Đề tài Đánh giá hiệu quả của Compst ủ từ xơ dừa và phân bò bổ sung chế phẩn BIO-F trên cây cà chua

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay môi trường đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, trong đó có rất nhiều nguyên nhân đến từ nước, khí thải, chất thải rắn. Trong đó, ô nhiễm từ chất thải rắn là một nguồn thải gây tác động lớn đến môi trường trong thời gian qua. Chất thải ra không được xử lý an toàn đã tích tụ lâu dài trong môi trường, gây ô nhiễm đất, nước mặt, nước ngầm và không khí, ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe. Lượng chất thải rắn của Việt Nam sẽ tăng từ 24 - 30% tương đương 45 triệu tấn rác/năm . Trong đó, 98% chất thải rắn hiện nay được xử lý bằng phương pháp chôn lấp. Qua quáù trình vận hành, chôn lấp đã bộc lộ nhiều nhược điểm như tốn kém diện tích, chi phí cao,… đồng thời gây ra tác động đến môi trường thông qua lượng khí thải, nước rỉ rác và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến mỹ quan đô thị. Điều đó đòi hỏi thành phố phải có hướng công nghệ tích cực hơn. Mặt khác, là một nước có đến 80% dân số tham gia sản xuất nông nghiệp, mỗi năm phải sử dụng 8 triệu tấn phân hữu cơ trong đó phải nhập từ nước ngoài khoảng 50%. Trong khi đó thì chất thải rắn có thể tái sử dụng được để sản xuất phân hữu cơ (Compost). Quá trình chế biến Compost lại đơn giản với vốn đầu tư vừa phải và sản phẩm của quá trình là phân bón. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu này đã được Thành phố hướng đến trong thế kỷ này. Nhiều đề tài đã thực hiện nhằm mục đích tạo ra sản phẩm compost, nhưng chưa nhiều đề tài thực hiện việc đánh giá hiệu quả của compost trên cây trồng. Trong các đề tài đã thực hiện, đa phần sản phẩm compost tạo ra đã được ứng dụng trên cây công nghiệp lâu năm như cà phê, cao su… nhưng lại chưa được thử nghiem trên cây nông nghiệp ngắn ngày. Đề tài đã chọn cây cà chua làm đối tượng để nghiên cứu, vì cà chua là loại rau ăn trái rất được ưa thích có phẩm chất ngon và chế biến được nhiều cách, còn cho năng suất cao, mang lại lợi nhuận cao cho nhà nông. Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, việc thu gom vận chuyển và xử lý chất thải rắn (CTR) đang là vấn đề mang tính cấp bách và nan giải đối với nhiều địa phương trong cả nước. CTR và các vấn đề liên quan hiện nay không chỉ là điểm nóng trong các cuộc hội họp, hội thảo của các cấp lãnh đạo mà còn là vấn đề “cơm bữa” của các tầng lớp xã hội. Từ năm 1990 đến nay, cùng với sự tăng trưởng kinh tế, đời sống của người dân ngày càng được nâng cao, vì thế lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ngày càng lớn, tại thành phố Hồ Chí Minh khối lượng chất thải rắn sinh hoạt đã vượt khỏi con số một triệu tấn năm, những câu chuyện về rác và những hệ lụy môi trường từ rác đang “nóng lên” trong những năm gần đây. Với khối lượng 7.000 tấn chất thải rắn sinh hoạt phát sinh mỗi ngày, phương pháp xử lý duy nhất là chôn lấp, thành phố có 3 bãi chôn lấp (BCL) hợp vệ sinh, BCL Gò Cát, Phước Hiệp 1 và Phước Hiệp 1A (mới đi vào hoạt động). Cho đến nay, tổng khối lượng rác đã được chôn lấp tại 2 BCL Gò Cát và Phước Hiệp 1 đã lên đến con số 7.900.000 tấn, trong đó Gò Cát là 4.600.000 tấn, và Phước Hiệp 1 là 3.300.000 tấn. Và sự quá tải đó đã dẫn đến những hậu quả về mặt môi trường, như mùi hôi nồng nặc phát sinh từ các BCL đã phát tán hàng kilômét vào khu vực dân cư xung quanh và một vấn đề nghiêm trọng nửa là sự tồn đọng của hàng trăm ngàn mét khối nước rác tại các BCL và cùng với lượng nước rỉ rác phát sinh thêm mỗi ngày khoảng 1.000 - 1.500 m3 tại các BCL thì nuớc rỉ rác đang là nguồn hiểm họa ngầm đối với môi trường. (Báo cáo “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả và giảm chi phí xử lý nước rỉ rác”, CENTEMA, 2007.). Đây là kết quả của việc phân hủy tự nhiên các chất hữu cơ có trong rác thải. Vấn đề đặt ra hiện nay là phải có biện pháp xử lý rác thải hiệu quả, không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng rác thải thành các sản phẩm có giá trị kinh tế. Biện pháp được ưu tiên hàng đầu hiện nay để xử lý chất thải là sử dụng phương pháp phân hủy sinh học, có hai phương pháp phân hủy sinh học của chất thải hữu cơ là chế biến compost hiếu khí và phân hủy kỵ khí, trong đó chế biến compost hiếu khí ít tốn kém, sản phẩm của quá trình là compost có thể làm phân bón. Bên cạnh đó, nhiệt độ cao trong hệ thống có thể cho phép loại được các mầm bệnh, do đó quá trình làm compost được đánh giá là ít ảnh hưởng môi trường và nhất là phù hợp với các qui luật tự nhiên, có thể tái sử dụng để làm phân bón cho nông nghiệp. Việt Nam là nước nông nghiệp với hơn 80% dân số tham gia sản xuất nông nghiệp, nhu cầu sử dụng phân bón khoảng 5,2 triệu tấn hàng năm. Các loại phân bón được tiêu thụ trên thị trường Việt Nam hiện nay chủ yếu là phân hóa học. Trong khi đó, nguyên liệu để sản xuất phân hữu cơ từ CTR không bị động về mặt giá thị trường giúp người dân yên tâm hơn trong việc đầu tư lâu dài vào ngành nông nghiệp. Có nhiều nghiêu cứu đã thực hiện để tạo compost và ứng dụng vào cây công nghiệp, nhưng chưa ứng dụng trên cây nông nghiệp ngắn ngày, có thời gian sinh trưởng phát triển ngắn như cây cà chua. Chính vì vậy, tác giả đã thực hiện đề tài “Đánh giá hiệu quả của compost ủ từ xơ dừa và phân bò bổ sung chế phẩm BIO-F trên cây cà chua”, nhằm giải quyết bài toán về tái sử dụng CTR tạo ra nguồn phân bón và ứng dụng rộng rãi vào sản xuất nông nghiệp. Mục đích của đề tài - Tạo được nguồn compost từ xơ dừa và phân bò bổ sung chế phẩm BIO-F. - Đánh giá hiệu quả của compost thành phẩm trên cây cà chua. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đồ án được thực hiện với những nội dung chính sau : Thí nghiệm 1: Tạo ra compost thành phẩm - Khảo sát quá trình ủ hiếu khí. - Chỉ tiêu theo dõi: khảo sát tốc độ phân hủy của các chất thải thông qua việc theo dõi sự biến thiên của các yếu tố như: nhiệt độ, độ ẩm, pH, hàm lượng chất hữu cơ, cacbon, nitơ trong quá trình ủ. - Tần suất: 2 ngày/lần. Thí nghiệm 2: Đánh giá hiệu quả của compost trên cây cà chua (cây trồng ngắn ngày). - Khảo sát: sự sinh trưởng và sinh sản của cây bón bằng compost. - Chỉ tiêu theo dõi: thử nghiệm trực tiếp và đánh giá hiệu quả của compost trên cây trồng ngắn ngày bằng việc theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng (số nhánh, chiều cao cây), và sinh sản (thời gian ra hoa). - Tần suất: 10 ngày đầu (sau khi bón lót). 15 ngày (sau khi bón thúc lần 1). 35 ngày (sau khi bón thúc lần 2). Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài: nghiên cứu tạo sản phẩm compost bằng xơ dừa và phân bò, bổ sung chế phẩm BIO-F. Đối tượng để đánh giá hiệu quả: thực hiện trên đối tượng là cây nông nghiệp ngắn ngày: cây cà chua trong thời gian 35 ngày. Phương pháp nghiên cứu 1.5.1. Phương pháp luận Dựa vào những tài liệu sẵn có về quá trình lên men hiếu khí chất thải rắn có nguồn gốc hữu cơ, đề tài xây dựng mô hình ủ từ xơ dừa và phân bò có bổ sung chế phẩm BIO-F để tăng tốc độ phân hủy, theo dõi liên tục các chỉ tiêu về nhiệt độ, độ ẩm, chất hữu cơ, hàm lượng C ảnh hưởng đến quá trình để tạo ra sản phẩm compost cho cây trồng. Thử nghiệm bón compost trên cây cà chua so sánh hiệu quả tăng trưởng và năng suất thu hoạch trái giữa mô hình bón compost và mô hình đối chứng (không bón phân), mô hình bón phân vô cơ. 5.1.2. Phương pháp thực tiễn Thí nghiệm 1: Tạo ra compost thành phẩm, sử dụng phương pháp: - Phương pháp thu thập số liệu: thu các số liệu về quá trình ủ compost, các thông số trong quá trình theo dõi (nhiệt độ, độ ẩm, chất hữu cơ, hàm lượng C, N). - Phương pháp thực nghiệm: làm thực nghiệm ủ compost. - Phương pháp thống kê: tính toán các biến thiên nhiệt độ, độ ẩm, chất hữu cơ, C, N trong quá trình ủ. - Phương pháp đánh giá: nhận xét, đánh giá kết quả thu được sau thời gian ủ. Thí nghiệm 2: Đánh giá hiệu quả của compost, sử dụng phương pháp: - Phương pháp thu thập số liệu: thu thập các số liệu trong quá trình trồng cây. - Phương pháp thực nghiệm: trồng thử nghiệm cây cà chua. - Phương pháp quan sát: theo dõi sự sinh trưởng và phát triển của cà chua sau các lần bón phân. - Phương pháp thống kê: đo chiều cao cây, đếm tất cả các nhánh và tính thời gian ra hoa của cà chua. - Phương pháp đánh giá: nhận xét, đánh giá kết quả thu được. 1.6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.6.1. Ý nghĩa khoa học - Đề tài mở ra một hướng mới trong việc tận dụng xơ dừa và phân bò phế thải để biến thành sản phẩm có ích. - Đề tài là một bước khởi đầu trong việc đánh giá hiệu quả của compost trên cây trồng ngắn ngày. Ý nghĩa thực tiễn - Compost tạo ra có thể áp dụng trực tiếp cho nông nghiệp. - Quá trình tạo compost dễ thực hiện và có triển vọng cao. - Đặc biệt nước ta có khoảng 500 triệu ha đất nông nghiệp để sử dụng trồng cây ngắn ngày nếu compost được ứng dụng sẽ giảm được lượng phân bón hoá học. - Cà chua là một loại thực vật dễ trồng, nếu được bón compost thì sẽ cho năng suất cao hơn nhiều. Tính mới của đề tài Đề tài đã chọn xơ dừa và phân bò làm nguyên liệu ủ compost có bổ sung chế phẩm BIO-F mang tính mới hoàn toàn. Mặt khác, cũng chưa nhiều nghiên cứu thực hiện đánh giá hiệu quả của compost trên cây nông nghiệp ngắn ngày, đặc biệt cây cà chua. 1.7. Thời gian thực hiện đề tài. Đề tài được thực hiện từ 01/04 đến 24/06 năm 2009. Giới hạn đề tài Đề tài chỉ sử dụng CTR là xơ dừa và phân bò để tạo ra compost. Chỉ đánh giá được từ khi cây sinh trưởng phát triển cho đến khi ra hoa của cà chua. Địa điểm nghiên cứu - Quá trình thí nghiệm: thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa Môi Trường của Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp HCM. - Mô hình trồng cây đặt tại vườn rau của Trung Tâm Nghiên Cứu và Phát Triển Nông Nghiệp Công Nghệ Cao ở Củ Chi. - Các số liệu phân tích ở phòng thí nghiệm Hóa Môi Trường của Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp HCM. 1.10. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm 5 chương Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tổng quan lý thuyết Chương 3: Phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và thảo luận Chương 5: Kết luận và kiến nghị Chương 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Tổng quan về compost Định nghĩa Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về quá trình chế biến compost và compost, một định nghĩa thường được sử dụng là định nghĩa của Haug 1993. Theo Haug, quá trình chế biến compost và compost được định nghĩa như sau: “Quá trình chế biến compost là quá trình phân hủy sinh học và ổn định chất hữu cơ dưới điều kiện thermophilic. Kết quả của quá trình phân hủy sinh học tạo ra nhiệt, sản phẩm cuối cùng ổn định, không mang mầm bệnh và có ích cho việc ứng dụng cho cây trồng”. “Compost là sản phẩm quá trình chế biến compost, đã được ổn định như humus, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo côn trùng, có thể được lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng”. Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình ủ 2.1.2.1. Phản ứng sinh hóa Quá trình phân hủy CTR diễn ra rất phức tạp, theo nhiều giai đoạn và tạo nhiều sản phẩm trung gian . Qúa trình phân hủy protein: protein → peptides → amino axit → hợp chất ammoniumn → nguyên sinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3. Đối với carbonhydrat, quá trình phân hủy xảy ra: carbonhydrat → đường đơn → axit hữu cơ → CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn. Những phản ứng 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 (latent phase) là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật (VSV) thích nghi với môi trường mới. Pha tăng trưởng (growth phase) đặc trưng bới sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học. Pha ưa nhiệt (thermophilic phase) là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Đây là giai đoạn ổn định chất thải và tiêu diệt VSV gây bệnh hiệu quả nhất. Phản ứng hóa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kỵ khí được đặc trưng bởi hai phương trình: CHONS + O2 + VSV hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng CHONS + VSV kỵ khí → CO2 + H2S + CH4 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng Pha trưởng thành (maturation) 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- + ½ O2 → NO3- Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrat hóa diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 → 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 → C5H7O2N + 5O2 Phương trình phản ứng nitrat hóa tổng cộng xảy ra như sau: 22NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- → 21 NO3- + C5H7O2N + 20H2O + 42H+ 2.1.2.2. Phản ứng sinh học Ủ compost là quá trình sinh học mà các chất hữu cơ có trong chất thải rắn được biến đổi thành các chất mùn ổn định do hoạt động của các tổ chức có thể sống trong điều kiện tự nhiên hiện diện trong chất thải. Các tổ chức này gồm các loại vi sinh vật (VSV) như vi khuẩn, nấm, chất thải hữu cơ được phân hủy ban đầu từ sinh vật tiêu thụ bậc một như vi khuẩn, nấm. Sự ổn định chất thải do các phản ứng của vi khuẩn thực hiện. Trong thời gian đầu, vi khuẩn thích hợp với điều kiện mesophilic xuất hiện trước. Khi nhiệt độ tăng vi khuẩn thermophilic xuất hiện chiếm hầu hết các vị trí trong khối ủ, thermophilic nấm thường tăng trưởng từ 5 – 10 ngày sau khi ủ. Nếu nhiệt độ cao hơn 50 – 60 0C thì nấm và hầu hết các vi khuẩn bị ức chế, chỉ còn các dạng bào tử có thể phát triển. Trong giai đoạn cuối cùng, khi nhiệt độ giảm nhóm vi khuẩn Atinomycetes trở nên chiếm ưu thế làm cho bề mặt đống ủ sẽ xuất hiện màu trắng hoặc nâu. Các loại vi khuẩn thermophilic, hầu hết là các loài Bacillus đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy protein và hợp chất hydratcarbon. Mặc dù chỉ hoạt động bên lớp ngoài của đống ủ và chỉ hoạt động ở giai đoạn cuối nhưng nhóm Atinomycetes đóng vai trong việc phân hủy cellulose, lignin và các chất bền vững khác. Sau giai đoạn tiêu thụ bậc một hay sơ cấp thực hiện xong, các chất này sẽ là thức ăn cho sinh vật tiêu thụ thứ cấp như ve, bọ cánh cứng, giun tròn, động vật nguyên sinh, phiêu sinh. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost Hiệu quả của quá trình ủ phụ thuộc vào nhóm các tổ chức cư ngụ và làm ổn định trong chất thải hữu cơ. Do đó quá trình ủ sẽ không đạt kết quả mong muốn mà nguyên nhân chính là do sự mất cân bằng về thành phần hóa học và điều kiện lý học trong quá trình ủ. Chính vì vậy cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ Compost như nhiệt độ, độ ẩm, pH, VSV, oxy, tỷ lệ C/N và cấu trúc chất thải. 2.1.3.1. Các yếu tố vật lý Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trình ủ gồm: nhiệt độ, độ ẩm, kích thước nguyên liệu, độ rỗng, thổi khí. Nhiệt độ Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ 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 VSV. Ở nhiệt độ thấp hơn phân hữu cơ không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh. Nhiệt độ trong luống ủ có thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau như hiệu chỉnh tốc độ thổi khí và độ ẩm, cô lập khối ủ với môi trường bên ngoài bằng cách che phủ hợp lý. Hình 2.1: Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ phân Độ ẩm (nước) Là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ. 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 50÷60%. Các VSV 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 (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 VSV gây bệnh. Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước có nhiệt dung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác. Trong trường hợp độ ẩm của khối ủ thấp, có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào. Còn khi độ ẩm của khối ủ cao có thể điều chỉnh bằng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như mạt cưa, rơm rạ … Độ ẩm của phân bắc, bùn, phân động vật thường cao hơn giá trị tối ưu, do đó cần bổ sung thêm các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết. Đối với hệ thống làm compost vận hành liên tục, độ ẩm có thể được khống chế bằng cách tuần hoàn sản phẩm compost như sơ đồ hình 2.2. Hình 2.2: Tuần hoàn sản phẩm compost Kích thước nguyên liệu Kích thước nguyên liệu ảnh hưởng rất 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 làm hạn chế sự lưu thông khí trong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các VSV trong đống ủ và giảm mức độ hoạt động của VSV. Ngược lại, hạt có kích thước quá lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ. Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3÷50mm. Kích thước hạt tối ưu có