Tổng quan luận án
Chế biến bia và thủy sản là hai ngành công nghiệp phát triển mạnh tại Việt Nam, đặc biệt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Lượng bùn thải sinh học phát sinh từ các trạm xử lý nước thải của hai ngành này ước tính chiếm từ 5% đến 25% tổng thể tích nước cần xử lý; trong đó, xử lý 1 lít nước thải tạo ra khoảng 0,3 kg đến 0,5 kg bùn thải. Thống kê từ Bộ Công Thương (2009, 2016) cho thấy bùn thải nhà máy bia (BB) phát sinh khoảng 6 triệu tấn/năm, trong khi bùn thải chế biến thủy sản (BTS) tại ĐBSCL đạt hàng trăm nghìn tấn mỗi năm. Hiện nay, biện pháp quản lý bùn thải chủ yếu tại Việt Nam là chôn lấp (chiếm 50% đến 75%), phơi trên sân phơi bùn thô sơ hoặc thải trực tiếp, tiềm ẩn nguy cơ gây tái ô nhiễm nguồn nước, phát tán mùi hôi và vi sinh vật gây bệnh.
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ thực trạng: bùn thải bia và bùn thải thủy sản có hàm lượng dinh dưỡng khoáng (N, P, K, Ca, Mg và vi lượng) cùng tỷ lệ chất hữu cơ cao, hoàn toàn không thuộc danh mục chất thải nguy hại do hàm lượng kim loại nặng nằm dưới ngưỡng quy định của QCVN 50:2013/BTNMT. Tuy nhiên, bùn thải có nhược điểm cố hữu là độ nén dẽ cao, độ xốp thấp, độ bền đoàn lạp kém và tỷ số C/N thấp do các chất hữu cơ dễ phân hủy đã bị tiêu hao trong bể xử lý nước thải. Các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở việc thử nghiệm ủ đơn lẻ với một loại phụ phẩm, trên một tỷ lệ cố định, hoặc chỉ dừng ở phân hữu cơ truyền thống mà chưa nghiên cứu quy trình ủ phân hữu cơ vi sinh (HCVS) hoàn chỉnh đạt các tiêu chuẩn định lượng bắt buộc theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP và TCN 526:2002/BNNPTNT. Đồng thời, các nghiên cứu trước chưa phân tích đầy đủ thành phần dinh dưỡng trung - vi lượng, kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh, chưa kiểm chứng hiệu quả thực nghiệm trên nhiều loại rau màu và chưa tuyển chọn được các chủng nấm bản địa có hoạt lực phân giải cellulose, chitin kết hợp đối kháng nấm bệnh cây trồng.
Luận án tiến sĩ ngành Khoa học đất (mã ngành: 9620103) của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Phương, thực hiện tại Trường Đại học Cần Thơ năm 2019 dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Mỹ Hoa và TS. Đỗ Thị Xuân, được triển khai nhằm giải quyết toàn diện các vấn đề trên.
Mục tiêu chung của luận án là sử dụng bùn thải từ quá trình xử lý nước thải nhà máy bia và chế biến thủy sản ở ĐBSCL để sản xuất phân hữu cơ vi sinh và đánh giá hiệu quả sử dụng sản phẩm trên năng suất cây trồng.
Các mục tiêu cụ thể gồm:
- Xác định công thức ủ để sản xuất phân HCVS từ bùn thải nhà máy sản xuất bia và chế biến thủy sản;
- Đánh giá hiệu quả phân HCVS sản xuất được trên năng suất cây rau;
- Phân lập và tuyển chọn dòng nấm có khả năng phân hủy các vật liệu hữu cơ chứa cellulose và chitin.
Để đạt được mục tiêu, 6 nội dung nghiên cứu được triển khai:
- Nội dung 1: Xác định các đặc tính lý, hóa, dinh dưỡng và sinh học của bùn thải từ các nhà máy sản xuất bia và chế biến thủy sản.
- Nội dung 2: Đánh giá phương pháp xử lý trực tiếp bằng cách phơi nắng hai loại bùn thải làm phân bón trên cây rau.
- Nội dung 3: Xác định khả năng phân hủy, công thức ủ phối trộn phù hợp để ủ bùn thải bia và bùn thải thủy sản ở quy mô túi ủ.
- Nội dung 4: Ủ phân hữu cơ vi sinh với vật liệu hữu cơ và tỉ lệ phối trộn phù hợp sử dụng hai nguồn bùn thải bia và bùn thải thủy sản ở quy mô khối ủ lớn.
- Nội dung 5: Đánh giá hiệu quả sử dụng phân hữu cơ vi sinh sản xuất được trên năng suất cây rau bao gồm cải tùa xại, đậu bắp, dưa leo và bí đao trong điều kiện đồng ruộng.
- Nội dung 6: Phân lập và tuyển chọn một số dòng nấm có khả năng phân hủy vật liệu hữu cơ.
Đối tượng nghiên cứu gồm:
- Bùn thải bia (BB) thu từ các nhà máy bia tại Sóc Trăng, Bạc Liêu, Tiền Giang.
- Bùn thải thủy sản (BTS) thu từ các nhà máy chế biến thủy sản tại Hậu Giang, An Giang, Đồng Tháp, Bạc Liêu, Tiền Giang.
- Nguồn phụ phẩm phối trộn: bã bùn mía (BM) và xác mía (M) lấy tại nhà máy mía đường TP. Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang; rơm rạ (R) thu tại đồng ruộng sau thu hoạch ở An Giang, Đồng Tháp, TP. Cần Thơ.
- Giống cây trồng khảo nghiệm: cải bẹ xanh TN 53, cải tùa xại TN108, bí đao F1 TN 88 (Công ty Trang Nông); đậu bắp cao sản VN.79 (Công ty Việt Á); dưa leo VL 636F1 (Công ty Hoa Sen).
- Nguồn vi sinh vật: chế phẩm sinh học Trichoderma của Trường Đại học Cần Thơ dùng cho khối ủ; các chủng nấm sợi bản địa phân lập từ rơm, xác mía, xơ dừa.
Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian: Thu thập nguyên liệu tại 7 tỉnh, thành vùng ĐBSCL; thực hiện thí nghiệm đồng ruộng tại xã Mỹ Hòa (thị xã Bình Minh, tỉnh Vĩnh Long) và phường Long Tuyền (quận Bình Thủy, TP. Cần Thơ).
- Thời gian và giới hạn: Khảo nghiệm đồng ruộng đánh giá sinh trưởng và năng suất rau màu trong 1 vụ canh tác; phân tích đặc tính lý hóa đất đầu vụ, không phân tích đất cuối vụ do thời gian tác động 1 vụ chưa làm biến động lớn đặc tính đất; các dòng nấm mới phân lập được khảo sát in vitro và định danh phân tử, chưa đưa vào thử nghiệm trực tiếp tại khối ủ lớn do giới hạn thời gian thực hiện.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu của luận án hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước về việc tái sử dụng các nguồn bùn thải làm phân bón hữu cơ:
Các nghiên cứu ngoài nước:
- Kanagachandran và Jayaratne (2006) khảo sát bón trực tiếp bùn thải bia phơi nắng trên cây ớt, ghi nhận số trái tăng 4 lần, chiều cao tăng trên 40% và sinh khối tăng trên 50% so với compost rác đô thị; tuy nhiên tác giả không kiểm tra mật số vi sinh vật gây bệnh và kim loại nặng trong thành phẩm.
- Stocks và ctv. (2002) ủ compost bùn bia phối trộn hèm bia, rơm và bột giấy (tỷ lệ 7:4:1,5:1,5) trong 25 ngày, thu được sản phẩm có pH 7,2; NO3--N đạt 109 mg/kg và PO43--P đạt 124 mg/kg, độ xốp 35%, sinh trưởng của cà chua tốt hơn đối chứng than bùn kết hợp phân hóa học; song khả năng giữ nước của sản phẩm thấp và nghiên cứu chỉ thử nghiệm một tỷ lệ phối trộn duy nhất.
- Ki và ctv. (1979) cùng Vriens và ctv. (1989) phân tích tính chất lý hóa và vitamin trong bùn hoạt tính nhà máy bia nhưng không đánh giá các vi sinh vật gây bệnh (E. coli, Salmonella, Coliforms) và không phối trộn ủ compost.
- Nemati và ctv. (2010) ủ bùn thải cá với trấu và phân chuồng (tỷ lệ 1:4:0,5), chỉ ghi nhận kim loại nặng dưới ngưỡng cho phép mà chưa đo lường diễn biến nhiệt độ, ẩm độ, các chỉ tiêu N, P, K và vi sinh vật gây bệnh.
- Nhóm nghiên cứu của Villasenor và ctv. (2011) ủ bùn thải đô thị với rơm lúa mì trong 100 ngày; Margesin và ctv. (2006) ủ bùn đô thị với mạt cưa (40:60) quy mô luống lớn; Bertran và ctv. (2004) ủ bùn nhà máy rượu với phụ phẩm nho (1:1 và 1:2); Almendros Martin và ctv. (1991) ủ bùn cống rãnh trong 4 tháng. Điểm hạn chế chung của các công trình này là ẩm độ sau ủ còn cao (>50-60%), thời gian kéo dài, thất thoát đạm lên tới 22% do thiếu nguyên liệu giàu carbon, hoặc hàm lượng kim loại nặng (Cu, Pb, Zn) vượt ngưỡng cho phép của Việt Nam.
Các nghiên cứu trong nước:
- Võ Thị Kiều Thanh và ctv. (2012) sử dụng bùn thải bia làm chất mang nhân nuôi vi khuẩn cố định đạm (Rhizobium và Azotobacter), chưa nghiên cứu quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh.
- Trần Thị Kim Hạnh (2013) dùng bùn thải bia Hà Nội nuôi cấy Bacillus thuringiensis, ghi nhận hàm lượng carbon hữu cơ tổng số (TOC) từ 120-140 g/kg, N tổng số 5,3 g/kg, P tổng số 414-423 mg/kg, tỷ lệ C:N:P đạt 100:5:1, kim loại nặng dưới ngưỡng QCVN 50:2013/BTNMT, nhưng chưa nghiên cứu quy trình ủ phân bón.
- Võ Phú Đức (2013) ủ bùn thải cá tra với tro trấu (tỷ lệ 90:10) có bổ sung chế phẩm vi sinh NOL TRI và NOLASUB quy mô 2 m3; sau 49 ngày, C/N đạt 11,22, nhiệt độ đạt 60-63°C, nhưng ẩm độ thành phẩm còn tới 58% (chưa đạt chuẩn rắn ≤ 30%) và chưa phân tích các chất dinh dưỡng hữu hiệu N, P, K, Ca, Mg, vi lượng.
- Lê Thị Kim Oanh và Trần Thị Mỹ Diệu (2016) ủ bùn cá với mạt cưa và rơm rạ theo các tỷ lệ khác nhau, nhiệt độ đạt 50°C sau 18 ngày, vi khuẩn E. coli và Coliforms đạt mức không phát hiện, nhưng chưa đánh giá khoáng đa vi lượng, kim loại nặng và hiệu quả trên cây trồng.
- Một số nghiên cứu khác sử dụng bùn thải đô thị (Đỗ Thủy Tiên, 2013), bùn đáy ao tôm, cá tra (Nguyễn Văn Mạnh, 2015; Cao Ngọc Điệp và ctv., 2012; Nguyễn Lệ Phương, 2011), bùn cống thải (Lê Nguyễn Trung Khanh, 2013), bã bùn mía và phụ phẩm biogas (Dương Minh Viễn và ctv., 2011; Lê Thị Thanh Chi và Võ Thị Gương, 2010).
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Luận án định vị là công trình nghiên cứu hoàn chỉnh đầu tiên tại khu vực ĐBSCL sử dụng bùn thải nhà máy bia và chế biến thủy sản phối trộn với bã bùn mía, rơm rạ, xác mía để sản xuất phân hữu cơ vi sinh. Đề tài giải quyết các thiếu hụt của tài liệu trước đây bằng cách: thiết lập tỷ lệ phối trộn tối ưu đạt chuẩn chất lượng phân bón rắn (ẩm độ ≤ 30%, C/N ≤ 12-14); phân tích chi tiết toàn bộ các chỉ tiêu đa - trung - vi lượng và kim loại nặng; kiểm soát tuyệt đối vi sinh vật gây hại; khảo nghiệm đồng ruộng chứng minh khả năng thay thế 30% phân hóa học trên 4 loại rau màu; phân lập và định danh 2 dòng nấm bản địa có năng lực phân giải cellulose, chitin và đối kháng Rhizoctonia solani.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết về quá trình phân giải sinh học hiếu khí của chất hữu cơ (composting) và động thái chuyển hóa dinh dưỡng:
- Quá trình khoáng hóa và mùn hóa: Vi sinh vật sử dụng carbon làm nguồn năng lượng và đạm để xây dựng tế bào. Tỷ lệ C/N ban đầu cần đạt 25-35/1 để vi sinh vật phát triển tối ưu; nếu C/N > 20/1 ở sản phẩm cuối cùng, hiện tượng bất động đạm sinh học sẽ xảy ra, làm giảm lượng đạm hữu dụng cho cây trồng.
- Giai đoạn tăng nhiệt hiếu khí: Nhiệt độ khối ủ tăng cao trên 55-65°C giúp phân giải các hợp chất polymer phức tạp và tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh đường ruột cũng như hạt cỏ dại.
- Phức hệ enzyme phân giải cellulose và chitin: Cơ chế thủy phân cellulose bởi phức hệ enzyme gồm 1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase (exoglucanase), 1,4-β-D-glucan-4-glucanohydrolase (endoglucanase) và β-D-glucoside glucohydrolase (β-glucosidase) chuyển hóa cellulose thành glucose; enzyme chitinase xúc tác thủy phân liên kết β-1,4 của chuỗi polymer N-acetylglucosamine.
- Khung quy chuẩn chất lượng: Luận án đối chiếu trực tiếp các chỉ tiêu theo QCVN 50:2013/BTNMT, QCVN 40/2011/BTNMT, TCN 526:2002/BNNPTNT và Nghị định 108/2017/NĐ-CP (Bảng 1).
Bảng 1: Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với phân hữu cơ vi sinh và ngưỡng bùn thải theo quy định hiện hành
| Chỉ tiêu phân tích |
Đơn vị |
Quy định QCVN 50:2013/BTNMT |
Quy định Nghị định 108/2017/NĐ-CP |
| Hàm lượng chất hữu cơ |
% |
- |
≥ 15,0 |
| Độ ẩm (dạng rắn) |
% |
- |
≤ 30,0 |
| pHH2O |
- |
- |
≥ 5,0 |
| Mật số vi sinh vật có ích |
CFU/g |
- |
≥ 1,0 x 10^6 |
| Vi khuẩn Salmonella |
CFU/25g |
- |
Không phát hiện (KPH) |
| Vi khuẩn E. coli |
CFU/g |
- |
< 1,1 x 10^3 |
| Vi khuẩn Coliforms |
MPN/100g |
< 3000 (QCVN 40) |
< 3000 |
| Arsen (As) |
mg/kg |
40 |
< 10,0 |
| Cadimi (Cd) |
mg/kg |
10 |
< 5,0 |
| Chì (Pb) |
mg/kg |
300 |
< 200 |
| Thủy ngân (Hg) |
mg/kg |
4 |
< 2,0 |
Phương pháp thực tế và công cụ nghiên cứu:
- Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm: Dung trọng (ống đong), pHH2O và pHKCl (tỷ lệ 1:2,5 đo bằng pH kế điện tử), độ dẫn điện EC (tỷ lệ 1:5 đo bằng máy đo EC), carbon hữu cơ tổng số (%C) theo phương pháp Walkley-Black, đạm tổng số (%Nts) bằng phương pháp Kjeldahl, đạm hữu hiệu (N-NH4+ và N-NO3-) trích bằng dung dịch KCl 2M, lân tổng số (%Pts) và kali tổng số (%Kts) công phá mẫu bằng H2SO4-HClO4, lân hữu hiệu theo phương pháp Bray II đo màu trên máy quang phổ UV-VIS, kali hữu hiệu trích bằng BaCl2 đo trên ngọn lửa kế (Flame photometer), Ca, Mg và vi lượng (Cu, Zn, Mn) phân tích trên máy quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS), kim loại nặng (As, Cd, Pb, Hg) phân tích bằng AAS hóa hơi lạnh hoặc lò graphite.
- Phân tích vi sinh: Mật số nấm Trichoderma đếm khuẩn lạc trên đĩa thạch PDA bổ sung kháng sinh; định lượng Coliforms, E. coli và Salmonella theo phương pháp MPN hoặc cấy đĩa thạch chuyên dụng (EMB, XLD, SS). Khả năng hô hấp vi sinh vật xác định qua lượng CO2 hấp thu vào dung dịch NaOH chuẩn độ bằng HCl.
- Thử nghiệm sinh học nảy mầm (cresstest): Gieo hạt cải bẹ xanh trên giá thể bùn thải phơi nắng nguyên chất và giá thể phối trộn bùn mía để xác định tỷ lệ nảy mầm và chỉ số sinh trưởng.
- Thí nghiệm ủ:
- Quy mô túi ủ (chất dẻo thông khí): Thử nghiệm các tổ hợp BB và BTS với bùn mía, rơm, xác mía ở các tỷ lệ C/N khác nhau, theo dõi biến động nhiệt độ, pH, EC, hàm lượng chất hữu cơ, lượng CO2 phóng thích và tỷ lệ giảm thể tích, trọng lượng.
- Quy mô khối ủ lớn (luống ủ bán công nghiệp có mái che): Thực hiện với công thức tối ưu (bùn thải:bùn mía 20:80, khối lượng hàng trăm kg đến tấn), bổ sung chế phẩm Trichoderma (5 x 10^5 bào tử/g nguyên liệu), đảo trộn định kỳ 1 tuần/lần, theo dõi nhiệt độ, ẩm độ, dinh dưỡng khoáng và vi sinh vật đến khi khối ủ hoai mục (49-75 ngày).
- Thí nghiệm đồng ruộng: Bố trí theo khối hoàn toàn ngẫu nhiên (RCBD) trên 4 loại cây trồng (cải tùa xại, dưa leo, đậu bắp, bí đao) tại Mỹ Hòa (Vĩnh Long) và Long Tuyền (Cần Thơ). Các nghiệm thức gồm: đối chứng tập quán nông dân (ND), khuyến cáo phân hóa học thuần túy (KC), và nghiệm thức bón 5 tấn/ha phân HCVS kết hợp giảm 30% phân hóa học NPK khuyến cáo. Đo đạc các chỉ tiêu sinh trưởng (chiều cao, số lá, đường kính thân, chiều dài lá, số nhánh) và thành phần năng suất (chiều dài, đường kính, trọng lượng trái, năng suất thương phẩm).
- Phân lập và sàng lọc nấm: Lấy mẫu phụ phẩm (rơm rạ, xác mía, xơ dừa), phân lập trên môi trường thạch Hagem agar (HA) bổ sung carboxymethyl cellulose (CMC) và môi trường chitin; xác định vòng phân giải (halo) bằng thuốc thử Lugol; thử nghiệm đối kháng kép in vitro với nấm bệnh Rhizoctonia solani trên đĩa thạch PDA; giải trình tự vùng gen ITS rDNA để định danh loài.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Đặt vấn đề
Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc xử lý bùn thải bia và bùn thải thủy sản trong bối cảnh công nghiệp hóa tại ĐBSCL. Tác giả chỉ ra lượng bùn thải phát sinh lớn nhưng tỷ lệ chôn lấp cao, gây lãng phí dưỡng chất và ô nhiễm môi trường. Phân tích nguyên nhân bùn thải khó phân hủy do kết cấu nén dẽ, thiếu độ xốp và tỷ lệ C/N thấp, từ đó nêu bật sự cần thiết phải phối trộn với các phụ phẩm giàu xơ xốp như bùn mía, rơm rạ, xác mía. Chương này xác định mục tiêu tổng quát, 3 mục tiêu cụ thể, 6 nội dung nghiên cứu, 4 điểm mới khoa học, phạm vi đối tượng và ý nghĩa thực tiễn của luận án.
Chương 2: Tổng quan tài liệu
Chương 2 tổng hợp cơ sở lý luận và thực tiễn từ 188 tài liệu tham khảo. Phân loại bùn thải công nghiệp thành bùn sinh học không nguy hại và bùn nguy hại; phân tích cơ chế xử lý nước thải tạo bùn và thành phần hóa sinh của chất keo tụ (chứa 45% protein, 15-30% acid humic, 13% carbohydrate). Tổng hợp các quy định pháp lý quốc tế (Mỹ, Châu Âu) và Việt Nam (QCVN 50:2013/BTNMT, Nghị định 108/2017/NĐ-CP). Phân tích vai trò của phân hữu cơ trong việc cải thiện dung trọng, độ xốp, khả năng giữ nước, giải phóng lân bị cố định bởi nhôm/sắt và tăng cường hoạt tính vi sinh vật đất. Điểm lại các công trình sử dụng bùn thải bia, thủy sản, bùn đô thị, bùn đáy ao trong và ngoài nước; phân tích cơ chế phân cắt cellulose của ba nhóm enzyme cellulase và hoạt tính enzyme chitinase của nấm sợi.
Chương 3: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3 mô tả chi tiết phương tiện, vật liệu, địa điểm và quy trình bố trí 6 nội dung thực nghiệm. Trình bày chi tiết công thức phối trộn vật liệu, quy trình lấy mẫu bùn thải tại các nhà máy ở 7 tỉnh thành; phương pháp phân tích 18 chỉ tiêu hóa lý, dinh dưỡng khoáng và kim loại nặng; phương pháp xác định vi sinh vật chỉ thị và vi sinh vật gây hại. Mô tả sơ đồ thí nghiệm đồng ruộng trên liếp trồng rau tại Vĩnh Long và Cần Thơ, công thức bón phân cho từng loại cây (cải tùa xại, đậu bắp, dưa leo, bí đao). Trình bày kỹ thuật phân lập nấm tiết cellulase/chitinase, phương pháp đo đường kính vòng phân giải, kỹ thuật đánh giá đối kháng Rhizoctonia solani và quy trình sinh học phân tử giải trình tự đoạn gen ITS.
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Chương 4 là chương thực nghiệm trọng tâm, trình bày toàn bộ số liệu thu thập qua 6 nội dung nghiên cứu:
- Nội dung 1: Đặc tính hóa học và dinh dưỡng của bùn thải bia (BB), bùn thải thủy sản (BTS) và các phụ phẩm phối trộn (Bảng 2). Cả hai nguồn bùn đều có hàm lượng dinh dưỡng đa lượng cao: Nts từ 2,31% đến 7,0%; Pts từ 0,55% đến 7,17% P2O5; Kts từ 0,01% đến 0,2% K2O. Bùn thải giàu Ca (75-490 mg/kg), Mg và các nguyên tố vi lượng Cu, Zn, Mn. Hàm lượng kim loại nặng (As, Cd, Pb, Hg) trong BB và BTS đều thấp hơn nhiều lần so với ngưỡng nguy hại quy định tại QCVN 50:2013/BTNMT. Không phát hiện vi khuẩn Salmonella; mật số Coliforms nằm trong giới hạn kiểm soát.
Bảng 2: Đặc tính hóa học, dinh dưỡng và kim loại nặng của bùn thải và nguyên liệu phối trộn đầu vào
| Chỉ tiêu phân tích |
Đơn vị |
Bùn thải bia (BB) |
Bùn thải thủy sản (BTS) |
Bã bùn mía (BM) |
Rơm rạ (R) |
| pHH2O |
- |
6,97 - 7,28 |
7,30 - 7,90 |
6,50 - 7,10 |
- |
| Chất hữu cơ (CHC) |
% |
36,00 - 42,32 |
33,98 - 35,00 |
45,00 - 48,83 |
40,00 - 44,00 |
| Đạm tổng số (%Nts) |
% |
1,86 - 7,00 |
2,31 - 5,90 |
1,20 - 1,85 |
0,60 |
| Lân tổng số (%Pts) |
% P2O5 |
2,50 - 7,17 |
0,55 - 0,70 |
1,50 - 2,30 |
0,16 - 0,27 |
| Kali tổng số (%Kts) |
% K2O |
0,01 - 0,20 |
0,01 |
0,35 - 0,50 |
1,40 - 2,00 |
| Canxi (Ca) |
mg/kg |
75 |
490 |
1200 |
- |
| Magie (Mg) |
mg/kg |
35 |
- |
450 |
- |
| Đồng (Cu) |
mg/kg |
42 |
16 |
- |
- |
| Kẽm (Zn) |
mg/kg |
75 |
- |
- |
- |
| Mangan (Mn) |
mg/kg |
46 |
- |
- |
- |
| Arsen (As) |
mg/kg |
KPH |
KPH |
- |
- |
| Cadimi (Cd) |
mg/kg |
< 0,1 |
< 0,1 |
- |
- |
| Chì (Pb) |
mg/kg |
< 0,1 |
< 0,1 |
- |
- |
| Thủy ngân (Hg) |
mg/kg |
KPH |
KPH |
- |
- |
- Nội dung 2: Xử lý phơi nắng trực tiếp làm giảm mật số Coliforms và E. coli trong bùn thải. Tuy nhiên, khi sử dụng giá thể bùn phơi nắng 100% để ươm hạt cải bẹ xanh, tỷ lệ nảy mầm và sức sống cây con rất thấp do cấu trúc bùn bị đóng bánh, thiếu oxy và mất cân đối dinh dưỡng. Thử nghiệm bón trực tiếp bùn phơi nắng cho thấy hiệu quả năng suất kém, khẳng định phơi nắng đơn thuần không thể thay thế cho quá trình ủ hoai mục.
- Nội dung 3: Kết quả thí nghiệm túi ủ cho thấy bã bùn mía (BM) là vật liệu phối trộn vượt trội so với rơm và xác mía nhờ khả năng duy trì ẩm độ, giữ nhiệt và cung cấp vi sinh vật tự nhiên. Tỷ lệ phối trộn bùn thải : bùn mía ở mức 20:80 giúp tối ưu hóa tỷ lệ C/N ban đầu, thúc đẩy vi sinh vật hô hấp phóng thích CO2 mạnh nhất và làm giảm từ 40% đến 55% khối lượng khối ủ sau quá trình hoai.
- Nội dung 4: Thí nghiệm ủ khối lớn ở quy mô bán công nghiệp với tỷ lệ phối trộn 20% BB hoặc BTS kết hợp 80% BM có bổ sung nấm Trichoderma. Nhiệt độ khối ủ tăng nhanh lên mức 55-65°C trong 2-3 tuần đầu, giúp tiêu diệt mầm bệnh. Sau 49 ngày ủ, khối phân chuyển sang màu nâu đen, tơi xốp, mất mùi hôi, độ ẩm giảm xuống dưới 30%, tỷ số C/N giảm còn 12,44 (phân BB) và 14,41 (phân BTS). Mật số Trichoderma duy trì ở mức cao (6,6 - 6,94 x 10^7 CFU/g), đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn phân hữu cơ vi sinh theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP (Bảng 3).
Bảng 3: Các chỉ tiêu hóa lý, dinh dưỡng và vi sinh của phân HCVS sau 49 ngày ủ
| Chỉ tiêu thành phẩm |
Đơn vị |
Phân HCVS bùn bia (BB) |
Phân HCVS bùn thủy sản (BTS) |
| pHH2O |
- |
7,15 |
7,30 |
| Tỷ lệ Carbon hữu cơ (%C) |
% |
35,21 |
39,14 |
| Đạm tổng số (%Nts) |
% |
2,83 |
2,85 |
| Lân tổng số (%Pts) |
% P2O5 |
5,60 |
6,63 |
| Kali tổng số (%Kts) |
% K2O |
2,10 |
2,11 |
| Tỷ số C/N |
- |
12,44 |
14,41 |
| Mật số nấm Trichoderma |
CFU/g |
6,94 x 10^7 |
6,60 x 10^7 |
| Vi khuẩn Salmonella |
CFU/25g |
KPH |
KPH |
| Vi khuẩn E. coli |
CFU/g |
< 10 |
< 10 |
| Kim loại nặng (As, Cd, Pb, Hg) |
mg/kg |
Dưới ngưỡng cho phép |
Dưới ngưỡng cho phép |
- Nội dung 5: Đánh giá hiệu quả trên cây rau trong điều kiện đồng ruộng. Bón 5 tấn/ha phân HCVS từ bùn thải kết hợp giảm 30% phân khoáng NPK khuyến cáo đem lại năng suất vượt trội so với tập quán nông dân (ND) và bón khuyến cáo hóa học 100% (KC) trên cả 4 đối tượng cây trồng (Bảng 4). Phân hữu cơ vi sinh giúp cải thiện chiều cao cây, kích thước lá cải tùa xại; tăng số trái, chiều dài và đường kính trái trên đậu bắp, dưa leo và bí đao.
Bảng 4: Hiệu quả của phân HCVS bùn thải (5 tấn/ha + 70% NPK) đối với năng suất các loại cây rau
| Loại cây rau |
Tỷ lệ tăng năng suất so với bón KC (%) |
Tỷ lệ tăng năng suất so với bón ND (%) |
Ghi chú thống kê |
| Cải tùa xại |
Tăng gấp 2 lần (100%) |
Tăng gấp 2 lần (100%) |
Khác biệt có ý nghĩa (p < 0,05) |
| Đậu bắp |
+ 50,73% |
+ 40,91% |
Khác biệt có ý nghĩa (p < 0,05) |
| Dưa leo |
+ 10,00% |
+ 35,00% |
Khác biệt có ý nghĩa (p < 0,05) |
| Bí đao |
+ 8,00% |
+ 11,00% |
Khác biệt có ý nghĩa (p < 0,05) |
- Nội dung 6: Phân lập được 31 dòng nấm có khả năng phân giải cellulose từ rơm rạ, xác mía và xơ dừa. Tuyển chọn được 4 dòng ưu tú gồm: R-NVT1, R-ĐT1, M-2HA1 và M-LT4 thể hiện hoạt tính cellulase, chitinase mạnh và có khả năng đối kháng nấm bệnh Rhizoctonia solani trong điều kiện in vitro. Định danh phân tử hai dòng có năng lực phân hủy hỗn hợp bùn thải - bùn mía mạnh nhất xác định dòng R-ĐT1 thuộc loài Neurospora crassa R-DT1 và dòng M-2HA1 thuộc loài Neurospora intermedia M-2HA1.
Chương 5: Kết luận và đề xuất
Chương 5 tổng kết các kết luận khoa học chính của luận án, khẳng định tính khả thi của quy trình sản xuất phân HCVS từ bùn thải bia và thủy sản với bã bùn mía theo tỷ lệ 20:80. Nêu rõ hiệu quả gia tăng năng suất cây trồng và tiết kiệm 30% phân hóa học. Đề xuất quy trình công nghệ ủ áp dụng vào thực tế sản xuất tại các địa phương vùng ĐBSCL; khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu sâu về 2 chủng nấm mới Neurospora nhằm phát triển chế phẩm sinh học thế hệ mới.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học:
- Cung cấp hệ thống dữ liệu toàn diện về đặc tính hóa lý, dinh dưỡng khoáng (đa, trung, vi lượng) và kiểm soát kim loại nặng, vi sinh vật gây hại của bùn thải từ công nghiệp sản xuất bia và chế biến thủy sản tại khu vực ĐBSCL.
- Xác lập cơ sở khoa học của việc phối trộn bùn thải có tỷ lệ C/N thấp và độ nén dẽ cao với phụ phẩm bã bùn mía giàu carbon theo tỷ lệ khối lượng 20:80; làm sáng tỏ động thái biến thiên nhiệt độ, ẩm độ, pH, EC và tốc độ khoáng hóa hữu cơ trong suốt chu kỳ ủ 49 ngày.
- Bổ sung vào nguồn tài nguyên vi sinh vật bản địa 2 chủng nấm sợi mới thuộc loài Neurospora crassa R-DT1 và Neurospora intermedia M-2HA1 có khả năng tiết đồng thời enzyme cellulase và chitinase, phân hủy nhanh hỗn hợp bùn thải và thể hiện hoạt tính ức chế nấm bệnh Rhizoctonia solani.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn:
- Hoàn thiện quy trình công nghệ ủ phân hữu cơ vi sinh quy mô bán công nghiệp từ bùn thải bia và bùn thải thủy sản phối trộn bã bùn mía (tỷ lệ 20:80), đạt đầy đủ các tiêu chuẩn chất lượng theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP và TCN 526:2002/BNNPTNT sau 49 ngày ủ.
- Xác định liều lượng bón thực địa tối ưu là 5 tấn/ha phân HCVS bùn thải kết hợp công thức NPK khuyến cáo, cho phép cắt giảm 30% lượng phân bón hóa học nhưng vẫn nâng cao rõ rệt năng suất cải tùa xại (tăng gấp 2 lần), đậu bắp (tăng 40,91% - 50,73%), dưa leo (tăng 10% - 35%) và bí đao (tăng 8% - 11%).
- Đề xuất giải pháp tuần hoàn chất thải nông - công nghiệp tại chỗ, giảm thiểu áp lực chôn lấp chất thải rắn cho các nhà máy bia và thủy sản, góp phần hạ giá thành phân bón hữu cơ cho nông dân trồng rau tại ĐBSCL.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:
- Ứng dụng công thức phối trộn 20% bùn thải (bia hoặc thủy sản) + 80% bã bùn mía có bổ sung nấm Trichoderma vào sản xuất phân bón hữu cơ tại các hợp tác xã và nhà máy phân bón trong vùng.
- Khuyến cáo nông dân chuyên canh rau màu trên đất liếp sử dụng 5 tấn/ha phân HCVS từ bùn thải kết hợp giảm 30% phân khoáng nhằm tăng hiệu quả kinh tế và duy trì sức sản xuất của đất.
- Hoàn thiện thủ tục đăng ký lưu hành sản phẩm phân hữu cơ vi sinh sản xuất từ bùn thải công nghiệp chế biến thực phẩm theo quy định hiện hành.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Thí nghiệm đồng ruộng mới đánh giá hiệu quả của phân HCVS trên cây rau trong phạm vi một vụ canh tác; do đó chưa theo dõi được sự biến động dài hạn về tính chất lý học, hóa học và độ phì nhiêu sinh học của đất sau nhiều vụ bón liên tục.
- Hai chủng nấm mới phân lập (Neurospora crassa R-DT1 và Neurospora intermedia M-2HA1) mới được đánh giá hoạt tính trong điều kiện phòng thí nghiệm (in vitro) và định danh giải trình tự đoạn gen; chưa được sản xuất thành chế phẩm sinh học để thử nghiệm trực tiếp tại các khối ủ lớn thay thế cho chế phẩm Trichoderma thương mại do giới hạn về thời gian và kinh phí nghiên cứu.
- Nguồn bùn thải và phụ phẩm nghiên cứu mới chỉ tập trung thu thập tại một số tỉnh trọng điểm vùng ĐBSCL; chưa đánh giá sự biến thiên thành phần bùn thải theo các mùa vụ sản xuất khác nhau trong năm của các nhà máy.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Tiếp tục nghiên cứu công nghệ nhân sinh khối và tạo chế phẩm sinh học từ hai chủng nấm Neurospora crassa R-DT1 và Neurospora intermedia M-2HA1 để ứng dụng trực tiếp vào quy trình ủ phân hữu cơ vi sinh khối lượng lớn.
- Bố trí các thí nghiệm đồng ruộng nhiều vụ liên tiếp trên các nhóm đất khác nhau (đất phù sa, đất phèn, đất xám) nhằm đánh giá tác động tồn lưu của phân HCVS bùn thải đến tính chất lý hóa đất, mật số vi sinh vật đất và sự tích lũy kim loại nặng trong nông sản qua thời gian dài.
- Nghiên cứu mở rộng việc phối trộn bùn thải với các nguồn phụ phẩm khác như vỏ trấu, xơ dừa, lục bình kết hợp hoàn thiện bao gói công nghiệp để thương mại hóa sản phẩm.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Khoa học đất, Nông học, Công nghệ sinh học và Quản lý Môi trường: tham khảo phương pháp luận phân tích bùn thải, quy trình thiết kế túi ủ vi sinh, kỹ thuật sàng lọc enzyme cellulase/chitinase và thiết kế thí nghiệm đồng ruộng đánh giá hiệu lực phân bón.
- Doanh nghiệp sản xuất bia, chế biến thủy sản và nhà máy mía đường: ứng dụng giải pháp công nghệ tuần hoàn chất thải rắn tại chỗ, chuyển đổi bùn thải từ gánh nặng chi phí xử lý thành nguyên liệu đầu vào cho sản xuất phân bón hữu cơ giá trị cao.
- Cán bộ khuyến nông và nhà quản lý nông nghiệp tại các địa phương: sử dụng dữ liệu định lượng về công thức bón 5 tấn/ha phân HCVS kết hợp giảm 30% phân hóa học để xây dựng quy trình canh tác rau an toàn, giảm chi phí đầu vào và giảm thiểu phát thải hóa chất nông nghiệp ra môi trường.
Câu hỏi thường gặp
-
Tại sao không nên sử dụng trực tiếp bùn thải bia và bùn thải thủy sản sau khi phơi nắng để bón cho cây trồng?
Bùn thải sau khi phơi nắng tuy giảm mật số vi sinh vật gây hại nhưng cấu trúc bùn trở nên nén dẽ, độ xốp thấp, khả năng thấm giữ nước và thông khí kém. Hạt cải bẹ xanh gieo trên giá thể 100% bùn phơi nắng có tỷ lệ nảy mầm và sinh trưởng rất kém. Bùn thải chưa qua ủ hoai mục vẫn có tỷ số C/N thấp, hàm lượng chất hữu cơ chưa ổn định, dễ gây hiện tượng nghẹt rễ và không cung cấp dinh dưỡng hữu dụng cân đối cho cây trồng.
-
Tỷ lệ phối trộn nào giữa bùn thải và phụ phẩm nông nghiệp được chứng minh là tối ưu nhất trong luận án?
Công thức tối ưu là phối trộn 20% bùn thải (bùn thải bia hoặc bùn thải thủy sản) với 80% bã bùn mía (tính theo khối lượng). Bã bùn mía đóng vai trò cung cấp nguồn carbon, cải thiện độ tơi xốp, cân bằng tỷ lệ C/N ban đầu của khối ủ, tạo điều kiện hiếu khí thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động sinh nhiệt phân giải, giúp khối ủ đạt độ hoai mục hoàn toàn sau 49 ngày.
-
Chất lượng của phân hữu cơ vi sinh sản xuất từ bùn thải sau 49 ngày ủ đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật nào?
Thành phẩm đạt đầy đủ các tiêu chuẩn theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP và TCN 526:2002/BNNPTNT: độ ẩm giảm dưới 30%, pHH2O đạt 7,15-7,30; hàm lượng carbon hữu cơ đạt 35,21% - 39,14%; Nts đạt 2,83% - 2,85%; Pts đạt 5,60% - 6,63%; Kts đạt 2,10% - 2,11%; tỷ số C/N đạt 12,44 - 14,41. Mật số nấm Trichoderma đạt 6,6 - 6,94 x 10^7 CFU/g (vượt ngưỡng yêu cầu 10^6 CFU/g); vi khuẩn Salmonella hoàn toàn không phát hiện; E. coli < 10 CFU/g; hàm lượng kim loại nặng (As, Cd, Pb, Hg) đều thấp hơn nhiều so với ngưỡng quy định.
-
Bón phân HCVS bùn thải ảnh hưởng như thế nào đến năng suất các loại rau màu và mức sử dụng phân bón hóa học?
Khi bón 5 tấn/ha phân HCVS bùn thải kết hợp giảm 30% phân NPK khuyến cáo, năng suất rau màu tăng có ý nghĩa thống kê so với tập quán bón phân của nông dân và bón 100% hóa học khuyến cáo. Cụ thể: năng suất cải tùa xại tăng gấp 2 lần; năng suất đậu bắp tăng 50,73% so với bón khuyến cáo và tăng 40,91% so với nông dân; dưa leo tăng 10% so với khuyến cáo và tăng 35% so với nông dân; bí đao tăng 8% so với khuyến cáo và tăng 11% so với nông dân.
-
Hai dòng nấm mới có hoạt lực phân giải mạnh nhất được phân lập trong luận án thuộc loài nào và có đặc tính gì?
Hai dòng nấm được tuyển chọn và định danh phân tử là Neurospora crassa R-DT1 (phân lập từ rơm rạ) và Neurospora intermedia M-2HA1 (phân lập từ xác mía). Cả hai dòng này có khả năng tiết đồng thời enzyme cellulase và chitinase với hoạt lực cao, phân hủy nhanh hỗn hợp bùn thải phối trộn bùn mía (thể hiện qua lượng CO2 phóng thích và tỷ lệ giảm trọng lượng cao), đồng thời có khả năng đối kháng, ức chế sự phát triển của nấm bệnh Rhizoctonia solani trong điều kiện nuôi cấy in vitro.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Phương đã giải quyết đồng bộ và hoàn chỉnh bài toán tái sử dụng bùn thải nhà máy bia và chế biến thủy sản tại ĐBSCL thông qua công nghệ ủ phân hữu cơ vi sinh. Công thức phối trộn 20% bùn thải với 80% bã bùn mía có bổ sung nấm Trichoderma sau 49 ngày ủ tạo ra sản phẩm phân bón đạt chuẩn chất lượng quốc gia về dinh dưỡng khoáng, độ an toàn kim loại nặng và vi sinh vật có ích. Kết quả thử nghiệm đồng ruộng khẳng định liều lượng bón 5 tấn/ha phân HCVS bùn thải giúp cắt giảm 30% lượng phân bón khoáng vô cơ nhưng vẫn làm gia tăng vượt trội năng suất các loại rau màu. Bên cạnh đó, việc phát hiện và định danh 2 chủng nấm bản địa Neurospora crassa R-DT1 và Neurospora intermedia M-2HA1 có hoạt tính phân giải cellulose, chitin và đối kháng nấm bệnh tạo tiền đề khoa học vững chắc cho các nghiên cứu sản xuất chế phẩm vi sinh phục vụ nông nghiệp tuần hoàn trong tương lai.
