm
P (%) Ngày 4 8 12 16 20 CT1 2,88 2,57 3,22 2,62 2,72 CT2 2,46 2,81 3,01 3,38 3,25 CT3 2,12 2,83 3,06 2,88 3,32 CT4 2,51 3,25 2,62 2,43 2,58 CT5 2,56 2,90 3,39 3,13 2,57 CT6 3,08 2,76 2,82 2,62 2,51 CT7 2,60 2,95 3,48 3,19 2,95
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Cũng như các nguyên tố khác, phospho luơn tuần hồn chuyển hĩa. Nhờ vi sinh vật, các hợp chất chứa phospho trong bùn hầm cầu được vơ cơ hĩa và một phần chuyển hĩa thành lân hữu cơ, một phần bị cố định dưới dạng lân khĩ tan như
Ca3(PO4)2, FePO4, AlPO4. Những dạng khĩ tan này trong những mơi trường cĩ pH thích hợp sẽ chuyển hĩa thành dạng dễ tan. Vi sinh vật giữ vai trị quan trọng trong quá trình này [6].
* Cơ chế phân giải phospho trong lân vơ cơ
Sự phân giải Ca3(PO4)2 cĩ liên quan mật thiết với sự sản sinh acid trong quá trình sống của vi sinh vật, trong đĩ acid carbonic rất quan trọng. H2CO3 làm cho Ca3(PO4)2 phân giải và chuyển hĩa thành Ca(H2PO4)2, Ca(HCO3)2 (dạng dễ tan) [6]; [41].
Quá trình phân giải theo phương trình sau:
Ca3(PO4)2 + 4H2CO3 + H2O = Ca(H2PO4)2 + H2O + 2Ca(HCO3)2 (3.1) Trong các lơ thí nghiệm, hàm lượng phospho cĩ thay đổi nhưng khơng đáng kể. Nhìn chung, hàm lượng phospho dao động trong khoảng 2,12 – 3,48% và hàm lượng kali dao động trong khoảng 1,40 – 1,64%.
Theo tiêu chuẩn ngành 10 TCN 562 – 2002 cho phân hữu cơ vi sinh vật chế biến từ CTR sinh hoạt do Bộ Nơng nghiệp và Phát triển Nơng thơn ban hành, hàm lượng phospho ≥ 2,5% và kali ≥ 1,5%. Do đĩ, kết quả khảo sát phospho từ bùn hầm cầu
đạt tiêu chuẩn quy định ở các giai đoạn ủ, ngoại trừ một số giai đoạn ủ khơng đạt
chỉ tiêu quy định: CT3 – ngày 4 (2,12%), CT4 – ngày 16 (2,43%).
Kết quả phân tích Anova theo chỉ tiêu phospho cho thấy, hàm lượng phospho theo thời gian ủ khơng cĩ ý nghĩa về mặt thống kê (F = 0,81 < Fcrit = 2,5), kết quả tương tự theo tỉ lệ bổ sung hỗn hợp vi sinh vật (F = 2,14 < Fcrit = 2,77) với p > 0,05 (xem bảng P4). Vậy sự thay đổi của phospho trong các lơ thí nghiệm khơng phụ thuộc hàm lượng hỗn hợp vi sinh vật bổ sung vào khối ủ và thời gian ủ.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Bảng 3.9: Kết quả khảo sát kali trong các lơ thí nghiệm
K (%) Ngày 4 8 12 16 20 CT1 1,56 1,53 1,38 1,32 1,17 CT2 1,40 1,64 1,44 1,38 1,41 CT3 1,46 1,60 1,53 1,35 1,32 CT4 1,40 1,71 1,47 1,35 1,38 CT5 1,46 1,60 1,50 1,38 1,21 CT6 1,46 1,60 1,56 1,63 1,47 CT7 1,40 1,79 1,57 1,64 1,25
Biểu đồ 3.4: Sự thay đổi hàm lượng kali trong các khối ủ theo thời gian
Kết quả khảo sát kali qua các giai đoạn ủ, hàm lượng kali đạt chỉ tiêu (> 1,5%) ở các lơ thí nghiệm ngày 8, ngày 12 (CT6, CT7) và ngày 16 (CT6, CT7), ngày 20 (CT6).
Kết quả nghiên cứu từ báo cáo tổng kết nghiệm thu đề tài 2009 của Phan Văn Bình - Trung tâm nghiên cứu và phát triển nơng nghiệp cơng nghệ cao cho thấy hàm lượng kali trong phân heo ủ cĩ chỉ số kali 0,11% và phospho là 1,12% [1].
Theo nghiên cứu của A.K.M.A Haque và J.M vanderpopuliere (1994) nghiên cứu trên phân chuồng cho thấy, hàm lượng phospho cĩ thay đổi nhẹ từ 2,3% – 3% và kali từ 1,3% – 1,9% [21].
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Kết quả phân tích Anova theo chỉ tiêu kali cho thấy, sự thay đổi hàm lượng phospho theo thời gian ủ khơng cĩ ý nghĩa về mặt thống kê (F = 1,56 < Fcrit = 2,5). Trong khi đĩ, sự thay đổi hàm lượng kali theo tỉ lệ bổ sung hỗn hợp vi sinh vật lại cĩ ý nghĩa về mặt thống kê (F = 9,38 > Fcrit = 2,77) với p > 0,05 (xem bảng P5). Kết quả cho thấy hàm lượng kali thay đổi phụ thuộc vào mật độ hỗn hợp vi sinh vật bổ sung vào các lơ thí nghiệm.
Qua kết quả phân tích, hàm lượng phospho đều đạt quy định cho phép làm phân bĩn (≥ 2,5% ), ngoại trừ CT3 – ngày 4 (2,12%), CT4 – ngày 16 (2,43%). Hàm lượng kali phù hợp là ngày 8, ngày 12 (CT6, CT7) và ngày 16 (CT6, CT7), ngày 20 (CT6 cĩ hàm lượng kali 1,47%).
3.8. Khảo sát hàm lượng carbon tổng số trong các lơ thí nghiệm
Bảng 3.10: Kết quả khảo sát hàm lượng carbon tổng số trong các lơ thí nghiệm
C (%) Ngày 4 8 12 16 20 CT 1 30,29 30,24 27,99 27,76 26,78 CT 2 30,48 30,99 28,37 27,95 26,31 CT 3 30,20 30,20 28,09 27,58 27,45 CT 4 30,80 30,20 28,65 27,76 27,75 CT 5 30,71 30,66 28,46 28,51 26,64 CT 6 30,06 30,34 28,32 27,99 28,65 CT 7 31,98 30,38 29,35 28,79 26,12
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Hàm lượng carbon giảm theo thời gian ủ cao nhất ở các ngày thứ 4, 8 và thấp nhất vào ngày thứ 20. Trong quá trình ủ phân, vi sinh vật đã phân hủy chất hữu cơ phức tạp thành đơn giản và giải phĩng một phần CO2. Việc giảm hàm lượng carbon trong quá trình ủ cho thấy các hợp chất phức tạp như cellulose, pectin … được phân hủy thành những dạng mạch đơn, làm cho bùn hầm cầu trở nên tơi xốp và thích hợp cho việc hấp thụ của cây trồng.
Theo tiêu chuẩn ngành 10 TCN 562 – 2002 cho phân hữu cơ vi sinh vật chế biến từ chất thải sinh hoạt do Bộ Nơng nghiệp và Phát triển Nơng thơn ban hành thì hàm lượng carbon ≥ 13%. Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng carbon đều đạt tiêu chuẩn cho phép [8].
Nghiên cứu của A.K.M.A Haque và J.M Vanderpopuliere (1994) trên phân chuồng cho thấy, hàm lượng carbon giảm nhanh chĩng trong 2 tuần đầu của quá
trình ủ phân. Tuy nhiên quá trình giảm carbon này chậm dần và kết thúc vào cuối
giai đoạn ủ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng carbon từ 31,6% giảm cịn
26,6% [21].
Dựa vào hàm lượng carbon và nitơ, ta cĩ thể khảo sát tỉ lệ C:N. Tỉ lệ C:N là thước đo quan trọng để xác định chất lượng của phân ủ. So với phân trước khi ủ, tỉ lệ C:N cĩ xu hướng giảm dần trong giải đoạn phân bị phân hủy. Một phần carbon chuyển thành CO2, trong khi đĩ nitơ vẫn cịn được giữ lại trong phân ủ. Ngồi ra, các vi sinh vật cố định N gián tiếp giúp cho C:N giảm bằng cách cố định nitơ từ những vật chất cĩ trong phân ủ [15]. Bảng 3.11: Tỉ lệ C:N C:N Ngày 4 8 12 16 20 CT 1 8,20 9,23 9,75 12,34 13,19 CT 2 8,47 9,93 10,95 11,15 11,49 CT 3 8,17 9,59 12,01 11,56 13,86 CT 4 8,33 10,57 14,11 13,77 13,96 CT 5 7,89 9,44 12,76 15,08 14,41 CT 6 7,59 8,95 11,76 11,86 12,40 CT 7 8,40 10,09 14,76 16,07 14,69
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Biểu đồ 3.6: Sự thay đổi tỉ lệ C:N trong các khối ủ theo thời gian
Kết quả phân tích Anova theo chỉ tiêu carbon cho thấy, sự thay đổi hàm lượng carbon theo thời gian ủ khơng cĩ ý nghĩa về mặt thống kê (F = 0,83 < Fcrit = 2,5). Trong khi đĩ, sự thay đổi hàm lượng carbon theo tỉ lệ bổ sung hỗn hợp vi sinh vật lại cĩ ý nghĩa về mặt thống kê (F = 47,16 > Fcrit = 2,77) với p > 0,05 (xem bảng P6).
Điều này cho thấy hoạt động của hỗn hợp vi sinh vật là nhân tố chính làm thay đổi
hàm lượng carbon.
Kết quả phân tích Anova theo tỉ lệ C:N cho thấy, tỉ lệ C:N của khối ủ thay đổi theo thời gian ủ (F = 4,74 > Fcrit = 2,5) và thay đổi theo tỉ lệ bổ sung hỗn hợp vi sinh vật (F = 39,24 > Fcrit = 2,77) với p > 0,05 (xem bảng P9).
3.9. Khảo sát hàm lượng chất hữu cơ (Organic Matter - OM) trong các lơ thí nghiệm nghiệm
Bảng 3.12: Kết quả khảo sát hàm lượng chất hữu cơ trong các lơ thí nghiệm
OM (%) Ngày 4 8 12 16 20 CT1 52,22 52,14 48,26 47,86 46,17 CT2 52,54 53,43 48,91 48,20 45,36 CT3 52,05 52,05 48,42 49,15 47,55 CT4 53,11 52,05 49,39 47,86 47,84 CT5 52,94 52,86 49,07 49,39 45,92 CT6 51,81 52,30 48,83 48,26 47,33 CT7 55,12 52,37 50,60 49,63 45,02
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Biểu đồ 3.7: Sự thay đổi chất hữu cơ trong các khối ủ theo thời gian
Hàm lượng chất hữu cơ qua các giai đoạn ủ phân cĩ xu hướng giảm dần từ
55,12% xuống 45,02%. Trong giai đoạn ngày thứ 4 và thứ 8, hàm lượng chất hữu cơ ở mức cao từ 51,81 - 55,12%, sau đĩ hàm lượng chất hữu cơ giảm dần vào các ngày thứ 12, 16, 20.
Chất hữu cơ là một chỉ tiêu quan trọng của đất, bao gồm tồn bộ phần khống của đất và một ít xác động thực vật ở trong đất. Đĩ là nguồn cung cấp trực tiếp
nhiều dinh dưỡng cho cây trồng: N, P, K, Ca, Mg....., là yếu tố làm tăng khả năng trao đổi cation trong đất (CEC – Cation Exchange Capacity), tăng kết cấu đất, cải
thiện tính chất vật lý và khả năng giữ ẩm của đất [14].
Trong suốt quá trình ủ phân, chất hữu cơ cĩ xu hướng giảm và khơng thay đổi khi quá trình ủ bùn hầm cầu đi vào giai đoạn ổn định. Quá trình giảm chất hữu cơ phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm trong khối ủ. Độ ẩm của bùn hầm cầu trong giai đoạn đầu 60,80% và nhiệt độ khảo sát trong khối ủ (bảng 3.3) thích hợp cho hoạt động sống của hỗn hợp vi sinh vật bổ sung, do đĩ quá trình phân hủy các chất hữu
cơ phức tạp của hỗn hợp vi sinh vật thành những dạng đơn giản diễn ra thuận tiện. Quá trình phân hủy chất hữu cơ này tạo thành chất mùn, làm tơi xốp cho bùn hầm cầu và giúp cây trồng dễ hấp thụ.
Nghiên cứu của Nengwu Zhu (2004) và cộng sự trên phân heo cho thấy, hàm lượng chất hữu cơ giảm trong quá trình ủ và khơng thay đổi vào giai đoạn ổn định
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
của khối ủ. Theo nghiên cứu này, việc suy giảm hàm lượng chất hữu cơ diễn ra từ ngày 0 – 14. Sau ngày 14, hàm lượng chất hữu cơ mất đi là 66,13% [34].
Kết quả phân tích Anova theo chỉ tiêu hàm lượng chất hữu cơ cho thấy, sự thay
đổi hàm lượng chất hữu cơ theo thời gian ủ khơng cĩ ý nghĩa về mặt thống kê
(F = 0,92 < Fcrit = 2,5). Trong khi đĩ, sự thay đổi hàm lượng carbon theo tỉ lệ bổ sung hỗn hợp vi sinh vật lại cĩ ý nghĩa về mặt thống kê (F = 64,51 > Fcrit = 2,77) với p > 0,05 (xem bảng P7). Điều này cho thấy hoạt động của hỗn hợp vi sinh vật là nhân tố chính làm thay đổi hàm lượng chất hữu cơ trong khối ủ.
Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng chất hữu cơ bùn hầm cầu trong các lơ thí nghiệm đều lớn hơn 45% (so sánh với phân bĩn sinh học Ami – Ami của Cơng ty Ajinomoto là 26,9%).
3.10. Khảo sát hàm lượng chất rắn bay hơi trong các lơ thí nghiệm Bảng 3.13: Kết quả khảo sát chất rắn bay hơi trong các lơ thí nghiệm
VS (% ) Ngày 4 8 12 16 20 CT1 3,19 7,03 10,44 14,80 17,73 CT2 4,03 8,36 11,54 16,33 20,54 CT3 4,88 8,66 11,45 15,85 24,52 CT4 5,15 10,37 12,67 21,52 24,40 CT5 6,12 15,07 19,72 26,67 32,49 CT6 4,73 14,93 19,59 26,29 31,97 CT7 7,17 15,85 21,73 29,01 34,92
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Để xác định hàm lượng hữu cơ của các chất rắn lơ lửng, người ta sử dụng chỉ
tiêu VS (volatile solid) bằng cách đem hĩa tro các chất rắn ở 550 ± 50oC trong 1 giờ. Phần bay hơi là các chất hữu cơ (VS), phần cịn lại sau khi hĩa tro là các chất vơ cơ.
Trong quá trình ủ phân, hàm lượng chất rắn bay hơi tăng dần theo thời gian ủ, sau đĩ chậm dần và khơng thay đổi vào giai đoạn cuối của quá trình ủ. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hàm lượng chất rắn bay hơi tăng dần qua các giai đoạn thí nghiệm và cao nhất ở ngày thứ 20 ở các lơ thí nghiệm. Hàm lượng chất rắn bay hơi thấp
nhất ở ngày ủ thứ 4 từ 3,19 – 7,17%; cao nhất ở ngày thứ 20 từ 17,73 – 34,92%. Theo nghiên cứu của T.A.Butler năm 2001 trên chất thải nơng nghiệp cho thấy, hàm lượng chất rắn bay hơi tăng dần từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 25. Hàm lượng chất rắn bay hơi ở ngày thứ 25 là 52,4%. Sau đĩ, hàm lượng chất rắn bay hơi giảm nhanh đến ngày thứ 30, chậm dần đến ngày thứ 35 và khơng thay đổi cho đến khi
kết thúc thí nghiệm ở ngày thứ 57. Các hoạt động sống của hỗn hợp vi sinh cũng gĩp phần phân cắt các hợp chất hữu cơ, làm giảm chất hữu cơ trong bùn hầm cầu khi thời gian ủ kéo dài [16].
Theo nghiên cứu của J.D.W.Adams (2009) trên chất thải trang trại cũng cho kết quả tương tự, hàm lượng chất rắn bay hơi tăng dần đến ngày thứ 20 và giảm dần, đi vào ổn định ở ngày thứ 100 của quá trình ủ [15].
Việc thay đổi hàm lượng chất rắn bay hơi phụ thuộc vào các yếu tố độ ẩm, nhiệt
độ và khả năng phân hủy bùn của hỗn hợp vi sinh vật. Trong giai đoạn đầu của quá
trình ủ, độ ẩm trong các lơ thí nghiệm bùn hầm cầu cịn cao, hỗn hợp vi sinh vật
phân giải hợp chất cĩ trong bùn hầm cầu chậm, do đĩ hàm lượng chất rắn bay hơi tồn tại trong khối ủ cao. Ở ngày thứ 8 trở đi, khả năng phân giải của hỗn hợp vi sinh vật tăng dần, phân cắt các hợp chất phức tạp thành đơn giản. Mức độ liên kết của các hợp chất cịn phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ. Từ ngày thứ 6 trở đi, độ ẩm
trong khối ủ giảm dần từ 60,08% (giai đoạn bắt đầu ủ) xuống 44,01% (ở CT7 ngày thứ 8), trong khi đĩ nhiệt độ của khối ủ ở giai đoạn tăng nhanh từ 48oC – 52,7oC. Hoạt động của hỗn hợp vi sinh vật tăng mạnh trong ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm này.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Dựa vào sự tăng giảm của chất rắn bay hơi (VS), ta cĩ thể xác định được thời điểm