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

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 trìn

-o0o -

HỒ THANH THUẬN

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2024

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Võ Nguyễn Xuân Quế (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Trần Lê Lựu (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Trần Trung Thành (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 27 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch Hội đồng: GS TS Nguyễn Văn Phước

2 Thư ký hội đồng: TS Nguyễn Hoàng Dũng

3 Giảng viên phản biện 1: PGS TS Trần Lê Lựu 4 Giảng viên phản biện 2: PGS.TS Trần Trung Thành 5 Ủy viên Hội đồng: PGS TS Đặng Vũ Bích Hạnh

Xác nhận của chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN 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

RESEARCH ON DEVELOPING SLOW-RELEASE ORGANIC MICROBIAL FERTILIZER FROM SLUDGE IN BIOGAS TANK FOR HELPING STABILIZE MACRONUTRIENTS

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu này thực hiện các nội dung sau:

- Nội dung 1: Nghiên cứu tạo mảng 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

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/9/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/12/2023

Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2023

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn Cô đã hướng dẫn tôi là TS Võ Nguyễn Xuân Quế đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn thành Luận văn

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô thuộc Khoa Môi trường và tài nguyên, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy cho tôi trong thời gian học tập

Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè, tập thể lớp, những người đã luôn hỗ trợ và chia sẻ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Do giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều hạn chế, kính mong sự chỉ dẫn và đóng góp của các Thầy, Cô để bài luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!”

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2024

Hồ Thanh Thuận

ii

TÓM TẮT

Các phương thức canh tác nông nghiệp hiện nay phụ thuộc hoàn toàn vào lượng phân bón hóa học, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ… Việc sử dụng lâu dài các hóa chất nông nghiệp đang gây ra những ảnh hưởng rất nghiêm trọng, 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 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 phương thức sử dụng phân bón trong nông nghiệp không bền vững cả về khía cạnh xã hội lẫn môi trường hiện tại cần phải được thay đổi

Phân bón sinh học là phân bón được bổ sung chế phẩm sinh học giúp bổ sung các vi khuẩn có thể phát triển trong vùng rễ hoặc các bộ phận bên trong của cây Các loài vi sinh vật khác nhau bao gồm vi khuẩn và nấm có lợi hiện đang được sử dụng làm phân bón sinh học, vì chúng có khả năng phát triển mạnh mẽ ở vùng rễ, hoặc bên trong rễ cây Những vi khuẩn này thúc đẩy tăng trưởng, năng suất và các đặc tính sinh lý của thực vật trực tiếp hoặc gián tiếp và do đó, còn được gọi là vi khuẩn vùng rễ (rhizobacteria) thúc đẩy tăng trưởng thực vật Phân bón sinh học làm tăng sự tăng trưởng cũng như phát triển của cây trồng bằng cách tích lũy khả năng tiếp cận các chất dinh dưỡng khoáng, chuyển hóa nitơ sinh học, hòa tan phốt-pho và sản xuất hormone tăng trưởng Những vi khuẩn này và các sản phẩm phụ của chúng là đầu vào nông nghiệp hữu cơ thân thiện với môi trường, làm tăng tính bền vững cũng như sức khỏe của đất và do đó được coi là giải pháp thay thế tốt nhất cho phân bón tổng hợp Chúng có hiệu quả với số lượng rất ít, quá trình phân hủy nhanh hơn và ít có khả năng tạo ra sức đề kháng của mầm bệnh và các loại sâu bệnh khác Việc sử dụng phân bón sinh học trong thực hành nông nghiệp khắc phục việc sử dụng phân bón hóa học, có tác động tiêu cực đến môi trường và tất cả các loại sinh vật Hơn nữa, phân bón sinh học có khả năng giúp tăng cường quá trình phân hủy chất hữu cơ Mặc dù vậy, việc sử dụng phân bón sinh học vẫn chưa thể thay thế phân bón hóa học truyền thống trong sản xuất nông nghiệp phục vụ thương mại Cho đến nay, các nghiên cứu đã đạt được thành tựu đáng kể, hiểu rõ các tác nhân điều khiển, vai trò của các chủng vi sinh, quá trình và cơ chế chuyển hóa chất dinh dưỡng của hệ vi sinh vùng rễ thực vật Tuy nhiên, việc ứng dụng các kiến thức này để tăng cường hiệu quả cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng trong nông nghiệp vẫn còn là một thách thức

iii

Phân hủy kỵ khí, hoặc sản xuất khí sinh học, là một giải pháp hiệu quả giúp tạo ra năng lượng sạch trong khi xử lý chất thải nông nghiệp, có ý nghĩa to lớn trong việc giảm bớt khủng hoảng năng lượng và kiểm soát ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, các hệ thống sản xuất khí sinh học thường để lại một lượng lớn bùn và cặn sinh học 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 Vì vậy, bùn thải sinh học của các hệ thống biogas có thể được sử dụng như một dạng phân hữu cơ dễ hấp thu bởi cây trồng, có khả năng thúc đẩy tăng trưởng thực vật mạnh hơn bùn thô chưa qua quá trình phân hủy kỵ khí do có nồng độ NH4+-N cao hơn Hiện nay, bùn sinh học cũng đang được sử dụng rộng rãi làm phân bón trong các hệ thống canh tác hữu cơ Tuy nhiên, đất nông nghiệp có sức chịu tải hạn chế trong khi tốc độ hấp thu chất dinh dưỡng từ bùn sinh học nhanh có thể làm thất thoát phần lớn chất dinh dưỡng vào các vùng nước và gây ra các vấn đề phú dưỡng nghiêm trọng Tùy nguồn nguyên liệu đầu vào, bùn sinh học có khả năng nhiễm thuốc kháng sinh và kim loại nặng Nhu cầu thực tế sử dụng bùn lỏng sinh học làm phân bón 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 vùi sâu dưới lớp đất để tăng hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng, giảm thất thoát chất dinh dưỡng thông qua bay hơi và rửa trôi

Vì vậy, 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 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” hướng đến sử dụng nguồn bùn lỏng bể bio-gas cô đặc làm nguyên liệu tổng hợp phân bón Phân bón tổng hợp có lớp phủ nhả chậm và chế phẩm vi sinh bổ sung với khả năng ổn định đạm và phân giải photphat khó tan được nghiên cứu để cung cấp tối ưu nguồn dinh dưỡng cho cây trồng hấp thu hiệu quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy 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 Phối trộn viên phân NPK 10–3–3–TE từ bùn lỏng biogas đã qua tiền xử lý khử mùi, 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

iv

phần dinh dưỡng tương đương Lớp phủ polymer sinh học dựa trên gelatin và glycerin giúp đạt hiệu quả nhả chậm dinh dưỡng thông qua thử nghiệm ngâm trong nước, giảm thất thoát chất dinh dưỡng theo nước tưới thông qua thử nghiệm chu kỳ 45 ngày với cây cải bẹ dưa đồng thời đảm bảo cung cấp dinh dưỡng đa lượng đầy đủ cho cây phát triển tốt, đạt sản lượng tương đương khi sử dụng phân thương mại

v

ABSTRACT

Current agricultural farming methods depend entirely on chemical fertilizers, pesticides, herbicides, etc The long-term use of agricultural chemicals is causing extremely serious and destructive effects Nutritional value, product yield, crop yield, afforestation products and soil environmental quality also affect human health In addition, the intensification of agricultural activities also exacerbates the extreme impacts of global climate change, leading to unsustainable food security in the future Therefore, current methods of using fertilizers in agriculture that are not sustainable in terms of social and environmental aspects need to be changed

Biofertilizers are fertilizers supplemented with biological products that help replenish bacteria that can grow in the root zone or internal parts of the plant Various species of microorganisms including beneficial bacteria and fungi are currently being used as biofertilizers, as they have the ability to grow vigorously in the rhizosphere, or inside plant roots These bacteria promote growth, yield and physiological properties of plants directly or indirectly and are therefore also known as plant growth-promoting rhizobacteria Biofertilizers increase plant growth and development by accumulating access to mineral nutrients, biological nitrogen metabolism, phosphorus solubility and growth hormone production These bacteria and their by-products are eco-friendly organic agricultural inputs that increase soil sustainability and health and are therefore considered the best alternative to fertilizers synthetic They are effective in very small quantities, decompose more quickly and are less likely to confer resistance to pathogens and other pests The use of biofertilizers in agricultural practices overcomes the use of chemical fertilizers, which have a negative impact on the environment and all types of organisms Furthermore, biofertilizers have the ability to help enhance the decomposition of organic matter However, the use of biofertilizers has not yet been able to replace traditional chemical fertilizers in commercial agricultural production To date, research has achieved significant achievements, understanding the controlling agents, the role of microbial strains, and the process and mechanism of nutrient metabolism of plant rhizosphere microflora However, applying this knowledge to increase the efficiency of nutrient supply to crops in agriculture is still a challenge

Anaerobic digestion, or biogas production, is an effective solution for generating clean energy while processing agricultural waste, which has great significance in alleviating the energy crisis and controlling pollution environmental contamination

vi

However, biogas production systems often leave behind large amounts of sludge and biological residue Biological sludge of biogas systems mainly consists of microbial biomass as well as undecomposed solid waste, which has a higher nutrient content than biological sludge from aerobic digestion Therefore, biological sludge from biogas systems can be used as a form of organic fertilizer that is easily absorbed by plants, and has the ability to promote plant growth more strongly than raw sludge that has not gone through the anaerobic digestion process gas due to higher NH4+-N concentration Currently, bio-sludge is also widely used as fertilizer in organic farming systems However, agricultural soils have limited carrying capacity, while the rapid uptake of nutrients from biological sludge can cause the majority of nutrients to be lost to water bodies and cause serious eutrophication problems Depending on the source of input materials, biological sludge can be contaminated with antibiotics and heavy metals The actual need to use biological liquid sludge as fertilizer faces many limitations such as high transportation costs, requiring initial treatment to meet food safety and environmental standards and special fertilization methods at low doses and buried deep under the soil layer to increase nutrient use efficiency and reduce nutrient loss through evaporation and leaching

Therefore, it is necessary to orient a reasonable approach to promote the development of microbial organic fertilizer products from biogas tank sludge, to meet the requirements of polluted waste treatment according to the trend of enhancing ecological agriculture The project "Research and development of slow-release microbial organic fertilizer from bio-gas tank sludge to help stabilize macronutrient composition" aims to use concentrated bio-gas tank liquid sludge source as raw material for fertilizer synthesis fertilizer Synthetic fertilizers with slow-release coatings and additional microbial products with the ability to stabilize nitrogen and dissolve insoluble phosphate are researched to optimally provide nutrients for plants to absorb effectively Research results show that the Fenton oxidation method is an effective pre-treatment step in treating odors, harmful microorganisms and adjusting the pH of biogas tank liquid sludge, helping to increase the potential for recovery of tank sludge waste products biogas as organic fertilizer Mixing NPK 10–3–3–TE fertilizer pellets from biogas liquid sludge that has been pre-treated for deodorization, is capable of providing adequate macronutrients for the growth and development of mustard greens and melon plants, equivalent to with the same effectiveness as using commercial pellets with

vii

equivalent nutritional content Biopolymer coating based on gelatin and glycerin helps achieve slow nutrient release through water immersion test, reduces nutrient loss with irrigation water through 45-day cycle test with mustard greens at the same time Ensure adequate macronutrient supply for plants to grow well, achieving yields equivalent to when using commercial fertilizers

viii

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên : Hồ Thanh Thuận MSHV : 2170765 Ngày tháng năm sinh : 01/5/1982 Giới tính : Nam Nơi sinh : Tp.HCM

Chuyên ngành : Kỹ thuật Môi trường Mã ngành: 8520320

Tên 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

Ngày bắt đầu nhận đề tài : 04/09/2023 Ngày hoàn thành : 18/12/2023

Cán bộ hướng dẫn : TS Võ Nguyễn Xuân Quế

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của Tôi Những số liệu và kết quả được nêu trong luận văn chưa được ai công bố dưới bất kỳ hình thức nào Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này

Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2023

HỒ THANH THUẬN

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu 4

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

2.1.1 Quá trình hình thành bùn thải bể biogas 5

2.1.2 Đặc trưng ứng dụng bùn thải bể biogas 8

2.1.3 Thành phần dinh dưỡng trong bùn bể biogas 17

2.2 Phân bón thế hệ mới 18

2.2.1 Phân bón nhả có kiểm soát (controlled release fertilizer) 18

x

2.2.2 Phân bón nhả chậm (slow release fertilizer) 19

2.2.3 Các yếu tố liên quan đến hiệu quả sử dụng phân bón nhả chậm hoặc nhả có kiểm soát 20

2.2.4 Phân loại phân bón nhả có kiểm soát 22

2.2.5 Cơ chế kiểm soát khả năng giải phóng chất dinh dưỡng 25

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 41

3.1 Sơ đồ nghiên cứu 41

3.2 Phương pháp nghiên cứu 41

3.2.1 Tiền xử lý bùn biogas 41

3.2.2.Tách nước và cô đặc bùn biogas 42

3.2.3 Quy trình phối trộn dinh dưỡng tạo ra viên phân 10-3-3-TE 43

3.2.4 Quy trình tạo lớp màng cho viên phân 44

3.2.5 Quy trình phủ lớp phủ vi sinh 47

3.2.6 Phân tích tính chất hóa lý và thành phần hóa học trong mẫu 47

3.2.7 Thực nghiệm đánh giá hiệu năng của phân bón 48

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 52

4.1 Hiệu quả xử lý mùi và vi sinh có hại trong bùn lỏng biogas và hiệu suất tách nước 52

4.2 Thành phần dinh dưỡng bùn lỏng bể biogas sau tách nước và xử lý mùi và vi sinh có hại 53

4.3 Thành phần hóa học và các đặc trưng hóa lý mẫu đất 54

xi

4.4 Thành phần hóa học của viên phân và tốc độ nhả dinh dưỡng trong nước

55

4.5 Hiệu năng bón phân của viên phân tổng hợp đối với cây cải bẹ dưa 59

4.5.1 Quá trình phát triển của cây cải bẹ dưa 59

4.5.2.Đánh giá mức độ thất thoát dinh dưỡng qua nước tưới 62

4.5.3 Đánh giá hàm lượng dinh dưỡng tích lũy trong đất 65

4.5.4 Hàm lượng nitrate trong cây cải sau thu hoạch 67

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

5.1 Kết luận 69

5.2 Kiến nghị 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

xii

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

TE Nguyên tố vết (trace element)

CRF Phân bón nhả có kiểm soát

PGP Hiệu ứng thúc đẩy thực vật phát triển

BNF Quá trình cố định nitơ sinh học

xiii

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Quá trình phân hủy kị khí các hợp chất hữu cơ 6Hình 2.2 Những thuận lợi đối với ứng dụng bùn thải biogas trong nông nghiệp (Ajay và cộng sự, 2021) 13

Hình 2.3 Ứng dụng của B.amyloquefaciens trong kỹ thuật di truyền, sản xuất hóa chất

công nghiệp & enzyme, nông nghiệp, y học và vật liệu sinh học (Zalila-Kolsi và cộng sự, 2023) 31Hình 2.4 Các con đường chuyển đổi, hấp thu chất dinh dưỡng qua hoạt động của vi sinh vật liên quan đến phân bón sinh học (Mũi tên nét liền đại diện cho quá trình chuyển hóa của vi sinh vật; mũi tên nét đứt thể hiện quá trình vận chuyển các chất dinh dưỡng) 33Hình 3.1 Sơ đồ tóm tắt nội dung nghiên cứu 41Hình 3.2 Hệ thống cô quay sử dụng để mô phỏng công nghệ HDH 42Hình 3.3 Sơ đồ quy trình phối trộn dinh dưỡng tạo viên phân 10-3-3-TE 44Hình 3.4 Cơ chế phản ứng tạo liên kết ngang giữa gelatin và glutaraldehyde trong môi trường axit (Kumar và cộng sự, 2014) 45Hình 3.5 Quy trình phủ lớp màng cho viên phân BG 10-3-3-TE 46Hình 4.1 Hình ảnh viên phân tổng hợp từ bùn biogas không phủ màng (a) và có phủ màng (b) 55Hình 4.2 Nồng độ và tốc độ giải phóng NH4+-N (mg/L) trong nước có ngâm viên phân tổng hợp không có lớp phủ (PKP) và có lớp phủ nhả chậm (PP) 57Hình 4.3 Nồng độ và tốc độ giải phóng NO3--N (mg/L) trong nước có ngâm viên phân tổng hợp không có lớp phủ (PKP) và có lớp phủ nhả chậm (PP) 57Hình 4.4 Nồng độ và tốc độ giải phóng PO43--P (mg/L) trong nước có ngâm viên phân tổng hợp không có và có lớp phủ nhả chậm 58Hình 4.5 Hình ảnh các viên phân bón tổng hợp không phủ màng (a) và có phủ màng (b) ngâm trong nước (T1, T3, T10: thời gian ngâm 1 ngày, 3 ngày và 10 ngày; A, B, C: các thí nghiệm lặp lại của mỗi nghiệm thức) 58

xiv

Hình 4.6 Sự phát triển của cây cải bẹ dưa trong điều kiện bón phân khác nhau (a) Không phân bón (KP), (b) Phân thương mại (PTM), (c) Phân bón tổng hợp không phủ màng (PKP) và (d) Phân bón tổng hợp có phủ màng (PP) 60Hình 4.7 Chiều cao cây phát triển trong chu kỳ trồng thử nghiệm 61Hình 4.8 Số lá cây phát triển trong chu kỳ trồng thử nghiệm 61Hình 4.9 Nồng độ NH4+–N (mg/L) trong nước tưới ở các điều kiện bón phân khác nhau 64Hình 4.10 Nồng độ PO43--P (mg/L) trong nước tưới ở các điều kiện bón phân khác nhau 65Hình 4.11 Nồng độ NH4+-N (mg/L) tích lũy trong đất ở các chế độ bón phân khác nhau 66Hình 4.12 Nồng độ PO43--P (mg/L) tích lũy trong đất ở các chế độ bón phân khác nhau 67

xv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Đặc trưng bùn thải từ hệ thống biogas 9

Bảng 3.1 Phương pháp phân tích mẫu 47

Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu năng phân bón 49

Bảng 3.3 Liều lượng và số lần bón phân cho mỗi nghiệm thức 49

Bảng 3.4 Lượng dinh dưỡng cung cấp trong 1 lần bón phân trên diện tích khay trồng 0,25m2 50

Bảng 4.1 Hàm lượng vi sinh của bùn lỏng bể biogas sau xử lý oxy hóa Fenton 52

Bảng 4.2 Hiệu suất tách nước bùn lỏng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi 53

Bảng 4.3 Thành phần và thông số hóa lý đặc trưng của bùn sau tách ẩm ở 70oC 53

Bảng 4.4 Thành phần và thông số hóa lý đặc trưng của mẫu đất 54

Bảng 4.5 Hàm lượng dinh dưỡng trong 1 kg phân bón tổng hợp 55

Bảng 4.6 Sinh khối và hàm lượng TKN trong cây cải bẹ dưa sau thu hoạch 62

Bảng 4.7 Hàm lượng nitrate trong mẫu cải thu hoạch 67

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 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):

2

(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.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),

3

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

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.2.1 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

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu này thực hiện các nội dung sau:

1.3 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 1.4.1 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

1.4.2 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

1.5 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 Nghiên cứu tập trung phát triển lớp màng composite nhả chậm ứng dụng tổng hợp phân bón hữu cơ vi sinh từ bùn bio-gas cô đặc chứa thành phần dinh dưỡng đa lượng NPK

5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Bùn thải bể biogas

2.1.1 Quá trình hình thành bùn thải bể biogas

Việc sản xuất khí sinh học từ quá trình phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ bằng các hệ thống biogas làm nguồn năng lượng thay thế mang lại lợi ích rõ ràng Tăng cường sản xuất khí sinh học ở khu vực nông thôn giúp giảm nhu cầu về điện, than, dầu và củi, và cơ sở hạ tầng phân phối điện, năng lượng Trong khi đó, nguồn nguyên liệu hữu cơ cần thiết cho quá trình sản xuất khí sinh học phong phú và có sẵn ở khu vực nông thôn Các phản ứng sinh học xảy ra trong quá trình phân hủy kỵ khí trong bể biogas làm giảm hàm lượng hữu cơ của chất thải từ 30 - 60% đồng thời để lại một loại bùn ổn định có thể được sử dụng làm phân bón hoặc chất ổn định đất (soil conditioner)

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là một quá trình rất phức tạp tạo ra hàng trăm hợp chất trung gian và phản ứng có thể xảy ra Mỗi phản ứng trong số đó được xúc tác bởi các enzyme hoặc chất xúc tác cụ thể Tuy nhiên, có thể tóm tắt các phản ứng tổng thể như sau:

Quá trình phân hủy kỵ khí bao gồm các giai đoạn sau:

1) Hóa lỏng hoặc phân hủy các hợp chất cao phân tử (polymer) 2) Sự hình thành axit

3) Sự hình thành khí mê-tan

Hình 2.1 cho thấy các hợp chất trung gian chính được hình thành trong quá trình kỵ khí phân hủy protein, carbohydrate và chất béo Mô tả các phản ứng xảy ra trong mỗi giai đoạn trong ba giai đoạn như sau:

Chất hữu cơ → CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S Phân hủy kị khí

6

Hình 2.1 Quá trình phân hủy kị khí các hợp chất hữu cơ

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí do một quần thể vi sinh vật hoạt động trong điều kiện không có oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí chứa CH4, CO2, N2, H2, …trong đó CH4 chiếm đến 65% (Lương Đức Phẩm 2002)

Giai đoạn 1: Hóa lỏng, phân hủy chất hữu cơ phức tạp (liquefaction)

Nhiều chất thải hữu cơ bao gồm các hợp chất hữu cơ phức tạp như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin, …, một số trong số đó ở dạng chất rắn không tan Trong giai đoạn này, các hợp chất hữu cơ cao phân tử này bị phân hủy thành các thành phần hữu cơ đơn giản bởi enzyme ngoại bào được sản xuất bởi vi khuẩn thủy phân và hòa tan trong nước Các thành phần hữu cơ đơn giản, dễ tan này dễ được sử dụng bởi các vi khuẩn hình thành axit (acid producing bacteria) Một số phân tử sẽ được hấp thu mà không trải qua quá trình phân hủy tiếp theo vì vậy khó phân biệt giai đoạn này với giai đoạn 2 (giai đoạn hình thành axit)

Các phản ứng thủy phân xảy ra trong giai đoạn này sẽ chuyển đổi protein thành axit amin, carbohydrate thành đường đơn giản và chất béo thành axit béo chuỗi dài (Hình 2.1) Sự phân hủy của cellulose và các hợp chất phức tạp khác thành các hợp chất đơn giản có thể là bước giới hạn tốc độ của cả quá trình phân hủy kỵ khí, vì hoạt động của vi khuẩn ở giai đoạn này chậm hơn nhiều so với giai đoạn 2 hoặc 3 (NAS 1977) Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và vi khuẩn cũng như các yếu tố môi trường bao gồm pH và nhiệt độ

Giai đoạn 2: Hình thành axit

7

Các thành phần hữu cơ đơn giản sinh ra bởi phản ứng phân hủy xảy ra ở giai đoạn 1 được tiếp tục chuyển đổi thành axit axetic (hoặc muối axetat) và khí H2 hoặc CO2 bởi vi khuẩn acetogen trong giai đoạn này Các axit béo dễ bay hơi là sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển hóa protein, chất béo và carbohydrate; trong đó axit axetic, axit propionic và axit lactic là những sản phẩm chính Khí H2 hoặc CO2 cũng được giải phóng trong quá trình dị hóa các thành phần carbohydrate Sự phân hủy carbohydrate cũng có thể sinh ra các sản phẩm phụ như CH3OH và các loại rượu đơn giản khác Tỷ lệ của các sản phẩm sinh ra phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu đầu vào cũng như điều kiện môi trường Trong giai đoạn này, bùn bể có mùi hôi đặc biệt từ H2S và một lượng lớn các chất cực kỳ phức tạp và các chất dễ bay hơi có mùi hôi, hầu hết là các khí gây ô nhiễm không khí, độc hại và nguy hiểm

Giai đoạn 3: Hình thành khí metan

Các sản phẩm của giai đoạn 2 được chuyển đổi thành CH4 và các sản phẩm khác nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn sinh mê-tan (methanogens) Vi khuẩn sinh mê-tan là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc có tốc độ tăng trưởng thường chậm hơn so với vi khuẩn ở giai đoạn 1 và 2

Vi khuẩn methanogens sử dụng axit axetic, metanol hoặc carbon dioxide và khí hydro để tạo ra khí CH4 Axit axetic hoặc muối axetat là cơ chất quan trọng cho phản ứng hình thành mêtan, với khoảng 70% CH4 sinh ra từ axit axetic Lượng khí CH4 còn lại được tạo thành từ việc sử dụng CO2 và H2 Một vài cơ chất khác cũng có thể được sử dụng, chẳng hạn như axit formic (HCOOH), nhưng thường không quan trọng vì chúng thường không hiện diện trong quá trình lên men kỵ khí Vi khuẩn methanogens cũng phụ thuộc vào nhóm vi khuẩn ở giai đoạn 1 và 2 để cung cấp chất dinh dưỡng ở dạng có thể sử dụng được Ví dụ, các hợp chất nitơ hữu cơ phải được khử thành NH3 để đảm bảo hiệu quả sử dụng nitơ của vi khuẩn methanogens

Các phản ứng tạo thành CH4 ở giai đoạn 3 là quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình phân hủy kỵ khí Bên cạnh việc tạo ra khí CH4, methanogens còn điều chỉnh và trung hòa độ pH của bùn bể bằng cách chuyển hóa các axit béo dễ bay hơi thành CH4

và các khí khác Quá trình chuyển đổi H2 thành CH4 bởi methanogens giúp giảm áp suất riêng phần của H2 trong bùn bể, có lợi đối với hoạt động của vi khuẩn tạo axetate (acetogenic bacteria) Nếu methanogens không hoạt động hiệu quả sẽ có rất ít hoặc không có CH4 được tạo ra từ bể biogas và hiệu quả ổn định chất thải không đạt được vì

8

các hợp chất hữu cơ sẽ chỉ chuyển đổi thành axit béo dễ bay hơi, có thể gây ô nhiễm nếu thải vào môi trường Vì methanogens là nhóm kỵ khí bắt buộc, sự phát triển của chúng bị ức chế ngay cả khi tồn tại một lượng nhỏ oxy và điều cần thiết là phải duy trì một môi trường có tính khử cao để thúc đẩy sự tăng trưởng của chúng Methanogens cũng nhạy cảm với các yếu tố môi trường khác (nhiệt độ, pH, độ kiềm, tỷ lệ C/N, thời gian lưu,…) Tùy điều kiện vận hành và thiết kế hệ thống biogas, bùn sau phân hủy được rút khỏi bể gián đoạn hay liên tục nhằm đảm bảo đạt hiệu quả xử lý lượng chất thải thực tế và duy trì hoạt động ổn định của hệ thống Bùn bể sau phân hủy vẫn còn chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, dựa trên tổng chất rắn dễ bay hơi (TVS) và nhu cầu oxy hóa học (COD), và nitơ, và do đó cần được xử lý bổ sung trước khi thải ra môi trường Mặt khác, bùn này thích hợp để tái sử dụng làm phân bón hoặc điều hòa đất

Trước khi ứng dụng bùn bể làm phân bón cần phải xem xét các nguy cơ tiềm ẩn của việc đưa các thành phần gây ô nhiễm còn lại vào đất nông nghiệp Ví dụ, nồng độ của chất gây ô nhiễm, phản ứng hóa học của nó, tính bay hơi, khả năng hòa tan trong nước và khả năng hấp thụ, cũng như khả năng gây thoái hóa đất và các tác động lâu dài có thể xảy ra đối với môi trường đất Chất lượng sinh học của bùn bể cũng liên quan đến sự hiện diện của vi sinh vật gây bệnh, có khả năng tạo điều kiện cho các đường lây truyền mầm bệnh mới giữa người, động vật và môi trường Cuối cùng, bùn thải có thể chứa nhiều loại tạp chất vật lý khác nhau, chẳng hạn như thủy tinh, nhựa, kim loại và đá Do đó, để có thể sử dụng bùn thải từ bể biogas làm phân bón cho cây trồng thì bùn thải cần phải được xử lý và có chất lượng cao như một nguồn dinh dưỡng hiệu quả cho thực vật và chất điều hòa đất (Arthurson, V 2009)

2.1.2 Đặc trưng ứng dụng bùn thải bể biogas

Mặc dù các bể biogas cho hiệu quả phân hủy đáng kể các chất hữu cơ, chất rắn và thành phần chứa nitơ, bùn bể sau phân hủy vẫn chứa nồng độ cao của các thành phần trên và cần được xử lý bổ sung trước khi thải bỏ (Bảng 2.1) Bùn sau phân hủy cũng chứa nhiều loại tác nhân gây bệnh, cần hết sức thận trọng trong việc xử lý bổ sung và thải ra môi trường Trong khi đó, hàm lượng chất dinh dưỡng cao trong bùn thải rất phù hợp để tái sử dụng như phân bón hữu cơ, nuôi cá ao hoặc làm chất điều hòa đất

9

Bảng 2.1 Đặc trưng bùn thải từ hệ thống biogas

HRT Số lượng bể phân hủy

TS Hiệu quả phân hủy

TVS Hiệu quả phân hủy

COD (không lọc)

Hiệu quả phân hủy

TKN Hiệu quả phân hủy

22 NH4+ +37 O2 + 4 CO2 + HCO3- => 21 NO3- + C5H7O5N + 20 H2O + 42 H+

Do đó, quá trình phân hủy trong bể biogas làm tăng hàm lượng nitơ ở dạng dễ hấp thu có trong phế phẩm hữu cơ, cao hơn 30-60% Trong khi đó, quá trình phân hủy biogas không làm giảm hàm lượng phốt phát và kali ở dạng dễ hấp thu, lần lượt chiếm khoảng 50% và 80% Ngoài việc được sử dụng làm phân bón, bùn hầm khí sinh học còn hoạt động như một chất điều hòa đất và giúp cải thiện các tính chất vật lý của đất Việc áp dụng bùn phân hủy cho đất không màu mỡ cuối cùng sẽ cải thiện chất lượng đất, hoặc những vùng đất vô dụng có thể được khai hoang

Các chất dinh dưỡng bao gồm các nguyên tố đa lượng (N, P, K), trung và vi lượng cần thiết cho cây trồng (Mg, Ca, Bo, v.v.), có sẵn trong phần bùn thải Tuy nhiên, trong một thời gian dài, trong bể biogas hình thành các khí có mùi do môi trường kỵ khí và một phần tồn tại sẵn trong bùn thải bể biogas Mùi hôi thối thoát ra từ bùn lỏng bể biogas có thể bao gồm các hợp chất vô cơ như H2S, một số lượng lớn các chất hữu cơ chứa clo, có mạch vòng cực kỳ phức tạp và các có mùi hôi thối dễ bay hơi Hầu hết chúng thuộc về các chất ô nhiễm không khí độc hại và nguy hiểm Mùi hôi thoát ra từ bùn lỏng bể biogas không gây độc hại đáng kể cho cây trồng, nhưng chúng có thể tạo ra mùi và cảm

10

giác khó chịu Hơn nữa, các chất tạo mùi này có thể gây kích ứng đường hô hấp của con người, ảnh hưởng đến chức năng sinh lý của gan, thận, làm suy giảm trí nhớ và khả năng phán đoán, thậm chí một số chất có tác dụng gây ung thư Mặc dù một số báo cáo chỉ ra rằng bùn lỏng bể biogas có thể thúc đẩy cây trồng phát triển, nhưng bùn lỏng bể biogas hiếm khi được sản xuất thành sản phẩm cho mục đích thương mại nếu không có cách hiệu quả để loại bỏ mùi hôi, các chất có cấu trúc phức tạp khó phân hủy và giải pháp đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng và an toàn trong lúc bảo quản và sử dụng (Wang và cộng sự, 2013)

Mặt khác, tùy vào nguồn gốc và điều kiện xử lý, bùn sau phân hủy còn có thể chứa chất hữu cơ khó phân hủy, chẳng hạn như các hợp chất giống dioxin, polychlorinated brom (PCB), thuốc trừ sâu, hydrocacbon đa thơm (PAH), paraffin clo hóa, hợp chất phenolic và phthalates Trước khi ứng dụng chất cặn cần phải xem xét các nguy cơ tiềm ẩn của việc đưa các chất gây ô nhiễm này vào đất nông nghiệp Ví dụ, nồng độ của chất gây ô nhiễm, phản ứng hóa học của nó, tính bay hơi, khả năng hòa tan trong nước và khả năng hấp thụ, cũng như khả năng thoái hóa của đất và các tác động lâu dài có thể xảy ra đối với các quá trình đất

Chất lượng sinh học của chất cặn thải từ bể cũng liên quan đến sự hiện diện của vi sinh vật gây bệnh, có thể tạo điều kiện cho các đường lây truyền mầm bệnh mới giữa người, động vật và môi trường Trong quá trình phân hủy kị khí không có oxy trong một thời gian dài (15-50 ngày), ở nhiệt độ khoảng 35°C, một số vi khuẩn gây bệnh, vi rút, động vật nguyên sinh và trứng giun sán bị vô hiệu hóa Tuy nhiên, khả năng ổ định chất thải và bất hoạt mầm bệnh khi ứng dụng bể biogas không hoàn chỉnh, so với công nghệ ủ phân compost Vì quá trình bất hoạt mầm bệnh trong bể kỵ khí nói chung là không hoàn toàn và bùn sau phân hủy ở dạng lỏng, việc xử lý bổ sung và tái sử dụng bùn sau phân hủy cần được đặc biệt chú ý Cuối cùng, bùn sau phân hủy có thể chứa nhiều loại tạp chất vật lý khác nhau, chẳng hạn như thủy tinh, nhựa, kim loại và đá Do đó, để có thể sử dụng bùn thải từ bể như là phân bón cho cây trồng thì bùn thải cần phải được xử lý và có chất lượng cao như một nguồn dinh dưỡng hiệu quả cho thực vật và chất điều hòa đất (Arthurson, 2009)

a Hạn chế khi ứng dụng làm phân bón trong nông nghiệp

Bùn bể biogas sinh ra sau quá trình phân hủy phân gia súc có thành phần dinh dưỡng cao là một nguồn phân bón tiềm năng Tuy nhiên, bùn biogas còn nhiều hạn chế như tỷ lệ C/N thấp, lượng lớn nitơ thất thoát do bay hơi dưới dạng NH3 (VOA) và độ

11

pH cao Hàm lượng lớn nước tồn tại trong bùn thải nên việc vận chuyển và sử dụng bùn càng trở nên khó khăn hơn (Ajay và cộng sự, 2021) Sự thất thoát nitơ phụ thuộc vào các tính chất vật lý của bùn lỏng như pH, độ nhớt, hàm lượng và sự phân bố kích thước hạt và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió (Bonten và cộng sự, 2014)

Với nguồn nguyên liệu đầu vào giàu carbon, bùn thải sau phân hủy kỵ khí thường có tỷ lệ C/N thấp (Bonten và cộng sự, 2014) Hàm lượng cao của nitơ ở dạng dễ hấp thu đối với vi sinh có khả năng thúc đẩy quá trình khoáng hóa cacbon hữu cơ trong đất (SOC) Việc sử dụng chất hữu cơ kết hợp với (NH4)2SO4 ban đầu làm tăng hàm lượng carbon dễ phân hủy Kết quả là tỷ lệ NO3--N và cacbon tăng, và khi đạt đến ngưỡng nhất định có thể thúc đẩy phản ứng sinh ra N2O trong điều kiện độ ẩm của đất cao Việc sử dụng trực tiếp bùn lỏng bể biogas bằng phương pháp phun qua lá cũng cần được xem xét cẩn thận, để tránh nguy cơ nhiễm độc gây ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng do nồng độ NH4+ và PO43- cao, vì vậy nên pha loãng bùn lỏng biogas trước khi sử dụng Việc sử dụng phân bón dạng viên từ bùn bể biogas cũng cần được xem xét kỹ lưỡng dựa trên tỷ lệ hấp thụ của thực vật tại thời điểm bón phân Khuyến nghị thông thường là nên sử dụng lượng phân bón thấp hơn để hạn chế sự mất mát nitơ do nitrat hóa Việc bón phân quá nhiều gây ô nhiễm môi trường do VOA và giảm hiệu quả kinh tế do lượng đạm bị thất thoát (Ajay và cộng sự, 2021)

Dù các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng gây bệnh do ô nhiễm kim loại trong bùn thải biogas là khá ít, nhưng nguy cơ ảnh hưởng của các kim loại nặng vẫn được tìm thấy Nồng độ trung bình của Cd, Pb và Zn trong đất và cả mẫu cây trồng đã được sử dụng phân bón từ bùn thải biogas vượt ngoài mức an toàn cho phép (Bian và cộng sự, 2016)

12

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, axit humic, amino axit, vitamin, enzyme, v.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), nhu cầu oxy hóa hóa học COD lớn (hơn 3000 mg/L) và nhiễm thuốc kháng sinh và kim loại nặng (McKinney và cộng sự, 2010) 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 chưa xử lý sẽ làm tăng pH đất Trong khi đó, sau một vài ngày bón phân, cộng đồng vi sinh chuyển hóa nitơ 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+ loãng, chỉ với 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

13

chưa qua xử lý như một dạng phân bón lỏng thực ra có thể dẫn đến những tác hại lớn và lâu dài

b Thuận lợi khi ứng dụng làm phân bón trong nông nghiệp

Bùn bể biogas có những lợi thế như một loại phân bón giúp cải thiện hàm lượng chất dinh dưỡng trong đất và các thành phần chất dinh dưỡng sẵn có của chúng có lợi đối với cây trồng; cải thiện cấu trúc đất, khả năng giữ nước của nó và khả năng trao đổi cation; cải thiện hệ vi sinh vật trong đất (vi khuẩn phân giải nitơ, vi khuẩn phân giải photphat - PSBs) (Hình 2.2) Bùn bể biogas có thể ngăn chặn hoặc giảm xói mòn đất thông qua cải thiện các tính chất vật lý của đất (khả năng giữ nước, độ thông không khí, độ ổn định, …) và tăng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất Bùn bể biogas là một nguồn cung cấp các khoáng chất giải phóng chậm và chất dinh dưỡng với tỷ lệ cân đối Nó có thể được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp như một loại phân bón hữu cơ Bùn bể biogas có thể được sử dụng dưới dạng phun qua lá, phân bón rễ dạng lỏng, và dạng viên phân

Hình 2.2 Những thuận lợi đối với ứng dụng bùn thải biogas trong nông nghiệp (Ajay và cộng sự, 2021)

Bùn thải biogas ngăn chặn côn trùng có hại (mối), giảm sự phát triển của cỏ dại khoảng 50% và khi sử dụng ở dạng phân trộn giúp tăng sản lượng ngũ cốc từ 10-30% (Aminul Haque, 2013) Sử dụng bùn bể biogas làm phân bón cũng góp phần giảm biến đổi khí hậu thông qua quá trình tích lũy carbon trong đất Đất được bón bằng bùn thải sau quá trình phân hủy kỵ khí có hàm lượng CO2 thấp hơn so với phân chuồng Bùn bùn

thu hồi sẽ được chuyển thành dạng muối ammoni photphat hòa tan để được 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

c Định hướng phát triển phân bón từ bùn bể biogas

Để gia tăng lương thực trên diện tích đất canh tác giới hạn, kỹ thuật canh tác nông nghiệp thâm canh hiện 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 (Tilman và cộng sự, 2011) Chính vì vậy, những 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)

15

Theo số liệu phân loại sáng chế quốc tế, hướng tiếp cận sử dụng và sản xuất phân bón mới là một trong hai phương thức tiếp cận phổ biến 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 sau đây (Charlotte, 2013):

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)

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, 2017)

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, 2018; Lê Công Nhất Phương và cộng sự, 2019)

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 định hướng nghiên cứu phát triển các nhóm phân bón thế hệ mới, bất kể đối tượng phát triển thuộc nhóm 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”, chẳng hạn như dạng liên kết amino acid với cộng đồng vi sinh, không phải ở dạng dễ bay hơi NH3, dạng ion NH4+, NO3-, HxPO43-x hòa tan trong dung dịch đất hay ở dạng muối khoáng không tan Đây là mục tiêu rất quan trọng do những lí do sau:

16

Nếu cung cấp cho đất chất dinh dưỡng ở dạng hòa tan, cây trồng chỉ hấp thu một tỉ lệ nhỏ chất dinh dưỡng trong khi phần dinh dưỡng còn lại này dễ dàng thất thoát ở dạng khí dễ bay hơi hoặc dạng ion hòa tan (NO3- , PO43-) do tình trạng rửa trôi (run-off) hoặc rò rỉ vào các tầng đất sâu (leachache), nhất là vào mùa mưa (Pegtel và cộng sự, 1996) Tùy loại đất mà thời gian thất thoát dinh dưỡng sau khi bón phân có thể dao động từ vài ngày cho đến vài tuần (Carvalhais và cộng sự, 2010) Đặc biệt, đối với P, sau khi được bón ở dạng PO43- hòa tan, trong tổng số 10.000 kg P cung cấp cho 1 mẫu đất, ước lượng có đến 449 kg P bị rửa trôi, chỉ 1 kg P được cây hấp thụ, 50 kg P liên kết với vi sinh, 500 kg P hấp phụ trên bề mặt hạt đất (đối với loại đất có chỉ số trao đổi anion AEC lớn) và có đến 9000 kg P bị tủa và khoáng hóa, nhất là trong đất axit và đất kiềm (Wang và cộng sự, 2020) (Murphy và cộng sự, 2003) Do vậy, khác với N chủ yếu thất thoát do bay hơi, rửa trôi hoặc tưới lắng, cơ chế gây thất thoát P chính là do P tham gia vào các phản ứng khoáng hóa và hấp phụ trên bề mặt hạt đất, và chuyển hóa thành các dạng P tồn tại trong đất mà cây trồng khó sử dụng được Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng phân bón, cây thiếu chất dinh dưỡng cần thiết, bắt buộc kết hợp bón phân tăng cường và sử dụng thuốc bảo vệ thực vật dồn dập, đất nhanh bạc màu và nhiễm độc đồng thời nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng do tình trạng phú dưỡng hóa

Nếu cung cấp cho đất chất dinh dưỡng ở dạng hòa tan hàm lượng lớn, cây trồng được cung cấp dư dinh dưỡng, thích nghi dần và dẫn đến giảm tương tác cộng sinh với cộng đồng vi sinh (nấm và vi khuẩn) có chức năng ổn định N và P ở vùng bầu rễ, ảnh hưởng bất lợi đối với sự phát triển của cộng đồng vi sinh có lợi trong đất Sư suy giảm cộng đồng vi sinh có lợi trong đất trồng ngay trong thời gian đầu của chu kỳ sinh trưởng của cây trồng có tác hại lâu dài Cụ thể, sau 3- 6 tuần, khi cây đến thời kỳ sinh trưởng cần nhiều dưỡng chất nhưng lượng chất dinh dưỡng cung cấp dư thừa bị thất thoát hoặc bị cố định trong đất ở dạng không hấp thu được, bên cạnh đó cộng đồng nấm, vi khuẩn có khả năng ổn định N và P phát triển yếu ớt sẽ không đủ khả năng phân hủy chất dinh dưỡng cung cấp đủ cho nhu cầu phát triển của cây, cây sẽ bị thiếu dinh dưỡng trầm trọng, không phát triển được (Carvalhais và cộng sự, 2010) Một số kết quả nghiên cứu khoa học liên quan đến hiệu quả ổn định đạm cho thấy thành phần dinh dưỡng được phóng thích từ sản phẩm phân bón thế hệ mới cần phải đảm bảo cung cấp nguyên tố thiết yếu như C và N tối ưu phù hợp với đất và cây trồng để đảm bảo ổn định tối đa lượng dinh dưỡng trong đất mà cây trồng dễ dàng hấp thu nhờ vào hoạt động vi sinh vật (Springoba và Kirchmann, 2003)

17

2.1.3 Thành phần dinh dưỡng trong bùn bể biogas

Bùn thải từ bể biogas có thành phần chính là nước với hàm lượng xấp xỉ 93% và phần còn lại (khoảng 7%) bao gồm chất hữu cơ (4,5%) và chất vô cơ (2,5%), có pH trung tính (Malav và cộng sự, 2015, Xu và cộng sự, 2013) Bùn có thành phần giàu NPK cùng các chất dinh dưỡng khác (Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, và Zn) cần thiết cho sự phát triển của thực vật (Nyang'au và cộng sự, 2016) Những nghiên cứu mới nhất cho thấy thành phần bùn bể biogas chứa đến 2,55%, 0,57% và 1,77% của N, P và K (Mdlambuzi và cộng sự, 2021) Bùn biogas sau khi loại nước bằng cách phơi khô dưới ánh nắng mặt trời có hàm lượng C, N, P và K lần lượt là 41,6 ± 2,1%, 0,72 ± 0,12%, 0,59 ± 0,02% và 0,91 ± 0,04% (Sharma và cộng sự, 2021)

Hàm lượng dinh dưỡng còn lại trong bùn bể biogas phụ thuộc vào một số yếu tố như nguồn nguyên liệu đầu vào, điều kiện vận hành hệ thống và cộng động vi sinh phân hủy Nghiên cứu cho thấy có mối tương quan trực tiếp giữa hàm lượng NPK trong phân gia súc và bùn bể biogas thu hồi, cụ thể hàm lượng N, K cao hơn so với hàm lượng P Vì bùn bể biogas giàu NH4+-N và K nhưng ít P, giá trị phân bón của nó có thể chủ yếu là do tác dụng của N, do đó đất bón bùn bể biogas cần bổ sung phốt pho (tức là superphotphat) để tránh thâm hụt P cần thiết phải phân tích và giám sát chất lượng của bùn bể biogas làm phân bón trước khi bón bừa bãi vào đất nông nghiệp (Arthurson, V 2009)

Sản phẩm còn lại sau quá trình phân hủy kỵ khí như bùn bể biogas khi ứng dụng làm phân bón thường có mức độ thất thoát NO3- thấp và phát thải N2O ít hơn so với phân động vật hoặc phân compost (Möller và cộng sự, 2008) Bùn bể biogas sau phân hủy kỵ khí có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn so với bùn bể biogas sau phân hủy hiếu khí (Smith và cộng sự, 2014) quan sát thấy thất thoát nitơ cao hơn trong quá trình ủ phân compost (26–51%) so với quá trình phân hủy kị khí (5–10%) So với phân hữu cơ truyền thống, bùn bể biogas là một dạng phân compost dễ sử dụng bởi thực vật (Warnars và Oppenoorth, 2014) và có hiệu quả thúc đẩy tăng trưởng thực vật mạnh hơn bùn thô do nồng độ NH4+-N cao hơn (Wentzel và Joergensen, 2016) So với phân bò, bùn bể biogas có hàm lượng C/N thấp hơn, do đó cho hiệu quá bón phân cao hơn Trong khi đó, quá trình phân hủy kỵ khí còn giúp tăng cường quá trình khoáng hóa, do đó tăng nồng độ các chất dinh dưỡng dễ hấp thu đối với cây trồng, mặc dù khả năng thất thoát N ở dạng NH3 (Rahaman và cộng sự, 2020) (Tumuhimbise, 2021) đã ghi nhận tiềm năng phân bón cao hơn của bùn sinh học ủ từ phân chuồng so với phân chuồng chưa phân hủy khi

18

thử nghiệm trồng củ cải trong đất đỏ (Ferralsols) Kết quả tổng quan tài liệu cho thấy bùn bể biogas là nguồn phân bón tiềm năng chứa hàm lượng dinh dưỡng cần thiết đối với cây trồng (Smith và cộng sự, 2014, Warnars và Oppenoorth, 2014, Wentzel và Joergensen, 2016, Thomsen, 2000)

So với phân chuồng, bùn bể biogas có hàm lượng N, P, K cao hơn khoảng 0,65%, 0,133% và 0,10% (% wt) (Mdlambuzi và cộng sự, 2021) Bể biogas dung tích 2m3 có thể sản xuất khoảng 50 kg bùn mỗi ngày, chứa khoảng 0,16 - 1,05 kg nitơ/m3 bùn tương đương với khoảng 0,35 - 2,5 kg urê/m3 bùn Nước tiểu động vật được thêm vào bùn bể biogas để tăng nồng độ nitơ và đẩy nhanh quá trình làm phân hữu cơ, đồng thời tối ưu hóa tỷ lệ C/N trong bùn bể biogas để tăng mức độ có sẵn sinh học của chất dinh dưỡng cung cấp cho cộng đồng vi sinh vật trong đất và thực vật (Malav và cộng sự, 2015) (Nyang'au và cộng sự, 2016) ghi nhận hàm lượng cao hơn của Ca, Mg, Fe, Mn và Zn trong phân hữu cơ lỏng (slurry compost) so với bùn bể biogas Tuy nhiên, tính riêng thành phần NPK, bùn bể biogas chứa hàm lượng dinh dưỡng cao hơn so với phân hữu cơ lỏng và phân chuồng Việc bổ sung chất hữu cơ giàu dinh dưỡng như NEDOC (non-edible DOC) là giải pháp được đề xuất giúp tăng cường thành phần cơ chất cho vi khuẩn phát triển và do đó để cải thiện hàm lượng dinh dưỡng vi lượng trong bùn bể biogas

2.2 Phân bón thế hệ mới

2.2.1 Phân bón nhả có kiểm soát (controlled release fertilizer)

Hiệu quả cung cấp chất dinh dưỡng và giảm ô nhiễm môi trường khi sử dụng phân bón trong nông nghiệp phụ thuộc vào hai yếu tố: cung cấp chất dinh dưỡng phù hợp với nhu cầu thực vật và duy trì sự sẵn có của chất dinh dưỡng Một giải pháp hiệu quả để tăng hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng và giảm thiểu ảnh hưởng môi trường là việc sử dụng phân bón phòng thích dinh dưỡng kiểm soát (controlled release fertilizer - CRF) CRFs là các viên phân có chứa các thành phần dinh dưỡng phối trộn trong các phân tử chất mang và do đó cải thiện hiệu quả phóng thích chất dinh dưỡng cho cây trồng và giảm các mối nguy hại về sinh thái, môi trường và sức khỏe (Subbarao và cộng sự, 2013) Phân bón được bao bọc trong chất hữu cơ hoặc vô cơ giúp kiểm soát tốc độ và thời gian phân giải chất dinh dưỡng của cây trồng, ví dụ như phân urê bọc polymer (Du và cộng sự, 2006) Thời gian phóng thích chất dinh dưỡng của CRF thường dài hơn như so với phân bón truyền thống CRF làm tăng tính khả dụng của chất dinh dưỡng do sự phóng thích có kiểm soát của chất dinh dưỡng hỗ trợ quá trình cố định dinh dưỡng trong đất (Shaviv 2001) Chúng làm tăng hiệu quả của hàm lượng dinh dưỡng sẵn có và

19

giảm suy thoái môi trường Nhìn chung, khả năng phóng thích có kiểm soát của CRF là nhờ lớp phủ bằng polymer Các polymer tạo lớp phủ có thể là thành phần tự nhiên hoặc tổng hợp Các polymer này có khả năng phân hủy sinh học hoặc không phân hủy sinh học Polyvinyl clorua (PVC), polyacrylamide (PAM) và cao su là một số polymer tổng hợp có thể phân hủy sinh học Một trong những ưu điểm của các polymer phân hủy sinh học này là không gây độc và có hoạt tính sinh học

Phân bón nhả có kiểm soát hoặc nhả chậm có khả năng giảm thiểu các nguy cơ về môi trường và có thể cải thiện hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng (Alexvàer và Helm, 1990) Công nghệ này thường được áp dụng cho những loại phân bón trong đó tốc độ nhả dinh dưỡng, lượng dinh dưỡng được giải phóng và thời gian phòng thích dinh dưỡng đã được hiểu và có thể kiểm soát được sau khi phủ lớp màng bọc polymer (Trenkel và Fertilizantes 2010, Chen và cộng sự, 2008) Phân bón nhả có kiểm soát và phân bón nhả chậm được sử dụng lẫn lộn, mặc dù chúng khác nhau Tuy nhiên, sự khác biệt thực tế giữa hai loại phân bón không thực sự rõ ràng (Trenkel và Fertilizantes, 2010)

2.2.2 Phân bón nhả chậm (slow release fertilizer)

Phân bón nhả chậm (slow release fertilizer- SRF) là loại phân bón được đặc trưng bởi khả năng giải phóng chất dinh dưỡng chậm hơn các loại phân bón truyền thống, tuy nhiên các yếu tố như tốc độ nhả dinh dưỡng, lượng dinh dưỡng được giải phóng và thời gian phòng thích dinh dưỡng không được kiểm soát tốt và có thể bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các điều kiện như bảo quản, vận chuyển, phân phối và điều kiện môi trường đất như độ ẩm và hoạt tính sinh học (Shaviv 1996) Sự giải phóng chất dinh dưỡng của SRFs phụ thuộc vào điều kiện đất và khí hậu mà không thể đoán trước được, khác với CRF Các hợp chất nitơ bị phân hủy bởi vi sinh vật có thể được xem là một loại SRF Phụ thuộc vào điều kiện đất đai và khí hậu, SRF có thể ở dạng hữu cơ hoặc vô cơ sẽ giải phóng các chất dinh dưỡng dần dần theo thời gian Nitroform là một ví dụ về SRF vô cơ Urê-formaldehyde (UF) và urê-isobutyraldehyde (IBDU) là các SRF hữu cơ (Trenkel và Fertilizantes, 2010) Ngoài ra còn có SRF tự nhiên và tổng hợp Ví dụ SRF tự nhiên như phân bón từ thực vật, động vật và phân hữu cơ Vi sinh vật có thể phân hủy các thành phần hữu cơ này để giải phóng chất dinh dưỡng cho cây trồng sử dụng Những loại phân bón này có thể mất nhiều thời gian hơn để giải phóng chất dinh dưỡng và có thể phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật đất, bị ảnh hưởng bởi độ ẩm của đất và nhiệt độ Các SRF hữu cơ chứa cả chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng Các chất dinh dưỡng

Phân bón nhả có kiểm soát còn được gọi là phân bón sẵn có được kiểm soát (controlled availability fertilizer) hoặc phân bón phủ màng (coated fertilizer) (Oertli và Lunt 1962) hoặc phân bón tác dụng chậm (delayed release fertilizer) Các yếu tố chi phối việc giải phóng các chất dinh dưỡng như tỷ lệ, thời gian và lượng dinh dưỡng có thể kiểm soát và xác định rõ trong quá trình sản xuất CRF Trong khi đó, SRF có tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng chậm hơn so với phân bón hòa tan trong nước nhưng lượng dinh dưỡng và thời gian phóng thích không được kiểm soát SRF luôn phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật trong môi trường đất

2.2.3 Các yếu tố liên quan đến hiệu quả sử dụng phân bón nhả chậm hoặc nhả có kiểm soát

Các loại phân bón nhả chậm hoặc nhả có kiểm soát (Sempeho và cộng sự, 2014): 1 Urê bọc lưu huỳnh

2 Urê formaldehyde 3 Phân bón phủ nhựa

4 Chất ức chế urê và nitrat hóa 5 Phân bón hỗn hợp phủ lưu huỳnh

Một trong những yếu tố quan trọng liên quan đến khả năng giải phóng các chất dinh dưỡng là độ ẩm Lượng dinh dưỡng được giải phóng giảm đáng kể trong đất có độ ẩm thấp Ở nhiệt độ dưới 10oC , phân bón không nhả chất dinh dưỡng Nếu nhiệt độ trên 32 oC, phân bón giải phóng dinh dưỡng quá mức

Phân bón có thể được sử dụng bằng cách trộn sẵn vào môi trường đất hoặc được rải trên bề mặt trước khi trồng Mỗi viên phân bón nhả có kiểm soát được bao phủ bởi một lớp phủ hữu cơ kiểm soát việc giải phóng các chất dinh dưỡng Viên phân có chứa

21

các thành phần dinh dưỡng như NPK, Mg, B, Cu, Fe, Mo và Zn Nước thẩm thấu thông qua lớp phủ hòa tan các chất dinh dưỡng trong viên phân Các chất dinh dưỡng hòa tan sau đó cũng được giải phóng ra môi trường đất thông qua quá trình thẩm thấu Tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, các chất dinh dưỡng này được giải phóng với tốc độ không đổi và được kiểm soát

Việc sử dụng CRF có liên quan đến một số vấn đề kinh tế, nông học và lợi ích môi trường Về mặt kinh tế, nó làm giảm chi phí, bằng cách đảm bảo cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng suốt mùa vụ với một lần bón phân duy nhất, do đó làm giảm nhu cầu lao động ngắn hạn (Shaviv 2001) Về mặt nông học, việc sử dụng CRF có liên quan đến việc tăng cường các yếu tố tăng trưởng thực vật như làm giảm căng thẳng và tăng dạng có sẵn sinh học của chất dinh dưỡng do giải phóng có kiểm soát Về khía cạnh môi trường, CRFs giúp tăng hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng, do đó làm giảm sự mất mát của lượng dư thừa chất dinh dưỡng vào môi trường Kết quả là giúp làm giảm các vấn đề môi trường liên quan đến việc sử dụng phân bón thông thường như hiện tượng phú dưỡng, gây ra tình trạng thiếu ôxy trong nước, cá chết hàng loạt, mùi khó chịu, …(Shaviv 1996, Sharpley và Menzel, 1987)

Ưu điểm

• Phân bón nhả chậm làm giảm độc tính trong đất gây có nồng độ ion cao do sự hòa tan nhanh của phân bón hòa tan thông thường (ví dụ như nồng độ NH4+ cao sau khi bón phân urê) Do đó, CRF cải thiện mức độ an toàn đối với cây trồng

• Với đặc trưng giải phóng chất dinh dưỡng chậm, liều lượng phân bón CRF cho mỗi lần bón có thể nhiều hơn đáng kể như so với các loại phân bón hòa tan thông thường Điều này giúp làm giảm chi phí và tiết kiệm lao động, thời gian và năng lượng Phân bón nhả có kiểm soát là giải pháp cần thiết cho nông nghiệp bền vững

• Giúp giảm thất thoát chất dinh dưỡng, đặc biệt là thất thoát NO3--N nhờ sự hấp thu hoàn toàn các chất dinh dưỡng của cây thông qua quá trình giải phóng chất dinh dưỡng chậm và giảm thất thoát NH3-N do bay hơi Điều này cho phép giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường (Wang và Alva 1996)

Nhược điểm

• Chi phí sản xuất CRF cao hơn so với phân bón thông thường

2.2.4 Phân loại phân bón nhả có kiểm soát

Phân bón nhả có kiểm soát chủ yếu được phân thành ba loại: • Hợp chất N hữu cơ ít tan

Chúng được tiếp tục phân loại thành các hợp chất phân hủy sinh học dựa trên trên các sản phẩm ngưng tụ urê aldehyde như urê formaldehyde và các hợp chất phân hủy hóa học như isobutyledene diurea (IBDU)

• Phân bón phủ màng kiểm soát quá trình giải phóng chất dinh dưỡng Phân bón có thể ở dạng lõi hoặc viên được bao phủ bởi các polymer hoặc lớp phủ hỗn hợp kỵ nước hạn chế sự hòa tan của phân bón Phân bón có lớp phủ bao gồm nhiều loại khác nhau như phân bón phủ một lớp phủ hữu cơ (resin) và phân bón được phủ bằng vật liệu vô cơ (lớp phủ gốc lưu huỳnh hoặc khoáng chất)

• Hợp chất vô cơ ít tan

Các loại phân bón này có chứa amoni photphat và đá trầm tích chứa photphat bị axit hóa một phần

2.2.4.1 Hợp chất nitơ hữu cơ giải phóng chậm

• Sản phẩm ngưng tụ urê formaldehyde

Ngưng tụ urê với aldehyde tạo ra hợp chất N hữu cơ urea formaldehyde (UF) là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chuẩn bị CRF Lượng urê dư thừa được tiến hành phản ứng trong điều kiện pH và nhiệt độ được kiểm soát tạo ra sản phẩm có chứa urê, dimer và oligomer chưa hoạt hóa Việc bổ sung axit vào hỗn hợp phản ứng giúp tạo ra sản phẩm mạch dài hơn và tan trong nước cũng có khả năng giải phóng nitơ chậm (Alexvàer và Helm 1990)

Tùy vào khả năng giải phóng nitơ, các UF được phân thành ba nhóm: