Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu đặc tính và khả năng sử dụng bùn thải đô thị Hà Nội làm phân bón" do nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Phương thực hiện tại Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên (năm 2018), chuyên ngành Khoa học môi trường (mã số: 9 44 03 01), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải và GS.TS. Nguyễn Thế Đặng.
Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng gia tăng nhanh chóng của khối lượng bùn thải đô thị tại Hà Nội qua các hoạt động xử lý nước thải và nạo vét hệ thống thoát nước. Bùn thải đô thị chứa hàm lượng các chất dinh dưỡng đa lượng như nitơ và phốt pho tương đối cao, có tiềm năng tái sử dụng làm phân bón. Tuy nhiên, bùn thải cũng đồng thời tích lũy các chất gây ô nhiễm, đặc biệt là kim loại nặng và các vi sinh vật gây bệnh, cản trở việc sử dụng trực tiếp trong nông nghiệp. Khối lượng bùn từ bể phốt phát sinh tại Hà Nội ước tính khoảng 500 - 700 tấn/ngày, trong khi bùn cống rãnh nạo vét đạt khoảng 120.000 m³/năm. Mặt khác, chi phí quản lý và xử lý bùn thải chiếm tới 30 - 40% tổng chi phí và 50% chi phí vận hành của một nhà máy xử lý nước thải tiêu biểu (Bala Subramanian, 2010). Quỹ đất dành cho việc chôn lấp bùn thải ngày càng hạn hẹp, đặt ra yêu cầu phải tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm xử lý và tái chế bùn thải thành tài nguyên phân bón hữu cơ.
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Thiếu cơ sở dữ liệu đồng bộ về đặc tính lý, hóa và sinh học của các nguồn bùn thải đô thị Hà Nội; thiếu một giải pháp kỹ thuật thân thiện với môi trường để tiền xử lý loại bỏ các kim loại nặng trong bùn thải trước khi đưa vào quy trình ủ sinh học; và thiếu các đánh giá thực nghiệm toàn diện về hiệu lực nông học cũng như độ an toàn của sản phẩm phân hữu cơ bùn thải đối với cây trồng và môi trường đất.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định như sau:
- Mục tiêu tổng quát: Đánh giá đặc tính và khả năng sử dụng bùn thải đô thị Hà Nội làm phân bón.
- Mục tiêu cụ thể:
- Đánh giá đặc điểm lý, hóa, sinh học và dự báo phát sinh khối lượng bùn thải đô thị Hà Nội.
- Đánh giá khả năng tách chiết một số kim loại nặng (Zn, Cu, Pb, Cr, Cd) trong bùn thải trạm xử lý nước thải sinh hoạt bằng dung dịch axit.
- Đánh giá khả năng ủ bùn thải đô thị sau xử lý kim loại nặng phối trộn với một số chất thải nông nghiệp (rơm, phân lợn) có bổ sung chế phẩm sinh học (EMIC và nấm Trichoderma spp.) làm phân bón hữu cơ.
- Đánh giá hiệu lực của phân hữu cơ bùn thải đối với cây cải bẹ (Brassica campestris L.) và cây xác pháo (Salvia splendens Ker.).
Đối tượng nghiên cứu:
- Bùn thải đô thị Hà Nội: Bùn từ bể tự hoại, bùn nạo vét hệ thống thoát nước (sông, mương, hồ) và bùn thải từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt (XLNTSH) tập trung (trạm Kim Liên, Trúc Bạch, Bắc Thăng Long, Yên Sở).
- Vật liệu phối trộn ủ phân: Rơm rạ mục, phân lợn, chế phẩm vi sinh vật EMIC và chế phẩm nấm Trichoderma spp.
- Sản phẩm phân hữu cơ bùn thải (HCBT) sau 75 ngày ủ.
- Cây trồng thử nghiệm: Cây cải bẹ Đông Dư (Brassica campestris L.) và cây hoa xác pháo (Salvia splendens Ker.).
Phạm vi nghiên cứu:
- Phạm vi không gian: Khảo sát, lấy mẫu bùn thải tại khu vực đô thị trung tâm thành phố Hà Nội; các thí nghiệm phân tích hóa lý thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa lý - Trường Đại học Y Dược Thái Nguyên; thí nghiệm ủ compost thực hiện tại Xưởng phân hữu cơ - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên; thí nghiệm thử nghiệm hiệu lực phân bón triển khai tại xã Đông Cao (thị xã Phổ Yên, tỉnh Thái Nguyên) và Nhà vườn Tùng Mến (Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên).
- Phạm vi thời gian: Thu thập dữ liệu thực nghiệm và khảo sát từ năm 2014 đến 2017; dự báo khối lượng bùn phát sinh đến các mốc thời gian năm 2020 và 2030 dựa theo Quy hoạch thoát nước Thủ đô Hà Nội.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu của luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đặc tính bùn thải, các phương pháp xử lý và tiềm năng tái sử dụng:
Các nghiên cứu về khối lượng và đặc tính bùn thải đô thị:
- Ngo Dinh Binh và cs (2007), Fytili và Zabaniotou (2008), Inglezakis và cs (2014) chỉ ra rằng tại châu Âu lượng bùn thải khô trên đầu người dao động khoảng 90 g/người/ngày, tổng lượng bùn thải xấp xỉ 10 triệu tấn/năm. Dominica (2006) ghi nhận tại Mỹ mỗi năm phát sinh khoảng 6,2 triệu tấn bùn khô từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị.
- Về thành phần dinh dưỡng và ô nhiễm, Fuerhacker (2010) và Cai và cs (2007) xác định bùn thải chứa hàm lượng nitơ, phốt pho cao nhưng chứa nhiều kim loại nặng (Zn, Cd, Pb, Cr, Cu, Ni) và các hợp chất hữu cơ độc hại (PCBs, PCDD/Fs, PAHs).
- Tại Việt Nam, Trần Đức Hạ (2014, 2016) đã phân tích thành phần cơ giới, hàm lượng hữu cơ và kim loại nặng trong bùn nạo vét cống rãnh và sông hồ tại Hà Nội, chỉ ra bùn cống rãnh có độ ẩm cao (75 - 92%) và hàm lượng cấp hạt cát, sét phân bố không đều. Nguyễn Việt Anh và cs (2014, 2015), Nguyễn Văn Phước (2009), Strauss và cs (2001) đã phân tích tính chất lý hóa của bùn bể tự hoại và bùn hoạt tính từ các trạm xử lý nước thải, ghi nhận hàm lượng COD, nitơ và phốt pho dồi dào nhưng tiềm ẩn mật độ trứng giun sán và vi khuẩn gây bệnh lớn.
Các nghiên cứu về xử lý và loại bỏ kim loại nặng trong bùn thải:
- Phương pháp chiết hóa học bằng axit vô cơ (HCl, H2SO4) được nghiên cứu bởi Wozniak và Huang (1982), Chen và cs (1990), cho hiệu suất tách Zn và Cd trên 90% ở pH từ 1,5 đến 2,0 nhưng làm biến tính nền bùn và đòi hỏi kỹ thuật trung hòa phức tạp.
- Phương pháp sử dụng axit hữu cơ (axit xitric, axit oxalic) được Veeken và cs (1999), Marchioretto và cs (2002), Hamelers và cs (1999) khảo sát. Kết quả chứng minh axit xitric có ưu thế tạo phức mạnh với các ion kim loại ở pH đệm nhẹ (3 - 5), dễ tự phân hủy sinh học hiếu khí lẫn kỵ khí, không làm phá hủy hoàn toàn chất hữu cơ trong bùn.
- Việc sử dụng các tác nhân tạo phức mạnh như EDTA, NTA được Chen và cs (1990) thực hiện, cho hiệu quả tách Pb tốt nhưng chi phí hóa chất cao và khó xử lý dịch thải sau chiết.
Các nghiên cứu về tái sử dụng bùn thải làm phân compost:
- Các nghiên cứu của Haug (1980), Trần Hiếu Nhuệ và cs (2008), Alexander (1991), Konstanczak (1999), Rynk và cs (1992), Schulze (2008) đã chuẩn hóa cơ sở lý thuyết về quá trình ủ hiếu khí (composting). Tỷ lệ C/N tối ưu của khối ủ được xác định dao động trong khoảng 20/1 đến 35/1 (Metcaft và Eddy, 2003; Diaz và cs, 1996; Yamada và cs, 2006). Nhiệt độ khối ủ cần đạt mức 50 - 65°C để tiêu diệt triệt để mầm bệnh và hạt cỏ dại.
- Ứng dụng bùn thải trong nông nghiệp đã được ghi nhận tại Mỹ (chiếm khoảng 50 - 60% lượng bùn khô sinh ra, theo Dominica, 2006; Vasileski, 2007) và các nước thuộc Cộng đồng chung châu Âu (trên 30 - 42%, theo Silveria, 2003; Lazarova và cs, 2012; Kelessidisa và Stasinakisa, 2012). Tại Việt Nam, việc nghiên cứu phối trộn bùn thải với phế phụ phẩm nông nghiệp có bổ sung chế phẩm sinh học đã được thử nghiệm bước đầu nhưng chưa được chuẩn hóa quy trình gắn liền với công đoạn khử kim loại nặng.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết:
Luận án tập trung giải quyết mắt xích kết hợp giữa khâu tiền xử lý hóa học (sử dụng dung dịch axit hữu cơ xitric để chiết rút kim loại nặng ra khỏi bùn thải trạm xử lý nước thải sinh hoạt) với khâu công nghệ sinh học (ủ compost hiếu khí bùn thải sau chiết kết hợp rơm rạ mục, phân lợn và chế phẩm vi sinh vật EMIC cùng nấm Trichoderma spp.), đồng thời đánh giá toàn diện hiệu quả nông học và sự tích lũy kim loại nặng trên rau ăn lá và hoa cây cảnh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết của luận án dựa trên hai quá trình chính:
- Cơ chế chiết hóa học tách kim loại nặng bằng dung dịch axit: Sự trao đổi proton giữa ion H⁺ của axit với các ion kim loại liên kết trong chất nền bùn thải: Bùn-M + H⁺ → Bùn-H + Mᶻ⁺ (Chen và Lo, 1990). Khi sử dụng axit xitric, ngoài cơ chế trao đổi proton còn có cơ chế tạo phức càng hóa (chelate) giữa anion citrate (gốc tri-cacboxylic) với các cation kim loại nặng (Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺), giúp hòa tan và chuyển kim loại vào pha lỏng ở môi trường axit yếu (pH 3 - 5).
- Cơ sở sinh hóa của quá trình ủ hiếu khí (composting): Quá trình khoáng hóa và mùn hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp dưới tác động của quần thể vi sinh vật hiếu khí (ưa ấm và ưa nhiệt). Quá trình phân hủy sinh nhiệt làm nhiệt độ khối ủ tăng cao (trên 55°C), tiêu diệt các vi sinh vật chỉ thị gây bệnh (E. coli, Salmonella, trứng giun sán), chuyển hóa nitơ hữu cơ thành các dạng khoáng (NH₄⁺, NO₃⁻) và ổn định tỷ lệ C/N về ngưỡng thích hợp cho cây trồng.
Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp thu thập tài liệu và dự báo: Thu thập tài liệu quy hoạch, số liệu dân số, lưu lượng nước thải của thành phố Hà Nội. Áp dụng phương pháp mô hình hóa và tính toán hệ số phát thải theo đầu người và công suất thiết kế trạm xử lý để dự báo khối lượng phát sinh bùn bể phốt, bùn hệ thống thoát nước và bùn trạm XLNT đến năm 2020 và 2030.
- Phương pháp lấy mẫu và phân tích phòng thí nghiệm: Lấy mẫu bùn thải tại bể chứa bùn của các trạm xử lý nước thải tập trung (Kim Liên, Trúc Bạch, Bắc Thăng Long, Yên Sở) và hệ thống thoát nước (sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, các hồ điều hòa). Phân tích các chỉ tiêu lý học (độ ẩm, tỷ trọng, thành phần cấp hạt), chỉ tiêu hóa học (pH, OM, C tổng số, N tổng số, P tổng số, K tổng số, CEC, các dạng đạm NH₄⁺, NO₃⁻, lân dễ tiêu) và hàm lượng kim loại nặng tổng số (Cd, Cu, Zn, Pb, Cr, As, Hg) cùng các dạng phân đoạn kim loại nặng bằng phương pháp chiết phân đoạn Tessier kết hợp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Phân tích vi sinh vật (E. coli, Salmonella, trứng giun sán) theo các tiêu chuẩn TCVN và QCVN liên quan.
- Phương pháp thực nghiệm chiết tách kim loại nặng: Thí nghiệm ngâm chiết bùn thải trạm XLNTSH Kim Liên bằng axit vô cơ (HCl, HNO3) và axit hữu cơ (axit xitric, axit oxalic) trong bình tam giác lắc. Khảo sát các biến số: Thời gian ngâm chiết (từ 1 giờ đến 24 giờ), nồng độ dung dịch axit (0,05 M; 0,1 M; 0,2 M; 0,5 M) và số bậc chiết tách (1 bậc, 2 bậc, 3 bậc). Tách pha rắn - lỏng bằng máy ly tâm để xác định hiệu suất loại bỏ kim loại và lượng dinh dưỡng còn lại trong bùn.
- Phương pháp thực nghiệm ủ phân compost: Bố trí thí nghiệm ủ hiếu khí quy mô đống ủ (luống ủ có đảo trộn) trong thời gian 75 ngày. Bùn thải sau chiết tách kim loại nặng được phối trộn với rơm rạ mục và phân lợn theo các tỷ lệ khối lượng khác nhau nhằm điều chỉnh tỷ lệ C/N ban đầu dao động từ 25/1 đến 30/1, độ ẩm ban đầu đạt 60 - 65%. Bổ sung chế phẩm sinh học EMIC (tỷ lệ 0,2 - 0,5%) và nấm đối kháng Trichoderma spp. Theo dõi định kỳ các thông số: Nhiệt độ đống ủ, độ ẩm, pH, tỷ lệ co giảm thể tích, sự biến thiên của C tổng số, N tổng số, NH₄⁺, NO₃⁻, P tổng số, lân dễ tiêu, K tổng số, mật độ vi sinh vật gây bệnh và hàm lượng kim loại nặng sau 75 ngày.
- Phương pháp thử nghiệm hiệu lực nông học: Bố trí thí nghiệm đồng ruộng đối với cây cải bẹ Đông Dư và thí nghiệm chậu vại đối với cây hoa xác pháo theo khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD) với các công thức bón: Đối chứng (không bón), bón phân khoáng vô cơ tiêu chuẩn, và các mức liều lượng phân hữu cơ bùn thải (HCBT) thay thế một phần hoặc toàn bộ phân khoáng/phân chuồng. Đo đạc các chỉ tiêu sinh trưởng (chiều cao, số lá, diện tích lá, đường kính thân, số cành), năng suất sinh học, năng suất thương phẩm, tỷ lệ hoa loại 1, phân tích dư lượng nitrat (NO₃⁻) và kim loại nặng tích lũy trong mô thực vật; phân tích tính chất lý hóa đất trước và sau thí nghiệm.
- Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu được xử lý thống kê bằng phần mềm Excel và phần mềm chuyên dụng IRRISTAT/SAS, phân tích phương sai (ANOVA), so sánh sự sai khác giữa các giá trị trung bình bằng phép thử sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa (LSD ở mức xác suất p < 0,05). Đánh giá hiệu quả kinh tế thông qua tỷ số giữa tổng thu tăng thêm do bón phân và chi phí phân bón tăng thêm (chỉ số VCR).
Nguồn tư liệu và dữ liệu: Số liệu quan trắc hiện trạng môi trường của Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Công ty Thoát nước Hà Nội, Công ty Môi trường Đô thị Hà Nội (URENCO), số liệu thực nghiệm phân tích tại phòng thí nghiệm Hóa lý của Trường Đại học Y Dược Thái Nguyên và các đề tài nghiên cứu mã số QG 17.06 và QMT.03.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm, cơ chế pháp lý, hiện trạng quản lý bùn thải và các nghiên cứu xử lý bùn trên thế giới cũng như tại Hà Nội:
- Phân loại bùn thải đô thị theo Nghị định 80/2014/NĐ-CP và QCVN 50:2013/BTNMT gồm: Bùn bể phốt (hàm lượng hữu cơ và vi sinh vật gây bệnh rất cao), bùn nạo vét cống rãnh, sông hồ (thành phần cơ giới phức tạp, nhiều cát và cặn vô cơ) và bùn từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt (bùn sinh học giàu nitơ, phốt pho nhưng chứa kim loại nặng tích tụ).
- Khái quát tính chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm trong bùn: Hàm lượng chất hữu cơ trong bùn bể tự hoại biến đổi theo thời gian lưu giữ (lưu giữ 1 - 3 năm có chất hữu cơ chiếm 71 - 81%, nitơ 2,4 - 3,0%, phốt pho 2,9 - 2,7%; lưu giữ trên 3 năm chất hữu cơ giảm xuống còn 30,4%). Bùn từ hệ thống thoát nước Hà Nội có sự khác biệt rõ rệt giữa cống, mương và ao hồ (bùn ao hồ có chất hữu cơ từ 55 - 75%, bùn cống từ 25 - 40%).
| Loại bùn / chất thải |
Chất hữu cơ (% KL khô) |
Nitơ tổng số (% KL khô) |
Phốt pho tổng số (% KL khô) |
Tỷ lệ C/N |
Nguồn trích dẫn trong văn bản |
| Bùn bể tự hoại (1 - 3 năm) |
71 - 81 |
2,4 - 3,0 |
2,9 - 2,7 |
- |
Nguyễn Văn Phước (2009) |
| Bùn bể tự hoại (> 3 năm) |
30,4 |
0,97 |
0,71 |
- |
Nguyễn Văn Phước (2009) |
| Bùn cống thoát nước |
25 - 40 |
1,4 - 2,0 |
1,3 - 1,9 |
- |
Trần Đức Hạ (2016) |
| Bùn mương thoát nước |
45 - 65 |
2,7 - 3,5 |
2,1 - 3,3 |
- |
Trần Đức Hạ (2016) |
| Bùn ao hồ đô thị |
55 - 75 |
2,9 - 4,3 |
2,6 - 3,8 |
- |
Trần Đức Hạ (2016) |
| Bùn hoạt tính chưa phân hủy |
- |
5,6 |
- |
6,3 |
Schulze (2008) |
| Bùn hoạt tính đã phân hủy |
- |
1,88 |
- |
15,7 |
Schulze (2008) |
| Phân lợn |
- |
3,75 |
- |
20,0 |
Schulze (2008) |
| Rơm lúa mì |
- |
0,3 |
- |
128,0 |
Schulze (2008) |
| Mạt cưa |
- |
0,1 |
- |
200 - 500 |
Schulze (2008) |
- Đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong bùn thoát nước Hà Nội qua số liệu của các tác giả trước đây: Hàm lượng Pb trong bùn sông Kim Ngưu đạt 73,7 mg/kg; bùn sông Tô Lịch đạt 28,5 mg/kg; As trong bùn sông Kim Ngưu là 24,43 mg/kg, vượt ngưỡng quy chuẩn đất nông nghiệp QCVN 03-MT:2015/BTNMT (giới hạn As là 15 mg/kg, Pb là 70 mg/kg), cho thấy không thể sử dụng trực tiếp nếu chưa qua xử lý.
- Phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp xử lý bùn hiện hành: Phương pháp chôn lấp (tốn diện tích, nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm); phương pháp nhiệt gồm đốt, nhiệt phân, khí hóa (chi phí đầu tư và vận hành rất lớn, chỉ thích hợp khi có nguồn thu hồi nhiệt tập trung); phương pháp phân hủy kỵ khí thu khí sinh học (chi phí xây dựng cao hơn 1,2 - 1,5 lần so với ủ compost theo Biey, 2003); và phương pháp ủ hiếu khí compost (chi phí vừa phải, tạo sản phẩm hữu cơ ổn định, giảm thể tích bùn và tận dụng được hàm lượng dinh dưỡng cao).
- Tổng hợp các công trình tách kim loại nặng: Phương pháp chiết bằng axit xitric có ưu điểm vượt trội về độ an toàn sinh thái so với axit vô cơ và tác nhân tạo phức EDTA, NTA do có khả năng tự phân hủy sinh học và làm việc ở dải pH đệm 3 - 5.
Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 mô tả chi tiết phương pháp luận và cách thức triển khai thực nghiệm:
- Bố trí vị trí lấy mẫu bùn thải đô thị Hà Nội đại diện cho các công trình: Bể chứa bùn trạm XLNTSH Kim Liên (công nghệ sinh học hiếu khí), trạm Trúc Bạch, Bắc Thăng Long và trạm Yên Sở; các điểm trầm tích sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu và một số hồ nội thành.
- Thiết lập quy trình thí nghiệm chiết tách kim loại nặng bằng dung dịch axit: Mẫu bùn được sấy khô, nghiền mịn qua rây, phối trộn với dung dịch axit xitric, axit oxalic, HCl, HNO3 theo các tỷ lệ lỏng/rắn xác định. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắc ngâm (1, 2, 4, 8, 12, 24 giờ), nồng độ dung dịch (0,05 M; 0,1 M; 0,2 M; 0,5 M) và thử nghiệm số bậc chiết (chiết 1 lần, 2 lần, 3 lần). Sau mỗi chu kỳ chiết, tiến hành ly tâm tách bã bùn, phân tích hàm lượng kim loại nặng còn lại trong bã và nồng độ hòa tan trong dịch chiết.
- Thiết kế các công thức ủ phân hữu cơ bùn thải (HCBT): Bùn sau khi chiết rút kim loại nặng được trung hòa, phối trộn với rơm rạ chặt ngắn và phân lợn hoai mục để đưa tỷ lệ C/N ban đầu về mức 25 - 30, độ ẩm 60 - 65%. Bổ sung chế phẩm vi sinh vật phân giải xenlulo và đối kháng nấm bệnh gồm EMIC và Trichoderma spp. Thời gian theo dõi khối ủ kéo dài 75 ngày; đo đạc nhiệt độ hàng ngày; phân tích tính chất hóa học và mật độ vi sinh vật tại các mốc thời gian (ngày 1, 15, 30, 45, 60, 75).
- Bố trí các công thức thí nghiệm đồng ruộng và chậu vại:
- Thí nghiệm trên cây cải bẹ Đông Dư: Gồm các công thức đối chứng không bón phân, công thức bón phân khoáng vô cơ theo khuyến cáo địa phương, và các công thức bón phân HCBT ở các mức liều lượng khác nhau (kết hợp giảm lượng phân đạm, lân vô cơ).
- Thí nghiệm trên cây hoa xác pháo: Bố trí các công thức giá trị cơ chất thay thế đất/phân chuồng bằng các tỷ lệ phân HCBT khác nhau nhằm đánh giá khả năng sinh trưởng thân cành, chất lượng ngồng hoa và độ bền màu của hoa.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được qua 4 nội dung chính:
- Đặc tính bùn thải đô thị Hà Nội và dự báo phát sinh:
- Dự báo lượng bùn bể phốt phát sinh tại khu vực đô thị Hà Nội: Năm 2015 phát sinh khoảng 250 nghìn tấn; dự báo đến năm 2020 tăng lên khoảng 345 nghìn tấn. Lượng bùn nạo vét hệ thống thoát nước đến năm 2030 dự báo đạt khoảng 161 nghìn tấn/năm. Bùn thải từ các trạm XLNT tập trung năm 2016 đạt khoảng 33 nghìn tấn/năm; khi 29 nhà máy XLNT tập trung theo quy hoạch đến năm 2030 đi vào hoạt động với tổng công suất trên 1.300.000 m³/ngày, lượng bùn phát sinh sẽ vượt 300 nghìn tấn/năm.
- Phân tích đặc tính: Bùn nạo vét hệ thống thoát nước có hàm lượng chất rắn thô lớn; bùn ao hồ có hàm lượng chất hữu cơ cao (55 - 75%), nitơ tổng số 2,9 - 4,3%, phốt pho tổng số 2,6 - 3,8%. Bùn bể chứa trạm XLNTSH Kim Liên có độ ẩm cao (trên 80%), hàm lượng chất hữu cơ đạt 48,5 - 56,2% chất khô, nitơ tổng số đạt 2,8 - 3,5%, phốt pho tổng số đạt 1,5 - 2,2%.
- Hàm lượng kim loại nặng trong bùn trạm XLNTSH Kim Liên: Cu tổng số dao động 185 - 240 mg/kg; Zn tổng số 620 - 850 mg/kg; Pb tổng số 85 - 120 mg/kg; Cr tổng số 65 - 95 mg/kg; Cd tổng số 2,1 - 3,8 mg/kg. Hàm lượng vi sinh vật chỉ thị: Mật độ Coliforms, E. coli và trứng giun sán ở mức cao, vượt ngưỡng cho phép sử dụng trực tiếp làm phân bón theo quy chuẩn kỹ thuật.
- Kết quả tách chiết kim loại nặng bằng dung dịch axit:
- Đánh giá dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn trạm Kim Liên: Zn tồn tại chủ yếu ở dạng liên kết với hợp chất hữu cơ và cacbonat; Cu liên kết chặt chẽ với hợp chất hữu cơ và sunfua; Pb tồn tại phần lớn ở dạng cacbonat và liên kết hữu cơ; Cr tồn tại chủ yếu ở dạng cặn trơ.
- Ảnh hưởng của tác nhân axit: Axit xitric cho thấy hiệu quả hòa tan và tạo phức vượt trội đối với các dạng kim loại linh động mà không gây phá hủy cấu trúc hữu cơ mùn của bùn so với HCl hay HNO3. Axit oxalic cho hiệu suất thấp nhất do tạo kết tủa canxi oxalat cản trở quá trình chiết.
- Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian ngâm chiết: Khi tăng nồng độ axit xitric từ 0,05 M lên 0,2 M, hiệu suất tách Cu tăng từ 42% lên 68%, Zn tăng từ 55% lên 82%, Cd tăng từ 50% lên 76%. Nâng nồng độ lên 0,5 M hiệu suất tăng không đáng kể. Thời gian ngâm chiết tối ưu đạt trạng thái cân bằng sau 8 - 12 giờ lắc ngâm.
- Ảnh hưởng của số bậc chiết: Quy trình chiết 2 bậc bằng dung dịch axit xitric 0,1 - 0,2 M cho phép loại bỏ trên 75% lượng Zn, trên 70% Cu, trên 65% Cd và trên 60% Pb, đưa hàm lượng các kim loại nặng trong bùn về dưới ngưỡng an toàn theo quy chuẩn sản xuất phân bón. Sau khi chiết, lượng nitơ và chất hữu cơ trong bùn vẫn được giữ lại phần lớn (thất thoát chất hữu cơ dưới 15%).
- Kết quả thực nghiệm ủ phân hữu cơ (composting) trong 75 ngày:
- Diễn biến nhiệt độ: Trong 3 - 5 ngày đầu, nhiệt độ các đống ủ tăng nhanh lên mức 52 - 58°C, duy trì giai đoạn ưa nhiệt kéo dài hơn 10 ngày, đảm bảo tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn gây bệnh và mầm cỏ dại. Sau 30 ngày, nhiệt độ giảm dần và ổn định ngang nhiệt độ môi trường.
- Diễn biến thể tích và ẩm độ: Khối ủ co giảm thể tích từ 35% đến 42% sau 75 ngày; ẩm độ giảm từ 62% xuống còn 35 - 40%.
- Chuyển hóa hóa học: Tổng hàm lượng cacbon hữu cơ giảm do quá trình khoáng hóa giải phóng CO2; hàm lượng nitơ tổng số có xu hướng tăng tương đối do giảm khối lượng chất khô; nitơ dạng NH₄⁺ đạt cực đại ở giai đoạn đầu rồi chuyển hóa dần sang dạng NO₃⁻ nhờ quá trình nitrat hóa ở giai đoạn ủ chín; tỷ lệ C/N ban đầu từ 26 - 28 giảm đều đặn và đạt mức 12 - 14 sau 75 ngày, phản ánh độ hoai mục hoàn toàn của phân. Hàm lượng lân dễ tiêu tăng mạnh nhờ sự phân giải của vi sinh vật trong chế phẩm EMIC và Trichoderma.
- Chỉ tiêu vệ sinh và an toàn: Sau 75 ngày ủ, mật độ Salmonella hoàn toàn âm tính, mật độ E. coli giảm xuống dưới mức phát hiện (< 10 CFU/g), không phát hiện trứng giun sán còn sống. Hàm lượng As, Pb, Hg, Cd đều đạt tiêu chuẩn quy định cho phân bón hữu cơ.
- Khái tính chi phí sản xuất: Luận án tính toán chi phí nguyên phụ liệu, hóa chất axit xitric, chế phẩm vi sinh, công lao động và điện năng để sản xuất 1 tấn phân HCBT ở mức có tính khả thi kinh tế so với giá thị trường của các dòng phân hữu cơ vi sinh thương mại.
- Kết quả thử nghiệm hiệu lực của phân HCBT đối với cây trồng:
- Hiệu lực trên cây rau cải bẹ Đông Dư: Bón phân HCBT với liều lượng hợp lý kết hợp giảm 30 - 50% phân đạm vô cơ giúp cây sinh trưởng tốt, lá to, bản lá dày, rút ngắn thời gian sinh trưởng 3 - 5 ngày so với bón phân đơn thuần. Năng suất thực thu tăng từ 12,5% đến 21,8% so với đối chứng bón phân thông thường của nông dân. Phân tích nông sản cho thấy hàm lượng nitrat trong rau nằm trong ngưỡng an toàn cho phép theo quy định của Bộ Y tế, không phát hiện tích lũy kim loại nặng vượt ngưỡng trong mô lá. Hiệu quả kinh tế thể hiện qua chỉ số VCR đạt trên 2,0.
- Hiệu lực trên cây hoa xác pháo: Công thức phối trộn 20 - 30% phân HCBT vào giá thể trồng giúp cây tăng trưởng chiều cao thân đồng đều, tăng số cành cấp 1, đường kính thân mập hơn, ngồng hoa dài, màu sắc hoa đỏ tươi, tỷ lệ hoa đạt tiêu chuẩn thương phẩm loại 1 tăng trên 18% so với công thức đối chứng sử dụng phân chuồng truyền thống.
- Cải thiện chất lượng đất: Sau chu kỳ thử nghiệm, đất được bón phân HCBT có độ pH chuyển biến theo hướng trung tính hóa, hàm lượng mùn hữu cơ (OM) trong đất tăng từ 0,35% đến 0,62%, dung tích hấp thu cation (CEC) tăng lên, không ghi nhận sự tích lũy kim loại nặng tồn lưu trong đất canh tác.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:
- Luận án đã làm sáng tỏ cơ chế và xác lập các thông số động học của quá trình chiết tách chọn lọc các kim loại nặng (Cu, Zn, Pb, Cr, Cd) từ bùn thải của trạm xử lý nước thải sinh hoạt bằng dung dịch axit xitric ở nồng độ thấp (0,1 - 0,2 M) và pH đệm tự nhiên, chứng minh khả năng bảo tồn hàm lượng dinh dưỡng hữu cơ sau chiết.
- Cung cấp cơ sở khoa học về sự biến thiên các thông số hóa sinh (C/N, NH₄⁺, NO₃⁻, lân dễ tiêu, các phân đoạn mùn) và diễn thế vi sinh vật trong quá trình đồng ủ compost bùn thải đô thị đã khử kim loại nặng với phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ mục, phân lợn) có sự tham gia của hệ vi sinh vật chức năng (EMIC, nấm Trichoderma spp.).
Những đóng góp mới về mặt thực tiễn:
- Đã đề xuất phương án chiết rút bằng dung dịch axit xitric để tiền xử lý kim loại nặng trong bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung làm cơ chất sạch cho quá trình ủ phân compost.
- Đã hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ từ bùn thải trạm xử lý nước thải sinh hoạt sau khi loại bỏ kim loại nặng kết hợp phụ phẩm nông nghiệp và chế phẩm sinh học, tạo ra sản phẩm phân bón HCBT đạt tiêu chuẩn chất lượng và an toàn sinh học.
- Xác lập được các công thức bón phân HCBT hiệu quả cho rau cải bẹ Đông Dư và cây hoa xác pháo, đem lại hiệu quả kinh tế cao và bảo vệ môi trường đất trồng.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:
- Thành phố Hà Nội và các cơ quan quản lý chuyên ngành cần sớm ban hành hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về phân loại và kiểm soát bùn thải tại nguồn, quy định cụ thể việc phân loại bùn thải sinh hoạt không nguy hại để phục vụ tái chế nông nghiệp.
- Ứng dụng quy trình chiết rút kim loại bằng axit xitric kết hợp ủ compost pilot tại các nhà máy xử lý nước thải đô thị quy mô lớn (như Yên Sở, Bắc Thăng Long) nhằm giảm thiểu khối lượng bùn thải phải vận chuyển đi chôn lấp tại bãi rác Nam Sơn hoặc Kiêu Kỵ.
- Khuyến khích liên kết giữa các đơn vị thoát nước, môi trường đô thị với các cơ sở sản xuất phân bón hữu cơ để thương mại hóa sản phẩm phân HCBT.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Thí nghiệm chiết tách kim loại nặng và ủ phân compost mới chỉ tập trung sâu vào nguồn bùn thải phát sinh từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt Kim Liên (nơi có đặc tính nước thải sinh hoạt điển hình); chưa thực hiện chiết tách trên bùn nạo vét cống rãnh tiếp nhận nước thải công nghiệp hỗn hợp với nồng độ kim loại nặng quá cao.
- Thí nghiệm chiết tách kim loại nặng bằng axit xitric mới được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và mẻ nhỏ; chưa đánh giá đầy đủ giải pháp thu hồi, tái sinh dung dịch axit xitric sau chiết để hạ giá thành xử lý ở quy mô công nghiệp liên tục.
- Khảo nghiệm nông học mới dừng lại ở hai đối tượng cây trồng (rau cải bẹ ăn lá ngắn ngày và cây hoa xác pháo) trong phạm vi một vài vụ thử nghiệm; chưa theo dõi liên tục sự tích lũy kim loại nặng trong đất và sinh khối thực vật qua chu kỳ canh tác nhiều năm liên tiếp.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ thu hồi kim loại nặng từ dịch chiết axit xitric bằng phương pháp kết tủa sunfua hoặc trao đổi ion nhằm tái sử dụng dung dịch chiết và giảm thiểu chất thải thứ cấp.
- Mở rộng thử nghiệm quy trình tiền xử lý và ủ compost đối với các nguồn bùn từ các nhà máy xử lý nước thải tập trung công suất lớn khác trên địa bàn Hà Nội.
- Đánh giá ảnh hưởng dài hạn của phân hữu cơ bùn thải trên các nhóm cây trồng lâm nghiệp, cây công nghiệp và cây ăn quả trên các loại đất bạc màu và đất đồi dốc.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho các nhóm đối tượng sau:
- Các nhà quản lý môi trường đô thị (Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Công ty URENCO, Công ty Thoát nước Hà Nội): Cung cấp số liệu dự báo lượng bùn phát sinh đến năm 2030 và cơ sở kỹ thuật để xây dựng phương án giảm tải áp lực chôn lấp chất thải đô thị.
- Các nhà khoa học, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Môi trường, Đất và Dinh dưỡng Cây trồng: Tham khảo phương pháp chiết phân đoạn kim loại nặng, phương pháp tách chiết bằng axit hữu cơ, quy trình kiểm soát các chỉ tiêu động học của đống ủ compost và các kỹ thuật bố trí thí nghiệm nông học.
- Các doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ: Tham khảo quy trình công nghệ sản xuất phân HCBT, tỷ lệ phối trộn nguyên liệu (bùn, rơm rạ, phân lợn, chế phẩm vi sinh) và bảng khái tính chi phí sản xuất để ứng dụng vào thực tế sản xuất.
Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong luận án gồm:
- Cơ sở dữ liệu phân tích thành phần lý hóa và phân đoạn tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải đô thị Hà Nội tại Chương 1 và Chương 3.
- Các bảng số liệu thực nghiệm về thời gian, nồng độ và số bậc chiết kim loại bằng axit xitric trong Chương 3.
- Quy trình kỹ thuật ủ compost 75 ngày có kiểm soát nhiệt độ và tỷ lệ C/N kết hợp vi sinh vật phân giải tại Chương 3.
Câu hỏi thường gặp
-
Tại sao tác giả lại lựa chọn axit xitric để tách chiết kim loại nặng trong bùn thải thay vì sử dụng các axit vô cơ mạnh như HCl hay H2SO4?
Axit vô cơ mạnh (HCl, H2SO4) tuy có khả năng hòa tan kim loại nhanh ở pH rất thấp (1,5 - 2,0) nhưng lại phá hủy hoàn toàn cấu trúc mùn hữu cơ của bùn, làm thất thoát phần lớn dưỡng chất và đưa vào môi trường lượng lớn ion vô cơ khó xử lý. Trong khi đó, axit xitric là một axit hữu cơ tri-cacboxylic, vừa cung cấp proton vừa tạo phức chelate bền vững với các cation kim loại nặng ở môi trường axit yếu (pH 3 - 5). Hơn nữa, axit xitric dễ dàng bị phân hủy sinh học tự nhiên trong cả điều kiện hiếu khí và kỵ khí, không để lại dư lượng độc hại, giúp giữ lại trên 85% hàm lượng chất hữu cơ ban đầu trong bã bùn để phục vụ ủ compost.
-
Tỷ lệ C/N của nguyên liệu ban đầu có vai trò như thế nào và được điều chỉnh ra sao trong quy trình ủ bùn thải của luận án?
Tỷ lệ C/N là yếu tố dinh dưỡng quyết định tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật và hiệu quả khoáng hóa chất hữu cơ. Bùn hoạt tính trạm xử lý nước thải thường có tỷ lệ C/N rất thấp (khoảng 6,3 đến 15,7 theo Schulze, 2008), nếu ủ đơn lẻ sẽ dẫn đến tình trạng dư thừa đạm, làm thất thoát nitơ dưới dạng khí amoniac (NH3) gây mùi hôi thối nồng nặc. Luận án đã tiến hành phối trộn bùn thải sau chiết với các phụ phẩm nông nghiệp giàu cacbon là rơm rạ mục (C/N khoảng 128) và phân lợn (C/N khoảng 20) để nâng tỷ lệ C/N ban đầu của hỗn hợp lên mức tối ưu 25/1 - 30/1, giúp vi sinh vật phát triển thuận lợi và đống ủ đạt nhiệt độ khử trùng trên 55°C.
-
Sản phẩm phân hữu cơ bùn thải (HCBT) sau 75 ngày ủ có bảo đảm tuyệt đối các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn sinh học không?
Có. Dưới tác động nhiệt sinh học của pha ưa nhiệt (nhiệt độ duy trì từ 52 - 58°C trong hơn 10 ngày đầu) kết hợp với hoạt tính đối kháng của nấm Trichoderma spp. và tập đoàn vi sinh vật hữu hiệu trong EMIC, sau 75 ngày ủ, vi khuẩn Salmonella hoàn toàn âm tính, mật độ E. coli giảm xuống dưới 10 CFU/g và không còn phát hiện trứng giun sán sống. Đồng thời, do đã được tiền xử lý chiết tách kim loại nặng bằng axit xitric, hàm lượng các kim loại nguy hại (Cd, Pb, As, Hg) trong sản phẩm cuối cùng đều nằm dưới ngưỡng quy định của tiêu chuẩn quốc gia về phân bón hữu cơ.
-
Hiệu lực nông học của phân HCBT đối với năng suất và chất lượng rau cải bẹ Đông Dư được thể hiện cụ thể bằng số liệu nào?
Thực nghiệm cho thấy bón phân HCBT kết hợp giảm 30 - 50% đạm vô cơ giúp rút ngắn thời gian sinh trưởng của rau cải bẹ từ 3 đến 5 ngày, năng suất thực thu tăng từ 12,5% đến 21,8% so với tập quán bón phân thông thường của nông dân. Nông sản sau thu hoạch bảo đảm an toàn vệ sinh thực phẩm với hàm lượng nitrat (NO₃⁻) nằm trong ngưỡng tiêu chuẩn của Bộ Y tế, không phát hiện tích lũy kim loại nặng vượt ngưỡng trong mô lá, và chỉ số hiệu quả kinh tế VCR đạt trên 2,0.
-
Dự báo đến năm 2030, lượng bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải tập trung tại Hà Nội sẽ thay đổi như thế nào?
Theo Quy hoạch thoát nước Thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn 2050, khi 29 nhà máy xử lý nước thải tập trung được hoàn thành với tổng công suất xử lý trên 1.300.000 m³/ngày đêm, lượng bùn thải phát sinh từ các trạm xử lý nước thải tập trung sẽ tăng vọt từ mức 33 nghìn tấn/năm (năm 2016) lên trên 300 nghìn tấn/năm. Xu hướng chuyển dịch này khiến nguồn bùn từ các nhà máy xử lý nước thải trở thành nguồn bùn đô thị chiếm tỷ trọng lớn nhất, khẳng định sự cần thiết của việc áp dụng giải pháp công nghệ chế biến bùn thành phân bón hữu cơ để giải quyết bài toán thiếu quỹ đất chôn lấp.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Thị Hồng Phương là một công trình nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống, giải quyết đồng thời hai mục tiêu bảo vệ môi trường đô thị và tận thu tài nguyên dinh dưỡng phục vụ nông nghiệp sạch. Bằng việc đề xuất thành công phương án tiền xử lý chiết rút kim loại nặng bằng dung dịch axit xitric và hoàn thiện quy trình ủ compost bùn thải với phế phẩm nông nghiệp bổ sung chế phẩm vi sinh EMIC và Trichoderma spp. trong 75 ngày, công trình đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của việc sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải sinh hoạt. Kết quả khảo nghiệm thực tế trên cây cải bẹ Đông Dư và cây hoa xác pháo khẳng định sản phẩm phân hữu cơ bùn thải không những nâng cao năng suất, chất lượng cây trồng và cải thiện độ phì của đất mà còn bảo đảm các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về an toàn thực phẩm và vệ sinh môi trường. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc phục vụ công tác quy hoạch, quản lý chất thải rắn và phát triển nông nghiệp đô thị bền vững tại thành phố Hà Nội.
