Nghiên cứu sản xuất phân Compost từ rác thải cây xanh đô thị tại thành phố Biên Hòa

Hơn nữa, trong quá trình ủ phân, các vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ tạo ra nhiệt độ cao có thể cho phép loại được các mầm bệnh trong phân, bùn,….. Các loại chất thải hữu cơ như trái câ

- -

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHÂN COMPOST

TỪ RÁC THẢI CÂY XANH ĐÔ THỊ TẠI THÀNH PHỐ BIÊN HÒA

MAI CẨM VI TRẦN LÊ NGUYÊN

ĐỒNG NAI, THÁNG 12/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG

- -

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHÂN COMPOST

TỪ RÁC THẢI CÂY XANH ĐÔ THỊ TẠI THÀNH PHỐ BIÊN HÒA

Sinh viên thực hiện: MAI CẨM VI

TRẦN LÊ NGUYÊN Giảng viên hướng dẫn: TS Phan Thị Phẩm

ĐỒNG NAI, THÁNG 12/2017

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô trong Khoa Kỹ thuật Hóa học và Môi Trường, Trường Đại Học Lạc Hồng đã chỉ dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu

Đồng thời chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Phan Thị Phẩm đã tận tình hướng dẫn, quan tâm, giúp đỡ và chỉ dạy cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu

Mặt khác, chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các đơn vị đã hỗ trợ nguồn nguyên liệu cho nghiên cứu này

Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và tất cả bạn bè đã giúp đỡ chúng em trong những năm tháng đi học và trong khoảng thời gian thực hiện nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1.1 Tổng quan về rác thải cây xanh đô thị 4

1.2 Tổng quan về bùn thải thủy sản 4

1.3 Tổng quan về phân gia súc 5

1.4 Tổng quan về sản xuất phân compost 6

1.4.1 Định nghĩa 6

1.4.2 Các phản ứng hóa sinh của quá trình ủ phân 6

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost 7

1.4.3.1 Các yếu tố vật lý 7

1.4.3.2 Các yếu tố hóa sinh 9

1.4.4 Chất lượng phân compost 10

1.4.5 Các phương pháp sản xuất phân compost 11

1.4.5.1 Phương pháp ủ phân luống dài (đánh luống cấp khí tự nhiên) 11

1.4.5.2 Phương pháp ủ phân luống dài hoặc đống với thổi khí cưỡng bức 11

1.4.5.3 Phương pháp ủ trong container 12

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

2.1 Phạm vi nghiên cứu 13

2.1.1 Địa điểm 13

2.1.2 Thời gian 13

2.2 Vật liệu và địa điểm 13

2.3 Nội dung nghiên cứu 14

2.4 Phương pháp nghiên cứu 15

2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu 15

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm 15

2.4.2.1 Bố trí mô hình thí nghiệm 15

2.4.2.2 Theo dõi quá trình ủ phân 16

2.4.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 17

2.4.3.1 Phương pháp phân tích 17

2.4.3.2 Phương pháp xử lý số liệu 17

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 18

3.1 Nội dung 1: Xác định tỷ lệ phối trộn nguyên vật liệu đầu vào phù hợp 18

3.2.1 Xử lý kích thước và độ ẩm nguyên liệu 18

3.2.2 Thông số đầu vào của nguyên vật liệu 19

3.2.3 Tỷ lệ phối trộn nguyên vật liệu đầu vào 19

3.2 Nội dung 2: Theo dõi quá trình ủ phân hữu cơ từ rác thải cây xanh đô thị kết hợp bùn thải thủy sản hoặc phân bò tươi 20

3.2.1 Phối trộn nguyên vật liệu và nhập liệu vào mô hình ủ 20

3.2.2 Đánh giá hiệu quả của quá trình ủ phân 21

3.2.2.1 Chỉ tiêu nhiệt độ 21

3.2.2.2 Chỉ tiêu độ ẩm 22

3.2.2.3 Chỉ tiêu giá trị pH 23

3.2.2.4 Chỉ tiêu hàm lượng Cacbon 24

3.2.2.5 Chỉ tiêu hàm lượng Nitơ 25

3.2.2.6 Chỉ tiêu hàm lượng Lân 26

3.2.2.7 Chỉ tiêu tỷ lệ C/N 27

3.2.2.8 Chỉ tiêu cảm quan màu, mùi và kích thước hạt 29

3.2.3 Chất lượng phân compost sau quá trình ủ 29

3.3 Nội dung 3: Đánh giá khả năng nảy mầm 31

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 33

Kết luận 33

Kiến nghị 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Kết quả thí nghiệm

Phụ lục 2: Hình ảnh

Phụ lục 3: Phiếu kết quả thử nghiệm

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm 6

Bảng 1.2 Tỷ lệ C/N của chất thải (tính theo chất khô) 9

Bảng 2.1 Vật liệu và địa điểm lấy vật liệu 13

Bảng 2.2 Vật liệu làm mô hình 16

Bảng 2.3 Tần suất lấy mẫu và phân tích mẫu 16

Bảng 2.4 Các phương pháp phân tích mẫu 17

Bảng 3.1 Thông số đầu vào của nguyên vật liệu 19

Bảng 3.2 Tỷ lệ C/N của nguyên vật liệu 19

Bảng 3.3 Tỷ lệ phối trộn và khối lượng nguyên liệu mô hình 19

Bảng 3.4 Tỷ lệ C/N theo thời gian của các nghiệm thức có lặp lại 28

Bảng 3.5 Kết quả phân tích chất lượng phân Compost 30

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mặt cắt mô hình ủ phân compost 16

Hình 3.1 Máy xay rác chuyên dụng 18

Hình 3.2 Rác cây xanh trước và sau khi xử lý kích thước 18

Hình 3.3 Nguyên liệu sau khi phối trộn với nhau 20

Hình 3.4 Nhập liệu vào mô hình ủ 21

Hình 3.5 Biểu đồ biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ 21

Hình 3.6 Biểu đồ biểu diễn sự biến thiên độ ẩm 22

Hình 3.7 Biểu đồ biểu diễn sự biến thiên giá trị pH 23

Hình 3.8 Biểu đồ biểu diễn sự biến thiên hàm lượng Cacbon 24

Hình 3.9 Biểu đồ biểu diễn sự biến thiên hàm lượng Nitơ 25

Hình 3.10 Biểu đồ biểu diễn sự biến thiên hàm lượng Lân 26

Hình 3.11 Biểu đồ biểu diễn sự biến thiên tỷ lệ C/N 27

Hình 3.12 Hệ số nảy mầm hạt đậu xanh của các nghiệm thức 31

Hình 3.13 Thí nghiệm khả năng nảy mầm của hạt sử dụng dịch chiết compost của các nghiệm thức 32

MỞ ĐẦU

❖ Đặt vấn đề

Việt Nam đang trong thời kì hội nhập kinh tế thế giới nên đòi hỏi phải nỗ lực rất nhiều để phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường Sự phát triển kinh tế đã nâng cao đời sống con người Tuy nhiên, nó cũng mang lại mặt trái là chất thải phát sinh ngày càng nhiều Hiện nay, ngân sách tỉnh Đồng Nai phải chi trung bình 500 ngàn đồng để xử lý 1 tấn rác thải [15] Trong khi đó, lượng rác thải ở Đồng Nai vẫn ngày càng tăng nhanh Do vậy, tái chế và tận dụng rác thải là giải pháp vừa bảo vệ môi trường vừa giảm gánh nặng cho ngân sách

Tại TP Biên Hòa – Đồng Nai, ngoài thành phần rác thải sinh hoạt, trong rác thải

đô thị còn thường xuyên có một lượng lớn rác thải cây xanh Với số lượng hơn 11 ngàn cây xanh được trồng trên địa bàn thành phố nên lượng rác phát sinh trong quá trình cắt tỉa tần suất 3 – 4 lần/năm khá lớn, đặc biệt trước mùa mưa bão [17] Hầu hết cây xanh đường phố trên địa bàn không có giá trị gỗ cao, nên rác cây xanh sau khi cắt tỉa khó tận dụng được Một phần thân cây sau khi cắt tỉa được một số hộ gia đình mang về làm củi đốt Còn phần cành nhánh, lá thì đưa về các bãi xử lý rác tập trung để chôn lấp hay làm phân hữu cơ cùng với rác hữu cơ sinh hoạt trong cùng một dây chuyền Cách giải quyết này tốn nhiều thời gian để phân loại rác từ dây chuyền sản xuất và làm biến động chất lượng phân ủ vì thành phần nguyên liệu đầu vào thay đổi liên tục Do đó, tách riêng rác thải cây xanh đô thị để làm phân compost được xem là giải pháp mang lại hiệu quả hơn

Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng rác thải cây xanh đô thị để sản xuất phân bón hữu cơ thì vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu về dinh dưỡng cho phân bón vì thành phần chủ yếu của cây xanh là cacbonhydrat (xenlulose và hemixelulose) Để đảm bảo chất lượng phân đầu ra đòi hỏi phải phối trộn thêm một số nguồn nguyên liệu giàu chất dinh dưỡng như bùn thải từ quá trình xử lý nước thải chế biến thủy sản hoặc phân gia súc, vừa sử dụng chất thải hiệu quả cao vừa cung cấp được dinh dưỡng cho phân bón Hơn nữa, trong quá trình ủ phân, các vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ tạo ra nhiệt độ cao có thể cho phép loại được các mầm bệnh trong phân, bùn,… [6] Do đó, sử dụng phân bón từ chất thải cây xanh để bù đắp, bổ sung lại chất dinh dưỡng cho đất, giữ đất độ

ẩm, màu mỡ cho đất lâu dài, không gây bạc màu, thoái hóa đất như phân hóa học [7]

Vì vậy, nghiên cứu sản xuất phân compost từ rác thải cây xanh đô thị TP Biên Hòa kết hợp với phân gia súc hoặc bùn thải thủy sản là nghiên cứu có cơ sở khoa học,

có ý nghĩa về mặt môi trường và tính thực tiễn cao

❖ Mục tiêu

Đề tài được thực hiện với mục tiêu chính là giải quyết vấn đề phát sinh rác thải cây xanh đô thị, phân bò và bùn thải thủy sản, tạo ra nguồn phân hữu cơ sinh học thay thế cho phân bón hóa học

❖ Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

➢ Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, sản xuất compost từ rác cây xanh đô thị đã được tiến hành, tuy nhiên chưa có các nghiên cứu cụ thể về vấn đề này Công ty TNHH MTV Dịch vụ công ích Quận 7 – Tp Hồ Chí Minh áp dụng giải pháp xay nhỏ rác cây xanh làm phân compost với thời gian ủ 3 tháng Hơn nữa, sản phẩm là phân hữu cơ khoáng do bổ sung nguồn dinh dưỡng Nitơ, Phosphor khoáng, làm tăng chi phí sản xuất và chưa tận dụng được các nguồn dinh dưỡng có sẵn [16]

Năm 2015, Lê Thị Kim Oanh và Trần Thị Mỹ Diệu đã nghiên cứu quá trình phân hủy hiếu khí bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải chế biến cá da trơn kết hợp với rơm

rạ hoặc mạt cưa Mô hình nghiên cứu dạng hở, thổi khí cưỡng bức và thoáng khí tự nhiên Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ phối trộn nguyên liệu tốt nhất là hỗn hợp 7 bùn : 3 mạt cưa hoặc 7 bùn : 3 rơm (theo khối lượng ướt) với thời gian phân hủy tương ứng 18 hoặc 25 ngày, sản phẩm compost đạt độ ổn định loại A theo tiêu chuẩn Châu

Âu [14] Hầu hết các chỉ tiêu về thành phần compost đều đạt tiêu chuẩn 10TCN526 :

2002 của BNN–PTNT, ngoại trừ chỉ tiêu Nitơ tổng tương đối thấp [3]

Cùng vào năm 2015, Nguyễn Thị Hải Lý, Phan Mộng Thu và Phan Thị Tú Anh

đã nghiên cứu xử lý bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải chế biến thủy sản kết hợp với rơm rạ phương pháp ủ compost hiếu khí Nghiên cứu các tỷ lệ C/N khác nhau như C/N=25/1, C/N=30/1 và C/N=35/1 Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian khối ủ đạt chất lượng khoảng 28 ngày, nhiệt độ của các khối ủ từ 29 – 44,1oC, lượng Nitơ hữu cơ

là 2,83 – 3,5 % N, lượng lân tổng số là 1,68 – 2,1 % P2O5 và tỷ lệ C/N thích hợp để xử

lý bùn thải hữu cơ là 30/1 [5]

➢ Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Theo Moretti và cộng sự (2015) nghiên cứu về sản xuất compost với nguyên liệu

là bùn thải của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt và chất thải cây xanh từ hoạt động cắt tỉa Nghiên cứu tập trung đánh giá đặc tính hóa học, vi sinh có trong bùn thải, hàm lượng kim loại thấp và các mầm bệnh trong suốt quá trình ủ Nhiệt độ, độ ẩm, pH, khả năng dẫn điện (EC), hàm lượng Cacbon, Nitơ và Coliforms được theo dõi trong quá trình ủ Tiến hành ủ phân trong 120 ngày, tỷ lệ C/N đống ủ là 30/1 Nhiệt độ trên 55°C

đã được theo dõi trong 20 ngày Sau 60 ngày ủ phân, Coliform đã giảm từ 107 MPN/g xuống còn 104 MPN/g

Nghiên cứu của Aeslina, A K (2016) về quá trình phân hủy chất thải hữu cơ dễ phân hủy sinh học Chất thải này được tạo ra từ nhiều nguồn như chất thải nông nghiệp, chất thải rắn đô thị, chất thải chợ và chất thải nhà bếp Thành phần từ chất thải hữu cơ có thể được sử dụng làm chất dinh dưỡng cho cây trồng Các loại chất thải hữu

cơ như trái cây, rau, thực vật, rác thải vườn và các loại khác có thể làm nguyên liệu cho quá trình ủ phân Những thông số chính góp phần tạo nên hiệu quả ủ phân compost như nhiệt độ, giá trị pH, độ ẩm và tỷ lệ C/N

Huck, Y C và cộng sự (2013) đã nghiên cứu sản xuất phân compost với nguồn nguyên liệu kết hợp giữa chất thải cây dứa sau mỗi mùa vụ và phân gà để giảm thiểu ô nhiễm môi trường Các lá dứa đã xắt nhỏ, trộn kỹ với hỗn hợp phân gà, thức ăn gà và mật đường trong hộp nhựa cách nhiệt Thực hiện đo nhiệt độ compost 3 lần mỗi ngày Kết quả cho thấy nồng độ N và P tăng lên trong khi hàm lượng C giảm trong suốt quá trình ủ phân Hàm lượng tro và hàm lượng acid humic cũng tăng từ 6,7 % lên 15,8 %

và 11, 3 % lên 24,0 % Giá trị pH của phân compost tăng từ 6,14 lên 7,89 Sản phẩm compost không có mùi hôi, hàm lượng kim loại nặng thấp, lượng chất dinh dưỡng tương đương đạt độ chín và không có độc tố, điều này dựa trên chỉ số nảy mầm của cây trồng về kiểm tra độc tính thực vật đã đạt trên 80% tổng lượng phân ủ cuối cùng

❖ Tính mới đề tài

Sản xuất phân compost sử dụng nguồn nguyên liệu mới là rác thải cây xanh đô thị Ngoài ra, đề tài sẽ đánh giá hiệu quả bổ sung dinh dưỡng cho chất lượng phân compost từ bùn thải thủy sản hoặc phân gia súc (phân bò) để xác định nguồn dinh dưỡng bổ sung thích hợp đối với compost từ rác thải cây xanh đô thị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về rác thải cây xanh đô thị

Thành phố Biên Hòa hiện có hơn 11 ngàn cây xanh được trồng trên các tuyến đường có vỉa hè với các loại cây: lim, sao, dầu, bằng lăng, sò đo cam Một số đường cây trồng phát triển tốt, tạo được tán rất đẹp và mát, chẳng hạn trên những tuyến đường: Huỳnh Văn Nghệ, Nguyễn Ái Quốc, Trần Minh Trí, Phan Trung… Được biết, đường Huỳnh Văn Nghệ và đường Trần Minh Trí trồng cùng loại cây lim Đặc điểm của cây lim là phát triển nhanh, giao tán tốt [16] Để giảm khả năng có thể xảy ra bệnh tật do sâu bệnh, vi khuẩn, đảm bảo an toàn và cảnh quan, thời gian cắt tỉa cây xanh đô thị được thực hiện với tần suất 3 – 4 lần/năm và theo đặc điểm khí hậu của từng vùng, đặc biệt trước mùa mưa bão [17] Lượng rác thải lớn phát sinh sau khi cắt tỉa được thu gom, vận chuyển về bãi chôn lấp và phải tốn chi phí để xử lý Rác thải cây xanh chủ yếu là thân, cành và lá cây Thành phần cấu tạo chủ yếu của rác thải cây xanh là lignoxenlulose bao gồm xenlulose, hemixenlose và ligin Đây là nguồn Cacbon hữu cơ quan trọng cho làm phân compost

1.2 Tổng quan về bùn thải thủy sản

Chất rắn sau quá trình xử lý nước thải và tách khỏi pha lỏng được gọi chung là

“bùn” Bùn thải sau hệ thống xử lý sinh học hay bùn hoạt tính là bông cặn sinh học chứa chủ yếu các vi sinh vật và các chất hữu cơ Lượng bùn thải này chiếm khoảng 10% tổng lượng nước thải của các nhà máy chế biến thủy sản

Theo Cục Chế biến, Thương mại nông lâm thủy sản và nghề muối, năm 2015 cả nước có trên 1.300 cơ sở chế biến thủy sản, nếu trung bình mỗi nhà máy thải ra 2 tấn bùn/ngày thì lượng bùn thải ước tính cả nước là 2.600 tấn/ngày Ở nước ta, bùn sau khi

xử lý hầu hết được thu gom để đổ bỏ tại các khu đất trống cách xa khu dân cư hoặc tại các ao nuôi thủy sản cần được san lấp, một phần nhỏ bùn dùng làm nguyên liệu để sản xuất gạch lót vỉa hè Với lượng bùn thải sinh ra từ các nhà máy chế biến thủy sản ngày càng nhiều mà việc đổ bỏ trực tiếp bùn thải ra môi trường về lâu dài sẽ gây hại đến môi trường [12], đặc biệt là việc tích tụ kim loại và phát sinh mùi hôi thối gây tình trạng mất vệ sinh Ngoài ra, sự hiện diện một số vi sinh vật gây bệnh trong bùn thải gây hậu quả và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường đất, nước và sức khỏe cộng đồng xung quanh [12]

Theo các nghiên cứu thì bùn thải này có hàm lượng chất hữu cơ cao [8,9,10,13], đặc điểm bùn thải của hệ thống xử lý sinh học cho thấy bùn này chứa nhiều chất dinh dưỡng thích hợp cho cây trồng với 5,1% Nitơ, 1,6% P2O5, 0,4% K2O [4] Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho rằng, nếu bùn thải sau khi xử lý nước thải không chứa các kim loại nặng như As, Cd, Cu, Bb, Zn thì có thể được sử dụng cho các mục đích phù hợp Vì vậy, theo Tổng cục Môi trường khuyến cáo sử dụng bùn thải từ quá trình xử lý nước thải chế biến thủy sản làm phân compost

1.3 Tổng quan về phân gia súc

Chăn nuôi hiện nay đang được phát triển mạnh và có loại hình đa dạng phù hợp với từng vùng miền Trong vài năm gần đây, xuất hiện một số mô hình chăn nuôi theo hướng sản xuất hàng hóa như bò nhốt chuồng, lợn nuôi công nghiệp Song song với tốc độ phát triển của trong ngành là khối lượng chất thải phát sinh trong quá trình chăn nuôi ngày càng lớn Nếu lượng chất thải ra ngày càng nhiều mà không có phương án

xử lý hoặc sử dụng chất thải hợp lý thì sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường

Các loại phân gia súc, gia cầm như phân gà, trâu, bò, lợn…có hàm lượng dinh dưỡng cao và phong phú Ngoài các chất dinh dưỡng đa lượng như Lân (P2O5), Đạm (N), Kali (K2O) còn có các chất trung lượng như Canxi (Ca), Magie (Mg), Lưu huỳnh (S), Silic (SiO2) và các chất vi lượng như Đồng (Cu), Kẽm (Zn), Mangan (Mn), Sắt (Fe), Bo (B), Molipden (Mo), Coban (Co) [2] Ngoài ra, loại phân này cung cấp chất mùn làm kết cấu của đất tốt lên, tơi xốp hơn, bộ rễ phát triển mạnh, hạn chế nước bốc hơi, chống được hạn, xói mòn Tuy nhiên, với thói quen của người nông dân thường sử dụng trực tiếp phân tươi để bón cho cây trồng đang ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sinh thái và sức khỏe của con người Dinh dưỡng trong phân động vật tươi chủ yếu nằm ở dạng các hợp chất hữu cơ nên cây trồng khó có thể hấp thụ được Vì vậy,

để tăng hiệu quả sử dụng cần phải chế biến để chuyển hóa các chất hữu cơ phân tử lớn thành các chất vô cơ phân tử nhỏ và các chất khoáng dễ tiêu Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm được thể hiện ở bảng 1.1:

Bảng 1.1 Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm

cơ, không chứa các mầm bệnh, không lôi cuốn côn trùng, có thể lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng [6]

1.4.2 Các phản ứng hóa sinh của quá trình ủ phân

Quá trình phân hủy CTR diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và tạo nhiều sản phẩm trung gian Quá trình phân hủy protein: protein → peptides → amino axits

→ hợp chất ammonium → nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3 Đối với carbonhydrat, quá trình phân hủy xảy ra: carbohydrat → đường đơn → axit hữu cơ →

CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn

Những quá trình chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp, hiện vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết Một cách tổng quát căn cứ trên sự biến thiên nhiệt độ có thể chia quá trình ủ hiếu khí thành các pha sau:

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

mới

− Pha tăng trưởng đặc trưng bởi sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học

− Pha ưa nhiệt là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất Đây là giai đoạn ổn định chất

thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất Phản ứng hóa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí được đặc trưng bởi quá trình:

COHNS + O2 + VSV hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng

− Pha trưởng thành là giai đoạn giảm nhiệt độ đến bằng nhiệt độ môi trường

Trong pha này, quá trình lên men xảy ra chậm, thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành chất mùn), các chất khoáng (sắt, canxi, nitơ…) và cuối cùng thành mùn Ngoài ra còn xảy ra các phản ứng nitrat hóa, 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-):

NH4+ +3/2 O2 → NO2- + 2H+ + H2O

NO2- + 1/2 O2 → NO3-

Kết hợp hai phương pháp trên, quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2H+ + H2O Mặt khác, trong mô tế bào, NH4+ cũng được tổng hợp với phản ứng đặc trưng cho quá trình tổng hợp:

NH4+ + 4CO2 + HCO3- +H2O → C5H7NO2 + 5O2

Phương trình phản ứng nitrat hóa tổng cộng xảy ra như sau:

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

Tóm lại, quá trình phân hủy hiếu khí CTR bao gồm ba giai đoạn chính sau:

− Giai đoạn nhiệt độ trung bình: kéo dài trong vài ngày

− Giai đoạn nhiệt độ cao: có thể kéo dài từ một vài ngày đến một vài tháng

− Giai đoạn làm mát và ổn định: kéo dài vài tháng [6]

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân compost

1.4.3.1 Các yếu tố vật lý

Nhiệt độ trong khối ủ là sản phẩm phụ của sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi

vi sinh vật, phụ thuộc vào kích thước của đống ủ, độ ẩm, không khí và tỷ lệ C/N, mức

độ xáo trộn và nhiệt độ môi trường xung quanh

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của vi sinh vật trong quá trình sản xuất phân compost và cũng là một trong các thông số giám sát và điều khiển quá trình ủ CTR Trong luống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55÷650C, vì ở nhiệt độ này, quá trình chế biến phân vẫn hiệu quả và mầm bệnh bị tiêu diệt Khi nhiệt độ tăng

trên ngưỡng này sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật Ở nhiệt độ thấp hơn, phân hữu cơ không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh

Độ ẩm là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật trong quá trình sản

xuất phân compost vì nước cần thiết cho quá trình hòa tan chất dinh dưỡng vào nguyên sinh chất của tế bào

Độ ẩm tối ưu cho quá trình ủ phân CTR nằm trong khoảng dao động 50÷60% Các vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy CTR thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của phân tử CTR Nếu độ ẩm quá nhỏ (< 30 %) sẽ hạn chế hoạt động của vi sinh vật, còn khi độ ẩm quá lớn (> 65 %) thì quá trình phân hủy

sẽ chậm lại, sẽ chuyển sang chế độ phân hủy kỵ 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

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 không 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 động 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÷50 mm Kích thước hạt tối ưu có thể đạt được bằng nhiều cách như cắt, nghiền và sàn vật liệu thô ban đầu Phân bắc, bùn và phân động vật thường có kích thước hạt mịn, thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học

Độ rỗng (xốp) tối ưu sẽ thay đổi tùy theo loại vật liệu ủ phân Thông thường, độ

rỗng để quá trình diễn ra khoảng 35÷50 %, tối ưu 32÷36 %

Độ rỗng của CTR 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 phân tử hữu cơ hiện diện trong lớp vật liệu ủ Độ rỗng thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy, nên hạn chế

sự giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ trong khối ủ Ngược lại, độ rỗng cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mẩm bệnh không bị tiêu diệt

Kích thước và hình dạng của hệ thống ủ phân có ảnh hưởng đến sự kiểm soát

nhiệt độ và độ ẩm cũng như khả năng cung cấp oxy

Thổi khí khối ủ được cung cấp không khí từ môi trường xung quanh để vi sinh

vật sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng như làm bay hơi nước và giải phóng nhiệt Nếu khí không được cung cấp đầy đủ thì trong khối ủ có thể có những vùng kị khí, gây mùi hôi

Lượng không khí cung cấp cho khối phân hữu cơ có thể thực hiện bằng cách: đảo

trộn, sử dụng ống thông khí, đổ chất thải từ tầng lưu chứa trên cao xuống thấp hay thổi khí [6]

1.4.3.2 Các yếu tố hóa sinh

Tỷ lệ C/N 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; quan trọng kế tiếp là Photpho (P); Lưu huỳnh (S); Canxi (Ca) Các nguyên

tố vi lượng khác cũng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào

Cacbon cung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo ra 50% khối lượng tế bào vi sinh vật Nitơ là thành phần chủ yếu của protein, axit nucleic, axit amin, enzym, co-enzym cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào

Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ phân rác khoảng 30:1 Ở mức độ tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh khí NH3, gây ra mùi khai Ở mức tỷ lệ cao hơn, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật do thiếu N Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hóa, oxy hóa phần cacbon dư cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp

Tỷ lệ C/N của một số chất thải (tính theo chất khô) được thể hiện ở bảng 1.2:

Bảng 1.2 Tỷ lệ C/N của chất thải (tính theo chất khô)

Nguồn: Chongrak, 1996; Tchobanoglous và cộng sự, 1993 [11]

Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân rác Khi

vi sinh vật oxy hóa cacbon tạo năng lượng, oxy sẽ được sử dụng và khí CO2 được sinh ra; khi không có đủ oxy thì sẽ trở thành quá trình yếm khí và tạo ra mùi hôi như mùi trứng gà thối của khí H2S

Các vi sinh vật hiếu khí có thể sống được ở nồng độ oxy bằng 5% Nồng độ oxy lớn hơn 10% được coi là tối ưu cho quá trình ủ phân rác hiếu khí

Dinh dưỡng ngoài một số nguyên tố đa lượng, quá trình chuyển hóa các chất hữu

cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật cũng cần một số nguyên tố vi lượng khác như P, K,

Ca, Fe, Bo, Cu… Thông thường, các chất dinh dưỡng này không có giới hạn bởi chúng có nhiều trong các vật liệu làm nguyên liệu cho quá trình ủ phân

Giá trị pH trong khoảng 5,5÷8,5 là tối ưu cho các vi sinh vật trong quá trình ủ

phân Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ phân, các axit 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 xenlulo Nếu hệ thống trở nên yếm khí, việc tích tụ các axit có thể làm pH giảm xuống đến 4,5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của vi sinh vật

Vi sinh vật trong quá trình ủ phân 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

Chất hữu cơ hòa tan thì dễ phân hủy hơn chất hữu cơ không hòa tan Lignin và

lignocellulosics là những chất phân hủy rất chậm [6]

1.4.4 Chất lượng phân compost

Chất lượng phân compost được đánh giá dựa trên bốn yếu tố sau:

− Mức độ lẫn tạp chất (thủy tinh, plastic, đá, kim loại nặng…)

− Nồng độ chất dinh dưỡng (dinh dưỡng đa lượng N, P, K; dinh dưỡng trung lượng Ca, Mg, S; dinh dưỡng vi lượng Fe, Zn,Cu, Mn,Mo,Co,Bo)

− Mật độ vi sinh vật gây bệnh (thấp đến mức không ảnh hưởng có hại đến cây trồng)

− Độ ổn định (độ chín) và hàm lượng chất hữu cơ (độ ổn định liên quan tới nhiệt

độ, độ ẩm và nồng độ oxy trong quá trình chế biến phân hữu cơ; độ ổn định thường tỷ lệ nghịch với hàm lượng chất hữu cơ, khi thời gian ủ phân kéo dài, ổn định của phân sẽ tăng, tức là hàm lượng hữu cơ trong phân giảm) [6]

1.4.5 Các phương pháp sản xuất phân compost

1.4.5.1 Phương pháp ủ phân luống dài (đánh luống cấp khí tự nhiên)

Dạng đánh luống cấp khí tự nhiên là quá trình ủ phân trong đó CTR được sắp sếp theo các luống dài, hẹp và được đảo trộn theo một chu kỳ nhất định nhằm cấp khí cho luống ủ

Các luống ủ có chiều cao 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

Oxy được cung cấp cho hệ thống bằng các con đường tự nhiên như: khuếch tán, gió, đối lưu nhiệt… Các luống phân thường xuyên được xáo trộn theo định kỳ nhằm trộn đều CTR trong luống phân, trộn đều độ ẩm và hỗ trợ cho thổi khí thụ động Việc xáo trộn được thực hiện bằng xe xúc hoặc bằng xe xáo trộn chuyên dụng Tốc độ làm thoáng khí phụ thuộc vào độ xốp của đống ủ [6]

1.4.5.2 Phương pháp ủ phân luống dài hoặc đống với thổi khí cưỡng bức

Trong phương pháp này, vật liệu ủ được sắp sếp 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 chất lượng cao [6]

1.4.5.3 Phương pháp ủ trong container

Phương pháp ủ trong container là phương pháp ủ mà vật liệu được chứa trong container hoặc thùng kín, túi đựng hay trong nhà Thổi khí cưỡng bức thường được sử dụng cho phương pháp ủ này Có nhiều phương pháp ủ trong container như ủ trong bể

di chuyển theo phương ngang, ủ trong container thổi khí và ủ trong thùng quay [6]

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thời gian nghiên cứu từ tháng 3 đến tháng 11 năm 2017

2.2 Vật liệu và địa điểm

Bảng 2.1 Vật liệu và địa điểm lấy vật liệu

Rác cây xanh đô thị

tư Thương mại Thủy sản (INCOMFISH) – KCN Vĩnh Lộc – Q Bình Tân –

Chế phẩm EM

(EM)

Bãi chôn lấp rác thải hợp

vệ sinh ở phường Trảng Dài thuộc Công ty cổ phần môi trường Sonadezi

2.3 Nội dung nghiên cứu

❖ Nội dung 1: Xác định tỷ lệ phối trộn nguyên vật liệu đầu vào phù hợp

− Phân tích thành phần hóa học của rác cây xanh, phân bò, bùn thải thủy sản

− Phân tích các chỉ tiêu: giá trị pH, độ ẩm, hàm lượng Nitơ, hàm lượng Cacbon, hàm lượng Photpho, hàm lượng Kali

− Phối trộn nguyên vật liệu:

Nghiệm thức 1: Rác cây xanh đối chứng

Nghiệm thức 2: Rác cây xanh + Chế phẩm EM đối chứng

Nghiệm thức 3: Rác cây xanh + Chế phẩm EM + Bùn thải thủy sản

Nghiệm thức 4: Rác cây xanh + Chế phẩm EM + Phân bò tươi

❖ Nội dung 2: Theo dõi quá trình ủ phân hữu cơ từ rác thải cây xanh đô thị kết hợp bùn thải thủy sản hoặc phân bò tươi

− Theo dõi, phân tích các chỉ tiêu trong quá trình ủ và đánh giá chất lượng phân thành phẩm của các nghiệm thức nội dung 1

− Các chỉ tiêu đánh giá: giá trị pH, nhiệt độ, độ ẩm, hàm lượng Nitơ, hàm lượng Cacbon, tỷ lệ C/N, hàm lượng Lân

− Các chỉ tiêu cảm quan: màu, mùi và kích thước hạt Từ đó, xác định được thời gian đống ủ

❖ Nội dung 3: Đánh giá khả năng nảy mầm

Quy trình đánh giá khả năng nảy mầm được tiến hành theo phương pháp của Viện công nghệ Châu Á [3] Quy trình được tóm tắt như sau:

− Trộn compost thành phẩm với nước cất theo tỉ lệ 1:10 Khuấy ly tâm hỗn hợp với tốc độ 180 vòng/phút, trong 1 giờ Lọc lấy phần nước trong làm thí nghiệm

− Vẽ bảng gồm 10 ô nhỏ trên tờ giấy lọc và đặt hạt đậu xanh vào mỗi ô Thí nghiệm thực hiện ít nhất 4 lần

− Cho vào mỗi đĩa petri (chứa giấy lọc + đậu xanh) 3 ml dung dịch chiết compost

Sử dụng nước cất đối với mẫu trắng

− Ủ các đĩa petri trong bóng tối ở nhiệt độ 28 – 30oC trong 48 giờ

− Đo độ dài của rễ hạt giống đã nảy mầm trên mỗi đĩa và tính trung bình

Tính toán hệ số nảy mầm bằng công thức GI (Germination Index):

GI = %nảy mầm × chiều dài rễ (hạt sử dụng dịch chiết compost)

%nảy mầm × chiều dài rễ (hạt sử dụng nước cất) × 100

GI ≥ 80% cho thấy sự biến mất của độc tố thực vật trong phân compost và có thể

sử dụng cho cây trồng

GI ≥ 100% có thể được coi là phân mang đặc tính kích thích cho hạt nảy mầm đạt hiệu quả cao

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu

− Tìm hiểu, xử lý, phân tích và tổng hợp các tài liệu thu thập theo mục tiêu của nghiên cứu

− Thu thập tài liệu, số liệu về thành phần, tính chất của rác thải cây xanh đô thị, phân bò tươi và bùn thải thủy sản để đối chiếu với số liệu phân tích của nghiên cứu

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm

2.4.2.1 Bố trí mô hình thí nghiệm

Nghiên cứu áp dụng phương pháp ủ trong mô hình container (thùng ủ) hiếu khí

tự nhiên Thí nghiệm được bố trí theo thứ tự của 4 nghiệm thức và thực hiện lặp lại 3 lần ủ phân Các mô hình ủ được thiết kế thí nghiệm giống nhau và có các thông số được thể hiện ở mặt cắt hình 2.1:

Hình 2.1 Mặt cắt mô hình ủ phân compost

Vật liệu làm mô hình thí nghiệm được thể hiện ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Vật liệu làm mô hình

2.4.2.2 Theo dõi quá trình ủ phân

Bảng 2.3 Tần suất lấy mẫu và phân tích mẫu

Tiến hành theo dõi như vậy cho đến khi khối ủ hoai mục hoàn toàn (nhiệt độ ổn

định) và theo cảm quan đã thành phân thì dừng lại

2.4.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu

2.4.3.1 Phương pháp phân tích

Phương pháp phân tích các chỉ tiêu được thực hiện lặp lại 3 lần theo các TCVN được thể hiện ở bảng 2.4:

Bảng 2.4 Các phương pháp phân tích mẫu

phân tích

Tiêu chuẩn ngành

2 Nhiệt độ oC Thiết bị đo nhiệt độ

bằng đầu cảm biến nhiệt -