1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Phân compost được Noble Hilter sản xuất đầu tiên tại Đức năm 1896 và
đặt tên là Nitragin. Sau đó phát triển ở các nước Mỹ, Canada, Anh và Thụy Điển. Nitragin được tạo bởi vi khuẩn Rhizobium dùng để bón cho các loại cây trồng thích hợp. Từ đó cho đến nay có nhiều công trình nghiên cứu nhằm ứng dụng và mở rộng việc sản xuất phân bón trên nền hữu cơ khác nhau.
Hiện nay đã có nhiều đề tài nghiên cứu về quá trình ủ compost và nhiều mô hình công nghệ ủ compost quy mô lớn được phát triển trên thế giới. Các mô hình công nghệ ủ được phân loại theo nhiều cách khác nhau (theo trạng
thái của khối ủ tĩnh hay động, theo phương pháp thông khí khối ủ cưỡng bức hay tự nhiên).
Ở các nước Mỹ và Canada có khí hậu ôn đới thường áp dụng phương pháp xử lý như sau:
Hình 1.2: Sơ đồ dây chuyền công nghệ ủ phân compost của Mỹ và Canada
Bùn
Loại bỏ tạp chất không hữu cơ
Nghiền hữu cơ
Bổ sung VSV
Đánh đống
Lên men 8 – 10 tuần
Sàng xử lý chất hữu cơ Chôn lấp chất trơ
Đóng bao Bã thải nông nghiệp
Thuyết minh sơ đồ:
Rác thải được tiếp nhận và tiến hành phân loại để loại bỏ rác vô cơ. Rác hữu cơ được nghiền và bổ sung vi sinh vật, trộn với bùn và đánh đống ở ngoài trời. Rác thải được lên men từ 8 – 10 tuần, sau đó sàng lọc và đóng bao.
Ở Trung Quốc những thành phố lớn thường áp dụng công nghệ ủ trong các thiết bị kín. Rác được tiếp nhận đưa vào thiết bị ủ kín sau 10-12 ngày, sau đó đưa ra ngoài ủ chín. Cuối cùng mới tiến hành phân loại và chế biến thành phân bón hữu cơ.
Hình 1.3:Sơ đồ dây chuyền công nghệ ủ phân của Trung Quốc
Tiếp nhận rác
Thiết bị chứa có bổ sung VSV (10 -12 ngày) Ủ chín (15 – 20 ngày) Sàng phân loại Vật vô cơ Phân loại sản phẩm để tái chế Chôn lấp chất trơ
Phân loại theo trọng lượng bằng không khí có thu kim
loại
Phối trộn các nguyên tố N, P, K
Ủ phân trong 5 – 10 ngày Đóng bao
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (NN & PTNT), năm 2013 Việt Nam cần khoảng 10,325 triệu tấn phân bón các loại, trong đó lượng phân bón sản xuất trong nước đạt 7,825 triệu tấn, lượng phân bón nhập khẩu đạt 2,5 triệu tấn. Điều này cho thấy nhu cầu tiêu thụ phân bón ở nước ta rất lớn.
Tuy nhiên, trước đây phân bón sản xuất ở nước ta hay nhập khẩu chủ yếu là phân hóa học nên về lâu dài sẽ ảnh hưởng đến chất độ phì nhiêu của đất, làm xói mòn đất. Thời kì ngành công nghiệp phân bón ở Việt Nam chưa phát triển thì nông nghiệp nước ta chủ yếu dựa vào nguồn phân hữu cơ tại các hộ gia đình như: phân chuồng, ao bùn, phân xanh… Hiện nay, với tốc độ phát triển khá nhanh của nền khoa học, ngoài việc sử dụng khá nhiều các loại phân vô cơ thì Việt Nam đã, đang và sẽ ứng dụng các loại phân hữu cơ vi sinh từ các nguồn khác nhau (nhập khẩu và chế biến trong nước) nhằm đóng góp tích cực vào việc quyết giải vấn nạn ô nhiễm môi trường do các nguyên liệu này gây ra.
Hiện nay trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu chế biến phân compost từ phế phẩm nông nghiệp và bước đầu có một số đóng góp tích cực cho công tác bảo vệ môi trường và cho sản xuất nông nghiệp.
Hai đơn vị dẫn đầu trong công tác nghiên cứu và ứng dụng phân compost là Viện Công nghệ Sinh học (Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia) và Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn).
Ngoài ra, cũng đã có nhiều tổ chức và cá nhân thành công trong việc nghiên cứu sản xuất phân compost trên những nền chất mang khác nhau và ứng dụng trên nhiều cây công nghiệp, nông nghiệp như:
- PGS. TS. Đỗ Châu Thu và TS. Nguyễn Ích Tâm cùng cộng sự của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Bền vững thuộc trường ĐH
Nông nghiệp I đã hợp tác với Khoa Sinh học và Kinh tế Nông nghiệp thuộc ĐH Udine (Italy) tiến hành đề tài: ”Sản xuất phân compost từ rác thải hữu cơ sinh hoạt và phế thải nông nghiệp dùng làm phân bón cho 3 loại rau sạch ở ngoại ô thành phố như: rau ăn lá (cải bắp), rau ăn củ (củ cải), rau ăn quả (cà chua)”.
- Phan Thị Thanh Hoài, Đặng Ngọc Huệ, Nguyễn Nữ Quỳnh Giang, Ngô Nữ Quỳnh Như và Nguyễn Bá Dũng (ĐH Tây Nguyên) đã thành công trong việc sản xuất phân compost từ vỏ cà phê và cũng đã được ứng dụng cho một số loại cây như: chè, cà phê, lúa ngô,…
Cũng đã hình thành một số nhà máy chế biến phân compost ở Việt Nam:
Nhà máy phân hữu cơ Cầu Diễn, Việt Trì, Phú Thọ - Hà Nội.
Nhà máy xử lý rác Nam Định - Nam Định.
Nhà máy phân rác Buôn Ma Thuộc – Tỉnh Đắc Lắc.
Nhà máy xử lý rác thải – chế biến phân hữu cơ vi sinh Nam Thành, Ninh Thuận.
Nhà máy phân bón Hóc Môn, Tp. HCM.
Nhà máy xử lý chất thải Tân Thành, Bà Rịa – Vũng Tàu.
Nhà máy sản xuất phân Compost Plus, Long An. v.v…
Tuy nhiên, cho đến nay chưa có quy trình công nghệ cụ thể để sản xuất phân compost từ bã thải hoa cúc vạn thọ.
Nhằm ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn, chúng tôi đã thực hiện đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm EM sản xuất phân
compost từ bã thải của quy trình chiết xuất lutein từ hoa cúc vạn thọ”.
Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu thử nghiệm sử dụng chế phẩm sinh học TKS – M2 của Công ty TNHH Thủy Kim Sinh (Củ Chi – Hóc Môn – Tp HCM) bổ sung vào nguyên liệu đề đẩy nhanh tốc độ phân hủy chất hữu
cơ. Chế phẩm này chứa nhiều VSV như Bacillus spp., Pseudomonas spp., Azotobacter sp. Trichoderma spp. và các VSV đặc biệt khác, có khả năng
phân hủy các thành phần sinh học trong chất thải như: protein, xenllulose, lignin và một số chất khác…
Mục tiêu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp để sản xuất phân compost từ bã thải hoa cúc vạn thọ.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phân compost sản xuất nhưng do thời gian hạn chế, chúng tôi chỉ khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố sau:
- Mật độ nguyên liệu (kg/m2)
- Tỷ lệ dung dịch chế phẩm TKS-M2/ nguyên liệu (v/w; l/kg)
- Thời gian ủ (ngày)
Các thông số cố định (tỷ lệ C:N = 20; pH = 5 – 6) được tham khảo từ những kết quả nghiên cứu sản xuất phân compost từ CTR sinh hoạt, vỏ tiêu đen, vỏ khoai mì, vỏ cà phê, phân gà, phân lợn của các bài luận văn, đồ án tốt nghiệp chuyên ngành môi trường [2], [3], [4], [7].
Tiến hành ủ ở nhiệt độ phòng để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của hỗn hợp ủ trong quá trình khảo sát.
Chương 2.
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tƣợng nghiên cứu, hóa chất và dụng cụ 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu
Bã thải hoa cúc vạn thọ từ quy trình chiết lutêin từ hoa cúc vạn thọ châu
Phi (Tagetes erecta L) thuộc giống Inca Orange được trồng tại huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa.
Quy trình tổng quát chiết lutêin từ hoa cúc vạn thọ:
Nguyên liệu → Ủ Viscozyme → Ngâm hexan → Chiết → Sản phẩm Bã thải
2.1.2 Hóa chất sử dụng
Hóa chất phân tích các chỉ tiêu đều thuộc loại tinh khiết phân tích (PA, Trung Quốc), gồm:
Nước cất, H2SO4 đặc, H3PO4 85%, K2Cr2O7, Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O, diphenylamin.
2.1.3 Thiệt bị và dụng cụ thí nghiệm
2.1.3.1 Thiết bị
- Tủ sấy UNB 400 (Memmert, Đức) chính xác 1oC
- Máy đo pH để bàn CyberScan pH 1500 (EUTECH, Singapore)
- Thiết bị phá mẫu COD (xác định mùn)
- Cân phân tích điện tử (Satorius, Nhật) chính xác 10-4 g - Lò nung điều chỉnh được nhiệt độ (20
C)
2.1.3.2 Dụng cụ
- Cốc thủy tinh 100; 250; 1000 ml
- Đũa thủy tinh - Ống đong 1000 ml - Bình tam giác 250 ml - Bình hút ẩm với silicagel - Cốc cân thủy tinh
- Pipet 10; 20 ml - Phễu lọc thủy tinh
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1 Phƣơng pháp xử lý nguyên liệu
Bã hoa cúc vạn thọ được lấy từ thiết bị chiết lutein ngay sau khi dung môi hexan đã được hút sạch. Sau đó, bã được đem phơi ngoài trời đến độ ẩm phù hợp (50% - 60%) và bảo quản trong lọ kín ở 40C cho đến khi nghiên cứu.
2.2.2 Phương pháp xác định một số thành phần của nguyên liệu
2.2.2.1 Xác định độ ẩm: phương pháp khối lượng (sấy mẫu ở 1000
C - 1050C; xem Phụ lục 1)
2.2.2.2Xác định cacbon tổng số (C): phương pháp khối lượng (tro hóa mẫu ở 550 - 6000C đến khối lượng không đổi; xem Phụ lục 2) 550 - 6000C đến khối lượng không đổi; xem Phụ lục 2)
2.2.2.3 Xác định nitơ tổng số (N): phương pháp Kjeldahl (vô cơ hóa bằng H2SO4 đặc, nóng, có xúc tác; sau đó kiềm hóa bằng NaOH đặc dư, chưng cất H2SO4 đặc, nóng, có xúc tác; sau đó kiềm hóa bằng NaOH đặc dư, chưng cất lối cuốn, cho hấp thụ và chuẩn độ NH3; Phụ lục 3)
2.2.2.4 Xác định pH : dùng máy đo pH (xem phụ lục 4)
2.2.2.5 Xác định độ mùn (MO): phương pháp Walkley – Black (oxy hóa các hợp
chất hữu cơ bằng K2Cr2O7 dư trong môi trường H2SO4 rồi chuẩn độ K2Cr2O7 còn lại
bằng dung dịch chuẩn FAS; xem Phụ lục 5).
2.3 Quy trình dự kiến sản xuất phân compost từ bã thải hoa cúc vạn thọ
Quy trình dự kiến sản xuất phân compost từ bã thải hoa cúc vạn thọ được
xây dựng như trên hình 2.2
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình dự kiến sản xuất phân compost từ bã thải hoa CVT sử dụng chế phẩm sinh học TKS – M2
Thuyết minh quy trình:
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu là bã thải hoa cúc vạn thọ từ quy trình chiết lutein đã được phơi khô đến độ ẩm nhất định (50% - 60%).
Bước 2: Điều chỉnh tỷ lệ C:N trong nguyên liệu
Cân chính xác khối lượng nguyên liệu (G; kg).
Để đảm bảo nguồn dinh dưỡng cho VSV phát triển và phân hủy bã thải, cần điều chỉnh tỷ lệ C:N thích hợp trong nguyên liệu. Đối với bã thải CVT thì
Bổ sung chất dinh dƣỡng
Điều chỉnh C/N
Bổ sung chế phẩm TKS
Ủ (t8 phòng; thời gian ủ = ?)
)
Kiểm tra chất lượng sản phẩm
Đóng bao Nguyên liệu Cần xác định: - Dd TKS/ng.liệu = ? - Mật độ ng.liệu = ? Cố định: *N.độ TKS = 1g/l * pH đầu = 5 – 6 * %H2O = 50-60% Độ mùn
nền nguyên liệu rất giàu cacbon nhưng lại ít nitơ (chủ yếu là cellulose) nên cần bổ sung amoni sulfat để đạt tỷ lệ C:N thích hợp (C: N = 20).
Bước 3: Bổ sung chế phẩm TKS
Dung dịch TKS được pha chế trong nước cất theo hướng dẫn của nhà sản xuất với nồng độ 1g/L.
Thêm nguyên liệu vào thiết bị ủ. Thêm dung dịch TKS vừa chuẩn bị sao cho tỷ lệ dung dịch TKS:nguyên liệu đạt giá trị thích hợp.
Đậy thiết bị ủ để tránh mất nước. Bước 4: Ủ nguyên liệu
Ủ hỗn hợp ở nhiệt độ phòng và pH tự nhiên của nguyên liệu (pH = 5 - 6). Bước 5: Khảo sát chất lƣợng sản phẩm
Sau khi ủ hỗn hợp (thời gian ủ được xác định thích hợp), đem sản phẩm phân tích kiểm tra chất lượng.
Bước 6: Bổ sung chất dinh dƣỡng
Dựa vào kết quả phân tích sản phẩm để bổ sung các thành phần dinh dưỡng khác (khoáng, lân, …) thích hợp cho từng đối tượng cây trồng.
Bước 7: Đóng bao
Sản phẩm cuối cùng được đóng bao, bảo quản thích hợp đến lúc phân phối.
2.4. Bố trí thí nghiệm xác định các thông số thích hợp cho quá trình sản xuất phân compost từ bã thải hoa CVT xuất phân compost từ bã thải hoa CVT
2.4.1. Xác định tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu
Tiến hành:
Cố định các thông số sau:
* pH ban đầu = 5 – 6; Độ ẩm ban đầu = 50%
* Tỷ lệ C:N = 20; Mật độ nguyên liệu = 7,8 kg/m2 * Nồng độ dung dịch TKS = 1 g /L;
Thay đổi tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu từ 5/30 đến 25/30 (v/w)
Theo dõi biến thiên của độ mùn của khối nguyên liệu theo thời gian (định kỳ 5 ngày/lần). Từ đó, chọn được tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu thích hợp cho quá trình ủ, trong đó tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu được chọn ứng với thời gian ủ để đạt độ mùn cao nhất (hình 2.3).
Độ ẩm được đánh giá đồng thời với độ mùn của khối ủ thu được để quy độ mùn theo trọng lượng khô tuyệt đối.
2.4.2. Xác định mật độ nguyên liệu thích hợp
Tiến hành:
Cố định các thông số sau:
* pH ban đầu = 5 – 6; Độ ẩm ban đầu = 60%
* Tỷ lệ C:N = 20; Nồng độ dung dịch TKS = 1 g /L;
* Tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu thích hợp đã chọn từ thí nghiệm trên. * Thay đổi mật độ nguyên liệu lần lượt là:
2,60; 5,20; 7,80; 10,39; 12,99 kg/m2
Theo dõi biến thiên của độ ẩm và độ mùn của khối nguyên liệu theo thời gian (định kỳ 5 ngày/lần). Từ đó, chọn được mật độ nguyên liệu thích hợp cho quá trình ủ (hình 2.4).
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định
tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu thích hợp
25
Thời gian (ngày): 5 10 15 20
25/30
Nguyên liệu
(Điều chỉnh C:N = 20; pH = 5 - 6)
Bổ sung TKS (1 g/L; Mật độ nguyên liệu = 7,80 kg/m2)
Tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu (v/w)
5/30 10/30 15/30 20/30
Ủ (t0 phòng)
Kiểm tra % ẩm và % mùn
Hình 2.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định mật độ nguyên liệu thích hợp
25
Thời gian (ngày): 5 10 15 20
12,99
Nguyên liệu
(Điều chỉnh C:N = 20; pH = 5-6)
Bổ sung TKS (1 g/L; Tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu thích hợp)
Mật độ nguyên liệu (kg/m2)
2,60 5,20 7,80 10,39
Ủ (t0 phòng)
Kiểm tra % ẩm và % mùn
2.4.3 Xác định thời gian ủ thích hợp Tiến hành: Tiến hành:
Cố định các thông số sau:
* pH ban đầu = 5 – 6; Độ ẩm ban đầu = 60%
* Tỷ lệ C:N = 20; Nồng độ dung dịch TKS = 1 g /L;
* Tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu và mật độ nguyên liệu thích hợp đã chọn từ các thí nghiệm trên.
Theo dõi biến thiên của độ ẩm và độ mùn của khối nguyên liệu theo thời gian (định kỳ 5 ngày/lần). Từ đó, chọn được thời gian ủ để đạt độ mùn cao nhất và ổn định (hình 2.5). Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trên hình 2.5.
Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ủ thích hợp
Thời gian (ngày):
Nguyên liệu
(Điều chỉnh C:N = 20; pH = 5-6)
Bổ sung TKS (1 g/L; tỷ lệ dịch TKS/nguyên liệu thích hợp)
Ủ (t0 phòng; mật độ nguyên liệu thích hợp) ) Kiểm tra % ẩm và % mùn 25 Chọn thời gian ủ thích hợp 5 10 15 20
2.5. Đề xuất quy trình thích hợp sản xuất phân compost từ bã thải hoa cúc vạn thọ cúc vạn thọ
Sau khi xác định được điều kiện thích hợp để ủ, ta tiến hành ủ thử nghiệm 3 mẫu lớn (300 g/mẫu) trong các điều kiện trên. Đánh giá chất lượng sản phẩm theo các tiêu chuẩn về phân hữu cơ:
- Tiêu chuẩn 10TCN 525-2002 – Phân hữu cơ vi sinh vật từ bã bùn mía - Tiêu chuẩn 10TCN 526-2002 – Phân hữu cơ vi sinh vật từ rác thải sinh hoạt
2.6 Phƣơng pháp xử lý số liệu.
Các thí nghiệm đều được lặp lại 3 lần. Kết quả thu được là trung bình
cộng của 3 lần xác định nói trên. Sử dụng phần mềm MS Excel 2003 để tính toán, xử lý số liệu và vẽ đồ thị.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Một số thành phần hóa học của bã thải nguyên liệu
Kết quả xác định độ ẩm, pH, hàm lượng cacbon và nitơ tổng số của bã
thải nguyên liệu được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thành phần hóa học của bã thải hoa cúc vạn thọ
STT Thành phần Đơn vị tính Kết quả thử nghiệm 1 Độ ẩm % 86,0 2 pH 6,0 3 Hàm lượng cacbon % 55.2 4 Hàm lượng nitơ % 2,0
Qua kết quả trên ta thấy:
- Bã thải hoa cúc vạn thọ sau khi chiết lutêin có độ ẩm cao (86%). Vì thế cần phải phơi khô bã thải đến độ ẩm phù hợp với điều kiện ủ phân để không ảnh