Phân ủ

Phân hữu cơ (hay còn gọi là phân ủ) là các chất hữu cơ đã trải qua quá trình phân hủy và được tái chế thành phân bón để cải thiện đất. Đây là một yếu tố thiết yếu trong nông nghiệp hữu cơ.

Quá trình ủ đơn giản có thể được mô tả như việc làm ẩm một số chất hữu cơ hay còn gọi là chất thải xanh (như lá cây, thực phẩm thừa) và chờ cho chúng phân hủy thành mùn trong vài tuần hoặc vài tháng. Ngày nay, ủ phân là một quy trình phức tạp với nhiều bước, bao gồm việc giám sát chặt chẽ các thông số như nước, không khí, carbon và vật liệu giàu nitơ. Quá trình phân hủy được hỗ trợ bởi việc nghiền nhỏ các vật liệu thô, thêm nước và duy trì thông khí bằng cách thường xuyên xáo trộn. Giun và nấm tiếp tục hỗ trợ phân hủy các vật liệu. Vi khuẩn cần oxy để phát triển (vi khuẩn hiếu khí) và nấm quản lý các quá trình hóa học bằng cách điều chỉnh các yếu tố như nhiệt độ, khí carbon dioxide và amoni. Amoni (NH₄) là dạng nitơ mà cây trồng sử dụng. Khi amoni không được cây trồng sử dụng, nó sẽ được vi khuẩn chuyển đổi thành nitrat (NO₃) qua quá trình nitrat hóa.

Phân hữu cơ rất giàu dinh dưỡng và được sử dụng rộng rãi trong vườn, cảnh quan, vườn cây và nông nghiệp. Phân hữu cơ mang lại nhiều lợi ích cho đất, bao gồm việc cải thiện cấu trúc đất, cung cấp phân bón, bổ sung chất mùn và axit humic, cũng như hoạt động như một loại thuốc trừ sâu tự nhiên. Trong hệ sinh thái, phân hữu cơ giúp kiểm soát xói mòn, cải thiện đất đai và mở rộng các khu vực đất ngập nước, đồng thời hỗ trợ quản lý bãi rác. Các phương pháp ủ khác có thể tạo ra khí sinh học thông qua quá trình phân hủy yếm khí.

Khái niệm

Khái niệm 'ủ' được áp dụng toàn cầu với nhiều cách hiểu khác nhau. Một số tài liệu định nghĩa ủ phân hữu cơ chỉ đơn thuần là phân hủy hiếu khí, chủ yếu nhờ vi khuẩn. Một thuật ngữ thay thế cho phân hữu cơ là 'tiêu hóa hiếu khí', còn được gọi là 'ủ ướt'.

Đối với nhiều người, ủ phân đề cập đến các hình thức khác nhau của quá trình sinh học. Ở Bắc Mỹ, 'ủ yếm khí' vẫn là một thuật ngữ phổ biến, và trong các tài liệu kỹ thuật, nó được gọi là 'phân hủy kỵ khí'. Các vi sinh vật và quy trình liên quan khác nhau giữa phân compost và phân hủy yếm khí.

Thành phần

Cacbon, nitơ, oxy, nước

Để quá trình ủ đạt hiệu quả cao, cần phải có 4 thành phần chính như sau:

• Cacbon - cung cấp năng lượng; quá trình oxy hóa cacbon sinh ra nhiệt độ thích hợp.
• Vật liệu chứa cacbon thường có màu nâu và khô.
• Nitơ - hỗ trợ sự phát triển và tạo ra khí để oxy hóa cacbon.
• Vật liệu chứa nitơ thường có màu xanh (hoặc các màu khác như trái cây và rau củ) và ẩm ướt.
• Oxy - giúp oxy hóa cacbon và thúc đẩy quá trình phân hủy.
• Nước - duy trì độ ẩm cần thiết mà không làm phát sinh điều kiện kỵ khí.

Có một số nguyên liệu giúp tạo ra vi khuẩn có lợi, từ đó tăng tốc độ làm nóng của quá trình ủ. Trong khi đó, nước sẽ bốc hơi và oxy sẽ giảm nhanh chóng, đòi hỏi phải được quản lý cẩn thận. Để duy trì nhiệt độ cao (135 ° -160 °F / 50 ° - 70 °C), cần phải thường xuyên thêm không khí và nước vào đống ủ. Cân bằng giữa không khí và nước là rất quan trọng để đảm bảo nhiệt độ giữ được lâu và vật liệu phân hủy tốt. Tuy nhiên, quá nhiều không khí hoặc nước cũng có thể làm chậm quá trình ủ, cũng như quá nhiều cacbon (hoặc quá ít nitơ). Cần duy trì tỷ lệ phù hợp.

Để ủ hiệu quả, tỷ lệ cacbonơ tối ưu là khoảng 10:1 đến 20:1. Đối với ủ nhanh, tỷ lệ C/N nên khoảng ~ 30% hoặc thấp hơn. Phân tích cho thấy, với 30 mẫu hiếm nitơ, dưới 15 mẫu có khả năng thải khí amonia. Nếu cần thêm nitơ, nên thêm khoảng 0,15 pound (1 pound ~ 0,4536 Kg) nitơ cho mỗi 3,75 feet khối vật liệu hiếm nitơ. [Đối với những ai không quen với đơn vị đo lường: 0,64 g/l hoặc 640 gram nitơ cho mỗi mét khối.] Cần thêm 2 đến 3 pound nitơ (như bột máu, phân bón, bột xương, bột cỏ linh lăng) cho mỗi 100 pound tài liệu hiếm nitơ (ví dụ, rơm rạ hay mùn cưa) để cung cấp đủ nitơ và khoáng chất cho hỗn hợp nhiều cacbon.

Hầu hết các loại thực vật và động vật đều chứa cacbon và nitơ, nhưng tỷ lệ này khác nhau rất nhiều, tùy thuộc vào đặc điểm như khô hay ướt, màu nâu hay xanh lá cây. Một nhánh cỏ mới cắt có tỷ lệ khoảng 15:1, còn vào mùa thu khi khô thì khoảng 50:1, tùy theo loài. Trộn các thành phần với tỷ lệ Clý tưởng để đạt hiệu quả. Một số tình huống đặc biệt có thể yêu cầu tỷ lệ hỗn hợp khác nhau. Quan sát và điều chỉnh các loại vật liệu để đạt được tỷ lệ phù hợp theo thời gian.

Phân động vật và rơm rạ

Ở nhiều trang trại, phân động vật được sử dụng để làm phân hữu cơ thường được lấy từ chuồng trại hoặc ổ rơm. Rơm và mùn cưa là những vật liệu phổ biến dùng để làm ổ rơm. Các vật liệu khác như báo chí và bìa các tông cũng được sử dụng, nếu chúng được cắt nhỏ. Lượng phân thải ra tại các trang trại phụ thuộc vào chu kỳ dọn vệ sinh, diện tích đất và điều kiện thời tiết. Mỗi loại phân có đặc tính hóa học và sinh học khác nhau. Phân gia súc và phân ngựa trộn với ổ rơm rất tốt cho quá trình ủ, trong khi phân heo thường ẩm ướt và cần được trộn với rơm hoặc vật liệu tương tự. Phân gia cầm cũng cần được kết hợp với các vật liệu chứa cacbon (như mùn cưa hoặc rơm) để đạt hiệu quả tốt nhất.

Vi sinh vật

Khi các thành phần nước, oxy, cacbon và nitơ được pha trộn hợp lý, vi sinh vật bắt đầu phân hủy các chất hữu cơ để tạo ra phân hữu cơ. Quá trình ủ phân phụ thuộc vào sự hoạt động của vi sinh vật để biến chất hữu cơ thành phân. Một số loại vi sinh vật quan trọng trong phân hữu cơ bao gồm:

• Vi khuẩn – Đây là loại vi sinh vật phổ biến nhất trong phân. Tùy theo giai đoạn của phân compost, có thể có vi khuẩn ưa nhiệt độ cao hoặc vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình.
• Xạ khuẩn – Đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy các vật liệu như giấy, vỏ cây, và các chất liệu khác.
• Nấm – Bao gồm nấm mốc và nấm men, giúp phân hủy các vật liệu mà vi khuẩn không thể xử lý, đặc biệt là lignin trong nguyên liệu gỗ.
• Protozoa – Hỗ trợ vi khuẩn, nấm và các hạt hữu cơ tiêu thụ vật liệu.
• Luân trùng – Giúp kiểm soát quần thể vi khuẩn và sinh vật đơn bào.

Ngoài ra, giun đất không chỉ ăn vật liệu ủ mà còn làm tơi xốp và cải thiện khả năng thoát nước của đống ủ khi chúng di chuyển qua lại.

Sự phát triển kém của quần thể vi sinh vật là nguyên nhân chính khiến quá trình ủ phân diễn ra chậm. Trong các bãi chôn lấp, các yếu tố như thiếu oxy, thiếu dinh dưỡng hoặc nước đều có thể dẫn đến sự phát triển kém của vi sinh vật.

Các giai đoạn của phân compost

Trong điều kiện tối ưu, quá trình ủ phân diễn ra qua ba giai đoạn chính

Giai đoạn đầu tiên, giai đoạn mesophilic, trong đó quá trình phân hủy diễn ra ở nhiệt độ vừa phải nhờ sự hoạt động của các vi sinh vật ưa nhiệt độ trung bình.

Tiếp theo, khi nhiệt độ tăng cao, giai đoạn ưa nhiệt độ cao bắt đầu. Trong giai đoạn này, các vi khuẩn ưa nhiệt độ cao đảm nhiệm việc phân hủy.

Cuối cùng, khi các hợp chất năng lượng giảm dần, nhiệt độ giảm xuống và các vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình lại trở thành chủ yếu trong giai đoạn trưởng thành.

Chất thải của con người

Chất thải của con người, hay còn gọi là phân, cũng có thể được sử dụng như một thành phần trong quá trình ủ phân, tương tự như việc sử dụng nó trong hệ thống hầm tự hoại. Chất thải của con người là một nguồn vật liệu hữu cơ giàu nitơ.

Con người tiết ra lượng nước lớn để hòa tan các chất dinh dưỡng như nitơ, phosphor, và kali trong nước tiểu nhiều hơn so với phân. Nước tiểu có thể được dùng trực tiếp làm phân bón hoặc để ủ phân. Việc thêm nước tiểu của một người khỏe mạnh vào phân có thể giúp tăng nhiệt độ, từ đó nâng cao khả năng tiêu diệt mầm bệnh và các hạt mầm không mong muốn. Nước tiểu từ người không bệnh vệ sinh hơn rất nhiều so với phân tươi. Khác với phân, nước tiểu không thu hút ruồi và không chứa tác nhân gây bệnh như trứng sâu ký sinh. Nước tiểu khi để lâu không có mùi hôi, đặc biệt khi được pha loãng.

Nước tiểu chủ yếu bao gồm nước và urê.

Humanure

'Humanure' là một từ ghép giữa 'con người' và 'phân', dùng để chỉ phân người (bao gồm cả phân và nước tiểu) được tái chế qua quá trình ủ nông nghiệp hoặc các mục đích khác. Thuật ngữ này lần đầu tiên xuất hiện trong cuốn sách của Joseph Jenkins vào năm 1994. Mặc dù 'humanure' được sử dụng nhiều ở Mỹ bởi những người yêu thích phân hữu cơ, nhưng thuật ngữ này không phổ biến ở những nơi khác. Vì 'humanure' không có định nghĩa chính xác, nên nó phụ thuộc vào cách sử dụng; nhiều người đôi khi không phân biệt rõ ràng giữa humanure và bùn thải hoặc 'chất rắn sinh học', các định nghĩa này có ý nghĩa khác nhau.

Sử dụng

Phân hữu cơ thường được khuyến khích như một chất dinh dưỡng cho đất, giúp cải tạo đất trồng bằng cách cung cấp mùn và các chất dinh dưỡng cần thiết. Nó tạo ra môi trường lý tưởng cho sự phát triển của cây, hoặc đóng vai trò như vật liệu thấm xốp để giữ ẩm và hòa tan các khoáng chất, cung cấp hỗ trợ và dinh dưỡng cho cây trồng. Mặc dù ít khi được sử dụng đơn lẻ, phân hữu cơ thường được trộn với đất, cát, sạn, vỏ cây, khoáng chất, hoặc đất sét để tạo ra mùn. Phân hữu cơ có thể được canh tác trực tiếp vào đất hoặc được bón để tăng cường mức độ chất hữu cơ và dinh dưỡng của đất. Phân hữu cơ sẵn sàng sử dụng có màu nâu tối hoặc đen và có mùi giống như đất.

Nói chung, không nên gieo hạt trực tiếp vào phân vì tốc độ khô nhanh có thể dẫn đến mất độ ẩm và sự hiện diện có thể có của các độc tố thực vật gây ức chế sự nảy mầm. Phân hữu cơ chưa phân hủy hoàn toàn có thể sinh ra nitơ không mong muốn. Thay vào đó, việc sử dụng một hỗn hợp gồm 20-30% phân hữu cơ là phổ biến để cấy cây con ở giai đoạn lá mầm hoặc giai đoạn sau.

Phân trộn có khả năng tiêu diệt các mầm bệnh hoặc hạt mầm không mong muốn. 'Thuốc trừ vi khuẩn' trong phân có thể tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn, mesophiles, một số ấu trùng ruồi và sâu đỏ, đồng thời giảm đáng kể mầm bệnh. Ủ nhiệt độ cao được biết đến với khả năng tiêu diệt nhiều loại hạt giống và gần như tất cả các loại mầm bệnh (trừ prion). Các chất khử trùng ủ (ưa nhiệt) có khả năng tiêu diệt nhiều mầm bệnh, đặc biệt là trong phân.

Công nghệ ủ

Tổng quan

Ngoài các phương pháp ủ truyền thống, có nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được phát triển để xử lý các khía cạnh như: ủ, thành phần, vị trí, và các ứng dụng cho các sản phẩm phân compost.

Trên thế giới có rất nhiều phương pháp ủ khác nhau, ví dụ như:

·       Ở cấp độ hộ gia đình: ủ phân trong hầm tự hoại, ủ bằng thùng chứa, hoặc sử dụng kỹ thuật vermicomposting.

·       Ủ quy mô công nghiệp (quy mô lớn): ủ tĩnh bằng ga, áp dụng kỹ thuật vermicomposting, hoặc ủ bằng phương pháp windrow.

Ví dụ

Vermicomposting

Vermicomposting là một phương pháp sinh học đơn giản trong ủ phân, sử dụng các loài giun đất để thúc đẩy quá trình phân hủy chất thải và sản xuất ra sản phẩm tốt hơn. Quá trình này dựa vào vi sinh vật và giun đất hoạt động ở nhiệt độ từ 10 – 32°C (nhiệt độ trong đống phân ẩm).

Quá trình vermicomposting diễn ra nhanh hơn so với ủ phân truyền thống vì chất thải đi qua hệ tiêu hóa của giun. Mặc dù quá trình không hoàn toàn, nhưng phân giun chứa nhiều vi sinh vật có lợi giúp cải thiện sự phát triển của thực vật và ức chế vi khuẩn có hại. Chỉ trong thời gian ngắn, giun đất thông qua một quá trình 'ma thuật' sinh học có thể biến rác thải thành 'vàng' (Vermi Co năm 2001, Tara Crescent 2003).

Các chất thải hữu cơ trong thiên nhiên có thể mất hàng trăm hoặc hàng nghìn năm để phân hủy thành mùn như vermicompost. Tuy nhiên, qua quá trình tiêu hóa của giun, chất thải nhanh chóng biến thành vermicompost, một loại phân hữu cơ giàu dinh dưỡng và dễ hấp thụ cho cây trồng.

Hügelkultur (Tạo các luống hoặc gò đất) 

Kỹ thuật tạo luống hoặc gò bằng vật liệu mục nát hoặc gỗ được gọi là 'Hügelkultur' trong tiếng Đức. Phương pháp này giúp bảo vệ khỏi bụi bẩn.

Hügelkultur giúp giữ nước và tăng cường nhiệt độ, từ đó giúp phân hủy nhanh hơn và giữ nước để cây trồng sử dụng trong quá trình phát triển.

Các chất mùn khi phân hủy sẽ sinh nhiệt, giống như tất cả các loại phân hữu cơ khác, trong nhiều năm. Sepp Holzer đã áp dụng những hiệu ứng này để giúp cây ăn quả sống sót ở những vùng có điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.

Ủ phân bằng ấu trùng ruồi đen

Ấu trùng ruồi đen đã được chứng minh có khả năng phân hủy nhanh chóng một lượng lớn chất thải hữu cơ khi nhiệt độ đạt 31,8°C, mức tối ưu cho sự sinh sản. Các nghiên cứu đã thử nghiệm với nhiều loại chất thải khác nhau để đảm bảo kết quả chính xác.

Ủ phân bằng côn trùng

Đây là phương pháp ủ phân sử dụng côn trùng trung gian, chẳng hạn như gián Turkestan hoặc Blaptica dubia, để phân hủy nhanh chóng phân và chất thải dinh dưỡng. Tùy vào loại côn trùng và điều kiện môi trường, số lượng côn trùng thừa có thể được dùng làm thức ăn cho gia súc hoặc vật nuôi.

Chế phẩm sinh học Bokashi

Bokashi là phương pháp sử dụng sự kết hợp của các vi sinh vật để phân hủy chất thải thực phẩm và giảm mùi. Từ 'Bokashi' trong tiếng Nhật có nghĩa là 'che phủ' hoặc 'phân loại'. Phương pháp này dựa trên thực tế từ thế kỷ trước ở Nhật Bản, khi chất thải thực phẩm được dùng để làm màu mỡ cho đất, nơi vi sinh vật sẽ lên men và tạo ra phân hữu cơ. Sau vài tuần, các chất thải sẽ được chôn xuống để tạo thành mùn.

Hầu hết các vi sinh vật trong Bokashi đến từ các sản phẩm chứa vi sinh vật như EM1, lần đầu tiên được bán vào năm 1980. EM1 được trộn với chất carbon (như mùn cưa hoặc cám) và thực phẩm (như mật đường). Hỗn hợp này được xếp lớp trong hộp kín và sau vài tuần sẽ được chôn lấp.

Ủ phân bằng trà

Trà trong phân hữu cơ là chất chiết xuất từ nước ủ vật liệu và có thể được tạo ra từ cả quá trình hiếu khí và kỵ khí. Trà thường được sản xuất bằng cách thêm một lượng phân để tăng cường nước. Phương pháp này đã được chứng minh có hiệu quả trong việc giảm mầm bệnh thực vật.

Ủ bằng hầm tự hoại

Hầm tự hoại không yêu cầu nước hay điện và khi được quản lý đúng cách, sẽ không phát sinh mùi khó chịu. Hầm tự hoại có thể xử lý phân người và sau đó kết hợp với mùn cưa, rơm hoặc các vật liệu giàu carbon khác để tiêu diệt một phần mầm bệnh. Mức độ tiêu diệt mầm bệnh phụ thuộc vào nhiệt độ (tức là điều kiện vi sinh vật ưa nhiệt hoặc ưu nhiệt) và thời gian ủ. Hầm tự hoại có thể xử lý chất thải tại chỗ, nhưng thường được kết hợp với bước ủ bổ sung ngoài hầm. Các sản phẩm phân hữu cơ từ hầm tự hoại có thể được gọi bằng nhiều tên khác nhau như humanure và EcoHumus.

Hầm tự hoại cũng góp phần bảo vệ nguồn nước. Nó giúp ngăn chặn sự ô nhiễm nguồn nước ngầm bằng cách kiểm soát các chất phân huỷ trước khi chúng vào hệ thống. Khi được quản lý tốt, hầm tự hoại sẽ không gây ô nhiễm đất từ nước thải.