Nghiên cứu xây dựng công thức ủ thân chuối thải loại sau thu hoạch thành phân bón hữu cơ chất lượng cao

Tóm tắt

Nghiên cứu tập trung vào việc tận dụng thân chuối thải loại để sản xuất phân bón hữu cơ, góp phần giảm chất thải nông nghiệp tại Việt Nam. Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu là thân chuối sau thu hoạch được lấy từ vườn chuối ogarnic của hộ gia đình chị Lê Tuyết Mai tại xã Xuyên Mộc, Thành phố Hồ Chí Minh. Cụ thể, nguyên liệu chuối có ẩm độ ban đầu (hàm lượng nước ban đầu) 90.91%; và bằng phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu đã xác định quy trình ủ tạo phân hữu cơ từ thân chuối tối ưu như sau: Băm nhỏ và làm khô thân chuối về ẩm độ mục tiêu 30-40%, phối trộn với 20% phân bò + 5% than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh vật/m³, ủ hiếm khí.

Kết quả sau 7 tuần ủ, phân đạt pH 7.23 – 7.49; N tổng 2.62 – 2.66%; P₂O₅ 6.14 – 6.21%; K₂O 8.57-8.65%; axit humic 1.54-1.22%; tỷ lệ C/N 10.03 – 10.44; không phát hiện Escherichia coli và Salmonella spp, phù hợp thông tư 09/2019/TT-BNNPTNT “Quy chuẩn quốc gia về chất lượng phân bón”. Phương pháp này giúp gia tăng giá trị chất thải nông nghiệp, hỗ trợ sản xuất phân bón hữu cơ chất lượng cao.

Từ khóa: phân bón hữu cơ, thân chuối thải, than sinh học, ủ phân, nông nghiệp bền vững

1. Đặt vấn đề

Thân chuối thải loại chiếm 88% trọng lượng cây sau thu hoạch, với diện tích trồng 163.000 ha, sản lượng hơn 1,75 triệu tấn quả; mỗi năm các farm chuối của Việt Nam đã tạo ra khoảng hơn 2 triệu tấn thân thải loại. Bản thân cây chuối chứa rất nhiều nước (90 – 93%), với nhiều chất xơ (cellulose, lignin và hemicellulose) và khá giàu kali, canxi, magiê, cùng một số nguyên tố vi lượng khác; đặc biệt, thân chuối chứa một số hợp chất hữu cơ quan trọng tanin (5–10 mg/g chất khô), polyphenol (15–30 mg GAE/g chất khô) và một số enzym tự nhiên (hợp chất PPO, POD: 50–150 U/mg protein). Đây là nguồn dinh dưỡng lý tưởng cho nấm bệnh hại phát triển và cũng là điều gây áp lực môi trường lớn về bệnh dịch nếu không có giải pháp xử lý phù hợp và kịp thời. Mặc dù các cơ sở gia công sợi chuối đã có mặt ở Việt Nam để giải quyết phần nào vấn nạn của tình trạng này; tuy nhiên, lượng chuối thải loại vẫn đang trong tình trạng quá tải; nhất là tại các vườn hộ quy mô vừa và nhỏ, và vườn ở khu vực giao thông đi lại khó khăn. Vì vậy, để vườn hộ được an toàn, việc nghiên cứu biến vấn nạn này thành phân hữu cơ giúp cải thiện đất và giảm sử dụng phân hóa học là điều cấp thiết. Các nghiên cứu trước đây của tác giả đã sử dụng than sinh học (biochar) như nguồn chất mang giúp cải thiện độ pH đất (vùng đất chua), giữ ẩm và lưu trữ chất dinh dưỡng (Ca, Mg, K, P), là nơi ở lý tưởng cho vi sinh vật thúc đẩy phân hủy. Ở nghiên cứu này tác giả tập trung vào thành phần công thức phối trộn để kỳ vọng rút ngắn thời gian ủ chín của nguyên liệu. Giống chuối được sử dụng cho đề tài là chuối Nam Mỹ (Musa paradisiaca L.), thu từ vườn chuối tại Xuyên Mộc, Thành phố Hồ Chí Minh.

2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng và vật liệu

Đối tượng: Thân chuối tươi sau thu hoạch, độ ẩm ban đầu 90,91%. Thân chuối sau đó được băm nhỏ thành từng khúc 2 - 4cm và trải ra phơi nắng để làm khô về các mức ẩm độ mục tiêu sử dụng cho nghiên cứu.

Vật liệu: Phân bò, than sinh học từ củi cây keo lai (pH 8,8; N 1,4%; Ca 23,6%; K 17,8%), chế phẩm trichoderma 10⁹ CFU (được cung cấp bởi Phòng nghiên cứu của Khoa Công nghệ ứng dụng, Trường Đại học Văn Lang).

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp xác định độ ẩm ban đầu và độ ẩm mục tiêu của thân chuối

Để xác định độ ẩm ban đầu, thân chuối được chặt vào sáng sớm; lấy 3 mẫu ở 3 vị trí: gốc, giữa thân, ngọn. Sau đó bảo quản trong túi nilong kín miệng và đưa về phòng thí nghiệm để xác định độ ẩm ban đầu của thân chuối theo phương pháp của Kirsten và Sigrit (2000): Cốc đựng mẫu đã được sấy và làm nguội trong bình hút ẩm, cân chuối và cốc đã được sấy đạt khối lượng 100g vào cho vào tủ sấy nhiệt độ 105⁰±2⁰C. Sấy mẫu trong 24h, sau đó làm nguội trong bình hút ẩm 1 giờ và đem cân. Sấy đến khi khối lượng không đổi.

Độ ẩm tính (MC%) theo phần trăm khối lượng công thức: Mc(%)=(M1-M2)/(M1-Mo)x100

Trong đó:

Mo: trọng lượng cốc đựng mẫu (g);

M1: trọng lượng cốc và mẫu trước khi sấy (g).

M2: trọng lượng cốc và mẫu sau khi sấy (g).

Xác định độ ẩm muc tiêu: Thân chuối được băm nhỏ và làm khô đến các mức ẩm độ 10% - 20% - 30% - 40% - 50% bằng cách phơi nắng hay dùng quạt công nghiệp (gọi là nguyên liệu). Độ ẩm nguyên liệu thấp nhất phải đạt là 20%.

2.2.2 Bố trí thí nghiệm ủ phân chuối

Nguyên liệu ở các mức ẩm độ khác nhau (kí hiệu là M, bao gồm: Mo=Ẩm độ ban đầu; M1=50%; M2 = 40%; M3=30%; M4=20%; M5=20%).

Thí nghiệm một nhân tố (Nhân tố thí nghiệm là ẩm độ nguyên liệu), gồm 6 nghiệm thức (mỗi nghiệm thức tương ứng với 10kg nguyên liệu), mỗi nghiệm thức 3 lần lặp lại, đơn vị thí nghiệm được tính là kilogam nguyên liệu. Tổng số đơn vị thí nghiệm là 180kg.

Các nghiệm thức cụ thể như sau:

NT1= 100 kg Mo +20kg phân bò +5 kg than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh

NT2= 100 kg M1 +20kg phân bò +5 kg than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh

NT3= 100 kg M2 +20kg phân bò +5 kg than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh

NT4= 100 kg M3 +20kg phân bò +5 kg than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh

NT5= 100 kg M4 +20kg phân bò +5 kg than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh

NT6= 100 kg M5 +20kg phân bò +5 kg than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh

Hỗn hợp trên được trộn đều với nhau và được thêm nước đến ẩm độ 50%. Ẩm độ này được duy trì trong suốt thời gian ủ. Nguyên liệu sau đó được đưa vào thùng ủ và đóng chặt nắp. Định kỳ 3 ngày mở ra kiểm tra ẩm độ và nhiệt độ khối ủ một lần; đồng thời, đảo đều khối ủ để tăng độ thoáng khí, tạo điều kiện thuận lợi tăng sinh mật số vi sinh vật. Thực hiện đo nhanh độ pH cho đống ủ từ tuần thứ 2 trở đi.

2.2.3 Phương pháp phân tích sản phẩm sau ủ

Phân sau khi ủ hoai, tiến hành thu hồi sản phẩm đã hoai mục đi phân tích các chỉ tiêu quy định của một loại phân bón hữu dựa trên Thông tư 09/2019/TT-BNNPTNT. Chỉ tiêu pHKCl theo TCVN 9297 : 2012; OM (%) theo TCVN 9294 : 2012; Nts (%) theo TCVN 8557 : 2010; P₂O₅ tổng số theo TCVN 8563 : 2010; K₂O tổng số theo TCVN 8562 : 2010; Acid fulvic theo TCVN 8561 : 2010; Acid humic theo TCVN 8561 : 2010; E.Coli giả định và Salmonella spp theo Ref: TCVN 6846 : 2007 (ISO 7251 : 2005); Vi khuẩn Bacillus subtilistheo TCVN 4884-2 : 2015; Xạ khuẩn Streptomyces spp theo TCVN 4884-2 : 2015.

3. Kết quả và thảo luận

3.1 Kết quả xác định ẩm độ ban đầu và làm khô nguyên liệu về các ẩm độ mục tiêu

Thân chuối được chặt vào lúc sáng sớm (mặt trời chưa mọc); lấy 3 mẫu ở 3 vị trí: gốc, giữa thân, ngọn. Sau đó bảo quản trong túi nilong kín miệng và đưa về phòng thi nghiệm để xác định độ ẩm ban đầu của thân chuối. Ẩm độ tự nhiên của thân chuối tại các vị trí khác nhau (gốc – giữa thân và ngọn) đã có sự khác nhau: phần gốc có ẩm độ tự nhiên bình quân thấp hơn so với phần giữa thân và ngọn. Tuy nhiên, sự khác biệt này chưa có ý nghĩa về mặt thống kê (bảng 1). Kết quả ở bảng 1 chỉ ra: Ẩm độ tự nhiên bình quân của thân chuối là 90,91%; trong đó: phần thân gốc có ẩm độ tự nhiên 89,1%, phần thân giữa 90.94%, và phần thân ngọn 92,6%. Hệ số biến động rất nhỏ (<1.0%), chứng tỏ độ ẩm tự nhiên của thân chuối ở giai đoạn thu hoạch là ổn định. Kết quả này cũng tương đồng với nghiên cứu của Perveen và cộng sự (2010) về độ ẩm của thân chuối (khoảng 91%); Vũ Thị Quyền và cộng sự (2021) xác định ẩm độ tự nhiên của thân chuối là 91,09%.

Bảng 1. Kết quả ẩm độ tự nhiên (ÂĐTN, %) của thân cây chuối sau thu hoạch

(Ghi chú: Cv- hệ số biến động)

Kết quả ở bảng 2 ghi nhận thời gian làm khô thân chuối về các ẩm độ mục tiêu.Vì ẩm độ mục tiêu đặt ra là các trị số làm tròn cách nhau 10%, mức ẩm độ mục tiêu đầu tiên được chọn là 50% gần với ẩm độ tự nhiên, còn mức ẩm độ mục tiêu thấp nhất là 10% và cũng là giới hạn cuối cùng của thí nghiệm. Theo đó, có 6 mức ẩm độ mục tiêu đã được xác định: 90% (Ẩm độ ban đầu) – 50% - 40% - 30% - 20% và 10%.

Do thân chuối mọng nước nên việc làm khô tốn khá nhiều thời gian. Để làm khô đến độ ẩm mục tiêu cuối cùng (M = 10%) phải mất 9 ngày. Theo số liệu hiện diện (bảng 2), ẩm độ mục tiêu của chuối cần đạt được càng thấp thì thời gian rút khô càng lâu (ở đây, ẩm độ đạt được là con số chủ động, còn ngày rút khô là con số phụ thuộc). Số lượng ngày rút khô để đạt tới ẩm độ mục tiêu không hoàn toàn là một tỷ lệ tuyến tính với ẩm độ, mặc dù mức ẩm độ đã xác định trước là cách nhau đều đặn với biên độ 10%. Cụ thể, để giảm ẩm độ từ 90% xuống 50% phải mất 2,3 ngày, và mức sau đó cũng mất khoảng 2 ngày; nhưng từ mốc 30% xuống 20% và xuống 10% thì chỉ mất khoảng1 ngày cho mỗi mức. Tóm lại là, càng đến gần ẩm độ 10% thì tốc độ (thời gian) đạt được càng nhanh hơn (hình 1).

Bảng 3.2 Kết quả theo dõi làm khô nguyên liệu

Hình 1. Kết quả khả năng rút khô của thân chuối cắt lát

3.2 Kết quả ủ phân chuối

Ở tuần thứ 3, khi quá trình lên men xảy ra, các enzyme của vi sinh vật, nấm đã tiêu thụ các chất hợp chất hữu cơ và thải ra các acid hữu cơ, trong giai đoạn đầu (15 ngày đầu) của quá trình ủ, các acid này bị tích tụ và kết quả làm giảm pH. Quá trình phân giải trải qua nhiều bước hình thành ra các sản phẩm trung gian nhiều loại acid hữu cơ khác nhau (hình 2). Đến ngày thứ 25, độ pH trong đống ủ ở các nghiệm thức có sự thay đổi đột ngột (theo chiều hướng tăng); điều này được giải thích là do các chất hữu cơ trong thân chuối được phân hủy bởi enzyme và bởi ảnh hưởng của than sinh học. Từ ngày thứ 35, độ pH ở các nghiệm thức đều duy trì ở mức 7,0 – 7.49 (đến khi đống ủ hoai hoàn toàn). Không có sự khác biệt về độ pH ở các nghiệm thức thí nghiệm.Điều này khẳng định thêm vai trò cải thiện độ pH (Nơi có pH thấp) của than sinh học đúng như ghi nhận trong nghiên cứu của các tác giả: Gaskin và cộng sự (2010); Vũ Thị Quyền và cộng sự (2017).

Hình 2.Thay đổi pH của hỗn hợp ủ theo thời gian

Về mặt cảm quan có thể thấy, sau 50 ngày ủ, tất cả các nghiệm thức đều có dấu hiệu hoai mục; trong đó, nghiệm thức M2 (40%) và M3 (30%) cho phân ủ tơi, mịn và có mùi hăng nhẹ hơn so với các nghiệm thức còn lại. Điều này có thể lý giải ẩm độ của nguyên liệu khi đưa vào ủ đã có những ảnh hưởng đến chất lượng phân ủ cũng như thời gian nguyên liệu hoai mục. hai nghiệm thức M3 (ẩm độ nguyên liệu 30%) và M2 (ẩm độ nguyên liệu 40%) được đánh giá là tốt nhất ở thí nghiệm này. Nói cách khác, khi làm khô thân chuối về ẩm độ 30-40% sẽ cho kết quả phân ủ tốt hơn.

3.3 Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng phân chuối sau ủ

Kết quả ở bảng 3 ghi nhận: Thành phần chất hữu cơ có trong thân chuối, phân bò và than sinh học nhanh chóng bị phân hủy bởi enzyme của vi sinh vật. Sau thời gian phân hủy, khối ủ nhanh chóng chuyển sang trạng thái ổn định. Có thể lý giải thêm bởi các lỗ rỗng trong than sinh học, bề mặt của than sinh học, sự thấm hút các chất dinh dưỡng vô cơ cũng như chất hữu cơ và các loại khí mang lại một môi trường lý tưởng cho vi sinh vật như kết luận của Vũ Thị Quyền và cộng sự (2017). Ở thí nghiệm này, hàm lượng chất hữu cơ đạt cao nhất là ở NT3 và NT4 với giá trị tương ứng 34,74% và 34,82%.

Bảng 3. Kết quả phân tích thành phần chất hữu cơ và các chỉ tiêu khác theo Thông tư 09/2019/TT-BNN-PTNT

Tỉ lệ C/N biểu thị mức độ phân hủy các chất hữu cơ và mức cân bằng dinh dưỡng có trong khối ủ, báo hiệu thời điểm kết thúc của quá trình ủ. Tỉ lệ C/N từ 8.68 – 11.89. Đối chiếu với tiêu chuẩn quy định tại Nghị định số 84/2019/NĐ-CP và Thông tư số 09/2019/TT-BNNPTNT ngày 27/8/2019 của Bộ trưởng Bộ NN-PTNT ban hành “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng phân bón QCVN 01-189: 2019/BNNPTNT” thì phân hữu cơ có C/N <12 là đạt yêu cầu. Ở thí nghiệm này, tất cả các nghiệm thức NT1, NT2 và NT3 đều đạt yêu cầu của tiêu chuẩn phân bón hữu cơ theo TCVN.

Tất cả các nghiệm thức đều không phát hiện vi sinh vật gây hại.

Về mặt cảm quan, phân hữu cơ ở nghiệm thức NT3 và NT4 có màu sắc và độ mịn sản phẩm khá nổi trội. Xem xét một cách tổng thể thì nghiệm thức NT3 và NT4 được đánh giá tốt hơn cả về tất cả các chỉ tiêu nghiên cứu. NT3 và NT4 đạt chuẩn (C/N <12, pH 7,0, giàu NPK, humic), nhờ than sinh học tăng pH và giữ dinh dưỡng, vi sinh thúc phân hủy hữu cơ (34.74-34.82%), quy trình nghiên cứu rút ngắn thời gian ủ từ 60 ngày xuống còn 50 ngày so với nghiên cứu năm 2021 của Vũ Thị Quyền và cộng sự.

4. Kết luận

- Xác định được ẩm độ ban đầu của thân chuối thải loại sau thu hoạch là 90.91%. Để đưa vào ủ, thân chuối được băm nhỏ (2-4 cm) và được làm khô về ẩm độ 30 – 40%. Thời gian làm khô nguyên liệu 4 – 6 ngày.

- Nghiệm thức phối trộn: 100 kg nguyên liệu +20kg phân bò +5 kg than sinh học + 0,25 lít chế phẩm vi sinh. Sau 50 ngày ủ, phân chuối hoai mục hoàn toàn, mùi hăng nhẹ, tơi, màu nâu đen; đạt pH 7.23 – 7.49, N tổng 2.62 – 2.66%, P₂O₅ 6.14 – 6.21%, K₂O 8.57-8.65%, axit humic 1.54-1.22%, tỷ lệ C/N 10.03 – 10.44; không phát hiện Escherichia coli và Salmonella spp, phù hợp thông tư 09/2019/TT-BNNPTNT “Quy chuẩn quốc gia về chất lượng phân bón”.

Tài liệu tham khảo

1. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông nghiệp. (2025). Báo cáo ngành trồng trọt tại Việt Nam.
2. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông nghiệp. (2019). Thông tư số 09/2019/TT-BNNPTNT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng phân bón (QCVN 01-189:2019/BNNPTNT).
3. Chính phủ. (2019). Nghị định số 84/2019/NĐ-CP: Quy định về quản lý phân bón.
4. Chính phủ. (2022). Nghị định số 130/2022/NĐ-CP: Sửa đổi, bổ sung một số điều của Nghị định số 84/2019/NĐ-CP quy định về quản lý phân bón và Nghị định số 94/2019/NĐ-CP quy định chi tiết một số điều của Luật Trồng trọt.
5. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông nghiệp. (2023). Văn bản hợp nhất số 04/VBHN-BNNPTNT: Quy định về quản lý phân bón.
6. Perveen, B., & Khan, M. R. (2010). Transformation of agricultural wastes into sugar by Trichoderma viride. Journal of Pure and Applied Microbiology, 4(1), 103-108.
7. Vũ Thị Quyền, Nguyễn Đăng Nghĩa, & Mai Thành Phụng. (2017). Than sinh học (biochar) – phân bón thế hệ mới cho nông nghiệp xanh – bền vững. Trong Kỷ yếu khoa học: Quản lý dịch hại tổng hợp cây trồng theo hướng hữu cơ sinh học trong phát triển nông nghiệp xanh bền vững (ISBN 978-604-60-2664-8). Nhà xuất bản Nông nghiệp chi nhánh TP.HCM.
8. Vũ Thị Quyền, & Lê Quốc Bảo. (2021). Ảnh hưởng của phân bón hữu cơ tạo từ thân chuối đến sinh trưởng và năng suất cây ngải cứu Artemisia vulgaris. Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông nghiệp, (16), 62-67.
9. Vũ Thị Quyền, Phạm Thế Kiên, Nguyễn Vũ Ngọc Anh, & Huỳnh Anh Bảo. (2021). Đánh giá ảnh hưởng của giá thể dinh dưỡng đến sinh trưởng của cây trồng vườn đứng. Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông nghiệp, (20), 78-82.