Tổng quan nghiên cứu
Việt Nam là một trong những quốc gia có sản lượng sắn lớn, với diện tích trồng gần một triệu ha, đóng góp quan trọng vào ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến. Quá trình sản xuất tinh bột sắn tạo ra lượng lớn bã thải, chiếm khoảng 15-20% trọng lượng củ sắn tươi, gây áp lực lớn lên môi trường nếu không được xử lý hiệu quả. Trung bình, để sản xuất 1 tấn tinh bột sắn cần sử dụng 3,5-4 tấn nguyên liệu và 7-8 m³ nước, đồng thời phát sinh lượng lớn chất thải rắn và nước thải. Các chất thải này nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm đất, nước và không khí, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng quy trình xử lý bã sắn từ các cơ sở chế biến tinh bột thành phân bón hữu cơ, nhằm cải tạo đất, nâng cao chất lượng nông sản và giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại vùng miền núi phía Bắc Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2022 đến tháng 8/2023 tại Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên, với nguyên liệu chính là bã sắn thu thập từ nhà máy sắn Văn Yên, tỉnh Yên Bái.
Việc chuyển hóa bã sắn thành phân bón hữu cơ không chỉ góp phần giảm thiểu lượng chất thải mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng, phù hợp với xu hướng phát triển nông nghiệp hữu cơ bền vững. Theo ước tính, nhu cầu phân bón hữu cơ tại Việt Nam lên tới 13 triệu tấn/năm, trong khi sản lượng cung cấp mới chỉ đạt khoảng 1 triệu tấn, cho thấy tiềm năng lớn của việc phát triển phân bón hữu cơ từ phụ phẩm nông nghiệp như bã sắn.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình về xử lý chất thải hữu cơ và sản xuất phân bón hữu cơ, trong đó có:
Lý thuyết ủ phân hữu cơ hiếu khí: Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật hiếu khí, tạo ra mùn và các chất dinh dưỡng dễ hấp thụ cho cây trồng. Nhiệt độ trong đống ủ được duy trì khoảng 55-65°C để tiêu diệt mầm bệnh và thúc đẩy hoạt động vi sinh vật.
Tỷ lệ C/N (Carbon/Nitơ): Là chỉ số quan trọng đánh giá tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ phân hữu cơ nằm trong khoảng 25-30/1. Tỷ lệ quá cao làm chậm quá trình phân hủy, quá thấp gây mất nitơ dưới dạng khí amoniac.
Khái niệm về phân bón hữu cơ: Sản phẩm phân bón được tạo thành từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ có nguồn gốc nông nghiệp, có hàm lượng hữu cơ tổng số ≥ 22%, đạm tổng số ≥ 2,5%, và các chỉ tiêu an toàn như không chứa kim loại nặng vượt ngưỡng.
Các khái niệm chính bao gồm: độ ẩm tối ưu (50-60%), pH thích hợp (6-8), vai trò của vi sinh vật trong quá trình phân hủy, và các yếu tố ảnh hưởng như kích thước chất thải, độ rỗng, lượng khí cung cấp.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là bã sắn thu thập từ nhà máy sắn Văn Yên, tỉnh Yên Bái. Các mẫu được phân tích tại Viện Kiểm nghiệm và Kiểm định chất lượng VNTEST để đánh giá thành phần dinh dưỡng và mức độ an toàn.
Thiết kế thí nghiệm: Nghiên cứu gồm 4 nhóm thí nghiệm chính với các công thức phối trộn khác nhau:
Ảnh hưởng của dinh dưỡng hữu cơ bổ sung (bột cá nhạt) với 5 công thức, mỗi công thức 500 kg, lặp lại 3 lần.
Ảnh hưởng của tỷ lệ chế phẩm vi sinh (Emuniv) với 6 công thức, tỷ lệ từ 0% đến 10%, mỗi công thức 500 kg, lặp lại 3 lần.
Ảnh hưởng của độ ẩm bã sắn với 4 mức độ ẩm từ 30% đến 70%, mỗi công thức 500 kg, lặp lại 3 lần.
Ảnh hưởng của khối lượng bã sắn ủ với 5 mức từ 1 đến 5 tấn/lần ủ, mỗi công thức lặp lại 3 lần.
Phương pháp phân tích: Sử dụng các tiêu chuẩn TCVN để đo pH, hàm lượng chất hữu cơ (OM), tỷ lệ C/N, nitơ tổng số, P2O5 dễ tiêu và hòa tan, K2O dễ tiêu, cùng các chỉ tiêu an toàn như hàm lượng Pb, Cd, As, Hg và vi khuẩn E.coli, Salmonella.
Phân tích số liệu: Dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Excel và các công cụ thống kê hỗ trợ để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng phân bón hữu cơ.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Chất lượng nguyên liệu bã sắn: Bã sắn có tỷ lệ C/N rất cao, đạt 99,1, hàm lượng P2O5 dễ tiêu 0,08%, P2O5 hòa tan 0,05%, K2O dễ tiêu 0,03%. Không phát hiện kim loại nặng như Pb, Cd, As, Hg và vi khuẩn Salmonella; mật độ E.coli thấp (1,5 x 10¹ MPN/g). Điều này cho thấy bã sắn là nguyên liệu giàu dinh dưỡng và an toàn để sản xuất phân bón hữu cơ.
Ảnh hưởng của dinh dưỡng hữu cơ bổ sung: Phối trộn bã sắn với bột cá nhạt làm giảm tỷ lệ C/N đáng kể, từ 99,1 xuống còn 6,91-12,52 tùy công thức. Công thức phối trộn bã sắn 87% + bột cá 10% + chế phẩm vi sinh 3% (CT5) được chọn do cân bằng giữa hiệu quả và chi phí. Hàm lượng P2O5 dễ tiêu tăng lên đến 0,9-1,02%, K2O dễ tiêu tăng lên 0,04-0,07% sau ủ.
Ảnh hưởng của tỷ lệ chế phẩm vi sinh: Việc bổ sung chế phẩm vi sinh từ 1% đến 10% giúp tăng tốc độ phân hủy và giảm mùi hôi, đồng thời kiểm soát mầm bệnh hiệu quả. Tỷ lệ 1% chế phẩm vi sinh được đề xuất là tối ưu về mặt kinh tế và hiệu quả xử lý.
Ảnh hưởng của độ ẩm và khối lượng bã sắn: Độ ẩm tối ưu cho quá trình ủ là 50-60%, giúp vi sinh vật hoạt động mạnh, nhiệt độ đống ủ duy trì ở mức 40-70°C. Khối lượng bã sắn ủ từ 1 đến 3 tấn/lần cho hiệu quả phân hủy tốt nhất, khối lượng lớn hơn làm giảm hiệu quả do hạn chế thông khí.
Thảo luận kết quả
Tỷ lệ C/N cao của bã sắn ban đầu là nguyên nhân chính làm chậm quá trình phân hủy, do đó việc bổ sung bột cá nhạt làm tăng hàm lượng nitơ, giúp cân bằng tỷ lệ C/N và thúc đẩy hoạt động vi sinh vật. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy tỷ lệ C/N khoảng 25-30/1 là tối ưu cho quá trình ủ phân hữu cơ.
Việc sử dụng chế phẩm vi sinh có vai trò quan trọng trong việc phân giải xenluloza, tinh bột và các hợp chất khó phân hủy, đồng thời giảm thiểu phát sinh khí gây mùi như NH3, H2S. Tỷ lệ bổ sung 1% chế phẩm vi sinh được đánh giá là hiệu quả và tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện thực tế tại các cơ sở chế biến.
Độ ẩm và khối lượng bã sắn ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi sinh vật và quá trình trao đổi khí trong đống ủ. Độ ẩm quá thấp (<30%) làm giảm hoạt động vi sinh, độ ẩm quá cao (>65%) gây hiện tượng yếm khí, phát sinh mùi hôi và giảm chất lượng phân bón. Khối lượng ủ quá lớn làm giảm khả năng thông khí, ảnh hưởng đến nhiệt độ và hiệu quả phân hủy.
Sản phẩm phân bón hữu cơ thu được sau ủ 12 ngày đảo trộn đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT về chất lượng phân bón, đảm bảo các chỉ tiêu dinh dưỡng và an toàn môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ C/N, hàm lượng dinh dưỡng và nhiệt độ đống ủ theo thời gian để minh họa hiệu quả của các công thức phối trộn.
Đề xuất và khuyến nghị
Áp dụng quy trình phối trộn nguyên liệu: Sử dụng bã sắn phối trộn với 10% bột cá nhạt và 1% chế phẩm vi sinh Emuniv, điều chỉnh độ ẩm 50-60%, ủ trong đống cao khoảng 1,5m, đảo trộn sau 12 ngày để đảm bảo phân hủy hiệu quả. Chủ thể thực hiện: các cơ sở chế biến tinh bột sắn, thời gian áp dụng: ngay sau khi thu thập bã sắn.
Kiểm soát độ ẩm và thông khí: Thiết lập hệ thống kiểm soát độ ẩm và thông khí trong quá trình ủ để duy trì điều kiện tối ưu, tránh hiện tượng yếm khí gây mùi và giảm chất lượng phân bón. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên môi trường tại nhà máy, thời gian: liên tục trong quá trình ủ.
Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật xử lý bã sắn thành phân bón hữu cơ cho cán bộ kỹ thuật và người lao động tại các cơ sở chế biến, nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành quy trình. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu, thời gian: trong vòng 6 tháng đầu sau nghiên cứu.
Xây dựng hệ thống giám sát chất lượng: Thiết lập hệ thống kiểm tra định kỳ các chỉ tiêu chất lượng phân bón theo tiêu chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT để đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu và an toàn cho người sử dụng. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nhà nước và các cơ sở sản xuất, thời gian: hàng quý.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Các nhà quản lý ngành nông nghiệp và môi trường: Giúp xây dựng chính sách phát triển phân bón hữu cơ, quản lý chất thải nông nghiệp và thúc đẩy nông nghiệp bền vững.
Các cơ sở chế biến tinh bột sắn và doanh nghiệp sản xuất phân bón: Áp dụng quy trình xử lý bã sắn hiệu quả, nâng cao giá trị phụ phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường, nông nghiệp: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực xử lý chất thải hữu cơ và sản xuất phân bón.
Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Nắm bắt kiến thức về phân bón hữu cơ từ bã sắn, cải thiện chất lượng đất và năng suất cây trồng, giảm chi phí đầu tư phân bón hóa học.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao phải điều chỉnh tỷ lệ C/N trong quá trình ủ bã sắn?
Tỷ lệ C/N cao (như 99,1 trong bã sắn) làm chậm quá trình phân hủy do thiếu nitơ cho vi sinh vật. Điều chỉnh bằng cách bổ sung bột cá nhạt giúp cân bằng dinh dưỡng, thúc đẩy vi sinh vật hoạt động hiệu quả, rút ngắn thời gian ủ.Lượng chế phẩm vi sinh tối ưu để xử lý bã sắn là bao nhiêu?
Nghiên cứu cho thấy bổ sung 1% chế phẩm vi sinh Emuniv là đủ để tăng tốc độ phân hủy, giảm mùi hôi và kiểm soát mầm bệnh, đồng thời tiết kiệm chi phí so với các tỷ lệ cao hơn.Độ ẩm ảnh hưởng như thế nào đến quá trình ủ phân hữu cơ?
Độ ẩm tối ưu là 50-60%. Độ ẩm thấp làm vi sinh vật hoạt động kém, độ ẩm cao (>65%) gây hiện tượng yếm khí, phát sinh mùi hôi và giảm hiệu quả phân hủy.Khối lượng bã sắn ủ ảnh hưởng ra sao đến chất lượng phân bón?
Ủ với khối lượng từ 1 đến 3 tấn/lần cho hiệu quả tốt nhất. Khối lượng lớn hơn làm giảm khả năng thông khí, ảnh hưởng đến nhiệt độ và hoạt động vi sinh vật, làm giảm chất lượng phân bón.Sản phẩm phân bón hữu cơ từ bã sắn có đảm bảo an toàn không?
Sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT, không chứa kim loại nặng vượt ngưỡng và không phát hiện vi khuẩn Salmonella, đảm bảo an toàn cho cây trồng và môi trường.
Kết luận
- Bã sắn từ các cơ sở chế biến tinh bột có thành phần hữu cơ cao, an toàn và phù hợp làm nguyên liệu sản xuất phân bón hữu cơ.
- Việc bổ sung bột cá nhạt và chế phẩm vi sinh giúp cân bằng tỷ lệ C/N, tăng hiệu quả phân hủy và chất lượng phân bón.
- Độ ẩm 50-60% và khối lượng ủ 1-3 tấn/lần là điều kiện tối ưu cho quá trình ủ hiếu khí.
- Quy trình xử lý bã sắn thành phân bón hữu cơ đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.
- Khuyến nghị áp dụng quy trình tại các cơ sở chế biến tinh bột sắn và mở rộng đào tạo, giám sát để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.
Tiếp theo, cần triển khai áp dụng quy trình tại quy mô thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng về các loại phụ phẩm nông nghiệp khác để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu phân bón hữu cơ. Hành động ngay hôm nay để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp xanh, sạch, bền vững.