Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cây sắn (Manihot esculenta, thuộc họ Thầu dầu Euphorbiaceae) là một trong những cây lương thực và cây công nghiệp quan trọng tại các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Tại Việt Nam, cây sắn đã chuyển đổi mạnh mẽ từ cây lương thực "chống đói" sang cây công nghiệp hàng hóa phục vụ chế biến tinh bột, tinh bột biến tính, cồn sinh học và thức ăn chăn nuôi. Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, trong quý I năm 2015, sản lượng xuất khẩu sắn và các sản phẩm từ sắn đạt 1,37 triệu tấn với giá trị 420 triệu USD. Tổng diện tích canh tác sắn cả nước đạt khoảng 510.000 – 551.000 ha, năng suất bình quân đạt 18,7 – 19 tấn/ha.

Sự phát triển nhanh của ngành công nghiệp chế biến tinh bột sắn với hơn 60 nhà máy quy mô công nghiệp (tổng công suất khoảng 3,8 triệu tấn củ tươi/năm) cùng hơn 4.000 cơ sở chế biến thủ công đã tạo ra áp lực môi trường rất lớn. Trung bình để sản xuất 1 tấn tinh bột cần 3,5 – 4 tấn củ sắn tươi và tiêu tốn 7 – 12 $\text{m}^3$ nước, đồng thời phát sinh lượng chất thải rắn chiếm khoảng 45% khối lượng củ nguyên liệu (tương đương 1,89 – 2,27 triệu tấn chất thải rắn/năm trên toàn quốc). Thành phần chất thải rắn bao gồm vỏ gỗ, vỏ củ, mủ và bã xơ chứa hàm lượng cao xenluloza, tinh bột sót và axit cyanhydric (HCN). Nếu không được thu gom và xử lý kịp thời, quá trình phân hủy kỵ khí tự nhiên sau 48 giờ sẽ giải phóng các khí độc hại như $\text{H}_2\text{S}$, $\text{CH}_4$, $\text{NH}_3$, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước ngầm, không khí và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng quanh khu vực nhà máy.

Xuất phát từ thực trạng trên, khóa luận tập trung giải quyết 3 nhiệm vụ nghiên cứu chính:

  1. Tổng quan tình hình sản xuất, chế biến tinh bột sắn và đặc điểm thành phần các nguồn phát sinh chất thải rắn.
  2. Đánh giá vai trò, khả năng ứng dụng của vi sinh vật và tuyển chọn chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải mạnh xenluloza, tinh bột phục vụ xử lý bã thải sắn.
  3. Ứng dụng chủng vi sinh vật tuyển chọn vào quy trình ủ compost phế thải rắn, theo dõi các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh trong quá trình ủ, đánh giá chất lượng phân bón hữu cơ sinh học theo quy chuẩn và thử nghiệm hiệu quả nông học trên cây trồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Phế thải dạng rắn (đầu mẩu, bã xơ, sắn thừa) thu gom tại Nhà máy chế biến tinh bột sắn ELMACO Ninh Bình (địa chỉ: xã Sơn Lai, huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình) và các chủng vi sinh vật lưu giữ tại Bộ môn Sinh học Môi trường – Viện Môi trường Nông nghiệp.
  • Phạm vi thực hiện: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình ủ compost quy mô bán công nghiệp tại Viện Môi trường Nông nghiệp, hoàn thành vào tháng 5 năm 2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở khoa học của quá trình ủ compost hiếu khí (aerobic composting), bản chất là quá trình phân hủy sinh học hiếu khí có kiểm soát các hợp chất hữu cơ cao phân tử (polyme như xenluloza, tinh bột) thành dạng mùn ổn định, giàu dinh dưỡng khoáng và không chứa mầm bệnh nhờ hoạt động chuyển hóa của quần thể vi sinh vật ưa ấm và ưa nhiệt.

Hệ thống phương pháp và quy chuẩn kỹ thuật được tác giả sử dụng bao gồm:

Nhóm phương pháp Phương pháp / Tiêu chuẩn áp dụng Mục đích và thông số kỹ thuật
Phương pháp vi sinh vật • TCVN 7185:2002
• Phương pháp Cowan & Steel (1990)
• Phương pháp Ogundero (1982 cải tiến)		 • Định lượng mật độ vi sinh vật tổng số, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc bằng kỹ thuật cấy gạt thạch đĩa pha loãng ở $30^\circ\text{C}$ sau 3 ngày.
• Thử nghiệm phân giải tinh bột trên môi trường bổ sung 1% tinh bột tan, thử màu bằng thuốc thử Lugol.
• Thử nghiệm phân giải xenluloza trên môi trường bổ sung 1% CMC, phát hiện vòng phân giải bằng dung dịch Congo đỏ 1% và rửa bằng $\text{NaCl } 0,1\text{M}$.
Phương pháp hóa lý • Phương pháp sấy khô tuyệt đối
• Phương pháp đo điện thế (pH-meter)
• Phương pháp Walkley-Black
• Phương pháp Kjeldahl
• Tiêu chuẩn ngành 10TCN 604:2004		 • Xác định độ ẩm bằng tủ sấy ở $65^\circ\text{C} - 70^\circ\text{C}$ đến khối lượng không đổi (cân phân tích $0,0002\text{g}$).
• Đo pH trong huyền phù tỷ lệ đất/nước là $1:2,5$.
• Xác định cacbon hữu cơ tổng số ($\text{C}%$) bằng oxy hóa $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ trong $\text{H}_2\text{SO}_4$, chuẩn độ muối Mohr.
• Xác định đạm tổng số ($\text{N}%$) bằng vô cơ hóa mẫu và chuẩn độ axit.
• Định lượng hàm lượng $\text{HCN}$.
Quy trình ủ compost Phối trộn đống ủ hiếu khí 1 tấn phế thải Phối trộn: $200\text{g}$ chế phẩm VSV, $5\text{kg}$ rỉ mật, $1\text{kg}$ urê, $1\text{kg}$ kali, $10\text{kg}$ super lân, $0,05%$ vôi bột để chỉnh pH $6 - 8$ và độ ẩm $55 - 60%$. Đống ủ kích thước cao $1\text{m} \times$ rộng $2\text{m}$, phủ nylon giữ nhiệt và đảo trộn định kỳ.
Đánh giá độ hoai & thử nghiệm sinh học • TCVN 7185:2002
• Phương pháp Plant test (Hiraoka, 2003)
• Thử tỷ lệ nảy mầm		 • Kiểm tra nhiệt độ tâm đống ủ/bao gói (sâu $50 - 60\text{cm}$) trong 3 ngày liên tiếp, chênh lệch không quá $0,5^\circ\text{C}$ so với môi trường.
• Trồng $10\text{g}$ hạt giống cải ngọt trên khay kích thước $38 \times 28 \times 6\text{ cm}$, đánh giá tỷ lệ nảy mầm và sinh khối tươi sau 5 ngày gieo.
• Chiết dịch phân ủ ($10\text{g}$ phân/$200\text{ml}$ nước cất) ngâm hạt cải 2 giờ.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp tình hình sản xuất và chế biến sắn toàn cầu và tại Việt Nam:

  • Sản xuất thế giới: Năm 2011, sản lượng sắn toàn cầu đạt 250,2 triệu tấn củ tươi. Các quốc gia sản xuất hàng đầu gồm Nigeria (~40 triệu tấn), Brazil (>26 triệu tấn), Indonesia, Thái Lan, Cộng hòa Dân chủ Congo (~22 triệu tấn/quốc gia). Thái Lan là nước dẫn đầu thế giới về xuất khẩu tinh bột sắn với công nghệ tiên tiến, trích ly lặp lại và tuần hoàn nước thải.
  • Thực trạng tại Việt Nam: Giai đoạn 2001 – 2011, diện tích sắn tăng trưởng bình quân 6%/năm, sản lượng tăng 10%/năm. Cả nước có 3 mô hình chế biến: quy mô nhỏ hộ gia đình ($0,5 - 10$ tấn tinh bột/ngày), quy mô vừa (<50 tấn/ngày) và quy mô lớn (>50 tấn/ngày). Các nhà máy công nghiệp tập trung ở Tây Bắc, Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Tây Nguyên.
  • Đặc trưng dòng thải rắn: 1 tấn sắn củ tươi phát sinh gần 0,45 tấn chất thải rắn. Bã sắn tươi có độ ẩm cao (78 – 90%), pH khoảng 5,5, chứa 5,8% tinh bột sót và 0,024% đạm tổng số. Nếu áp dụng phơi sấy tĩnh thủ công tiêu tốn nhiều nhiệt năng và diện tích sân phơi.
  • Cơ chế sinh học trong ủ compost: Vai trò của các nhóm vi sinh vật hiếu khí, xạ khuẩn (Actinomyces), vi khuẩn và nấm sợi trong việc tiết enzym ngoại bào xenlulaza, amilaza, proteaza phân giải polyme thành chất mùn bền vững, tạo nhiệt lượng tiêu diệt mầm bệnh và khử độc tố cyanua.

Phần 2: Đối tượng, vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết về nguồn nguyên liệu phế thải bã sắn tại Nhà máy ELMACO Ninh Bình, các trang thiết bị (nồi hấp vô trùng, máy lắc điều nhiệt, buồng cấy vi sinh) và môi trường dinh dưỡng Gauze cơ sở. Quy định cụ thể các bước thực hiện thí nghiệm xác định hoạt tính phân giải tinh bột, xenluloza của vi sinh vật, kỹ thuật nuôi cấy lắc nhân sinh khối, quy trình lấy mẫu hóa lý và công thức phối trộn đống ủ compost 1 tấn nguyên liệu.

Phần 3: Kết quả nghiên cứu

Nội dung chương tập trung vào các kết quả phân tích thực nghiệm:

  • Đặc tính phế thải sắn ban đầu: Phân tích 12 mẫu bã thải tại 6 vị trí của nhà máy ELMACO cho thấy nguyên liệu có tính axit mạnh ($\text{pH} = 4,1$), độ ẩm $57%$, hàm lượng $\text{HCN}$ lên tới $28\text{ mg/kg}$ chất khô, hàm lượng xenluloza $37%$, tinh bột $5,2%$, cacbon hữu cơ tổng số $51,95%$, đạm tổng số $\text{N}_{\text{ts}} = 0,36%$. Quần thể vi sinh vật tự nhiên trong bã thấp ($\text{VSV tổng số} = 1,58 \times 10^4\text{ CFU/g}$, xạ khuẩn $4,25 \times 10^2\text{ CFU/g}$).
  • Tuyển chọn chủng vi sinh vật: Khảo sát 4 chủng xạ khuẩn lưu giữ tại Viện Môi trường Nông nghiệp. Chủng SHX 02 thể hiện hoạt tính vượt trội với đường kính vòng phân giải xenluloza ($\text{D}-\text{d}$) đạt $45\text{ mm}$ ($4,5\text{ cm}$) và vòng phân giải tinh bột đạt $38\text{ mm}$ ($3,8\text{ cm}$). Chủng SHX 02 tạo khuẩn lạc tròn $2 - 2,5\text{ mm}$, màu trắng đục, bám chắc vào môi trường thạch Gauze.
  • Tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng của chủng SHX 02:
    • Nhiệt độ thích hợp nhất: $35 \pm 2^\circ\text{C}$ (mật độ tế bào đạt $3,77 \times 10^8\text{ CFU/ml}$).
    • pH môi trường tối ưu: $\text{pH} = 7,5$ (mật độ tế bào đạt $3,95 \times 10^8\text{ CFU/ml}$).
    • Cung cấp không khí tối ưu: $0,70 - 0,75\text{ dm}^3$ không khí/lít môi trường/phút (mật độ đạt $> 5 \times 10^9\text{ CFU/ml}$).
  • Theo dõi diễn biến đống ủ:
    • Mật độ vi sinh vật: Ở công thức thí nghiệm (CTTN), vi sinh vật tổng số tăng mạnh từ ngày thứ 5 và đạt cực đại vào ngày thứ 20 ($9,67 \times 10^8\text{ CFU/g}$); chủng SHX 02 đạt mật độ cao nhất vào ngày thứ 15 ($7,60 \times 10^7\text{ CFU/g}$) trước khi giảm dần về trạng thái ổn định ở ngày thứ 30 ($2,24 \times 10^6\text{ CFU/g}$).
    • Nhiệt độ: CTTN tăng nhiệt nhanh sau 1 – 2 ngày, đạt đỉnh $69^\circ\text{C}$ ở ngày thứ 4 – 5 giúp tiêu diệt mầm bệnh và hạt cỏ dại. Sau khi đảo trộn ở ngày thứ 7, nhiệt độ tiếp tục duy trì và giảm dần về ngang bằng nhiệt độ môi trường sau 13 – 19 ngày. Trong khi đó, công thức đối chứng (CTĐC) chỉ tăng cao hơn nhiệt độ môi trường $7 - 8^\circ\text{C}$ và kéo dài.
    • pH và độ ẩm: pH tăng nhẹ từ $6,4 - 6,6$ lên $6,9$ do vi sinh vật hiếu khí chuyển hóa cơ chất giải phóng $\text{CO}_2$ và bay hơi axit yếu. Độ ẩm CTTN giảm từ $57%$ xuống $20 - 30%$, khối ủ tơi xốp, chuyển từ màu trắng ngà sang màu nâu sẫm, khử sạch hoàn toàn mùi chua hôi sau 20 – 25 ngày.
  • Chất lượng phân bón và thử nghiệm nông học: Sản phẩm sau 19 ngày ủ đạt đầy đủ các chỉ tiêu của Thông tư 41/2014/TT-BNNPTNT. Thử nghiệm sinh học trên cây cải ngọt cho thấy tỷ lệ nảy mầm đạt $95%$ (vượt yêu cầu giống $\ge 90%$) và sinh khối tươi đạt $120\text{ g/khay}$ sau 5 ngày gieo (vượt chuẩn hoai mục $\ge 60\text{ g}$, trong khi CTĐC chỉ đạt $40\text{ g}$ và tỷ lệ nảy mầm $15%$).

Phần 4: Kết luận và kiến nghị

Tóm tắt các phát hiện cốt lõi về tính chất bã thải sắn, hiệu quả phân giải của chủng SHX 02, các thông số kỹ thuật của đống ủ compost và đề xuất định danh di truyền phân tử chủng vi sinh vật cùng hướng phát triển chế phẩm sinh học thương mại.

Kết quả và đóng góp

1. Số liệu thực nghiệm cốt lõi

Bảng tổng hợp đối chiếu chất lượng sản phẩm phân hữu cơ sinh học chế biến từ bã sắn so với quy chuẩn quốc gia:

Chỉ tiêu chất lượng Đơn vị tính Kết quả phân tích phân ủ Quy định tại Thông tư 41/2014/TT-BNNPTNT Đánh giá mức độ đạt chuẩn
Độ ẩm $%$ 20 $\le 20$ Đạt
pH - 6,9 Không quy định Thích hợp cho cây trồng
Hàm lượng hữu cơ (OM) $%$ 25 $\ge 20,0$ Vượt $25%$ so với chuẩn
Đạm tổng số ($\text{N}_{\text{ts}}$) $%$ 1,2 Không quy định Bổ sung dinh dưỡng khoáng
Kali hữu hiệu ($\text{K}_2\text{O}$) $%$ 0,40 Không quy định Bổ sung dinh dưỡng khoáng
Axit humic $%$ 2,0 $\ge 2,0$ Đạt ngưỡng quy chuẩn
Độ hoai mục (TCVN 7185:2002) $^\circ\text{C}$ Chênh lệch $\le 0,5^\circ\text{C}$ (sau 19 ngày) Không đổi so với môi trường Hoai mục hoàn toàn
Sinh khối cải ngọt thu hoạch $\text{g/khay}$ 120 $\ge 60$ Gấp 2 lần yêu cầu kỹ thuật
Tỷ lệ nảy mầm hạt giống $%$ 95 $\ge 90$ Vượt chuẩn chất lượng giống

2. Đóng góp khoa học và giải pháp thực tiễn

  • Đóng góp khoa học: Tuyển chọn và xác định được đặc tính sinh học của chủng xạ khuẩn SHX 02 có khả năng đồng thời sinh tổng hợp enzym phân giải cả xenluloza ($\text{D}-\text{d} = 45\text{ mm}$) và tinh bột ($\text{D}-\text{d} = 38\text{ mm}$). Xác lập bộ thông số động học nuôi cấy tối ưu cho chủng này ($35^\circ\text{C}$, $\text{pH } 7,5$, cấp khí $0,70 - 0,75\text{ dm}^3/\text{lít/phút}$).
  • Giải pháp ứng dụng: Thiết lập quy trình ủ compost hiếu khí bã sắn bổ sung phụ gia khoáng và chế phẩm sinh học với tỷ lệ $1/1000$, rút ngắn thời gian hoai mục xuống còn 19 ngày, giải quyết triệt để vấn đề mùi hôi, phân hủy độc tố HCN và chuyển hóa phế thải gây ô nhiễm thành phân bón hữu cơ sinh học có giá trị kinh tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu dừng lại ở mức độ xác định đặc tính hình thái, sinh hóa và sinh lý của chủng vi sinh vật SHX 02 trên môi trường thạch Gauze mà chưa tiến hành giải trình tự gen 16S rRNA để định danh chính xác loài bằng công cụ sinh học phân tử. Quy mô thử nghiệm đống ủ mới thực hiện ở mức mô hình thực nghiệm, chưa mở rộng ra quy mô công nghiệp hàng chục nghìn tấn tại các bãi thải nhà máy.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Ứng dụng kỹ thuật sinh học phân tử để định danh loài vi sinh vật cho chủng SHX 02.
    2. Tiếp tục hoàn thiện công nghệ sản xuất chế phẩm sinh học dạng bột hoặc dịch thể quy mô lớn phục vụ xử lý chất thải rắn chế biến tinh bột sắn tại các địa phương.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Sinh học, Khoa học Môi trường, Nông hóa Thổ nhưỡng: Tham khảo phương pháp phân lập, sàng lọc hoạt tính enzym phân giải xenluloza/tinh bột (phương pháp nhuộm Congo đỏ, Lugol) và kỹ thuật bố trí thí nghiệm ủ compost hiếu khí.
  • Cán bộ kỹ thuật và quản lý môi trường tại các nhà máy chế biến tinh bột sắn, làng nghề: Áp dụng trực tiếp công thức phối trộn phụ gia (vôi bột, rỉ mật, super lân, urê, kali) và quy trình kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm để xử lý bã sắn tại chỗ, giảm thiểu chi phí xả thải và xử phạt môi trường.
  • Các nhà nghiên cứu phân bón hữu cơ vi sinh: Sử dụng các số liệu thực nghiệm về thử nghiệm độ chín sinh học (Plant test) trên cây cải ngọt và tiêu chuẩn Thông tư 41/2014/TT-BNNPTNT làm cơ sở đánh giá chất lượng phân hữu cơ.

Câu hỏi thường gặp

1. Chủng vi sinh vật nào được tuyển chọn trong đề tài và hoạt tính phân giải của nó ra sao?
Chủng được tuyển chọn là xạ khuẩn SHX 02 (lưu giữ tại Bộ môn Sinh học Môi trường – Viện Môi trường Nông nghiệp). Chủng này có khả năng phân giải mạnh cả xenluloza với đường kính vòng phân giải ($\text{D}-\text{d}$) đạt $45\text{ mm}$ và phân giải tinh bột với đường kính vòng đạt $38\text{ mm}$.

2. Thành phần lý hóa của bã sắn rắn tại nhà máy ELMACO Ninh Bình trước khi xử lý như thế nào?
Kết quả phân tích 12 mẫu bã sắn cho thấy: $\text{pH} = 4,1$; độ ẩm $57%$; hàm lượng $\text{HCN} = 28\text{ mg/kg}$ chất khô; xenluloza $37%$; tinh bột $5,2%$; chất hữu cơ tổng số $48%$; $\text{N}{\text{ts}} = 0,36%$ và $\text{C}{\text{ts}} = 51,95%$.

3. Công thức phối trộn nguyên liệu phụ gia cho 1 tấn phế thải bã sắn gồm những gì?
Bao gồm: $200\text{g}$ chế phẩm vi sinh vật, $5\text{kg}$ rỉ mật, $1\text{kg}$ urê, $1\text{kg}$ kali, $10\text{kg}$ super lân và $0,05%$ vôi bột (điều chỉnh độ ẩm đạt $55 - 60%$ và pH đạt $6 - 8$).

4. Diễn biến nhiệt độ của đống ủ có bổ sung chế phẩm vi sinh vật diễn ra như thế nào?
Nhiệt độ đống ủ tăng nhanh sau 1 – 2 ngày, đạt nhiệt độ cực đại $69^\circ\text{C}$ sau 4 – 5 ngày (giúp diệt mầm bệnh và cỏ dại). Sau khi đảo trộn ở ngày thứ 7, nhiệt độ tăng trở lại và giảm dần về bằng nhiệt độ môi trường sau 13 – 19 ngày, biểu thị đống ủ đã hoai mục hoàn toàn.

5. Kết quả thử nghiệm sinh học trên cây cải ngọt chứng minh độ an toàn của phân ủ như thế nào?
Hạt cải ngọt trồng trên cơ chất phân ủ sau 19 ngày đạt tỷ lệ nảy mầm $95%$ (vượt yêu cầu giống $\ge 90%$) và trọng lượng sinh khối tươi sau 5 ngày gieo đạt $120\text{ g/khay}$ (gấp đôi mức yêu cầu tối thiểu $60\text{ g}$ đối với phân compost đã chín), trong khi mẫu đối chứng không xử lý vi sinh chỉ đạt $40\text{ g}$ và tỷ lệ nảy mầm $15%$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hồng Nhung đã giải quyết thành công bài toán xử lý ô nhiễm chất thải rắn từ ngành chế biến tinh bột sắn bằng biện pháp công nghệ sinh học. Đề tài đã tuyển chọn được chủng xạ khuẩn SHX 02 có hoạt tính phân giải kép tinh bột và xenluloza vượt trội, đồng thời xây dựng quy trình ủ compost hiếu khí 19 ngày hiệu quả. Sản phẩm mùn hữu cơ thu được đạt đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật theo Thông tư 41/2014/TT-BNNPTNT và TCVN 7185:2002, mở ra hướng tái sử dụng phế phẩm nông nghiệp bền vững làm phân bón hữu cơ sinh học chất lượng cao cho cây trồng.