Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất phân hữu cơ từ vỏ trái cacao ở quy mô phòng thí nghiệm

Mã số: 40101 Chủ nhiệm đề tài: Lê Đình Chí Công Danh sách cán bộ tham gia: Bà Rịa-Vũng Tàu Bà Rịa-Vũng Tàu  Nộ du c : - Gia công thiết bị xử lí thô vỏ ca cao và thân cây đậu; - Tuyển c

Đề tài: “Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ từ vỏ trái cacao ở u t ệ ”

Mã số: 40101

Chủ nhiệm đề tài: Lê Đình Chí Công

Danh sách cán bộ tham gia:

Bà Rịa-Vũng Tàu

Bà Rịa-Vũng Tàu

 Nộ du c :

- 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

 Kết uả đạt được:

- Về k oa ọc:

+ Tuyển chọn được chế phẩm sinh học Compost Marker có khả năng phân giải cellulose cao, thích nghi tốt với môi trường đống ủ vỏ ca cao, hiệu suất phân giải cao Tiết kiệm thời gian nghiên cứu và chi phí do không phải thực hiện khâu phân lập, tuyển chọn vi sinh vật phân hủy cellulose trong đống ủ;

+ Gia công máy nghiền thô vỏ trái ca cao và thân cây đậu, đạt kích thước khoảng 0,5x0,5cm, góp phần rút ngắn thời gian phân hủy nguyên liệu thành mùn; + Xây dựng công thức ủ phân hữu cơ khá đơn giản có thể chuyển giao cho nông dân thực hiện

+ Tạo ra được sản phẩm phân hữu cơ sau 36 ngày ủ có các thông số phù hợp

với tiêu chuẩn phân bón quy định

- Về k tế - xã ộ :

+ Tận dụng nguồn phế phẩm vỏ trái ca cao, thân cây đậu để sản xuất thành

phân hữu cơ giúp giảm bớt chi phí phân bón hóa học, góp phần làm tăng hàm lượng chất hữu cơ trong đất, tăng độ phì và cấu trúc đất từ đó tăng giá trị sử dụng đất + Giảm kinh phí xử lý ô nhiễm môi trường sinh thái đất, nước, không khí do lượng lớn vỏ ca cao tạo ra trong quá trình sơ chế đã được tái chế thành phân hữu cơ, sản phẩm phân đạt chuẩn

+ Tránh hiện tượng lây lan nấm bệnh từ vỏ sang cây ca cao cũng như sang các cây trồng khác

+ Tăng thêm nguồn hàng hóa mới cho nhà nước, nghĩa là tăng thêm tổng thu nhập quốc dân

+ Tạo thêm việc làm mới cho một số người lao động, thu nhập được ổn định, cuộc sống tốt hơn, văn minh hơn

- Về k ả ă ứ dụ :

Kết quả của đề tài sẽ làm cơ sở khoa học và thực tiễn để chuyển giao quy trình công nghệ cho các đơn vị ứng dụng, người sản xuất, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất của địa phương và các tỉnh lân cận, phục vụ chương trình

sản xuất nông phẩm an toàn

T ờ a ê cứu: Từ 1/11/2013 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 tôi hoàn thành đề tài

- ThS Trần Thị Duyên, KS Nguyễn Văn Tới đã nhiệt tình hướng dẫn, định hướng 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 tạo điều 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 giúp tôi 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

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Ý ĩa t ực tiễ và ý ĩa k oa ọc của đề tài 3

1.5 Tính mới của đề tài 3

CHƯƠNG : T NG AN 4

2.1 G ớ t ệu về c ca cao 4

2.1.1 Nguồn gốc cây ca cao 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 t c đậu 6

2.3 G ớ t ệu về compost 7

2.4 Chế phẩm sinh học 7

2.4.1.Chế phẩm GEM 7

2.4.2.Chế phẩm Compost maker 9

2.5 Hệ vi sinh vật tro đống ủ compost 10

2.4.1.Vi sinh vật phân hủy tinh bột trong đống ủ compost 10

2.4.2.Vi sinh vật phân hủy phosphate trong đống ủ compost 10

2.4.3.Vi sinh vật phân giải protein trong đống ủ compost 11

2.4.4.Vi sinh vật phân giải hemicellulose trong đống ủ compost 12

2.4.5.Vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase tốt trong tự nhiên 12

2.5. Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình ủ compost 14

2.5.1 Phản ứng sinh hóa 14

2.6 Các yếu tố ả ưở đến quá trình ủ compost 16

2.6.1.Các yếu tố vật lý 16

2.6.2.Các yếu tố hóa sinh 18

2.7 Lợi ích và hạn chế của quá trình ủ compost 23

2.7.1.Lợi ích 23

2.7.2.Hạn chế 24

2.8 Một số ươ á ủ compost trên thế giới 24

2.8.1.Phương pháp ủ theo luống dài và thổi khí thụ động có xáo trộn 24

2.8.2.Phương pháp ủ theo luống dài hoặc đống với thổi khí cưỡng bức 25

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

3.1 P ươ t ện nghiên cứu 27

3.1.1.Thời gian và địa điểm 27

3.1.2.Nguyên vật liệu 27

3.1.3.Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 27

3.2 P ươ á ê cứu 28

3.2.1.Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao 28

3.2.2.Gia công máy nghiền vỏ ca cao 30

3.2.3.Xây dựng quy trình ủ và khảo sát sự biến đổi của các nhân tố chính trong quá trình ủ 32

3.3 P ươ á t ống kê và xử lý số liệu 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

4.1 Kết quả tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả ă ải cellulose cao 36

4.1.1 Kết quả tuyển chọn định tính bằng phương pháp đục lỗ thạch 36

4.1.2 Kết quả tuyển chọn định lượng bằng phương pháp đo quang 40

4.1.3 Kết quả gia công máy nghiền vỏ ca cao và thân cây đậu 46

4.2 Kết quả phân tích các chỉ t êu đầu vào 47

4 4 ế t ê độ ẩ t o t ờ a ủ 50

4 ế t ê H t o t ờ a ủ 52

4 ế t ê à ượ xơ t t o t ờ a ủ 54

4 ế t ê à ượ tơ t o t ờ a ủ 55

4 ế t ê à ượ cac o t o t ờ a ủ 57

4 ế t ê tỷ ệ C N t o t ờ a ủ 58

4 10 Đặc tính sản phẩm 60

CHƯƠNG : ĐÁNH GIÁ VÀ KIẾN NGHỊ 61

1 ĐÁNH GIÁ 61

5.2 KIẾN NGHỊ 61

PHỤ LỤC 64

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Cách bố trí thí nghiệm tuyển chọn chế phẩm 29

Hình 2a Hình chiếu cạnh máy nghiền 26

Hình 2b Hình chiếu đứng máy nghiền 31

Hình 3 Bố trí thí nghiệm quy trình ủ phân 33

Hình 4 Đường kính vòng phân giải trên môi trường thạch 39

Hình 5 Máy nghiền vỏ ca cao và thân đậu 46

Hình 6 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ 48

Hình 7 Sự thay đổi độ ẩm trong quá trình ủ 50

Hình 8 Sự thay đổi pH trong quá trình ủ 53

Hình 9 Sự biến đổi hàm lượng xơ thô trong quá trình ủ 54

Hình 10 Sự thay đổi hàm lượng nitơ 56

Hình 11 Sự thay đổi hàm lượng cacbon trong quá trình ủ 57

Hình 12 Biểu đồ sự thay đổi tỷ lệ C/N trong quá trình ủ 59

Hình 13 Biểu đồ đường glucose chuẩn 67

DANH MỤC ẢNG

Bảng 1 Chủng vi sinh vật sinh enzyme cellulase ngoại bào 12

Bảng 2 Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật 16

Bảng 3 Tỷ lệ C/N của một số chất thải 19

Bảng 4 Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân hữu cơ 22

Bảng 5 Thành phần nguyên liệu ủ phân 32

Bảng 6 Đường kính vòng phân giải hoạt hóa điều kiện hiếu khí 36

Bảng 7 Đường kính vòng phân giải hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 37

Bảng 8 Đường kính vòng phân giải hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 38

Bảng 9 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí 40

Bảng 10 Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí 41

Bảng 11 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí 41

Bảng 12 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 42

Bảng 13 Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 42

Bảng 14 Kết quả đo quang sau 96h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí 43

Bảng 15 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 44

Bảng 16 Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 44

Bảng 17 Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí 45

Bảng 18 Chỉ tiêu đầu vào của nguyên liệu 47

Bảng 19 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ 48

Bảng 20 Sự thay đổi độ ẩm trong quá trình ủ 50

Bảng 21 Sự thay đổi pH trong quá trình ủ 52

Bảng 22 Sự thay đổi hàm lượng xơ thô trong quá trình ủ 54

Bảng 23 Sự thay đổi hàm lượng nitơ 55

Bảng 24 Sự thay đổi hàm lượng Cacbon 57

Bảng 25 Sự thay đổi tỷ lệ C/N trong quá trình ủ 58

Bảng 26 Đặc tính sản phẩm 60

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦ 1.1 T cấ t ết của đề tà

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]

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]

Để tăng giá trị sử dụng của trái cacao; giúp người sản xuất giảm chi phí phân bón cho 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 công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ từ vỏ trái cacao ở quy mô phòng thí nghiệm”

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Tuyển chọn được chế phẩm sinh học có khả năng phân giải cellulose cao ứng dụng 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

1.3 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 2 nghiệm 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 Thổ Nhưỡng 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

1.4 Ý ĩa t ực tiễ và ý ĩa k oa ọc của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: đề tài mở ra hướng mới cho việc tận dụng vỏ cacao và thân cây đậu tạo thành sản phẩm phân bón hữu ích, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm đáng kể lượng phân bón hóa học, tiết kiệm chi phí cho người sản xuất; giảm thiểu thời gian và chi phi phân lập tuyển chọn vi sinh vật Xây dựng được công thức phối trộn các thành phần hợp lý khi ủ Gia công máy nghiền thô vỏ

ca cao và thân cây đậu giúp rút ngắn thời gian chuyển hóa nguyên liệu thành mùn Phân hữu cơ thành phẩm đạt các tiêu chuẩn của phân bón

- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài có tính ứng dụng cao, có thể chuyển giao cho doanh nghiệp và người nông dân Đáp ứng nhu cầu phân bón và

cải tạo đất nông nghiệp, góp phần vào sản xuất nông nghiệp bền vững

1.5 T ớ của đề tà

- Sử dụng nguồn nguyên liệu chính là vỏ trái ca cao giàu carbohydrate kết hợp với thân cây họ đậu giàu protein và khoáng để cải thiện dinh dưỡng cho sản phẩm phân bón sau ủ

- Bổ sung thêm thân cây đậu để tạo độ xốp, thông thoáng cho đống ủ, giữ nước

và hấp phụ mùi

- Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng thích nghi tốt với môi trường ủ và

có khả năng phân hủy cellulose cao

- Gia công máy nghiền thô vỏ ca cao và thân cây đậu giúp rút ngắn thời gian chuyển hóa nguyên liệu thành mùn

- Kiểm soát và đánh giá được chất lượng phân thành phẩm

CHƯƠNG : T NG AN

2.1 G ớ t ệu về c 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 cao phát triển sang các nước khác ở Trung và Nam Mỹ với hai loại chính là Criollo và Forastero Criollo có dạng hạt tròn, có hương vị nhẹ nhưng tương đối dễ nhiễm bệnh 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 hơn Criollo

Do vậy, hầu hết các vùng trồng ca cao trên thế giới hiện nay đều trồng dạng Forastero 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 nước như Colombia, Philippin, dạng đồ uống đặc sệt như vậy còn tồn tại, mặc dù có thay đổi chút ít như thêm đường, vanilla hoặc tinh dầu quế Ở Nicaragua, hạt ca cao có lúc được dùng như một thứ tiền tệ trong trao đổi mua bán Ca cao được sử dụng rộng rãi từ thế kỷ thứ 6 ở các bộ tộc ở Maya và đến thế kỷ thứ 16 được lưu hành rộng tãi ở Trung Mỹ Từ thế kỷ 16, ca cao bắt đầu phát triển rộng ra các nước khác trên 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 đầu thế kỷ 17, sau đó tiếp tục mở rộng qua Ấn Độ và Scrilanca vài chục năm sau Cho đến 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 bắt đầu 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 đầu phát triển mạnh ca cao, trước hết là ở các nước Malaysia, Indonesia, Ấn Độ, Sri Lanka…

Vào đầu thế kỷ 20, người Pháp đã đưa cây ca cao vào miền nam Việt Nam, tuy nhiên 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 và cao su

2.1.2 Đặc đ ểm 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 độ cao 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 che chắn để tránh bớt tia nắng mặt trời và gió, đặc biệt là trong những giai đoạn đầu của thời 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 40 ngày đầu và đạt tốc độ tối đa sau 75 ngày Sau khi thụ phấn 85 ngày sự tăng trưởng của trái chậm lại, trong khi hạt bên trong trái bắt đầu tăng trưởng nhanh, đây cũng là thời kỳ hạt tích lũy chất béo Lớp cơm nhầy hình thành khoảng 140 ngày sau khi thụ 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, hình trứng 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 chứa một 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 giàu kali 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 thế được cho khẩu phần cỏ voi

2.1.3 Thành phần hóa học của vỏ trái ca cao

- Vỏ hạt (quả) có hàm lượng cacbohydrate cao, hàm lượng khoáng trung bình

có trong vỏ quả ca cao vào khoảng 8,2% trọng lượng vỏ Trong đó đa số là Fe, K, Mg…

2.2 Giới thiệu về t c đậu

- Hiện nay trên địa bàn tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, sản lượng cây đậu tương đối cao, chủ yếu tập trung ở các huyện như Đất Đỏ, Châu Đức, , sau các vụ mùa chủ yếu 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 cho đổng ủ, giúp oxy phân bố đều trong đống ủ

2.3 G ớ t ệu về compost

- Quá trình chế bến compost: là quá trình phân hủy sinh học và ổn định của chất hữu cơ dưới điều kiện nhiệt độ thermoliphic Kết quả của quá trình phân hủy sinh học tạo ra nhiệt, sản phẩm cuối cùng ổn định, không mang mầm bệnh và có ích

cho 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 lưu

trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng.[1]

2.4 Chế phẩm sinh học [19]

2.4.1 Chế phẩm GEM

GEM là chế phẩm sinh học bao gồm nhiều chủng vi sinh vật khác nhau trong đó

5 nhóm vi khuẩn lên men acid lactic, lên men rượu, vi khuẩn quang hợp, xạ khuẩn

và nấm men Năm nhóm vi khuẩn này tạo ra acid amin tự do, acid hữu cơ, vitamin hòa tan trong nước, kháng sinh tự nhiên và tạo ra các hoocmon tự nhiên Vì thế các

vi khuẩn này được sử dụng vào trong tự nhiên sẽ tạo ra mối liên kết nhằm khống chế các vi khuẩn gây hại đối với các loại cây trồng và vật nuôi

Chế phẩm GEM được tạo ra không phải bằng kỹ thuật di truyền và cũng không chứa các loài vi sinh vật được tạo ra bởi kỹ thuật di truyền GEM rất an toàn, rẻ và ứng dụng có hiệu quả, cải thiện tốt môi trường Các vi sinh vật tạo ra một môi trường sinh thái đồng nhất, sản sinh ra nhiều sản phẩm khác nhau cùng sinh trưởng, phát triển Mỗi loại vi sinh vật trong chế phẩm GEM có chức năng năng hoạt động riêng của chúng Các vi sinh vật này đều là những vi sinh vật có lợi chung sống trong cùng một môi trường, chúng sống cộng sinh với nhau, cùng hỗ trợ nhau do vậy hiệu quả của họat động tổng hợp của chế phẩm tăng lên rất nhiều

Trong bảo vệ môi trường: GEM có tác dụng tiêu diệt các vi sinh vật gây mùi thối do các loại khí H2S, SO2, NH3… gây ra, nên khi phun GEM vào rác thải, cống rãnh, toilet, chuồng trại chăn nuôi Sẽ khử được mùi hôi một cách nhanh chóng Đồng thời số lượng ruồi muỗi, ve các loại côn trùng bay khác giảm hẳn số lượng Chức năng phân hủy rác thải hữu cơ tiêu diệt các vi sinh vật gây thối, làm tốc độ hóa mùn diễn ra nhanh hơn Đây là sản phẩm thân thiện môi trường Chế phẩm GEM sử dụng: GEM- P, GEM-K

2.4.2 Chế phẩm Compost maker

Chế phẩm Compost maker chứa thành phần chính là nấm Trichoderma viri

và Aspergillus niger và các enzyme thủy phân như cellulase, chitinase, xylanase…giúp cây trồng kháng bệnh Khống chế và tiêu diệt các loại nấm bệnh

như Rhizoctonia solani, Fusarium, Sclerotium gây bệnh thối rễ, chết yểu, héo rũ…

tạo điều kiện cho vi sinh vật trong đất phát triển, kích thích sự tăng trưởng của bộ

rễ, phân giải các chất xơ, chitin, pectin, lignin trong phế thải hữu cơ thành đơn chất dinh dưỡng làm đất tơi xốp hơn, giúp cây dễ dàng hấp thu, tăng hàm lượng chất mùn và mật độ côn trùng có ích, giữ độ phì của đất

Dùng ủ phân chuồng có tác dụng phân hủy nhanh, mau hoai mục có thể bón trực tiếp cho cây trồng như rau, hoa, cây ăn quả, cây công nghiệp, tăng khả năng

kháng một số nấm bệnh Các chế phẩm nấm Trichoderma được sản xuất và sử dụng

như là chất kiểm soát sinh học một cách có hiệu quả Hình thức sử dụng dưới dạng chế phẩm riêng biệt hoặc được phối trộn vào phân hữu cơ để bón cho cây trồng vừa cung cấp dinh dưỡng cho cây vừa tăng khả năng kháng bệnh của cây Những lợi ích

mà những loài nấm này mang lại đã được biết đến bao gồm việc kích thích sự tăng trưởng và phát triển của thực vật do việc kích thích sự hình thành nhiều hơn và phát triển mạnh hơn của bộ rễ so với thông thường Những cơ chế giải thích cho các hiện tượng này chỉ mới được hiểu rõ ràng hơn trong thời gian gần đây Hiện nay, một

giống nấm Trichoderma đã được phát hiện là chúng có khả năng gia tăng số lượng

rễ mọc sâu (sâu hơn 1 m dưới mặt đất) Những rễ sâu này giúp các loài cây có khả năng chịu được hạn hán

Nấm Trichoderma có khả năng phân huỷ cellulose, phân giải lân chậm tan Lợi dụng đặc tính này người ta đã trộn Trichoderma vào quá trình sản xuất phân

hữu cơ vi sinh để thúc đẩy quá trình phân huỷ hữu cơ được nhanh chóng

2.5 Hệ vi sinh vật tro đống ủ compost

2.4.1 Vi sinh vật phân hủy tinh bột tro 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 hệ enzyme 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 phân hủy 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 nhau trong quá trình phân hủy tinh bột thành đường

2.4.2 Vi sinh vật phân hủy phosphate tro 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 thực vật, phân gia súc, gia cầm…Sự chuyển hóa các hợp chất phospho hữu cơ thành muối 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 trong đống 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 m gath rium, 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 tro 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 prot in, urê, aci uric,… để

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

Muốn phân giải protein các vi sinh vật phải tiết vào môi trường enzyme protease ngoại bào Chúng xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptide và một số liên kết khác để phân cắt protein thành các phân tử nhỏ hơn Các chất này tiếp tục được phân hủy thành các aminoacid nhờ enzyme peptidase hoặc hấp thu trực tiếp và phân hủy thành aminoacid sau khi vào tế bào, một phần các aminoacid được sử dụng để xây dựng protein của chúng, một phần tiếp tục bị phân hủy, sản phẩm của quá trình này 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, Ps u omona…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 thành amoniac Quá trình này giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoàn nitơ và chuyển nitơ từ dạng khó hấp thụ sang dạng muối amon dễ dàng được cây xanh sử dụng NH3 được tạo ra có thể được oxy hóa để hình thành acid nitrit qua các 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 mycoi s, Clostri ium…

- Xạ khuẩn: Str ptomyc s gric us, Str ptomyc s rimosus…

- Nấm mốc: A.flavus, A.nig r, P nicillium, mucor…

2.4.4 Vi sinh vật phân giải hemicellulose tro đống ủ compost

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

2.4.5 Vi sinh vật có khả ă s tổng hợp cellulase tốt trong tự nhiên

Mặc dù có nhiều loại vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase, nhưng chỉ có một số ít vi sinh vật là có khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase với số lượng lớn Sau đây là kết quả nguyên cứu các chủng vi sinh vật sản xuất enzyme cellulase

Bảng 1 Chủng vi sinh vật sinh enzyme cellulase ngoại bào [1, 17]

từ vi sinh vật sẽ có nhiều ưu điểm về cả mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường Rất ít

nhóm vi sinh vật có khả năng sinh các loại enzyme cần thiết để phân giải cellulose ở dạng tinh thể Chúng phải tiết ra hệ enzyme phức tạp, có khả năng phân hủy cellulose theo phương thức khác nhau như thủy phân, oxy hoá Nhóm vi sinh vật có

khả năng phân hủy cellulose cao rất đa dạng và phong phú bao gồm: vi khuẩn, xạ

khuẩn, nấm mốc…[18] Các nhóm vi sinh vật này có khả năng phân hủy cellulose

nhờ có hệ enzyme cellulase ngoại bào Trong đó nấm mốc là nhóm được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực phân hủy cellulose [1, 18] Vì chúng có khả năng tiết ra môi trường một lượng lớn enzyme cellulase với nồng độ rất cao và có tác dụng phân hủy rất mạnh cellulose Các chi nấm có khả năng sinh enzyme cellulase phổ

biến là: Asp rgillus, P nicillium, Tricho rma…với khả năng chống chịu pH và khả

năng sử dụng nguồn carbon, nguồn nitơ tốt [18]

Nhiều loài vi khuẩn có khả năng phân giải cellulose, tuy nhiên cường độ không mạnh bằng nấm mốc Nguyên nhân là do số lượng enzyme tiết ra môi trường của vi khuẩn thường nhỏ hơn, thành phần các loại enzyme không đầy đủ Thường ở trong đống ủ có ít loài vi khuẩn có khả năng tiết đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme cellulase Nhóm này tiết ra một loại enzyme, nhóm khác tiết ra các loại khác, chúng phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ hỗ sinh

Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật phân hủy cellulose cao [18], nó đóng vai trò quan trọng thứ hai sau nấm mốc Người ta rất chú ý việc dùng xạ khuẩn để xử lý phụ phế phẩm nông nghiệp, bởi vì so với nấm mốc, vi khuẩn thì nó ít phát tán lây lan cho

các đối tượng khác Người ta thường sử dụng xạ khuẩn đặc biệt là chi Streptomyces,

những xạ khuẩn này thường thuộc nhóm ưa nóng, sinh trưởng và phát triển tốt nhất

ở nhiệt độ 45-500C rất thích hợp với quá trình ủ phân hữu cơ

Đa số vi sinh vật phân giải cellulose trong điều kiện hiếu khí và một số vi sinh vật kị khí là loài ưa ẩm và ưa nóng Vì vậy nếu ta sản xuất được một lượng enzyme cellulase lớn với mức chi phí thấp thì ta có thể tận dụng được nguồn phế thải lớn từ phế phẩm nông nghiệp [18]

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi sử dụng bổ sung chế phẩm sinh học GEM đã chứa vi khuẩn và xạ khuẩn, song ở giai đoạn thứ hai chúng tôi bổ sung thêm nấm

mốc để tăng hiệu quả quá trình ủ, rút ngắn thời gian ủ Vì vậy chúng tôi đã tiến

hành phân lập, tuyển chọn Trichoderma và Aspergillus ứng dụng vào quá trình ủ

phân hữu cơ từ vỏ trái ca cao

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 sản phẩm trung gian Ví dụ, quá trình phân hủy protein: protein  peptides  amino acids  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 chưa được nghiên cứu chi tiết Các giai đoạn khác nhau trong quá trình ủ hiếu khí có thể phân biệt theo biến thiên nhiệt độ như sau:

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

trong 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 (sản phẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2)

và cuối cùng thành nitrat (NO3): [14]

NH4+ + 3/2 O2  NO2- + 2H+ + H2O

NO2- + 1/2 O2  NO3Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

-NH4+ + 2O2  NO3- + 2H+ +H2O

Vì NH4+ cũng được tổng hợp trong mô tế bào, phản ứng đặc trưng cho quá trình tổng hợp trong mô tế bào:

NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O  C5H7NO2 + 5H2O Phương trình phản ứng nitrat hóa tổng cộng xảy ra như sau:

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

 Phản ứng sinh học

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

Nhiệt độ tăng khi vi khuẩn ưa nhiệt xuất hiện chiếm hầu hết các vị trí trong khối

ủ, thermophilic nấm thường tăng trưởng từ 5-10 ngày sau khi ủ Nếu nhiệt độ cao hơn 60-70o

C 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 xạ khuẩn trở nên chiếm ưu thế làm cho bề mặt đống ủ xuất hiện màu trắng hoặc nâu

Các loại vi khuẩn ưa nhiệt, hầu hết là loài Bacillus đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy protein và hydratcacbon Mặc dù chỉ hoạt động bên lớp ngoài đống ủ

và chỉ hoạt động trong thời gian cuối nhưng nhóm xạ khuẩn đóng vai trò trong việc phân hủy cellulose, lignin và các chất bền vững khác.[10]

2.6 Các yếu tố ả ưở đến quá trình ủ compost

Nhiệt độ tối ưu là 50 – 60oC, thích hợp với vi khuẩn ưa nhiệt và tốc độ phân hủy các chất hữu cơ là cao nhất Nhiệt độ trên ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của

vi sinh vật làm cho quá trình phân hủy diễn ra không thuận lợi, còn nhiệt độ thấp 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 hiệu chỉnh độ thoáng khí và độ ẩm, cô lập khối ủ với môi trường bên ngoài bằng cách che phủ hợp lý

Bảng 2 Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật

oC) Khoảng dao động Tối ưu

Độ ẩm tối ưu thường 50 – 60 % Các vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy chất hữu cơ thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của chất 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 rỗng không cho không khí đi qua, gây mùi hôi, rò rỉ chất dinh dưỡng và lan truyền vi sinh vật gây bệnh

Độ ẩm ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước có nhiệt dung 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 điều chỉnh 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 trị tối 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 bằng cách 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 khí xảy ra trên bề mặt hạt, hạt có kích thước nhỏ sẽ có tổng diện tích bề mặt lớn nên sẽ tăng 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 khí trong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các vi sinh vật trong đống ủ và giảm mức độ hoạt tính của vi sinh vật Ngược lại, hạt có kích thước quá lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ

Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3 – 50mm Kích thước hạt tối 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 xốp tối ưu sẽ thay đổi tùy theo loại vật liệu chế biến phân, thông thường độ xốp cho quá trình 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 cần thiết cho sự trao đổi chất, hô hấp của các vi sinh vật hiếu khí và sự oxy hóa các phần tử hữu cơ hiện diện trong các vật liệu ủ Độ xốp thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy , nên hạn chế sự giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ khối ủ Ngược lại, độ xốp 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 lệ trộn 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

đó Cacbon 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 cho quá trình đồng hóa thành tế bào mới, phần còn lại chuyển hóa thành CO2 Cacbon 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 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 phân ngựa và lá khoai tây, tỷ lệ C/N của tất cả các chất thải khác nhau đều phải được điều chỉnh 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 đó quan 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 phải khó 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 khuẩn Azotobacter, 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 phát triển của vi sinh vật do thiếu N Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hóa, oxy hóa phân cacbon dư cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp Do đó, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân bị kéo dài hơn và sản phẩm thu được chứa ít mùn hơn Theo nghiên cứu cho thấy, nếu tỷ lệ C/N ban đầu là 20, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân là 12 ngày, nếu tỷ lệ này dao động trong khoảng 20 – 50, thời gian cần thiết 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 ủ phân compost 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 Nếu hệ thống trở nên yếm khí, việc tích tụ các acid có thể làm pH giảm xuống đến 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 khác nhau Vi sinh vật trong quá trình chế biến compost bao gồm : actinomycetes và vi khuẩn Những loại vi sinh vật này có sẵn trong chất hữu cơ, có thể bổ sung thêm vi

sinh vật từ các nguồn khác để giúp quá trình phân hủy xảy ra nhanh và hiệu quả hơn

Hiện nay có nhiều chủng vi sinh vật đã được các nhà khoa học nghiên cứu, phân lập sử dụng để phân giải các chất hữu cơ một cách hiệu quả Chúng phân giải các chất 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 Chất hữu 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 4 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,

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 biến compost sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ dễ thối rữa sang dạng ổn định, chủ yếu là các 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 quá trình phân hủy sinh học có thể đạt khoảng 60oC, đủ để làm mất hoạt tính của vi khuẩn gây bệnh, vius và trứng giun sán nếu như nhiệt độ này được duy trì ít nhất một ngày, các sản phẩm của quá trình chế biến compost có thể thải bỏ an toàn trên đất 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 trong chất thải thường ở dạng hữu cơ phức tạp, cây trồng khó hấp thụ Sau quá trình làm phân 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 sung dinh dưỡng cho đất có khả năng làm giảm thất thoát dinh dưỡng do rò rỉ các chất dinh dưỡng vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng không tan Thêm vào đó, lớp đất trồng cũng 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 quá trình ủ phân compost là phương pháp lợi dụng nhiệt của chất thải sinh ra từ quá trình 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 với hàm lượng dinh dưỡng cao, dễ hấp thụ và chủng loại vi sinh vật đa dạng không những làm tăng năng suất cây trồng mà còn giảm thiểu bệnh cho cây trồng hơn so với 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 thời gian, khí hậu và phương pháp chế biến phân, dẫn đến tính chất của sản phẩm cũng khác nhau Bản chất của vật liệu làm compost thường làm cho sự phân bố nhiệt độ trong khối phân không đồng đều, do đó khả năng làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh trong sản phẩm compost cũng không hoàn toàn;

- Quá trình sản xuất compost tạo mùi khó chịu nếu không thực hiện quy trình sản 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 ươ á ủ compost trên thế giới

2.8.1 P ươ á 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 được đảo trộn theo một chu kỳ nhất định nhằm cấp khi cho luống ủ… Các luống compost được xáo trộn bằng cách di chuyển luống compost với xe xúc hoặc xe trộn chuyên dụng

Các luống ủ có chiều dài thay đổi từ 1m (đối với nguyên liệu có mật độ dày như phân) 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 do khuếch tán, gió, đối lưu nhiệt… các luống phân đươc xáo trộn định kỳ thường xuyên nhằm trộn đều chất thải rắn trong luống phân, trộn đều độ ẩm và hỗ trợ cho thổi khí thụ động Việc xáo trộn được thực hiện bằng xe xáo trộn chuyên dụng hoặc bằng 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 nguyên liệu nhẹ như lá cây có tốc độ thoáng khí lớn hơn tốc độ thoáng khí của luống ủ với nguyên liệu phân Nếu luống ủ quá lớn, các vùng kị khí có thể xuất hiện ở khu vực trung 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 sinh vật gây bệnh và bay hơi ẩm

Đảo trộn sẽ làm cho nguyên liệu ủ được trộn đều, tạo lại độ xốp của đống ủ, loại trừ được các khoảng trống tạo ra bởi sự phân hủy và sa lắng Đảo trộn sẽ làm xáo trộn các vật liệu bên trong và bên ngoài đống ủ Điều này sẽ làm cho tất cả các vật liệu được tiếp xúc với không khí phía bên ngoài và nhiệt độ cao phía bên trong của đống ủ Bằng cách này, tất cả các vật liệu sẽ được phân hủy với tốc độ như nhau và các 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 tiếp xúc và các vật liệu được trộn lẫn nhau

 Ưu điểm

- 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

 Nhược điểm

- 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 tìm hơn so với các phương pháp khác

2.8.2 P ươ á ủ theo luống dài hoặc đống với thổ k cưỡng bức

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

Để kiểm soát quá trình phân hủy hiếu khí bên trong khối ủ, mỗi khối ủ thường được trang bị một máy thổi khí Lượng không khí cung cấp phải đảm bảo đủ nhu cầu 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 được đem 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 mạt cưa, gỗ vụn được thêm vào để kiểm soát độ ẩm của khối ủ ở mức tối ưu

 Ưu điểm

- 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

 Nhược điểm

- 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 cao hơn thổi khí thụ động.[17]

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- 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 Châu Đức, 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 chế phẩm 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 Môi trường đục lỗ thạch WA: CMC 10g; Agar 20g; nước cất 1000ml Môi trường hoạt hóa nhân sinh khối chế phẩm M2: Chế phẩm men vi sinh 2kg; rỉ đường 0,5lít; urea 2kg, DAP kg; MgSO4 0,5kg; KNO4 0,5kg; pH= 7[1]

- Giấy lọc không tro

- Acid sunfulric đậm dặc và dung dịch 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 ă ủy 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 khả

năng phân hủy cellulose mạnh mà không phải mất nhiều thời gian và chi phí bằng phân 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 ba điều kiện khác nhau đó là điều kiện hiếu khí; kỵ khí; kết hợp giữa hiếu khí và kỵ khí Sau khi hoạt hóa ở 48h, 72h, 96h, lần lượt đem chiết dịch enzyme và thử hoạt tính enzyme cellulase bằng phương pháp đục lỗ thạch để xác định đường kính vòng phân giải trong môi trường WA, và xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp đo quang 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

 Thuyết minh quy trình:

- Các chế phẩm sinh học được thu mua từ nhiều nơi trong cả nước với đặc

điểm chung về hệ vi sinh vật, chủ yếu là các loại vi nấm: Tricoderma (viride,

reesei), Aspergillus, Fusarium, Mucor; vi khuẩn: Bacillus subtilis, Clostridium, Ruminococcus; xạ khuẩn: Str ptomyc s Các vi sinh vật c kh n ng sinh t ng

h p n ym c llulas gi p ph n h y mạnh c llulos trong đống

- Tiến hành lấy mỗi chế phẩm 10 g sau đó nuôi cấy hoạt hóa trong môi trường thích hợp có bổ sung thêm vỏ ca cao làm cơ chất cảm ứng

- Do sự đa dạng về thành phần vi sinh vật cũng như hình thức sống của VSV

có mặt trong các chế phẩm nên chúng tôi tiến hành tuyển chọn theo ba hướng thí nghiệm khác nhau: hoạt hóa trong điều kiện hiếu khí, hoạt hóa trong điều kiện kỵ khí và kết hợp hoạt hóa cả hai trường hợp trên

- Sau đó trích ly enzyme thô và mang đi thực hiện hai thí nghiệm định tính và định lượng để làm cơ sở tuyển chọn được chế phẩm sinh học có khả năng phân giải cellulose cao Hai thí nghiệm cần được kiểm tra lần lượt là đo đường kính vòng phân giải bằng phương pháp đục lỗ thạch trên đĩa petri và thí nghiệm đo quang phổ tại bước sóng 540 nm

- Kết hợp kết qủa của hai thí nghiệm trên làm cơ sở tuyển chọn được chế phẩm có hệ vi sinh vật sinh tổng hợp enzyme cellulase cao có khả năng phân giải cellulose mạnh để ứng dụng vào đống ủ

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, sử dụng motor 2 mã lực để nghiền nhỏ vỏ cacao, phá vỡ kết cấu cellulose, tăng diện tích 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 thước 45x30cm; ru lô có đường kính 15cm, chiều dài 28cm, trên bề mặt có hàn 8 lớp dao cắt được sắp xếp so le có chức năng vừa 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 ốc điều 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 đ ểm: 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 khi nghiền kích cỡ vỏ đạt khoảng 0,5x0,5 cm