Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ dân số và tốc độ đô thị hóa nhanh chóng đang tạo ra áp lực khổng lồ lên hạ tầng quản lý môi trường tại Việt Nam. Thống kê toàn quốc ghi nhận khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tăng bình quân 10% đến 16% mỗi năm. Tại khu vực đô thị, lượng chất thải rắn đã gia tăng mạnh mẽ từ mức 17.224 tấn/ngày năm 2010 lên xấp xỉ 32.000 tấn/ngày năm 2014 và chạm ngưỡng 63.000 tấn/ngày trong giai đoạn 2011 - 2015. Dự báo đến năm 2025, lượng thải đô thị sẽ đạt 42.200 tấn/ngày với chỉ số phát sinh trung bình 1,6 kg/người/ngày. Trong cơ cấu thành phần rác thải sinh hoạt đô thị, hợp phần hữu cơ có thể tái chế làm phân bón chiếm tỷ trọng vượt trội từ 54% đến 77%.

Tại tỉnh Tây Ninh, Nhà máy xử lý rác thải sinh hoạt thuộc Công ty Cổ phần Công nghệ Môi trường Tây Ninh hiện tiếp nhận từ 150 đến 200 tấn rác mỗi ngày từ thành phố Tây Ninh và 6 huyện lân cận gồm Tân Châu, Tân Biên, Hòa Thành, Bến Cầu, Dương Minh Châu, Châu Thành. Tuy nhiên, do đặc thù rác thải sinh hoạt chưa được phân loại triệt để tại nguồn, công nghệ ủ compost truyền thống tại nhà máy bộc lộ hai điểm nghẽn nghiêm trọng: thời gian ủ chín kéo dài từ 60 đến 75 ngày gây ứ đọng mặt bằng lưu trữ, đồng thời mật độ vi sinh vật hữu ích trong thành phẩm chưa đạt ngưỡng quy định theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP.

Trước thực trạng đó, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Sinh học của tác giả Đặng Trúc Lan, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Hoàng Anh Hoàng và Tiến sĩ Trần Ngọc Minh Quyên, đã tập trung nghiên cứu phân lập, tuyển chọn tập hợp vi sinh vật bản địa có hoạt tính enzyme ngoại bào cao và khả năng đồng hóa acid hữu cơ, từ đó xây dựng chế phẩm vi sinh tối ưu hóa quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh chất lượng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Quá trình ủ phân compost hiếu khí vận hành dựa trên chu trình chuyển hóa sinh học đa pha của quần thể vi sinh vật qua 3 giai đoạn nhiệt độ kế tiếp nhau: pha ưa ấm ban đầu (25°C - 40°C), pha ưa nhiệt độ cao (50°C - 65°C) giúp tiêu hủy triệt để mầm bệnh cùng hạt cỏ dại, và pha ổn định trưởng thành đưa cơ chất về dạng mùn dinh dưỡng. Cơ chế phân hủy rác thải rắn hữu cơ đòi hỏi sự phối hợp của hệ enzyme thủy phân gồm amylase xúc tác phân giải tinh bột, cellulase cắt mạch cellulose mạch dài và protease thủy phân protein phức tạp thành các acid amin dễ hấp thu.

Bên cạnh đó, việc kiểm soát hiện tượng acid hóa cục bộ đóng vai trò quyết định đến tốc độ phân hủy. Khi rác thải hữu cơ lên men yếm khí cục bộ sinh ra các acid hữu cơ bay hơi làm giảm pH xuống dưới 4,5, các chủng vi khuẩn phân giải polymer sẽ bị ức chế hoàn toàn. Vì vậy, lý thuyết chuyển hóa sinh học hiện đại đặt trọng tâm vào việc sử dụng nấm men đồng hóa acid hữu cơ làm nguồn carbon để nhanh chóng đưa pH về vùng trung tính.

Chất lượng phân bón hữu cơ vi sinh đầu ra được đối chiếu nghiêm ngặt theo khung pháp lý Nghị định 108/2017/NĐ-CP của Chính phủ. Các chỉ tiêu bắt buộc bao gồm: hàm lượng chất hữu cơ đạt từ 15% trở lên, mật độ mỗi loại vi sinh vật có ích đạt tối thiểu 1,0 x 10^6 CFU/g, độ ẩm dưới 30%, pH lớn hơn hoặc bằng 5,0; đồng thời giới hạn kim loại nặng như chì (Pb dưới 200 mg/kg), cadimi (Cd dưới 5 mg/kg), arsen (As dưới 10 mg/kg), thủy ngân (Hg dưới 2 mg/kg) và tuyệt đối không phát hiện vi khuẩn Salmonella, mật độ Escherichia coli dưới 1,1 x 10^3 CFU/g.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu thực tế gồm 9 mẫu mùn tươi và mẫu sau phối trộn (khối lượng 3 kg/mẫu) thu thập tại các công đoạn ủ 2 ngày, 10 ngày và 15 ngày tại Nhà máy xử lý rác Tây Ninh. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo thời gian ủ được lựa chọn nhằm bảo đảm sàng lọc đầy đủ các chủng vi sinh vật bản địa thích nghi tốt nhất với điều kiện cơ chất thực tế.

Quy trình phân lập và đánh giá hoạt độ sinh học được thực hiện thông qua các phương pháp tiêu chuẩn:

  • Hoạt độ enzyme amylase và cellulase được xác định bằng phương pháp so màu đường khử 3,5-dinitrosalicylic acid (DNS) đo mật độ quang OD tại bước sóng 540 nm.
  • Hoạt độ enzyme protease được định lượng dựa trên mức độ thủy phân casein tạo tyrosine phản ứng với thuốc thử Folin-Ciocalteu đo OD tại bước sóng 660 nm.
  • Khả năng tiêu thụ acid hữu cơ được đánh giá trên môi trường khoáng muối Basal-salt bổ sung 3% acid acetic ở pH 4,0.
  • Các chủng vi sinh vật xuất sắc nhất được giải trình tự gen và định danh sinh học phân tử tại đơn vị chuyên môn.

Thử nghiệm ủ sinh học được tiến hành trên mô hình thùng phản ứng cách nhiệt 60 lít chứa 10 kg mùn tươi, vận hành hệ thống cấp khí cưỡng bức đáy với lưu lượng 0,35 đến 0,40 lít/phút liên tục trong 10 ngày. Độ chín và độc tính thực vật của phân compost được kiểm chứng bằng thử nghiệm chỉ số nảy mầm hạt (Germination Index - GI) trên 10 hạt củ cải Zealand (Raphanus sativus) trong đĩa petri, lặp lại 3 lần và theo dõi sau 4 ngày ủ tối ở 25°C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã sàng lọc và phân lập thành công 4 chủng vi sinh vật có hoạt lực phân giải vượt trội từ nguồn mùn rác thải sinh hoạt:

  • Chủng nấm men Candida ethanolica (mẫu MT2.3) có năng lực sử dụng acid acetic làm nguồn carbon duy nhất, nâng giá trị pH môi trường từ 4,0 lên mức trung tính 7,0 chỉ sau 3 ngày nuôi cấy.
  • Chủng vi khuẩn Bacillus velezensis (mẫu M3) đạt hoạt độ amylase dẫn đầu với 12,672 U/mL (độ tin cậy đường chuẩn R² = 0,9892), cao hơn đáng kể so với mức trung bình 7,5 đến 8,8 U/mL của các chủng đối chứng.
  • Chủng nấm sợi Trichoderma harzianum, danh pháp đồng nghĩa Hypocrea lixii (mẫu M12), thể hiện hoạt tính cellulase mạnh nhất đạt 0,896 U/mL (R² = 0,9886).
  • Chủng vi khuẩn Bacillus licheniformis (mẫu MT2) đạt hoạt độ protease cao nhất với 6,842 U/mL (R² = 0,9957), vượt trội hơn 58,2% so với chủng có hoạt tính thấp nhất trong bộ mẫu (mẫu M2 đạt 4,324 U/mL).

Trong mô hình ủ 10 kg mùn tươi có bổ sung 100 mL dịch hỗn hợp 4 chủng vi sinh (mỗi loại 25 mL), tốc độ khoáng hóa chất hữu cơ diễn ra nhanh chóng. Nồng độ phát thải khí CO2 đo được từ hệ thống bổ sung vi sinh vật cao hơn rõ rệt so với lô đối chứng không bổ sung men vi sinh. Kết quả thử nghiệm độ chín sinh học cho thấy chỉ số nảy mầm GI của hạt củ cải ở mẫu phân có bổ sung chế phẩm vi sinh đạt trên 85%, cao hơn vượt bậc so với lô đối chứng nước cất và lô mùn không cấy vi sinh.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý rác thải vượt trội của chế phẩm vi sinh bắt nguồn từ cơ chế tương tác hỗ biến sinh học giữa 4 chủng vi sinh vật. Sự hiện diện của nấm men Candida ethanolica ở giai đoạn đầu đã giải phóng nút thắt acid hóa bằng cách tiêu thụ nhanh các acid hữu cơ bay hơi phát sinh từ rác tươi, nâng pH môi trường lên vùng thuận lợi. Nhờ đó, các chủng Bacillus velezensis, Bacillus licheniformis và nấm sợi Trichoderma harzianum nhanh chóng sinh trưởng, tiết ra lượng lớn enzyme ngoại bào amylase, protease và cellulase để cắt đứt các đại phân tử hữu cơ bền vững.

Diễn biến quá trình ủ được phản ánh tường minh qua hệ thống đồ thị động học: đường cong biến thiên nồng độ khí CO2 phát thải liên tục thể hiện cường độ hô hấp hiếu khí mạnh mẽ của vi sinh vật; biểu đồ nhiệt độ ghi nhận sự gia tăng nhiệt độ nội tại của khối ủ giúp vô hoạt các vi sinh vật gây hại; đồ thị phục hồi pH khẳng định khả năng đệm sinh học của hệ vi sinh. Dữ liệu định lượng mật độ vi khuẩn ưa ấm (nuôi cấy ở 30°C) và vi khuẩn ưa nhiệt (nuôi cấy ở 55°C) trên môi trường Plate Count Agar cho thấy quần thể vi sinh vật hữu ích luôn duy trì ở mức cao trên 10^7 CFU/g suốt 10 ngày thí nghiệm. Kết quả này chứng minh tiềm năng rút ngắn hơn 50% thời gian ủ thực tế so với chu kỳ 60 đến 75 ngày tại nhà máy.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất tại các nhà máy xử lý rác thải sinh hoạt, bốn giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình nhân sinh khối và phối chế chế phẩm lỏng đa chủng gồm Bacillus velezensis, Bacillus licheniformis, Trichoderma harzianum và Candida ethanolica với mật độ tế bào đạt tối thiểu 1,0 x 10^8 CFU/mL mỗi loại. Định mức phối trộn khuyến nghị là 10 lít dịch vi sinh hoạt hóa cho mỗi tấn mùn tươi nhằm đảm bảo mật độ vi sinh vật hữu ích trong phân bón sau khi ủ đạt trên 1,0 x 10^6 CFU/g theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP. Bộ phận kỹ thuật công nghệ cần hoàn thiện quy trình chuẩn trong vòng 3 tháng.

Thứ hai, cải tạo và nâng cấp hệ thống cấp khí cưỡng bức tại các hầm ủ rác quy mô công nghiệp. Cần trang bị quạt thổi khí đáy có điều tần nhằm duy trì lưu lượng khí liên tục từ 0,35 đến 0,50 m3/phút cho mỗi tấn chất thải, đồng thời kiểm soát độ ẩm ban đầu của đống ủ trong khoảng 40% đến 45%. Giải pháp này giúp duy trì nhiệt độ khối ủ trên 55°C trong tối thiểu 3 ngày liên tục để tiêu diệt triệt để mầm bệnh và trứng giun sán. Ban quản lý kỹ thuật nhà máy cần triển khai lắp đặt trong 6 tháng.

Thứ ba, áp dụng phương pháp kiểm soát chất lượng phân compost thành phẩm dựa trên chỉ số nảy mầm sinh học (GI lớn hơn 80%) kết hợp đo pH và tỷ lệ carbon/nitơ (C/N), thay thế cho việc ước lượng cảm quan truyền thống. Điều này giúp rút ngắn chu kỳ ủ chín an toàn từ 60 - 75 ngày xuống còn 30 - 35 ngày, giải phóng 50% diện tích sân bãi chứa mùn. Phòng Kiểm nghiệm chất lượng (KCS) chịu trách nhiệm áp dụng thường quy từ quý tới.

Thứ tư, xây dựng chuỗi liên kết tuần hoàn giữa Nhà máy xử lý chất thải Tây Ninh và các vùng trồng trọt nông nghiệp công nghệ cao trên địa bàn 6 huyện và thành phố Tây Ninh. Mục tiêu hướng đến bao tiêu toàn bộ sản lượng 150 đến 200 tấn phân compost vi sinh đạt chuẩn mỗi ngày trong lộ trình 2018 - 2020 dưới sự điều phối của Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo đắt giá cho 4 nhóm đối tượng chính:

Ban giám đốc và kỹ sư vận hành nhà máy xử lý chất thải rắn sinh hoạt: Luận văn cung cấp giải pháp kỹ thuật trực tiếp để giải quyết bài toán quá tải sân bãi, rút ngắn thời gian ủ compost từ 60 - 75 ngày xuống còn 30 - 35 ngày, đồng thời nâng cao hiệu suất thu hồi mùn hữu cơ từ nguồn rác hỗn hợp 150 - 200 tấn/ngày.

Doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh: Các doanh nghiệp có thể khai thác quy trình sàng lọc, phối trộn 4 chủng vi sinh vật (Bacillus velezensis, Bacillus licheniformis, Trichoderma harzianum, Candida ethanolica) để đa dạng hóa dòng sản phẩm phân bón sinh học đạt chuẩn theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP.

Cán bộ nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu mang lại hệ thống phương pháp luận chặt chẽ từ kỹ thuật đo hoạt độ enzyme ngoại bào qua phản ứng DNS, Folin-Ciocalteu, phương pháp định lượng chỉ số nảy mầm hạt GI đến mô hình thiết kế thùng phản ứng hiếu khí 60 lít có kiểm soát nồng độ CO2.

Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và nông nghiệp sạch: Giúp các chuyên viên tại Chi cục Bảo vệ Môi trường và Sở Nông nghiệp có thêm cơ sở khoa học để đánh giá công nghệ tái chế chất thải rắn, từ đó xây dựng các chính sách khuyến khích kinh tế tuần hoàn tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Bộ chế phẩm vi sinh vật trong nghiên cứu gồm những chủng nào và có vai trò gì? Bộ chế phẩm bao gồm 4 chủng: Candida ethanolica tiêu thụ acid hữu cơ đưa pH về trung tính; Bacillus velezensis có hoạt tính enzyme amylase cao (12,672 U/mL) phân giải tinh bột; Bacillus licheniformis có hoạt tính protease cao (6,842 U/mL) thủy phân protein; và Trichoderma harzianum có hoạt tính cellulase cao (0,896 U/mL) bẻ gãy cellulose khó tan.

Vì sao chủng nấm men Candida ethanolica lại mang tính quyết định trong xử lý rác sinh hoạt? Rác thải sinh hoạt chưa phân loại thường lên men chua tạo ra lượng lớn acid hữu cơ làm pH giảm sâu xuống dưới 4,0, gây ức chế hầu hết vi khuẩn có ích. Nấm men Candida ethanolica có khả năng sử dụng acid acetic làm nguồn carbon duy nhất, giúp trung hòa nhanh pH môi trường lên mức 7,0 chỉ sau 3 ngày, tạo điều kiện cho các enzyme thủy phân hoạt động tối đa.

Chỉ số nảy mầm hạt (Germination Index - GI) phản ánh điều gì về chất lượng phân compost? Chỉ số GI trên hạt củ cải Zealand sau 4 ngày ủ tối ở 25°C là thước đo độ chín sinh học và mức độ an toàn của phân bón. Giá trị GI đạt trên 85% trong nghiên cứu chứng minh mùn hữu cơ đã được khoáng hóa hoàn toàn, không còn chứa các độc tố thực vật hay acid hữu cơ ức chế rễ cây, đảm bảo an toàn tuyệt đối khi bón cho cây trồng.

Ứng dụng chế phẩm vi sinh giúp doanh nghiệp xử lý rác giải quyết bài toán kinh tế nào? Tại Công ty Cổ phần Công nghệ Môi trường Tây Ninh nơi tiếp nhận 150 - 200 tấn rác/ngày, chế phẩm vi sinh giúp rút ngắn thời gian ủ từ 60 - 75 ngày xuống còn khoảng 30 - 35 ngày. Điều này giúp giảm 50% diện tích mặt bằng lưu bãi, cắt giảm chi phí đảo trộn và tăng gấp đôi năng lực xử lý chất thải rắn của nhà máy.

Sản phẩm phân bón từ nghiên cứu có đáp ứng các quy chuẩn pháp lý hiện hành không? Thành phẩm sau ủ đạt đầy đủ các chỉ tiêu của Nghị định 108/2017/NĐ-CP: hàm lượng hữu cơ trên 15%, mật độ vi sinh vật có ích vượt mức 1,0 x 10^6 CFU/g, độ ẩm dưới 30%, pH trên 5,0 và hoàn toàn âm tính với Salmonella cũng như kiểm soát kim loại nặng nằm trong giới hạn an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã phân lập và tuyển chọn thành công bộ 4 chủng vi sinh vật bản địa ưu việt từ rác thải rắn sinh hoạt gồm Candida ethanolica, Bacillus velezensis, Bacillus licheniformis và Trichoderma harzianum.
  • Các chủng vi sinh vật thể hiện hoạt lực enzyme ngoại bào mạnh mẽ với hoạt độ amylase đạt 12,672 U/mL, protease đạt 6,842 U/mL, cellulase đạt 0,896 U/mL và khả năng nâng pH từ 4,0 lên 7,0 sau 3 ngày.
  • Thử nghiệm trên mô hình phản ứng 60 lít trong 10 ngày chứng minh việc bổ sung 100 mL chế phẩm vi sinh làm tăng mạnh tốc độ phát thải CO2 và mật độ vi sinh vật ưa ấm, ưa nhiệt trên 10^7 CFU/g.
  • Đánh giá chất lượng sinh học khẳng định phân compost đạt chỉ số nảy mầm GI trên 85%, loại bỏ hoàn toàn độc tính thực vật và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật theo Nghị định 108/2017/NĐ-CP.
  • Kết quả nghiên cứu là tiền đề khoa học vững chắc giúp các nhà máy xử lý chất thải rút ngắn chu trình sản xuất từ 60 - 75 ngày xuống còn 30 - 35 ngày, nâng cao giá trị thương phẩm cho phân hữu cơ vi sinh.

Trong giai đoạn tiếp theo từ quý 4 năm 2018 đến năm 2019, nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp sẽ hoàn thiện các mẻ ủ thử nghiệm quy mô pilot 5 tấn/mẻ tại nhà máy Tây Ninh. Các đơn vị xử lý môi trường và doanh nghiệp nông nghiệp hữu cơ quan tâm có thể kết nối chuyển giao công nghệ để hiện thực hóa mô hình kinh tế tuần hoàn bền vững.