Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thải rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương

Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thải rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện sinh thái

đa dạng, đất đai màu mỡ, nguồn lao động phong phú Đây chính là điều kiệnthuận lợi để phát triển nông nghiệp theo hướng sản xuất hàng hóa với qui môlớn Tuy nhiên nguồn phế thải sau thu hoạch là rất lớn và đa dạng

Hàng năm, trên đồng ruộng, nương rẫy để lại hàng chục triệu tấn phếthải đó là rơm rạ, lõi ngô, rau quả, thân lá thực vật…Chương trình 1 triệu tấnđường đã để lại hàng chục vạn tấn bã mía, mùn mía và tàn dư phế thải từ sảnxuất Ngành chế biến cà phê đã thải ra môi trường trên 20 vạn tấn vỏ mộtnăm Ngoài ra còn hàng chục triệu tấn rác thải sinh hoạt Tất cả nguồn phếthải này một phần được đốt, một phần được xử lý, phần còn lại gây ô nhiễmmôi trường nghiêm trọng [13]

Tập quán đốt tàn dư trên đồng ruộng như rơm rạ, lõi thân cây ngô, rauquả…không những làm mất đi một lượng lớn các chất dinh dưỡng, các chấthữu cơ trả lại cho đất mà còn gây ô nhiễm môi trường do khí độc hại, tro bụiphát tán vào không khí Mặt khác nước ta đang hướng sản xuất nông nghiệptheo hướng bền vững – nông nghiệp hữu cơ chính vì vậy nhu cầu phân bón hữu

cơ ngày càng tăng cao Trong khi đó nguồn phân hữu cơ từ gia súc như: phânlợn, phân trâu, phân bò…không đủ cung cấp cho cây trồng hoặc gây ra ô nhiễmmôi trường, ngộ độc cho con người do chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh

Tứ Kỳ là huyện thuộc tỉnh Hải Dương, có truyền thống lâu đời làmnông nghiệp và cho đến nay nông nghiệp vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong kinh tếhuyện Cũng chính vì vậy nguồn phế thải trên đồng ruộng của huyện là rất lớn

và việc điều tra số lượng, thành phần phế thải sau thu hoạch, xử lý chúng làrất cần thiết Nó không chỉ làm sạch đồng ruộng mà còn tạo ra phân bón hữu

cơ trả lại cho đất, giải quyết sự thiếu hụt phân hữu cơ hiện nay, đồng thờigiảm bớt chi phí phân bón cho người dân.

Phương pháp sử dụng chế phẩm sinh học để xử lý những loại phế thảiđồng ruộng đó có nhiều ưu điểm lớn trong sản xuất và môi trường Tuy nhiên,hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại chế phẩm sinh học Tùy vào mụcđích mà người ta sử dụng các loại chế phẩm khác nhau nhưng câu hỏi đượcđặt ra là loại chế phẩm nào có nhiều ưu điểm và cho hiệu quả cao để xử lýphế thải đồng ruộng

Chế phẩm sinh học SHMT là chế phẩm được Viện Môi trường Nôngnghiệp nghiên cứu và thử nghiệm dựa vào đề tài cấp nhà nước KC 04 – 04,bắt đầu từ năm 2006 và được nghiệm thu năm 2009, với trưởng nhóm nghiêncứu là Ths Lương Hữu Thành Đề tài đã tiến hành nghiên cứu sản xuất chếphẩm vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ theo phương pháp nhiễm tổ hợpcác chủng vi sinh vậy được lựa chọn vào chất mang than bùn Từ năm 2006đến nay chế phẩm SHMT liên tục được các cán bộ Viện Môi trường Nôngnghiệp thử nghiệm nhiều lần trên qui mô phòng thí nghiệm và tới nửa cuốinăm 2009 chế phẩm đã được tiến hành thử nghiệm trên đồng ruộng tại xãNgọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương

Xuất phát từ cơ sở lí luận và thực tế trên tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“ Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thải

rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương ”

1.2 Mục đích, yêu cầu nghiên cứu

1.2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Xác định lượng phế thải rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnhHải Dương

- Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thảirau quả trên đồng ruộng.

- Làm sạch đồng ruộng góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.2.2 Yêu cầu nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu về phương pháp sử dụng chế phẩm trong xử lý phế thảiđồng ruộng

- Thu thập được các tài liệu về khu vực nghiên cứu

- Thu thập được số liệu về khối lượng, thành phần của phế thải

- Nắm bắt được các giai đoạn trong đánh giá hiệu quả của chế phẩmSHMT

- Làm rõ hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT thông qua thực tế và

so sánh đối chứng

PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ

2.1.1 Thành phần hóa học của rau quả

a Nước

Trong rau quả, hàm lượng nước rất cao chiếm đến hơn 80% Đối vớimột số loại như dưa chuột, cải bắp, các loại dưa lượng nước chiếm đến 95%

Nước trong rau quả chủ yếu ở dạng tự do Có tới 80 – 90% lượng nước

tự do trong dịch bào, phần còn lại trong chất nguyên sinh và gian bào Chỉmột phần nhỏ của nước (không quá 5%) là ở dạng liên kết trong các hệ keocủa tế bào Ở màng tế bào, nước liên kết với protopectin, cellulose vàhemicelluloses [2]

b Các hợp chất hydratcarbon ( gluxit)

Các hydratcarbon là thành phần chủ yếu của nông sản, chiếm 50 - 80%trọng lượng chất khô Chúng vừa là vật liệu cấu trúc tế bào (cellulose vàhemicelluloses, pectin), vừa là nguyên liệu của quá trình hô hấp (đường) đồngthời là nguồn năng lượng dự trữ (tinh bột) cho các quá trình sống của nông sản[2]

Các loại nông sản khác nhau có thành phần hydratcarbon rất khác nhau.Hydratcarbon chủ yếu trong các loại rau ăn củ là tinh bột, trong rau ăn lá làcellulose, trong các loại quả và một số loại rau ăn quả là tinh bột và đường

fructose và saccrose Hàm lượng đường thường cao nhất ở các loại quả nhiệtđới, thấp nhất ở các loại rau.

- Tinh bột:

Tinh bột là polysaccharide quan trọng nhất, đóng vai trò dự trữ Tinhbột có nhiều trong một số loại rau ăn củ như khoai tây (15 - 18%), khoai lang(12 - 26%) Trong các loại rau quả, hàm lượng tinh bột thấp, chỉ có khoảng1%, ngoại trừ quả chuối bột – plantain (15 - 20%) Tinh bột gồm có 2 loại làamylase và amylopectin khác nhau về cấu tạo phân tử, về tính chất lý học vàhóa học [15]

- Cellulose và Hemicellulose:

Cellulose có nhiều trong các loại cây lấy sợi (bông 95 98%, đay 85 90%) nhưng chỉ chiếm khoảng 0,5 - 2,7% trong quả (dứa 0,8%, cam, bưởi1,4%, hồng 2,5%); 0,2 - 2,8 trong rau (cải bắp 1,5%, măng 3%) Trong cácloại quả hạch có vỏ cứng, cellulose có thể chiếm tới 15% [15]

-Hemicellulose là một nhóm polysaccharide không đồng nhất có liên kếtchặt chẽ với cellulose Chúng cũng là một trong những thành phần cấu trúcchính của thành tế bào thực vật Các thành phần cấu tạo của phân tửhemicelluloses gồm glucose, galactose, mannose, xylose và arabinose Hàmlượng hemicelluloses trong rau từ 0,2 - 3,1%; trong quả là 0,3 - 2,7% [2]

các tế bào lại với nhau Trong nông sản pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng: pectinhòa tan (acid pectic, pectin) và pectin không hòa tan (protopectin) [ 15].

c Các hợp chất chứa nitơ

Nitơ trong nông sản tồn tại chủ yếu dưới dạng protein và phi protein.Protein có giá trị dinh dưỡng cao, đóng vai trò quan trọng trong việc pháttriển mầm của củ giống Hàm lượng protein trong rau quả nhìn chung là thấp:quả 1%, rau 2%, ngoại trừ các loại rau họ đậu đỗ chứa khoảng 5% Với cácsản phẩm rau quả, phần lớn protein đóng vai trò chức năng (cấu tạo nên cácenzyme) chứ không dự trữ như trong các loại hạt [2]

d Lipid

Bảng 2.1 Hàm lượng lipid của một số rau quả

Lipid thực vật là một nhóm hợp chất lớn đóng nhiều vai trò trong hoạtđộng sinh lý và trao đổi chất của nông sản sau thu hoạch Ở các nông sản nhưrau quả lipid chủ yếu là dạng cấu tử tham gia vào thành phần cấu trúc màng,hay lớp vỏ sáp bảo vệ Hàm lượng lipid trong rau quả thấp, thường < 1% trừquả bơ và ôliu có tới 15% chất béo dưới dạng hạt nhỏ trong tế bào thịt quả [15].

Ngoài ra trong rau quả còn chứa các hợp chất bay hơi, các sắc tố, cácaxid hữu cơ và đặc biệt là các loại vitamin

2.1.2 Cơ sở khoa học của việc phân giải sinh học Ligno - xenluloza

a Xenluloza

Xenluloza là thành phần chủ yếu trong tế bào thực vật, chiếm tới 50%tổng số hydratcarbon trên trái đất Trong vách tế bào thực vật, xenluloza tồntại trong mối liên kết chặt với các polysaccarit khác: hemixeluloza, pectin vàlignin tạo thành liên kết bền vững Hàm lượng xenluloza trong các chất khácnhau rất khác nhau, trong giấy là 61%, trong trấu là 31% Trong phế liệu nôngnghiệp xenluloza thường có mặt ở dạng sau: rơm rạ, lá cây, vỏ lạc, vỏ trấu, lõithan cây ngô [13]

Cơ chế phân hủy xenluloza:

Năm 1950, Reese và Ctv lần đầu tiên đã đưa ra cơ chế phân giải xenluloza:

Cl Cx xenlobioza

Xenluloza tự nhiên xenluloza hoạt động đường hòa tan Glucoza

Trong đó: Cx tương ứng với exoglucanza

Cl tương ứng với endogluanazaTheo Reese thì Cl là “ tiền nhân tố thủy phân” hay enzyme không đặchiệu, nó làm trương xenluloza tự nhiên thành các chuỗi xenluloza hoạt động cómạch ngắn hơn và bị enzym Cx tiếp tục phân cắt tạo thành các đường tan và

cuối cùng thành glucoza Những vi sinh vật phát triển trên hợp chất chứaxenluloza đã tiết ra các loại enzyme này để phân hủy chuyển hóa xenluloza [13].

b Vi sinh vật phân giải xenluloza

Vi sinh vật có khả năng phân giải xenluloza là những vi sinh vật có khảnăng tổng hợp được hệ enzyme xenlulaza Hệ enzyme xenlulaza gồm bốnenzyme khác nhau [21,23]

- Xellobiohydrolaza: tác dụng cắt đứt liên kết hydro làm biến dạngxenluloza tự nhiên, phân giải vùng kết tinh tạo dạng cấu trúc vô định hình

- Endoglucanaza: có khả năng cắt đứt các liên kết β 1 - 4 glucozit bêntrong phân tử tạo thành những chuỗi dài

- Exo - gluconaza: tiến hành phân giải các chuỗi dài trên thành cácdisacarit gọi là xellobioza

- β - gluconaza: tiến hành thủy phân xellobioza thành glucoza

Trong tự nhiên vi sinh vật phân giải xenluloza vô cùng phong phú nhờ

hệ enzym xenlulaza ngoại bào [20,24] bao gồm: Vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn,nguyên sinh động vật

+ Vi khuẩn: Là nhóm vi sinh vật lớn nhất và cũng được nghiên cứu nhiều

nhất Từ thế kỷ 19, các nhà khoa học đã phát hiện thấy một số loại vi khuẩn kỵkhí có khả năng phân giải xenluloza Những năm đầu thế kỷ 20 người ta lại phânlập được các vi khuẩn hiếu khí cũng có khả năng này Trong các vi khuẩn hiếukhí phân giải xenluloza, thì niêm vi khuẩn có vai trò lớn nhất chủ yếu là các

giống: Cytophaga, Sporocytophaga và Sorangium Niêm vi khuẩn nhận năng

lượng khi oxy hóa các sản phẩm của sự phân giải xenluloza thành CO2 và H2O

Ngoài ra còn thấy giống Cellvibrio cũng có khả năng phân giải xenluloza Trong điều kiện kỵ khí, các vi sinh vật ưa ẩm, ưa nhiệt thuộc giống Clostridium và

Bacillus tiến hành phân giải xenluloza thành glucoza và xenlobioza, chúng sử

dụng năng lượng từ các loại đường đơn và nguồn cacbon cũng thường kèm theoviệc tạo nên các acid hữu cơ, CO2 và H2 [13]

+ Nấm sợi: Nấm sợi phân giải xenluloza mạnh hơn vi khuẩn vì chúng

tiết vào môi trường lượng enzyme ngoại bào nhiều hơn vi khuẩn Vi khuẩnthường tiết vào môi trường phức hệ xenluloza không hoàn chỉnh, chỉ thủyphân được cơ chất đã cải tiến như giấy lọc và CMC, còn nấm tiết vào môitrường hệ thống xenluloza hoàn chỉnh nên có thể thủy phân xenluloza hoàn

toàn Các loại nấm phân hủy mạnh xenluloza là: Trichoderma, Penicillium,

Phanerochate, Sporotrichum, Sclerotium [13].

Nấm ưa nhiệt, chúng có thể tổng hợp các enzyme bền nhiệt hơn, chúngsinh trưởng và phân giải nhanh xenluloza Nấm có thể phát triển ở pH = 3,5 - 6,6

Nguồn cacbon giúp cho nấm phân giải mạnh xenluloza Trong phế thảichứa nhiều nitơrat cũng kích thích nấm phân giải xenluloza, nguồn nitơ hữu

cơ cũng giúp cho nấm phân giải xenluloza mạnh hơn [13]

Người ta tìm thấy trong đống ủ phế thải có nhiều loại nấm như:

Aspergillus, Alternaria, Chaetomium, Coprinus, Fomes, Fusarium, Myrothecium, Penicillium, Polypones, Rhizoctonia, Rhizopus, Tricoderma

+ Xạ khuẩn: Xạ khuẩn có tác dụng phân giải phế thải khá mạnh Người

ta chia xạ khuẩn thành 2 nhóm: Xạ khuẩn ưa ấm, chúng phát triển mạnh ởnhiệt độ 28 - 30 0C, và xạ khuẩn ưa nhiệt, chúng có thể phát triển mạnh ởnhiệt độ 60 - 70 0C

Trong đống ủ phế thải người ta tìm thấy nhiều loại xạ khuẩn đó là:

Actinomyces, Streptomyces, Frankia, Nocardia, Actinopolyspora, Actinosynoem, Dermatophilus, Pseudonocardia, Cellulomonas.

c Hemixenluloza

Hemixenluloza có khối lượng không nhỏ, chỉ đứng sau xenluloza trong

tế bào thực vật, chúng được phân bố ở vách tế bào Hemixenluloza có bảnchất là polysaccarid bao gồm khoảng 150 gốc đường liên kết với nhau bằngcầu nối β - 1,4 glucozit; β - 1,6 glucozit và thường tạo thành mạch nhánhngắn có phân nhánh

Cơ chế phân giải hemixenluloza:

Khi nghiên cứu hemixenluloza, người ta thấy chúng giống vớixenluloza về cấu tạo, liên kết hóa học và cấu trúc đại phân tử Nhiều tác giảcho rằng, hemixenluloza có tính chất tương đồng với xenluloza về cơ chế tácđộng, tính chất, cảm ứng tổng hợp Tuy nhiên giữa hemixenluloza vàxenluloza cũng có nhiều khác biệt Hemixenluloza có khố lượng phân tử nhỏhơn, cấu trúc đơn giản và kém bền vững hơn [17]

d Vi sinh vật phân giải hemixenluloza

Vi sinh vật phân giải hemixenluloza thường có trong dạ dày của động

vật nhai lại như trâu bò Chủ yếu là các giống sau: Ruminococcus, Bacillus,

Bacteroides, Butyvibrio, Clostridium Nhiều loại nấm sợi như: Aspegillus, penicillium, Trichoderma [1].

e Lignin

Lignin là hợp chất có thành phần cấu trúc phức tạp, là chất cao phân tửđược tạo thành do phản ứng ngưng tụ từ 3 loại rượu chủ yếu là trans - P -

cumarynic; trans - connyferynic; trans - cynapylic Lignin khác với xenluloza

và hemixenluloza ở chỗ hàm lượng cacbon tương đối nhiều, cấu trúc củalignin còn có nhóm methoxyl (- OCH3) liên kết với nhau bằng liên kết (C - C)hay (C - O) trong đó phổ biến là liên kết aryl - glyxerin; aryl - aryl và diarylete Lignin dễ bị phân giải từng phần dưới tác dụng của Na2S2O3, H2SO3,CaS2O3 [9,13]

Cơ chế phân giải lignin:

Nhiều công trình kết luận có tới 15 enzym tham gia vào quá trình phângiải lignin Ligninaza không thủy phân lignin thành các tiểu phần hòa tan nhưquá trình phân giải xenluloza Nhưng trong đó có 3 enzym chủ chốt là: Ligninpezoxidaza, mangan pezoxidaza, laccaza

f Vi sinh vật phân giải lignin

Vi sinh vật phân giải lignin là những giống có khả năng tiết ra enzyme

ligninaza, gồm có: Nấm Basidiomycetes, Acomycetes, nấm bất hoàn Vi khuẩn gồm: Pseudomonas, Xanthomonas, Acinebacter Xạ khuẩn: Streptomyces [16].

2.2 Khái niệm phế thải đồng ruộng và các biện pháp xử lý

2.2.1 Khái niệm phế thải đồng ruộng

Phế thải đồng ruộng là sản phẩm nông nghiệp mà người nông dân thải

ra sau khi thu hoạch Việt Nam là nước nông nghiệp có nguồn phế thải sauthu hoạch lớn, rất đa dạng như rơm rạ, cây ngô, đậu Phế thải đồng ruộngphần lớn là những hợp chất hữu cơ giàu cacbon Sản phẩm sau quá trình phânhủy của chúng ngoài tác dụng cung cấp dinh dưỡng cần thiết cho cây trồngcòn có khả năng làm cho đất tơi xốp, cải thiện các đặc tính của đất, nhất làkhả năng giữ nước Trên thực tế, phế thải đồng ruộng không thể bón trực tiếp

cho cây trồng mà chúng cần phải qua một quá trình chuyển hoá các hợp chấthữu cơ trước khi đưa vào sử dụng.

2.2.2 Biện pháp xử lý phế thải đồng ruộng

Nhìn chung có 4 phương pháp xử lý phế thải sau:

a Biện pháp chôn lấp

Chôn lấp là phương pháp xử lý lâu đời, cổ điển và đơn giản nhất.Phương pháp này đòi hỏi nhiều diện tích đất, và thời gian xử lý lâu, có mùihôi thối, sinh ra các khí độc như: CH4, H2S, NH3 rò rỉ làm ô nhiễm đất, ônhiễm nguồn nước Ở nhiều nước để chống rò rỉ người ta xây bể lớn, nhưngrất tốn kém và thời gian sử dụng bể không được lâu Biện pháp này càng bộc

lộ nhiều khiếm khuyết [13]

b Biện pháp đốt

Đây là biện pháp tạm thời khi lượng phế thải quá nhiều Biện pháp nàygây ô nhiễm môi trường không khí nghiêm trọng, gây hiệu ứng nhà kính và cácloại bệnh đường hô hấp, mặt khác biện pháp này rất tốn nguyên liệu đốt [13]

c Biện pháp đổ ra sông ngòi, biển

Đây là biện pháp rất nguy hiểm, gây ô nhiễm không khí, nguồn nước,tiêu diệt sinh vật sống dưới nước, gây ô nhiễm toàn cầu [8,10]

d Biện pháp sinh học

Biện pháp sinh học là dùng công nghệ vi sinh vật để phân hủy phế thải.Hiện nay biện pháp sinh học để xử lý phế thải là biện pháp tối ưu nhất, đangđược tất cả các nước sử dụng

2.2.3 Các phương pháp xử lý phế thải bằng công nghệ vi sinh vật

a Phương pháp sản xuất khí sinh học ( Biogas) - Ủ yếm khí

Cơ sở của phương pháp này là nhờ sự hoạt động của vi sinh vật mà cácchất khó tan (xenluloza, lignin, hemixenluloza và các chất cao phân tử khác)được chuyển thành chất dễ tan Sau đó lại được chuyển hóa tiếp thành cácchất khí trong đó chủ yếu là metan [3].

Ưu điểm của phương pháp này là có thể thu được một loạt các chất khí

có thể cháy được và cho nhiệt lượng cao sử dụng làm chất đốt, không ô nhiễmmôi trường Phế thải sau khi lên men được chuyển hóa thành phân hữu cơ cóhàm lượng dinh dưỡng cao để bón cho cây trồng Tuy nhiên phương pháp này

có những nhược điểm sau: khó lấy các chất thải sau khi lên men, là quá trình

kỵ khí bắt buộc vì vậy việc thiết kế bể ủ rất phức tạp, vốn đầu tư lớn, năngsuất thấp do sự sinh trưởng của vi khuẩn sinh mêtan có mặt trong rác chậm,gặp nhiều khó khăn trong khâu tuyển chọn nguyên liệu

b Phương pháp ủ phế thải thành đống, lên men tự nhiên có đảo trộn

Rác được chất thành đống có chiều cao từ 1,5 đến 2m, mỗi tuần đảotrộn một lần Nhiệt độ đống ủ là 55 - 60oC, độ ẩm 50 - 70% Sau 3 - 4 tuầntiếp không đảo trộn Phương pháp này đơn giản nhưng mất vệ sinh, gây ônhiễm nguồn nước và không khí [8,10]

c Phương pháp ủ phế thải thành đống, không đảo trộn và có thổi khí

Phế thải được chất thành đống cao từ 1,5 - 2m Phía dưới được lắp đặtmột hệ thống phân phối khí Nhờ có quá trình thổi khí cưỡng bức, mà các quátrình đươc chuyển hóa nhanh hơn, nhiệt độ ổn định, ít ô nhiễm môi trường [13]

d Phương pháp lên men trong các thiết bị chứa

Phế thải được cho vào các thiết bị chứa có dung tích khác nhau để lênmen Lượng khí và nước thải sinh ra trong quá trình lên men được kiểm soátchặt chẽ Các vi sinh vật đã được tuyển chọn bổ sung cho hệ vi sinh vật tự

nhiên trong đống ủ, nhờ đó mà quá trình xảy ra nhanh, dễ kiểm soát, ít ônhiễm hơn [13].

e Phương pháp lên men trong lò quay

Phế thải được thu gom, phân loại và đập nhỏ bằng búa đưa vào lò quaynghiêng với độ ẩm từ 50 - 60% Trong khi quay phế thải được đảo trộn do vậykhông phải thổi khí Rác sau khi lên men lại được ủ chín thành đống trongvòng 20 - 30 ngày [13]

f Phương pháp xử lý rác thải hữu cơ công nghiệp

Đặc điểm chung của kiểu ủ rác công nghiệp này là mức tự động hóacao do đó rác được phân hủy tốt, nhưng lại đòi trình độ khoa học công nghệcao, chi phí tốn kém nên chưa phù hợp với trình độ và khả năng đầu tư củacác nước đang phát triển

g Phương pháp ủ rác thải hữu cơ làm phân ủ

Rác thải hay than bùn được tái chế thành sản phẩm cung cấp cho nôngnghiệp Cơ sở chế biến phân ủ đặt ở trung tâm do đó giảm được chi phí vậnchuyển Dễ dàng thu gom các nguyên liệu để tái chế và có thể xử lý được nướcthải mùi cống Các nguyên tắc trong sản xuất phân ủ từ rác thải đô thị và rác thảisinh hoạt, phế thải nông công nghiệp đều có thể xử lý theo phương pháp này

Phương pháp này còn có một số hạn chế sau: Vốn chi phí vận hànhtương đối lớn, diện tích sử dụng khá lớn, phân loại và tuyển chọn rác mấtnhiều công [13]

2.3 Phân hữu cơ

2.3.1 Khái niệm phân hữu cơ, phân hữu cơ sinh học, phân hữu cơ vi sinh vật

Trong sản xuất nông nghiệp phân bón có vai trò quan trọng quyết định cảnăng suất và chất lượng sản phẩm Cùng với các loại phân bón hóa học, phânhữu cơ ngày càng thúc đẩy sự phát triển của nền nông nghiệp trên toàn cầu.

Phân hữu cơ là loại phân bón thành phần chủ yếu là bã thực vật, thảiđộng vật mà thông qua hoạt động trực tiếp hay gián tiếp của vi sinh vật cungcấp chất dinh dưỡng cho cây trồng góp phần nâng cao chất lượng và năngsuất của sản phẩm

Phân hữu cơ sinh học là sản phẩm phân bón được tạo thành thông quaquá trình lên men vi sinh vật các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc khác nhau(phế thải nông, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đôthị, phế thải sinh hoạt ), trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp dưới tác độngcủa vi sinh vật hoặc các hoạt chất sinh học được chuyển hóa thành mùn

Phân bón hữu cơ vi sinh vật (tên thường gọi: phân hữu cơ vi sinh) làsản phẩm được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu hữu cơ khác nhau, nhằmcung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng, cải tạo đất, chứa một hay nhiềuchủng vi sinh vật sống được tuyển chọn với mật độ đạt tiêu chuẩn qui định,góp phần nâng cao năng suất, chất lượng nông sản Phân hữu cơ vi sinh vậtkhông gây ảnh hưởng xấu đến người, động vật, môi trường sinh thái và chấtlượng nông sản

Phân hóa học ra đời vào đầu thế kỷ 20 và được sử dụng rộng rãi trongnông nghiệp, đem lại hiệu quả cao và nhanh nhưng hậu quả nó gây ra lạikhông lường: nitrat hóa đất với tốc độ nhanh, giảm độ phì nhiêu mạnh và làmcho đất bạc màu Phân hữu cơ và hữu cơ vi sinh tuy có tác dụng đến cây trồngchậm hơn, nhưng một ưu điểm lớn mà phân hóa học không thể có được là làmtăng độ mùn, độ phì nhiêu của đất Do ưu thế này mà cho đến nay, phân hữu

cơ vẫn được dùng rộng rãi trong nông nghiệp [9]

2.3.2 Ủ phân hữu cơ

Ủ phân ( composting ): là phương pháp xử lý phế thải rắn hoặc các chất

dư thừa, mà ở đó các chất hữu cơ thông qua quá trình phân huỷ sinh học đượckiểm soát trở thành các hợp chất đơn giản hơn có thể sử dụng như một nguồndinh dưỡng cung cấp cho đất và cây trồng [11]

Trong quá trình ủ, vi sinh vật đóng một vai trò rất quan trọng, chúng cókhả năng phân giải các hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp ( đại phân tử)thành đơn giản như đường, amino acid, mỡ nhờ các enzym ngoại bào dochúng sinh ra trong quá trình sinh trưởng và phát triển

Quá trình phân giải có thể được thông qua 3 con đường sau:

- Hợp chất cácbon tự nhiên thành đường đơn thông qua phân huỷ hoàn toàn

- Mỡ thành đường đơn và axit béo

- Protein thành amôn hoặc nitrat

Trong quá trình phân giải hiếu khí sản phẩm tạo ra sẽ là CO2, nước vàmuối, được vi sinh vật sử dụng chuyển hoá thành sinh khối vi sinh vật vàhình thành hợp chất humat Tuy nhiên quá trình ủ không bao giờ xảy ra trongđiều kiện hiếu khí hoàn toàn mà luôn kèm theo quá trình phân giải trong điềukiện yếm khí Khi đó sản phẩm tạo ra sẽ là các axit hữu cơ mạch ngắn, H2S vàrượu Đây chính là các tác nhân gây mùi khó chịu trong quá trình ủ [11]

a Một số loại vi sinh vật có ích trong quá trình ủ

Trong quá trình ủ vi khuẩn đóng vai trò chủ đạo bên cạnh xạ khuẩn vànấm mốc Vi khuẩn có mặt ở hầu hết các giai đoạn phân giải và tham gia phângiải tới 90% nguyên liệu Xạ khuẩn xâm nhiễm vào nguyên liệu ủ chậm hơn vikhuẩn và phát huy tác dụng chủ yếu trong phạm vi nhiệt độ cao (thermophilphase) đối với các nguyên liệu khó phân giải Nấm mốc tồn tại trong điều kiện

độ ẩm nguyên liệu thấp và phân giải các nguyên liệu có cấu trúc phức tạp.

Tổng hợp vai trò của các nhóm vi sinh vật và điều kiện phát triển của chúng

đối với nguyên liệu sản xuất phân ủ được tập hợp trong bảng 2.2:

Bảng 2.2 Vai trò và điều kiện môi trường của các nhóm vi sinh vật

trong quá trình ủ Điều kiện môi trường Vi khuẩn Xạ khuẩn Nấm mốc

Xử lý cơ học nguyên liệu Không ảnh hưởng Ảnh hưởng xấu Ảnh hưởng xấu

Nguồn: Viện Môi trường Nông

nghiệp

b Nguyên liệu ủ phân

Các nguyên liệu có thể sử dụng ủ là các phụ phẩm nông, lâm nghiệp và

chế biến thông qua quá trình phân giải sinh học được chuyển hoá thành các

chất hữu cơ tự nhiên đơn giản hơn, bao gồm các nhóm chính sau:

- Lignin, hemixenlulo và xenlulo;

- Đường và tinh bột;

- Mỡ, dầu;

- Protein

Khả năng phân giải sinh học sẽ tăng dần từ lignin, hemixenlulo,xenlulo, mỡ, protein đến tinh bột và đường Thành phần hoá học của một sốhợp chất chính trong tự nhiên được tổng hợp trong bảng 2.3:

Bảng 2.3 Thành phần hoá học của một số nguyên liệu ủ

Nguyên liệu

Thành phần hoá học (% so với khối lượng khô) Tinh bột,

đường Protein Mỡ Hemixenlulo Xenlulo Lignin

Ủ phân là quá trình đồng bộ phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau Mối quan hệ của các yếu tố này có thể được minh hoạ như sau:

Yếu tố ảnh hưởng Nguyên liệu Bay hơi

Sàng lọc nguyên liệu Hàm lượng chất

hữu cơ

Độ lớn nguyên liệu Độ ẩm

Độ ẩm

Độ ẩm

Bụi, bào tử nấm

Độ đồng đều

Ô nhiễm mùi

Tưới ẩm

Thổi khí

Nhiệt độ

môi trường

pH

Nhiệt độ

Cấu trúc nguyên liệu

Vi sinh vật

Nước bay hơi

Nước đọng

Hình 2.1: Sơ đồ mối quan hệ của các yếu tố điều khiển quá trình ủ

d Lựa chọn nguyên liệu

Khả năng có thể phân giải được của một số nguồn nguyên liệu ủ đượctổng hợp trong bảng 2.4:

Bảng 2.4 Mức độ phân giải tối đa của một số nguyên liệu ủ

Nguyên liệu Độ phân giải tối đa (%) Nguyên liệu tự nhiên:

- Xenlulo sau khi xử lý hoá chất

- Xenlulo sau khi xử lý cơ học

40 - 50 50

Rau, quả:

- Táo

- Khoai tây

65,3 63,4

Nguồn: Viện Môi trường Nông nghiệp

Nguyên liệu sử dụng ủ là tất cả các hợp chất hữu cơ có thể phân giải đượcnhờ vi sinh vật Sự phù hợp của nguyên liệu phụ thuộc vào các yếu tố sau: Hàmlượng các chất hữu cơ và tiềm năng phân giải, độ ẩm, cấu trúc nguyên liệu, độlớn và trọng lượng nguyên liệu, hàm lượng các chất dinh dưỡng và khoángchất, độ pH, hàm lượng các chất độc hại

2.3.3.Vai trò của phân hữu cơ

Phân hữu cơ được coi là nguồn chất dinh dưỡng đối với thực vât.Thông qua việc bón phân tất cả những nguyên tố vi lượng và đa lượng đượccung cấp cho cây trồng cũng như đất [5]

Phân hữu cơ chế biến từ các nguồn phế thải hữu cơ và các chế phẩm visinh không chỉ cung cấp nguồn dinh dưỡng cho cây trồng mà nó còn tác dụngphòng chống thoái hóa, ô nhiễm đất đai và góp phần bảo vệ môi trường Đặcbiệt còn góp phần giúp cho sản xuất nông nghiệp bớt lệ thuộc một phần vàoviệc sử dụng nhiều phân vô cơ mà giá cả thường xuyên biến động, nhất lànhững năm gần đây phân Urea, DAP, … tăng giá kỷ lục Năm 2005 tăng trên100% phải tốn nhiều ngoại tệ để nhập khẩu

Một điều cần lưu ý khi sử dụng gia tăng lượng NPK thì lâu dài sẽ xảy

ra hiện tượng hiệu lực của chúng sẽ suy giảm Điều này dễ hiểu khi chúng tathấy hàm lượng chất hữu cơ trong trong đất nông nghiệp ở nước ta còn ở mức

từ trung bình đến quá thấp Vì vậy, việc sử dụng phân hữu cơ đúng phươngpháp sẽ khắc phục được sự mất cân đối dinh dưỡng trong đất, gia tăng hiệu

quả của phân hóa học, giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường và đặc biệt là việcgia tăng chất lượng nông sản, đảm bảo tính bền vững của nông nghiệp

Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy các chất hữu cơ có vai trò hết sứcquan trọng đối với độ phì nhiêu của đất và dinh dưỡng cây trồng Nó có ảnhhưởng quyết định đến sự tạo thành và làm bền vững tới cấu trúc đất Chấthữu cơ có khả năng tương tác với các chất dinh dưỡng, điều phối theo nhucầu của cây trồng đồng thời giữ độ ẩm tối ưu cho cây trồng, khử nhiều loạiđộc tố, tạo thành hệ tổng thể đảm bảo duy trì độ phì nhiêu của đất và sự pháttriển của cây trồng Chất hữu cơ là bản thể chi phối các yếu tố về độ phì nhiêucủa đất và tính ổn định trong sản xuất nông nghiệp [26]

Theo Phạm Văn Toản và Trương Hợp Tác, việc bón phân hữu cơ còngiúp trả lại cho đất lượng lớn các chất dinh dưỡng mà cây trồng đã lấy đi nhưđạm, lân, kali Ngoài ra, phân hữu cơ còn làm tăng hiệu lực phân bón vô cơlên từ 8 - 10% [16]

2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình ủ phân hữu cơ

a Độ ẩm

Vi sinh vật chỉ có thể phát triển trong đống ủ ở điều kiện có nước, vìvậy đơn vị nguyên liệu ủ phải được bao bọc bởi nước Lượng nước tối thiểutrong nguyên liệu phụ thuộc vào nhu cầu của vi sinh vật, trong khi đó nếu quánhiều nước sẽ dẫn đến tình trạng cạnh tranh giữa nước và không khí trong các

kẽ hở của đống ủ Lượng nước tối thiểu cần thiết cho quá trình ủ khoảng20% Đối với vi sinh vật yếu tố độ hoạt động của nước (giá trị Aw ) có vai tròquyết định Trị giá Aw tối thiểu được xác định là 0,94 tương đương với 27%

độ ẩm của giấy báo xé nhỏ Lượng nước phù hợp nhất của khối ủ khi bắt đầukhoảng 40 - 60% [19]

b Cấu trúc nguyên liệu, nồng độ oxy và quá trình sục khí

Oxy rất cần thiết cho các vi sinh vật hiếu khí Để đảm bảo oxy cungcấp cho vi sinh vật thể tích khí trong đống ủ phải đạt khoảng 20 - 30% Điềunày phụ thuộc vào tính chất vật lý của nguồn nguyên liệu, khoảng cách giữacác đơn vị nguyên liệu với nhau và áp suất khí trao đổi Nguyên liệu đượcnghiền nhỏ có tác dụng làm tăng khả năng phân giải của vi sinh vật song lạilàm hạn chế lưu lượng khí trao đổi, vì vậy phải cân đối sao cho hai yếu tố nàykhông đối nghịch nhau Thổi khí (sục khí) trong quá trình ủ có tác dụng ổnđịnh nhiệt độ khối ủ và làm khô nguyên liệu đồng thời tăng cường oxy cho visinh vật hoạt động Lượng khí cần thiết được xác định khoảng 2,50 lít khôngkhí cho 1 gam nguyên liệu khô [22].

c Nhiệt độ

Quá trình ủ là quá trình chuyển hoá của các chất có nhiệt năng caothành các chất có nhiệt năng thấp, và như vậy luôn luôn gắn liền với việc thảinăng lượng ra môi trường Do ủ là quá trình oxy hoá không hoàn toàn nênnhiệt năng sinh ra trong quá trình này thấp hơn nhiều so với nhiệt năng đượctạo thành do đốt nguyên liệu Nhiệt năng sinh ra trong quá trình ủ có tác dụnglàm bay hơi nước của khối ủ và làm tăng nhiệt độ môi trường

Quá trình ủ luôn gắn với việc giải phóng năng lượng Nhiệt độ đống ủtăng nhanh hay chậm phụ thuộc vào số lượng và chủng loại nguyên liệu.Nhiệt độ phù hợp nhất cho quá trình ủ được nhiều nghiên cứu xác địnhkhoảng 55oC Nhiệt độ tăng lên quá 60oC quần thể vi sinh vật trong đống ủ sẽgiảm mạnh Với nhiệt độ trên 70oC độ hoạt động của vi sinh vật sẽ giảm 10 -15% so với nhiệt độ 60oC Ở nhiệt độ 75 - 82oC người ta không còn xác địnhđược hoạt động nào của vi sinh vật Đối với nguyên liệu chứa nhiều xenlulonhiệt độ tối ưu được xác định là dưới 55oC (khoảng 25 - 40oC là tốt nhất) [19]

d Độ pH

Vào giai đoạn đầu, độ pH=6,3 sau đó giảm xuống còn 4,8 và cuối cùngtăng lên pH=9 Quá trình ủ độ pH thường bị giảm xuống ở giai đoạn đầu vì donhững phản ứng tạo thành acid hữu cơ, những acid này đóng vai trò là những

cơ chất cho quần thể vi sinh vật kế tiếp Đường biểu diễn độ pH sau đó tănglên tương ứng với vi sinh vật sử dụng những acid vừa sinh ra trong giai đoạntrước Ở giai đoạn đầu pH giảm xuống không gây ức chế đối với hầu hết các

vi sinh vật, vì thế để nâng pH người ta dùng vôi trong (Ca(OH)2), nó giúp cảithiện điều kiện vật lý của khối ủ, một phần có lẽ hoạt động như vật liệu hút

ẩm [22]

e Thành phần dinh dưỡng của nguyên liệu

Hàm lượng đạm trong các nguồn nguyên liệu rất khác nhau Đảm bảocho quá trình ủ xảy ra tốt nhất cần điều chỉnh tỉ lệ C/N phù hợp cho nguồnnguyên liệu ủ.Tỷ lệ C:N là hệ số dinh dưỡng chính.Tỷ lệ này được xác địnhkhoảng 20:1 đến 30:1 Đối với nguyên liệu nguồn gốc từ gỗ tỷ lệ C/N có thểcao hơn khoảng 35:1 đến 40:1 Thông thường người ta bổ sung vào nguyênliệu ủ các chất hữu cơ tự nhiên giàu nitơ như thân cây họ đậu, bột máu Cùng với nitơ, photpho cũng là yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật

Tỷ lệ C/P phù hợp trong quá trình phân giải được xác định là 200:1 Photphođược bổ sung vào đống ủ tốt nhất dưới dạng photphat hữu cơ, ngoài ra cũng

có thể sử dụng bột quặng hoặc phân lân hoá học [18,22]

f Vi sinh vật khởi động và vi sinh vật làm giàu dinh dưỡng

Nguyên liệu cho quá trình ủ luôn chứa sẵn quần thể vi sinh vật có khảnăng chuyển hoá hợp chất hữu cơ Đã có nhiều ý kiến cho rằng không cầnthiết phải bổ sung vi sinh vật phân giải chất hữu cơ vào khối ủ, song thực tếnghiên cứu và triển khai gần đây cho thấy, quá trình ủ sẽ xảy ra nhanh hơnkhi được bổ sung vi sinh vật Người ta thường bổ sung hỗn hợp vi khuẩn, xạ

khuẩn và nấm mốc vào khối ủ sao cho mật độ vi sinh vật đạt khoảng 106 - 107

VSV/g cơ chất Ngoài ra để làm tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm tạo rangười ta cũng bổ sung vào khối ủ sinh khối vi sinh vật cố định nitơ tự do và visinh vật chuyển hoá photphat khó tan Việc bổ sung các loại vi sinh vật có khảnăng phân huỷ xenlulo cao cùng các nguyên tố dinh dưỡng như đạm dạnghữu cơ, lân dạng quặng photphorit và một số điều kiện môi trường khác đãgiúp rút ngắn thời gian sản xuất phân hữu cơ từ 4 - 6 tháng xuống còn 2 - 4tuần Các vi sinh vật bổ sung trong quá trình sản xuất nhanh phân hữu cơ từ

nguồn phế thải giàu xenlulo là Aspergillus , Trichoderma, Penicillium,

Pseudomonas, Bacillus và Azotobacter [19].

2.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ VSV vào xử lý tàn dư thực vật

2.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ VSV vào xử lý tàn dư thực vật trên thế giới

a Cơ sở khoa học và các kết quả nghiên cứu về xử lý phế thải

Từ lâu con người đã nhận thức được tầm quan trọng của vi sinh vật vớicon người và sản xuất nông nghiệp Nhờ khả năng kỳ diệu của vi sinh trongquá trình tổng hợp phân giải các hợp chất đã góp phần tích cực vào việc khépkín vòng tuần hoàn cacbon và nitơ

Việc tích lũy trong môi trường ngày càng nhiều chất ô nhiễm, đòi hỏi phảităng cường quá trình phân giải, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ này nhờ VSVđặc biệt là các hợp chất khó phân hủy như: xenluloza, hemixenluloza, lignin

Xenluloza là một phức hệ enzim rất phức tạp, các VSV thường không cókhả năng tạo được các hợp phần một cách tương đối Loài tạo được nhiều enzimnày, loài tạo được nhiều enzim khác, ví dụ: vi khuẩn thường không có khả năngtổng hợp Exo - glucanaza, trong khi đa số các loài nấm lại có khả năng này

Giống nấm Tricoderma có khả năng tổng hợp mạnh các enzim Endo - glucanaza

và Exo - glucanaza, giống nấm Aspergillus niger lại tổng hợp xenlubioza, chúng

thường kết hợp với nhau phân giải trong mối quan hệ sinh hỗ

Nấm sợi là nhóm có khả năng tiết ra môi trường một lượng lớn enzimvới đầy đủ thành phần nên có khả năng phân giải xenluloza rất mạnh Nấm có

hoạt tính phân giải xenluloza đáng chú ý là Tricoderma bao gồm hầu hết các

loài sống hoại sinh trong đất, chúng phân hủy tàn dư thực vật trong lớp đấtgóp phần chuyển hóa lượng hữu cơ khổng lồ Một số loài nấm khác cũng có

khả năng phân giải xenluloza khá cao như: Aspergillus niger, Fusarium

solani, Penicillium pinophinum

Vi khuẩn cũng có khả năng phân giải xenluloza nhưng cường độ khôngmạnh bằng nấm sợi do lượng enzim tiết ra môi trường ít hơn và thành phầncũng không đầy đủ Ở trong đất thường có ít vi khuẩn có khả năng tổng hợpđầy đủ 3 loại enzim Do đó để phân hủy xenluloza tự nhiên thì các loại vikhuẩn phải phối hợp với nhau trong mối quan hệ sinh hỗ

Các vi khuẩn hiếu khí cũng có khả năng phân giải xenluloza khá mạnh

như: Celulomonas, Vibro, Archomobacter.

Trong điều kiện yếm khí các vi khuẩn ưa ấm mạnh và ưa nhiệt thuộc

giống Bacillus, Clostridium cũng có khả năng phân hủy xenluloza Trong tự

nhiên ngoài nấm và vi khuẩn thì xạ khuẩn cũng có khả năng phân giải

xenluloza cao, đáng chú ý là Streptomyces, Actinomyces.

Năm 1946, Hugate [14] đã phân lập được loài xạ khuẩn có tên là

Mcromonospora có khả năng phân hủy xenluloza cao Stuzeberger và các

cộng sự (1971) [14] nuôi cấy Themonospara curyata trên môi trường chứa

xenluloza và cao nấm men có bổ sung 0,1% bông nghiền nhỏ, thì thấy chúng

có khả năng tích lũy enzym phân hủy xenluloza

Veigia và các cộng sự [14] đã phân lập được 36 chủng xạ khuẩn từ bùn

ở vịnh Lacoruva (Tân Ban Nha), trong đó 19 chủng có khả năng tổng hợpxenluloza và sinh trưởng tốt trong môi trường chứa 3,5% NaCl

Từ thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã nghiên cứu và nhận thấy một số visinh vật kỵ khí có khả năng phân giải xenluloza Những năm đầu thế kỷ XX,người ta phân lập được các vi sinh vật hiếu khí cũng có khả năng này Trong

vi khuẩn hiếu khí phân giải xenluloza, thì niêm vi khuẩn quan trọng nhất Jei

và cộng sự thấy trong đống ủ có các loài vi khuẩn phân hủy xenluloza sau:

Acteromobater, Clostridium, Cellumonas ,Cytopha Cellvibro, Bacillus, Pseudomonas, Sorangium, Sporocytophara,

Ở Cuba người ta nghiên cứu thành công trong phạm vi thí nghiệm sửdụng một số loài vi khuẩn có khả năng phân giải xenluloza từ giống

Cellumonas để chế biến thành những chế phẩm có sinh khối vi khuẩn giầu

protein và vitamin (H.G.Osmanetal 1972, 1974) [14]

Jei và cộng sự thường gặp các loài nấm phân hủy xenluloza trong đống

ủ như: Alternaria, Aspergillus, Chactomium, Coprinus, Fomes, Fusarin,

Myrothecium, Nennicillium, Polyponus, Rhizotonia, Rhozopus.

b Ứng dụng công nghệ vi sinh vào xử lý tàn dư thực vật

Sử dụng các VSV để sản xuất ra chế phẩm sinh học xử lý tàn dư thựcvật người ta nhận thấy khi phối trộn vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn với tỉ lệ 1:1:1thì cho hiệu quả xử lý cao nhất Sử dụng chế phẩm sinh học có tác dụng rấttốt trong sản xuất trong sản xuất nông nghiệp và cải tạo đất

Ở những nước có năng suất cây trồng cao, bón nhiều phân vô cơ thìhiệu quả của 1kg NPK chỉ thu được 7,5 kg thóc (Nhật) hay 11,4 kg thóc (NamTriều Tiên) Ngược lại ở những nước năng suất cây trồng thấp hơn nhưnghiệu quả của 1kg NPK lại cao hơn nhiều, có thể đạt 45,4 kg thóc (Việt Nam),

43,8 kg thóc ở Thái Lan do bón ít phân vô cơ hơn Thực tế cho thấy năng suấtcây trồng không thể tăng mãi bằng phân vô cơ, khi năng suất đạt cực đại thìhiệu quả của 1 kg NPK giảm Nếu có bón phân vô cơ lên cao sẽ gây ô nhiễmmôi trường, làm đất chai cứng và chua hóa Để khắc phục điều đó thì nhiềunước trên thế giới đặt hướng chung là tăng cường công nghệ vi sinh vào sảnxuất phân hữu cơ, phân hữu cơ vi sinh đặc biệt là phân hữu cơ, phân hữu cơ

vi sinh sản xuất từ phế thải, rác thải, tàn dư thực vật

Hiện nay trên thế giới có nhiều biện pháp xử lý chất thải hữu cơ cónguồn gốc từ thực vật, động vật Tùy theo điều kiện cụ thể những phươngpháp đó được thực hiện ở mỗi quốc gia là khác nhau, thậm chí từng giai đoạn

cụ thể mà người ta áp dụng biện pháp thích hợp Trong đó có 2 phương phápđiển hình xử lý chất thải hữu cơ từ nguồn thực vật bằng công nghệ vi sinh

- Phương pháp sản xuất khí sinh học (Biogas)

Sản xuất khí sinh học dựa trên quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu

cơ tự nhiên hay là quá trình lên men metan VSV chúng sống hội sinh phân hủycác hợp chất hyđratcacbon, lipit, protein thành khí CH4, CO2 và các khí khác.Trong đó khí CH4 chiếm tới 65%, đây là phương pháp được nghiên cứu và ápdụng rộng rãi ở nhiều quốc gia đặc biệt là các nước Châu Âu, Châu Mỹ, Ấn Độ

- Phương pháp làm phân ủ

Cách đây hàng nghìn năm, con người đã biết ủ lá cây, phân gia súcthành hữu cơ để bón cho cây trồng đem lại hiệu quả kinh tế Nhưng việc sảnxuất và sử dụng phân ủ chỉ theo những kinh nghiệm dân gian, chưa có nhữngnghiên cứu về các quá trình diễn ra trong đống ủ Vào những năm đầu thế kỷ

20, nhiều nhà sinh học đã bắt đầu nghiên cứu tìm ra những yếu tố tác độngvào quá trình ủ, rút ngắn thời gian và nâng cao chất lượng phân ủ

Hutchingson và Richards (1921) là những người đầu tiên nghiên cứuquá trình ủ phân Sau đó Horward đã đưa ra “Phương pháp hữu cơ” tức là trộnxác hữu cơ với phân gia súc theo tỷ lệ 3:1 và đảo trộn thường xuyên Ông đãphát triển phương pháp ủ trên những loại nguyên liệu khác nhau theo từng lớp

và lần thứ 2 đảo lại, tạo điều kiện hiếu khí Đây là phương pháp indore,phương pháp mang tên nơi mà Horward làm việc [9]

Từ năm 1926 - 1941 Waksman và các cộng sự nghiên cứu phân hủyhiếu khí bã thực vật, động vật và đã kết luận nhiệt độ, các nhóm vi sinh vật cóảnh hưởng đến sự phân hủy chất thải hữu cơ Ở Mỹ vào những năm 1942,Rodale J.I đã kết hợp các nghiên cứu của Horward với thực nghiệm của mình

để đưa ra phương pháp hữu cơ trong trồng trọt, làm vườn Phương pháp nàycũng được nhiều nước trên thế giới áp dụng và cho kết quả khả quan Khi ápdụng phương pháp này ở trang trại của mình của người dân Nhật, TrungQuốc, Ấn Độ đều nhận thấy rằng ban đầu năng suất có giảm đi nhưng đã ổnđịnh qua vài năm và lợi nhuận tăng lên rõ rệt bởi đã giảm được chi phí đáng

kể khi không phải sử dụng hóa chất nông nghiệp

Golaas và các cộng tác viên 1950 - 1952 đã nghiên cứu các nguyên tắc

cơ bản của phân ủ hỗn hợp rác thải và bùn cống Kết quả cho thấy các tácnhân môi trường như nhiệt độ, độ thoáng khí, kích thước cơ chất, tần số đảotrộn, đặc biệt tỷ lệ C/N của nguyên liệu ủ có liên quan đến việc ủ phân

Theo thời gian phương pháp và kỹ thuật ủ ngày càng hoàn thiện, đáplại nhu cầu chế biến các chất thải nông nghiệp, thành phố, đồng thời kiểmsoát ô nhiễm môi trường do chúng gây ra

Ở một số nước phát triển mà đi đầu là Nhật Bản đã sản xuất phân bón

vi sinh vật dạng lỏng dùng để kích thích cây trồng, đồng thời để xử lý phế thải

rắn hữu cơ và nước thải Các loại chế phẩm này đang được nhiều nước ứngdụng với hiệu quả tương đối cao.

2.4.2 Tình hình nghiên cứu xử lý tàn dư thực vật tại Việt Nam

Khoảng chục năm gần đây đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học cáccấp về lĩnh vực xử lý phế thải, nước thải, trong đó có vấn đề xử lý tàn dư thựcvật trên đồng ruộng Kết quả bước đầu đã được lãnh đạo các cơ sở và ngườidân đồng tình, đáng khích lệ góp phần làm sạch đồng ruộng, giảm thiểu ônhiễm môi trường

Ngô Hải, Trần Công Hạnh (1995) nghiên cứu hiệu quả kinh tế của việc

ủ lá và ngọn mía thay phân chuồng bón cho mía cho thấy, vùi lá mía kết hợpNPK, mía nảy mầm đẻ nhánh sớm hơn, tỷ lệ nảy mầm cao hơn so với bónđơn thuần theo tổng lượng chất dinh dưỡng ngang nhau [10]

Trần Công Hạnh (1998) khi nghiên cứu hiệu quả của việc vùi lại lá vàngọn mía làm phân hữu cơ cho mía vùng đồi đã thu được kết quả khả quan Lá

và ngọn mía được băm 20 - 30cm, được vùi xuống các rãnh mía, sau đó đượcphủ lớp đất lên (thí nghiệm được thực hiện tại Lam Sơn - Thanh Hóa), kết quả làtheo tính toán đã tiết kiệm được 876.000 đồng/ha Như vậy, dùng lá và ngọn míalàm phân hữu cơ đã có hiệu quả kinh tế rõ ràng so với đơn thuần NPK [10]

Việc vùi lá và ngọn mía có ưu điểm là tiết kiệm lượng phân NPK, míanảy mầm, đẻ nhánh sớm, tỷ lệ nảy mầm cao, người nông dân không phải vậnchuyển một lượng lớn khối lượng ra nơi khác vì vậy tiết kiệm được nhiều sứclao động Nhưng có nhược điểm là thời gian phân hủy lá mía kéo dài do NgôHải và Trần Công Hạnh chưa quan tâm yếu tố vi sinh vật Chính vì vậy mà LêVăn Nhương và các cộng sự (1998 - 2000) đã tiến hành nghiên cứu xây dựngcông nghệ sử dụng vi sinh vật có khả năng phân hủy xenluloza và các chất

đồng hành để phân giải lá mía thành phân hữu cơ sinh học với thời gian ngắn(còn 30% so với bình thường bằng chế phẩm vi sinh vật - chế phẩm VII).

Một số công trình nghiên cứu khác như Nguyễn Xuân Thành và cộng

sự (1999 - 2000) xây dựng quy trình xử lý phế thải nhà máy đường và tái chếthành phân bón hữu cơ bón cho cây mía Đề tài cấp Bộ, mã số B99 - 32 - 66

Nguyễn Xuân Thành và cộng sự (2001 - 2005) xây dựng quy trình xử

lý rác thải sinh hoạt và tái chế thành phân hữu cơ vi sinh bón cho cây rau antoàn vùng ngoại thành Hà Nội Đề tài hợp tác Việt Nam - Ý - Áo

Năm 1999, đề tài cấp Bộ B99 - 32 - 46 Nguyễn Xuân Thành và cộng sự

đã nghiên cứu thành công đề tài: “Xử lý rác thải sinh hoạt và phế thải bùn míabằng vi sinh vật và tái chế phế thải sau ủ thành phân hữu cơ vi sinh bón chocây trồng” Kết quả cho thấy khi xử lý chế phẩm vi sinh vật vào đống ủ phếthải có tác dụng làm tăng vi khuẩn tổng số hảo khí, vi khuẩn phân giảixenluloza, nấm tổng số so với đống ủ không xử lý Hàm lượng chất dinhdưỡng dễ tiêu và độ xốp cũng tăng so với đống ủ không xử lý Phân hữu cơ visinh tái chế từ phế thải đạt TCVN 134B - 1996, chất lượng phân sau 4 thángvẫn đạt TCVN Khi thử nghiệm trên đậu tương kết quả cho thấy phân hữu cơ

vi sinh tái chế từ phế thải, rác thải hữu cơ có tác dụng làm tăng chiều cao,trọng lượng cây, tăng cường độ cố định N phân tử và tăng năng suất hạt đậutương từ 15 - 25% so vơi đối chứng

Chế phẩm được tạo ra từ các chủng giống vi sinh vật do đề tài phân lập

và tuyển chọn đạt TCVN Ngoài ra kết quả cho thấy hiệu quả phân giải cao,hạn chế mùi hôi thối của đống ủ đồng thời rút ngắn được thời gian ủ xuốngcòn 45 - 60 ngày

Chế phẩm vi sinh xử lý phế thải đồng ruộng ngày càng được sử dụng rộngrãi Theo Lao động điện tử cập nhật ngày 20/11/2007 - Sở Tài nguyên và Môi

trường phối hợp với Liên hiệp các hội khoa học kỹ thuật tỉnh Thái Bình đã nghiêncứu, sản xuất thành công phân hữu cơ vi sinh từ phế thải đồng ruộng [25].

Từ 6 mô hình sản xuất thử ban đầu tại 2 xã Đông Hoàng và TrọngQuan (huyện Đông Hưng), sau thời gian ngắn 33 xã khác đã sản xuất 24 tấnphân hữu cơ vi sinh Phân được sản xuất từ quá trình ủ các phế thải đồngruộng như rơm rạ, bã mía, bã sắn Phế thải đồng ruộng sau khi ủ từ 60 - 70ngày, trở thành hỗn hợp tơi xốp có màu đen nâu, không có mùi hôi thối, mangbón cho lúa, nhất là cây màu vụ đông rất tốt

Cứ 2,5 - 3 tấn nguyên liệu được băm nhỏ trộn với nước tiểu, phân gia súc

và chất xúc tác Bicat, sẽ cho 1 tấn phân hữu cơ vi sinh Việc sản xuất phân hữu

cơ vi sinh tại các hộ gia đình đã mang lại hiệu quả kinh tế lớn như tận dụng đượcphế thải, quy trình đơn giản, đầu tư thấp, chỉ cần đầu tư 80 nghìn đồng mua chếphẩm sinh học có thể sản xuất được 1 tấn phân hữu cơ vi sinh

Ở Vĩnh Phúc, trung tâm ứng dụng chuyển giao tiến bộ khoa học vàcông nghệ đã tiến hành thử nghiệm chế phẩm vi sinh do Viện Công nghệ Môitrường Việt Nam nghiên cứu đó là chế phẩm vi sinh Biomix

Chế phẩm sinh học Biomix được dùng xử lý phế thải đồng ruộng thànhphân bón hữu cơ, là hỗn hợp của hàng chục loại vi khuẩn, xạ khuẩn ưa nhiệt,phát triển sinh tổng hợp enzyme phân hủy các hợp chất hữu cơ ở nhiệt độ cao(50 - 600C) Trong 1g chế phẩm có chứa hàng tỷ tế bào vi sinh vật hữu hiệu(109 - 1010 CPU/g) Công dụng phân hủy nhanh các phế thải hữu cơ (thân, lá,các loại cây rau, dưa, lạc, rơm rạ, bã rong riềng ) thành phân bón hữu cơ visinh Liều lượng dùng 1kg chế phẩm Biomix để xử lý các chất phế thải của1sào Bắc Bộ thành phân hữu cơ vi sinh trong khoảng thời gian từ 35 - 40ngày tùy theo từng đối tượng Tác dụng phân hủy nhanh các chất hữu cơthành mùn, tăng nguồn phân bón hữu cơ cho đất, giảm chi phí cho sản xuất,

hạn chế sử dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật, góp phần cải tạođất và làm sạch môi trường, tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh và các mầmbệnh có trong các chất phế thải, phân gia súc, gia cầm.

PHẦN III: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Chế phẩm SHMT của Viện Môi Trường Nông Nghiệp

- Phế thải thực vật trên đồng ruộng: thân lá của một số loại rau quảnhư: su hào, cải bắp, cà chua,…tại xã Ngọc Kỳ, Tứ Kỳ, Hải Dương

3.1.2 Địa điểm nghiên cứu

Tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương

3.1.3 Nội dung nghiên cứu

- Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnhHải Dương

- Điều tra lượng phế thải đồng ruộng và tình hình quản lý phế thải đồngruộng trên địa bàn xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương

- Đánh giá chất lượng chế phẩm SHMT

- Đánh giá hiệu quả của chế phẩm SHMT qua các chỉ tiêu: pH, OC%,

P2O5%, K2O%, N%, nhiệt độ đống ủ, chỉ tiêu VSV

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Phương pháp thu thập số liệu.

- Nguồn số liệu sơ cấp: phỏng vấn cán bộ xã Ngọc Kỳ, phỏng vấn nông

hộ bằng phiếu điều tra

- Nguồn số liệu thứ cấp: Tại các phòng ban Viện Môi Trường NôngNghiệp, UBND xã Ngọc Kỳ

3.2.2 Phương pháp xử lý phế thải rau quả.

- Xử lý phế thải rau quả bằng chế phẩm sinh học SHMT trên đống ủ bánhảo khí

- Sử dụng 1,5 tấn phế thải rau quả chia làm 2 công thức:

+ Công thức ĐC (1 đống): Chặt nguyên liệu, đánh đống tự nhiên vàphụ gia (NPK)

+ Công thức TN (2 đống): Dùng chế phẩm sinh học SHMT đạt TCVN6268:2002 và tiến hành theo các bước

* Các bước tiến hành:

- Bước 1: Xử lý nguyên liệu

+ Chặt nguyên liệu 10 – 15cm

+ Tưới ẩm và trung hoà nguyên liệu bằng vôi hoặc nước vôi trong

- Bước 2: Pha trộn dung dịch VSV: Để ủ cho 1 tấn nguyên liệu cần:

1 Chế phẩm vi sinh vật: 200 gr 5 Super lân: 5 – 10 kg

Dung dịch vi sinh vật được phối trộn với nước, rỉ đường, N và K theocách sau: Trộn đều các thành phần trên vào thùng chứa, trộn theo thứ tự sau:cho rỉ đường, ure, kali vào nước, trộn sao cho tan hết sau đó cho chế phẩm visinh vật vào trộn đều.

- Bước 3: Phối trộn nguyên liệu và dung dịch VSV

Sử dụng bình tưới tưới đều dịch vi sinh vật và rắc đều lượng super lânlên nguyên liệu, sau đó dùng cuốc, xẻng trộn đều nguyên liệu

- Bước 4: Ủ nguyên liệu:

Chuyển nguyên liệu đã được đảo trộn vào ủ, sử dụng nilon hoặc bạt chekín bề mặt đống ủ

Theo dõi diễn biến nhiệt độ đống ủ

Đống ủ sau 30 ngày

Tái chế làm phân hữu cơ

Bổ sung nước đảm bảo độ ẩm 50 – 70%

Kiểm tra chất lượng phân giải

Bổ sung thêm NPK (nếu cần)

Hình 3.1 Qui trình xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng

3.2.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu.

- Phân tích các chỉ tiêu lý hóa, VSV của mẫu rác rau trước và sau xử lý:+ Phân tích hàm lượng cacbon hữu cơ tổng số (OC%) theo 10TCN – 1999bằng phương pháp Anderson – Ingram (1989) [7]

+ Phân tích hàm lượng nitơ tổng số theo ISO11261-1994; 10TCN 377 – 99bằng phương pháp Kjeldhal [7]

+ Phân tích hàm lượng lân tổng số theo TCVN 4619-88; 10TCN 374 – 99bằng phương pháp so màu công phá bằng hỗn hợp H2SO4 và HClO [7]

+ Phân tích hàm lượng kali tổng số TCVN 4053 – 88 bằng phươngpháp quang kế ngọn lửa [7]

+ Xác định pHtheo 10TCN 381 – 99 bằng pH meter

+ Xác định độ ẩm theo phương pháp sấy

+ Phân tích các chỉ tiêu vi sinh vật trong sản phẩm phân ủ theo TCVN

4829 : 2001; TCVN 6187 - 2:1996

- Kiểm tra mật độ vi sinh vật: phương pháp Koch

+ Mật độ vi khuẩn được kiểm tra trên môi trường Thạch thịt - pepton.+ Mật độ nấm mốc được kiểm tra trên môi trường Czapeck

+ Mật độ nấm men được kiểm tra trên môi trường Czapeck - Dox

+ Mật độ xạ khuẩn được kiểm tra trên môi trường Gauze.

3.2.4 Phương pháp đánh giá độ chín và độ an toàn của phân ủ

a Phương pháp trồng cải [19]

Chuẩn bị khay có kích thước 38 x 28 x 6 cm và đổ đầy phân ủ, cân 10ghạt cải, rắc đều lên bề mặt khay Sau khi gieo xong, phủ một lớp nilông lên bềmặt khay cho tới khi cây nảy mầm Thường xuyên theo dõi quá trình pháttriển của cây và độ ẩm của phân ủ Sau 5 ngày gieo, tiến hành thu hoạch vàcân trọng lượng tươi của cây cải ở mỗi khay Mức độ chín của đống ủ đượcđánh giá qua tỉ lệ nẩy mầm và trọng lượng tươi của cải trên mỗi khay Trọnglượng cải trên mỗi khay từ 60 - 100g sẽ cho biết đống ủ đã chín Nếu trọnglượng của cải thu được nhỏ hơn 60g chứng tỏ phân ủ chưa chín

b Đánh giá độ chín của nguyên liệu theo TCVN 7185: 2002

Sử dụng nhiệt kế có mức đo nhiệt độ từ 00C đến 1000C, cắm sâu 50cmđến 60cm vào trong đơn vị bao gói có khối lượng có khối lượng không nhỏhơn 10 kg Sau 15 phút đọc nhiệt độ lần thứ nhất Đo, ghi chép và theo dõi sựthay đổi về nhiệt độ trong thời gian 3 ngày liên tiếp, mỗi ngày đo một lần (đovào 9 - 10 giờ) Phân hữu cơ bảo đảm độ chín khi nhiệt độ không thay đổitrong suốt thời gian theo dõi

3.2.5 Phương pháp đánh giá chất lượng chế phẩm

Chế phẩm sinh học SHMT trước khi đem thử nghiệm được tiến hànhđánh giá chất lượng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6168:2002

Cách tiến hành như sau: Cân 10g mẫu vào bình tam giác dung tích250ml có chứa 90ml nước cất đã khử trùng Lắc trên máy lắc 150 vòng/phúttrong 30 phút, thu được dịch pha loãng có nồng độ là 10-1 Sau đó, hút 1mldịch trong bình pha loãng nồng độ 10-1 sang ống nước cất 9ml đã khử trùng,

được nồng độ pha loãng 10-2 Tiếp tục pha loãng như trên, được nồng độ phaloãng 10-3, 10-4,…, đến nồng độ pha loãng cần thiết Hút 0,05ml dịch đã phaloãng nhỏ vào các hộp petri chứa môi trường thạch thịt - pepton Dùng quetrang thủy tinh (đã vô trùng), trang đều lên mặt môi trường trong hộp petri.Sau khi trang xong dùng giấy gói lại và chuyển các hộp petri chứa vi sinh vậtvào tủ ấm và nuôi cấy ở điều kiện nhiệt độ 28oC Sau khoảng thời gian 2 ngàynuôi cấy, lấy mẫu ra quan sát và đếm số khuẩn lạc mọc trên các hộp petri Sốlượng khuẩn lạc được tính bằng công thức:

N =

Trong đó:

N: là số vi sinh vật trong một đơn vị kiểm tra ( CFU/g (ml))

∑C: là tổng số khuẩn lạc đếm được trên tất cả các đĩa Petri được giữ lại

n1: là số đĩa petri được giữ lại ở độ pha loãng thứ nhất

n2: : là số đĩa petri được giữ lại ở độ pha loãng thứ hai

d: là hệ số pha loãng tương ứng với độ pha loãng thứ nhất

PHẦN IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Điều kiện tự nhiên – kinh tế xã hội xã Ngọc Kỳ

4.1.1 Điều kiện tự nhiên

Hình 4.1 Bản đồ xã Ngọc Kỳ, Tứ Kỳ, Hải Dương

Ngọc Kỳ là xã đồng bằng nằm phía Tây huyện Tứ Kỳ tỉnh Hải Dươngcách trung tâm huyện lỵ 6km về phía Tây.

Phía Bắc, phía Tây và phía Nam giáp huyện Gia Lộc

Phía Đông giáp xã Hưng Đạo và xã Tái Sơn

Phía Đông Nam giáp xã Tứ Kỳ

Về phía Tây, xã được ngăn cách với huyện Gia Lộc bởi con sông CầuBinh là một nhánh của sông Thái Bình Xã Ngọc Kỳ được chia thành 5 thôn:

Tứ Kỳ Thượng, Đại Đình, Kim Đôi, Ngọc Lý, Ngọc Trại

Tính chất đất đai cũng như địa hình xã mang đặc tính địa hình của đấtphù sa sông Thái Bình Độ cao so với mặt nước biển trung bình là 0,6m

Khí hậu Tứ Kỳ mang rõ tính chất khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩmcủa miền Bắc, có 2 mùa rõ rệt:

- Mùa khô bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 4

- Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10

Độ ẩm tương đối không khí trung bình từ 75 - 87% và có tính chất ổnđịnh giữa các tháng trong năm

Nhiệt độ trung bình trong năm là 23,3oC

Số giờ nắng trung bình trong năm là 1524 giờ

Lượng mưa trung bình hàng năm là 1300 - 1700 mm, tập trung vàotháng 6, 7

Đất đai ở Tứ Kỳ được hình thành do sự bồi lắng phù sa của sông TháiBình, sông Kinh Thày… tầng canh tác dầy, thành phần cơ giới thịt nhẹ đếnthịt trung bình, độ pH từ 5 - 6,5; tưới tiêu chủ động , thuận lợi cho thâm canhtăng vụ, ngoài sản xuất lúa còn trồng rau mầu, cây công nghiệp ngắn ngày