Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê năm 2019, nhu cầu tiêu thụ phân bón hàng năm tại Việt Nam đạt khoảng 11 triệu tấn, trong đó hơn 90% là phân bón vô cơ. Phân bón NPK chiếm tỷ trọng lớn nhất với 35,5%, tiếp theo là phân Urê (22,2%) và DAP (10%). Dự báo giai đoạn 2019-2023, nhu cầu phân bón tăng trưởng khoảng 1,6% mỗi năm, chủ yếu do sự phát triển sản xuất nông nghiệp như lúa (+1%/năm), ngũ cốc (+2%/năm) và cà phê (+1%/năm). Tuy nhiên, sự gia tăng công suất sản xuất phân bón dẫn đến lượng chất dinh dưỡng dư thừa như N và P trong nước thải ngày càng cao, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước và không khí.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào công nghệ thu hồi các chất dinh dưỡng N-NH4+ và P-PO43- từ nước thải nhà máy phân bón NPK thông qua quá trình kết tủa struvite (MAP - Magnesium Ammonium Phosphate). Mục tiêu cụ thể là khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, tỷ lệ mol Mg/P, N/P, K/N đến hiệu suất thu hồi N và P, đồng thời thiết kế thí nghiệm tối ưu bằng phần mềm Design Expert 11.0 nhằm giảm chi phí nghiên cứu và nâng cao hiệu quả thu hồi. Nghiên cứu cũng đánh giá tính tan chậm của sản phẩm struvite trong nước cất và acid citric 0,1 N trong 60 ngày để ứng dụng làm phân bón chậm tan.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh, sử dụng mẫu nước thải từ nhà máy phân bón NPK, với thời gian nghiên cứu từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải phân bón, góp phần bảo vệ môi trường và tái sử dụng tài nguyên dinh dưỡng hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về quá trình kết tủa struvite (MgNH4PO4·6H2O), một khoáng chất orthophosphate có khả năng kết tủa trong môi trường kiềm (pH > 7). Quá trình kết tủa phụ thuộc vào các yếu tố chính như tỷ lệ mol Mg/N/P, pH, nồng độ ion Mg2+, NH4+, PO43-, và sự hiện diện của các ion cạnh tranh như Ca2+, K+, Na+, SO42-, CO32-. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Struvite (MAP): tinh thể kết tủa chứa magiê, amoni và photphat, có tính tan thấp, được ứng dụng làm phân bón chậm tan.
  • Hiệu suất thu hồi N và P: tỷ lệ phần trăm N-NH4+ và P-PO43- được tách ra khỏi nước thải thông qua kết tủa struvite.
  • Ảnh hưởng của pH và tỷ lệ mol: pH tối ưu khoảng 9,5 và tỷ lệ mol N/P = 1, Mg/P = 1, K/N = 0 cho hiệu suất thu hồi cao.
  • Tính tan chậm của struvite: sản phẩm kết tủa có khả năng tan chậm trong nước và acid citric, phù hợp làm phân bón chậm tan.

Ngoài ra, nghiên cứu còn xem xét ảnh hưởng của các ion Ca2+, K+, Na+ và các acid hữu cơ đến quá trình kết tủa và tính chất sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước thải từ nhà máy phân bón NPK tại TP. Hồ Chí Minh, được thu thập trong hai đợt vận hành liên tục với thời gian lấy mẫu lần lượt từ 16 đến 115 giờ và từ 48 đến 366 giờ. Mẫu nước thải được phân tích các chỉ tiêu pH, nồng độ N, P, Mg, K theo tiêu chuẩn TCVN.

Thiết kế thí nghiệm sử dụng phần mềm Design Expert 11.0 với ma trận Box-Behnken để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, tỷ lệ mol Mg/P, N/P, K/N đến hiệu suất thu hồi N và P. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều mẫu nước thải pha loãng với các tỷ lệ mol khác nhau, được xử lý trong bình phản ứng 2 lít, khuấy trộn liên tục trong 1 giờ.

Phương pháp phân tích gồm đo pH, xác định nồng độ N-NH4+ bằng phương pháp chuẩn độ, P-PO43- bằng phương pháp quang phổ UV-Vis, và phân tích cấu trúc sản phẩm kết tủa bằng kỹ thuật chụp ảnh SEM, phân tích pha XRD. Tính tan của struvite được đánh giá qua quá trình ngâm trong nước cất và acid citric 0,1 N trong 60 ngày, đo lượng N và P hòa tan theo thời gian.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm thu thập mẫu, phân tích, thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm và báo cáo kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi: pH tối ưu để kết tủa struvite là 9,5, tại điều kiện này hiệu suất thu hồi P đạt 86%, N đạt 80%. Khi pH tăng từ 8 lên 9, hiệu suất thu hồi P tăng từ khoảng 78% lên gần 95%, N tăng từ 72% lên 85%.

  2. Tỷ lệ mol Mg/P, N/P, K/N ảnh hưởng đến hiệu suất: Tỷ lệ mol N/P = 1, Mg/P = 1 và K/N = 0 cho hiệu suất thu hồi cao nhất. Khi tăng tỷ lệ K/N từ 0 lên 2, hiệu suất thu hồi P giảm nhẹ, cho thấy ion K+ có thể cạnh tranh với NH4+ trong quá trình kết tủa. Tỷ lệ mol Mg/P quá cao hoặc quá thấp đều làm giảm hiệu suất thu hồi.

  3. Hiệu suất thu hồi N và P trong thực tế: Thí nghiệm với mẫu nước thải pha loãng cho thấy hiệu suất thu hồi P2O5 đạt 100% khi tỷ lệ K/N = 0,5 và N/P = 8,5, hiệu suất thu hồi N đạt 18%. Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất thu hồi N đạt 80%, P đạt 86%.

  4. Tính tan chậm của struvite: Sau 60 ngày ngâm trong nước cất và acid citric 0,1 N, lượng N hòa tan chỉ khoảng 3%, P2O5 khoảng 5%, chứng tỏ struvite có khả năng giải phóng dinh dưỡng chậm, phù hợp làm phân bón chậm tan.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy pH là yếu tố quyết định trong quá trình kết tủa struvite, phù hợp với các nghiên cứu trước đây xác định pH tối ưu trong khoảng 9-10. Sự cạnh tranh giữa ion K+ và NH4+ làm giảm hiệu suất thu hồi khi tỷ lệ K/N tăng, điều này phù hợp với báo cáo về ảnh hưởng của các ion cạnh tranh trong nước thải phân bón.

Hiệu suất thu hồi P cao hơn N do P dễ kết tủa hơn trong điều kiện pH kiềm. Việc sử dụng phần mềm Design Expert giúp tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm, giảm chi phí và thời gian nghiên cứu. Tính tan chậm của struvite được xác nhận qua thí nghiệm, phù hợp với mục tiêu ứng dụng làm phân bón chậm tan, giúp cung cấp dinh dưỡng ổn định cho cây trồng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất thu hồi N và P theo pH, tỷ lệ mol và thời gian ngâm tan, cũng như bảng phân tích thành phần và cấu trúc sản phẩm kết tủa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ kết tủa struvite trong xử lý nước thải phân bón: Nhà máy phân bón nên triển khai hệ thống kết tủa struvite với điều kiện pH duy trì khoảng 9,5 và tỷ lệ mol N/P, Mg/P, K/N được kiểm soát chặt chẽ để tối ưu hiệu suất thu hồi dinh dưỡng. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng để đánh giá hiệu quả.

  2. Tối ưu hóa tỷ lệ mol và pH trong quy trình vận hành: Sử dụng phần mềm thiết kế thí nghiệm để điều chỉnh các thông số vận hành phù hợp với đặc tính nước thải thực tế, nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi và giảm chi phí hóa chất. Chủ thể thực hiện là bộ phận kỹ thuật và phòng nghiên cứu phát triển.

  3. Sử dụng sản phẩm struvite làm phân bón chậm tan: Khuyến khích sử dụng struvite thu hồi được làm phân bón chậm tan trong nông nghiệp, giúp tiết kiệm phân bón hóa học và giảm ô nhiễm môi trường. Thời gian áp dụng từ 1-2 vụ mùa, chủ thể là các doanh nghiệp phân bón và nông dân.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ thu hồi dinh dưỡng: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật, nhà quản lý và người lao động về lợi ích và quy trình vận hành công nghệ kết tủa struvite. Thời gian đào tạo trong 3-6 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường tại nhà máy phân bón: Giúp hiểu rõ công nghệ xử lý nước thải bằng kết tủa struvite, tối ưu hóa quy trình thu hồi dinh dưỡng, giảm chi phí và ô nhiễm.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, môi trường: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về công nghệ kết tủa struvite, phục vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  3. Doanh nghiệp sản xuất phân bón và nông nghiệp: Hướng dẫn ứng dụng sản phẩm struvite làm phân bón chậm tan, nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón và bảo vệ môi trường.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và tài nguyên: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật về xử lý nước thải và tái sử dụng chất dinh dưỡng trong ngành phân bón.

Câu hỏi thường gặp

  1. Struvite là gì và tại sao nó quan trọng trong xử lý nước thải phân bón?
    Struvite là khoáng chất kết tủa chứa magiê, amoni và photphat, có tính tan thấp và được ứng dụng làm phân bón chậm tan. Nó giúp thu hồi hiệu quả các chất dinh dưỡng N và P từ nước thải, giảm ô nhiễm môi trường.

  2. Yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất kết tủa struvite?
    pH là yếu tố quan trọng nhất, với pH tối ưu khoảng 9,5 giúp đạt hiệu suất thu hồi P lên đến 86% và N 80%. Tỷ lệ mol Mg/P, N/P, K/N cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả kết tủa.

  3. Tại sao ion K+ lại ảnh hưởng đến quá trình kết tủa struvite?
    Ion K+ có thể cạnh tranh với NH4+ trong quá trình kết tủa, làm giảm hiệu suất thu hồi N và P khi tỷ lệ K/N tăng cao, do đó cần kiểm soát nồng độ ion K+ trong nước thải.

  4. Sản phẩm struvite có thể sử dụng làm phân bón như thế nào?
    Struvite có tính tan chậm, giải phóng dinh dưỡng từ từ, phù hợp làm phân bón chậm tan giúp cung cấp N, P ổn định cho cây trồng, giảm thất thoát và ô nhiễm môi trường.

  5. Phần mềm Design Expert 11.0 được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Phần mềm được dùng để thiết kế thí nghiệm tối ưu, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, tỷ lệ mol đến hiệu suất thu hồi, giúp giảm chi phí và thời gian nghiên cứu, đồng thời nâng cao độ chính xác kết quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được điều kiện tối ưu pH 9,5 và tỷ lệ mol N/P = 1, Mg/P = 1, K/N = 0 cho hiệu suất thu hồi N và P cao từ nước thải phân bón NPK.
  • Hiệu suất thu hồi P đạt khoảng 86%, N đạt 80%, với khả năng thu hồi P lên đến 100% trong một số điều kiện thực nghiệm.
  • Sản phẩm struvite có tính tan chậm, phù hợp làm phân bón chậm tan, góp phần tiết kiệm phân bón và bảo vệ môi trường.
  • Phần mềm Design Expert 11.0 hỗ trợ thiết kế thí nghiệm hiệu quả, giảm chi phí và nâng cao chất lượng nghiên cứu.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ kết tủa struvite trong xử lý nước thải phân bón, đồng thời đào tạo nhân lực và phát triển sản phẩm phân bón từ struvite.

Next steps: Triển khai thí điểm công nghệ tại nhà máy phân bón, đánh giá hiệu quả thực tế và mở rộng ứng dụng trong ngành phân bón và nông nghiệp.

Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu nên phối hợp để áp dụng và phát triển công nghệ kết tủa struvite nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải và bảo vệ môi trường bền vững.