báo cáo nghiên cứu khoa học hoàn thiện quy trình sản xuất phân hữu cơ từ vỏ trái cacao và thân cây họ đậu

Trong cuộc sống hàng ngày, con người không chỉ tiêu thụ và sử dụng một số lượng lớn các nguyên liệu, sản phẩm từ thiên nhiên để tồn tại và phát triển, đồng thời cũng vứt thải lại cho thiên nhiên và môi trường sống các phế thải, rác thải có nguy cơ huỷ hoại môi trường. Nhìn chung tình hình phát sinh rác thải gây ô nhiễm đều xảy ra hầu hết ở tất cả các ngành, cơ sở, hộ gia đình sản xuất khác nhau. Trong số đó hoạt động sản xuất cacao cũng là một trong những hoạt động phát sinh nguồn thải góp phần vào sự ô nhiễm môi trường. Vỏ cacao chiếm khoảng 50% trọng lượng quả cacao. Tại các vùng nhiệt đới, đây là nguồn phế thải quan trọng. Trong khi các nước trên thế giới đã có những công trình xử lý vỏ cacao để sản xuất thức ăn cho gia súc gia cầm, ứng dụng lên men tạo phân bón… thì ở nước ta, rất ít công trình nghiên cứu đến việc ứng dụng của phế phẩm này.2 Vỏ cacao chậm phân hủy do có hai thành lignin và cellulose. Các phế phẩm nông nghiệp khác có thời gian phân hủy nhanh hơn vì ít hai thành phần chất này hơn. Có rất nhiều biện pháp xử lý rác thải hiệu quả và không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng rác thành các sản phẩm có giá trị kinh tế. Trong đó biện pháp được ưu tiên hàng đầu hiện nay để xử lý chất thải là sử dụng biện pháp phân hủy sinh học, có hai phương pháp phân hủy sinh học chất thải hữu cơ là chế biến compost hiếu khí và phân hủy kị khí, trong đó chế biến compost hiếu khí là ít tốn kém, sản phẩm của quá trình là compost có thể sử dụng làm phân bón. Quá trình ủ compost giúp chuyển hóa các dạng hợp chất hữu cơ khó phân hủy như: hydrocacbon, cellulose, lignin… tạo thành các hợp chất đơn giản giàu protein, khoáng và vitamin… có lợi cho con người và môi trường. Bên cạnh đó nhiệt độ trong hệ thống tương đối cao có thể cho phép loại được các mầm bệnh do đó quá trình ủ compost được đánh giá là ít ảnh hưởng đến môi trường và nhất là phù hợp với các quy luật tự nhiên, có thể tái sử dụng làm phân bón cho các loại cây nông nghiệp.21

Đề tài: Hoàn thiện quy trình sản xuất phân hữu cơ từ vỏ trái cacao và thân cây họ

đậu

Mã số:

Chủ nhiệm đề tài:

Danh sách cán bộ tham gia:

- Gia công thiết bị xử lí thô vỏ ca cao và thân cây đậu;

- Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao;

- Phân tích các chỉ tiêu đầu vào của vỏ ca cao như: cacbon, cellulose thô, nitơ, nhiệt độ, độ ẩm;

- Xác định công thức phối trộn của các thành phần cho đống ủ;

- Theo dõi sự biến thiên trong quá trình ủ các chỉ tiêu: nhiệt độ, độ ẩm, pH, chất hữu cơ, hàm lượng cacbon, hàm lượng nitơ

- Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của phân thành phẩm

- Khoa học: nghiên cứu tuyển chọn chế phẩm sinh học phân hủy chất hữu cơ

nhanh mà không phải đi phân lập, tuyển chọn các vi sinh vật, tiết kiệm thời gian, chiphí

- Kinh tế - xã hội: tận dụng phế phẩm sản xuất thành phân giúp giảm bớt chi

phí phân bón hóa học, giảm độc hại cho con người, giảm ô nhiễm môi trường khôngkhí, nước, cải tạo nguồn đất và tuần hoàn dinh dưỡng cho đất

- Ứng dụng: có tính ứng dụng cao trên thực tế cho người dân tận dụng phế

thải sản xuất phân hữu cơ

Thời gian nghiên cứu: từ 10/02/2014 đến 30/06/2014

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này tôi xin chân thành cảm ơn:

- Ban Giám hiệu nhà Trường, PGS TS Nguyễn Văn Thông- Trưởng Khoa

Hóa học và Công nghệ Thực phẩm đã quan tâm và tạo điều kiện tốt nhất cho tôihoàn thành đề tài

- ThS Trần Thị Duyên, KS Nguyễn Văn Tới đã nhiệt tình hướng dẫn, địnhhướng và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài

- Thầy Huỳnh Minh Nhựt, cán bộ phòng thí nghiệm Vi sinh - Hóa Sinh, đã tạođiều kiện tốt nhất về trang thiết bị thí nghiệm trong suốt quá trình thực hiện đề tài

- Các thầy, cô khoa Công nghệ Thực phẩm đã tận tình đóng góp ý kiến giúptôi hoàn thiện đề tài

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè tôi đã luôn động viên, ủng hộ tôi vượt qua khó khăn trong suốt quá trình thực hiện đề tài

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng tất cả những kết quả nghiên cứu được nêu trong đề tài này là

do tôi thực hiện, các ý tưởng tham khảo và những kết quả trích dẫn từ các côngtrình nghiên cứu khác đều được nêu rõ trong đề tài

Bà Rịa-Vũng Tàu, tháng 7 năm 2014

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Mục tiêu của đề tài 2

1.2 Nội dung nghiên cứu 2

1.3 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Giới thiệu về cây ca cao 4

2.1.1 Nguồn gốc cây ca cao[4] 4

2.1.2 Đặc điểm cây ca cao 5

2.1.3 Thành phần hóa học của vỏ trái ca cao 6

2.2 Giới thiệu về thân cây đậu 6

2.3 Giới thiệu về compost 6

2.4 Hệ vi sinh vật trong đống ủ compost 7

2.4.1.Vi sinh vật phân hủy tinh bột trong đống ủ compost 7

2.4.2.Vi sinh vật phân hủy phosphate trong đống ủ compost 7

2.4.3.Vi sinh vật phân giải protein trong đống ủ compost 8

2.4.4.Vi sinh vật phân giải hemicellulose trong đống ủ compost 9

2.5 Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình ủ compost 9

2.5.1.Phản ứng sinh hóa 9

2.5.2.Phản ứng sinh học 10

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost 12

2.6.1.Các yếu tố vật lý 12

2.6.2.Các yếu tố hóa sinh 14

2.7 Lợi ích và hạn chế của quá trình ủ compost 19

2.7.1.Lợi ích 19

2.7.2.Hạn chế 20

2.8 Một số phương pháp ủ compost trên thế giới 20

2.8.1.Phương pháp ủ theo luống dài và thổi khí thụ động có xáo trộn 20

2.8.2.Phương pháp ủ theo luống dài hoặc đống với thổi khí cưỡng bức 21

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1 Phương tiện nghiên cứu 23

3.1.1.Thời gian và địa điểm 23

3.1.2.Nguyên vật liệu 23

3.1.3.Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 23

3.2 Phương pháp nghiên cứu 24

3.2.1.Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao 24

3.2.2.Gia công máy nghiền vỏ ca cao 25

3.2.3.Xây dựng quy trình ủ và khảo sát sự biến đổi của các nhân tố chính trong quá trình ủ 27

3.3 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu 30

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

4.1 Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân giải cellulose cao nhất 31

4.1.1 Kết quả tuyển chọn định tính bằng phương pháp đục lỗ thạch 31

4.1.2 Kết quả tuyển chọn định lượng bằng phương pháp đo quang 35

4.1.3 Kết quả gia công máy nghiền vỏ ca cao và thân cây đậu 41

4.2 Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào 42

4.4 Biến thiên độ ẩm 45

4.5 Biến thiên pH 47

4.6 Biến thiên hàm lượng xơ thô 49

4.7 Biến thiên hàm lượng nitơ 50

4.8 Biến thiên hàm lượng cacbon 52

4.9 Biến thiên tỷ lệ C/N 53

4.10 Đặc tính sản phẩm 55

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ VÀ KIẾN NGHỊ 56

5.1 Đánh giá 56

5.2 Kiến nghị 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Cách bố trí thí nghiệm tuyển chọn chế phẩm 25

Hình 2a Hình chiếu cạnh máy nghiền 26

Hình 2b Hình chiếu đứng máy nghiền 26

Hình 3 Bố trí thí nghiệm quy trình ủ phân 28

Hình 4 Đường kính vòng phân giải trên môi trường thạch 34

Hình 5 Máy nghiền vỏ ca cao và thân đậu 41

Hình 6 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ 43

Hình 7 Sự thay đổi độ ẩm trong quá trình ủ 45

Hình 8 Sự thay đổi pH trong quá trình ủ 48

Hình 9 Sự biến đổi hàm lượng xơ thô trong quá trình ủ 49

Hình 10 Sự thay đổi hàm lượng nitơ 51

Hình 11 Sự thay đổi hàm lượng cacbon trong quá trình ủ 52

Hình 12 Biểu đồ sự thay đổi tỷ lệ C/N trong quá trình ủ 54

Hình 13 Biểu đồ đường glucose chuẩn 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật 12

Bảng 2 Tỷ lệ C/N của một số chất thải 15

Bảng 3 Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân hữu cơ[13] 18

Bảng 4 Thành phần nguyên liệu ủ phân 27

Bảng 5 Đường kính vòng phân giải hoạt hóa điều kiện hiếu khí 31

Bảng 6 Đường kính vòng phân giải hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 32

Bảng 7 Đường kính vòng phân giải hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 33

Bảng 8 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí 35

Bảng 9 Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí 36

Bảng 10 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí 36

Bảng 11 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 37

Bảng 12 Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 37

Bảng 13 Kết quả đo quang sau 96h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 38

Bảng 14 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 39

Bảng 15 Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 39

Bảng 16 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 40

Bảng 17 Chỉ tiêu đầu vào của nguyên liệu 42

Bảng 18 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ 43

Bảng 19 Sự thay đổi độ ẩm trong quá trình ủ 45

Bảng 20 Sự thay đổi pH trong quá trình ủ 47

Bảng 21 Sự thay đổi hàm lượng xơ thô trong quá trình ủ 49

Bảng 22 Sự thay đổi hàm lượng nitơ 50

Bảng 23 Sự thay đổi hàm lượng Cacbon 52

Bảng 24 Sự thay đổi tỷ lệ C/N trong quá trình ủ 53

Bảng 25 Đặc tính sản phẩm 55

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong cuộc sống hàng ngày, con người không chỉ tiêu thụ và sử dụng một sốlượng lớn các nguyên liệu, sản phẩm từ thiên nhiên để tồn tại và phát triển, đồngthời cũng vứt thải lại cho thiên nhiên và môi trường sống các phế thải, rác thải cónguy cơ huỷ hoại môi trường

Nhìn chung tình hình phát sinh rác thải gây ô nhiễm đều xảy ra hầu hết ở tất cảcác ngành, cơ sở, hộ gia đình sản xuất khác nhau Trong số đó hoạt động sản xuấtcacao cũng là một trong những hoạt động phát sinh nguồn thải góp phần vào sự ônhiễm môi trường

Vỏ cacao chiếm khoảng 50% trọng lượng quả cacao Tại các vùng nhiệt đới, đây

là nguồn phế thải quan trọng Trong khi các nước trên thế giới đã có những côngtrình xử lý vỏ cacao để sản xuất thức ăn cho gia súc gia cầm, ứng dụng lên men tạophân bón… thì ở nước ta, rất ít công trình nghiên cứu đến việc ứng dụng của phếphẩm này.[2]

Vỏ cacao chậm phân hủy do có hai thành lignin và cellulose Các phế phẩm nôngnghiệp khác có thời gian phân hủy nhanh hơn vì ít hai thành phần chất này hơn

Có rất nhiều biện pháp xử lý rác thải hiệu quả và không gây ô nhiễm môi trường,tái sử dụng rác thành các sản phẩm có giá trị kinh tế Trong đó biện pháp được ưutiên hàng đầu hiện nay để xử lý chất thải là sử dụng biện pháp phân hủy sinh học, cóhai phương pháp phân hủy sinh học chất thải hữu cơ là chế biến compost hiếu khí

và phân hủy kị khí, trong đó chế biến compost hiếu khí là ít tốn kém, sản phẩm củaquá trình là compost có thể sử dụng làm phân bón Quá trình ủ compost giúpchuyển hóa các dạng hợp chất hữu cơ khó phân hủy như: hydrocacbon, cellulose,lignin… tạo thành các hợp chất đơn giản giàu protein, khoáng và vitamin… có lợicho con người và môi trường Bên cạnh đó nhiệt độ trong hệ thống tương đối cao cóthể cho phép loại được các mầm bệnh do đó quá trình ủ compost được đánh giá là ítảnh hưởng đến môi trường và nhất là phù hợp với các quy luật tự nhiên, có thể tái

sử dụng làm phân bón cho các loại cây nông nghiệp.[21]

Để tăng giá trị sử dụng của trái cacao; giúp người sản xuất giảm chi phí phân bóncho vườn cacao và vườn cây trồng khác; giảm chi phí xử lý ô nhiễm môi trường do

lượng lớn vỏ cacao tạo ra trong quá trình sơ chế Chúng tôi thực hiện đề tài: “Hoàn

thiện quy trình sản xuất phân hữu cơ từ vỏ trái cacao và thân cây họ đậu”.

1.1 Mục tiêu của đề tài

- Tuyển chọn được chế phẩm sinh học có khả năng phân giải cellulose cao ứngdụng vào quá trình ủ vỏ trái ca cao và thân cây đậu;

- Gia công máy nghiền vỏ ca cao và thân cây đậu;

- Kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố trong quá trình ủ;

- Kiểm tra, đánh giá chất lượng phân thành phẩm

1.2 Nội dung nghiên cứu

- Gia công thiết bị xử lí thô vỏ ca cao và thân cây đậu;

- Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao;

- Phân tích các chỉ tiêu đầu vào của vỏ ca cao như: cacbon, cellulose thô, nitơ,nhiệt độ, độ ẩm;

- Xác định công thức phối trộn của các thành phần cho đống ủ;

- So sánh tốc độ hoai mục và sự biến đổi của các yếu tố trong quá trình ủ ở 2nghiệm thức:

 A1 – Nghiệm thức 1: sử dụng chế phẩm Gem-P và Gem-K;

 A2 – Nghiệm thức 2: sử dụng chế phẩm Compost Maker của Viện ThổNhưỡng Nông Hóa Việt Nam;

- Theo dõi sự biến thiên trong quá trình ủ các chỉ tiêu: nhiệt độ, độ ẩm, pH,chất hữu cơ, hàm lượng cacbon, hàm lượng nitơ

- Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của phân thành phẩm

1.3 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học

- Ý nghĩa khoa học: đề tài mở ra hướng mới cho việc tận dụng vỏ cacao vàthân cây đậu tạo thành sản phẩm có ích, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

và giảm đáng kể lượng phân bón hóa học; giảm thiểu thời gian và chi phi phân lậptuyển chọn vi sinh vật;

- Ý nghĩa thực tiễn: quá trình ủ compost dễ thực hiện và có triển vọng cao và

có thể ứng dụng trực tiếp cho nông nghiệp

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu về cây ca cao

2.1.1 Nguồn gốc cây ca cao[4]

Nguồn gốc của cây ca cao ở lưu vực sông amazon, Nam Mỹ Từ đó cây ca caophát triển sang các nước khác ở Trung và Nam Mỹ với hai loại chính là Criollo vàForastero Criollo có dạng hạt tròn, có hương vị nhẹ nhưng tương đối dễ nhiễmbệnh Forastero có dạng cây cao, khỏe, hạt to hơn Criollo nhưng hương vị nhạt hơn.Hạt Forastero dạng dẹp, lá mầm bên trong màu tím, chứa nhiều loại chất béo hơnCriollo

Do vậy, hầu hết các vùng trồng ca cao trên thế giới hiện nay đều trồng dạngForastero Thổ dân Nam Mỹ dùng ca cao làm đồ uống Hạt cac cao được rang lên,nghiền nhỏ, trộn thêm bột ngô, vanilla và đôi khi cả ớt Ngày nay, ở một số nướcnhư Colombia, Philippin, dạng đồ uống đặc sệt như vậy còn tồn tại, mặc dù có thayđổi chút ít như thêm đường, vanilla hoặc tinh dầu quế Ở Nicaragua, hạt ca cao cólúc được dùng như một thứ tiền tệ trong trao đổi mua bán Ca cao được sử dụngrộng rãi từ thế kỷ thứ 6 ở các bộ tộc ở Maya và đến thế kỷ thứ 16 được lưu hànhrộng tãi ở Trung Mỹ Từ thế kỷ 16, ca cao bắt đầu phát triển rộng ra các nước kháctrên thế giới, trước hết là các nước Nam Mỹ và vùng biển Caribe như Venezuela,Haiti, Jamaica Cac cao vượt Thái Bình Dương và được trồng ở Philippin vào đầuthế kỷ 17, sau đó tiếp tục mở rộng qua Ấn Độ và Scrilanca vài chục năm sau Chođến thời gian này loại phụ Criollo vẫn chiếm diện tích chủ yếu Brazil và Ecurador

là những nước đầu tiên phát triển loại phụ Foratestero và đầu thế kỷ 19 ca cao bắtđầu được xuất khẩu với quy mô 2000-5000 tấn từ các nước Nam Mỹ

Cuối thế kỷ 19 ca cao mới được trồng tại các nước Tây Phi, trước hết là Ghana

và Nigieria Ngày nay, ca cao phát triển rất nhanh do có thị trường ởn Châu Âu.Năm 1900 Châu Phi chỉ chiếm 17% tổng sản lượng ca cao thê giới nhưng đến năm

1960, tỷ lệ này đã lên tới 73% Từ năm 1985 trở lại đây, các nước Châu Á bắt đầuphát triển mạnh ca cao, trước hết là ở các nước Malaysia, Indonesia, Ấn Độ, SriLanka…

Vào đầu thế kỷ 20, người Pháp đã đưa cây ca cao vào miền nam Việt Nam, tuynhiên do một số yếu tố cây ca cao thời điểm đó chưa thật sự phát triển Khoảng năm

1994, một dự án về trồng cây ca cao với quy mô 10.000 ha được thực hiện, chủ yếu

ở tĩnh Quảng Ngãi tuy nhiên vẫn thất bại không thể phát triển mạnh như cà phê vàcao su

2.1.2 Đặc điểm cây ca cao

Ca cao là loài thân gỗ nhỏ có thể cao đến 10-20 m nếu mọc tự nhiên trong rừng.Trong sản xuất người ta thường xén bớt để việc thu hoạch có thể dễ dàng hơn và độcao của cây khi đã trưởng thành không vượt quá 7,5 m, đường kính thân cây từ 10-

15 cm Cây ca cao sinh trưởng tốt dưới bóng che, do đó cây ca cao cần được chechắn để tránh bớt tia nắng mặt trời và gió, đặc biệt là trong những giai đoạn đầu củathời kỳ phát triển và có thể trồng xen canh cây ca cao với một số cây kinh tế khác.Thời kỳ kinh doanh hiệu quả có thể kéo dài từ 25 đến 40 năm

Mỗi năm cây ca cao cho đến hàng nghìn hoa ở thân chính và cành to nhưng chỉ

từ 1-3% là đậu thành trái Sau khi thụ phấn trái tăng trưởng chậm trong khoảng 40ngày đầu và đạt tốc độ tối đa sau 75 ngày Sau khi thụ phấn 85 ngày sự tăng trưởngcủa trái chậm lại, trong khi hạt bên trong trái bắt đầu tăng trưởng nhanh, đây cũng làthời kỳ hạt tích lũy chất béo Lớp cơm nhầy hình thành khoảng 140 ngày sau khithụ phấn đến khi trái chín kéo dài từ 5-6 tháng

Trái ca cao có thể đạt chiều dài từ 15-20 cm, khối lượng trung bình từ 200g-1kg.Tùy theo từng loài, hình dạng của trái thay đổi từ hình cầu, hình dài nhọn, hìnhtrứng hoặc hình ống Màu sắc của trái khá đa dạng: màu xanh, màu vàng, màu đỏ.Mỗi trái chứa khoảng 20-40 hạt

Lớp cơm nhầy chiếm khoảng 15-20% trọng lượng của hạt ca cao tươi và chứamột trữ lượng đường rất cao, có thể sử dụng lớp cơm nhầy này làm nước sinh tố,kem hoặc cô đặc làm nước cốt trái cây, hay sử dụng chế biến rượu vang…

Vỏ quả ca cao chứa 3-4% kali trên trọng lượng chất khô, là nguồn phân bón giàukali Tro đốt từ vỏ dã từng được sử dụng để làm xà phòng Vỏ quả ca cao khô, xay

nhỏ có thể độn vào thức ăn cho bò, cừu, dê Bò có thể ăn trực tiếp vỏ tươi thay thếđược cho khẩu phần cỏ voi.

2.1.3 Thành phần hóa học của vỏ trái ca cao

Nước, chất béo, cacbohydrate, nitrogen, acid hữu cơ, muối khoáng,… các thànhphần này sẽ có hàm lượng khác nhau ở chất nhầy, vỏ hạt và thịt hạt

- Chất nhầy (thịt quả) có hàm lượng nước và đường cao nhất, ngoài ra còn cóacid citric làm cho pH thịt quả luôn ở mức 3,5

- Vỏ hạt có hàm lượng cacbohydrate cao, hàm lượng khoáng trung bình cótrong vỏ quả ca cao vào khoảng 8,2% trọng lượng vỏ Trong đó đa số là Fe, K,Mg…

2.2 Giới thiệu về thân cây đậu

- Hiện nay trên địa bàn tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, sản lượng cây đậu tương đốicao, chủ yếu tập trung ở các huyện như Đất Đỏ, Châu Đức, , sau các vụ mùa chủyếu được người dân đốt bỏ, một số ít tận dụng làm nguồn thức ăn cho bò, dê;

- Qua các nghiên cứu cho thấy trong rễ các cây họ đậu có các loại vi khuẩn nốt

sần thuộc chi Rhizobium có khả năng cố định đạm, rất có tiềm năng và triển vọng để

ứng dụng sản xuất phân hữu cơ sinh học;

- Ngoài ra khi bổ sung thân cây đậu còn tạo được độ xốp, thông thoáng chođổng ủ, giúp oxy phân bố đều trong đống ủ

2.3 Giới thiệu về compost

- Quá trình chế bến compost: là quá trình phân hủy sinh học và ổn định củachất hữu cơ dưới điều kiện nhiệt độ thermoliphic Kết quả của quá trình phân hủysinh học tạo ra nhiệt, sản phẩm cuối cùng ổn định, không mang mầm bệnh và có íchcho việc ứng dụng cho cây trồng.[1]

- Compost: là sản phẩm của quá trình chế biến compost, đã được ổn định như

chất mùn, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo các côn trùng, có thể được lưutrữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng.[1]

2.4 Hệ vi sinh vật trong đống ủ compost

2.4.1 Vi sinh vật phân hủy tinh bột trong đống ủ compost

Trong đống ủ có nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột [18] Một

số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệenzyme amylase Ví dụ như một số vi nấm bao gồm một số loài trong các chi

Aspergillus, trong nhóm vi khuẩn có các loài thuộc chi Bacillus, Cytophaga…xạ

khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân giải tinh bột

Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amylase để phânhủy tinh bột Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài enzyme trong hệ

đó Ví dụ như các loài Aspergillus niger, Bacillus subtilis, Clostridium butiricum… chỉ tiết ra môi trường một loại enzyme -amylase Các loài Aspergillus oryzae,

Clostridium acetobutilicum…chỉ tiết ra môi trường enzyme -amylase Một số loài

khác chỉ tiết ra môi trường enzyme glucoamylase Các nhóm này cộng tác với nhautrong quá trình phân hủy tinh bột thành đường

2.4.2 Vi sinh vật phân hủy phosphate trong đống ủ compost

Phospho là một thành phần khoáng rất quan trọng trong tế bào của vi sinh vật và

là một yếu tố dinh dưỡng không thể thiếu được trong sự phát triển của các loài nấm[18] Các hợp chất lân hữu cơ trong đống ủ rất nhiều và có nguồn gốc từ xác thựcvật, phân gia súc, gia cầm…Sự chuyển hóa các hợp chất phospho hữu cơ thànhmuối của H3PO4 được thực hiện bởi nhóm vi sinh vật phân hủy phospho hữu cơ[20]

Những vi sinh vật này có khả năng tiết ra enzymes phosphatase để xúc tác cho quá trình phân giải Vi sinh vật phân giải lân hữu cơ chủ yếu thuộc hai chi Bacillus

và Pseudomonas Các loài có khả năng phân giải mạnh là Bacillus megatherium,

Bacillus mycoides và Pseudomonas sp.

Các hợp chất lân khó tan còn nằm trong các hợp chất khoáng bổ sung vào trongđống ủ Rất nhiều vi sinh vật tham gia phân giải lân vô cơ, trong đó vi khuẩn có rất

nhiều loài phân giải mạnh như: Bacillus megatherium, Bacillus butyricus…

Các vi khuẩn nitrat hóa sống trong đống ủ cũng có khả năng phân giải lân vô cơ,

do nó có khả năng chuyển NH3 thành NO2-, rồi NO3- Rồi NO

-3 sẽ phản ứng với H+

tạo thành HNO3 HNO3 sẽ phản ứng với phosphate khó tan thành dạng dễ tan:

Ca3(PO4)2 + 4HNO3 Ca(H2PO4 )2 + 2Ca(NO3)2

Ngoài ra một số vi nấm và xạ khuẩn cũng có khả năng phân hủy lân vô cơ Trong

nhóm vi nấm thì A.niger có khả năng phân giải lân mạnh nhất.

2.4.3 Vi sinh vật phân giải protein trong đống ủ compost

Quá trình phân giải protein còn gọi là quá trình amon hóa Vai trò của vi sinh vật

chính là thông qua các quá trình amon hóa - phân giải protein, urê, acid uric,… để

biến các chất thải này thành dạng có ích [18] Có nhiều vi sinh vật có khả năng phângiải protein: nấm mốc, xạ khuẩn và vi khuẩn

Muốn phân giải protein các vi sinh vật phải tiết vào môi trường enzyme proteasengoại bào Chúng xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptide và một số liên kếtkhác để phân cắt protein thành các phân tử nhỏ hơn Các chất này tiếp tục đượcphân hủy thành các aminoacid nhờ enzyme peptidase hoặc hấp thu trực tiếp và phânhủy thành aminoacid sau khi vào tế bào, một phần các aminoacid được sử dụng đểxây dựng protein của chúng, một phần tiếp tục bị phân hủy, sản phẩm của quá trìnhnày là NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác

Quá trình phân giải protein có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí và kị khí.Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ được phân giải bởi các loài

thuộc chi Bacillus, Pseudomona…Một số loài trong chi Clostridium thực hiện quá

trình amôn hóa kị khí

Quá trình amon hóa protein là sự phân giải protein kèm theo sự tạo thànhamoniac Quá trình này giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoànnitơ và chuyển nitơ từ dạng khó hấp thụ sang dạng muối amon dễ dàng được câyxanh sử dụng NH3 được tạo ra có thể được oxy hóa để hình thành acid nitrit quacác giai đoạn trung gian, quá trình này gọi là quá trình nitrat hóa

Rất nhiều vi sinh vật có khả năng amon hóa protein:

- Vi khuẩn: Bacillus mycoides, Clostridium…

- Xạ khuẩn: Streptomyces griceus, Streptomyces rimosus…

- Nấm mốc: A.flavus, A.niger, Penicillium, mucor…

2.4.4 Vi sinh vật phân giải hemicellulose trong đống ủ compost

Do cấu trúc của hemicellulose không chặt, rất nhiều vi sinh vật trong các nhómnấm mốc, xạ khuẩn, nấm men và vi khuẩn có khả năng tổng hợp và phân giảihemicellulose [18]

Ngoài ra vi sinh vật phân giải hemicellulose thường có trong dạ dày của động vật

nhai lại như trâu bò, chủ yếu là các giống sau: Bacillus, Bacteroides, Closridium Nhiều loại nấm sợi như: Aspergillus, Penicillium, Trichoderma.

2.5 Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình ủ compost

2.5.1 Phản ứng sinh hóa

Quá trình phân hủy chất thải rắn diễn ra rất phức tạp, qua nhiều giai đoạn và sảnphẩm trung gian Ví dụ, quá trình phân hủy protein: protein  peptides  aminoacids  hợp chất ammonium  nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3.

Đối với carbonhydrate, quá trình phân hủy xảy ra: carbonhydrate đường đơn

 acid hữu cơ  CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn.[5]

Những phản ứng chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí vẫn chưađược nghiên cứu chi tiết Các giai đoạn khác nhau trong quá trình ủ hiếu khí có thểphân biệt theo biến thiên nhiệt độ như sau:

- Pha thích nghi: là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trườngmới

- Pha tăng trưởng: đặc trưng bởi sự gia tăng nhiệt độ do quá trình phân hủysinh học

- Pha ưa nhiệt: là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất Đây là giai đoạn ổn địnhchất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất Phản ứng hóa sinh xảy ratrong quá trình ủ hiếu khí và phân hủy kị khí được đặc trưng bởi 2 phương trình:

CHC + O2 + VSV hiếu khí  CO2 + NH3 + sp khác + năng lượng

CHC + O2 + VSV kị khí  CO2 + H2S +NH3 + CH 4 + sp khác + năng lượng

- Pha trưởng thành: là giai đoạn giảm nhiệt độ đến bằng nhiệt độ môi trường.Quá trình lên men chậm và thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình

chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành chất mùn) và các chất khoáng (sắt, canxi,nitơ…) và cuối cùng thành mùn Các phản ứng nitrat hóa, trong đó ammonia (sảnphẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2)

và cuối cùng thành nitrat (NO3): [14]

22NH4 + 37O2 + 4CO2 + HCO3-  21NO3- + C5H7NO2 + 20H2O + 42H+

2.5.2 Phản ứng sinh học

Ủ compost là quá trình sinh học mà các chất hữu cơ có trong chất thải rắn đượcbiến đổi thành các chất mùn ổn định do hoạt động của các thể chức có thể sốngtrong điều kiện tự nhiên hiện diện trong chất thải Các tổ chức này gồm các loại visinh vật như vi khuẩn, nấm, chất hữu cơ được phân hủy như ban đầu từ vi sinh vậttiêu thụ bậc một như vi khuẩn thực hiện Trong thời gian đầu, vi khuẩn thích hợpđiều kiện Mesophilic xuất hiện trước.[11]

Nhiệt độ tăng khi vi khuẩn Thermophilic xuất hiện chiếm hầu hết các vị trí trongkhối ủ, thermophilic nấm thường tăng trưởng từ 5-10 ngày sau khi ủ Nếu nhiệt độcao hơn 60-70oC thì nấm và hầu hết các vi khuẩn bị ức chế, chỉ còn các dạng bào tử

có thể phát triển, trong giai đoạn cuối cùng, nhiệt độ giảm Actinomycetes trở nênchiếm ưu thế làm cho bề mặt đống ủ xuất hiện màu trắng hoặc nâu

Các loại vi khuẩn Thermophilic, hầu hết là loài Bacillus đóng vai trò quan trọngtrong việc phân hủy protein và hydratcacbon Mặc dù chỉ hoạt động bên lớp ngoàiđống ủ và chỉ hoạt động trong thời gian cuối nhưng nhóm Actinomycetes đóng vaitrò trong việc phân hủy cellulose, lignin và các chất bền vững khác Sau giai đoạn

tiêu thụ bậc một hay sơ cấp thực hiện xong, các chất này sẽ là thức ăn cho các sinhvật tiêu thụ thứ cấp như ve, bọ cánh cứng, giun tròn, động vật nguyên sinh, phiêusinh.[10]

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost

Nhiệt độ tối ưu là 50 – 60oC, thích hợp với vi khuẩn thermophilic và tốc độphân hủy các chất hữu cơ là cao nhất Nhiệt độ trên ngưỡng này sẽ ức chế hoạt độngcủa vi sinh vật làm cho quá trình phân hủy diễn ra không thuận lợi, còn nhiệt độthấp hơn ngưỡng này thì phân sẽ không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh

Nhiệt độ trong luống ủ có thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau như hiệuchỉnh độ thoáng khí và độ ẩm, cô lập khối ủ với môi trường bên ngoài bằng cáchche phủ hợp lý

Bảng 1 Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật

Khoảng dao động Tối ưu

Độ ẩm tối ưu thường 50 – 60 % Các vi sinh vật đóng vai trò quyết định trongquá trình phân hủy chất hữu cơ thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt củachất hữu cơ Nếu độ ẩm quá nhỏ (< 30%) sẽ hạn chế hoạt động của vi sinh vật, còn

khi độ ẩm quá lớn (> 70%) thì quá trình phân hủy sẽ chậm lại, sẽ chuyển sang chế

độ phân hủy kị khí vì quá trình thổi khí bị cản trở do hiện tượng bít kín các khe rỗngkhông cho không khí đi qua, gây mùi hôi, rò rỉ chất dinh dưỡng và lan truyền visinh vật gây bệnh

Độ ẩm ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước có nhiệtdung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác

Độ ẩm thấp có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào Độ ẩm cao có thể điềuchỉnh bằng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như : mạt cưa, rơm rạ…Thông thường độ ẩm của phân bắc, bùn và phân động vật thường cao hơn giá trịtối ưu, do đó cần bổ sung thêm các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết.Đối với hệ thống sản xuất phân hữu cơ liên tục, độ ẩm có thể được khống chế bằngcách tuần hoàn sản phẩm phân hữu cơ

2.6.1.3 Kích thước hạt

Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy Quá trình phân hủy hiếu khíxảy ra trên bề mặt hạt, hạt có kích thước nhỏ sẽ có tổng diện tích bề mặt lớn nên sẽtăng sự tiếp xúc với oxy, gia tăng vận tốc phân hủy

Tuy nhiên, nếu kích thước hạt quá nhỏ và chặt sẽ làm hạn chế sự lưu thông khítrong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các vi sinh vật trong đống ủ vàgiảm mức độ hoạt tính của vi sinh vật Ngược lại, hạt có kích thước quá lớn sẽ có độxốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí không đều, không có lợi choquá trình chế biến phân hữu cơ

Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3 – 50mm Kích thước hạttối ưu có thể đạt được bằng nhiều cách như cắt, nghiền và sàng vật liệu thô ban đầu.[6]

2.6.1.4 Độ xốp

Độ xốp là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến phân hữu cơ Độ xốptối ưu sẽ thay đổi tùy theo loại vật liệu chế biến phân, thông thường độ xốp cho quátrình chế biến phân diễn ra tốt khoảng 35–60%, tối ưu là 32–36%

Độ xốp của chất thải hữu cơ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cung cấp oxy cầnthiết cho sự trao đổi chất, hô hấp của các vi sinh vật hiếu khí và sự oxy hóa cácphần tử hữu cơ hiện diện trong các vật liệu ủ Độ xốp thấp sẽ hạn chế sự vận chuyểnoxy , nên hạn chế sự giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ khối ủ Ngược lại, độxốp cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh không bị tiêu diệt

Độ xốp có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỷ lệtrộn hợp lý

2.6.2 Các yếu tố hóa sinh

2.6.2.1 Chất dinh dưỡng

Có rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật: trong đóCacbon và Nitơ là cần thiết nhất, tỷ lệ C/N là thông số dinh dưỡng quan trọng nhất;photpho (P) là yếu tố quan trọng kế tiếp; lưu huỳnh (S); canxi (Ca) và các nguyên tố

vi lượng khác cũng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào.[19]

Khoảng 20-40% C của chất thải hữu cơ (trong chất thải nạp liệu) cần thiết choquá trình đồng hóa thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hóa thành CO2 Cacboncung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo ra khoảng 50% khối lượng tế bào visinh vật Nitơ là thành phần chủ yếu của protein, acid nucleic, acid amin, enzyme,co-enzyme cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào

Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ compost là khoảng 30/1 Ở mức tỷ lệ thấp hơn,Nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, nguyên nhân gây ra mùi khai Ở mức tỷ lệ cao hơn,

sự phân hủy xảy ra chậm

Tỷ lê C/N của các chất thải khác nhau được trình bày trong bảng sau Trừ phânngựa và lá khoai tây, tỷ lệ C/N của tất cả các chất thải khác nhau đều phải được điềuchỉnh để đạt giá trị tối ưu trước khi tiến hành làm phân

Mặc dù tỷ lệ C/N khoảng 30/1 là mục tiêu tối ưu trong quá trình ủ phân compost,nhưng tỷ lệ này có thể được điều chỉnh theo giá trị sinh học của vật liêu ủ, trong đóquan trọng nhất là cần quan tâm tới các thành phần có hàm lượng lignin cao.

Trong thực tế, việc tính toán và hiệu chỉnh chính xác tỷ lệ C/N tối ưu gặp phảikhó khăn vì nhưng lý do sau:

- Một phần các cơ chất như cellulose và lignin khó bị phân hủy sinh học, chỉ

bị phân hủy sau một khoảng 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 khuẩnAzotobacter, đặc biệt khi có mặt đủ PO4 3-;

- Phân tích hàm lượng C khó đạt kết quả chính xác.

Nếu tỷ lệ C/N của nguyên liệu làm phân cao hơn giá trị tối ưu, sẽ hạn chế sự pháttriển của vi sinh vật do thiếu N Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hóa, oxyhóa phân cacbon dư cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp Do đó, thời gian cần thiếtcho quá trình làm phân bị kéo dài hơn và sản phẩm thu được chứa ít mùn hơn Theonghiên cứu cho thấy, nếu tỷ lệ C/N ban đầu là 20, thời gian cần thiết cho quá trìnhlàm phân là 12 ngày, nếu tỷ lệ này dao động trong khoảng 20 – 50, thời gian cầnthiết là 14 ngày và nếu tỷ lệ C/N =78, thời gian cần thiết là 21 ngày.[15]

2.6.2.2 pH

Giá trị pH trong khoảng 5,5 – 8,5 là tối ưu cho các vi sinh vật trong quá trình ủphân compost Các vi sinh vật, nấm tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các acidhữu cơ Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ phân rác, các acid này bị tích tụ và kếtquả làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và vi sinh vật, kìm hãm sự phânhủy lignin và cellulose Các acid hữu cơ sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình ủphân Nếu hệ thống trở nên yếm khí, việc tích tụ các acid có thể làm pH giảm xuốngđến 4,5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của vi sinh vật

2.6.2.3 Vi sinh vật

Chế biến compost là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều loại vi sinh vật khácnhau Vi sinh vật trong quá trình chế biến compost bao gồm : actinomycetes và vikhuẩn Những loại vi sinh vật này có sẵn trong chất hữu cơ, có thể bổ sung thêm visinh vật từ các nguồn khác để giúp quá trình phân hủy xảy ra nhanh và hiệu quảhơn

Hiện nay có nhiều chủng vi sinh vật đã được các nhà khoa học nghiên cứu, phânlập sử dụng để phân giải các chất hữu cơ một cách hiệu quả Chúng phân giải cácchất dễ phân hủy như tinh bột đến các chất khó phân hủy như Lignin và cellulose.[20]

2.6.2.4 Chất hữu cơ

Tốc độ phân hủy tùy thuộc vào thành phần và tính chất của chất hữu cơ Chấthữu cơ hòa tan dễ dàng phân hủy hơn chất hữu cơ không hòa tan Lignin và ligno-cellulose là những chất phân hủy rất chậm.

Bảng 3 Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân hữu cơ[13]

Tỷ lệ C/N tối ưu dao động trong khoảng 25–50

- Ở tỷ lệ thấp hơn, dư NH3, hoạt tính sinh học giảm;

- Ở tỷ lệ cao hơn, chất dinh dưỡng bị hạn chế

Pha trộn Thời gian ủ ngắn hơn

Độ ẩm Nên kiểm soát trong phạm vi 50-60% trong suốt quá trình ủ,

tối ưu là 55%

Đảo trộn

Nhằm ngăn ngừa hiện tượng khô, đóng bánh và tạo thành cácrãnh khí, trong quá trình làm phân hữu cơ, chất thải hữu cơ phải được xáo trộn định kỳ Tần suất đảo trộn phụ thuộc vào quá trình thực hiện

Nhiệt độ

Phải được duy trì trong khoảng 50-55oC đối với một vài ngàyđầu và 55-60oC trong những ngày sau đó Trên 66oC hoạt tính của vsv giảm đáng kể

pH Tối ưu là 7 - 7,5 để hạn chế sự bay hơi nitơ dưới dạng NH3,

pH không được vượt quá 8,5

Mức độ

phân hủy Đánh giá qua sự giảm nhiệt độ vào thời gian cuối.

2.7 Lợi ích và hạn chế của quá trình ủ compost

2.7.1 Lợi ích

- Là phương án được lựa chọn để bảo tồn nguồn nước và năng lượng;

- Kéo dài tuổi thọ cho các bãi chôn lấp;

- Ổn định chất thải: các phản ứng sinh học xảy ra trong quá trình chế biếncompost sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ dễ thối rữa sang dạng ổn định, chủ yếu làcác chất vô cơ ít gây ô nhiễm môi trường khi thải ra đất hoặc nước;

- Làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh: nhiệt của chất thải sinh ra từ quátrình phân hủy sinh học có thể đạt khoảng 60oC, đủ để làm mất hoạt tính của vikhuẩn gây bệnh, vius và trứng giun sán nếu như nhiệt độ này được duy trì ít nhấtmột ngày, các sản phẩm của quá trình chế biến compost có thể thải bỏ an toàn trênđất hoặc sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng cho đất;

- Thu hồi dinh dưỡng và cải tạo đất: các chất dinh dưỡng (N, P, K) có trongchất thải thường ở dạng hữu cơ phức tạp, cây trồng khó hấp thụ Sau quá trình làmphân compost, các chất này được chuyển thành các chất vô cơ như NO3- và PO43+

thích hợp cho cây trồng Sử dụng sản phẩm của quá trình chế biến compost bổ sungdinh dưỡng cho đất có khả năng làm giảm thất thoát dinh dưỡng do rò rỉ các chấtdinh dưỡng vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng không tan Thêm vào đó, lớp đất trồngcũng được cải tiến nên giúp rễ phát triển tốt hơn;

- Làm khô bùn: phân người, phân dộng vật và bùn chứa khoảng 80 – 95%nước, do đó chi phí thu gom vận chuyển và thải bỏ cao Làm khô bùn trong quátrình ủ phân compost là phương pháp lợi dụng nhiệt của chất thải sinh ra từ quátrình phân hủy sinh học làm bay hơi nước chứa trong bùn;

- Tăng khả năng kháng bệnh cho cây trồng: Trong đất bón phân vi sinh vớihàm lượng dinh dưỡng cao, dễ hấp thụ và chủng loại vi sinh vật đa dạng khôngnhững làm tăng năng suất cây trồng mà còn giảm thiểu bệnh cho cây trồng hơn sovới các loại phân bón hóa học khác

2.7.2 Hạn chế

- Hàm lượng chất dinh dưỡng trong compost không thỏa mãn yêu cầu;

- Do đặc tính của chất thải hữu cơ có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thờigian, khí hậu và phương pháp chế biến phân, dẫn đến tính chất của sản phẩm cũngkhác nhau Bản chất của vật liệu làm compost thường làm cho sự phân bố nhiệt độtrong khối phân không đồng đều, do đó khả năng làm mất hoạt tính của vi sinh vậtgây bệnh trong sản phẩm compost cũng không hoàn toàn;

- Quá trình sản xuất compost tạo mùi khó chịu nếu không thực hiện quy trìnhsản chế biến đúng cách;

- Hầu hết các nhà nông vẫn thích sử dụng phân hóa học vì không quá đắt tiền,

dễ sử dụng và tăng năng suất cây trồng một cách rõ ràng[12]

2.8 Một số phương pháp ủ compost trên thế giới

2.8.1 Phương pháp ủ theo luống dài và thổi khí thụ động có xáo trộn

Trong phương pháp này, vật liệu ủ được sắp xếp theo luống dài và hẹp, và đượcđảo trộn theo một chu kỳ nhất định nhằm cấp khi cho luống ủ… Các luống compostđược xáo trộn bằng cách di chuyển luống compost với xe xúc hoặc xe trộn chuyêndụng

Các luống ủ có chiều dài thay đổi từ 1m (đối với nguyên liệu có mật độ dày nhưphân) đến 3,5m (đối với nguyên liệu nhẹ như lá cây) Chiều rộng luống ủ thay đổi

từ 1,5-6m

Không khí (oxy) được cung cấp tới hệ thống bằng các con đường tự nhiên như dokhuếch tán, gió, đối lưu nhiệt… các luống phân đươc xáo trộn định kỳ thườngxuyên nhằm trộn đều chất thải rắn trong luống phân, trộn đều độ ẩm và hỗ trợ chothổi khí thụ động Việc xáo trộn được thực hiện bằng xe xáo trộn chuyên dụng hoặcbằng xe xúc Các thiết bị sử dụng được xác định theo hình dạng thực tế của luống ủ.Tốc độ làm thoáng khí phụ thuộc độ xốp của đống ủ Luống ủ với các nguyênliệu nhẹ như lá cây có tốc độ thoáng khí lớn hơn tốc độ thoáng khí của luống ủ vớinguyên liệu phân Nếu luống ủ quá lớn, các vùng kị khí có thể xuất hiện ở khu vựctrung tâm, điều này sẽ tạo mùi khi luống ủ được đảo trộn Ngược lại, các luống ủ

nhỏ sẽ mất nhiệt quá nhanh và sẽ không thể đạt được nhiệt độ đủ lớn để diệt vi sinhvật gây bệnh và bay hơi ẩm.

Đảo trộn sẽ làm cho nguyên liệu ủ được trộn đều, tạo lại độ xốp của đống ủ, loạitrừ được các khoảng trống tạo ra bởi sự phân hủy và sa lắng Đảo trộn sẽ làm xáotrộn các vật liệu bên trong và bên ngoài đống ủ Điều này sẽ làm cho tất cả các vậtliệu được tiếp xúc với không khí phía bên ngoài và nhiệt độ cao phía bên trong củađống ủ Bằng cách này, tất cả các vật liệu sẽ được phân hủy với tốc độ như nhau vàcác vi sinh vật gây bệnh, ấu trùng của côn trùng có cánh sẽ bị diệt Thêm vào đó,đảo trộn sẽ xé nhỏ các phần tử nguyên liệu rắn làm gia tăng diện tích bề mặt tiếpxúc và các vật liệu được trộn lẫn nhau

- Do xáo trộn thường xuyên nên chất lượng compost thu được khá đều;

- Vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp vì không cần hệ cung cấp khí

- Cần nhiều nhân công;

- Thời gian ủ dài (3 đến 6 tháng);

- Do sử dụng thổi khí tự động nên khó quản lý, đặc biệt là khó kiểm soát nhiệt

độ và nấm bệnh;

- Xáo trộn luống compost thường gây thất thoát nitơ và gây mùi;

- Quá trình ủ có thể bị phụ thuộc vào điều kiện thời tiết;

- Cần một lượng lớn vật liệu tạo cấu trúc và vật liệu tạo cấu trúc này khó tìmhơn so với các phương pháp khác

2.8.2 Phương pháp ủ theo luống dài hoặc đống với thổi khí cưỡng bức

Trong phương pháp này vật liệu được sắp xếp thành đống hoặc luống dài Khôngkhí được cung cấp cho hệ thống bằng quạt thổi khí hoặc bơm nén khí qua hệ thốngphân phối khí như ống phân phối khí hoặc sàn phân phối khí Chiều cao luống hayđống ủ khoảng 2÷2,5m

Để kiểm soát quá trình phân hủy hiếu khí bên trong khối ủ, mỗi khối ủ thườngđược trang bị một máy thổi khí Lượng không khí cung cấp phải đảm bảo đủ nhucầu oxy cho quá trình chuyển đổi sinh học và nhằm kiểm soát nhiệt độ trong khối ủ.Thời gian cần thiết cho quá trình ủ khoảng 3-5 tuần, phần mùn sau khi ủ đượcđem đi sàng tinh nhằm thu được sản phẩm phân chất lượng cao.

Trong một vài trường hợp, những vật liệu có kích thước lớn, độ ẩm thấp như mạtcưa, gỗ vụn được thêm vào để kiểm soát độ ẩm của khối ủ ở mức tối ưu

- Dễ kiểm soát khi vận hành hệ thống, đặc biệt là kiểm soát nhiệt độ và nồng

độ oxy trong luống ủ;

- Giảm mùi hôi và mầm bệnh;

- Thời gian ủ ngắn (3 – 6 tuần);

- Nhu cầu sử dụng đất thấp và có thể vận hành ngoài trời hoặc có che phủ

- Hệ thống phân phối khí dễ bị tắc nghẽn, cần bảo trì thường xuyên;

- Chi phí bảo trì hệ thống và năng lượng thổi khí của phương pháp này caohơn thổi khí thụ động.[17]

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Phương tiện nghiên cứu

3.1.1 Thời gian và địa điểm

- Thời gian: 10/02/2014 đến 30/06/2014

- Địa điểm: phòng Thí nghiệm Vi sinh –Hóa sinh, khuôn viên cơ sở 3 TrườngĐại học Bà Rịa-Vũng Tàu

3.1.2 Nguyên vật liệu

- Chế phẩm Compost maker của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa Việt Nam;

- Các nguyện liệu ủ: vỏ ca cao và thân cây đậu được thu mua từ huyện ChâuĐức, Bà Rịa- Vũng Tàu và các thành phần bổ sung như phân bò, ure, lân,DAP v.v

- Các môi trường nghiên cứu đã sử dụng sử dụng: Môi trường hoạt hóa chếphẩm M1: NH4NO3 1g; KH2PO4 0,5g; MgSO4.7H2O 0,5g; NaCl 1g; CaCl2 0,1g;FeCl3 0,02g; cao nấm men 0,05g; CMC 10g; nước cất 1000ml; pH = 7÷7.2 Môitrường đục lỗ thạch WA: CMC 10g; Agar 20g; nước cất 1000ml Môi trường hoạthóa nhân sinh khối chế phẩm M2: Chế phẩm men vi sinh 2kg; rỉ đường 0,5lít; urea2kg, DAP kg; MgSO4 0,5kg; KNO4 0,5kg; pH= 7[1]

3.1.3 Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu

- Giấy lọc không tro

- Acid sunfulric đậm dặc và dungdịch H2So4 0,1 N

- Hỗn hợp xúc tác sunfat đồng và

- Giấy lọc không tro

kali sunfat theo tỷ lệ 1: 10

3.2.1 Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao 3.2.1.1 Mục đích: Chọn lọc được chế phẩm sinh học có khả năng sinh enzyme

cellulase có hoạt độ cao nhất để ứng dụng vào quá trình ủ

 Ưu điểm: có thể tuyển chọn nhanh chóng, dễ dàng chế phẩm sinh học có khảnăng phân hủy cellulose mạnh mà không phải mất nhiều thời gian và chi phí bằngphân lập và tuyển chọn vi sinh vật

 Tiến hành: lấy mỗi chế phẩm sinh học 10g pha trong 90ml môi trường M1,

có bổ sung vỏ cacao làm cơ chất cảm ứng Hoạt hóa trong môi trường M1 trong bađiều kiện khác nhau đó là điều kiện hiếu khí; kỵ khí; kết hợp giữa hiếu khí và kỵkhí Sau khi hoạt hóa ở 48h, 72h, 96h, lần lượt đem chiết dịch enzyme và thử hoạttính enzyme bằng phương pháp đục lỗ thạch để xác định đường kính vòng phân giảitrong môi trường WA , và xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp đoquang dựa trên phản ứng màu của đường khử sinh ra và dung dịch DNS

3.2.1.2. Bố trí thí nghiệm

Hình 1 Cách bố trí thí nghiệm tuyển chọn chế phẩm 3.2.2 Gia công máy nghiền vỏ ca cao

3.2.2.1 Mục đích: Gia công máy nhỏ gọn, đơn giản, chạy bằng điện, sử dụng các

răng nhỏ có tác dụng vừa cắt đứt vừa chà xát với tấm lưới kim loại bên dưới, sửdụng motor 2 mã lực để nghiền nhỏ vỏ cacao, phá vỡ kết cấu cellulose, tăng diệntích bề mặt tiếp xúc, rút ngắn thời gian hoai mục vỏ cacao khi ủ

3.2.2.2 Bố trí thí nghiệm

Nhóm chúng tôi đã gia công máy nghiền vỏ với các thông số như sau: tổng chiều

cao 85cm; chân đế rộng 40cm; phễu nhập liệu hình chữ nhật với kích thước45x30cm; ru lô có đường kính 15cm, chiều dài 28cm, trên bề mặt có hàn 8 lớp daocắt được sắp xếp so le có chức năng vưa cắt nhỏ vừa kết hợp chà xát với tấm lưới

đỡ bên dưới, lưới sắt được bố trí phía dưới có thể di chuyển tại chỗ để điều chỉnh độ

mở của niệng tháo sản phẩm, có thể năng động thay đổi kích thước hạt nhờ 2 đai ốcđiều khiển bên dưới; ru lô hoạt động nhờ cơ cấu truyền động thông qua băng tải và

bu ly có đường kính 10cm, được tải nhờ motor công suất 2 mã lực đạt số vòng quay

1800 vòng/phút Bản vẽ chi tiết máy nghiền được thể hiện trên hình 2a và 2b

Hình 2a Hình chiếu cạnh Hình 2b Hình chiếu đứng

 Ưu điểm: Nhỏ gọn dễ đàng di chuyển, đơn giản, chạy bằng điện, sử dụng các

răng nhỏ có tác dụng vừa cắt đứt vừa chà xát với tấm lưới bên dưới, sử dụng motor

2 mã lực để nghiền nhỏ vỏ cacao, năng động thay đổi kích thước hạt Sau khinghiền kích cỡ vỏ đạt khoảng 0,5x0,5 cm

3.2.3 Xây dựng quy trình ủ và khảo sát sự biến đổi của các nhân tố chính trong quá trình ủ.

3.2.3.1 Mục đích: Chuyển hóa vỏ trái cacao và thân cây đậu thành phân bón hữu cơ

với công thức đơn giản, dễ dàng kiểm soát được các yếu tố diễn ra trong quá trình ủ,khắc phục được mùi, thời gian phân hủy vỏ ngắn

3.2.3.2 Bố trí thí nghiệm

 Nguyên liệu:

Bảng 4 Thành phần nguyên liệu ủ phân

Hình 3 Bố trí thí nghiệm quy trình ủ phân

- Bước 1: Nghiền thô, làm giảm độ ẩm nguyên liệu vỏ cacao

Vỏ cacao được nghiền thô (khoảng 0,5cm x 0,5cm), trải thành lớp mỏng phơi trựctiếp ngoài nắng để làm giảm độ ẩm đến khoảng 40-45%

- Bước 2: Làm tăng sinh khối men vi sinh

Cần phơi khô vỏ cacao đến độ ẩm khoảng 40-45% để sau khi tưới dịch men vi sinhvào khối hỗn hợp đạt độ ẩm 50-55% (bóp mạnh trong tay thấy vừa ứa nước) Tínhcho 1 tấn vỏ cacao: Khuấy 2 kg hỗn hợp men vi sinh trong nước pha rỉ đường loãng(0,5-1,0 lít rỉ đường/200 lít nước) hòa với hỗn hợp gồm: 2 kg urea, 1 kg DAP, 0,5

kg MgSO4 và 0,5 kg KNO3 để khoảng 2 ngày cho tăng sinh khối vi sinh rồi sau đódùng dịch này phun đều vào đống ủ

- Bước 3: Phối trộn dịch men vi sinh, ủ hoai

Trước khi tưới hỗn hợp dung dịch men vi sinh đem phối trộn phân bò Trải đều

vỏ cacao và thân cây đậu thành từng lớp xen kẽ nhau đồng thời phun hoặc tưới đềudịch men vi sinh có hòa với super lân (1% lượng vỏ cacao) và urea (0,05% lượng vỏcacao) Vun thành đống cao >1,2m; phủ bạt che kín đống ủ khoảng 7-10 ngày đểgiữ nhiệt độ Chú ý, tùy điều kiện mặt bằng, phương tiện thiết bị để đảo trộn có thểchất đống ủ với khối lượng tùy ý nhưng cần phải khá lớn (chiều cao >1,2m) để cóthể tạo và giữ nhiệt độ cho đống ủ (nhiệt độ tối đa có thể lên đến 60-70oC) giúp việcphân hủy nhanh và triệt để hơn Khâu này có thể được thực hiện ngoài sân bãi Sau7-10 ngày đảo trộn đống ủ để cung cấp oxy Tiếp tục đậy kín lại sau 7 - 10 ngày thìtiếp tục đảo trộn

Trong thời gian ủ tiến hành kiểm tra nhiệt độ, pH, độ ẩm, hàm lượng nitơ, hàmlượng cacbon, hàm lượng cellulose thô và điều chỉnh các thông số cho phù hợp vớiđiều kiện hoạt đông của vi sinh vật để cho đống ủ nhanh hoai nhất

 Ưu điểm: công thức ủ đơn giản, dễ thực hiện do đó có triển vọng cao trongviệc chuyển giao công nghệ cho người đân thực hiện Có bổ sung cây đậu có chứa

vi sinh vật cố định đạm giúp cải thiện hàm lượng đạm cho đống ủ Bên cạnh đó việcgia công máy nghiền cho phép giảm thiểu kích thước hạt và tăng diện tích bề mặtgiúp rút ngắn quá trình phân hủy cho đống ủ

3.2.3.3. Các chỉ tiêu theo dõi trong thời gian ủ

- Biến thiên nhiệt độ theo thời gian ủ;

- Biến thiên độ ẩm theo thời gian ủ;

- Biến thiên pH theo thời gian ủ;

- Biến thiên hàm lượng cellulose theo thời gian ủ;

- Biến thiên hàm lượng nitơ theo thời gian ủ;

- Biến thiên hàm lượng cacbon theo thời gian ủ;

- Biến thiên tỷ lệ C:N theo thời gian ủ

Các phương pháp xác định nhiệt độ, độ ẩm, pH theo TCVN 5979:1995 (ISO10390:1994); Xác định nitơ, phosphor tổng và kali hữu hiệu theo TCVN 8557-