Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong canh tác nông nghiệp truyền thống tại Việt Nam, việc lạm dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật trong thời gian dài đã làm thay đổi cấu trúc thổ nhưỡng, khiến đất đai bị chai cứng, cạn kiệt nguồn dinh dưỡng tự nhiên và suy giảm độ phì nhiêu. Đồng thời, dư lượng hóa chất nông nghiệp tích tụ trong đất và nguồn nước còn đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Trước thực trạng đó, xu hướng chuyển dịch sang nền nông nghiệp hữu cơ thông qua việc tăng cường sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh và chế phẩm sinh học đang trở thành định hướng tất yếu.

Quảng Ninh là địa phương có thế mạnh phát triển nông nghiệp với tỷ trọng sản xuất cao. Tuy nhiên, thói quen phụ thuộc vào phân bón vô cơ của nông dân địa phương đã dẫn đến hiện tượng đất canh tác bị bạc màu nghiêm trọng. Song song đó, các trang trại và hộ chăn nuôi gia cầm quy mô lớn trên địa bàn tỉnh phát sinh khối lượng chất thải rắn và phụ phẩm rất lớn mỗi ngày. Đa số lượng chất thải này chưa qua xử lý an toàn sinh học mà xả thẳng ra môi trường hoặc bón trực tiếp cho cây trồng, gây ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí và tạo bức xúc cho cộng đồng dân cư.

Xuất phát từ thực tế nêu trên, đề tài khóa luận "Nghiên cứu xử lý phân gà thành phân bón hữu cơ vi sinh" do sinh viên Phạm Thị Thu Hòa (Lớp MT 1201, Khoa Kỹ thuật môi trường, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể:

  1. Đánh giá hiện trạng phát thải và đặc tính chất thải rắn chăn nuôi gia cầm.
  2. Thử nghiệm quy trình công nghệ ủ phân gà kết hợp với các loại phụ phẩm nông nghiệp (trấu, mùn cưa, rơm rạ) bằng chế phẩm vi sinh học EMIC.
  3. Theo dõi động thái phân giải chất hữu cơ và biến thiên các chỉ tiêu hóa lý, dinh dưỡng (N, P, K) cũng như kim loại nặng (Pb, Hg) trước và sau khi ủ.
  4. Cung cấp quy trình kỹ thuật chuẩn hóa, chi phí hợp lý để hỗ trợ nông dân tận dụng phụ phẩm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Phân gà tươi thu gom từ phương thức chăn nuôi công nghiệp tại trang trại Dũng Hoa (xã Hà An, thị xã Quảng Yên, tỉnh Quảng Ninh); các phụ phẩm độn chuồng và chất mang (trấu, mùn cưa, rơm rạ); chế phẩm sinh học EMIC.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực địa tại thị xã Quảng Yên, tỉnh Quảng Ninh và tiến hành mô hình ủ thực nghiệm kiểm soát các chỉ tiêu chất lượng theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7185:2002.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về quá trình chuyển hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác động của hệ vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí trong quá trình ủ compost. Quá trình ủ phân trải qua 4 giai đoạn biến đổi liên tiếp: giai đoạn phân tươi, giai đoạn phân hoai dở, giai đoạn phân hoai và giai đoạn chuyển sang dạng mùn. Trong quá trình này, các chủng vi sinh vật tiết enzyme ngoại bào (protease, cellulase...) để phân giải cellulose, protein, lipid thành các chất khoáng hòa tan dễ hấp thu, đồng thời nhiệt độ đống ủ tăng lên 45–70°C giúp tiêu diệt mầm bệnh và hạt cỏ dại.

Các yếu tố kỹ thuật then chốt kiểm soát quá trình ủ bao gồm: tỷ lệ C/N tối ưu (25–30/1 theo Biddlestone, 1978), độ ẩm (50–60%), độ thông khí, kích thước hạt cơ chất và sự bổ sung chế phẩm vi sinh vật (chất mồi).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp khảo sát thực địa: Thu thập số liệu điều tra hiện trạng chăn nuôi gia cầm và quản lý chất thải tại các cơ sở chăn nuôi trên địa bàn thị xã Quảng Yên, tỉnh Quảng Ninh.
  • Phương pháp mô hình thực nghiệm: Thiết lập 6 công thức ủ đống với sự thay đổi về loại chất độn (mùn cưa, rơm rạ, trấu), tỷ lệ phối trộn (8:2) và liều lượng chế phẩm vi sinh EMIC (0, 0.2 kg/tấn, 0.4 kg/tấn). Quy trình thực nghiệm gồm 5 bước: chuẩn bị nguyên liệu, hòa dung dịch vi sinh, phối trộn cơ chất đạt độ ẩm 45–50%, che phủ kỵ khí/hiếu khí định kỳ bằng bạt nilon, và đảo trộn cung cấp oxy sau mỗi 10 ngày.
  • Phương pháp phân tích hóa lý và vi sinh vật: Đánh giá chất lượng sản phẩm phân ủ dựa trên bộ chỉ tiêu kỹ thuật của TCVN 7185:2002, bao gồm: độ ẩm (TCVN 5815:2000), pH (TCVN 5979:1995), chất hữu cơ tổng số (TCVN 4050:85), nitơ tổng số (TCVN 5815:2001), lân hữu hiệu (TCVN 5815:2001), kali hữu hiệu (TCVN 5815:2001), Salmonella (TCVN 4829:2001), chì và cadimi (TCVN 6496:1999), thủy ngân (TCVN 5989:1995).
  • Phương pháp xử lý số liệu: Thống kê, so sánh và vẽ biểu đồ bằng phần mềm Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về chất thải rắn trong chăn nuôi

Chương I tổng hợp cơ sở lý luận và bức tranh thực trạng về chất thải chăn nuôi gia súc, gia cầm tại Việt Nam và trên thế giới:

  1. Nguồn gốc, trữ lượng và thành phần: Chất thải rắn chăn nuôi là hỗn hợp gồm phân, nước tiểu, thức ăn thừa, chất độn chuồng và xác động vật, có độ ẩm biến động từ 56% đến 83%. Lượng phân thải phụ thuộc vào loài, thể trọng và phương thức nuôi.
Loại gia súc, gia cầm Khối lượng cơ thể (kg) Phân tươi (kg/ngày) Tổng chất rắn (% tươi)
Bò sữa 500 35 13
Bò thịt 400 25 13
Lợn nái 200 16 9
Lợn thịt 50 3,3 9
Cừu - 3,9 32
Gà tây - 0,4 25
Gà đẻ - 0,12 25
Gà thịt - 0,1 21

(Nguồn: New Zealand Ministry of Agriculture & Fisheries Aglink EPP603: 1985)

Về thành phần dinh dưỡng, phân gà có hàm lượng ẩm thấp nhất (56%) nhưng hàm lượng nitơ (1,63%), lân $P_2O_5$ (0,54%), kali $K_2O$ (0,85%), canxi CaO (2,4%) và magie MgO (0,74%) vượt trội so với phân lợn, trâu bò và ngựa (theo Lê Văn Căn, 1975).

  1. Mầm bệnh và tác hại môi trường: Phân gia súc, gia cầm chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh như Salmonella typhi, Shigella spp, Vibrio cholerae, Escherichia coli, trứng giun sán (Ascaris lumbricoides). Khi phân hủy yếm khí không kiểm soát, chất thải phát tán khí nhà kính ($CO_2, CH_4, N_2O$) và các khí độc hại, gây mùi hôi thối ($NH_3, H_2S$, Indol, Scatol), làm lây lan hơn 150 bệnh truyền nhiễm giữa động vật và người.

  2. Công nghệ xử lý và phân bón hữu cơ vi sinh: Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý chất thải rắn (đốt, biogas, ủ nóng, ủ nguội, ủ hỗn hợp). Tác giả làm rõ sự khác biệt giữa phân bón hóa học và phân hữu cơ vi sinh: phân hóa học làm chai đất, tiêu diệt vi sinh vật đất và gây phú dưỡng nguồn nước, trong khi phân hữu cơ vi sinh giúp cải tạo độ phì, kích thích sinh trưởng tự nhiên và an toàn cho môi trường.

  3. Thực trạng sử dụng phân gà tại Việt Nam: Thống kê của Bùi Hữu Đoàn (2009) tại 105 hộ đồng bằng sông Hồng cho thấy có tới 85,71% hộ dùng phân gà trồng màu và 28,57% dùng nuôi cá. Tuy nhiên, tỷ lệ sử dụng phân tươi chưa qua xử lý rất cao (nuôi cá: 93,3%, bón lúa: 75%, cây ăn quả: 60%), đe dọa nghiêm trọng đến môi trường và an toàn sinh học.

Chương II: Vật liệu - Nội dung - Phương pháp nghiên cứu

Chương II mô tả chi tiết vật liệu đầu vào, quy trình triển khai mô hình và hệ thống tiêu chuẩn kiểm nghiệm:

  • Vật liệu: Phân gà độn trấu thu tại trang trại Dũng Hoa (Quảng Yên); mùn cưa, rơm rạ khô; chế phẩm vi sinh vật EMIC có mật độ tổng số $> 10^9\text{ CFU/g}$, bao gồm tập đoàn vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ phức tạp và khử mùi hôi.
  • Nội dung: Theo dõi diễn biến cảm quan (màu sắc, mùi, độ tơi xốp), thời gian đạt độ hoai mục; định lượng hàm lượng chất hữu cơ, N, P, K, Pb, Hg trước và sau ủ.
  • Tiêu chuẩn kiểm nghiệm: Áp dụng TCVN 7185:2002 đối với phân hữu cơ vi sinh:
TT Tên chỉ tiêu Mức quy định (TCVN 7185:2002) Phương pháp thử
1 Độ chín (hoai) Tốt Mục 7.2
2 Độ ẩm (%) $\le 35$ TCVN 5815:2000
3 pH 6,0 – 8,0 TCVN 5979:1995
4 Hàm lượng chất hữu cơ tổng số (%) $\ge 22$ TCVN 4050:85
5 Hàm lượng Nitơ tổng số (%) $\ge 2,5$ TCVN 5815:2001
6 Hàm lượng Lân hữu hiệu ($P_2O_5$) (%) $\ge 2,5$ TCVN 5815:2001
7 Hàm lượng Kali hữu hiệu ($K_2O$) (%) $\ge 1,5$ TCVN 5815:2001
8 Mật độ Salmonella trong 25g mẫu (CFU) 0 TCVN 4829:2001
9 Mật độ vi sinh vật tuyển chọn (CFU/g) $\ge 2,5$ TCVN 5979:1995
10 Hàm lượng Chì (Pb) (mg/kg chất khô) $\le 200$ TCVN 6496:1999
11 Hàm lượng Thủy ngân (Hg) (mg/kg chất khô) $\le 2$ TCVN 5989:1995

Chương III: Kết quả và thảo luận

Chương III trình bày kết quả thực nghiệm trên 6 công thức ủ:

  • Mẫu 1: Phân gà độn trấu + mùn cưa (8:2) + 0,2 kg EMIC/tấn.
  • Mẫu 2: Phân gà độn trấu + mùn cưa (8:2) + 0,4 kg EMIC/tấn.
  • Mẫu 3: Phân gà độn trấu + rơm rạ (8:2) + 0,2 kg EMIC/tấn.
  • Mẫu 4: Phân gà độn trấu + rơm rạ (8:2) + 0,4 kg EMIC/tấn.
  • Mẫu 5: Phân gà độn trấu đối chứng (không dùng chế phẩm).
  • Mẫu 6: Phân gà trộn trấu + 0,2 kg EMIC/tấn (không bổ sung mùn cưa/rơm rạ).

1. Động thái phân hủy và thời gian ủ chín

Kết quả theo dõi qua các mốc thời gian (từ ngày 7 đến ngày 60) cho thấy:

  • Mẫu 6 hoàn thành nhanh nhất (18 ngày), tiếp đến là Mẫu 2 (20 ngày), Mẫu 1 (25 ngày), Mẫu 4 (30 ngày), Mẫu 3 (34 ngày).
  • Mẫu 5 (đối chứng không có EMIC) kéo dài nhất (60 ngày mới kết thúc).
  • Nguyên nhân: Mùn cưa có kích thước hạt nhỏ hơn rơm rạ nên diện tích tiếp xúc với vi sinh vật lớn hơn, thúc đẩy phân giải nhanh hơn. Tăng hàm lượng chế phẩm EMIC từ 0,2 lên 0,4 kg/tấn giúp gia tăng mật độ vi sinh vật có lợi, rút ngắn chu kỳ ủ. Mẫu 6 có hàm lượng cellulose thấp hơn do không phối trộn thêm mùn cưa hay rơm rạ nên tốc độ hoai mục diễn ra nhanh nhất.

2. Biến thiên chất lượng phân bón trước và sau khi ủ

Chỉ tiêu phân tích Ban đầu (Phân tươi) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Tiêu chuẩn TCVN 7185:2002
Thời gian ủ (ngày) - 25 20 34 30 60 18 -
Độ ẩm (%) 37 33 34 30 32 30 34 $\le 35$
pH 6,95 7,2 7,3 7,0 7,1 7,1 7,2 6,0 – 8,0
Hữu cơ tổng số (%) 53,35 30 32 34 35 40 28 $\ge 22$
Nitơ tổng số (%) 1,37 3,0 3,2 3,4 3,5 2,7 3,6 $\ge 2,5$
$P_2O_5$ hữu hiệu (%) 1,00 3,0 3,1 2,7 2,8 2,9 3,3 $\ge 2,5$
$K_2O$ hữu hiệu (%) 1,05 2,1 2,2 1,7 1,8 2,0 2,5 $\ge 1,5$
Chì - Pb (mg/kg) 226 160 160 180 180 190 150 $\le 200$
Thủy ngân - Hg (mg/kg) 3,4 1,5 1,5 1,7 1,7 1,8 1,4 $\le 2,0$
  • Chất hữu cơ tổng số: Giảm từ 53,35% ở phân tươi xuống 28–40% sau khi ủ do quá trình khoáng hóa và hô hấp của vi sinh vật.
  • Hàm lượng N, P, K: Tăng mạnh so với ban đầu (Nitơ tăng 1,97–2,63 lần; Lân tăng 2,7–3,3 lần; Kali tăng 1,62–2,38 lần) nhờ vi sinh vật phân giải chất hữu cơ và giải phóng dinh dưỡng khoáng.
  • Kim loại nặng: Phân tươi ban đầu có hàm lượng chì (226 mg/kg) và thủy ngân (3,4 mg/kg) vượt ngưỡng an toàn. Sau quá trình ủ vi sinh, chì giảm xuống 150–190 mg/kg và thủy ngân giảm xuống 1,4–1,8 mg/kg, đáp ứng đầy đủ quy chuẩn TCVN 7185:2002.
  • Cảm quan: Sản phẩm phân sau ủ tơi xốp, khô ráo, có màu vàng nâu đến nâu sẫm, hoàn toàn không còn mùi hôi thối.

3. Sơ bộ chi phí sản xuất 100 kg phân bón

Hạch toán chi phí vật tư cơ bản cho 100 kg phân ủ:

  • Phân gà: 17.000 đồng.
  • Chế phẩm vi sinh EMIC: 3.000 đồng.
  • Tổng giá thành cho 100 kg phân hữu cơ vi sinh thành phẩm: 48.000 đồng (tương đương 480 đồng/kg).

Kết quả và đóng góp

  1. Xây dựng thành công quy trình xử lý sinh học: Khóa luận chứng minh tính khả thi của việc sử dụng chế phẩm vi sinh EMIC để chuyển hóa phân gà và phụ phẩm nông nghiệp thành phân bón hữu cơ vi sinh đạt chuẩn TCVN 7185:2002 trong thời gian ngắn (18–34 ngày, so với 60 ngày của phương pháp ủ truyền thống).
  2. Cải thiện chất lượng dinh dưỡng và kiểm soát độc chất: Quá trình ủ đã chuyển hóa các hợp chất khó tiêu thành dạng dễ tiêu, nâng cao tỷ lệ N, P, K hữu hiệu, đồng thời giảm nồng độ kim loại nặng (Pb, Hg) xuống dưới ngưỡng giới hạn cho phép.
  3. Hiệu quả kinh tế và môi trường: Đề tài mang lại giải pháp giảm thiểu ô nhiễm tại các trang trại chăn nuôi gia cầm ở Quảng Ninh, tận dụng triệt để nguồn phế phụ phẩm trồng trọt, tạo ra sản phẩm phân bón với giá thành thấp (48.000 đồng/100 kg), hỗ trợ nông dân từng bước phục hồi độ phì nhiêu của đất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thử nghiệm mới được triển khai trên quy mô mô hình thực nghiệm tại một trang trại chăn nuôi công nghiệp (trang trại Dũng Hoa, Quảng Yên); chưa tiến hành khảo nghiệm đồng ruộng diện rộng để theo dõi trực tiếp tác động của phân hữu cơ vi sinh lên năng suất và chất lượng của từng loại cây trồng cụ thể.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thử nghiệm bón phân thành phẩm cho các nhóm cây trồng chủ lực (lúa, rau màu, cây ăn quả) trên các loại đất bạc màu tại địa phương.
    • Nghiên cứu quy chuẩn đóng gói, thời hạn bảo quản và đánh giá mật độ sống sót của các chủng vi sinh vật hữu hiệu theo thời gian lưu kho.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu thực nghiệm hữu ích đối với:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ sinh học môi trường, Khoa học đất và Nông học tham khảo về quy trình công nghệ ủ compost và phương pháp phân tích chất lượng phân bón theo TCVN.
  • Chủ trang trại chăn nuôi gia cầm, hợp tác xã nông nghiệp và cán bộ khuyến nông áp dụng trực tiếp công thức phối trộn (phân gà, trấu, mùn cưa/rơm rạ và chế phẩm EMIC) để tự sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh tại chỗ, hạ giá thành sản xuất và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Chế phẩm EMIC sử dụng trong đề tài có đặc điểm và vai trò gì?

Chế phẩm EMIC chứa tập đoàn vi sinh vật hữu hiệu với mật độ vi sinh vật tổng số $> 10^9\text{ CFU/g}$. Chế phẩm đóng vai trò là chất mồi sinh học, đẩy nhanh tốc độ phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp (cellulose, protein, lipid), khử mùi hôi phát sinh và rút ngắn thời gian ủ chín của đống phân.

2. Tại sao công thức ủ phân gà với mùn cưa lại hoai mục nhanh hơn công thức ủ với rơm rạ?

Mùn cưa có kích thước hạt mịn và nhỏ hơn so với rơm rạ, tạo ra diện tích tiếp xúc giữa vi sinh vật và cơ chất lớn hơn nhiều. Nhờ đó, tập đoàn vi sinh vật phân giải các cấu trúc hữu cơ trong mùn cưa diễn ra nhanh chóng và triệt để hơn so với rơm rạ.

3. Hàm lượng chì (Pb) và thủy ngân (Hg) trong phân gà biến đổi như thế nào sau khi ủ?

Trước khi ủ, phân gà tươi có hàm lượng chì đạt 226 mg/kg và thủy ngân đạt 3,4 mg/kg (đều vượt ngưỡng TCVN 7185:2002). Sau khi ủ vi sinh, hàm lượng chì giảm xuống còn 150–190 mg/kg (chuẩn quy định $\le 200\text{ mg/kg}$) và hàm lượng thủy ngân giảm còn 1,4–1,8 mg/kg (chuẩn quy định $\le 2\text{ mg/kg}$), giúp sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn.

4. Công thức nào cho thời gian ủ ngắn nhất và hàm lượng dinh dưỡng cao nhất?

Mẫu 6 (phân gà trộn trấu + 0,2 kg EMIC/tấn) cho thời gian ủ ngắn nhất (18 ngày) và có hàm lượng dinh dưỡng sau ủ cao nhất: Nitơ tổng số đạt 3,6%, Lân hữu hiệu đạt 3,3%, Kali hữu hiệu đạt 2,5%, do không bị pha loãng bởi các chất độn giàu cellulose khó phân giải như mùn cưa hay rơm rạ.

5. Chi phí sản xuất 100 kg phân bón hữu cơ vi sinh theo tính toán trong đề tài là bao nhiêu?

Theo tính toán sơ bộ của đề tài, chi phí mua phân gà là 17.000 đồng, chế phẩm EMIC là 3.000 đồng; tổng giá thành sản xuất cho 100 kg phân bón hữu cơ vi sinh hoàn chỉnh là 48.000 đồng (khoảng 480 đồng/kg phân thành phẩm).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Thị Thu Hòa đã nghiên cứu thành công quy trình xử lý chất thải phân gà chăn nuôi công nghiệp thành phân bón hữu cơ vi sinh đạt tiêu chuẩn TCVN 7185:2002 bằng chế phẩm sinh học EMIC kết hợp với phụ phẩm nông nghiệp. Kết quả thực nghiệm khẳng định việc ứng dụng chế phẩm vi sinh không chỉ rút ngắn thời gian ủ từ 60 ngày xuống còn 18–34 ngày mà còn làm tăng đáng kể hàm lượng dinh dưỡng đa lượng (N, P, K), loại bỏ mùi hôi và đưa nồng độ kim loại nặng về ngưỡng an toàn. Đề tài cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, giúp giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường chăn nuôi và hỗ trợ phát triển nông nghiệp hữu cơ bền vững tại tỉnh Quảng Ninh.