Nghiên cứu sự chuyển hóa của nitơ trong quy trình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt đô thị thành phố Đà Lạt

Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010

Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18^th– 20^thJune 2010

NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA CỦA NITƠ TRONG QUY TRÌNH SẢN

XUẤT PHÂN HỮU CƠ TỪ BÙN THẢI CỦA NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC

THẢI SINH HOẠT ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT

^(*)Lê Tấn Thanh Lâm, ^(**)Nguyễn Thế An, ^(**)Đinh Thái Bình

^(*)Khoa Môi trường và Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh

^(**)Bộ môn Công nghệ Hóa học, Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh

ABSTRACT

The experiment was carried out at Nong Lam University that used digested sludge as a main

material and straw and bagasse as supplemented materials. Some of the factors as the total Nitơ

and effective Nitơ were mesured. The results showed that used microoganism in biological

material BioVAC that make pile gloomy was disintegrated strong and effective Nitơ increases in

high level. Total Nitơ was loss profusely during glooly process. Formed produce was no smelly

odour, duck color, and stable.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ở các thành phố lớn hiện nay ngoài vấn nạn về rác thải thì vấn nạn về bùn thải cũng đang làm

đau đầu các nhà chức trách và các nhà quản lý môi trường. Đa số các loại bùn thải này đều xuất

phát từ các khu công nghiệp nên có hàm lượng kim loại nặng, độc hại cao rất khó xử lý để làm

phân hữu cơ. Nhưng bùn thải từ hệ thống nước thải sinh hoạt đô thị nếu được quản lý tốt thì có

thể sử dụng để làm nguồn nguyên liệu sản xuất phân hữu cơ. Qua nghiên cứu thực địa thấy rằng

bùn thải của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt đô thị thành phố Đà Lạt đã đáp ứng rất tốt yêu cầu

trên và lượng đạm trong bùn là rất cao. Đồng thời nhà máy cũng chưa tiến hành xử lý với loại

bùn này. Có thể thấy việc tận dụng sản xuất loại bùn trên làm phân hữu cơ là hướng nghiên cứu

rất có triển vọng, nó vừa giải quyến được vấn đề về môi trường lại vừa có thể sinh lợi cho nhà

máy.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Vật liệu

Bùn thải được thu nhận từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt sinh hoạt đô thị thành phố Đà Lạt.

Với các chỉ số phân tích như sau: độ ẩm: 11,43%; N_tổng: 3,2%; P₂O_5tổng: 0,3%; chất hữu cơ:

36,84%; pH: 6,26; C/N: 6,68.

Nguyên liệu bổ sung: rơm rạ (N_tổng: 0,36%; %C: 36,3%; C/N: 100,84/1) và bã mía (N_tổng: 0,35%;

%C: 34,75%; C/N: 99,28/1).

Chế phẩm sinh học BioVAC.

Phương pháp thí nghiệm

__________________________________________________________________________________________

Nghiên cứu sự chuyển hóa Nito trong quá tình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt đô thị Thành phố Đà Lạt

110

Lê Tấn Thanh Lâm, Nguyễn Thế An, Đinh Thái Bình– Đại học Nông Lâm Tp. HCM

Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010

Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18^th– 20^thJune 2010

Bùn thải được ủ theo phương pháp yếm khí cùng với những phế phẩm nông nhiệp có hàm lượng

Carbon cao là rơm rạ và bã mía để điều chỉnh tỉ lệ C/N đạt trạng thái tối ưu trong khoảng 20-

30/1.

Thí nghiệm tiến hành trong các bao nilon buộc chặt. Bùn thải ủ với rơm rạ và bã mía theo tỉ lệ

1:1, khối lượng mỗi bao là 4kg. Trong quá trình ủ có bổ sung thêm chế phẩm sinh học BioVAC

để tăng tốc độ phân hủy, rút ngắn thời gian ủ.

Bố trí thí nghiệm

Các nghiệm thức được bố trí theo kiểu hoàn toàn ngẫu nhiên CRD (completely random design)

và được lặp lại hai lần. Yếu tố ngoại cảnh tác động lên mỗi nghiệm thức là hoàn toàn giống nhau.

Nghiệm thức 1: bùn thải + bã mía (BBS-1.1; BBS-1.2)

Nghiệm thức 2: bùn thải + rơm rạ (BBS-2.1; BBS-2.2)

Các chỉ tiêu theo dõi

Hàm lượng Nitơ tổng, Nitơ hữu hiệu.

Phương pháp theo dõi

Các nghiệm thức sẽ được lấy mẫu đi đo chỉ tiêu Nitơ hữu hiệu theo định kì 5 ngày một lần, còn

chỉ tiêu Nitơ tổng thì được phân tích giữa đầu vào và đầu ra.

Phương pháp phân tích

Phương pháp xác định Nitơ tổng số 10TCN 304-97.

Phương pháp xác định Nitơ hữu hiệu 10TCN 361-99

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

-

Bảng 1. Kết quả phân tích Nitơ tổng

Nghiệm thức

BBS-1.1

Nitơ đầu vào

Nitơ đầu ra

1,385

2,463

2,263

2,193

2,539

BBS-1.2

1,224

BBS-2.1

1,251

BBS-2.2

1,357

Nitơ có trong bùn thải chủ yếu ở dạng protein, sự giảm xuống của Nitơ trong khối ủ là do quá

trình amon hóa xảy ra trong chất thải hữu cơ phân giải protein để tạo nên NH₃và các muối amon.

Quá trình amon hóa protein có hai giai đoạn:

-

Giai đoạn phân giải protein.

Giai đoạn khử amin.

Các giai đoạn này xảy ra trong và ngoài tế bào vi sinh vật.

__________________________________________________________________________________________

Nghiên cứu sự chuyển hóa Nito trong quá tình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt đô thị Thành phố Đà Lạt

111

Lê Tấn Thanh Lâm, Nguyễn Thế An, Đinh Thái Bình– Đại học Nông Lâm Tp. HCM

Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010

Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18^th– 20^thJune 2010

Đây là những đại phân tử, chúng không thể vào tế bào qua màng và thành tế bào được nên các vi

sinh vật sẽ tiết ra emzym ngoại bào protease để thủy phân protein thành các acid amin đơn giản

hoặc các oligopeptide rồi vận chuyển vào trong tế bào nhờ cơ chế vận chuyển từ nơi có nồng độ

cao sang nơi có nồng độ thấp (chênh lệch nồng độ vật chất trong và ngoài màng sinh học) hoặc

theo cơ chế chủ động. Trong một số trường hợp các oligopeptide cũng có thể được vận chuyển

vào trong tế bào và khi vào được tế bào, chúng bị phân giải thành các acid amin.

Ở trong tế bào vi sinh vật, các oligopeptide sẽ được phân giải tiếp thành các acid amin. Các acid

amin này sẽ được chuyển hóa để tổng hợp protein và tạo thành NH₃cùng với các sản phẩm thứ

cấp khác.

Như vậy quá trình phân giải ngoài tế bào tạo ra sản phẩm cuối cùng là các acid amin, các

oligopeptide, sản phẩm này trong tế bào sẽ được chuyển hóa tiếp. Các sản phẩm trao đổi bậc hai

và NH₃mà vi sinh không cần sẽ lại thoát ra khỏi tế bào vào môi trường.

NH3 và các sản phẩm thứ

Protein ngoại bào

cấp khác

Chuyển hóa trong

tế bào

Peptide

Tổng hợp protein

Protein

Acid amin

Oligopeptide

Acid amin

Protein ⎯⎯→ amino acid có công thức chung là R(NH₂) – CH – COOH

⎯⁺⎯⎯^O²→

Điều kiện hiếu khí: R(NH₂) – CH – COOH

NH₃+ CO₂+ H₂O.

+H₂O

⎯⎯⎯→

Điều kiện yếm khí: R(NH₂) – CH – COOH

NH₃+ CO₂+ H₂

Mùn (H⁺) + NH₃

⎯⎯→

NH₄

+

Sau thời gian ủ lượng Nitơ tổng giảm nhiều, các vi sinh vật yếm khí hoạt động mạnh, liên tục

sinh ra các khí NH₃, CO₂và hơi nước. Lượng khí này thất thoát một phần ra ngoài trong khi lấy

mẫu đi phân tích. NH₃được giải phóng sẽ kết hợp với các acid amin trong mùn tạo thành dạng

Nitơ dễ tiêu, đây chính là lượng Nitơ cần thiết cho cây trồng sử dụng khi đem bón.

__________________________________________________________________________________________

Nghiên cứu sự chuyển hóa Nito trong quá tình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt đô thị Thành phố Đà Lạt

112

Lê Tấn Thanh Lâm, Nguyễn Thế An, Đinh Thái Bình– Đại học Nông Lâm Tp. HCM

Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010

Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18^th– 20^thJune 2010

Bảng 2. Kết quả phân tích Nitơ hữu hiệu

Thời gian (ngày)

Nghiệm thức

0^ab

5^bc

10^cd

15^de

20^ef

25^ef

30^f

BBS-1.1

BBS-1.2

BBS-2.1

BBS-2.2

0,228 0,334 0,407 0,498 0,546 0,577 0,578

0,235 0,315 0,347 0,484 0,497 0,529 0,565

0,175

0,27

0,314

0,37

0,418 0,473 0,589

0,187 0,251 0,297 0,352 0,396 0,436 0,435

%N

0.7

Biểu đồ hàm lượng %N hữu hiệu

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

BBS-1.1

BBS-1.2

BBS-2.1

y(BBS-1.1) = -0.0004x²+ 0.0236x + 0.2242

y(BBS-1.2) = -0.0002x²+ 0.017x + 0.2289

y(BBS-2.1) = 8E-05x²+ 0.0102x + 0.1936

y(BBS-2.2) = -0.0002x²+ 0.0135x + 0.184

BBS-2.2

Ngày

0

5

10

15

20

25

30

35

Hình 1. Biểu đồ hàm lượng %N hữu hiệu

Qua phân tích xử lý số liệu bằng phần mềm stagraphic, bảng kết quả ANOVA cho thấy sự khác

biệt giữa các nghiệm thức là không có ý nghĩa ở mức độ tin cậy 95% và 98%, chứng tỏ mức độ

tương đồng của các nghiệm thức là rất cao.

Multiple range analysis for N.nghiemthuc by N.thoigian

--------------------------------------------------------------------------------

Method: 98 Percent LSD

Level Count

Average Homogeneous Groups

--------------------------------------------------------------------------------

0

5

4

.2062500 X

.2925000 XX

.3412500 XX

.4260000 XX

.4642500

.5037500

.5417500

10

15

20

25

30

XX

X

-----------------------------------------------------------------------

__________________________________________________________________________________________

Nghiên cứu sự chuyển hóa Nito trong quá tình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt đô thị Thành phố Đà Lạt

113

Lê Tấn Thanh Lâm, Nguyễn Thế An, Đinh Thái Bình– Đại học Nông Lâm Tp. HCM

Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010

Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18^th– 20^thJune 2010

Xét ảnh hưởng của thời gian lên các nghiệm thức thì sự khác biệt giữa các khoảng thời gian 5

ngày là không có ý nghĩa nhưng với khoảng thời gian rộng hơn thì sự khác biệt là có ý nghĩa về

mặt thống kê. Quá trình phân hủy diễn ra liên tục cho đến 20 ngày, sau đó thì không còn khác

biệt nữa nên sự chuyển hóa diễn ra là không đáng kể. Ta có thể chọn thời điểm dừng quá trình ủ

vào ngày thứ 20 nhưng vì ngày thứ 30 có sự khác biệt với ngày thứ 15 nên ta chọn kết thúc quá

trình ủ vào thời điểm này, nếu tiếp tục ủ nữa thì sẽ dẫn đến trường hợp bị mất Nitơ.

Theo số liệu phân tích thì hàm lượng Nitơ hữu hiệu ở các nghiệm thức đều tăng, đặc biệt là

nghiệm thức BBS-1.1 và BBS-1.2 có lượng Nitơ hữu hiệu cao hơn so với nghiệm thức BBS-2.1,

BBS-2.2, sau 20 ngày thì lượng Nitơ tăng chậm trong khi đó các nghiệm thức BBS-2.1, BBS-2.2

tăng đều trong suốt quá trình ủ nhưng hàm lượng Nitơ hữu hiệu thấp hơn. Điều này là do hàm

lượng đường trong bã mía cao hơn rơm rạ rất nhiều, đường saccharose dễ dàng bị thủy phân

trong nước tạo thành glucose rất thuận lợi cho vi sinh vật sử dụng để tổng hợp và tạo thành năng

lượng nên các hoạt động chuyển hóa diễn ra mạnh hơn so với rơm rạ, lượng Nitơ hữu hiệu được

tạo ra luôn ở mức cao và đi vào ổn định sớm hơn.

Để rõ thêm về sự chuyển hóa của Nitơ ta xét tiếp đường hiệu của quá trình này.

Bảng 2. Kết quả phân tích đường hiệu của Nitơ

Thời gian (ngày)

Nghiệm thức

0

5

10

15

20

25

30

2,235 1,961 1,719 1,460 1,199 0,989 0,807

2,028 1,786 1,591 1,292 1,074 0,869 0,658

2,018 1,776 1,585 1,382 1,147 0,935 0,663

2,352 2,104 1,873 1,634 1,355 1,118 0,923

BBS-1.1

BBS-1.2

BBS-2.1

BBS-2.2

%N

Biểu đồ biểu thị đường hiệu của nghiệm thức BBS-1.2

Biểu đồ biểu thị đường hiệu của nghiệm thức BBS-1.1

2.5

2

3

2.5

2

1.5

1

1.5

1

0.5

0

0.5

0

Ngày

0

5

10

15

20

25

30

35

0

5

10

15

20

25

30

35

N tổng N hữu hiệu Đường hiệu

Hình 2. Đồ thị đường hiệu của nghiệm

thức BBS-1.1

Hình 3. Đồ thị đường hiệu của nghiệm

thức BBS-1.2

__________________________________________________________________________________________

Nghiên cứu sự chuyển hóa Nito trong quá tình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt đô thị Thành phố Đà Lạt

114

Lê Tấn Thanh Lâm, Nguyễn Thế An, Đinh Thái Bình– Đại học Nông Lâm Tp. HCM

Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010

Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18^th– 20^thJune 2010

%N

Biểu đồ biểu thị đường hiệu của nghiệm thức BBS-2.1

%N

3.000

Biểu đồ biểu thị đường hiệu của nghiệm thức BBS-2.2

2.5

2

2.500

2.000

1.500

1.000

0.500

0.000

1.5

1

0.5

0

Ngày

0

5

10

15

20

25

30

35

0

5

10

15

20

25

30

35

N tổng N hữu hiệu Đường hiệu

Hình 4. Đồ thị đường hiệu của nghiệm

thức BBS-2.1

Hình 5. Đồ thị đường hiệu của nghiệm

thức BBS-2.2

Trong các hình 2,3,4,5, ban đầu hàm lượng Nitơ tổng lớn nhưng sau quá trình lên men thì giảm

dần, lượng Nitơ hữu hiệu tăng lên do sự chuyển hóa từ Nitơ tổng, do đó đường hiệu (đường nằm

giữa) lúc đầu sẽ ở mức cao vì quá trình phân hủy chất hữu cơ chưa xảy ra và sẽ giảm dần khi

khoảng cách giữa đường Nitơ tổng và đường Nitơ hữu hiệu được rút ngắn lại. Khi đường hiệu

tiệm cận với trục hoành, có nghĩa là đường Nitơ tổng và Nitơ hữu hiệu tiệm cận với nhau thì quá

trình phân hủy xảy ra càng mạnh, lượng Nitơ hữu hiệu sinh ra càng nhiều, quá trình ủ sẽ càng

hiệu quả. Khi khối ủ đã được ổn định thì các đường biễu diễn này sẽ là những đường thẳng.

Theo kết quả thì đường hiệu của nghiệm thức BBS-1.2 là gần với trục hoành nhất (0,658) chứng

tỏ khả năng phân hủy của nghiệm thức là hiệu quả nhất, tiếp đó là BBS2.1 (0,663) với khả năng

phân giả là gần giống nhau.

Bảng 6. Kết quả phân tích sản phẩm phân ủ

Thành phần

Nghiệm thức

N_tổng

(%)

N_{hữu hiệu}

(%)

Độ ẩm

(%)

Chất hữu Tỉ lệ C/N

cơ (%)

BBS-1.1

1,385

1,224

1,251

1,357

> 2,5

0,807

0,658

0,663

0,923

57,23

56,12

55,12

57,67

≤ 35

28,43

31,34

29,88

28,72

≥ 22

11,89

14,84

13,84

12,27

10-15

BBS-1.2

BBS-2.1

BBS-2.2

10TCN 526 -2002

Theo kết quả thì có thể thấy hàm lượng các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng của sản phẩm

phân sau khi ủ là tương đối cao, tỉ lệ C/N nằm trong khoảng từ 10-15 hoàn toàn phù hợp với tiêu

chuẩn phân bón. Bên cạnh đó sản phẩm có chứa một lượng chất hữu cơ lớn hơn nhiều so với tiêu

chuẩn là 22. Tuy nhiên so với tiêu chuẩn phân bón hữu cơ hiện hành thì hàm lượng Nitơ tổng vẫn

còn khá thấp nhưng so với các loại phân hữu cơ khác thì tỉ lệ này cao hơn rất nhiều. Để ứng dụng

__________________________________________________________________________________________

Nghiên cứu sự chuyển hóa Nito trong quá tình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt đô thị Thành phố Đà Lạt

115

Lê Tấn Thanh Lâm, Nguyễn Thế An, Đinh Thái Bình– Đại học Nông Lâm Tp. HCM

Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010

Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18^th– 20^thJune 2010

sản sản xuất và bón cho cây trồng thì cần phải phối trộn thêm các loại phân vô cơ cần thiết. Vì

điều kiện ủ là yếm khí không hoàn toàn, khối ủ nhỏ nên nhiệt độ trong khối ủ là khá thấp, lượng

nước có trong sản phẩm của thí nghiệm là khá lớn. Vì vậy sau khi ủ cần phải đưa sản phẩm đi

qua giai đoạn sấy để đạt đến tiêu chuẩn độ ẩm của sản phẩm phân bón.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Bùn thải của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt đô thị thành phố Đà Lạt là nguồn nguyên liệu khả

thi, với hàm lượng Nitơ tổng bằng 3,2% nó có thể sử dụng tốt cho việc sản xuất phân hữu cơ.

Ngoài việc giải quyết vấn đề về môi trường thì đây là nguồn lợi về kinh tế vì thị trường tiêu thụ

phân bón Đà Lạt rất thuận lợi do nơi đây phát triển mạnh về ngành trồng trọt.

Sản phẩm sau khi ủ đạt chỉ tiêu về Nitơ cao hơn rất nhiều so với những loại phân hữu cơ khác

làm từ các nguồn nguyên liệu là phế phẩm nông nghiệp và chất thải từ gia súc.

Thời gian ủ trong vòng khoảng 30 ngày, tránh ủ quá lâu vì có thể làm mất hàm lượng Nitơ

Một số các chỉ tiêu cần được nghiên cứu thêm nếu như muốn phát triển đề tài theo xu hướng sản

xuất phân hữu cơ chất lượng cao là: nghiên cứu sự thay đổi hàm lượng các chất đa lượng P, K

trong quá trình sản xuất phân hữu cơ, sự tạo thành acid humic và quá trình diễn biến của vi sinh

vật trong đống ủ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Huỳnh Thanh Hùng. Khoa học đất và phân bón, 2007

Lê Văn Khoa, Nguyễn Xuân Cự, Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, Cái Văn Tranh. Phương pháp phân

tích Đất – Nước – Phân bón – Cây trồng. NXB Giáo Dục.

Lê Văn Khoa, Trịnh Khắc Hiệp, Trịnh Thị Thanh. Hóa học nông nghiệp. NXB Đại học Quốc Gia

Hà Nội, 1996.

Nguyễn Đức Lượng, Nguyễn Thị Thùy Dương. Công nghệ sinh học môi trường, tập 2. NXB

Trường ĐH Quốc Gia T.p Hồ Chí Minh, 2003.

Chu Thị Thơm, Phan Thị Lài, Nguyễn Văn Tó. Kỹ thuật sản xuất, chế biến và sử dụng phân bón,

NXB Lao Động Hà Nội, 2006.

Trương Vĩnh. Thống kê ứng dụng và phương pháp thí nghiệm, 2007

Tuyển tập chỉ tiêu nông nghiệp Việt Nam, tập 3, Bộ NN & PTNT, Hà Nội.

Nancy Trautmann and Tom Richar. Cornell composting Science and Engineering. Cornell Waste

Roger Tim Haug. Compost Engineering principles and practice. Techomic publishing Co. NC.

__________________________________________________________________________________________

Nghiên cứu sự chuyển hóa Nito trong quá tình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải của Nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt đô thị Thành phố Đà Lạt

116

Lê Tấn Thanh Lâm, Nguyễn Thế An, Đinh Thái Bình– Đại học Nông Lâm Tp. HCM