Luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn bể bio gas giúp ổn định thành phần dinh dưỡng đa lượng

Luận văn nghiên cứu phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn biogas, giúp ổn định dinh dưỡng đa lượng cho cây trồng. Giải pháp kỹ thuật môi trường bền vững.

• Tác giả: Hồ Thanh Thuận
• Người hướng dẫn: TS. Võ Nguyễn Xuân Quế
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn bể bio-gas giúp ổn định thành phần dinh dưỡng đa lượng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phân Bón Hữu Cơ Vi Sinh Giải Pháp Dinh Dưỡng Đa Lượng

Nền nông nghiệp hiện đại đang đối mặt với nhiều thách thức lớn, đặc biệt là sự phụ thuộc quá mức vào phân bón hóa học và các hóa chất nông nghiệp. Điều này không chỉ gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng đất, sức khỏe cây trồng và môi trường, mà còn đe dọa đến sự bền vững của hệ sinh thái nông nghiệp. Theo nghiên cứu của Đại học Bách Khoa TP.HCM, việc sử dụng lâu dài các hóa chất nông nghiệp hủy hoại giá trị dinh dưỡng, sản lượng, năng suất của cây trồng, sản phẩm trồng trọt và chất lượng môi trường đất cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Chính vì vậy, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế phân bón hóa học bằng các nguồn phân bón thân thiện môi trường và bền vững là vô cùng cấp thiết. Phân bón hữu cơ vi sinh nổi lên như một giải pháp tiềm năng, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho nền nông nghiệp.

1.1. Tổng quan về phân bón hữu cơ vi sinh

Phân bón hữu cơ vi sinh là loại phân bón chứa các vi sinh vật có lợi giúp cải thiện dinh dưỡng cho cây trồng. Các vi sinh vật này có khả năng cố định đạm, hòa tan lân, phân giải kali và sản xuất các chất kích thích sinh trưởng, giúp cây trồng hấp thu dinh dưỡng tốt hơn. Đồng thời, chúng còn giúp cải tạo đất, tăng cường hệ vi sinh vật có lợi trong đất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.2. Vai trò của dinh dưỡng đa lượng NPK cho cây trồng

Dinh dưỡng đa lượng bao gồm các nguyên tố Nitơ (N), Phốt pho (P), và Kali (K), đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Nitơ cần thiết cho sự phát triển của lá và thân, phốt pho quan trọng cho sự phát triển của rễ và hoa, còn kali giúp cây trồng chống chịu bệnh tật và tăng cường chất lượng quả. Việc cung cấp đầy đủ dinh dưỡng đa lượng là yếu tố then chốt để đảm bảo năng suất và chất lượng nông sản.

II. Bùn Biogas Nguồn Tài Nguyên Tiềm Năng Cho Phân Bón Hữu Cơ

Bùn biogas là sản phẩm phụ từ quá trình phân hủy kỵ khí các chất thải hữu cơ trong các hệ thống biogas. Thay vì bị coi là chất thải, bùn biogas chứa đựng một nguồn tài nguyên dinh dưỡng phong phú, bao gồm các chất hữu cơ, dinh dưỡng đa lượng (N, P, K) và các vi sinh vật có lợi. Theo luận văn của Hồ Thanh Thuận từ ĐH Bách Khoa TP.HCM, bùn thải sinh học của các hệ thống biogas chủ yếu bao gồm sinh khối vi sinh vật cũng như phần chất thải rắn chưa phân hủy, có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn so với bùn sinh học từ quá trình phân hủy hiếu khí. Việc tận dụng bùn biogas để sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra một nguồn phân bón giá trị, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

2.1. Thành phần và đặc tính của bùn biogas

Bùn biogas có thành phần phức tạp, bao gồm các chất hữu cơ đã phân hủy một phần, dinh dưỡng đa lượng (N, P, K), các nguyên tố vi lượng và các vi sinh vật. Hàm lượng dinh dưỡng trong bùn biogas phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào và quy trình biogas. Tuy nhiên, nhìn chung, bùn biogas là một nguồn dinh dưỡng tiềm năng cho cây trồng. Nồng độ NH4+-N cao giúp bùn biogas có khả năng thúc đẩy tăng trưởng thực vật mạnh mẽ hơn bùn thô chưa qua quá trình phân hủy kỵ khí.

2.2. Ứng dụng bùn biogas trong sản xuất phân bón

Bùn biogas có thể được sử dụng trực tiếp hoặc sau khi qua xử lý để sản xuất phân bón hữu cơ. Việc xử lý bùn biogas có thể bao gồm các phương pháp như ủ, sấy khô, hoặc phối trộn với các nguyên liệu khác để tạo ra phân bón có chất lượng tốt hơn. Việc ứng dụng bùn biogas làm phân bón giúp tận dụng nguồn tài nguyên tái tạo, giảm chi phí sản xuất phân bón và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

III. Nghiên Cứu Phân Bón Nhả Chậm Từ Bùn Biogas Phương Pháp

Để tận dụng tối đa dinh dưỡng từ bùn biogas và giảm thiểu thất thoát dinh dưỡng trong quá trình sử dụng, công nghệ phân bón nhả chậm được áp dụng. Phân bón nhả chậm giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách từ từ và liên tục, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cây trong suốt quá trình sinh trưởng. Luận văn của Hồ Thanh Thuận đã nghiên cứu phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn biogas bằng cách sử dụng lớp phủ polymer sinh học dựa trên gelatin và glycerin, giúp đạt hiệu quả nhả chậm dinh dưỡng và giảm thất thoát chất dinh dưỡng.

3.1. Công nghệ nhả chậm trong phân bón hữu cơ

Công nghệ nhả chậm trong phân bón dựa trên nguyên tắc kiểm soát tốc độ giải phóng dinh dưỡng từ phân bón. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các lớp phủ đặc biệt, các vật liệu trơ hoặc các kỹ thuật khác để hạn chế sự hòa tan và giải phóng dinh dưỡng vào đất. Công nghệ nhả chậm giúp tăng hiệu quả sử dụng phân bón, giảm thiểu thất thoát dinh dưỡng và bảo vệ môi trường.

3.2. Tiền xử lý bùn biogas trước khi phối trộn phân bón

Để đảm bảo chất lượng phân bón và an toàn cho cây trồng, bùn biogas cần được tiền xử lý trước khi phối trộn. Quá trình tiền xử lý có thể bao gồm các bước như tách nước, khử mùi, loại bỏ các chất độc hại và điều chỉnh pH. Theo nghiên cứu của Hồ Thanh Thuận, phương pháp oxy hóa Fenton là bước tiền xử lý hiệu quả trong xử lý mùi, vi sinh có hại và điều chỉnh pH của bùn lỏng bể biogas, giúp tăng cường tiềm năng tận thu nguồn phế phẩm bùn thải bể biogas làm phân bón hữu cơ.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Phân Bón Bùn Biogas Cho Cây Cải Bẹ Dưa

Nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn biogas trên cây cải bẹ dưa. Kết quả cho thấy, phân bón này có khả năng cung cấp dinh dưỡng đa lượng đầy đủ cho sự sinh trưởng và phát triển của cây cải bẹ dưa, tương đương với hiệu quả khi sử dụng viên phân thương mại với tỷ lệ thành phần dinh dưỡng tương đương. Lớp phủ polymer sinh học giúp giảm thất thoát chất dinh dưỡng theo nước tưới và đảm bảo cung cấp dinh dưỡng liên tục cho cây.

4.1. So sánh hiệu quả của phân bón biogas với phân bón thương mại

Nghiên cứu đã so sánh hiệu quả của phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn biogas với phân bón thương mại trên cây cải bẹ dưa. Kết quả cho thấy, phân bón biogas có hiệu quả tương đương trong việc cung cấp dinh dưỡng và thúc đẩy sinh trưởng của cây. Điều này chứng tỏ tiềm năng của bùn biogas trong việc thay thế một phần hoặc toàn bộ phân bón hóa học, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường.

4.2. Đánh giá mức độ thất thoát dinh dưỡng qua nước tưới

Một trong những ưu điểm của phân bón nhả chậm là giảm thiểu thất thoát dinh dưỡng qua nước tưới. Nghiên cứu đã đánh giá mức độ thất thoát dinh dưỡng qua nước tưới khi sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn biogas. Kết quả cho thấy, lượng dinh dưỡng thất thoát giảm đáng kể so với việc sử dụng phân bón thông thường, giúp tiết kiệm phân bón và giảm ô nhiễm nguồn nước.

V. Hướng Phát Triển Phân Bón Bùn Biogas Cho Nông Nghiệp Bền Vững

Việc nghiên cứu và phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn biogas mở ra một hướng đi mới cho nông nghiệp bền vững. Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi công nghệ này, cần có thêm nhiều nghiên cứu về quy trình sản xuất, đánh giá hiệu quả trên nhiều loại cây trồng và xây dựng các tiêu chuẩn chất lượng. Theo đó, cần định hướng cách tiếp cận hợp lý để thúc đẩy phát triển sản phẩm phân bón hữu cơ vi sinh từ bùn bể biogas, nhằm đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải ô nhiễm theo xu hướng tăng cường nông nghiệp sinh thái.

5.1. Thách thức và cơ hội trong sản xuất phân bón từ bùn biogas

Sản xuất phân bón từ bùn biogas đối mặt với một số thách thức, bao gồm chi phí sản xuất, đảm bảo chất lượng phân bón, và vấn đề vận chuyển và lưu trữ. Tuy nhiên, cơ hội phát triển là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh nông nghiệp ngày càng chú trọng đến bền vững và bảo vệ môi trường. Sản xuất phân bón từ bùn biogas giúp tận dụng nguồn tài nguyên tái tạo, giảm chi phí sản xuất phân bón và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

5.2. Nghiên cứu sâu hơn về vi sinh vật có lợi trong bùn biogas

Để tối ưu hóa hiệu quả của phân bón hữu cơ vi sinh từ bùn biogas, cần có nhiều nghiên cứu hơn về các vi sinh vật có lợi trong bùn. Việc xác định và phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng cố định đạm, hòa tan lân, và kích thích sinh trưởng cây trồng sẽ giúp nâng cao chất lượng phân bón và tăng cường hiệu quả sử dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Dự báo đến năm 2030, nhu cầu lương thực toàn cầu sẽ tăng từ 2 đến 5 lần, đòi hỏi sản lượng nông nghiệp phải tăng trưởng ít nhất 60% để đảm bảo an ninh lương thực. Thực trạng thâm canh phụ thuộc vào phân bón hóa học và hóa chất bảo vệ thực vật đang gây ra những hệ lụy sinh thái nghiêm trọng như thoái hóa đất, ô nhiễm nguồn nước mặt và phát thải khí nhà kính. Trước bối cảnh đó, xu hướng "tăng cường sinh thái" tập trung phát triển các dòng phân bón thế hệ mới nhằm phục hồi độ phì nhiêu của đất và nâng cao hiệu quả hấp thu dưỡng chất.

Bùn thải từ các hầm ủ khí sinh học (biogas) là nguồn phế phẩm hữu cơ dồi dào, chứa hàm lượng dinh dưỡng khoáng phong phú với độ ẩm thường vượt mức 60% đến 93%. Tuy nhiên, việc sử dụng trực tiếp bùn lỏng chưa qua xử lý gặp nhiều rào cản lớn: tổng chất rắn lơ lửng cao trên 4000 mg/L, nhu cầu oxy hóa hóa học COD vượt 3000 mg/L, mùi hôi nồng nặc do khí H2S và các hợp chất hữu cơ bay hơi, cùng nguy cơ nhiễm vi sinh vật gây bệnh và kim loại nặng. Đặc biệt, hàm lượng đạm hòa tan dạng NH4+ trong bùn lỏng dễ bay hơi thành NH3 hoặc bị rửa trôi gây phú dưỡng hóa nguồn nước. Thậm chí, nồng độ NH4+ tự do ở mức 3,5 ppm đã có thể gây ngộ độc làm chết cây con trong giai đoạn vườn ươm.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường của tác giả Hồ Thanh Thuận, dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Nguyễn Xuân Quế tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (hoàn thành tháng 12 năm 2023 và bảo vệ tháng 1 năm 2024), đã giải quyết triệt để bài toán này. Nghiên cứu tập trung phát triển viên phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm NPK 10–3–3–TE từ bùn bể biogas cô đặc có nguồn gốc từ Nhà máy xử lý bùn thải thuộc Công ty TNHH Công Nghệ Sinh Học Sài Gòn Xanh (Đa Phước, Bình Chánh, TP.HCM). Bằng việc ứng dụng màng bao bọc sinh học polymer và bổ sung chủng vi khuẩn có ích, công trình mở ra hướng tiếp cận tuần hoàn sinh thái bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và gia tăng giá trị kinh tế cho chuỗi sản xuất nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba trụ cột lý thuyết chuyên sâu:

Quá trình phân hủy kỵ khí cơ chất hữu cơ: Phân giải sinh học kỵ khí diễn ra qua 3 giai đoạn chính gồm thủy phân hóa lỏng (chuyển đổi protein, carbohydrate, lipid thành amino acid, đường đơn, axit béo), tạo axit (chuyển hóa thành axit axetic, H2, CO2 và các axit béo dễ bay hơi) và tạo khí metan nhờ nhóm vi khuẩn methanogens (tạo ra hỗn hợp khí với hàm lượng CH4 chiếm tới 65%). Bùn thải sau quá trình này lưu giữ hơn 50% nitơ ở dạng NH4+ hòa tan dễ hấp thu hơn 30% đến 60% so với chất thải hữu cơ thô ban đầu, đồng thời bảo toàn khoảng 50% photphat và 80% kali.

Cơ chế phân bón nhả chậm (Slow-Release Fertilizer - SRF) và màng bọc phân hủy sinh học: Phân bón nhả chậm hoạt động dựa trên nguyên lý kiểm soát tốc độ hòa tan và khuếch tán dưỡng chất qua lớp màng thẩm thấu. Nghiên cứu sử dụng hệ polymer composite tạo liên kết ngang giữa gelatin và glutaraldehyde kết hợp chất hóa dẻo glycerin. Khi tiếp xúc với độ ẩm đất, mạng lưới màng polymer trương nở chậm, cho phép nước thâm nhập từ từ vào lõi viên phân để hòa tan dưỡng chất và giải phóng đều đặn ra môi trường theo gradien nồng độ, ngăn chặn hiện tượng sốc phân và rửa trôi dinh dưỡng.

Cơ chế thúc đẩy sinh trưởng của vi khuẩn vùng rễ (PGPR): Hệ vi sinh vật vùng rễ giữ vai trò cốt lõi trong việc hòa tan khoáng và kích thích rễ cây phát triển. Chủng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens được tích hợp vào viên phân bón có khả năng tiết ra các enzyme ngoại bào và axit hữu cơ để phân giải photphat khó tan, cố định nitơ sinh học và sản sinh hormone kích thích sinh trưởng thực vật, giúp cây trồng hấp thu dinh dưỡng tối ưu trong suốt chu kỳ sinh trưởng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu thực nghiệm: Nguồn bùn thải biogas được lấy mẫu đại diện từ hố phân hủy của Nhà máy xử lý bùn thải Đa Phước, Bình Chánh, TP.HCM. Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu năng bón phân được thực hiện ngẫu nhiên hoàn toàn với 4 nghiệm thức chính, mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần trên các khay trồng có diện tích chuẩn 0,25 m2 chứa 10 kg đất cho mỗi đơn vị thí nghiệm (tổng số 12 chậu thử nghiệm). Đối tượng kiểm chứng sinh học là cây cải bẹ dưa (Brassica juncea) theo dõi liên tục trong chu kỳ sinh trưởng 45 ngày từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023.

Quy trình công nghệ và phân tích: Bùn lỏng biogas ban đầu được tiền xử lý bằng phản ứng oxy hóa nâng cao Fenton (Fe2+/H2O2) nhằm khử mùi triệt để, tiêu diệt vi sinh vật gây hại và điều chỉnh pH về mức trung tính 7,0. Tiếp đó, bùn được tách nước và sấy cô đặc ở nhiệt độ kiểm soát 70°C để giữ trọn vẹn hợp chất hữu cơ và khoáng vi lượng. Bùn khô được phối trộn cùng urea, KH2PO4, K2SO4 và trấu hun theo tỷ lệ tính toán để tạo viên phân NPK 10–3–3–TE. Viên phân sau khi ép hạt được nhúng phủ lớp màng gelatin - glutaraldehyde và tiếp tục bổ sung sinh khối vi khuẩn có lợi Bacillus amyloliquefaciens.

Phương pháp phân tích hóa lý: Đánh giá động học nhả dinh dưỡng (NH4+, NO3-, PO43-) trong môi trường nước cất ở các mốc thời gian 1, 3, 7 và 10 ngày. Phân tích hàm lượng dinh dưỡng trong nước thoát đáy chậu tưới và tích lũy trong đất bằng phương pháp so màu quang phổ và chuẩn độ định kỳ theo chu kỳ 45 ngày. Đo đạc sinh khối tươi, sinh khối khô, tổng nitơ Kendahl (TKN) và xác định dư lượng nitrate (NO3-) trong mô lá cải bẹ dưa sau thu hoạch bằng phản ứng Griess, đối chiếu trực tiếp với ngưỡng an toàn theo Quyết định số 99/2008/QĐ-BNN của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận bốn kết quả then chốt:

Thứ nhất, kiểm soát hiệu quả tốc độ giải phóng dinh dưỡng trong môi trường nước: Trong 7 ngày đầu ngâm nước, viên phân có phủ màng nhả chậm giải phóng NH4+-N với tốc độ 110,66 mg/L/ngày, thấp hơn 32,8% so với viên phân không phủ màng (164,60 mg/L/ngày). Tốc độ giải phóng PO43--P ở viên phân có màng đạt 30,31 mg/L/ngày so với mức 33,55 mg/L/ngày ở mẫu không màng. Đặc biệt, viên phân không bọc màng bị rã vụn hoàn toàn ngay từ ngày đầu tiên, trong khi viên phân phủ màng polymer vẫn duy trì cấu trúc hạt nguyên vẹn sau 10 ngày ngâm.

Thứ hai, thúc đẩy vượt trội các chỉ tiêu hình thái cây trồng: Đến ngày thứ 35 của chu kỳ sinh trưởng, cây cải bẹ dưa ở nghiệm thức sử dụng phân phủ màng đạt chiều cao trung bình 24,38 ± 0,49 cm, vượt trội hơn đáng kể so với nghiệm thức bón phân thương mại (21,90 ± 0,39 cm, tăng 11,3%) và phân tổng hợp không phủ màng (22,48 ± 0,71 cm). Số lượng lá trung bình ở nghiệm thức phân phủ màng đạt 10,47 ± 0,72 lá/cây, cao hơn 37,8% so với phân thương mại (7,60 ± 0,89 lá/cây).

Thứ ba, giảm thiểu rõ rệt lượng dưỡng chất thất thoát qua nước tưới: Tại thời điểm ngày thứ 19 sau bón phân, nồng độ NH4+-N bị rửa trôi theo nước thoát ở nghiệm thức phân thương mại lên tới 6,827 mg/L, trong khi ở nghiệm thức phân phủ màng chỉ dao động từ 2,936 đến 3,160 mg/L (giảm hơn 53% thất thoát đạm). Đối với lân (PO43--P), nồng độ thất thoát cao nhất ở ngày thứ 22 ở mẫu phân thương mại là 0,520 mg/L, trong khi phân phủ màng chỉ làm thất thoát 0,071 mg/L, tương đương mức giảm thất thoát lên đến 86,3%.

Thứ tư, đảm bảo tuyệt đối tiêu chuẩn an toàn dư lượng nitrate trong nông sản: Dư lượng nitrate tích lũy trong cây cải sau thu hoạch ở nghiệm thức phân bón tổng hợp có phủ màng đạt mức rất thấp là 241,3 mg/kg. Con số này thấp hơn 71,3% so với nghiệm thức phân không phủ màng (841,7 mg/kg) và thấp hơn 58,4% so với phân thương mại (580,5 mg/kg). Nghiệm thức phân phủ màng hoàn toàn đáp ứng ngưỡng quy định an toàn vệ sinh thực phẩm của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (≤ 500 mg/kg theo Quyết định 99/2008/QĐ-BNN), trong khi cả hai nghiệm thức còn lại đều vượt ngưỡng an toàn.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nên sự vượt trội của viên phân nhả chậm nằm ở cấu trúc mạng lưới liên kết chéo của lớp màng gelatin - glutaraldehyde. Khi tiếp xúc với dung dịch đất, màng polymer không tan ngay mà trương nở có kiểm soát, tạo thành lớp rào cản vật lý ngăn không cho nước xâm nhập ồ ạt vào nhân phân. Nhờ vậy, nồng độ NH4+ và PO43- được phóng thích từ từ tương thích hoàn hảo với tốc độ hấp thụ của bộ rễ cây cải qua từng giai đoạn phát triển.

Diễn biến động học của các chất dinh dưỡng trong suốt 45 ngày thử nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường nồng độ theo thời gian. Đường biểu diễn thất thoát đạm và lân trong nước tưới cho thấy các đỉnh cực đại xuất hiện đột biến ở ngày 4 và ngày 19 đối với phân hóa học thương mại do tính tan nhanh, trong khi phân có phủ màng duy trì đường nồng độ phẳng và ổn định. Đồ thị tích lũy NH4+-N trong đất chứng minh phân phủ màng đạt đỉnh tích lũy chậm hơn (ngày 28 đạt 100,02 mg/kg) so với phân thương mại (đạt đỉnh ngày 25 với 216,79 mg/kg), giúp rễ cây không bị ngộ độc cục bộ.

Sự hiện diện của chủng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens kết hợp với chất mang hữu cơ từ bùn biogas đóng vai trò xúc tác sinh học mạnh mẽ. Vi khuẩn tiết enzyme phân giải lân khó tan thành dạng PO43- linh động trong đất (duy trì mức tích lũy lân hữu dụng trong đất đạt 42,06 mg/kg ở ngày 8-10, cao gấp 3,3 lần so với phân thương mại chỉ đạt 12,50 mg/kg). Do nitơ được cung cấp đều đặn, cây trồng không tích lũy thừa ion NO3- trong dịch bào, giải thích vì sao hàm lượng nitrate trong mô lá rau luôn duy trì ở mức an toàn sinh học cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm chuẩn xác, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp mang tính ứng dụng cao:

1. Ứng dụng công nghệ sấy năng lượng mặt trời tích hợp: Triển khai cải tiến hệ thống làm khô bùn lỏng biogas bằng nhà sấy năng lượng mặt trời kết hợp thông gió cưỡng bức nhằm giảm chi phí tiêu hao năng lượng gia nhiệt từ 35% đến 40%. Mục tiêu hoàn thiện module sấy quy mô bán công nghiệp công suất 100 kg bùn khô/ngày trong vòng 6 đến 12 tháng, do các doanh nghiệp xử lý chất thải môi trường chủ trì phối hợp với các nhóm nghiên cứu công nghệ sinh học.

2. Mở rộng thử nghiệm trên các nhóm cây trồng có giá trị kinh tế cao: Mở rộng kiểm chứng hiệu năng bón phân nhả chậm NPK 10–3–3–TE trên các đối tượng cây ăn trái (như bưởi, cam) và rau ăn quả cao cấp trong nhà màng. Mục tiêu đặt ra là gia tăng năng suất cây trồng từ 15% đến 20%, cắt giảm lượng phân bón thất thoát ra môi trường xuống dưới 8%, triển khai thực hiện trong khung thời gian 12 đến 18 tháng tại các hợp tác xã nông nghiệp công nghệ cao.

3. Tối ưu hóa công thức màng bọc phân hủy sinh học: Đẩy mạnh nghiên cứu thay thế một phần tác nhân liên kết chéo bằng các hợp chất tự nhiên thân thiện hơn như tannin hoặc axit citric để đảm bảo màng bao bọc phân hủy hoàn toàn 100% trong đất sau 60 đến 90 ngày mà không để lại bất kỳ tồn dư hóa chất nào. Nhóm nghiên cứu thuộc các trường đại học cần hoàn thành đánh giá độc học sinh thái trong vòng 6 tháng tới.

4. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và chuyển giao quy trình sản xuất: Hoàn thiện hồ sơ sở hữu trí tuệ và đăng ký chất lượng phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia. Đơn vị chuyển giao công nghệ cùng các nhà máy phân bón hữu cơ cần liên kết thương mại hóa sản phẩm trong vòng 12 đến 24 tháng, đưa sản phẩm tiếp cận trực tiếp mạng lưới nông hộ tại các vùng chuyên canh nông nghiệp sinh thái.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

Các nhà khoa học, giảng viên và học viên sau đại học ngành Kỹ thuật Môi trường và Khoa học Đất: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu chuyên sâu về động học phản ứng oxy hóa Fenton trên bùn thải, cơ chế nhả chậm polymer sinh học và tương tác sinh học vùng rễ, phục vụ cho việc giảng dạy và phát triển các đề tài nghiên cứu phân bón thông minh.

Kỹ sư vận hành và ban quản lý các trạm xử lý chất thải, trang trại chăn nuôi quy mô lớn: Cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi để giải quyết triệt để bài toán tồn đọng bùn thải hầm biogas, chuyển đổi chất thải gây ô nhiễm thành sản phẩm hữu cơ có giá trị thương mại cao, đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải môi trường nghiêm ngặt.

Các doanh nghiệp sản xuất phân bón và vật tư nông nghiệp công nghệ cao: Tài liệu cung cấp công thức phối trộn chi tiết NPK 10–3–3–TE, thông số kỹ thuật tạo màng composite gelatin - glutaraldehyde và quy trình phối trộn vi sinh, là cẩm nang kỹ thuật trực tiếp để nghiên cứu phát triển sản phẩm mới và mở rộng danh mục phân bón nhả chậm thương mại.

Chủ trang trại, hợp tác xã canh tác nông nghiệp hữu cơ và VietGAP: Hướng dẫn giải pháp bón phân bền vững giúp giảm 50% số lần bón lót và bón thúc, hạn chế tối đa dư lượng nitrate độc hại trong rau củ, nâng cao năng suất và chất lượng nông sản đạt chuẩn xuất khẩu.

Câu hỏi thường gặp

Phân bón nhả chậm từ bùn biogas có điểm gì vượt trội so với phân hóa học truyền thống? Phân bón nhả chậm từ bùn biogas cung cấp đồng thời dinh dưỡng đa lượng NPK cùng chất hữu cơ, vi lượng và vi sinh vật có ích. Đặc biệt, màng bọc polymer giúp giảm hơn 53% lượng đạm và 86% lượng lân bị rửa trôi qua nước tưới, duy trì độ phì lâu dài cho đất và ngăn ngừa hiện tượng thoái hóa đất so với phân hóa học.

Tại sao bùn lỏng biogas bắt buộc phải qua bước tiền xử lý bằng phản ứng oxy hóa Fenton? Bùn lỏng biogas thô chứa nhiều khí H2S, hợp chất hữu cơ gây mùi hôi, vi sinh vật gây bệnh và chỉ số COD vượt trên 3000 mg/L. Quá trình oxy hóa Fenton sinh ra các gốc tự do OH linh động giúp oxy hóa khử mùi triệt để, tiêu diệt hoàn toàn mầm bệnh nguy hại và điều hòa pH về mức trung tính 7,0, đảm bảo an toàn sinh thái trước khi phối trộn phân bón.

Màng bọc sinh học gelatin - glutaraldehyde kiểm soát tốc độ nhả dinh dưỡng như thế nào? Màng composite tạo liên kết ngang giữa nhóm amin của gelatin và nhóm andehit của glutaraldehyde hình thành một mạng lưới polymer bền vững. Khi gặp nước trong đất, màng trương nở tạo các kênh khuếch tán vi mô, hạn chế nước thẩm thấu vào nhân phân và điều tiết các ion khoáng NH4+, PO43- giải phóng từ từ ra ngoài với tốc độ ổn định kéo dài suốt 45 ngày.

Chủng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens đóng vai trò gì trong viên phân hữu cơ vi sinh? Bacillus amyloliquefaciens là chủng vi khuẩn vùng rễ thúc đẩy sinh trưởng thực vật. Chúng có khả năng tiết ra các axit hữu cơ và enzyme phosphatase giúp hòa tan các dạng photphat khó tan trong đất thành dạng lân hữu dụng PO43-, đồng thời hỗ trợ ổn định nitơ sinh học và kích thích bộ rễ cây hấp thu dinh dưỡng hiệu quả hơn.

Hàm lượng nitrate trong rau trồng bằng phân bón nhả chậm có đạt chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm không? Hàm lượng nitrate trong cải bẹ dưa bón phân nhả chậm chỉ đạt 241,3 mg/kg, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng tối đa cho phép là 500 mg/kg theo Quyết định số 99/2008/QĐ-BNN của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Cơ chế nhả chậm ngăn cản sự tích lũy đạm dư thừa trong mô lá, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người tiêu dùng.

Kết luận

• Luận văn đã tái chế thành công nguồn bùn thải bể biogas thành dòng phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm NPK 10–3–3–TE giàu dưỡng chất và thân thiện với môi trường.
• Quy trình tiền xử lý bằng phản ứng oxy hóa Fenton giải quyết triệt để bài toán mùi hôi, diệt trừ mầm bệnh và ổn định pH của bùn thải trước khi đưa vào sản xuất.
• Công nghệ bọc màng polymer sinh học gelatin - glutaraldehyde kiểm soát hoàn hảo tốc độ nhả khoáng, giảm thất thoát hơn 53% nitơ và 86% photphat qua nước tưới trong chu kỳ 45 ngày.
• Thử nghiệm trên cây cải bẹ dưa chứng minh hiệu năng vượt trội với chiều cao cây đạt 24,38 cm, số lá đạt 10,47 lá/cây và dư lượng nitrate trong rau chỉ 241,3 mg/kg, đáp ứng tuyệt đối tiêu chuẩn an toàn thực phẩm quốc gia.
• Đóng góp to lớn vào mô hình kinh tế tuần hoàn, chuyển hóa phụ phẩm phát thải thành nguồn vật tư nông nghiệp giá trị cao nhằm thúc đẩy nền nông nghiệp xanh bền vững.

Trong kế hoạch 12 tháng tới, nhóm nghiên cứu dự kiến tiếp tục tối ưu hóa hệ thống sấy năng lượng mặt trời và mở rộng thử nghiệm trên cây ăn quả lâu năm. Các doanh nghiệp sản xuất nông nghiệp và chế biến chất thải hãy liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ ngay hôm nay để cùng hiện thực hóa giải pháp phân bón xanh thế hệ mới!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, thế giới đang phải đối mặt nhiều thách thức nhằm đảm bảo sản lượng lương thực đủ để nuôi sống cộng đồng dân số ngày một gia tăng trong khi vừa phải bảo vệ môi trường và tạo ra nguồn năng lượng tái tạo. Số liệu thống kê cho thấy đến năm 2030, nhu cầu thực phẩm toàn cầu được dự đoán sẽ tăng từ 2 đến 5 lần và sản lượng nông sản cần phải tăng 60% trong những thập niên tới để đáp ứng nhu cầu này (St. Clair và Lynch, 2010). Để gia tăng lương thực trên diện tích đất canh tác giới hạn, hiện nay kỹ thuật canh tác nông nghiệp thâm canh đòi hỏi sử dụng nhiều phân bón hóa học và thuốc trừ sâu- bảo vệ thực vật.

Mặc dù làm tăng đáng kể sản lượng cây trồng, cách thực hành này cũng làm giảm mạnh di sản sinh thái với tốc độ đáng lo ngại, bao gồm phát quang rừng, bạc màu đất, ô nhiễm công nghiệp, giảm chất lượng nước mặt – nước ngầm, mất sự đa dạng quần thể sinh học, kéo theo hàng loạt những hậu quả nghiêm trọng tác động ngược lại con người và quần thể động thực vật (Altieri, 2002). Ngoài ra, sự gia tăng các hoạt động nông nghiệp còn làm trầm trọng hơn các tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu toàn cầu, dẫn đến không đảm bảo bền vững an ninh lương thực trong tương lai. Chính vì vậy, những biện pháp thực hành nông nghiệp không bền vững cả về khía cạnh xã hội lẫn môi trường hiện tại cần thiết phải được thúc đẩy thay đổi. Giới chuyên môn nhận định cần thiết phải xây dựng một hệ thống sản xuất lương thực được dựa trên những chiến lược tăng cường thay thế, còn gọi là “tăng cường sinh thái”, nỗ lực tập trung thúc đẩy hiệu quả sử dụng phân bón, giảm nhu cầu phân bón và thuốc bảo vệ thực vật trong khi vẫn duy trì được mức sản lượng nông sản nhờ phục hồi độ phì nhiêu của đất đồng thời tăng hiệu quả sử dụng nước và chất lượng nước (Tittonell, 2014).

Theo số liệu phân loại sáng chế quốc tế, định hướng cải thiện hiệu quả sử dụng và sản xuất phân bón mới là một trong số các phương thức tiếp cận phổ biến nhất. Trong đó, gần 95% các công bố khoa học tập trung nghiên cứu phát triển các dòng phân bón mới nhằm tăng hiệu quả và năng suất của sản xuất nông nghiệp đồng thời bảo tồn tài nguyên và bảo vệ môi trường đã được thực hiện trong những thập niên qua (Lê Công Nhất Phương và cộng sự, 2017). Xu hướng nghiên cứu phát triển phân bón mới tập trung vào 4 nhóm phân bón (Charlotte, 2013): Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn bể bio-gas giúp ổn định thành phần dinh dưỡng đa lượng (1) Nhóm phân bón có đủ đa, trung, vi lượng nhằm giải quyết thiếu hụt chất dinh dưỡng, đặc biệt là Zn và B. Nhóm phân bón này hiện rất phổ biến và được thị trường ưa chuộng (Trương Hồng, 2018).

(2) Nhóm phân bón phóng thích chậm (slow-release fertilizer) là hỗn hợp các hợp chất hóa học tan ít trong nước hoặc tan chậm nhờ hoạt động vi sinh và phân bón phóng thích có kiểm soát (control-release fertilizer) nhờ chênh lệch áp suất thẩm thấu. Nhóm phân bón này có bổ sung hợp chất ổn định đạm giúp cải thiện hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng N đang được giới chuyên môn trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm, mặc dù thị phần trong nước hiện còn thấp (chỉ khoảng 2-3%) nhưng có tiềm năng mở rộng lớn (Lê Công Nhất Phương và cộng sự, 2017); (3) Nhóm phân bón có bổ sung hoạt chất kích thích sinh học (biostimulant) giúp nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón đồng thời duy trì cộng đồng nấm và vi khuẩn có lợi nhằm ổn định N. Nhóm phân bón này được thế giới quan tâm phát triển trong thời gian gần đây. Trong nước, Công ty CP Đạm Cà Mau phối hợp với Đại học Cần Thơ để thử nghiệm dòng sản phẩm N-Humat+TE do công ty phát triển (Lê Công Nhất Phương và cộng sự, 2018; Lê Công Nhất Phương và cộng sự, 2019); (4) Phân bón lỏng hòa tan cho bón tưới (soluble/liquid fertilizer) và phân bón lá (foliar spray) từ bùn lỏng bể bio-gas nhằm khai thác sản lượng lớn phế phẩm bùn bể biogas.

Trong đó, bất kể đối tượng phát triển thuộc nhóm phân bón nào, mục tiêu quan trọng nhất cần phải đạt được chính là các chất dinh dưỡng cần thiết trong đất cho cây hấp thu phải được cung cấp ở dạng “ổn định”, không phải ở dạng dễ bay hơi, chẳng hạn như dạng liên kết amino axit với cộng đồng vi sinh, dạng ion hòa tan trong dung dịch đất hay ở dạng muối khoáng. Những thách thức trên tồn tài đối với hầu hết các đối tượng phân bón thế hệ mới nói chung và đối với đối tượng phân bón dạng lỏng được sản xuất từ nguyên liệu bùn bể biogas nói riêng. Mặc dù phế phẩm bùn bể biogas giàu dinh dưỡng và thích hợp sử dụng làm phân bón, tuy nhiên thực tiễn áp dụng cho thấy có nhiều hạn chế đối với phân bón lỏng từ bùn bể biogas. Mặc dù bùn bể biogas phân rã nhanh, giàu hợp chất hữu cơ, humic axit, amino axit, vitamin, enzyme, v.

nhưng hàm lượng độ ẩm rất cao (hơn 60%), dinh dưỡng đạm trong bùn bể chủ yếu ở dạng N tự do (NH3) và dạng ion muối hòa tan (NH4+) dễ thất thoát ra môi trường khí và nước, chứa nhiều chất rắn lơ lửng (tổng rắn hơn 4000 mg/L), 2 Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn bể bio-gas giúp ổn định thành phần dinh dưỡng đa lượng nhu cầu oxy hóa hóa học COD lớn (hơn 3000 mg/L) và nhiễm thuốc kháng sinh và kim loại nặng (Wang và cộng sự, 2020). Điều này khiến cho nhu cầu thực tế sử dụng phân bón từ bùn lỏng gặp nhiều hạn chế như chi phí vận chuyển cao, đòi hỏi phải được xử lý bước đầu để đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm và môi trường và cách thức bón phân đặc biệt với liều lượng thấp và nén sâu dưới lớp đất, mặc dù vậy hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng vẫn không cao do dễ mất mát thông qua bay hơi và rửa trôi. Ngoài ra, nếu sử dụng phân bón lỏng từ bùn bể biogas có chứa phần lớn N ở dạng NH3 tự do và ion NH4+ sẽ làm tăng pH đất. Sau một vài ngày bón phân, cộng đồng vi sinh chuyển hóa NH4+ thành NO3-, pH đất giảm, đất bị axit hóa làm cho cây trồng rất khó hấp thụ chất dinh dưỡng cần thiết.

Mặt khác, NH4+ là chất gây độc đối với cây trồng. Một số thử nghiệm sơ bộ trên cây trồng trước đây cho thấy khi cung cấp cho đất và cây dung dịch NH4+ ở mức nồng độ 3,5 ppm, có thể làm chết cây ở giai đoạn cây giống và làm yếu cây ở giai đoạn sinh trưởng. Vì vậy, việc sử dụng bùn bể biogas chưa qua xử lý như một dạng phân bón lỏng thực ra có thể dẫn đến những tác hại lớn và lâu dài. Vì vậy, một trong những cách tiếp cận hợp lý hiện nay để thúc đẩy phát triển sản phẩm phân bón từ bùn bể biogas, nhằm đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải nông nghiệp theo xu hướng tăng cường nông nghiệp sinh thái, chính là tiến hành cô đặc - tách nước bùn lỏng bể biogas để thu được sản phẩm bùn đặc hơn cùng với dịch loãng thu hồi có chứa chủ yếu nitơ ở dạng tự do.

Bùn đặc hơn có thể được sử dụng làm nguyên liệu hữu cơ phối trộn sinh khối các chủng vi sinh ổn định đạm và/hoặc phân giải phốt-phát khó tan; trong khi dịch NH4+ thu hồi có thể được chuyển thành dạng muối (NH4)3PO4 hòa tan và bổ sung đồng thời vào quá trình ủ phân compost, nhằm duy trì độ ẩm và bổ sung các chất dinh dưỡng N và P cho đối tượng phân compost.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu này hướng đến mục tiêu sản xuất viên phân nhả chậm từ bùn thải bể bio-gas cô đặc kết hợp chế phẩm vi sinh đã được phân lập từ tự nhiên và nhân sinh khối. Màng phủ composite được nghiên cứu phát triển để tăng cường hiệu quả nhả chậm chất dinh dưỡng từ viên phân hữu cơ vi sinh sử dụng bùn đặc làm nguyên liệu phối trộn. Hiệu năng ứng dụng của phân bón hữu cơ vi sinh tổng hợp từ bùn bể biogas được đánh giá trên đối tượng cây trồng cụ thể.2 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu này thực hiện các nội dung sau: 3 Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu phát triển phân bón hữu cơ vi sinh nhả chậm từ bùn bể bio-gas giúp ổn định thành phần dinh dưỡng đa lượng - Nội dung 1: Nghiên cứu tạo màng nhả chậm với thành phần composite dựa trên gelatin và glutaraldehyde; - Nội dung 2: Xây dựng công thức phối trộn phân hữu cơ vi sinh nhả chậm chứa thành phần dinh dưỡng đa lượng NPK 10-3-3.3 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng nghiên cứu bao gồm: ‑ Bùn thải bể biogas được thu từ chất thải của hố phân hủy biogas của Nhà máy xử lý bùn thải thuộc Công ty TNHH Công Nghệ Sinh Học Sài Gòn Xanh (Đa Phước, Bình Chánh, Tp. HCM) với nguyên liệu đầu vào gồm chất thải hữu cơ từ chăn nuôi và đô thị.

‑ Phân bón hữu cơ nhả chậm có phủ lớp vi sinh Bacillus amyloliquefaciens chứa thành phần dinh dưỡng đa lượng NPK 10-3-3; 1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu xử lý và chuyển đổi có thu hồi hiệu quả thành phần dinh dưỡng từ phế phẩm bùn lỏng bể biogas thành sản phẩm phân hữu cơ vi sinh nhả chậm có hiệu quả thúc đẩy tăng trưởng thực vật và giảm tác động môi trường.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu có khả năng ứng dụng lớn vào sản xuất kinh doanh của các hộ gia đình ngay tại nguồn phát thải bùn bể biogas. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu trong nghiên cứu này là cơ sở thuyết phục liên doanh, liên kết với các doanh nghiệp xử lý môi trường để chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực xử lý phế phẩm bùn thành sản phẩm phân bón có giá trị kinh tế.5 Tính mới của đề tài Ý tưởng phát triển phân bón này được cung cấp hướng xử lý giảm bớt thể tích hỗn hợp bùn lỏng nhằm giảm chi phí vận chuyển, thu hồi và chuyển đổi thành phần dinh dưỡng dồi dào trong bùn làm nguồn dinh dưỡng bổ sung N và P cho quá trình ủ phân compost trong định hướng nghiên cứu tiếp theo.