Nghiên cứu thu hồi dinh dưỡng từ nước thải gia cầm bằng biochar biến đổi

• Tác giả: Nguyen Lan Thanh
• Người hướng dẫn: Dr. Vo Thanh Hang
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Thu Hồi Dinh Dưỡng Từ Nước Thải Gia Cầm Bằng Biochar Biến Đổi Cho Ứng Dụng Đất
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ACKNOWLEDGEMENT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• THE COMMITMENT OF THE THESIS’ AUTHOR
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Research’s aim and content
• 1.2. Research’s subject and scope
• 1.3. Scientific contribution and prospective application
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Overview of animal agriculture
• 2.1.1. Polluted by solid waste
• 2.1.2. Polluted by wastewater
• 2.1.2.1. Mechanical treatment method
• 2.1.2.2. Physicochemical treatment method
• 2.1.3. Application of biochar
• 2.1.4. Application in Viet Nam
• 2.2. Animal agriculture waste
• 2.2.1. The reality of crop residues in Vietnam
• 2.2.2. Definition of sludge
• 2.2.3. The negative effect of sludge
• 2.2.4. Sludge treatment method
• 2.3. Review studies in Vietnam and international
• 3. CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODS
• 3.1. Equipment and material
• 3.2. Evaluating adsorption of biochar and sludge on synthetic wastewater
• 3.3. Evaluating adsorption of biochar and sludge on real wastewater
• 3.4. Evaluating slow – release
• 3.4.1. Ammonium analyzing method
• 3.4.2. Phosphate analyzing method
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. The preliminary results
• 4.1.1. Surface morphology and pore structure of 10% Mg-biochar
• 4.1.2. Compositions and structure of modified biochar
• 4.2. Model fitting and statical analysis
• 4.2.1. Interactive effect of variable on models
• 4.3. Application on synthetic wastewater
• 4.4. Application on actual wastewater
• 4.5. Slow-release experiment
• 4.5.1. Slow release in water
• 4.5.2. Slow release in soil
• 4.6. Cost for 5 g of modified biochar
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• ACRONYMS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc thu hồi dinh dưỡng từ nước thải gia cầm thông qua việc sử dụng biochar biến đổi. Mục tiêu chính của nghiên cứu là chuyển đổi nước thải gia cầm thành phân bón hữu ích cho nông nghiệp. Thực trạng hiện nay cho thấy nước thải từ ngành chăn nuôi gia cầm là một nguồn tài nguyên lớn chứa nhiều chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho, nhưng lại thường bị thải bỏ mà không qua xử lý. Do đó, việc ứng dụng biochar không chỉ giúp xử lý nước thải mà còn tái sử dụng các chất dinh dưỡng này trong sản xuất nông nghiệp. Theo nghiên cứu, việc sử dụng biochar có thể cải thiện chất lượng đất và giảm ô nhiễm môi trường.

1.1 Tầm quan trọng của nghiên cứu

Ngành chăn nuôi gia cầm ở Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, nhưng đi kèm với đó là vấn đề ô nhiễm từ nước thải. Việc quản lý nước thải không hợp lý dẫn đến ô nhiễm đất, nước và không khí. Nghiên cứu này nhằm đề xuất giải pháp tái sử dụng nước thải bằng cách sử dụng biochar để cải thiện chất lượng đất và bảo vệ môi trường. Sự kết hợp giữa công nghệ biochar và việc thu hồi dinh dưỡng từ nước thải có thể mang lại lợi ích kinh tế cho nông dân và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này đã thực hiện nhiều bước để chuẩn bị và biến đổi biochar từ các phế phẩm nông nghiệp và bùn nước. Các bước này bao gồm việc chọn lựa nguyên liệu, xử lý nhiệt và biến đổi hóa học để cải thiện khả năng hấp phụ của biochar. Đặc biệt, nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni và phốt phát từ nước thải gia cầm. Các yếu tố như tỷ lệ nitơ-phốt pho (N/P), nồng độ ban đầu của amoni và phốt phát, pH và lượng biochar được sử dụng đã được kiểm tra. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể nâng cao đáng kể hiệu quả thu hồi dinh dưỡng từ nước thải.

2.1 Đánh giá hiệu suất hấp phụ

Nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm để đánh giá hiệu suất hấp phụ của biochar đối với amoni và phốt phát. Các thí nghiệm được thực hiện trên cả mẫu nước thải tổng hợp và mẫu nước thải thực tế từ các trang trại gia cầm. Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ tối ưu đạt được với tỷ lệ N/P là 1.25, nồng độ amoni ban đầu là 90 mg/L, pH là 6 và khối lượng biochar là 0. Kết quả này không chỉ chứng minh tính khả thi của việc sử dụng biochar trong xử lý nước thải mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển phân bón từ nước thải.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Việc sử dụng biochar biến đổi không chỉ giúp thu hồi dinh dưỡng từ nước thải gia cầm mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Biochar có khả năng cải thiện cấu trúc đất, tăng cường khả năng giữ ẩm và cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng việc ứng dụng biochar trong nông nghiệp có thể giúp nông dân tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó, việc phát triển các sản phẩm phân bón từ biochar có thể mở rộng quy mô sản xuất và tạo ra lợi ích kinh tế cho người nông dân.

3.1 Tác động đến nông nghiệp bền vững

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy nông nghiệp bền vững tại Việt Nam. Việc tái sử dụng nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn cung cấp một nguồn dinh dưỡng quý giá cho cây trồng. Bằng cách sử dụng biochar như một phương tiện để thu hồi dinh dưỡng, nông dân có thể cải thiện năng suất cây trồng và đồng thời bảo vệ môi trường. Điều này không chỉ có lợi cho nông dân mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp Việt Nam.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành chăn nuôi gia cầm tại Việt Nam ngày càng phát triển mạnh mẽ, sản lượng thịt gia cầm toàn quốc đạt khoảng 131,2 triệu tấn trong giai đoạn 2019-2021, chiếm hơn 40% tổng sản lượng thịt. Tuy nhiên, việc phát triển các trang trại chăn nuôi nhỏ lẻ, không đảm bảo vệ sinh và xử lý chất thải kém hiệu quả đã dẫn đến lượng lớn nước thải chứa các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho bị thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng đất, nước và không khí. Theo ước tính, mỗi năm Việt Nam phát sinh khoảng 80 triệu tấn chất thải chăn nuôi, trong đó 36% được xả thải trực tiếp mà không qua xử lý. Đồng thời, Việt Nam cũng phát sinh khoảng 61,43 triệu tấn phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, trấu, bã mía, thân ngô, phần lớn bị đốt hoặc thải bỏ gây ô nhiễm môi trường.

Trước thực trạng này, nghiên cứu nhằm mục tiêu thu hồi các chất dinh dưỡng có trong nước thải chăn nuôi gia cầm bằng phương pháp hấp phụ sử dụng than sinh học (biochar) biến tính, từ đó tạo ra phân bón chậm tan ứng dụng trong nông nghiệp. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại phòng thí nghiệm môi trường, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, tiến hành từ tháng 3/2022 đến tháng 6/2023. Nghiên cứu không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất phân bón và thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết hấp phụ: Quá trình hấp phụ được phân thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, trong đó hấp phụ vật lý dựa trên lực van der Waals và hấp phụ hóa học dựa trên liên kết hóa học mạnh hơn. Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào diện tích bề mặt, độ xốp và các nhóm chức năng trên bề mặt vật liệu hấp phụ.

• Mô hình biochar và biến tính: Biochar là vật liệu cacbon xốp được tạo ra từ quá trình nhiệt phân sinh khối trong điều kiện thiếu oxy. Việc biến tính biochar bằng các phương pháp hóa học (sử dụng axit, bazơ, muối khoáng) hoặc vật lý (hấp phụ hơi nước, oxy hóa) nhằm tăng diện tích bề mặt, nhóm chức năng bề mặt và khả năng trao đổi ion, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ các chất dinh dưỡng như NH4+ và PO43-.

• Khái niệm phân bón chậm tan: Phân bón chậm tan giúp giải phóng dinh dưỡng từ từ, phù hợp với nhu cầu hấp thụ của cây trồng, giảm thất thoát dinh dưỡng ra môi trường, tăng hiệu quả sử dụng phân bón.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng mẫu nước thải chăn nuôi gia cầm thực tế lấy từ các trang trại nhỏ tại TP. Hồ Chí Minh và mẫu nước thải tổng hợp chuẩn bị trong phòng thí nghiệm.

• Chuẩn bị và biến tính biochar: Biochar được tổng hợp từ phế phẩm nông nghiệp (bã mía, rơm rạ) kết hợp với bùn xử lý nước và muối magie (MgCl2 10%). Quá trình biến tính nhằm tăng khả năng hấp phụ NH4+ và PO43-.

• Phân tích đặc tính vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tia X phân tán năng lượng (EDS), phân tích Brunauer-Emmett-Teller (BET) và nhiễu xạ tia X (XRD) để đánh giá cấu trúc bề mặt, thành phần hóa học và diện tích bề mặt của biochar.

• Thí nghiệm hấp phụ: Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Central Composite Design (CCD) để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ N/P, nồng độ ban đầu NH4+ và PO43-, pH, khối lượng biochar đến khả năng hấp phụ.

• Đánh giá khả năng nhả chậm: Thử nghiệm khả năng giải phóng NH4+ và PO43- từ biochar trong môi trường nước và đất, so sánh với phân bón hóa học và mẫu đối chứng không xử lý.

• Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được thực hiện trong khoảng thời gian 15 tháng, với nhiều lần lặp lại để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Biochar biến tính với 10% MgCl2 có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc xốp đa dạng với micropore chiếm khoảng 95% tổng diện tích, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ các ion NH4+ và PO43-.

• Dưới điều kiện tối ưu gồm tỷ lệ N/P = 1.25, nồng độ ban đầu 90 mg/L, pH = 6 và khối lượng biochar 0.5 g/100 mL, biochar đạt khả năng hấp phụ ammonium lên đến 60,64 mg NH4+-N/g và phosphate khoảng 66 mg PO43-/g.

• Hiệu quả hấp phụ trên mẫu nước thải thực tế tương đương với mẫu nước thải tổng hợp, với tỷ lệ loại bỏ ammonium và phosphate đạt trên 85%, cho thấy biochar biến tính có khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

• Thí nghiệm nhả chậm trên cây sâm bố chính cho thấy cây trồng sử dụng phân bón từ biochar phát triển bình thường, tương đương với phân bón hóa học và mẫu đối chứng, tuy nhiên khả năng nhả chậm của biochar chưa thể kết luận rõ ràng do thời gian thử nghiệm còn hạn chế.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc biến tính biochar bằng muối magie giúp tăng diện tích bề mặt và nhóm chức năng bề mặt, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ các ion dinh dưỡng. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vai trò của các khoáng chất trong việc cải thiện tính chất hấp phụ của biochar. Mức hấp phụ ammonium và phosphate đạt được vượt trội so với nhiều loại vật liệu hấp phụ truyền thống, đồng thời biochar còn có ưu điểm về chi phí thấp và tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp sẵn có.

Việc áp dụng biochar làm phân bón chậm tan góp phần giảm thất thoát dinh dưỡng ra môi trường, hạn chế ô nhiễm và tăng hiệu quả sử dụng phân bón trong nông nghiệp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ 3D thể hiện ảnh hưởng tương tác của các biến số đến khả năng hấp phụ, cũng như bảng so sánh hiệu quả hấp phụ giữa các loại biochar và các phương pháp xử lý khác.

Tuy nhiên, khả năng nhả chậm của biochar cần được nghiên cứu thêm trong thời gian dài hơn và trên nhiều loại cây trồng khác nhau để đánh giá toàn diện hiệu quả sử dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

• Phát triển quy trình sản xuất biochar biến tính quy mô lớn: Tăng cường đầu tư thiết bị và công nghệ để sản xuất biochar từ phế phẩm nông nghiệp và bùn xử lý nước, nhằm đáp ứng nhu cầu phân bón chậm tan trong nông nghiệp. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp công nghệ môi trường và hợp tác xã nông nghiệp.

• Khuyến khích ứng dụng biochar trong sản xuất nông nghiệp: Tổ chức các chương trình đào tạo, hội thảo cho nông dân về lợi ích và cách sử dụng phân bón từ biochar, nhằm nâng cao nhận thức và thúc đẩy áp dụng rộng rãi. Thời gian triển khai 6-12 tháng, chủ thể là các cơ quan quản lý nông nghiệp và tổ chức đào tạo.

• Nghiên cứu mở rộng về khả năng nhả chậm và tác động môi trường: Thực hiện các nghiên cứu dài hạn trên nhiều loại cây trồng và điều kiện đất khác nhau để đánh giá hiệu quả và an toàn môi trường của biochar. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

• Xây dựng chính sách hỗ trợ và khuyến khích sử dụng phân bón sinh học: Chính phủ cần ban hành các chính sách ưu đãi về thuế, hỗ trợ tài chính cho các dự án sản xuất và sử dụng biochar, góp phần giảm nhập khẩu phân bón hóa học và bảo vệ môi trường. Thời gian thực hiện 1-2 năm, chủ thể là các bộ ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp biến tính biochar, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến xử lý nước thải và tái sử dụng chất thải nông nghiệp.

• Doanh nghiệp sản xuất phân bón sinh học và công nghệ môi trường: Tham khảo quy trình sản xuất biochar biến tính và ứng dụng trong phân bón chậm tan, từ đó phát triển sản phẩm mới, nâng cao giá trị kinh tế và thân thiện môi trường.

• Cơ quan quản lý nhà nước về nông nghiệp và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy định về quản lý chất thải chăn nuôi và khuyến khích sử dụng phân bón sinh học, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

• Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Áp dụng phân bón từ biochar để cải thiện chất lượng đất, tăng năng suất cây trồng và giảm chi phí đầu vào, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi.

Câu hỏi thường gặp

1. Biochar biến tính là gì và tại sao lại sử dụng muối magie trong quá trình biến tính?
   Biochar biến tính là biochar được xử lý thêm bằng các chất hóa học hoặc vật lý để tăng diện tích bề mặt và nhóm chức năng bề mặt. Muối magie (MgCl2) được sử dụng để tạo các nhóm khoáng chất trên bề mặt biochar, giúp tăng khả năng hấp phụ ammonium và phosphate nhờ tạo phức hợp khoáng chất như magnesium ammonium phosphate.

2. Khả năng hấp phụ ammonium và phosphate của biochar biến tính đạt được là bao nhiêu?
   Dưới điều kiện tối ưu, biochar biến tính đạt khả năng hấp phụ ammonium khoảng 60,64 mg NH4+-N/g và phosphate khoảng 66 mg PO43-/g, tương đương hoặc vượt trội so với nhiều vật liệu hấp phụ truyền thống.

3. Biochar có thể thay thế hoàn toàn phân bón hóa học không?
   Hiện tại, biochar được xem là phân bón bổ sung hoặc phân bón chậm tan giúp giảm lượng phân bón hóa học cần sử dụng. Việc thay thế hoàn toàn cần thêm nghiên cứu về hiệu quả lâu dài và trên nhiều loại cây trồng khác nhau.

4. Quá trình sản xuất biochar có ảnh hưởng đến môi trường không?
   Quá trình nhiệt phân sinh khối để tạo biochar có thể phát sinh khí thải nếu không kiểm soát tốt. Tuy nhiên, nếu được thiết kế và vận hành đúng cách, biochar giúp giảm phát thải khí nhà kính bằng cách lưu trữ cacbon lâu dài và giảm sử dụng phân bón hóa học.

5. Biochar có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào ngoài nông nghiệp?
   Ngoài nông nghiệp, biochar còn được sử dụng trong xử lý nước thải, cải tạo đất ô nhiễm, hấp phụ các chất độc hại, làm vật liệu lọc và thậm chí trong công nghệ năng lượng như điện cực pin và siêu tụ điện.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và biến tính biochar từ phế phẩm nông nghiệp và bùn xử lý nước, tạo ra vật liệu hấp phụ hiệu quả cho ammonium và phosphate trong nước thải chăn nuôi gia cầm.

• Điều kiện tối ưu hấp phụ được xác định là tỷ lệ N/P = 1.25, nồng độ 90 mg/L, pH 6 và khối lượng biochar 0.5 g/100 mL, với khả năng hấp phụ ammonium đạt 60,64 mg/g và phosphate 66 mg/g.

• Biochar biến tính có tiềm năng ứng dụng làm phân bón chậm tan, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả sử dụng dinh dưỡng trong nông nghiệp.

• Khả năng nhả chậm của biochar cần được nghiên cứu thêm trong thời gian dài và trên nhiều loại cây trồng để đánh giá toàn diện.

• Đề xuất phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn, khuyến khích ứng dụng trong nông nghiệp và xây dựng chính sách hỗ trợ nhằm thúc đẩy sử dụng biochar tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời tổ chức đào tạo nâng cao nhận thức cho nông dân về lợi ích của phân bón từ biochar.