MỞ ĐẦU Hiện nay, việc lạm dụng phân bón hóa học và hoá chất bảo vệ thực vật nhằm nâng cao năng suất cây trồng đang trở thành vấn đề cần được quan tâm. Sử dụng quá nhiều phân bón hóa học trong nông nghiệp sẽ hình thành các muối gây bất lợi cho rễ cây trồng trong việc hấp thụ nước. Phân bón hóa học không chứa chất hữu cơ, do đó làm giảm lượng chất hữu cơ có trong đất và cũng là nguyên nhân gây xói mòn đất. Trong khi đó, phân bón hóa học hòa tan trong nước, khi xói mòn đất, phân sẽ theo nước rửa trôi một cách dễ dàng.
Bã thải biogas được nhóm tác giả lựa chọn cho nghiên cứu này bởi vì đó là một loại phân bón hữu cơ được thải loại sau hầm ủ biogas có thể tận dụng được nguồn phân hữu cơ. Chất hữu cơ là một thành phần thiết yếu của đất không chỉ cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng, mà còn cải thiện đất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc duy trì cấu trúc và hệ thống thoát nước, sục khí. Do đó, bổ sung các chất hữu cơ làm cho đất ít bị xói mòn và tăng cường duy trì dinh dưỡng tạo điều kiện cho tăng trưởng tốt hơn rễ cây trồng, và kích thích sự hoạt động của vi sinh vật, gián tiếp dẫn đến cải thiện năng suất cây trồng. Hơn nữa, sinh khối vi sinh vậtvà đất khác nhau hoạt động enzym, bao gồm cả những người của urease, alkaline phosphatase và β-glucosidase [9], được tăng lên, ngụ ý rằng một loạt các lợi ích chức năng đất từ sửa đổi dư lượng khí sinh học.
Với hàm lượng chất dinh dưỡng cao, chứa 36-49.6% humic acid, 5-9% protein thô, 0.6% tổng phospho và 0.2% tổng Kali [4], bã thải biogas được coi là một loại phân hữu cơ, có các đặc tính như hàm lượng dinh dưỡng cao và là loại phân hữu cơ sạch. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá hiệu quả bón cây (các tiêu chí như: tăng trưởng, ngừa bệnh, chất lượng sản phẩm) khi sử dụng bã thải từ hầm biogas đối với các loại cây ăn trái và cây rau quả. Từ đó đề xuất quy trình sử dụng bã thải từ hầm biogas làm phân bón cho cây trồng. Đối tượng nghiên cứu Vườn rau cải bẹ xanh và vườn bưởi tại Xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM được lựa chọn làm vị trí thí điểm để thực hiện đề tài; 7 Thời gian nghiên cứu: 02/2012-02/2013 Nội dung nghiên cứu - Thu thập các số liệu, tài liệu về hầm ủ biogas và phân bón cây trồng.
- Đánh giá phân tích thành phần dinh dưỡng của bã thải biogas, - Xây dựng các nghiệm thức ứng dụng cho canh tác cây ăn trái và cây rau quả, - Đánh giá kết quả thực nghiệm, xây dựng quy trình sử dụng bã thải từ hầm biogas. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Tận dụng bã thải từ hầm ủ biogas làm phân bón cho cây trồng, tránh gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. Nguồn nguyên liệu thô trong quá trình sản xuất biogas 1. Đặc tính chung của nguyên liệu Chất thải của động vật (phân, nước tiểu) trong chăn nuôi nông nghiệp là nguồn nguyên liệu lớn, chứa nhiều thành phần hữu cơ có khả năng chuyển hoá sinh học để tạo Biogas.
Khối lượng chất thải phát sinh có sự khác nhau, tuỳ thuộc vào từng loại gia súc, gia cầm, điều kiện chăn nuôi, đặc điểm chuồng trại và đặc điểm ngành của từng quốc gia. Theo số liệu thống kê của ngành nông nghiệp Ấn Độ, Nepal và Việt Nam, khối lựơng phát sinh và thành phần tính chất của các loại chất thải được ước tính như sau. Ước lượng chất thải phát sinh từ động vật Khối lượng chất thải phát Khối lượng chất thải có khả Loại động vật sinh (kg/ngày/1 con) năng thu gom (kg/ngày/1 con) (a) Trâu, bò 10 – 15 5–8 (b) Lợn 1.75 (e) Chất thải của người 0. NIJAGUNA, Biogas Technology.
New Age International Publisher) Tỷ lệ C:N trong chất thải của lợn thấp hơn so với trâu, bò, tỷ lệ này dao động trong khoảng 13 – 15:1. Do tỷ lệ C:N thấp nên để tăng hiệu quả của quá trình sản xuất biogas, người ta thường bổ sung thêm một số thành phần khác trong nguồn nguyên liệu đầu vào của hầm ủ. Thành phần hỗn hợp có thể bao gồm: - 60% phân lợn, 20% phân người và 20% chất thải từ trồng trọt (lá cây, cỏ cắt xén…); - 60% phân lợn, 25% phân bò và 15% chất thải từ trồng trọt; - 63% phân lợn; 25% phân bò và 12% phân gà. Chất thải từ gia cầm loại chất thải này có tỷ lệ C:N thấp, khoảng 15:1, do đó quá trình sử dụng cần bổ sung thêm các thành phần chất thải khác.
Thành phần, tính chất của chất thải có sự khác nhau giữa các loại gia súc. 9 Yếu tố này sẽ quyết định khả năng phân huỷ sinh học và năng suất sản sinh biogas. Các số liệu thống kê và so sánh được trình bày trong các bảng 2. Tính chất của chất thải động vật Lít nước Loại chất thải Tỷ lệ C/N % H2O kgVS/con/ngày thải/con/ngày Chất thải của gia 9.3 Chất thải của bò 16 – 25 78 – 80 4.3 Chất thải của ngựa 25 75 - - Chất thải của lợn 14 82 2.3 Chất thải của cừu 20 68 - - (Nguồn: B.
NIJAGUNA, Biogas Technology. New Age International Publisher) Ngoài chất thải của động vật và con người, thực vật cũng là nguồn nguyên liệu được sử dụng để sản xuất biogas và phân bón sinh học. Ví dụ, một kg chất thải từ các vụ thu hoạch và bèo tây có thể tạo thành 0. Các loại nguyên liệu hữu cơ khác nhau sẽ có tính chất hoá sinh khác nhau và do đó, khả năng tạo biogas của chúng cũng có sự khác nhau.
Hai hoặc nhiều loại nguyên liệu có thể được sử dụng kết hợp để đảm bảo các yêu cầu cơ bản cho quá trình phân huỷ sinh học tạo khí. Lượng chất thải phát sinh và tính chất (tính trên 454 kg thịt sống) Bò sữa Bò lấy thịt Lợn Gia cầm Thành phần Đơn vị (182-318 Lợn Lợn Cừu Gà đẻ Ngựa Bò cái Bê cái kg) > 318 kg giống trứng Gà giò thịt Chất thải thô (RW) kg/ngày 37.4 Tỷ lệ phân/nước tiểu - 2.0 Tỷ trọng kg/m3 1,005 1,005 1,010 1,010 1,010 1,010 - 1,050 1,050 - Chất rắn tổng cộng kg/ngày 4.5 Chất rắn bay hơi kg/ngày 3.9 Hàm lượng lân (P) % TS 0.49 Hàm lựơng kali (K) % TS 2. NIJAGUNA, Biogas Technology. New Age International Publisher) 12 Đối với Việt Nam – một quốc gia có ngành nông nghiệp là chính yếu, đặc điểm về chất thải của gia súc, gia cầm ở các vùng nông thôn, ngoại thành theo số liệu thông kê của Trung tâm nước sinh hoạt và Vệ sinh môi trường nông thôn (TT NSH & VSMTNT) – Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Tp.HCM (SNN & PTNT Tp.HCM) như sau: Khối lượng chất thải của động vật thay đổi rất lớn tuỳ theo từng điều kiện chăn nuôi và chuồng trại.
Lượng phân động vật sản xuất mỗi năm ước tính theo bảng 1. Khối lượng chất thải từ động vật Tấn/năm (tính trên Hàm lượng Nitơ (kg/năm/454 kg thịt sống) Động vật 454 kg thịt sống) Trong nước tiểu Trong phân Tổng Ngựa 20.0 (Nguồn: Trung tâm Nước Sinh hoạt và VSMTNT, Tài liệu huấn luyện Kỹ thuật Xây dựng, vận hành, bảo dưỡng hầm Biogas Thái Lan – Đức, 2008) Thành phần chất thải bao gồm phần rắn (phân), phần lỏng (nước tiểu của động vật, nước dội rửa chuồng) và vật liệu lót chuồng, rác, rau, cỏ… Đặc tính và tỷ lệ tương ứng của các thành phần này thay đổi nhiều hay ít tuỳ thuộc vào loại động vật, thức ăn, hình thức chuồng trại… Rơm và cây cỏ thường được sử dụng để lót chuồng, chứa một lượng lớn cacbon, đặc biệt là dạng xenlulo, một lượng nhỏ nitơ và khoáng chất. Thành phần protein trong phân cung cấp môi trường đủ chất dinh dưỡng để các vi sinh vật phát triển. Thành phần hoá học của một số loại phân từ động vật Thành phần phân rắn Động vật Lượng nước % Nitơ % P2O5 % K2O % Trâu, Bò 80 1.27 Chim bồ câu 52 5.23 (Nguồn: Trung tâm Nước Sinh hoạt và VSMTNT, Tài liệu huấn luyện Kỹ thuật Xây dựng, vận hành, bảo dưỡng hầm Biogas Thái Lan – Đức, 2008) Kết quả trên chỉ ra rằng.
phân chuồng ở dạng tươi chứa khoảng 70 – 80% lượng nước; 0.6% phôt pho (P2O5) và 0. Vì thế, cứ một tấn phân tươi, trung bình sẽ có khoảng 180 – 270 kg chất khô; 3.5 – 5 kg nitơ; 2 – 3 kg P2O5 và 4 – 5 kg K2O. Nguyên lý của quá trình chuyển hoá Về nguyên tắc, khi một lượng sinh khối được lưu giữ trong hầm kín vài ngày sẽ chuyển hóa và sản sinh ra một hợp chất dạng khí – khí sinh học (biogas), có khả năng cháy được với thành phần chính là metan (CH4) và cacbon dioxide (CO2), trong đó thành phần CH4 chiếm khoảng 50%. Quá trình này được gọi là là quá trình lên men kỵ khí hoặc quá trình sản xuất khí metan sinh học.
Một hệ thống biogas bao gồm hầm biogas, thiết bị thu khí được lắp đặt trực tiếp trên nắp hầm, hệ thống ngăn và đường ống cấp nguyên liệu đầu vào (chất thải thô + nước). Bộ phận đầu ra bao gồm bể chứa và đường ống dẫn chất thải (bùn sau khi lên men) để sử dụng làm phân bón sinh học. Trong quá trình lên men, phần sinh khối phân rã và chất thải động vật sẽ được các vi sinh vật kỵ khí, nấm và vi khuẩn chuyển hóa thành các hợp chất dinh dưỡng cơ bản có ích cho thực vật và đất mùn. Quá trình này đòi hỏi một số điều kiện tối ưu như độ ẩm, nhiệt độ, bóng tối…Trong hầu hết các giai đoạn của quá trình phân huỷ, không có sự hiện diện của oxy từ môi trường không khí, sự tồn tại của vi khuẩn kị khí chiếm ưu thế, chuyển hóa các hợp chất dạng hydrocacbon.
Các thành phần dinh dưỡng như hợp chất chứa nitơ dạng hoà tan sẽ vẫn tồn tại trong dung dịch sau phân huỷ và là nguồn phân bón giàu dinh dưỡng cho đất mùn. Quá trình phân huỷ kỵ khí diễn ra qua 3 giai đoạn chính: - Giai đoạn thuỷ phân 15 - Giai đoạn hình thành axit - Giai đoạn lên men metan Các giai đoạn này được thực hiện bởi 2 loại vi khuẩn – vi khuẩn axít hoá và vi khuẩn metan hoá.