Tài liệu Khóa luận tốt nghiệp ứng dụng quy trình b2004 32 66 xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng tại xã nam lợi, huyện nam trực, tinh nam định

1.5.1. Thành phần các chất hữu cơ chủ yếu có trong tàn dư thực vật. ...............13 1.5.2 Cơ sở khoa học xử lý phế thải hữu cơ bằng công nghệ sinh học. ............14 1.6. Sử dụng phân bón sử dụng trong nông nghiệp........................................20 1.6.1 Việc sử dụng phân bón hóa học..............................................................20 1.6.2. Phân hữu cơ và vai trò của phân hữu cơ .................................................23 1.6.3. Sử dụng cân đối phân hữu cơ và vô cơ. ..................................................24 1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý tàn dư thực vật bằng vi sinh vật ..................................................................................................24 1.7.1. Các nghiên cứu trên thế giới...................................................................24 1.7.2. Các nghiên cứu ở trong nước .................................................................25 1.8. Tổng quan về quy trình B2004-32-66.....................................................27 1.8.1. Giới thiệu về quy trình B2004-32-66......................................................27 1.8.2. Một số kết quả thu được từ việc ứng dụng quy trình B2004-32-66. ........29 Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......34 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................34 2.2. Nội dung nghiên cứu..............................................................................34 2.2.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của xã Nam Lợi, Nam Trực, Nam Định liên quan đến tàn dư thực vật đồng ruộng ......................................34 2.2.2. Hiện trạng tàn dư thực vật đồng ruộng của xã Nam Lợi, Huyện Nam Trực, Tỉnh Nam Định.............................................................................34 2.2.3. Đánh giá chung về công tác quản lý và xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng bảo vệ môi trường tại xã Nam Lợi, Huyện Nam Trực, Tỉnh Nam Định.......................................................................................................34 2.2.4. Ứng dụng quy trình của đề tài B2004-32-66 để xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng ở quy mô hộ gia đình....................................................34 2.2.5. Đánh giá hiệu quả kinh tế xã hội và môi trường của đề tài nghiên cứu ...34 2.2.6. Đề xuất một số giải pháp quản lý và xử lý tàn dư thực vật......................34 2.3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................34 2.3.1. Phương pháp thu thập số liệu .................................................................34 2.3.2. Phương pháp xử lý phế thải nông nghiệp bằng chế phẩm vi sinh vật ......34 2.3.3. Phương pháp theo dõi và phân tích các chỉ tiêu ......................................36 2.3.4. Phương pháp xử lý, phân tích số liệu......................................................36 iv Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................37 3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của xã Nam Lợi, Nam Trực, Nam Định liên quan đến tàn dư thực vật đồng ruộng ......................................37 3.1.1. Điều kiện tự nhiên..................................................................................37 3.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội. ......................................................................41 3.2. Hiện trạng tàn dư thực vật đồng ruộng của xã Nam Lợi, Huyện Nam Trực, Tỉnh Nam Định.............................................................................46 3.2.1 Hiện trạng sử dụng đất xã Nam Lợi năm 2013 .......................................46 3.2.2 Hiện trạng sử dụng đất nông nghiệp xã Nam Lợi năm 2013 ...................47 3.2.3 Diện tích, năng suất, sản lượng một số cây trồng chính của xã Nam Lợi..........47 3.2.4. Thành phần, khối lượng tàn dư thực vật đồng ruộng ..............................49 3.2.5 Kết quả điều tra các biện pháp xử lý tàn dư thực vật đồng ruộng............51 3.3. Đánh giá chung về công tác quản lý và xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng bảo vệ môi trường tại xã Nam Lợi, Huyện Nam Trực, Tỉnh Nam Định.......................................................................................................52 3.4. Xây dựng mô hình xử lý theo quy trình B2004 – 32 – 66 trên tàn dư thực vật và tái chế thành phân hữu cơ.....................................................53 3.4.1. Đánh giá chất lượng của chế phẩm vi sinh vật........................................53 3.4.2. Xây dựng mô hình xử lý tàn dư thực vật theo đề tài B2004-32-66..........55 3.4.3. Kết quả phân tích các chỉ tiêu đống ủ. ....................................................56 3.4.4. Quy trình tái chế đống ủ sau xử lý thành phân hữu cơ. ...........................59 3.4.5. Đánh giá hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường của đề tài nghiên cứu ..61 3.4.6. Khả năng ứng dụng quy trình của nông hộ .............................................64 3.5. Đề xuất một số giải pháp quản lý và xử lý tàn dư thực vật......................64 3.5.1. Giải pháp tuyên truyền và giáo dục cộng đồng .......................................64 3.5.2. Giải pháp về quản lý ..............................................................................65 3.5.3. Giải pháp công nghệ xử lý .....................................................................65 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ.................................................................................66 1. Kết luận .................................................................................................66 2. Kiến nghị ...............................................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................68 v DANH MỤC BẢNG STT TÊN BẢNG TRANG Bảng 1.1: Lượng chất thải hữu cơ trên thế giới năm 2001......................................5 Bảng 1.2: Thành phần của của phế thải hữu cơ ....................................................13 Bảng 1.3: Hàm lượng xenluloza trong một số tàn dư thực vật trên đồng ruộng ....13 Bảng 1.4: Lượng phân bón vô cơ sử dụng ở Việt Nam qua các năm ....................21 Bảng 1.5: Lượng phân bón hàng năm cây trồng chưa sử dụng được ....................22 Bảng 1.6 Quan hệ hữu cơ- vô cơ trong dinh dưỡng lúa ........................................24 Bảng 1.7 Ảnh hưởng của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nông nghiệp đến sinh trưởng, phát triển và năng suất lúa trên một số loại đất vùng đồng bằng và trung du Bắc bộ ......................................................................30 Bảng 1.8: Ảnh hưởng của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nông nghiệp đến sinh trưởng, phát triển và năng suất một số cây rau màu trên một số loại đất vùng đồng bằng trung du Bắc Bộ........................................31 Bảng 1.9: Hiệu quả kinh tế khi xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp ........................32 Bảng 1.10: Hiệu quả xã hội của dự án.................................................................32 Bảng 3.1: Khí hậu, thời tiết xã Nam Lợi ..............................................................38 Bảng 3.2: Nhóm đất chính tại xã Nam Lợi...........................................................40 Bảng 3.3: Một số loại hình sử dụng đất sản xuất nông nghiệp chính tại xã Nam Lợi...41 Bảng 3.4: Hiện trạng sử dụng đất nông nghiệp xã Nam Lợi.................................47 Bảng 3.5: Diện tích, năng suất, sản lượng một số cây trồng chính năm 2013 và vụ xuân năm 2014 trên địa bàn xã Nam lợi..........................................48 Bảng 3.6 : Thành phần, khối lượng tàn dư thực vật của 200 hộ............................49 Bảng 3.7: Thành phần, khối lượng tàn dư thực vật của xã Nam Lợi.....................50 Bảng 3.8: Biện pháp xử lý tàn dư thực vật của 200 hộ xã Nam Lợi......................51 Bảng 3.9: Chất lượng chế phẩm vi sinh vật sau 1 tuần sản xuất ...........................54 Bảng 3.10: Diễn biến nhiệt độ đống ủ..................................................................57 Bảng 3.11 : Kết quả phân tích các chỉ tiêu đống ủ sau xử lý ................................58 Bảng 3.12: So sánh chất lượng phân hữu cơ tái chế từ tàn dư thực vật với một số loại phân hữu cơ khác. ....................................................................60 Bảng 3.13: Hiệu quả kinh tế khi xử lý tàn dư thực vật đồng ruộng.......................61 Bảng 3.14: Hiệu quả kinh tế khi xử lý các loại tàn dư thực vật đồng ruộng..........62 Bảng 3.15: Hiệu quả xã hội của đề tài.................................................................63 Bảng 3.16: Khả năng ứng dụng quy trình của 200 hộ ..........................................64 vi DANH MỤC HÌNH STT TÊN BIỂU HÌNH TRANG Hình 1.1: Các nguồn phát sinh chất thải rắn nông nghiệp ......................................3 Hình 1.2 : Mô hình phân hủy xeluloza của Reese ................................................15 Hình 1.3 : Mô hình phân hủy xeluloza của Lutzen ..............................................16 Hình 1.4 : Quy trình xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng.................................28 Hình 3.1. Hình vị trí xã Nam Lợi.........................................................................37 Hình 3.2: Tỷ trọng các ngành kinh tế xã Nam Lợi năm 2013 ...............................42 Hình 3.3: Hiện trạng sử dụng đất xã Nam Lợi năm 2013 .....................................46 Hình 3.4: Hiện trạng đốt rơm rạ trên địa bàn xã Nam Lợi năm 2013....................52 Hình 3.5: Mô hình xử lý tàn dư thực vật ..............................................................56 Hình 3.6: Quy trình tái chế đống ủ sau xử lý thành phân hữu cơ..........................59 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BVTV: Bảo vệ thực vật CTĐC: Công thức đống chứng CTTN: Công thức thí nghiệm TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam UBND: Ủy ban nhân dân VSV: Vi sinh vật viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Nước ta là nước có nền sản xuất nông nghiệp lâu đời, với các đồng bằng châu thổ dọc bờ biển thuận lợi cho trồng trọt. Trong hoạt động sản xuất nông nghiệp sản sinh ra các chất thải nếu không được xử lý sẽ làm ô nhiễm môi trường. Mặt khác, qua hoạt động sản xuất nông nghiệp, con người đã lấy đi khỏi đất hàng tỷ tấn vật chất mỗi năm thông qua sinh khối của cây trồng, nhưng lại không trả lại cho đất lượng vật chất đã lấy đi nên đã làm cho đất ngày càng trở nên thoái hóa và bạc màu vì vậy cần có biện pháp xử lý sao cho vừa hiệu quả vừa đem lại lợi ích kinh tế. Nam Lợi là một xã thuần nông thuộc huyện Nam Trực, người dân sống chủ yếu nhờ nghề nông nên lượng phế thải nông nghiệp sau thu hoạch là khá lớn. Trước đây, phần lớn phế thải nông nghiệp sau thu hoạch dùng để đun nấu, làm thức ăn cho gia súc nhưng mấy năm trở lại đây đời sống người dân được cải thiện, họ không cần đến rơm rạ để đun nấu, mặc dù vậy họ vẫn cần giải phóng ruộng để chuẩn bị cho vụ sau và giải pháp đốt tàn dư sau thu hoạch trên đồng ruộng là lựa chọn phổ biến nhất của bà con nông dân. Việc đốt rơm rạ gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe và làm mất an toàn giao thông trên nhiều tuyến đường. Vì vậy cần có biện pháp thích hợp nhất để giải quyết vấn đề phế thải nông nghiệp, kinh tế và môi trường. Trong những năm qua việc ứng dụng quy trình của đề tài cấp Bộ B2004-3266 đã đem lại nhiều hiệu quả thiết thực trong việc xử lý tàn dư thực vật và được đánh giá cao tại một số tỉnh Bắc Bộ như: Bắc Giang, Hải Dương, Hưng Yên... Xuất phát từ các yêu cầu thực tế, tôi xin tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng quy trình B2004-32-66 xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng tại Xã Nam Lợi- Huyện Nam Trực- Tỉnh Nam Định” 2. Mục đích, yêu cầu 2.1. Mục đích: Điều tra thực trạng và các biện pháp xử lý tàn dư thực vật tại xã Nam Lợi, huyện Nam Trực, tỉnh Nam Định; Đánh giá hiệu quả của quy trình xử lý và tái chế tàn dư thực vật B2004-32-66 1 thành phân bón hữu cơ nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại xã Nam Lợi, huyện Nam Trực, tỉnh Nam Định. Đề xuất một số giải pháp xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng tại xã Nam Lợi, huyện Nam Trực, tỉnh Nam Định 2.2. Yêu cầu: Chỉ ra được thành phần, khối lượng tàn dư thực vật và các biện pháp xử lý tại xã Nam Lợi, huyện Nam Trực, tỉnh Nam Định; Thử nghiệm quy trình xử lý và tái chế tàn dư thực vật B2004-32-66 tại nông hộ thành phân bón hữu cơ ở xã Nam Lợi, huyện Nam Trực, tỉnh Nam Định. 2 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Thực trạng phế thải đồng ruộng trên thế giới và Việt Nam. 1.1.1. Khái niệm, nguồn gốc, thành phần và phân loại phế thải đồng ruộng a. Khái niệm: Phế thải đồng ruộng là các chất thải rắn phát sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp ngoài đồng ruộng như trồng trọt, thu hoạch : rơm rạ, thân lá thực vật, bao bì đựng phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật… b. Nguồn gốc: Nguồn gốc phát sinh chất thải rắn đồng ruộng từ nhiều nguồn khác nhau và được thể hiện qua hình sau: Trồng trọt PHẾ (thực vật chết, tỉa cành, làm cỏ…) THẢI Bảo vệ thực vật ( chai lọ đựng hóa chất BVTV) ĐỒNG Thu hoạch nông sản RUỘNG ( rơm rạ, trấu, cám, thân lõi ngô…) Quá trình bón phân, kích thích sinh trưởng ( bao bì chứa đựng…) Hình 1.1: Các nguồn phát sinh chất thải rắn nông nghiệp Phế thải đồng ruộng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau như trong quá trình trồng trọt, thu hoạch nông sản, quá trình sử dụng thuốc BVTV, quá trình bón phân, kích thích sinh trưởng. Trong quá trình trồng trọt, phế thải đồng ruộng chính là các xác thực vật đã chết, cành lá được cặt tỉa và các loại cây cỏ bị con người loại bỏ trong khi chăm sóc cây trồng. Trong quá trình sinh trưởng của cây, để giúp cây phát triển tốt và chống lại các loại sâu bệnh con người đã sử dụng các loại hoá chất BVTV, các loại phân bón hóa học để bón cho cây trồng nhưng chai lọ và bao bì 3 đựng các hóa chất đó lại bị vứt bừa bãi trên đồng ruộng trở thành tàn dư thực vật. Ngoài ra, tàn dư thực vật còn phát sinh trong quá trình thu hoạch nông sản như: rơm rạ, thân lõi ngô, trấu, cám…Đây là nguồn phế thải chính trong tàn dư thực vật và hiện đang là nguồn gây ô nhiễm trầm trọng nếu không được xử lý kịp thời. c. Thành phần: Phế thải đồng ruộng mà chủ yếu là phế thải hữu cơ có thành phần rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, tựu chung chúng đều thuộc 2 nhóm hợp chất chính là: nhóm hợp chất hữu cơ chứa cacbon gồm có xenluloza, hemienxenluloza, pectin, lignin, tinh bột và nhóm hợp chất hữu cơ chứa nitơ gồm có protein và kitin. Các hợp chất hữu cơ này không bất biến mà luôn luôn chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác dưới tác dụng của nhiều yếu tố khác nhau tạo thành một vòng tuần hoàn khép kín trong tự nhiên. (Nguyễn Xuân Thành và cộng sự, 2010) d. Phân loại: Phế thải đồng ruộng được phân loại theo nhiều cách khác nhau như: theo nguồn gốc phát sinh, tính nguy hại, thành phần hóa học và theo khả năng phân hủy sinh học. Trong khóa luận này, tôi chỉ tìm hiểu cách phân loại tàn dư thực vật theo nguồn gốc phát sinh để từ đó đưa ra các giải pháp xử lý loại phế thải này. Theo nguồn gốc phát sinh, phế thải đồng ruộng gồm các phế thải có nguồn gốc từ các phế phụ phẩm trồng trọt và từ các bao bì đựng các hóa chất sử dụng trong nông nghiệp. Các phế phụ phẩm trồng trọt gồm các loại phế thải trong quá trình thu hoạch và chế biến nhiều loại cây trồng khác nhau như; các loại rơm, rạ sau khi thu hoạch lúa tại các cánh đồng, các loại lá, thân cây, cỏ dại tại các vườn cây, các phần dập của cây lúa không sử dụng được ở các ruộng sau khi thu hoạch gọi là các tàn dư thực vật… Chất thải từ các bao bì đựng hóa chất sử dụng trong nông nghiệp gồm chai, lọ…bằng thủy tinh hoặc nhựa được dùng làm vỏ đựng thuốc trừ sâu, trừ cỏ, thuốc diệt côn trùng, thuốc chữa bệnh cho động vật sau khi đã qua sử dụng được thải bỏ, các túi nilon, túi giấy dùng đựng phân bón vi sinh, phân đạm, phân lân và kể cả các hóa chất BVTV đã quá hạn sử dụng… Đây là các vật phẩm có tính nguy hại cao, cần phải có biện pháp thu gom và xử lý thích hợp. 4 1.1.2. Thực trạng tàn dư thực vật trên thế giới Theo ước tính của tổ chức Nông lương thế giới (FAO), mỗi năm có khoảng 3 tỷ tấn phế thải nông nghiệp phát sinh trên phạm vi toàn thế giới, trong đó các phế thải từ cây lúa chiếm số lượng lớn nhất tới 663 triệu tấn, phế thải từ cây mía và ngô tương ứng là 454 và 391 triệu tấn. Theo số liệu năm 2001 thì lượng chất thải hữu cơ trên thế giới có số lượng như sau: Bảng 1.1: Lượng chất thải hữu cơ trên thế giới năm 2001 Loại chất thải Số lượng ( triệu tấn/ năm) Tàn dư thực vật trên đồng ruộng 1200 Bùn thải 650 Rác sinh hoạt 400 Rác vườn 690 Chất thải công nghiệp thực phẩm 420 Nguồn:Dẫn theo Nguyễn Xuân Thành và cộng sự, 2010 Từ bảng trên ta thấy, khối lượng phế thải hàng năm của ngành nông nghiệp thải ra ngoài môi trường là rất lớn, với khối lượng 1200 triệu tấn/ năm. Trong khi đó, các loại chất thải khác như bùn thải là 650 triệu tấn/ năm, rác sinh hoạt là 400 triệu tấn/ năm, rác vườn là 690 triệu tấn/ năm và chất thải công nghiệp thực phẩm là 420 triệu tấn/ năm. Như vậy, phế thải nông nghiệp có khối lượng lớn nhất trong các loại chất thải và chiếm khoảng 35,7% tổng khối lượng. 1.1.3. Thực trạng tàn dư thực vật ở Việt Nam Việt Nam là một nước nông nghiệp, gạo là mặt hàng xuất khẩu thế mạnh. Với tổng diện tích gieo trồng hàng năm đến 7,6 triệu ha, năng suất đạt 4-4,5 tấn/ha, tổng sản lượng lúa đạt 35 triệu tấn. Do đó, lượng phế thải để lại hàng năm cũng rất lớn, ước tính gần 31 triệu tấn rơm rạ. Ngoài ra, cả nước còn có hơn 1 triệu ha trồng ngô để lại lượng phế thải trên 10 triệu tấn mỗi năm. Trước đây, bà con nông dân thường mang phế thải nông nghiệp sau khi thu hoạch (rơm, rạ, lõi ngô, vỏ đậu tương…) để đun nấu, làm thức ăn cho trâu, bò… Những năm gần đây, quá trình đô thị hóa ngày một tăng nhanh, đời sống của nhân 5 dân được cải thiện, người dân không cần đến rơm rạ đun nấu, trong khi họ cần giải phóng ruộng để chuẩn bị cho vụ sau, giải pháp đốt rơm, rạ trên đồng ruộng là sự lựa chọn phổ biến của bà con nông dân. Việc đốt rơm, rạ tại ruộng không chỉ làm ô nhiễm môi trường do khói bụi mà còn làm mất đi lượng lớn các chất dinh dưỡng có trong rơm, rạ, đất, tiêu diệt vi sinh vật có lợi trong đất và làm mất cân bằng sinh thái khu vực. Vào mùa mưa, rơm, rạ vứt trực tiếp xuống mương máng gây ách tắc hệ thống kênh, mương, gây ô nhiễm môi trường nước. Bên cạnh đó, các bao đựng thuốc bảo vệ thực vật của nông dân vứt bừa bãi ngay tại ruộng, có nơi còn đóng cặn chất thành đống, nằm ngổn ngang từ kênh rạch đến các vệ đường... Các cánh đồng đang phải "sống cùng" rác và nguy cơ ô nhiễm nguồn nước thủy lợi do thiếu ý thức của người nông dân, sự "bỏ ngỏ" của các cơ quan chức năng về vấn đề thu gom, xử lý. 1.2. Tác động của tàn dư thực vật đến môi trường và sức khỏe con người Theo các số liệu thống kê ở trên cho thấy lượng phế thải do hoạt động nông nghiệp để lại hàng năm là rất lớn. Nếu lượng phế thải này không được xử lý, quản lý chặt chẽ thì nó sẽ làm nảy sinh một số vấn đề như ảnh hưởng đến môi trường đất, môi trường nước, không khí và sức khỏe cộng đồng. Tác động của tàn dư thực vật tới môi trường đất là không đáng kể vì thành phần của chúng chủ yếu là chất hữu cơ có tác dụng tốt đối với đất và cây trồng. Tác động của tàn dư thực vật tới môi trường nước là việc các loại chất thải nguy hại không được thu gom hợp lý bị rửa trôi gây ô nhiễm môi trường nước mặt và nước ngầm. Ngoài ra rơm rạ sau thu hoạch không được thu gom mà vứt bừa bãi ra mương máng, sau một thời gian chúng bị phân hủy gây nhiễm bẩn nguồn nước mặt và làm ảnh hưởng tới cảnh quan môi trường xung quanh. Không những thế, việc thải bỏ bừa bãi các loại chất thải vô cơ, đặc biệt là chất thải có tính nguy hại sẽ góp phần làm thoái hóa đất, giảm độ tơi xốp và màu mỡ của đất. Quá trình lưu giữ và tận dụng lại chưa hợp lý tàn dư thực vật cũng dẫn tới những ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí. Khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều ở nước ta là điều kiện thuận lợi cho các thành phần hữu cơ phân hủy, thúc đẩy quá trình lên men, thối rữa và tạo mùi khó chịu cho con người. Các chất khí: H2S, 6 NH4, SO2… phát sinh trong quá trình phân hủy chất thải hữu cơ nông nghiệp ngay trên đồng ruộng, hoặc tại những đống ủ phân xanh là các tác nhân chủ yếu tác động tới môi trường không khí. Nếu không xử lý tàn dư thực vật đúng cách thì nó còn ảnh hưởng tới sức khỏe của con người. Quá trình phân hủy tàn dư thực vật ngoài môi trường sinh ra các chất khí và kèm theo đó là các vi sinh vật gây bệnh đi theo các nguồn nước mặt làm ảnh hưởng tới đời sống hàng ngày và sức khỏe của người dân. Ngoài ra, trong quá trình thu hoạch lúa, rơm rạ được người dân đốt ngay trên đường đã làm ảnh hưởng đến giao thông và gây tai nạn cho những người tham gia giao thông. Thông qua những tác động trực tiếp đến môi trường, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây ảnh hưởng gián tiếp đến sức khỏe của người dân như gây ra các bệnh về hô hấp, tiêu hóa…Vì vậy, cũng cần có các biện pháp xử lý, quản lý thích hợp vừa mang lại hiệu quả kinh tế, vừa giảm thiểu được các tác động xấu tới môi trường. 1.3. Lợi ích kinh tế trong quản lý và xử lý tàn dư thực vật 1.3.1. Lợi ích kinh tế của tàn dư thực vật Hiện nay, lượng chất thải rắn nông nghiệp của cả nước ta ước tính hàng năm khoảng 150 triệu tấn. Nếu tính giá trị sử dụng năng lượng thì nó tương đương khoảng 20 triệu tấn than cám hoặc trên 9 triệu tấn dầu thô(Manfred Oepen,1999). Chính vì vậy, nếu chúng ta sớm có kế hoạch khai thác sử dụng hợp lý với các chính sách phát triển thích hợp thì nó sẽ trở thành một nguồn năng lượng đáng kể mang lại hiệu quả cao cả về kinh tế, xã hội lẫn môi trường. Tàn dư thực vật không chỉ đơn thuần có giá trị năng lượng cao mà còn có giá trị vật chất rất thiết thực đối với quá trình sản xuất nông nghiệp và một số lĩnh vực công nghiệp khác. Trước đây, các tàn dư thực vật được người dân tận dụng tối đa để tái sử dụng làm chất đốt cho gia đình, làm giá nấm, làm thức ăn gia súc, vật liệu độn chuồng. Trong xử lý tàn dư thực vật bằng phân hủy kị khí, khí sinh học tạo ra được sử dụng làm chất đốt cho gia đình, bã thải đặc có hàm lượng chất dinh dưỡng cao, giàu hữu cơ, nhiều acid humic là nguồn phân hữu cơ an toàn đề bón ruộng, ngoài ra bã 7 thải của quá trình còn chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho động vật như những nguyên tố: Ca, P, N và một số nguyên tố vi lượng khác như Cu, Zn, Mn, nhiều acid amin, enzim, do đó còn được dùng làm thức ăn cho chăn nuôi. Nước thải của túi biogas dùng để nuôi tảo, thực vật phù du khác, làm thức ăn giàu dinh dưỡng cho cá. Ngoài ra, các phế phụ phẩm nông nghiệp nếu được quan tâm quản lý tốt thì có thể cung cấp làm nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất giấy và gỗ ván ép, dùng cho sản xuất nhiệt điệ,…đem lại hiệu quả kinh tế cao. 1.3.2. Lợi ích kinh tế trong quản lý tàn dư thực vật Việc đưa ra các biện pháp quản lý thích hợp đối với phế thải nông nghiệp không chỉ mang lại ý nghĩa to lớn về môi trường mà còn tận dụng được giá trị vật chất và năng lượng một cách hiệu quả. Các hình thức quản lý chất thải rắn nông nghiệp có ý nghĩa lớn về môi trường, xã hội và kinh tế thông qua hình thức thu gom, phân loại và vận chuyển; ngăn ngừa; tái sử dụng; tái chế chất thải. Nếu như công tác thu gom, phân loại được thực hiện tốt thì tàn dư thực vật có thể được tái chế, tái sử dụng làm nguyên liệu và sản xuất năng lượng: dùng rơm rạ để làm giá thể nuôi nấm rơm; làm vật liệu độn chuồng; xử lý rồi dùng làm phân bón, làm thức ăn chăn nuôi; để sản xuất giấy và gỗ ván ép; để sản xuất điện hoặc sản xuất khí đốt phục vụ cho sinh hoạt và cho sản xuất. 1.3.3. Lợi ích kinh tế trong xử lý tàn dư thực vật Việc quản lý tàn dư thực vật phù hợp mang lại lợi ích về xã hội, môi trường và kinh tế thì việc xử lý một lượng lớn tàn dư thực vật qua chế tạo phân compost và thu hồi khí cũng mang lại lợi ích kinh tế vô cùng to lớn. Việc xử lý tàn dư thực vật bằng phương pháp ủ phân compost cung cấp lượng phân bón rất lớn cho trồng trọt, còn nếu được xử lý bằng phương pháp Biogas thì có thể cung cấp một lượng khí đốt rất lớn phục vụ cho sinh hoạt và các mục đích khác. Tàn dư thực vật là các chất rắn dễ cháy và có khả năng cung cấp một lượng nhiệt rất lớn. Vì vậy, từ xa xưa người nông dân đã biết sử dụng phế thải nông nghiệp để đun nấu, sưởi ấm. Hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng một số công nghệ đốt sử dụng phế thải nông nghiệp để thu hồi nhiệt lượng phục vụ cho việc phơi sấy nông sản, để phát điện… 8 Từ những lợi ích nêu trên đã cho thấy, tàn dư thực vật có thể mang lại những lợi ích thiết thực về kinh tế - xã hội, về môi trường và sức khỏe con người. Đồng thời, cũng có thế gây ra những ảnh hưởng không nhỏ nếu như nó không được xử lý và quản lý chặt chẽ. Vì vậy, quản lý và xử lý phế thải đồng ruộng là một vấn đề cần được quan tâm đúng mức. 1.4. Các biện pháp xử lý tàn dư thực vật hiện nay 1.4.1. Phương pháp đốt Đây là biện pháp được xử lý khá phổ biến trong xử lý tàn dư thực vật hiện nay, do lượng phế thải quá nhiều và rất dễ cháy. Phương pháp này vốn được người dân Nam bộ sử dụng từ lâu để tiêu hủy lượng rơm rạ trên đồng ruộng và tro sau quá trình đốt được xem là phân bón. Hiện tượng đốt phế thải nông nghiệp ngay trên đồng ruộng hiện nay đã lan ra cả những vùng đồng bằng sông Hồng. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ làm, giảm giá thành và giảm thiểu sâu bệnh hại trên đồng ruộng. Ngoài ra, phương pháp này có nhược điểm là gây mất mát một lượng lớn chất dinh dưỡng, gây ô nhiễm môi trường không khí rất nghiêm trọng, gây hiệu ứng nhà kính và các bệnh hô hấp, gây hiện tượng khói mù cản trở tầm nhìn của người điều khiển phương tiện giao thông, vừa mất chất hữu cơ. Nếu đốt rơm rạ nhiều lần sẽ làm cho đất bị biến chất và trở nên chai cứng, khô cằn. Đốt rơm rạ gây sự mất mát hầu như hoàn toàn N. Lượng P mất khoảng 25%, K mất khoảng 20% và S mất từ 5-60%. Lượng dinh dưỡng mất mát tùy thuộc vào cách thức đốt rơm rạ. Ở những vùng mà thu hoạch đã được cơ giới hóa, hầu như tất cả rơm rạ đều được để lại trên đồng và được đốt nhanh chóng tại chỗ, vì thế sự mất mát S, P và K là nhỏ. Một số nơi khác, rơm rạ được để thành đống ở chỗ tuốt lúa cà được đốt sau khi thu hoạch, vì thế tro không được rải đều trên ruộng, gây nên sự mất mát khoáng chất rất lớn. Các nguyên tố K, Si, Ca, Mg dễ bị rửa trôi từ đống tro. Hơn nữa, việc làm như vậy sẽ gây nên sự dịch chuyển dinh dưỡng rất lớn từ ngoại vi vào giữa ruộng, và đôi khi là từ những thửa ruộng xung quanh và ruộng trung tâm, làm cho hiệu quả sử dụng chúng bị giảm đi rất nhiều vì nơi quá thừa, nơi quá thiếu 9 Một tác hại khác của đốt rơm rạ là gây ô nhiễm môi trường. Thành phần chủ yếu của rơm rạ là chất xenlulozơ, hemixenlulozơ và các chất hữu cơ kết dính, khi đốt cháy sẽ tạo ra các loại khí độc, con người hít vào sẽ gây ảnh hưởng đến sức khỏe, nhất là dễ mắc các chứng bệnh về đường hô hấp. Việc đốt rơm rạ là một quá trình đốt không kiểm soát, trong đó cacbon dioxit (CO2), sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt được giải phóng vào khí quyển cùng với cacbon monoxide (CO), khí methane (CH4), các oxit Nito (NOx) và một lượng tương đối nhỏ dioxit sulphur (SO2). Tại Châu Á dựa trên các công trình nghiên cứu cho thấy: hàng năm, nguồn phát xạ do đốt sinh khối ngoài trời ước tính đạt 0,37 Tg SO2 (1Tg=1012 gram), 2,8 Tg NOx, 1100Tg CO2, 67Tg CO và 3,1Tg CH4. Riêng lượng phát xạ từ việc đốt phế thải cây trồng theo ước tính đạt: 0,1 Tg SO2 , 0,96 Tg NOx, 379Tg CO2, 23 TgCO và 0,68Tg CH4. Các chất phát xạ này gây ô nhiễm không khí, điều này dẫn đến những tác động nguy hại đến sức khoẻ con người. Người hít nhiều và kéo dài có thể biến đổi cấu trúc của bộ máy hô hấp, gây dễ mắc nhiễm trùng phổi, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính, ung thư phổi...(Tổng luận Nguồn phế thải nông nghiệp rơm rạ và kinh nghiệm thế giới về xử lý và tận dụng, cục thông tin KH&CN quốc gia, 2013) Vì vậy, trong tương lai gần phương pháp này cần phải được loại bỏ. 1.4.2. Phương pháp đổ trực tiếp ra sông ngòi Phế phụ phẩm sau thu hoạch được bỏ lại trên đồng ruộng hay vứt bừa bãi trên mương máng gây ô nhiễm nghiêm trọng. Biện pháp này cần phải loại bỏ vì gây ảnh hưởng nghiệm trọng tới môi trường và con người. Ưu điểm của phương pháp này là dễ làm, không tốn công lao động, không tốn chi phí. Bên cạnh đó phương pháp này có khá nhiều nhược điểm như: làm mất chất dinh dưỡng của đất; ảnh hưởng đến mỹ quan; gây ô nhiễm môi trường nước và ảnh hưởng tới sức khỏe của người dân do tàn dư thực vật vứt xuống mương máng bị phân hủy gây ô nhiễm nguồn nước, trong quá trình phân hủy phế thải còn tạo ra các vi khuẩn gây bệnh cho con người, quá trình phân hủy phế thải gây mùi khó chịu. 10 1.4.3. Biện pháp vùi trực tiếp vào đất, trên đồng ruộng Phế phụ phẩm sau thu hoạch được vùi trực tiếp vào đất, sau đó các vi sinh vật sẽ phân hủy chúng để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng vụ sau, cải thiện các đặc tính lý hóa, sinh học cuả đất, nâng cao độ phì nhiêu của đất để sản xuất ổn định lâu dài. Ưu điểm của phương pháp này là trả lại cho đất hầu hết các nguyên tố dinh dưỡng mà cây trồng đã lấy đi từ đất, kiểm soát được sâu bệnh còn sót trên những phế thải. Bên cạnh những lợi ích thì việc vùi rơm rạ vào đất có một số nhược điểm như: tốn chi phí, có thế gây ra một số bệnh cho lúa, có thể làm chậm sự sinh trưởng và làm giảm năng suất lúa. 1.4.4. Phương pháp dùng làm thức ăn gia súc Đây là biện pháp thay thế bền vững hơn so với phương pháp đốt và vùi rơm rạ vào đất. Các phế phụ phẩm này được giữ lại làm thức ăn cho trâu, bò, dê,… Phương pháp này có ưu điểm là: Đem lại hiệu quả kinh tế, tiết kiệm được tiền cho việc mua thức ăn gia súc. Hạn chế ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó phương pháp này cũng có một số điểm hạn chế sau: Làm hở vòng quay vật chất, chất dinh dưỡng bị mang đi mà chưa được bù lại cho đất. Tốn lao động cho việc thu gom. 1.4.5. Phương pháp ủ làm phân Phương pháp ủ đã có từ rất lâu đời và diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới. Từ rất xa xưa, con người đã biết ủ lá cây, phân gia súc để bón cho cây trồng. phương pháp này có ưu điểm là: Hạn chế được ô nhiễm môi trường, trả lại hàm lượng chất hữu cơ cho đất, đem lại hiệu quả kinh tế do tiết kiệm được tiền mua phân bón hóa học, tiêu diệt mầm bệnh và làm sạch đồng ruộng. Bên cạnh những ưu điểm trên thì phương pháp này còn có một số nhược điểm sau như là: Mất thời gian ủ và tốn công lao động. Hiện nay, có hai phương pháp ủ chủ yếu cho tàn dư thực vật như sau: Phương pháp 1: Phương pháp ủ hiếu khí Đống ủ được cung cấp vi sinh vật dưới dạng chế phẩm. Trong thời gian ủ 11 đảm bảo oxy cho đống ủ bằng cách đảo trộn hàng tuần hoặc bằng phương pháp thổi khí. Đảm bảo độ ẩm thích hợp. Ưu điểm: Hoạt động của vi sinh vật diễn ra nhanh, chất mùn tổng hợp nhiều, thời gian hoàn thành đống ủ ngắn. Nhược điểm: Mất một hàm lượng lớn nito, một lượng nước bị thất thoát ra ngoài. Phương pháp 2: Phương pháp ủ bán hiếu khí Phương pháp này chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn ủ hiếu khí: khoảng 8 – 10 ngày để nhiệt độ tăng cao nhằm diệt các vi sinh vật gây bệnh và cỏ dại. Giai đoạn ủ yếm khí: sau thời gian ủ hiếu khí, dùng bùn đắp chẹn bên ngoài đống ủ để không khí không lọt vào được. Trong giai đoạn này hoạt động của vi sinh vật diễn ra trong điều kiện yếm khí. Ưu điểm: Giữ được độ ẩm và không hao tổn nito. Nhược điểm: Thời gian ủ lâu hơn và mức độ phân hủy chậm hơn (Nguyễn Xuân Thành và cộng sự, 2011). 1.4.6. Biện pháp sản xuất nấm từ rơm rạ Rơm rạ được thu gom và đựơc làm chín, sau đó ép lại thành bánh. Người ta nuôi cấy nấm trên những bánh rơm đó. Ưu điểm: Tăng hiệu quả kinh tế cho người dân, hạn chế ô nhiễm môi trường, tạo công ăn việc làm cho người dân. Nhược điểm: Lấy đi hàm lượng chất hữu cơ ra khỏi đồng ruộng (Nguyễn Xuân Thành và cộng sự, 2011) 1.4.7. Phương pháp sinh học Hiện nay, phương pháp sinh học để xử lý phế thải là phương pháp tối ưu nhất, đang được tất cả các nước sử dụng. Phương pháp sinh học là dùng công nghệ vi sinh vật để phân hủy phế thải. Muốn thực hiện được phương pháp này, điều quan trọng nhất là phải phân loại được phế thải, vì trong phế thải còn nhiều phế liệu khó phân giải như: túi polyetylen, vỏ chai lọ bằng thủy tinh và nhựa,… 12 1.5. Cơ sở khoa học của việc xử lý tàn dư thực vật bằng vi sinh vật 1.5.1. Thành phần các chất hữu cơ chủ yếu có trong tàn dư thực vật. Phế thải hữu cơ nói chung, rơm rạ nói riêng có thành phần rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên chúng đều thuộc 2 nhóm hợp chất chính là: Bảng 1.2: Thành phần của của phế thải hữu cơ Nhóm hợp chất hữu cơ chứa nitơ Nhóm hợp chất hữu cơ chứa cacbon - Xenluloza - Hemixenluloza - Protein - Lipid - Pectin - Lignin - Tinh bột - Kitin Nguồn: Dẫn theo Nguyễn Xuân Thành và cộng sự, 2010 Các hợp chất hữu cơ trên không bất biến mà luôn luôn chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác dưới tác dụng của nhiều yếu tố khác nhau (vật lý, hoá học và sinh học) tạo thành một vòng tuần hoàn khép kín trong tự nhiên. Trong các loại hợp chất trên xenluloza là thành phần chủ yếu trong tế bào thực vật, chiếm tới 50% tổng số hydrat cacbon trên trái đất Bảng 1.3: Hàm lượng xenluloza trong một số tàn dư thực vật trên đồng ruộng Loại tàn dư thực vật Bông Rơm Vỏ hạt 60 Sợi 91 Lúa mì 30,5 Lúa mạch 4834 Kiều mạch 42,8 Lúa nước 43 Vỏ đậu tương Mía Xenluloza (%) 51 Cây 42 Bã 56,6 Thân ngô 36 Cỏ 28 Nguồn: Dẫn theo Nguyễn Xuân Thành và cộng sự, 2010 13 1.5.2 Cơ sở khoa học xử lý phế thải hữu cơ bằng công nghệ sinh học. Từ lâu con người đã nhận thức được tầm quan trọng của vi sinh vật đối với con người và sản xuất nông nghiệp. Nhờ vào khả năng kỳ diệu của vi sinh vật trong quá trình tổng hợp, phân giải các hợp chất đã góp phần tích cực vào việc khép kín vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, trong đó có vòng tuần hoàn cacbon và nito. Trong xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng người ta thường tập trung nghiên cứu phương pháp để quá trình phân giải, chuyển hóa các hợp chất cacbon khó phân giải: xenluloza, hemixenlulaza, lignin,...( chủ yếu là xenluloza) diễn ra thuận lợi nhất. Trong đó, không thể thiếu việc tìm hiểu về đặc điểm cấu tạo và đặc điểm lý hóa học của chúng. a. Xenluloza *Đặc điểm xenluloza Xenluloza là thành phần chủ yếu của tế bào thực vật, chiếm tới 50% tổng số hydratcacbon trên trái đất. Trong vách tế bào thực vật, xenluloza tồn tại trong mối liên kết chặt chẽ với các polisaccarit khác với hemi-xeluloza, pectin và lignin tạo thành liên kết bền vững . Xenluloza là một polyme mạch thẳng gồm các anhydroglucoza trong mối liên kết β-1,4 glucozit. Mức độ trùng hợp của xenluloza tự nhiên có thể đạt 10.00014.000 đơn vị glucoza trên phân tử, trọng lượng tương ứng là 1,5 triệu Dalton với chiều dài phân tử có thể lớn hơn hoặc bằng 5µm. Các chuỗi xeluloza gần nhau thường kết hợp với nhau tạo thành các sợi có đường kính khoảng 10-40nm, những sợi hợp lại với nhau thành bó sợi to và được bao học hởi lignin và hemi-xeluloza. . (Nguyễn Xuân Thành và cộng sự, 2010) Trong tự nhiên, xeluloza là một trong những hợp chất khá vững vàng, chúng không tan trong nước mà chỉ bị trương lên do hấp thụ nước. Xenluloza bị thủy phân khi đun nóng với axit hoặc kiềm ở nồng độ khá cao, bị phân hủy ở nhiệt độ 40 50oC bởi enzym xenlulaza. *Cơ chế phân giải xeluloza Quá trình phân giải xeluloza của vi sinh vật được thực hiện bởi phức hệ enzim xenlulaza. Phức hệ này gồm 3 enzim chủ yếu: 14 Endogluconaza ( 1,4 - β - D – glucanohydrolaza, CX, EC 3.2.1.4). Thủy phân liên kết 1,4 glucozit bên trong phân tử xeluloza một cách tùy tiện, nó không tấn công xelobioza nhưng thủy phân xenlodextrin. Enzim này phân giải mạnh xeluloza hòa tan nhất là dạng xeluloza vô định hình nhưng hoạt động yếu ở vùng kết tinh. Exoglucanaza ( 1,4 - β - D – glucanxenlobiohydrolaza, C1, EC 3.2.1.91). Tác dụng lên xelulo, cắt các đơn vị xenlobioza khỏi các đầu của chuỗi xelulo, không tấn công các xelulo thay thế, có thể thủy phân xelodextrin nhưng không thủy phân xenlobioza. β - glucozidaza (β - D – glucozit glucohydrolaza) hay xenlobioza EC 3.2.1.21. Cắt các xenlobioza tạo thành bởi C1 và Cx thành gluco, không tấn công xenlulo hay xenlodextrin bậc cao (Lê Văn Nhương, 2001). Về động học phản ứng của các enzim này, Reese và các công sự lần đầu đưa ra cơ chế phân giải vào năm 1950. Xenlulo C1 Xenlulo Cx Đường hoà tan hoạt động tự nhiên Xenlobioza Xenlobiaza Gluco Hình 1.2 : Mô hình phân hủy xeluloza của Reese Trong đó, C1 tương ứng với endoglucanaza; Cx tương ứng với exoglucanaza Theo Reese, C1 là "tiền nhân tố thuỷ phân" hay là enzim không đặc hiệu, nó làm trương xenluloza tự nhiên biến thành các chuỗi xenluloza hoạt động có mạch ngắn hơn và bị enzim Cx tiếp tục phân cắt tạo thành các đường tan và cuối cùng thành gluco dưới tác dụng của xelobioza ( Đào Thị Lương, 2006) Còn tác giả Lutzen thì cho rằng sự thủy phân xenluloza tự nhiên phải có sự hiệp đồng của 3 loại enzim trên. Chúng tạo thành phức hệ enzim nhiều thành phần trên bề mặt của các phân tử xenluloza. Nhờ đó, Lutzen đưa ra mô hình phân giải xenluloza như Hình sau: 15