Nghiên cứu sản xuất phân bón hữu cơ – vi sinh từ bã cà phê

Vũ Hải Yến

Khoa Công nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường

Trường Đại học Công nghệ TP HCM (HUTECH)

TÓM TẮT

Sau khi chế biến và sử dụng cà phê, bã cà phê bị thải bỏ, gây ảnh hưởng đến môi trường. Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh từ nguồn bã cà phê này. Mô hình phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí có dạng hình chữ nhật được làm từ xốp cách nhiệt có đặt ống dẫn khí. Nguyên liệu đầu vào là bã cà phê cùng với 3 loại chế phẩm sinh học là BIMA, NOLASUB và S.EM. Kết thúc 69 ngày ủ sản phẩm compost đã tạo thành. Nhiệt độ từ 30oC – 64oC, pH từ 5.69 – 7.91, độ ẩm từ 44.74% – 62.44%. Hàm lượng chất hữu cơ giảm từ 2.56% – 4.14%, hàm lượng C giảm 2.57% – 4.15%, Nitơ giảm 11.04% – 18.51%. Mô hình có bổ sung chế phẩm Nolasub cho kết quả tốt nhất. Sản phẩm tạo thành của mô hình sau khi ủ thích hợp cho cây trồng (rau muống) phát triển tốt. Công nghệ đơn giản, chi phí thấp, tạo ra sản phẩm thân thiện môi trường, hướng đến phát triển nông nghiệp bền vững.

ABSTRACT

After processing and use of coffee, coffee grounds discarded, impact to environmental. The study was conducted to produce compost from coffee grounds. Model biodegradable in aerobic conditions have rectangular shape made from foam insulation have put a gas pipeline. Input materials are coffee grounds with 3 types of probiotics is BIMA, NOLASUB and S.EM. Ending the 69 day incubation compost formed products. Temperatures between 300C – 640C, pH from 5.69 – 7.91, 44.74% moisture content – 62.44%. Organic matter content decreased from 2.56% to – 4.14%, reduce the carbon content% 2.57 – 4.15%, nitrogen reduction 11:04% – 18:51%. Models preparations NOLASUB for best results. Compost after appropriate incubation plants (spinach) thrive. Simple technology, low cost, creating environmentally friendly products, towards sustainable agricultural development.

I. MỞ ĐẦU

Việt Nam hiện là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới, chỉ sau Thái Lan. Bên cạnh gạo, chúng ta không thể không nhắc đến cà phê Việt Nam, với thương hiệu cà phê Trung Nguyên nổi tiếng. Theo số liệu ước tính của Sở NN&PTNT, Bộ NN&PTNT, diện tích trồng cà phê nước ta năm 2014 ước tính vào khoảng 653.000 ha, tăng 2% so với năm 2013 (633.000 ha).

Trái cà phê sau khi được thu hoạch hạt, chế biến và sử dụng, phần bã cà phê còn lại ít được sử dụng, thải bỏ gây ảnh hưởng đến môi trường. Trong những năm gần đây, phương pháp phân hủy sinh học hiếu khí chất thải rắn (compost) đã cho thấy phạm vi ứng dụng cao. Sản xuất compost vừa xử lý triệt để được chất thải, góp phần bảo vệ môi trường vừa tạo được sản phẩm có giá trị. Nhiệt độ trong hệ thống có thể cho phép loại được các mầm bệnh, do đó quá trình làm compost được đánh giá là ít ảnh hưởng tới môi trường, đồng thời chuyển hóa thành sản phẩm có hàm lượng dinh dưỡng tốt cho cây trồng. Nguồn nguyên liệu bã café để sản xuất phân hữu cơ từ chất thải rắn ít chịu ảnh hưởng về mặt giá cả trên thị trường. Sản phẩm đầu ra an toàn, có tính ứng dụng cao, hướng đến phát triển nông nghiệp bền vững.

II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu nghiên cứu

Bã cà phê thải lấy tại Khu Du Lịch Bến Xưa, 39A Hà Huy Giáp, phường Thạnh Lộc, quận 12.

Chế phẩm Bima, được sản xuất và cung cấp bởi: Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM.

Chế phẩm Nolasub, được sản xuất và cung cấp bởi: Công ty TNHH Nông Lâm.

Chế phẩm S.EM, được sản xuất và cung cấp bởi: Công Ty Vi Sinh Môi Trường.

Hình 1: Từ bên trái sang: Bã café, chế phẩm BIO-S.EMRS, chế phẩm Enchoice, Aspergillus

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Mô hình nghiên cứu

Mô hình  có dạng hình chữ nhật, kích thước dài x rộng x cao: 46cm x 32cm x 30cm, được làm từ xốp cách nhiệt, có ống dẫn khí được đặt song song với chiều rộng và trên thành của mô hình với khoảng cách 8cm, có đường kính 4mm, trên ống phân phối khí có đục lỗ có d = 2mm, ống thoát nước rò rỉ từ quá trình ủ đặt phía dưới mô hình. Bên trên hệ thống phân phối khí có lắp đặt thêm 1 lớp sỏi đỡ và 1 tấm lưới để hạn chế vật liệu làm nghẹt ống phân phối khí. Không khí được đưa vào mô hình bằng 1 máy sục khí liên tục.

Hình 2. Mô hình thùng xốp và ống dẫn khí

2.2.2 Phân tích vật liệu đầu vào

Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất compost là bã cà phê thải ra từ cà phê pha phin. Cà phê sử dụng ở đây là các cà phê gói. Cà phê được bóc ra, ép vào phin và lọc lấy nước. Còn xác cà phê được vứt bỏ và thu gom lại để ủ compost.

Phân tích các chỉ tiêu đầu vào về độ ẩm, pH, hàm lượng C, N, chất hữu cơ.

Bảng 1. Các chỉ tiêu đầu vào của nguyên liệu.

STT	Chỉ tiêu	Đơn vị	Bã café
1	Khối lượng riêng	Kg/m3	755.13
2	pH		6.92
3	Độ ẩm	%	52.99
4	Hàm lượng Cacbon (C)	%	53.78
5	Hàm lượng Nito (N)	%	3.1
6	Tỷ lệ C/N		17.35

2.2.3 Thí nghiệm 1: Ủ compost từ bã cafe

Bảng 2. Thông số ủ thí nghiệm compost.

Thông số	Đơn vị	MH1 Đối chứng	MH2 Bima	MH3 Nolasub	MH4 S.EM
Màu sắc		Đen	Đen	Đen	Đen
Bã cà phê	Kg	10	10	10	10
BIMA	G	0	40	0	0
NOLASUB	Ml	0	0	70	0
S.EM	G	0	0	0	4
Lượng nước thêm vào	Lít	10	10	10	10
Độ ẩm	%KLK	51.98	52.21	50.54	55.33
Chất hữu cơ	%KLK	96.51	96.63	96.76	96.60
C	%KLK	53.62	53.68	53.76	53.67
N	%KLK	3.08	3.05	3.08	3.05
C/N	%	17.41	17.6	17.45	17.6
Nhiệt độ	oC	34	35	36	33

Phân tích thành phần đầu ra

Bảng 3. Phân tích sản phẩm Compost tạo thành.

Chỉ tiêu	Đơn vị	Phương pháp	Chỉ tiêu	Đơn vị	Phương pháp
Màu sắc		Quan sát	pH		Máy đo pH
Thời gian ủ	ngày	Quan sát	%CHC	%KLK	Khối lượng
Nhiệt độ khối ủ	0C	Nhiệt kế	%C	%KLK	Khối lượng
Độ ẩm sản phẩm	%KLU	Khối lượng	%N	%KLK	Kjeldahl
Độ ẩm trung bình	%KLU	Khối lượng	%P	%KLK	UV-VIS, 690 nm
Khối lượng còn lại	Kg	Khối lượng	%K	%KLK	ICP

2.2.2.   Thí nghiệm 2: Ứng dụng sản phẩm compost trên cây trồng ngắn ngày.

2.2.2.1. Mô hình nghiên cứu.

Mô hình sử dụng cốc nhựa làm giá thể để trồng cây được đặt trong điều kiện mát mẻ, độ ẩm môi trường 50 %, cường độ chiếu sáng 2.000 lux, nhiệt độ 27 ⁰C.

Hình 3. Mô hình trồng cây đậu xanh.

2.2.2.2. Vật liệu nghiên cứu.

– Môi trường trồng: Sản phẩm compost từ thí nghiệm 1 được sử dụng làm môi trường để gieo trồng các hạt rau muống.

– Giống rau muống được trồng thử nghiệm là rau muống cao sản NP – 305 (dạng lá tre) của công ty TNHH sản xuất thương mại Tân Nông Phát.

Rau muống được xử lý kích thích nảy mầm: lựa chọn hạt tròn bóng ngâm trong nước 24h. Hạt rau muống được chọn không được nứt vỏ, phải còn nguyên vỏ chưa có dấu hiệu tách vỏ sau đó đem gieo.

Hình 4. Quá trình gieo hạt rau muống.

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thí nghiệm 1: Nghiên cứu sản xuất compost từ bã cafe

a. Biến thiên nhiệt độ:

Nhiệt độ của mô hình bổ sung chế phẩm Nolasub có giá trị trong khoảng 36^oC-64^oC và đạt giá trị cao nhất là 64^oC ở ngày thứ7 và 8. Mô hình bổ sung chế phẩm Bima có nhiệt độ từ 30^oC đến 62^oC, có nhiệt độ cao nhất là 62^oC ở ngày thứ 7. Mô hình bổ sung S.EM có nhiệt độ trong khoảng 30^oC – 62^oC, tăng cao nhất là 62^oC ở ngày thứ 10. Mô hình đối chứng duy trì từ 34^oC – 60^oC và có giá trị cao nhất là 60^oC ở ngày thứ 9.

b. Biến thiên pH:

Giá trị pH trong khoảng 5.5 – 8.5 là tối ưu cho các VSV trong quá trình ủ phân compost. Qua bảng số liệu 3.2 ta thấy rằng pH của 4 mô hình dao động trong khoảng từ 5.53 – 7.91 chứng tỏ pH nằm trong khoảng cho phép, thích hợp cho sự phát triển của các VSV.

c. Độ ẩm:

Trong quá trình ủ, độ ẩm đã được kiểm tra và duy trì nằm trong khoảng tối ưu để VSV, enzyme phát triển phân hủy HCHC mạnh. Độ ẩm tối ưu cho VSV phát triển mạnh dao động  trong khoảng 50 – 60 % Các mô hình ủ đều cho kết quả độ ẩm tối ưu trong quá trình ủ.

 d. Độ sụt giảm thể tích:

Dựa vào hình vẽ cho thấy trong những ngày đầu do VSV bắt đầu thích nghi nên độ sụt giảm thể tích thấp ở mô hình đối chứng giảm 0.67% tổng thể tích. mô hình S.EM giảm 0.78% tổng thể tích. Còn ở mô hình Bima và mô hình Nolasub có sự thích nghi tốt hơn với mô hình Bima giảm 3.89% tổng thể tích, mô hình Nolasub giảm 2.78% tổng thể tích.

e. Hàm lượng CHC:

Hàm lượng chất hữu cơ ở cả 4 mô hình thay đổi rõ rệt. Trong những ngày đầu của quá trình ủ, VSV đang trong thời gian thích nghi nên hàm lượng chất  hữu cơ ở cả 4 mô hình thay đổi không đáng kể. Những ngày tiếp theo, hàm lượng chất hữu cơ trong 4 mô hình giảm nhanh. Ở cả 4 mô hình, sau khoảng thời gian giảm nhanh, những ngày tiếp theo hàm lượng chất hữu cơ giảm chậm dần và dần ổn định. Bên cạnh đó, những mô hình có bổ sung chế phẩm có hàm lượng chất hữu cơ giảm nhanh và nhiều hơn so với mô hình đối chứng nhờ sự hoạt động của hệ VSV trong các chế phẩm. Mô hình bổ sung chế phẩm Nolasub có sự phân hủy mạnh nhất và hàm lượng chất hữu cơ giảm nhiều nhất khi giảm 4.01% so với ban đầu, tiếp theo là mô hình bổ sung chế phẩm Bima giảm 3.30%, mô hình bổ sung chế phẩm S.EM giảm 3.00%. Mô hình đối chứng có sự phân hủy yếu nhất khi hàm lượng chất hữu cơ chỉ giảm 2.47% so với ban đầu.

f. Hàm lượng C:

Trong 3 ngày đầu tiên, hàm lượng C giảm chậm do các VSV ở giai đoạn thích nghi. Sau ngày thứ 3, VSV bắt đầu tăng trưởng và phát triển mạnh cần nhiều chất dinh dưỡng nên hàm lượng C giảm nhanh.

Ở mô hình đối chứng từ ngày thứ 3 đến ngày 30, hàm lượng C giảm mạnh từ 53.58% xuống còn 52.86% và ổn định tới cuối quá trình là 52.24%. Đối với 3 mô hình còn lại thì giá trị C giảm nhanh từ ngày 3 đến ngày 33, sau đó giảm chậm dần và ổn định đến thúc quá trình ủ compost với mô hình Bima từ 53.61% giảm còn 52.59% và kết thúc là 51.85%, mô hình Nolasub giảm từ 53.68% còn 52.34% và cuối quá trình là 51.53%. Mô hình S.EM từ 53.59% giảm xuống 52.69% và ổn định là 52.00%. Điều này chứng tỏ mô hình có bổ sung chế phẩm Nolasub phân hủy lượng C nhiều nhất so với 3 còn lại.

g. Hàm lượng N:

Hàm lượng N có sự suy giảm rõ rệt ở cả 4 mô hình. Trong 6 ngày đầu tiên ở 4 mô hình sự sụt giảm có quy luật tương đối giống nhau. Ở mô hình đối chứng trong 6 ngày đầu VSV ở giai đoạn thích nghi nên lượng N giảm chậm từ 3.08% xuống 3.05%, từ ngày thứ 9 đến ngày 39 có sự giảm nhanh từ 3.02% xuống còn 2.85%, sau ngày 39 hàm lượng N giảm ít dần và ổn định cho đến kết thúc quá trình ủ.

Đối với 3 mô hình Bima, Nolasub và S.EM giai đoạn thích nghi kéo dài đến ngày thứ 6 nên hàm lượng N giảm chậm. Ở mô hình Bima, lượng N giảm mạnh từ ngày thứ 9 đến ngày 33 từ 2.96% xuống còn 2.76% và sau đó hàm lượng N giảm ít dần và ổn định tới cuối quá trình ủ compost. Với mô hình Nolasub, lượng N giảm nhanh từ ngày thứ 9 đến ngày 33 từ 2.98% xuống còn 2.69% và sau ngày 36 giảm chậm lại và ổn định tới ngày 69 là 2.51%. Còn ở mô hình S.EM có lượng N giảm nhiều trong khoảng 2.97% tới 2.77% từ ngày thứ 9 đến ngày 33, sau đó giảm ít dần và ổn định đến cuối quá trình.

Mô hình Nolosub có hàm lượng N giảm nhiều nhất là 0.57% từ 3.08% ban đầu xuống còn 2.51%, mô hình bổ sung Bima có hàm lượng N giảm thứ 2 là 0.45% từ 3.05%  ban đầu xuống còn 2.60%, mô hình bổ sung chế phẩm S.EM có hàm lượng N giảm thứ 3 là 0.42% từ 3.05% xuống còn 2.63% và mô hình đối chứng có hàm lượng N giảm ít nhất là 0.34% từ 3.08% xuống còn 2.74%. Điều này chứng tỏ việc bổ sung các chế phẩm sinh học giúp tốc độ phân hủy nhanh hơn. Kết quả phân tích cho ta thấy rằng bổ sung chế phẩm Nolasub vào quá trình ủ compost giúp quá trình phân hủy đạt hiệu quả tốt nhất.

Bảng 6. Các thông số vận hành quá trình ủ compost trong 50 ngày.

Thông số	Giá trị sản phẩm
	Mô hình Đối Chứng	Mô hình Bima	Mô hình Nolasub	Mô hình S.EM
Màu sắc	Màu đen	Màu đen	Màu đen	Màu đen
Nhiệt độ (oC)	34	30	36	30
pH	6.51	6.32	6.24	6.33
Độ ẩm trung bình (%)	56.89	56.17	56.79	56.69
Chất hữu cơ (%)	94.04	93.33	92.75	93.60
Nito (%)	2.74	2.60	2.51	2.63
Cacbon (%)	52.24	51.85	51.53	52.00
C/N	19.06	19.94	20.53	19.77

Kết quả phân tích hàm lượng  N. P. K trong quá trình ủ

Thành phần	Giá trị (% )
	Đối chứng	Bima	Nolasub	S.EM
N	2.74	2.60	2.51	2.63
P	0.36	0.37	0.41	0.31
K	0.64	0.70	0.73	0.69

Thí nghiệm 2: Ứng dụng sản phẩm compost trên cây trồng ngắn ngày.

Kiểm chứng sản phẩm compost tạo thành với cây rau muống cho thấy cây nảy mầm và phát triển bình thường. Trong ngày đầu tiên, hạt bắt đầu nảy mầm, tỷ lệ nảy mầm đạt trên 90% với tất cả mô hình. Ngày tiếp theo, hạt bắt đầu vươn lên khỏi mặt đất và tới ngày thứ 3 thì đạt được độ cao từ 2 – 3 cm và bắt đầu bung lá, một số cây đạt độ cao từ 4 – 5 cm ở mô hình bổ sung chế phẩm S.EM và Nolasub.

Những ngày sau đó, rau muống phát triển khá tốt, lá bung dài ra, mỗi cây từ 2 – 4 lá, một số cây lá đã phát triển nhưng chưa bung rộng. Đến ngày thứ 7, chiều cao của cây đạt từ 8 – 10 cm, một số cây phát triển chậm hơn, chiều dài lá đạt từ 2 – 4cm.

Vậy kết luận được rằng sản phẩm compost sau khi ủ không chứa thành phần độc hại, ức chế cây phát triển. Hạt rau muống phát triển hoàn toàn tốt trên sản phẩm compost vừa ủ.

KẾT LUẬN

Kết thúc 69 ngày ủ compost với vật liệu bã cà phê nhìn chung trong thời gian ủ phân nhiệt độ môi trường xung quanh khá cao cùng với chế độ cấp khí kết hợp giữa thổi khí bằng máy và đảo trộn bằng tay có thể không đều nên đã ảnh hưởng một phần nào đó đến chất lượng của phân.

Quá trình phân hủy sinh học hiếu khí bã cà phê diễn ra khá tốt. Nhiệt độ dao động trong khoảng 30^oC – 64^oC, pH dao động từ 5.69 – 7.91, dao động độ ẩm từ 44.74% – 62.44%. Hàm lượng chất hữu cơ giảmtừ 2.56% – 4.14%, hàm lượng C giảm 2.57% – 4.15%. Bên cạnh đó, hàm lượng Nito giảm 11.04% – 18.51%.

Sản phẩm đầu ra giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển bình thường. Tuy nhiên, sản phẩm phải bổ sung thêm phân hóa học NPK (20:15:20)để phân đáp ứng Tiêu chuẩn ngành 10 TCVN 562 – 2002 cho phân hữu cơ vi sinh do Bộ NN&PTNT ban hành. Với mô hình chế phẩm Nolasub cần bổ sung 0.14kg NPK/kg compost, mô hình Bima, S.EM và đối chứng cần bổ sung 0.15kg NPK/kg compost.

Khi so sánh kết quả giữa các mô hình với nhau thì có thể thấy rằng 3 mô hình có bổ sung chế phẩm sinh học cho kết quả tốt hơn, chứng tỏ VSV có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình xảy ra nhanh hơn và phân hủy tốt hơn. Trong đó, mô hình có bổ sung chế phẩm Nolasub cho kết quả tốt nhất với tỷ lệ N : P : K =2.51: 0.41: 0.73, biến thiên nhiệt độ cao nhất. Bên cạnh đó, mô hình bổ sung chế phẩm Nolasub phân hủy tốt nhất với hàm lượng CHC, C và hàm lượng N thay đổi nhiều và rõ rệt nhất so với các mô hình với hàm lượng CHC, C, N lần lượt là 92.75%, 51.53% và 2.51%. Sau 69 ngày ủ, mô hình bổ sung chế phẩm Nolasub có độ sụt giảm thể tích cao nhất, giảm 47% so với ban đầu và sản phẩm tạo thành của mô hình sau khi ủ thích hợp cho cây trồng (rau muống) phát triển tốt, với chiều cao sau 7 ngày từ 8 – 10cm và chiều dài lá từ 2 – 4cm.

Qua đây, đề tài cho thấy thêm được một vật liệu mới cho quá trình sản xuất compost cũng có nghĩa là sẽ có rất nhiều loại chất thải rắn có thể tận dụng làm vật liệu cho sản xuất phân vi sinh có lợi cho nông nghiệp với nhiều loại quy mô khác nhau, công nghệ đơn giản, chi phí thấp, thân thiện môi trường, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Quang Hòa (2012), Nghiên cứu sử dụng các chế phẩm sinh học để sản xuất phân compost từ vỏ hạt tiêu, Đại học Kỹ thuật Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh.
2. Nguyễn Văn Phước (2012), Quản lý và xử lý chất thải rắn, NXB Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh.
3. TS Nguyễn Văn Phước (2010), Giáo Trình Quản lý và xử lý chất thải rắn, NXB Xây Dựng Hà Nội.
4. TS Trịnh Xuân Ngọ (2009), Cà phê và kỹ thuật chế biến, Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh.
5. Vũ Hải Yến, Bài giảng quản lý chất thải rắn, Trường Đại học Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh.
6. Giới thiệu chung về thị trường cà phê, vinacafe.com.vn/files/down-public/1535
7. Nghành hàng cà phê Việt Nam mùa vụ 2013/14 qua các dự báo – phần 1, http://www.vietrade.gov.vn/ca-phe/3948-nghanh-hang-ca-phe-vit-nam-mua-v-201314-qua-cac-d-bao-phn-1.html
8. Nghành hàng  cà phê Việt Nam mùa vụ 2013/14 qua các dự báo – phần 2, http://www.vietrade.gov.vn/ca-phe/3951-nghanh-hang-ca-phe-vit-nam-mua-v-201314-qua-cac-d-bao-phn-2.html
9. Nghành hàng cà phê Việt Nam mùa vụ 2013/14 qua các dự báo – phần 3, http://www.vietrade.gov.vn/ca-phe/3952-nghanh-hang-ca-phe-vit-nam-mua-v-201314-qua-cac-d-bao-phn-3.html
10. Nghành hàng cà phê Việt Nam mùa vụ 2013/14 qua các dự báo – phần 4, http://www.vietrade.gov.vn/ca-phe/3954-nghanh-hang-ca-phe-vit-nam-mua-v-201314-qua-cac-d-bao-phn-3.html
11. Thị trường cà phê Việt Nam – phần 2, http://www.vietrade.gov.vn/ca-phe/1739-thi-truong-ca-phe-viet-nam-phan-2.html
12. Tổ chức cà phê quốc tế (ico) điều chỉnh sản lượng cà phê thế giới niên vụ 2013/2014 giảm 2 triệu bao, http://anthaigroup.vn/tin-tuc/thi-truong-ca-phe/to-chuc-ca-phe-quoc-te-ico-dieu-chinh-san-luong-ca-phe-the-gioi-nien-vu-20132014-giam-2-trieu-bao-114-1.html
13. Triển vọng nghành hàng cà phê Việt Nam 2010, http://www.vietrade.gov.vn/ca-phe/1345-trien-vong-nghanh-hang-ca-phe-viet-nam-2010.html

………………………………………………………………………………….

Nguồn: Trích dẫn từ kỷ yếu Hội nghị môi trường toàn quốc lần thứ IV, Bộ tài nguyên và Môi trường, Hà Nội, 29/09/2015

…………………………………………………………………………………..