Nghiên cứu và gia công thùng ủ phân hữu cơ tại nhà đơn giản (Việt Nam)

Ủ phân hữu cơ từ rác thực vật là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu rác thải tại nguồn. Trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu một loại thùng rác mới dùng để ủ rác thải hữu cơ hộ gia đình. Ngay từ khi bỏ rác vào thùng, thể tích của rác có thể giảm khoảng 25% bằng cách xoay thùng xung quanh trục đứng yên. Kết thúc quá trình ủ, thể tích rác giảm 82,5% so với thể tích của rác ban đầu. Khi ủ rác thải một lần thì sau 60 ngày rác thải sẽ chuyển hóa thành phân hữu cơ. Nếu rác thải cho vào thùng mỗi ngày thì nhiệt độ của bề mặt rác khoảng 45-48⁰C.

Rác trong thùng bị phân hủy theo từng lớp, lớp rác bên dưới được ủ thành phân hữu cơ nhanh hơn lớp rác ở bên trên. Thùng rác này đã được sử dụng hiệu quả ở một số hộ dân của tỉnh Phú Yên.

1. Đặt vấn đề và nhu cầu 

Chất thải rắn nói chung và rác thải sinh hoạt nói riêng là tác nhân chính gây ô nhiễm môi trường. Rác sẽ rác nếu không được phân loại, rác sẽ là tài nguyên nếu được phân loại hiệu quả. Điều này cho thấy công tác phân loại rác, nhất là phân loại tại nguồn là vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, nếu chỉ phân loại tại nguồn mà công tác vận chuyển chỉ dùng 1 xe, chôn lấp ở cùng một bãi rác thì công tác phân loại là vô ích. Do đó, để giảm thiểu rác thải hiệu quả thì việc ủ rác tại nguồn thành phân bón hữu cơ là giải pháp quan trọng.

Về khoa học có 3 phương pháp ủ phân hữu cơ là ủ kị khí, ủ hiếu khí và ủ thiếu khí [3]. Phương pháp ủ kị khí có nhược điểm là gây mùi hôi, khối lượng phân thu được ít do rác đã chuyển hóa thành khí. Ủ hiếu khí là một giải pháp hiệu quả để xử lý rác và chuyển hóa các hợp chất của nitơ thành muối nitrat. Ủ thiếu khí cũng có hiệu quả tốt đối với xử lý rác, tuy nhiên các hợp chất của niơ bị thất thoát do chuyển hóa thành khí nitơ. Như vậy để ủ phân tại nguồn hiệu quả, giảm mùi hôi trong quá trình ủ, giảm thất thoát hợp chất của nitơ thì phương pháp ủ rác hiếu khí là khả thi nhất.

Hiện nay, các hộ dân ở Việt Nam và trên thế giới đã sử dụng rất nhiều loại thùng ủ để xử lý rác thải thực vật thành phân bón hữu cơ. Mỗi kiểu thùng đều có ưu và nhược điểm riêng. Nhóm tác giả Dayananda H S, Shilpa B S đã nghiên cứu kiểu thùng ủ phân hữu cơ với ống thông khí ở trung tâm và các cánh khuấy của thùng, dùng lực tay để xoay ống khuấy trộn. Kiểu thùng rác này có ưu điểm là bố trí sẵn bộ phận khuấy trộn trong thùng nên hiệu quả đảo trộn rác tốt. Tuy nhiên, kiểu thùng này chỉ phù hợp với loại thùng nhỏ, rác thải phải có kích thước nhỏ [1]. Thùng ủ phân EcoClean, đây là kiểu thùng ủ dạng đục lỗ trên thân thùng, có cửa lấy phân trên thành thùng gần đáy, kiểu thùng này đang sử dụng phổ biến nhưng nhược điểm là ít thẩm mỹ do nước rỉ rác thoát ra ở vị trí cửa lấy phân và các lỗ thông hơi, ở đáy thùng phát sinh mùi hôi và có nhiều ấu trùng của ruồi [4]. Thùng rác hữu cơ hiệu Aerobin, đây là loại thùng có kiểu dáng đẹp, hiệu quả ủ rác cao, tháo lắp dễ dàng nên thuận lợi khi vận chuyển. Tuy nhiên, thùng rác Aerobin không thể giảm thể tích rác ngay từ lần đầu bỏ rác vào thùng, thùng được làm từ nhựa đúc sẵn không phải tận dụng từ thùng phế liệu.

Ngoài ra còn rất nhiều loại thùng ủ rác khác có kiểu dạng thùng nằm ngang [6, 7]. Ưu điểm của các dạng thùng này là lực xoay thùng để trộn rác nhỏ, nhưng nhược điểm là nước rỉ rác thoát ra bên ngoài vỏ thùng nên ít thẩm mỹ. Phần rác cũ (cho vào trước) và phần rác mới (cho vào sau) bị trộn lẫn vào nhau trong suốt quá trình ủ rác nên kiểu thùng này thích hợp ủ rác 1 lần. Do đó, các dạng thùng nằm ngang ít phù hợp đối với các hộ gia đình, vì hộ gia đình có rác thải phát sinh hàng ngày.

2. Thiết kế thùng rác mới để ủ rác thực vật thành phân bón hữu cơ.

2.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo (XEM THÊM MEN VI SINH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ)

Một ưu điểm vượt trội của thùng rác trong nghiên cứu này là sử dụng những vật liệu thải sẵn có nên người dân có thể dễ dàng tự chế tạo theo bản vẽ thiết kế của nhóm tác giả. Những vật liệu dùng để chế tạo thùng rác gồm:

    - Thùng nhựa HDPE thải: Sử dụng loại thùng nhỏ hơn 200 lít để dễ dàng xoay thùng.

    - Lốp xe máy thải: Dùng để đúc đế cho thùng rác.

    - Rổ nhựa: Loại rổ rộng vành có chiều cao thấp để làm đáy thùng thứ 2.

    - Trục khuấy: Được chế tạo từ thép, có thể dùng thép phế liệu để giảm chi phí.

    - Và các vật liệu khác: Bánh xe, ống nhựa, van xả nước,….

2.2 Thiết kế thùng rác

- Chỉ xoay thùng, không xoay trục (cố định trục) nên lực xoay nhỏ mà vẫn đủ để khuấy trộn rác. Việc xoay thùng sẽ cung cấp oxi để vi sinh vật hiếu khí phát triển– điều này giúp cho quá trình phân hủy rác nhanh hơn. Khi xoay thùng, khối rác sẽ được nén lại nên làm giảm thể tích khối rác. Thùng có cấu tạo 2 đáy (1 đáy thật là đáy thùng HDPE, 1 đáy giả là rổ), nước rỉ rác tách ra khỏi khối rác được chứa vào khoảng không gian giữa đáy thùng và rổ nên giảm tối đa mùi hôi trong suốt quá trình ủ.

- Đối với ủ rác hiếu khí, vấn đề khó nhất là làm sao cung cấp khí oxi đầy đủ mà nhiệt độ trong thùng cao khoảng từ 45-55⁰C. Nếu thùng có nhiều lỗ thì thông khí tốt nhưng thất thoát nhiệt nhiều. Ngược lại, nếu thùng ít lỗ thông hơi thì nhiệt bị thất thoát ít nhưng lại thiếu khí oxi. Để khắc phục các lỗi này, kiểu thùng ủ rác mới chỉ có 10 lỗ thông hơi nên ít thất thoát nhiệt mà vẫn đảm bảo lượng oxi đầy đủ là nhờ vào việc xoay thùng.

3. Đánh giá hiệu quả ủ phân hữu cơ của thùng rác mới

3.1. Trường hợp khi cho rác vào thùng ủ 1 lần

a). Khảo sát nhiệt độ

Để khảo sát nhiệt độ chính xác, nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm như sau: sử dụng thùng có thể tích 160 lít, cho rác vào thùng ủ 1 lần, thùng được đặt ở vị trí bóng râm, chiều cao khối rác lúc ban đầu là 3/4 thùng (chiều cao này là sau khi xoay thùng để nén ép rác), hai ngày trộn rác 1 lần (ngày trộn rác khác với ngày đo nhiệt độ), thời gian đo nhiệt độ là 10 giờ sáng hàng ngày, hai ngày đo nhiệt độ một lần, lúc đo nhiệt độ không mở nắp thùng và không trộn rác

- Nhiệt độ của khối rác cách đáy 10cm bao giờ cũng thấp hơn nhiệt độ ở chiều cao ½ của thùng. Nguyên nhân là do sự khác biệt về độ ẩm, độ ẩm bên dưới đáy thùng luôn cao hơn do nước có khuynh hướng di chuyển xuống dưới theo chiều trọng lực [2].

- Trong khoảng thời gian ủ 4-6 ngày, nhiệt độ khối rác tăng lên đến 52⁰C. Nhiệt độ tăng cao là do khoảng thời gian này vi sinh hiếu khí ưa nhiệt thúc đẩy mạnh sự phân hủy, tỏa nhiệt nhiều hơn. Sau ngày thứ 6, nhiệt độ rác trong thùng bắt đầu giảm, lý do độ ẩm của khối rác tăng và phần trăm chất hữu cơ trong rác giảm theo thời gian phân hủy. Ở ngày thứ 30 đến 60, nhiệt độ ở vị trí cách đáy 10 cm tương đương với nhiệt độ môi trường, vì độ ẩm tăng và quá trình phân hủy rác xảy ra chậm do rác thải đã gần chuyển hóa thành phân hữu cơ. Sau ngày thứ 30, nhiệt độ ở vị trí ½ thùng cũng chỉ cao hơn nhiệt độ môi trường 2-3⁰C, vì độ ẩm của rác ở vị trí này thấp hơn ở phần đáy. Đến ngày thứ 54 về sau, nhiệt độ ở vị trí ½ thùng bằng với nhiệt độ của môi trường, vì quá trình hiếu khí gần như không còn xảy ra.

​b). Khảo sát độ giảm thể tích của khối rác

Để đánh giá độ giảm thể tích của khối rác, nhóm tác giả sử dụng thùng rác có thể tích 160 lít. Cho rác thải thực vật vào đầy thùng, tiến hành xoay thùng. Khi xoay thùng thì khối rác sẽ chuyển động xung quanh trục khuấy nên khối rác bị xoắn lại, dập nát và giảm mạnh thể tích. Đây là một ưu điểm vượt trội của thùng này so với các thùng ủ hiện có trên thị trường.

Khảo sát thời điểm bỏ rác: Cho rác thực vật vào đầy thùng, sau khi xoay thùng thì tùy theo loại rác mà thể tích khối rác giảm khoảng 25% thể tích ngay từ lúc cho rác vào thùng rồi xoay. Sau đó, nhóm tác giả tiếp tục cho rác vào thùng rồi xoay đến khi khối rác đã bị nén ép chiếm ¾ thể tích của thùng thì ngừng cho thêm rác (chiều cao khối rác là 0,8m).

Khảo sát độ giảm thể tích khối rác theo thời gian: Sử dụng phương pháp đo chiều cao khối rác, 5 ngày đo một lần.

Từ hình 3 nhận thấy, thể tích rác giảm mạnh ngay từ khi khuấy trộn rác. Sau khi khuấy trộn rác xong thì tiến hành ủ rác, sau 40 ngày thể tích rác giảm còn 44% so với khối rác đã nén ép và giảm 82,5% so với thể tích rác ban đầu (lúc chưa nén ép).

 c). Khảo sát pH của nước rỉ rác

Để đánh giá pH của nước rỉ rác, nhóm tác giả tiến hành đo trực tiếp nước rỉ rác bắt đầu từ ngày thứ 10, đo lặp lại theo chu kỳ 5 ngày/lần đến khi không còn phát sinh nước rỉ rác. Kết quả pH của nước rỉ rác dao động trong khoảng 6,7-7,0. Đây là khoảng pH thích hợp để vi sinh vật hiếu khí hoạt động hiệu quả.

 d). Khảo sát mùi và côn trùng trong quá trình ủ rác

Nguyên nhân phát sinh mùi trong quá trình ủ rác là do quá trình kị khí gây ra. Vì thùng ủ hoạt động theo nguyên lý xoay vỏ thùng, trục khuấy đứng yên nên rất thuận lợi trong quá trình khuấy trộn. Trong quá trình sử dụng, nếu có phát sinh mùi hôi, chứng tỏ thiếu ô xi, để giảm mùi hôi thì tiến hành xoay thùng để trộn rác. Kết quả là hạn chế tối đa mùi hôi trong suốt quá trình ủ rác.

3.2. Trường hợp rác cho vào thùng mỗi ngày

Một ưu điểm vượt trội của thùng này là không chỉ ủ rác 1 lần mà có thể ủ rác thường xuyên hàng ngày, phần rác bị phân hủy thành phân bón hữu cơ sẽ được hình thành từng lớp từ đáy thùng lên đến đỉnh thùng. Mức độ phân bón hóa rác thải tăng dần từ đỉnh thùng xuống đáy thùng theo từng lớp.

Thực tiễn cho thấy các hộ gia đình chỉ phát sinh một lượng nhỏ rác mỗi ngày. Để đánh giá hiệu quả xử lý rác của thùng, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu hiệu quả thực tiễn của thùng ủ bằng việc cho rác vào thùng thường xuyên mỗi ngày. Ngày đầu tiên cho rác vào khoảng ¼ thùng, mỗi ngày tiếp theo cho 3,0 kg rác hữu cơ thực vật vào thùng cho đến ngày thứ 60. Kết quả khảo sát như sau:

- Về nhiệt độ: Nhiệt độ được đo ngay trên bề mặt lớp rác, 3 ngày đo 1 lần, đo vào lúc 10 giờ sáng, kết quả cho thấy nhiệt độ trong thùng dao động trong khoảng 45-48⁰C trong suốt quá trình ủ rác. Với khoảng nhiệt độ này rất thích hợp cho vi sinh vật hiếu khí ưa nhiệt phân hủy rác nhanh.

- Về nước rỉ rác: Nước rỉ rác được tách ra khỏi khối rác nên không phát sinh mùi hôi và không phát sinh ấu trùng của ruồi (dòi).

Trong quá trỉnh ủ rác thành phân hữu cơ sẽ phát sinh nước rỉ rác. Nếu không tách riêng nước rỉ rác ra khỏi khối rác thì sẽ xảy ra quá trình kị khí gây mùi hôi và sinh ra nhiều ấu trùng ruồi (dòi). Để đảm bảo không phát sinh mùi hôi, nhóm tác giả đã thiết kế đáy thùng thứ 2 cách đáy thùng HDPE khoảng 5cm. Nhờ thiết kế đặc biệt này mà hạn chế tối đa mùi hôi và ngăn ngừa ấu trùng ruồi.

Thùng ủ kiểu mới đã được sử dụng ở nhiều hộ gia đình trên địa bàn tỉnh Phú Yên, kết quả cho thấy kiểu thùng này phù hợp với hộ gia đình và có tính thẩm mỹ cao.

3.3. Cơ chế xử lý rác

Khi xoay thùng thì chỉ có vỏ thùng và khối rác chuyển động xung quanh trục khuấy. Nguyên lý xoay thùng này ngược với các kiểu thùng ủ rác khác là xoay trục mà không xoay thùng. Nguyên lý này có các lợi ích sau:

- Lực dùng để xoay thùng nhỏ, khối rác được xoắn vào quanh trục, bị dập nát nên giảm thế tích khoảng 25% ở lần bỏ rác đầu tiên.

 - Vì số lượng lỗ thông hơi của thùng rác ít (Đối với thùng 160 lít chỉ có 10 lỗ thông hơi phi 21) nên giảm thất thoát nhiệt trong suốt quá trỉnh ủ.

 - Khi trộn rác, không khí nóng trong thùng sẽ di chuyển từ đáy thùng lên đỉnh thùng dẫn đến áp suất trong thùng giảm. Do đó, không khí môi trường theo 8 lỗ thông hơi của thành thùng vào trong khối rác. Nhờ cung cấp oxi đầy đủ nên quá trình ủ rác thải hiếu khí xảy ra thuận lợi.

 - Do nhiệt độ của thùng cao hơn môi trường nên hơi nước từ khối rác sẽ bay hơi và ngưng tụ trên nắp thùng rồi rơi trở lại vào khối rác, giúp đảm bảo độ ẩm cho toàn bộ khối rác. Phần nước rỉ rác được tách riêng nên giảm tối đa quá trình kị khí xảy ra ở đáy thùng.

Thu gom nước rỉ rác của thùng ủ: Để đảm bảo tách nước rỉ rác ra khỏi khối ủ, nhóm tác giả đã thiết kế thùng có cấu tạo 2 đáy, đáy giả được làm bằng rổ nhựa có nhiều lỗ nhỏ mục đích để nước rỉ rác từ khối ủ có thể dễ dàng chảy qua và rơi vào đáy thật là đáy thùng HDPE (đáy này làm nhiệm vụ chứa nước rỉ rác). Khoảng cách giữa đáy thật và đáy giả là khoảng 5cm, đây là khoảng không gian chứa nước rỉ rác, tại đáy thật lắp 01 van xả nước ở thân thùng, định kỳ 2-4 ngày mở van để lấy nước rỉ rác và cho lại vào thùng ủ để tăng độ ẩm và bổ sung vi sinh cho khối ủ.

4. Kết luận

Hiện nay có nhiều loại thùng ủ rác hữu cơ tại hộ gia đình. Mỗi loại thùng có những ưu và nhược điểm khác nhau. Bài báo này đã trình bày một nghiên cứu mới về thùng ủ rác hữu cơ hộ gia đình. Những điểm nổi bậc của thùng ủ này là: Nguyên lý trộn rác bằng cách xoay thùng mà không xoay truc; nước rỉ rác ở đáy thùng được tách ra khỏi khối rác; Phân bón trong thùng hình thành theo từng lớp, nên thuận lợi cho việc bỏ rác vào thùng nhiều lần; thể tích khối rác giảm khoảng 25% ngay từ lần đầu cho rác vào thùng và xoay. Khi ủ rác kết thúc, tổng thể tích rác giảm 82,5% so với thể tích rác trước khi ủ.

Thùng ủ rác của nhóm tác giả nghiên cứu đã triển khai thực tiễn ở một số địa phương trên địa bàn tỉnh Phú Yên, bước đầu cho hiệu quả khả quan về tính thẩm mỹ, hiệu quả ủ và đặc biệt các vật liệu chế tạo thùng chủ yếu từ các vật liệu qua sử dụng có sẵn. Điều này giúp mô hình thùng ủ rác thêm ý nghĩa là tài nguyên hóa rác thải để tạo thành thùng ủ rác nhằm phục vụ xử lý rác thải tại nguồn. Thùng này có hiệu quả cao khi ủ rác nhiều lần nên rất phù hợp để xử lý rác nhà bếp, rác vườn hộ gia đình.

Võ Anh Khuê ¹, Huỳnh Huy Việt ²

¹Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung

²Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Phú Yên