Tổng quan nghiên cứu

Chế biến tinh bột dong riềng tại Việt Nam hiện đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sinh kế nông thôn tại các tỉnh miền núi phía Bắc như Thái Nguyên, Bắc Kạn, Cao Bằng, Sơn La và Yên Bái. Cả nước có khoảng 61 doanh nghiệp cùng hàng trăm cơ sở sản xuất quy mô làng nghề, cung ứng ra thị trường hơn 7.000 tấn tinh bột mỗi ngày. Tuy nhiên, theo cân bằng vật chất, quá trình chế biến 1 tấn củ dong riềng tươi phát sinh khoảng 0,45 tấn chất thải rắn. Trong đó, lượng bã thải xơ vụn chiếm từ 15% đến 20% tổng khối lượng củ. Bã dong riềng có độ ẩm ban đầu lên tới 88,9%, chứa nhiều tinh bột sót và hợp chất hữu cơ dễ phân hủy nhưng lại chưa được thu gom xử lý bài bản.

Thực trạng xả thải bừa bãi tại các làng nghề đã gây áp lực môi trường nặng nề. Quá trình phân hủy yếm khí tự nhiên của bã dong riềng làm bốc mùi hôi thối nồng nặc từ các khí độc như hydro sunfua, amoniac và phát thải khí nhà kính mêtan. Nước rỉ từ các bãi chứa bã thải gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt với nhu cầu oxy hóa học vượt ngưỡng 10.000 mg/l. Ngược lại, nông nghiệp trong nước đang đối mặt với sự thiếu hụt phân bón hữu cơ trầm trọng khi nhu cầu toàn quốc ước tính lên tới 13 triệu tấn mỗi năm. Năng lực sản xuất công nghiệp hiện tại chỉ đáp ứng được khoảng 1/13 nhu cầu thực tế, tương đương gần 1 triệu tấn mỗi năm. Sự thiếu hụt này dẫn đến việc lạm dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật, làm tiêu tốn từ 500 đến 700 triệu USD nhập khẩu mỗi năm và khiến đất canh tác suy thoái.

Nghiên cứu này được tiến hành nhằm giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm bằng cách xây dựng quy trình công nghệ xử lý bã dong riềng thành phân bón hữu cơ chất lượng cao. Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường thuộc Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên trong thời gian từ tháng 12/2022 đến tháng 12/2023. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi thiết thực giúp các cơ sở chế biến tinh bột chuyển hóa phụ phẩm thành tài nguyên dinh dưỡng, tái tạo độ phì nhiêu cho đất và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của lý thuyết phân giải hiếu khí chất hữu cơ và lý thuyết động học nhiệt sinh học trong khối ủ. Quá trình ủ hiếu khí bản chất là sự chuyển hóa sinh hóa các đại phân tử như xenluloza, hemixenluloza và tinh bột sót nhờ quần thể vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy để tạo thành mùn ổn định, đồng thời giải phóng khí cacbonic, nước và nhiệt lượng. Song song đó, nguồn đạm hữu cơ trải qua các giai đoạn amon hóa và nitrat hóa liên tiếp để chuyển hóa thành dạng nitrat dễ tiêu cho cây trồng. Lý thuyết động học nhiệt sinh học kiểm soát ba pha diễn tiến của đống ủ: pha ưa ấm ban đầu, pha ưa nhiệt duy trì từ 55°C đến 65°C để tiêu diệt triệt để mầm bệnh, và pha chín hoai làm ổn định các phức hợp mùn.

Mô hình nghiên cứu thiết lập dựa trên sự tối ưu hóa tương tác đa biến giữa tỷ lệ phối trộn cơ chất dinh dưỡng, liều lượng chế phẩm vi sinh và độ ẩm đống ủ. Các khái niệm khoa học then chốt bao gồm tỷ lệ cacbon trên nitơ (tỷ lệ C/N), hàm lượng chất hữu cơ tổng số (OM) và độ chín sinh học của phân ủ. Tỷ lệ C/N ban đầu đóng vai trò quyết định đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật, với ngưỡng tối ưu lý thuyết nằm trong khoảng từ 20:1 đến 30:1. Nếu tỷ lệ C/N quá cao, vi sinh vật bị thiếu hụt nguồn đạm để tổng hợp sinh khối, khiến quá trình phân hủy xenluloza bị chậm trễ và nhiệt độ đống ủ không thể tăng cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu phục vụ nghiên cứu là bã dong riềng thu gom ngẫu nhiên phân tầng tại các cơ sở chế biến tinh bột trên địa bàn ba tỉnh Thái Nguyên, Yên Bái và Sơn La. Nghiên cứu triển khai hệ thống thí nghiệm đa yếu tố với cỡ mẫu đồng nhất là 500 kg nguyên liệu cho mỗi công thức ủ, mỗi công thức đều được lặp lại 3 lần độc lập nhằm đảm bảo tính đại diện và kiểm soát sai số thực nghiệm. Thiết kế bao gồm: 5 công thức khảo sát tỷ lệ bổ sung bột cá nhạt từ 10% đến 40%; 6 công thức khảo sát liều lượng chế phẩm vi sinh Emuniv từ 1% đến 10%; 4 dải độ ẩm từ 30% đến 70%; và thử nghiệm khối lượng đống ủ mở rộng từ 1 tấn đến 5 tấn.

Các phương pháp phân tích phòng thí nghiệm tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn quốc gia TCVN nhằm đối chiếu trực tiếp với quy chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT về chất lượng phân bón. Độ ẩm được xác định theo TCVN 9297:2012, cacbon hữu cơ và chất hữu cơ tổng số theo TCVN 9294:2012, nitơ tổng số theo TCVN 10682:2015, lân hữu hiệu theo TCVN 8559:2010 và kali theo TCVN 8560:2018. Dư lượng kim loại nặng độc hại gồm chì và cadimi được phân tích trên thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử theo TCVN 9290:2018 và TCVN 9291:2018. Mật độ vi sinh vật gây hại Salmonella và E.Coli được kiểm định theo TCVN 10780-1:2017 và TCVN 6846:2007. Việc lựa chọn các phương pháp tiêu chuẩn hóa này đảm bảo tính pháp lý, định lượng chính xác các biến thiên hóa sinh và xác nhận độ an toàn tuyệt đối của sản phẩm phân bón hữu cơ. Toàn bộ tiến trình thí nghiệm được triển khai đồng bộ trong thời gian 12 tháng từ tháng 12/2022 đến tháng 12/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả phân tích hóa lý xác định bã dong riềng thô có tính kiềm nhẹ với pH 7,85, giàu cacbon hữu cơ đạt 49,64% nhưng rất nghèo dinh dưỡng khoáng khi nitơ tổng số chỉ đạt 0,50%, lân đạt 0,26% và kali đạt 0,28%. Sự chênh lệch này dẫn đến tỷ lệ C/N ban đầu lên tới 99,28, gây ức chế nghiêm trọng quá trình tự phân hủy. Thử nghiệm bổ sung nguồn đạm hữu cơ cho thấy công thức bổ sung 10% bột cá nhạt giúp nhiệt độ khối ủ tăng vọt lên mức 60°C ở ngày thứ 12 và hạ tỷ lệ C/N xuống mức lý tưởng là 11,10. Việc tăng tỷ lệ bột cá lên 20% đến 40% tuy đưa nhiệt độ lên 65°C đến 67°C nhưng làm gia tăng đáng kể chi phí nguyên liệu. Do đó, mức bổ sung 10% bột cá nhạt được khẳng định là công thức tối ưu kinh tế và kỹ thuật.

Thứ hai, việc bổ sung chế phẩm vi sinh Emuniv ở tỷ lệ 1% đem lại hiệu quả phân giải sinh học vượt trội so với đối chứng không sử dụng chế phẩm. Nhiệt độ đống ủ đạt đỉnh từ 46°C đến 47°C sau 12 ngày, tỷ lệ C/N giảm mạnh từ 99,28 xuống còn 12,24, sản phẩm đạt độ tơi khô hoàn toàn và triệt tiêu mùi hôi. Việc tăng liều lượng chế phẩm lên 3% đến 10% chỉ làm tăng nhiệt độ thêm từ 1°C đến 4°C nhưng không tạo ra khác biệt có ý nghĩa về độ hoai mục, đồng thời làm tăng chi phí sản xuất.

Thứ ba, nghiên cứu xác lập dải độ ẩm tối ưu của nguyên liệu ủ là từ 50% đến 60%. Tại dải độ ẩm này, nhiệt độ đống ủ đạt đỉnh 47°C ở ngày thứ 12, tỷ lệ C/N giảm sâu còn 11,15, thành phẩm sau ủ tơi xốp đồng nhất. Ngược lại, khi độ ẩm vượt mức 60% đến 70%, đống ủ bị nén chặt, yếm khí cục bộ và bết dính. Ở độ ẩm thấp dưới 40%, hoạt tính vi sinh vật bị đình trệ khiến nhiệt độ chỉ đạt tối đa 35°C và tỷ lệ C/N còn cao ở mức 16,15.

Thứ tư, mô hình thử nghiệm tổng hợp trên công thức gồm bã dong riềng kết hợp 10% bột cá nhạt, 1% chế phẩm Emuniv ở độ ẩm 50% đến 60% đã tạo ra phân bón hữu cơ hoàn chỉnh sau 31 đến 33 ngày. Đống ủ đạt đỉnh nhiệt 68°C tại ngày thứ 10 và duy trì nhiệt độ trên 50°C liên tục trong 12 ngày. Phân bón thành phẩm có pH 6,57, hàm lượng chất hữu cơ đạt 30,16%, nitơ tổng số tăng lên 1,08%, lân đạt 0,29%, kali đạt 0,34% và độ sụt lún đạt 30%. Tất cả kim loại nặng gồm chì, cadimi, thủy ngân và crom đều ở ngưỡng không phát hiện. Mật độ vi khuẩn E.Coli từ mức 1,1x10^2 MPN/g giảm về mức không phát hiện, vi khuẩn Salmonella hoàn toàn âm tính. Thử nghiệm sinh học trên rau cải mầm đạt khối lượng 102 gam mỗi khay sau 35 ngày, vượt xa tiêu chuẩn chín hoai là 80 gam mỗi khay.

Thảo luận kết quả

Nhiệt độ đống ủ tăng vọt lên 60°C đến 68°C và kéo dài trên 50°C trong suốt 12 ngày là chỉ dấu quan trọng cho thấy hoạt lực phân giải xenluloza mạnh mẽ của các chủng vi sinh vật trong chế phẩm Emuniv khi được kích hoạt bởi nguồn nitơ dễ tiêu từ bột cá nhạt. Đạm từ bột cá đã giải quyết triệt để nút thắt thiếu hụt dinh dưỡng của bã thô, giúp vi sinh vật bẻ gãy cấu trúc xơ bền vững và sản sinh nhiệt lượng lớn. Diễn biến nhiệt độ này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu ủ hiếu khí của Bùi Thị Thơ và Võ Châu Tuấn, đồng thời đáp ứng trọn vẹn tiêu chuẩn thanh trùng sinh học của Sasaki nhằm tiêu diệt mầm bệnh nguy hại và hạt cỏ dại.

Để phân tích chuyên sâu các dữ liệu thực nghiệm, diễn biến nhiệt độ của các công thức ủ có thể được mô tả trực quan thông qua biểu đồ đường đa biến theo trục thời gian từ ngày 1 đến ngày 30. Biểu đồ này sẽ thể hiện rõ nét chu kỳ ba giai đoạn: pha tăng nhiệt nhanh ban đầu, pha bình ổn nhiệt độ cao ưa nhiệt và pha hạ nhiệt chín hoai. Bên cạnh đó, các chuyển hóa hóa sinh then chốt gồm độ sụt giảm tỷ lệ C/N, hàm lượng chất hữu cơ và sự tích lũy đạm tổng số nên được tổng hợp qua bảng ma trận so sánh trước và sau ủ. Việc trực quan hóa dữ liệu qua biểu đồ và bảng so sánh giúp làm sáng tỏ ngưỡng tối ưu của công thức phối trộn, chứng minh sự đồng thuận khoa học và khẳng định sản phẩm đáp ứng hoàn toàn quy chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa và chuyển giao quy trình ủ hiếu khí cải tiến cho các cơ sở sản xuất miến dong. Các hộ gia đình và hợp tác xã cần áp dụng nghiêm ngặt công thức phối trộn gồm 1 tấn bã dong riềng tươi với 100 kg bột cá nhạt và 10 kg chế phẩm vi sinh Emuniv, cân chỉnh độ ẩm đạt 50% đến 60%. Tiến hành đánh luống ủ có chiều cao từ 1,2 đến 1,5 mét, chiều rộng từ 1,5 đến 2,0 mét, đảo trộn cơ giới đồng đều vào ngày thứ 12 đến 13 và kết thúc chu kỳ sau 31 đến 33 ngày. Chủ thể thực hiện là các cơ sở chế biến làng nghề, hướng tới mục tiêu xử lý 100% bã thải rắn thành phân hữu cơ đạt hàm lượng chất hữu cơ trên 22%.

Thứ hai, nâng cấp hạ tầng thu gom và cơ giới hóa khâu đảo trộn. Doanh nghiệp và hợp tác xã chế biến tinh bột cần đầu tư sân ủ có mái che, rãnh thu gom nước rỉ riêng biệt và trang bị máy đảo luống tự hành công suất nhỏ trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2024. Giải pháp này giúp cắt giảm từ 40% đến 50% chi phí nhân công, rút ngắn thời gian đảo đống ủ và ngăn chặn triệt để tình trạng nước rỉ chứa COD 10.000 mg/l thoát ra sông suối tự nhiên.

Thứ ba, thiết lập chuỗi liên kết kinh tế tuần hoàn giữa làng nghề miến và các vùng trồng trọt. Chính quyền các huyện trọng điểm như Na Rì, Ba Bể, Đồng Hỷ cần chủ trì kết nối các cơ sở chế biến tinh bột với vùng canh tác chè đặc sản, cây ăn quả và rau an toàn. Mục tiêu là tiêu thụ toàn bộ lượng phân bón hữu cơ sản xuất ra với mức giá thương mại từ 1,2 đến 1,5 triệu đồng mỗi tấn, tạo nguồn thu phụ phẩm ổn định cho người sản xuất miến trong lộ trình từ năm 2024 đến năm 2026.

Thứ tư, ban hành cơ chế hỗ trợ kỹ thuật và kiểm định chất lượng phân bón. Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phối hợp với Chi cục Bảo vệ môi trường tổ chức từ 10 đến 15 lớp tập huấn kỹ thuật hàng năm, hỗ trợ 50% kinh phí kiểm định chất lượng theo QCVN 01-189:2019/BNNPTNT cho các cơ sở tiên phong trong vòng 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các chủ cơ sở sản xuất miến dong và doanh nghiệp chế biến tinh bột. Luận văn cung cấp giải pháp kỹ thuật thực chứng giúp tận thu từ 15% đến 20% lượng phụ phẩm bã thải phát sinh mỗi ngày, chuyển hóa chất thải thành sản phẩm thương mại có giá trị và loại bỏ 100% rủi ro bị xử phạt vi phạm môi trường.

Nhóm thứ hai là các hợp tác xã nông nghiệp và trang trại trồng trọt hữu cơ. Đơn vị sản xuất có thể tiếp nhận trực tiếp công thức phối trộn với 1% chế phẩm vi sinh và 10% bột cá nhạt để tự sản xuất phân bón hữu cơ tại chỗ. Giải pháp này giúp cắt giảm từ 30% đến 40% chi phí mua phân bón thương phẩm, đồng thời chủ động nguồn phân hữu cơ sạch để cải tạo độ phì nhiêu cho đất dốc bạc màu.

Nhóm thứ ba là cơ quan quản lý môi trường, chi cục trồng trọt và chính quyền địa phương. Luận văn cung cấp hệ thống số liệu khoa học chính xác để xây dựng đề án quản lý chất thải rắn làng nghề, hoàn thiện tiêu chí môi trường trong chương trình xây dựng nông thôn mới nâng cao và hoạch định chính sách kinh tế tuần hoàn nông nghiệp.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Quản lý tài nguyên, Môi trường và Khoa học đất. Đề tài là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp thiết kế thí nghiệm đa yếu tố quy mô thực địa, kỹ thuật kiểm soát động học nhiệt sinh học và phương pháp đánh giá độ chín sinh học của phân hữu cơ thông qua chỉ số nảy mầm thực vật.

Câu hỏi thường gặp

Bã dong riềng tươi chưa qua xử lý có thể bón trực tiếp cho cây trồng được không? Bã dong riềng tươi hoàn toàn không thể bón trực tiếp cho cây trồng do có tỷ lệ C/N lên tới 99,28 và hàm lượng đạm rất thấp chỉ 0,50%. Khi đưa vào đất, quá trình phân hủy yếm khí tự nhiên sẽ cạnh tranh oxy và nguồn đạm của rễ cây, đồng thời phát sinh axit hữu cơ và nhiệt lượng làm cháy rễ, vàng lá và giảm năng suất cây trồng.

Tại sao quy trình bắt buộc phải bổ sung 10% bột cá nhạt vào khối ủ bã dong riềng? Bã dong riềng chứa tới 49,64% cacbon hữu cơ nhưng lại rất nghèo nitơ. Việc bổ sung 10% bột cá nhạt cung cấp nguồn protein và đạm hữu cơ dễ tiêu giúp cân bằng tỷ lệ C/N của khối ủ về mức 11,10. Tỷ lệ dinh dưỡng này kích thích vi sinh vật nhân sinh khối nhanh chóng, đẩy nhiệt độ đống ủ lên 60°C để phân hủy triệt để chất xơ.

Vì sao độ ẩm của đống ủ phải được duy trì nghiêm ngặt trong khoảng 50% đến 60%? Khoảng độ ẩm từ 50% đến 60% tạo ra lớp màng nước tối ưu bao quanh các hạt vật chất, giúp vi sinh vật hòa tan dinh dưỡng mà không bị bít kín các mao dẫn khí. Kết quả nghiên cứu chứng minh độ ẩm này giúp khối ủ đạt đỉnh nhiệt 47°C, trong khi độ ẩm vượt 65% sẽ gây ngập úng yếm khí, còn dưới 40% làm đình trệ hoạt tính phân giải.

Những dấu hiệu nào khẳng định phân hữu cơ từ bã dong riềng đã hoai mục hoàn toàn? Phân bón đạt độ chín hoàn toàn khi đáp ứng đồng bộ các chỉ tiêu: nhiệt độ hạ về mức cân bằng với môi trường, đống ủ chuyển sang màu nâu đen đồng nhất, cấu trúc tơi xốp không mùi hôi, tỷ lệ C/N dưới 15, độ sụt lún đạt 30% và khối lượng rau cải mầm trong bài thử nghiệm sinh học đạt trên 80 gam mỗi khay.

Phân bón sản xuất từ bã dong riềng có đáp ứng tiêu chuẩn lưu hành thương mại không? Sản phẩm phân bón hữu cơ sản xuất theo quy trình nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với QCVN 01-189:2019/BNNPTNT ban hành theo Thông tư số 09/2019/TT-BNNPTNT. Hàm lượng chất hữu cơ đạt 30,16% vượt xa mức chuẩn 22%, không phát hiện các kim loại nặng độc hại như chì, cadimi, thủy ngân, đồng thời sạch hoàn toàn vi khuẩn gây bệnh Salmonella và E.Coli.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán ô nhiễm chất thải rắn làng nghề tinh bột thông qua 5 đóng góp khoa học và thực tiễn nổi bật:

  • Đánh giá chính xác đặc tính hóa lý của bã dong riềng thô với cacbon hữu cơ 49,64%, nitơ tổng số 0,50% và tỷ lệ C/N thô lên tới 99,28.
  • Xác lập công thức phối trộn tối ưu: bã dong riềng bổ sung 10% bột cá nhạt, 1% chế phẩm vi sinh Emuniv và độ ẩm ban đầu từ 50% đến 60%.
  • Kiểm soát thành công chu kỳ ủ hiếu khí từ 31 đến 33 ngày với đỉnh nhiệt độ đạt 60°C đến 68°C, duy trì trên 50°C trong 12 ngày giúp diệt sạch mầm bệnh.
  • Tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ đạt chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT với hàm lượng chất hữu cơ đạt 30,16%, nitơ tổng số đạt 1,08%, an toàn sinh học tuyệt đối.
  • Đề xuất giải pháp tuần hoàn phụ phẩm giúp các làng nghề miến dong gia tăng giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường sinh thái bền vững.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, quy trình công nghệ cần tiếp tục được mở rộng thử nghiệm ở quy mô bán công nghiệp từ 5 đến 10 tấn mỗi mẻ tại các vùng sản xuất tập trung. Các cơ sở chế biến và chính quyền địa phương hãy nhanh chóng liên kết ứng dụng quy trình kỹ thuật này nhằm biến bã thải thành nguồn phân bón giá trị, đồng hành cùng định hướng phát triển nông nghiệp xanh của quốc gia.