Mục tiêu của nghiên cứu này là để đánh giá tính khả thi của đồng phân huỷ bã đậu nành và lá cây và sự ảnh hưởng của thay đổi tần số trên chất lượng phân bón. Bã đậu nành đã được trộn với lá cây và mùn cưa trong 1:1:3 (ww trọng lượng ướt) để đạt được một tỷ lệ CN khoảng 30. Chia làm ba đống khoảng 4m3 hỗn hợp phân rồi đem quay một tần số với độ thường xuyên: hàng ngày (đống A), 3 ngày (đống B) và hàng tuần (đống C). Tần số quay khác nhau không ảnh hưởng rõ rệt đến sự thay đổi pH và chất rắn dễ bay hơi trong suốt thời gian ủ. Tần số quay cao làm giảm độ dẫn điện và hàm lượng NH4N giống như thời gian ưa nhiệt ngắn, vì sự thất thoát nhiệt độ lớn do quá trình bốc hơi và bay hơi amonia trong đống. Phân hủy cao nhất của đống C là 4% xảy ra trong đống với khoảng thời gian quay 3 ngày, đúng với lượng nitơ cao trong xử lý này. Tất cả các phương pháp xử lý với tần số quay khác nhau đều đạt yêu cầu ở ngày 63 như được chỉ ra bởi carbon hữu cơ hòa tan, NH4N hòa tan, CN và tỷ lệ số hạt nảy mầm. Tuy nhiên, tăng độ thoáng trong quá trình ủ cũng đem lại lợi ích trong việc đẩy nhanh quá trình trưởng thành. Cân nhắc về việc giảm lao động và chi phí hoạt động thấp hơn so với điều chỉnh hàng ngày, có thể nói rằng tần số quay 3 ngày là thích hợp để chất lượng phân hữu cơ đạt yêu cầu và dễ dàng đưa vào ứng dụng.
Trang 1Abstract
Mục tiêu của nghiên cứu này là để đánh giá tính khả thi của đồng phân huỷ bã đậu nành
và lá cây và sự ảnh hưởng của thay đổi tần số trên chất lượng phân bón Bã đậu nành đã được trộn với lá cây và mùn cưa trong 1:1:3 (w/w trọng lượng ướt) để đạt được một tỷ lệ C/N khoảng 30 Chia làm ba đống khoảng 4m3 hỗn hợp phân rồi đem quay một tần số với
độ thường xuyên: hàng ngày (đống A), 3 ngày (đống B) và hàng tuần (đống C) Tần số quay khác nhau không ảnh hưởng rõ rệt đến sự thay đổi pH và chất rắn dễ bay hơi trong suốt thời gian ủ Tần số quay cao làm giảm độ dẫn điện và hàm lượng NH4-N giống như thời gian ưa nhiệt ngắn, vì sự thất thoát nhiệt độ lớn do quá trình bốc hơi và bay hơi amonia trong đống Phân hủy cao nhất của đống C là 4% xảy ra trong đống với khoảng thời gian quay 3 ngày, đúng với lượng nitơ cao trong xử lý này Tất cả các phương pháp
xử lý với tần số quay khác nhau đều đạt yêu cầu ở ngày 63 như được chỉ ra bởi carbon hữu cơ hòa tan, NH4-N hòa tan, C/N và tỷ lệ số hạt nảy mầm Tuy nhiên, tăng độ thoáng trong quá trình ủ cũng đem lại lợi ích trong việc đẩy nhanh quá trình trưởng thành Cân nhắc về việc giảm lao động và chi phí hoạt động thấp hơn so với điều chỉnh hàng ngày,
có thể nói rằng tần số quay 3 ngày là thích hợp để chất lượng phân hữu cơ đạt yêu cầu và
dễ dàng đưa vào ứng dụng
1 Giới thiệu
Số lượng chất thải rắn phát sinh tại thành phố Hồng Kông đạt 15.700 tấn mỗi ngày vào năm 1997 và dự kiến là sẽ tăng theo mức tăng dân số Để giảm chất thải rắn, Chính quyền Hồng Kông đã phát triển và thực hiện một kế hoạch giảm chất thải Ủ phân là một lựa chọn có thể được đề nghị cho xử lý chất thải rắn hữu cơ và các sản phẩm cuối cùng có thể
được reutilized (tái sử dụng) cho ứng dụng đất (HKEPD, 1998) Hầu hết các nghiên cứu
cho thấy ứng dụng phân hữu cơ cho đất nông nghiệp làm cho cây trồng tăng năng suất do hàm lượng dinh dưỡng thực vật và những đặc điểm duy trì độ ẩm Nó cũng cải thiện tính chất vật lý của đất bởi vì các chất hữu cơ trong chất thải nông nghiệp và nước thải bị
phân hủy thành phân hữu cơ tương đối ổn định, có thể dùng như là một soil conditioner
(McConnell và cộng sự, 1993; Wong và cộng sự,1996) (Bảng 1)
Trang 2Trong nghiên cứu này, hai chất thải rắn (bã đậu nành và lá cây) được ủ như một phương pháp khác để xử lý chất thải tại Hồng Kông Bã đậu nành bao gồm các thành phần cân bằng dinh dưỡng (đặc biệt là nitơ), được sản xuất từ đồ uống đậu nành và đậu phụ nhà máy ở Hồng Kông Vì vậy, nó là những thành phần tốt cho ủ phân Thời điểm đó, họ đang xử lý bằng cách chôn lấp Lá cây có tốc độ phân hủy tương đối chậm do hàm lượng cao của các hợp chất phân huỷ khó như cellulose và lignin Do đó, bã đậu nành với hàm lượng nitơ cao sẽ bổ sung cho lá một hàm lượng tương đối cao đủ để ủ đồng thời
Phân hữu cơ trưởng thành và ổn định là yếu tố quan trọng trong quá trình ủ Phân hữu cơ chưa trưởng thành, khi áp dụng cho đất, duy trì hoạt động phân hủy cao, có thể làm chậm quá trình phát triển của cây do thiếu nitơ, điều kiện yếm khí và độc tố NH3 và một số acid hữu cơ (Mathur và cộng sự, 1993.) Để thúc đẩy sản xuất phân hữu cơ trưởng thành, yếu
tố môi trường như nhiệt độ, sục khí, độ ẩm và chất dinh dưỡng cần được kiểm soát một cách hợp lý (Epstein, 1997) Tần số quay được cho là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng chất lượng phân hữu cơ (Golueke, 1977; Michel và cộng sự, 1996) Tuy nhiên, tỉ lệ thoáng khí tối ưu với các vật liệu và phương pháp thay đổi tần số quay khác nhau ảnh hưởng lên một loạt các thông số phân hữu cơ chưa được giải thích
Mục tiêu của dự án này là để đánh giá (1) tính khả thi của đồng phân huỷ bã đậu nành và
lá để tạo ra sản phẩm phân hữu cơ bổ sung cho đất cũng như (2) để điều tra tần số quay tối ưu cần thiết cho bã đậu nành đồng phân huỷ với lá để cung cấp thông khí thích hợp cho tối ưu phân hủy hữu cơ
Trang 32 Phương pháp
2.1 Ủ thành lập đống
Bã đậu nành và lá được thu thập từ các nhà máy đậu phụ và các trang trại Kadoorie, Taipo, Hồng Kông, tương ứng Người ta sử dụng máy đập để làm nhỏ kích thước lá cây
Ba đống ủ bã đậu nành và lá cây được phối trộn thành bã đậu nành, lá cây và mùn cưa trong một tỷ lệ 1:1:3 (w/w trọng lượng ướt) để đạt được một tỷ lệ 30 C/N Mục đích sử dụng mùn cưa là điều chỉnh tỷ lệ C/N vì thành phần C tương đối cao của nó
Mỗi đống ủ khoảng 4 m3, được ủ 63 ngày Các đống được đảo trộn, sử dụng một bộ nạp đầu cuối ở một tần số quay hàng ngày (cọc A), 3 ngày (cọc B), và hàng tuần (cọc C), tương ứng Độ ẩm đã được điều chỉnh lên khoảng 60 - 70% vào đầu quá trình ủ và sau đó định kỳ trong thời gian ủ Trong quá trình ủ, nhiệt độ ở độ sâu 60 - 70 cm vào đống được
đo trước mỗi lần đảo trộn Hai mẫu phân được lấy từ địa điểm đối xứng của đống và kết hợp để tạo thành một mẫu tổng hợp Ba mẫu tổng hợp được lấy định kỳ vào ngày 0, 7,
14, 21, 28, 35, 49, và 63 và được bảo quản ở 4°C ngay lập tức trước khi phân tích
2.2 Tính chất hóa lý của phân hữu cơ
Các chất chiết xuất phân dung dịch thu được bằng cách lắc cơ học bằng máy các mẫu với nước cất ( DDW ) tại một chất rắn : DDW 1:10 (w / v cơ sở trọng lượng khô ) trong 1 giờ Hệ thống treo được ly tâm ở 10.000 rpm và lọc qua màng lọc 0,45 μm Các phân tích sau đây được thực hiện trên các chất chiết xuất nước : độ pH xác định bằng cách sử dụng máy đo pH Orion 920 ISE , độ dẫn điện (EC ) được đo bởi máy đo độ dẫn Orion 160, cacbon hữu cơ hòa tan bởi máy phân tích hữu cơ tổng SHIMADZU TOC – 5000A; NH4
- N phương pháp nhuộm xanh và NO3 - N phương pháp khử cadmium copperised (Page
et al, 1982 ) Carbon hữu cơ tổng ( Walkley - phương pháp Black) và nitơ tổng (phương pháp micro- Kjeldahl) cũng đã được xác định (Page et al , 1982) Mẫu tươi được sấy khô
ở 105°C trong 24 h để xác định độ ẩm của các thành phần phân hữu cơ Chất rắn bay hơi sau đó được đo bằng cách giảm trọng lượng khi nung mẫu sấy khô trong lò ở 550°C trong 16 giờ E4/E6 được xác định trên các chất chiết xuất sử dụng Na4P2O7H2O khai thác và sau đó theo sau quyết định phổ tại 460 và 660nm , tương ứng (Page et al , 1982)
Trang 42.3 Cải xoong thử nghiệm hạt nảy mầm
Số hạt giống nảy mầm và kiểm tra chiều dài rễ đã được thực hiện trên chất chiết xuất nước bằng cách lắc bằng máy lắc cơ học các mẫu với nước cất 2 lần trong 1 giờ, rắn: DDW 1:10 (w / v cơ sở trọng lượng khô) Sau đó lấy 5,0 ml chiết xuất nước bằng pipetted vào đĩa petri nhựa đã tiệt trùng có lót bằng giấy lọc Whatman #1 Mười hạt giống cải xoong (Lepidium sativum L.) được phân bố đều trên giấy lọc và ủ ở 20 - 25°C trong bóng tối trong 48 giờ Mẫu mỗi đống được làm 3 lần Phương pháp xử lý được đánh giá bằng cách đếm số lượng các hạt nảy mầm, và đo chiều dài của rễ tối ưu Kết quả được tính bằng chỉ số nảy mầm đã được xác định theo công thức sau đây (Zucconi et al., 1981)
2.4 Các phân tích thống kê
Tất cả các dữ liệu được phân tích bởi phần mềm thống kê SAS bằng cách sử dụng máy tính cá nhân IBM (Little và Hills, 1978) Thử nghiệm độ chênh lệch đáng kể nhất với P = 0.05 đã được thực hiện để so sánh các biện pháp nhân ba và hệ số tương quan Pearson
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Thay đổi các thông số hóa lý trong quá trình ủ
3.1.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ của tất cả các nhóm thí nghiệm đạt đến pha ưa nhiệt ( >50oC ) sau khi 3
-4 ngày kể từ ngày ủ phân trong đó phản ánh sự phân hủy của vi sinh vật hoạt động trong đống ủ (Hình 1) Các vi sinh vật tiêu thụ các chất hữu cơ hòa tan và chất dinh dưỡng môi trường xung quanh, sau đó trải qua suy thoái hiếu khí để tạo ra nhiệt, sinh khối và carbon dioxide Tuy nhiên, đống A với tần số quay hằng ngày thời gian lâu hơn để đạt nhiệt độ lớn hơn 50°C
Không có khác biệt đáng kể giữa các nhiệt độ tối đa cho ba đống, trong đó khoảng
70 - 73oC trong suốt pha ưa nhiệt Hầu hết các dữ liệu trong tài liệu cho thấy phạm vi nhiệt độ tối ưu cho phân hủy hiệu quả là 50 - 60oC, trong khi một số khác cho rằng phân hủy tối đa chất thải rắn xảy ra ở nhiệt độ từ 65 - 70oC (Bach và cộng sự, 1984; Epstein,
Trang 51997) Nhiệt độ của đống A với đảo trộn hàng ngày giảm mạnh sau pha ưa nhiệt và bước vào pha làm mát vào ngày thứ 48, trong khi nhiệt độ của hai đống khác với tần số quay 3 ngày và hàng tuần chỉ giảm nhẹ xuống còn 62oC Nhiệt độ thấp của cọc A ở giai đoạn sau cũng như sự phát triển chậm của nhiệt độ lúc bắt đầu ủ có thể được giải thích rằng nhiệt
độ cao hơn và sự mất nước do bốc hơi và đối lưu, tương ứng, nguyên nhân do tần số đảo trộn cao
3.1.2 pH và EC
Những thay đổi trong pH ở các đống khác nhau theo xu hướng cùng với sự sụt giảm nhẹ từ khoảng 6,1 - 6,8-5,3 - 6.1 trong vòng 7 ngày đầu tiên (Hình 2 (a)) Điều này
là do sự phân hủy các chất hữu cơ và tạo ra các axit hữu cơ và vô cơ do các hoạt động của
vi sinh vật trong bã đậu nành và lá ( Mathur , 1991) pH sau đó tăng đáng kể khoảng 8.2 trong ngày 14 khi nhiệt độ tăng lên Phản ứng này có thể được giải thích bởi sự amoni hóa và khoáng hoá nitơ hữu cơ thông qua các hoạt động của vi sinh vật (Bishop và Godfrey , 1983) Sau 35 ngày, độ pH giảm dần đã được quan sát cho tất cả đống ngoại trừ đống C với biến hàng tuần Các giá trị pH ở gai đoạn cuối ủ cho đống A, B và C tương ứng là 7.9, 8.1 và 8.5 Sự giảm nhẹ này có thể là do sự bay hơi của amoni và giải phóng
Trang 6các ion hydro từ quá trình nitrat hóa sau trong giai đoạn ủ bởi vi khuẩn nitrat Độ pH tương đối cao của đống C với biến hàng tuần có thể được giải thích bởi lượng amoni tăng trong đống do tần số quay tương đối thấp
Tất cả các đống với hiệu quả chuyển khác nhau cho thấy một mẫu tương tự của sự thay đổi trong EC, trong đó phản ánh mức độ nhiễm mặn trong đậu nành lượng lá dư đồng phân (Hình 2 (b)) EC tăng từ giá trị ban đầu là 1.5 dS m-1 đến một giá trị cao nhất khoảng 2.0 dS m-1 trong 7 ngày đầu tiên Điều này khả năng do sự giảm trọng lượng và giải phóng muối khoáng khác như phốt phát và các ion amoni thông qua quá trình phân hủy các chất hữu cơ EC sau đó giảm đáng kể với thời gian ủ đến một mức độ thấp hơn giữa 1.11 và 1.34 dS m-1 vào giai đoạn cuối ủ phân có thể là do sự bay hơi của amoniac
và kết tủa của muối khoáng (Wong và cộng sự, 1995) EC đống A với chuyển hàng ngày thấp hơn so với những phương pháp xử lý với mỗi chuyển 3 ngày và hàng tuần từ ngày thứ 28 trở đi
3.1.3 Những thay đổi trong chất rắn bay hơi
Hàm lượng của các chất rắn dễ bay hơi giảm với thời gian ủ cho tất cả các phương pháp xử lý do sự tổn thất của các chất hữu cơ thông qua phân hủy của vi sinh vật (Hình 3) Đống A với tần số quay hàng ngày có sự thất thoát các chất rắn dễ bay hơi cao hơn (6%) so với hai đống khác với tần số quay thấp hơn (3%) Sự thất thoát các chất hữu cơ cao hơn chỉ ra rằng làm thoáng khí có ích cho sự phân hủy hữu cơ trong nghiên cứu cùng phần hủy bã đậu nành với lá cây Tuy nhiên, hàm lượng các hợp chất khó phân huỷ, chẳng hạn như cellulose và lignin trong lá và mùn cưa có thể giải thích cho mức độ thất thoát chất rắn dễ bay hơi thấp sau 63 ngày kể từ ngày ủ
Trang 93.2 Phân tích dưỡng chất
3.2.1 Thay đổi carbon hữu cơ tổng và hòa tan
Hàm lượng carbon hữu cơ tổng giảm nhẹ cho tất cả các phương pháp xử lý, từ mức ban đầu 45 - 42% vào cuối giai đoạn ủ (Hình 4 (a)) Sự suy giảm của carbon hữu cơ tổng vẫn tương đối thấp trong nhóm thí nghiệm khác nhau khi so sánh với các kết quả tìm thấy trong các tài liệu (Benedict và cộng sự, 1988.) Không có khác biệt đáng kể giữa các nhóm xử lý khác nhau trong hàm lượng carbon hữu cơ tổng, nhưng đống B với thời gian chuyển 3 ngày cho thấy sự thất thoát cao hơn một chút tổng hàm lượng carbon hữu cơ
Carbon hữu cơ hòa tan của đống khác nhau cho cùng một mẫu thay đổi với mức tăng cao nhất vào ngày thứ 7 (Hình 4 (b)) Sau đó, hàm lượng của carbon hữu cơ hòa tan giảm nhanh chóng và sau đó giảm dần từ ngày thứ 21 đến hết thời gian ủ, thể hiện hoạt động phân hủy của vi sinh vật của chất hữu cơ lượng đậu nành và lá dư Phần carbon hữu
cơ hòa tan đống A (đảo trộn hàng ngày) và đống B (đảo trộn mỗi 3 ngày) là thấp hơn so với đống C (đảo trộn hàng tuần) Điều này cho thấy hoạt động trao đổi chất của vi sinh
Trang 10vật trong đống A và B cao hơn so với đống C trong suốt toàn bộ quá trình phân huỷ Phần carbon hữu cơ hòa tan của đống A và B là dưới 5000 mg kg-1 vào cuối quá trình phân huỷ, cho thấy kì hạn của phân hữu cơ trong cả hai đống theo kết quả của Garcia và cộng
sự (1991a)
Hình 4 Những thay đổi cacbon hữu cơ tổng và carbon hữu cơ hòa tan trong đồng thời phân hủy bã đậu nành và lá cây
3.2.2 Chu trình Nitơ
Ba phương pháp xử lý có hàm lượng nitơ tổng khoảng 1,50-1,66% vào đầu quá trình ủ phân, sau đó tăng lên đến 2,00-2,25% trong thời gian ủ phân (Hình 5 (a)) Điều này có thể do sự tổn thất khối lượng khô như là sự tổn thất cacbon hữu cơ theo điều kiện carbon dioxide cũng như sự thất thoát nước do bay hơi trong quá trình khoáng hóa các chất hữu
cơ (Viet et al., 1987) Hơn nữa, nitơ tổng cũng có thể được tăng lên bởi các hoạt động của
vi khuẩn cố định đạm vào cuối quá trình phân huỷ (Bishop và Godfrey, 1983) Đống B với mỗi 3 ngày xử lý biến cho thấy không có tổng số cao hơn đáng kể hàm lượng nitơ so với hai cọc khác từ ngày 35 trước, trùng hợp với sự sụt giảm đáng kể trong tổng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đống B Những thay đổi trong nồng độ NH4-N và NO3 -N theo xu hướng tiêu biểu cho hai hình thức của nitơ trong quá trình hiếu khí ủ (Hình 5 (b)
và (c) ) Hàm lượng NH4-N đã được quan sát ở pha ưa nhiệt, cho thấy tỷ lệ hình thành amoniac ban đầu cao, cũng như các hợp chất khoáng chất hữu cơ -N ( Mahimairaja et al ,
Trang 111994) Sau đó, NH4-N giảm như quá trình phân huỷ phát triển và đạt giá trị thấp vào cuối thời gian ủ Hàm lượng NH4-N của cọc với tần số quay 3 ngày và quay hàng tuần cao hơn đáng kể so với tần số quay hàng ngày ở đống A ở pha ưa nhiệt Do đó, tăng tần số quay làm bay hơi NH4-N Nó đã được lưu ý rằng sự vắng mặt của, hoặc giảm trong, NH4- N là một dấu hiệu cho thấy cả hai đều ủ tốt và quá trình trưởng thành (Hirai và cộng sự , 1983; Riffaldi và cộng sự , 1986) Nội dung NH4-N cuối cùng của tất cả các phương pháp điều trị ít hơn 200 mg kg -1 , thấp hơn giới hạn tối đa 400 mg kg -1 đề nghị cho một phân trưởng thành ( Zucconi và de Bertoldi , 1987)
Sau khi nội dung cao ban đầu của NO3-N, mức giảm trước khi tăng vào ngày thứ 49 do quá trình nitrat hóa, ngoại trừ đống A với tần số quay hằng ngày Kết quả này trùng hợp với việc giảm đáng kể NH4-N sau ngày 49, vì vi khuẩn nitrat hóa bị ức chế ở pha ưa nhiệt, vì nhiệt độ cao và lượng amoniac quá nhiều gây ức chế khả năng hoạt động và phát triển của vi khuẩn nitrat (Morisaki et al, 1989.) Tuy nhiên, các nội dung nitrat tối đa của tất cả các đống đều dưới 5 mg.kg-1, do đó, quá trình nitrat hóa được dự đoán sẽ tăng khi tăng thời gian ủ
Trang 123.3 Đánh giá Maturity
3.3.1 Thử nghiệm sự nảy mầm hạt cải xoong
Chỉ số nảy mầm (GI), kết hợp các biện pháp hạt nảy mầm tương đối và độ dài rễ tương đối của các hạt giống cải xoong (Lepidium sativum L.), là thông số nhạy cảm nhất được
sử dụng để đánh giá mức độ độc hại và mức độ trưởng thành của phân (Zucconi et al , 1981.) Giá trị GI ban đầu là 36% cho tất cả các phương pháp xử lỷ, sau đó giảm dần và giá trị thấp nhất là 26 - 33% vào ngày thứ 7 Điều này có thể là do việc phát hành nồng
độ cao của amoniac và lượng phân tử acid hữu cơ thấp (Wong, 1985; Fang và Wong, 1999) Như quá trình phân huỷ tiến hành, các giá trị GI của ba phương pháp xử lý tăng đáng kể và đạt 80 - 91% khi kết thúc quá trình ủ, với đống A là 91% Giá trị GI 50% đã được sử dụng như một dấu hiệu của độc tố trong phân (Zucconi et al., 1981) Phân compost trong đống A và đống B (với tần số quay cao hơn) được ổn định đủ vào ngày 49,