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
GIỚI THIỆU
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):
(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.
Mục tiêu và nội dung 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
Nghiên cứu này thực hiện các nội dung sau:
- 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.
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;
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
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
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.
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
TỔNG QUAN
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)
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
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, CO 2 , N 2 , H 2 , …trong đó CH 4 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
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
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
TKN Hiệu quả phân hủy pH ngày g/L % g/L % g/L % mg/L %
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
20 đa lượng bao gồm nitơ, phốt pho và kali Trong khi đó, sắt, mangan và đồng là những chất dinh dưỡng vi lượng cần thiết cho cây trồng
SRF tổng hợp hòa tan một phần trong nước và khả năng phân giải dinh dưỡng cũng phụ thuộc vào điều kiện môi trường đất Các loại SRF tổng hợp thường chứa một thành phần dinh dưỡng chính với hàm lượng cao hơn so hàm lượng thành phần đó trong các SRF tự nhiên N-Sure là một trong những SRF tổng hợp có chứa khoảng 28% nitơ (Clapp 1993)
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):
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 10 o C , phân bón không nhả chất dinh dưỡng Nếu nhiệt độ trên
32 o C, 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)
• Chi phí sản xuất CRF cao hơn so với phân bón thông thường
• Urê bọc lưu huỳnh làm giảm độ pH của đất, gây chua hóa và làm rối loạn dinh dưỡng thực vật dẫn đến tình trạng thiếu Ca và Mg
• Trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp, việc sử dụng CRF có thể dẫn đến tình trạng thiếu nguồn dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng do phân bón không phóng thích dinh dưỡng đầy đủ
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 sinh học
Các vi khuẩn trong môi trường đất liên quan đến phát triển của thực vật đóng một vai trò quan trọng duy trì hoạt động của hệ sinh thái bằng cách tham gia vào các chu trình sinh địa hóa và phân hủy chất hữu cơ Vì vậy, phân bón sinh học (microbial-based fertilizers) được xem là giải pháp quan trọng hỗ trợ nông nghiệp bền vững giúp duy trì lâu dài độ màu mỡ của đất (Bargaz và cộng sự, 2018) Thuật ngữ phân bón sinh học có thể được định nghĩa là các công thức phân bón có thành phần các tế bào vi sinh vật sống, đơn chủng hoặc nhiều chủng, có khả năng thúc đẩy sự tăng trưởng thực vật bằng cách tăng khả năng cung cấp và hấp thu chất dinh dưỡng (Riaz và cộng sự, 2020)
Lịch sử sử dụng phân bón sinh học bắt đầu từ năm 1895 với sản phẩm thương mại Nitragin của Nobbe và Hiltner chứa chủng vi khuẩn nuôi cấy trong phòng thí nghiệm Rhizobium sp Vào cuối những năm 1950, một số nghiên cứu với chế phẩm arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) cho kết quả tích cực thúc đẩy tăng trưởng thực vật (PGP) thông qua sự hấp thu phốt pho (P) (Koide và Mosse, 2004) Tuy nhiên, mặc dù có nhiều ưu điểm và chi phí thấp, việc thương mại hóa phân bón sinh học không phổ biến rộng rãi Những lý do hạn chế việc sử dụng chúng chủ yếu liên quan đến phản ứng không nhất quán của phân bón trên các loại đất khác nhau, cây trồng và điều kiện môi trường, cùng với các vấn đề thực tế liên quan đến sản xuất hàng loạt, thời hạn sử dụng, khuyến nghị sử dụng thích hợp và khả năng ứng dụng dễ dàng cho nông dân (Debnath và cộng sự, 2019)
Trong 10 năm qua, các công nghệ multiomics đã giúp nâng cao sự hiểu biết về sự phức tạp của thế giới vi sinh, cho phép mô tả rõ hơn cấu trúc và chức năng của cộng đồng vi sinh vật (Kaul và cộng sự, 2016) Những cách tiếp cận mới lạ này ngày càng được áp dụng để mô tả các cộng đồng vi sinh vật đất và ảnh hưởng của chúng đối với quá trình hấp thu chất dinh dưỡng của thực vật và các đặc điểm PGP khác (Saad và cộng sự, 2020, Tosi và cộng sự, 2021) Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa giúp triển khai và cải tiến thành công các công nghệ sản xuất phân bón sinh học
2.3.2 Cơ chế thúc đẩy quá trình hấp thu dinh dưỡng của cây trồng
Nitơ (N) là nguyên tố cần thiết cho sự sống và là một trong số các nguyên tố phong phú nhất trong sinh khối sống, sau hydro, carbon và oxy Một nguồn nitơ quan trọng trong đất là N hữu cơ cần được khoáng hóa nhờ hoạt động của vi sinh vật (quá trình am ôn hóa và nitrat hóa) để được chuyển đổi thành nitơ vô cơ dể hấp thu cho cây trồng Tuy nhiên, phần lớn nitơ trên Trái Đất tồn tại trong khí quyển ở dạng khí N2, là dạng không được hấp thu trực tiếp dễ dàng bởi thực vật nếu không được chuyển đổi thàng NH3 thông qua quá trình cố định N2 sinh học (biological N2 fixation - BNF) Đây là quá trình sử dụng nhiều năng lượng trong đó enzyme nitrogenase chuyển đổi N2 trong khí quyển thành NH3, là dạng dễ dàng hấp thu bởi thực vật và vi khuẩn đồng hóa Nitrogenase có thể được tìm thấy trong một số lượng nhỏ và đa dạng nhóm vi sinh vật cố định N2 (diazotrophs), bao gồm vi khuẩn cộng sinh, vi khuẩn sống tự do và vi khuẩn cổ (Moreira-Coello và cộng sự, 2019)
Trong nông nghiệp, nhóm vi sinh vật cố định N2 cộng sinh được nghiên cứu nhiều nhất là vi khuẩn sống ở rễ (rhizobia), bao gồm hầu hết các họ Rhizobiaceae (ví dụ như,
Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium, Mesorhizobium, và Sinorhizobium (Ensifer)) (Shamseldin và cộng sự, 2017) Nhóm vi khuẩn này có thể thiết lập mối quan hệ cộng sinh với các cây họ đậu (họ Fabaceae) bằng cách hình thành các nốt sần trên rễ hoặc thân cây (Masson-Boivin và Sachs, 2018) Những nốt sần này giúp bảo vệ enzyme nitrogenase trong các cấu trúc bacteroid khỏi O2 khí quyển, nhờ thế đảm bào hiệu quả cố định N2 Nồng độ O2 là một yếu tố quan trọng xác định lượng N được cố định, vì oxy ức chế kiểm soát biểu hiện gen nif và ức chế hoạt động của nitrogenase (Glick, 2015) Một số vi khuẩn ở rễ, chẳng hạn như Rhizobium, Sinorhizobium (Ensifer), và Bradyrhizobium thường được sử dụng làm phân bón sinh học trong nông nghiệp (Carareto Alves và cộng sự, 2014) Thực vật có thể thu được một lượng đáng kể nitơ thông qua sự liên kết với các vi sinh vật cố định N2 (Dakora và cộng sự, 2008) Ví dụ, quá trình cố định N2 có thể cung cấp khoảng 20 – 25% tổng nhu cầu nitơ trong lúa, 30–50% trong lúa mì và lên đến 70% trong mía (Hurek và cộng sự, 2002; Gupta và Paterson, 2006; Santi và cộng sự, 2013) Tuy nhiên, số lượng nitơ cung cấp bởi quá trình cố định đạm sinh học sẽ thay đổi tùy theo các loài cây trồng và các yếu tố môi trường xác định quá trình tăng sinh thành công của vi sinh vật (Parnell và cộng sự,
Trái ngược với vi khuẩn cố định N2 cộng sinh, một số các vi sinh vật dị dưỡng như Azotobacter sp., Azospirillum sp., và vi khuẩn lam (cyanobacteria) có thể cố định
N2 khí quyển trong vùng rễ và đất Nhóm vi sinh vật cố định N2 sống tự do đóng vai trò đặc biệt quan trọng giúp tăng hiệu quả hấp thu nitơ của các loại cây trồng không thuộc họ đậu Ví dụ, tăng năng suất cây trồng đã được quan sát thấy trong ngũ cốc (ví dụ, lúa mì, gạo, và ngô) và nhiều loại cây trồng khác như hướng dương, cà rốt, sồi, củ cải đường, mía, cà chua, cà tím, tiêu, và bông (Garcha và Maan, 2017) Loài Azospirillum có thể thực hiện một số chức năng giúp tăng trưởng cây trồng đồng thời được biết đến là loài sống tự do thuộc nhóm vi sinh vật cố định N2, giúp tăng cường khả năng hấp thu nitơ của hơn 113 loài thực vật (Bashan và De-Bashan, 2010; Pereg và cộng sự, 2016; Zeffa và cộng sự, 2019)
2.3.2.2.Khoáng hóa và hòa tan phốt pho
Phốt pho là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng nhất đối với thực vật, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến tất cả các quá trình sinh học Ví dụ, P là chìa
29 khóa cho tất cả các quá trình trao đổi chất chính của thực vật như quang hợp, truyền năng lượng, truyền tín hiệu, sinh tổng hợp của phân tử và hô hấp Một lượng đáng kể P hiện diện trong đất, ở cả dạng vô cơ và hữu cơ, nhưng hàm lượng dạng dễ hấp thu của
P là một trong những yếu tố chính quyết định sự phát triển của thực vật trong nhiều hệ sinh thái trên toàn thế giới (Raghothama, 2015) Đây là bởi vì hầu hết P trong đất ở dạng hấp phụ hoặc không tan, trong khi đó cây trồng chỉ có thể hấp thu P từ dung dịch đất dưới dạng các ion orthophotphat H2PO4 − và HPO4 2− (Soumare và cộng sự, 2020) Nồng độ photphat hòa tan (PO4 3−) trong dung dịch đất thường thấp, khoảng 0,001–0,4 mg P/L trong đất không được bón phân, tương đương với 0,001–0,01% tổng P (Weihrauch và Opp, 2018) Ngoài ra, người ta ước tính rằng ∼80% lượng P trong phân bón nhanh chóng cố định vào trong đất, không dễ dàng cho cây trồng hấp thu (Pradhan và cộng sự, 2017)
Vi sinh vật trong đất có khả năng chuyển hóa P khó tan trong đất thành (các) dạng dễ hấp thu đối với thực vật thông qua các cơ chế hòa tan và khoáng hóa khác nhau (Alori và cộng sự, 2017) Vi sinh vật phân giải phốt pho (phosphate-solubilizing microbes - PSM) phân giải P vô cơ (tricalcium phosphate, hydroxyapatite và trầm tích giàu phosphate) thông qua việc sản xuất và giải phóng các hợp chất khác nhau Một cơ chế bao gồm sự bài tiết các axit hữu cơ, hydroxyl các ion và CO2, hòa tan trực tiếp các phốt phát không hòa tan bằng cách hạ thấp độ pH của đất, sau đó dẫn đến trao đổi ion
PO4 2− bởi các ion axit (Wei và cộng sự, 2018) Vi khuẩn cũng có thể giải phóng các hợp chất tạo phức để cố định và giải phóng các cation từ các muối phốt phát không tan như
Ca 2+ , Al 3+ , và Fe 3+ (Riaz và cộng sự, 2020) Bằng cách gia tăng tính có sẵn sinh học của
P, PSM giúp giảm lượng phân bón chứa P cần sử dụng, từ đó giảm các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường như hiện tượng phú dưỡng Nhóm vi sinh vậy hòa tan P được nghiên cứu nhiều nhất thuộc về chi Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Enterobacter, Penicillium, và Aspergillus (De Freitas và cộng sự, 1997; Anvà và cộng sự, 2016)
Một quá trình quan trọng khác mà các vi sinh vật trong môi trường đất có thể làm tăng lượng P dễ hấp thu là quá trình khoáng hóa hợp chất phốt phát hữu cơ (ví dụ như inositol hexaphosphate và phytate) (Alori và cộng sự, 2017) Quá trình này được xúc tác bởi các enzyme phosphatase (ví dụ, phosphodiesterase và phosphomonoesterase) và phytase giúp giải phóng phốt phát từ các hợp chất P hữu cơ (Pradhan và cộng sự, 2017)
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Sơ đồ nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu của luận văn được tóm tắt trong Hình 3.1.
Phương pháp nghiên cứu
3.2.1 Tiền xử lý bùn biogas
Theo kết quả phân tích sơ bộ, bùn bể biogas có chứa một lượng đáng kể sắt ở dạng ion hòa tan, do đó nghiên cứu này tiến hành tiền xử lý bùn thải từ bể ủ biogas bằng phản ứng Fenton hóa sử dụng H2O2 làm tác nhân oxy hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp, gây mùi có trong bùn Phản ứng oxy hóa chất hữu cơ RH bằng gốc tự do OH● và các gốc chứa oxy hoạt hóa khác phát sinh từ quá trình phân hủy H2O2 khi có mặt của chất xúc tác là muối sắt tan, phức chứa sắt hoặc khoáng sắt trong môi trường acid nhẹ (Watts
& Teel, 2005) xảy ra như sau:
Fe 2+ (aq) + H2O2 ↔ Fe 2+ H2O2 → Fe 3+ (aq) + OH – + OH● (1)
Fe 3+ (aq)+ H2O2 → Fe 2+ (aq) + HO2● + H + (3)
− Chuẩn bị becher 250mL, lấy 50 mL bùn thải biogas cho vào becher pH của bùn thải biogas khoảng 8,3
− Cho từ từ HCl đậm đặc vào becher chứa bùn, dừng ở pH khoảng 5,5 ̶ 6,5
− Cho từ từ 5 mL H2O2 1% vào bùn biogas đã acid hóa, khuấy ở nhiệt độ phòng trong thời gian 1 phút Thu được mẫu bùn đã qua xử lý bằng H2O2 1%
3.2.2.Tách nước và cô đặc bùn biogas
Hệ thống cô quay (Rotavapor R210, Buchi, Germany) được sử dụng làm thiết bị để mô phỏng công nghệ tạo ẩm-tách ẩm (humidification-dehumidification hoặc HDH) (Hình 3.2) Bơm chân không được sử dụng làm bơm hút không khí vào hệ thống tách ẩm Bùn lỏng biogas (200 mL) sau tiền xử lý được bổ sung vào bình cô quay thể tích 1 lít và được gia nhiệt trong bể cách thủy Lỗ nạp buồng ngưng và bơm chân không để mở khi bắt đầu thử nghiệm cho đến khi nhiệt độ bể nước đạt giá trị thí nghiệm Nước trong bùn bay hơi và lôi cuốn qua bộ ngưng tụ nhờ động lực dòng không khí tạo ra bởi bơm hút Dòng không khí bên ngoài đi vào hệ thống cô quay thông qua lỗ nạp và được làm ẩm bằng hơi nước Không khí nóng ẩm với một lượng lớn hơi nước được ngưng tụ thành nước lỏng trong ống ngưng tụ và thu hồi ở bình cầu nối với ống ngưng Bùn trong bình cô quay được làm đặc dần Nước thu hồi và bùn sau khi thí nghiệm kết thúc được tiến hành phân tích hàm lượng TS, VS, NH4 +-N, PO4 3 P, TKN, TP
Hình 3.2 Hệ thống cô quay sử dụng để mô phỏng công nghệ HDH
Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt đến hiệu quả cô đặc của bùn biogas Các giới hạn điều kiện vận hành bao gồm nhiệt độ gia nhiệt tối đa 70 o C, thời gian gia nhiệt 4 giờ và lưu lượng không khí 4 L/phút Mỗi thử nghiệm được lặp lại 2 lần để đảm bảo độ tin cậy của số liệu Hiệu quả tách ẩm và sự thay đổi nồng độ các chất dinh dưỡng trong bùn trước và sau quá trình tách ẩm được phân tích để xác định hiệu quả ứng dụng và điều kiện vận hành tối ưu, làm cơ sở thiết kế hệ thống tách ẩm trong định hướng nghiên cứu tiếp theo Các thử nghiệm được thực hiện ở điều kiện độ ẩm không khí 70%
3.2.3 Quy trình phối trộn dinh dưỡng tạo ra viên phân 10-3-3-TE
Bùn bể biogas đã được tiền xử lý tách ẩm được bổ sung thêm các hóa chất, đất, tro trấu với tỉ lệ phù hợp để tạo nên viên phân với thành phần N-P-K lần lượt là 10-3-3-
TE Quy trình phối trộn được thể hiện qua sơ đồ trong Hình 3.3 như sau:
3.2.4 Quy trình tạo lớp màng cho viên phân
Gelatin là một polymer sinh học thu được từ quá trình thủy phân collagen, loại protein có nhiều nhất trong da, mô liên kết, xương và sụn của động vật Khả năng phân hủy sinh học, khả năng tương thích sinh học, đặc tính không gây miễn dịch và chi phí tương đối thấp làm cho gelatin trở thành một nguyên liệu tiềm năng để kết hợp tạo nên vật liệu mới Bên cạnh đó, nhược điểm về tính cơ học kém và tính nhạy cảm với nước là điều gây hạn chế các vật liệu có gelatin được ứng dụng vào thực tế Mặc dù có các phương pháp khác nhau để khắc phục nhược điểm này, nhưng cho đến nay, liên kết ngang là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để cải thiện các đặc tính nhiệt, cơ học và nhạy cảm với nước của các vật liệu sử dụng gelatin dành cho mục đích sử dụng lâu dài
Hình 3.3 Sơ đồ quy trình phối trộn dinh dưỡng tạo viên phân 10-3-3-TE
Trong nghiên cứu này, phản ứng liên kết ngang giữa gelatin- hợp chất có rất nhiều nhóm chức amino, carboxyl và OH trên chuỗi mạch phân tử - và glutaraldehyde (GTA)
- hợp chất liên kết ngang (cross linker) chứa rất nhiều nhóm chức aldehyde (-CHO) được sử dụng (Hình 3.4) Glutaraldehyde được sử dụng rộng rãi do chi phí thấp, thời gian phản ứng ngắn và có hiệu quả vượt bậc trong việc ổn định vật liệu dẫn xuất collagen (Farris và cộng sự, 2010) Ở nồng độ thấp (0,1 đến 1,5%), glutaraldehyde được xem là không độc tính, đồng thời vẫn đảm bảo gia tăng độ bền cơ-nhiệt và khả năng chống nước của cấu trúc thu được (Bigi và cộng sự, 2001)
Hình 3.4 Cơ chế phản ứng tạo liên kết ngang giữa gelatin và glutaraldehyde trong môi trường axit (Kumar và cộng sự, 2014) Để tạo ra lớp màng polymer thân thiện phủ lên viên phân có khả năng nhả chậm dinh dưỡng, nghiên cứu này sử dụng gelatin loại B (sản phẩm xử lý collagen trong kiềm) để tham gia phản ứng tạo liên kết ngang với glutaraldehyde Theo nhận định của tác giả Junjie Lin và các cộng sự, môi trường axit ở pH 5 là môi trường tối ưu để thực hiện phản ứng liên kết ngang giữa gelatin và glutaraldehyde (Lin và cộng sự, 2019) Do đó, trong nghiên cứu này, môi trường thực hiện phản ứng liên kết ngang là môi trường axit, có pH khoảng 4.5 – 5.0, được điều chỉnh bằng HCl Phản ứng liên kết ngang giữa GTA và gelatin xảy ra trong môi trường axit xảy ra ưu tiên giữa các nhóm -OH của gelatin với các nhóm -CHO của glutaraldehyde do sự proton hóa các nhóm -amino trong môi trường axit
Quy trình tạo màng và phủ màng lên viên phân 10-3-3-TE: i Chuẩn bị dung dịch tạo lớp màng:
• Dung dịch gelatin: Cân 6 g gelatin loại B (pH=5), 4g glycerin và 90g nước cất Hòa tan gelatin trong nước bằng máy khuấy từ có gia nhiệt với tốc độ quay là 50 vòng/phút ở nhiệt độ khoảng 40-45 o C Sau khi gelatin tan hết, bổ sung 4g glycerin vào khuấy cùng tốc độ và nhiệt độ trong 10 phút;
• Dung dịch glutaraldehyde (GTA) 4%: pha loãng từ dung dịch glutaraldehyde 50%, hút 8mL dung dịch GTA 50% vào bình định mức
100 mL, định mức đến vạch bằng nước cất Gia nhiệt dung dịch trên bếp ở nhiệt độ khoảng 40 o - 45 o C ii Quy trình phủ màng lên viên phân 10-3-3-TE trình bày trong Hình 3.5:
Hình 3.5 Quy trình phủ lớp màng cho viên phân BG 10-3-3-TE
3.2.5 Quy trình phủ lớp phủ vi sinh
Chủng vi sinh chịu nhiệt Bacillus amyloquefaciens được phân lập từ mẫu nước và đất thu thập từ suối nước nóng Bàu Nước Sôi, tỉnh Đồng Nai, Việt Nam Mẫu được chứa trong túi nhựa Zip-lock và chai khử trùng Để giảm thiểu sự thay đổi đặc tính lý- hóa-sinh của mẫu, các mẫu sau thu thập ngay lập tức được chuyển đến phòng thí nghiệm và bảo quản ở 4°C
Các mẫu nước và đất thu thập được pha loãng theo thứ tự và được cấy riêng biệt
24 giờ trên môi trường thạch dinh dưỡng Chủng vi khuẩn Bacillus amyloquefaciens phân lập được nuôi cấy trong 5 mL môi trường dinh dưỡng có bổ sung hóa chất L- tryptophan (1 g/L) trong ống nghiệm ở 30°C trong 7 ngày với tốc độ lắc 150 vòng/phút Sau đó, sinh khối vi khuẩn được thu thập thông qua ly tâm ở nhiệt độ phòng ở tốc độ 10.000 vòng/phút trong 10 phút Sinh khối vi khuẩn Bacillus amyloquefaciens được trộn với cao lanh để đạt hàm lượng bào tử vi khuẩn Bacillus amyloquefaciens ở mức 10 6
CFU/g cao lanh Hỗn hợp cao lanh chứa 10 6 CFU Bacillus amyloquefaciens trong mỗi g cao lanh được sử dụng làm môi trường vi sinh để phủ lên bề mặt viên phân tự tổng hợp Tỉ lệ khối lượng phân : môi trường vi sinh là 99:1 Viên phân tổng hợp sau khi phủ lớp màng nhả chậm được đưa vào máy đảo tròn cùng với môi trường vi sinh để tạo lớp phủ bên ngoài viên phân
3.2.6 Phân tích tính chất hóa lý và thành phần hóa học trong mẫu
Các mẫu nước, đất, bùn và sinh khối cây thu hoạch được tiền xử lý và bảo quản theo tiêu chuẩn trước khi phân tích Các phương pháp được sử dụng để phân tích tính chất hóa lý, thành phần hóa học và vi sinh của các loại mẫu rắn và lỏng trong nghiên cứu này được liệt kê trong Bảng 3.1
Bảng 3.1 Phương pháp phân tích mẫu
STT Chỉ tiêu phân tích
1 pH pH trong nước * , Lab 875 (SI Analytics) Lab 875 (SI
4 NH4 +-N KCl extraction * , ASTM 4500-NH3(F) ASTM 4500-
5 NO3 N K2SO4 extraction ** , Salicylic acid method **
6 TKN ASTM 4500-Norg(B) ASTM 4500-Norg(B)
7 PO4 3 P Bray P1 extraction * , ASTM 4500-P(E) ASTM 4500-P(E)
* Soil analysis – Handbook of reference methods, Soil và Plant Analysis Council, CRC Press, 2000
** Methods of Soil Analysis – Chemical Methods, Part 3, Number 5 in the Soil Science Society of America Book Series, Soil Science Society of America, Inc., Madison, Wisconsin, USA, 1996
3.2.7 Thực nghiệm đánh giá hiệu năng của phân bón
- Viên phân thương mại 30-9-9-TE (Minro, Công ty TNHH TM và DV Đức Thuận); viên phân 10-3-3-TE tự tổng hợp có và không có lớp phủ polymer nhả chậm và vi sinh;
- Chuẩn bị 8 khay trồng cây (60x40x21cm)
- Chuẩn bị đất đỏ, đất đen, cát và trấu
- Cây giống cải bẹ dưa (mustard greens)
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Hiệu quả xử lý mùi và vi sinh có hại trong bùn lỏng biogas và hiệu suất tách nước
Kết quả xác định hàm lượng vi sinh (E.Coli và Coliform) của bùn lỏng bể biogas trước và sau xử lý oxy hóa Fenton được trình bày trong Bảng 4.1 Kết quả cho thấy phương pháp xử lý bùn bằng axit hóa kết hợp sử dụng H2O2 làm giảm mùi hôi và chất hữu cơ dễ bay hơi, đồng thời vừa giảm pH của bùn từ kiềm về acid nhẹ (cùng khoảng pH của đất), bùn không còn mùi thối đặc trưng, và hàm lượng kim loại vi sinh gây bệnh E.Coli và Coliform trong bùn đã giảm mạnh Hàm lượng tổng rắn dễ bay hơi VS giảm khoảng 20% (từ 24 mg/L còn 19 mg/L), trong đó khoảng 15% chất hữu cơ dễ bay hơi phân tán tương đồng với sự giảm NH4+–N (từ 2222 mg/L còn 1857 mg/L) Đặc biệt, hàm lượng vi sinh gây bệnh E.Coli và Coliform trong bùn đã giảm đạt quy chuẩn hàm lượng độc tố vi sinh vật cho phép (QCVN 01-183:2016) Do xử lý bằng H2O2 nồng độ thấp, hàm lượng dinh dưỡng nitơ trong bùn có giảm nhưng không nhiều, vẫn phù hợp làm nguyên liệu trong sản xuất phân bón
Bảng 4.1 Hàm lượng vi sinh của bùn lỏng bể biogas sau xử lý oxy hóa Fenton
Chỉ tiêu Đơn vị Bùn lỏng
Bùn lỏng (xử lý H 2 O 2 axit hóa
Tổng rắn bay hơi (VS) mg/L 23,74 3,57 18,05 4,28 -
Sau quá trình xử lý oxy hóa Fenton, bùn lỏng được gia nhiệt và tách ẩm với hệ thống cô quay Bảng 4.2 trình bày kết quả xác định % ẩm, tổng rắn lơ lửng (TS) và tổng rắn bay hơi (VS) trong mẫu bùn lỏng trước và sau khi tách ẩm ở điều kiện nhiệt độ 50 o C và 70 o C Kết quả cho thấy hiệu quả tách ẩm đạt gần 40% ở điều kiện tách 70 o C Ở điều
53 kiện này, tổng lượng chất rắn lơ lửng tăng mạnh từ 42 g/L bùn đến 65 g/L bùn, và tổng lượng rắn bay hơi tăng nhẹ từ 18 g/L bùn đến 23 g/L bùn do một số chất dễ bay hơi có thể bị loại bỏ ra khỏi bùn khi gia nhiệt đến 70 o C
Bảng 4.2 Hiệu suất tách nước bùn lỏng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi Nhiệt độ
TS (g/L) VS (g/L) Hiệu suất tách nước (%)
Thành phần dinh dưỡng bùn lỏng bể biogas sau tách nước và xử lý mùi và vi sinh có hại
Bảng 4.3 trình bày kết quả xác định thành phần dinh dưỡng (TKN, P2O5 và K2O) trong bùn lỏng sau tách ẩm cũng như của nước thu hồi dinh dưỡng sau giai đoạn tách ẩm Kết quả cho thấy mẫu bùn sau tách ẩm có hàm lượng đạm, lân và kali gia tăng, đồng thời chênh lệch độ đạm của mẫu bùn trước và sau tách ẩm gần bằng độ đạm của nước thu hồi, chứng tỏ quá trình tách ẩm có loại bỏ chủ yếu các hợp chất chứa N dễ bay hơi được thu hồi gần như hoàn toàn trong nước ngưng tụ Phần lớn N tồn tại trong bùn ở dạng vô cơ NH 4+ dễ tách chiết, sẵn dùng cho cây trồng nhưng cũng dễ rửa trôi, thất thoát trong quá trình bón Trong khi đó, bùn lỏng chứa rất ít P và chủ yếu tồn tại ở dạng khoáng, khó tách chiết
Bảng 4.3 Thành phần và thông số hóa lý đặc trưng của bùn sau tách ẩm ở 70 o C
Mẫu TKN (mg/L) P 2 O 5 (mg/L) K 2 O (mg/L)
Bùn lỏng trước tách ẩm 2426,6710,78 26,246,13 15,848,27
Bùn lỏng sau tách ẩm 3089,2413,54 37,315,41 21,874,95
Nước thu hồi dinh dưỡng sau tách ẩm 651,1811,31 0 0
Thành phần hóa học và các đặc trưng hóa lý mẫu đất
Kết quả phân tích thành phần và thông số hóa lý đặc trưng của đất trồng thực nghiệm được trình bày trong Bảng 4.4 cho thấy tỉ lệ đóng góp của cát, bùn và sét trong mẫu đất nghiên cứu lần lượt khoảng 13%, 39% và 47%, thuộc loại kết cấu đất sét pha bùn (Tổ chức Nông Lương Thế Giới - FAO) Kết quả phân tích khả năng giữ nước và dinh dưỡng, hàm lượng chất dinh dưỡng, và khả năng trao đổi ion của mẫu đất được trình bày trong Bảng 4.4
Bảng 4.4 Thành phần và thông số hóa lý đặc trưng của mẫu đất
13,1 39,5 47,4 Đất sét pha bùn (silty clay)
CEC (meg/100g đất) 39 3 Thành phần oxit (%)
4.4 Thành phần hóa học của viên phân và tốc độ nhả dinh dưỡng trong nước
Kết quả tính toán thành phần dinh dưỡng viên phân tổng hợp (Hình 4.1) được trình bày trong Bảng 4.5 và Hình 4.2, Hình 4.3 và Hình 4.4 Theo kết quả tính toán, viên phân tổng hợp có thành phần đa lượng NPK lần lượt là 9,9%N, 2,7% P2O5 và 3,5% K2O
Hình 4.1 Hình ảnh viên phân tổng hợp từ bùn biogas không phủ màng (a) và có phủ màng (b)
Bảng 4.5 Hàm lượng dinh dưỡng trong 1 kg phân bón tổng hợp
Hàm lượng dinh dưỡng (mg)
Viên phân tự tổng hợp sau khi phủ lớp màng nhả chậm được đánh giá tốc độ nhả dinh dưỡng (NH4 +, NO3 -) trong môi trường nước Các thử nghiệm ngâm phân bón tổng hợp có và không có màng phủ trong nước cho thấy nồng độ chất dinh dưỡng trong nước tăng theo thời gian, đặc biệt trong 7 ngày đầu tiên (Hình 4.2, Hình 4.3, Hình 4.4) Tốc độ giải phóng dinh dưỡng thấp hơn được ghi nhận ở phân bón tổng hợp có lớp phủ so với phân bón tổng hợp không có lớp phủ Trong 7 ngày đầu tiên ngâm, PO4 3 P, NH4 +-
N và NO3 N được giải phóng khỏi phân bón dạng hạt có lớp phủ với tỷ lệ 30,31, 110,66 và 0,07 mg L -1 ngày -1 , so với 33,55, tương ứng là 164,60 và 0,14 mg L -1 ngày -1 từ phân bón tổng hợp không phủ Sau 7 ngày ngâm, chất dinh dưỡng có xu hướng tiếp tục được giải phóng vào trong nước tùy thuộc vào hàm lượng dinh dưỡng còn lại và mức độ phân rã của phân bón tổng hợp dạng hạt Đặc biệt, NH4 +-N tiếp tục được giải phóng đáng kể từ phân bón có phủ màng hoặc không phủ màng Trong khi đó, NO3 N chỉ tiếp tục được giải phóng từ phân bón có phủ màng vào ngày thứ 10 ngâm trong nước Nhìn chung, sau 10 ngày ngâm trong nước, nồng độ NH4 +-N và NO3 N trong nước ngâm phân bón dạng hạt có lớp phủ cao hơn so với phân bón không có lớp phủ Mặt khác, nồng độ PO4 3-
-P trong nước chứa phân bón dạng hạt có màng vẫn thấp hơn so với khi ngâm phân bón dạng hạt không có màng Sự phân rã của phân bón không bọc màng được quan sát rõ ràng vào ngày đầu tiên ngâm trong nước, trong khi phân bón có lớp phủ vẫn giữ được dạng hạt sau 10 ngày ngâm (Hình 4.5) Lượng NH4 +-N đáng kể được thêm vào dưới dạng (NH4)2PO4 để tổng hợp phân bón dạng hạt trong nghiên cứu này có thể giải thích cho hiện tượng NH4 +-N và NO3 N giải phóng liên tục sau 7 ngày vào trong nước ngâm phân bón
Hình 4.2 Nồng độ và tốc độ giải phóng NH 4 + -N (mg/L) trong nước có ngâm viên phân tổng hợp không có lớp phủ (PKP) và có lớp phủ nhả chậm (PP)
Hình 4.3 Nồng độ và tốc độ giải phóng NO 3 - -N (mg/L) trong nước có ngâm viên phân tổng hợp không có lớp phủ (PKP) và có lớp phủ nhả chậm (PP)
Hình 4.4 Nồng độ và tốc độ giải phóng PO 4 3- -P (mg/L) trong nước có ngâm viên phân tổng hợp không có và có lớp phủ nhả chậm a) b)
Hình 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)
Hiệu năng bón phân của viên phân tổng hợp đối với cây cải bẹ dưa
4.5.1 Quá trình phát triển của cây cải bẹ dưa
Hình ảnh phát triển của cây cải bẹ dưa ở các nghiệm thức bón phân khác nhau được thể hiện lần lượt qua Hình 4.6 Hình ảnh cho thấy cây cải phát triển tốt trong chu kỳ trồng 45 ngày ở cả 3 nghiệm thức có bón phân (PTM, PKP và PP) Cải không phát triển trong nghiệm thức không phân và úa, chết tại thời điểm thu hoạch a) b)
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)
Hình 4.7 và Hình 4.8 biểu thị kết quả theo dõi chiều cao và số lá cây trung bình qua từng giai đoạn phát triển trong chu kỳ trồng Đối với các nghiệm thức có bón phân, cây cải bẹ dưa phát triển vượt trội trong các giai đoạn từ ngày 14, ngày 21 và ngày 28 sau khi trồng trong chậu đất Chiều cao thân tăng nhanh từ ngày 7 đến ngày 14 và duy trì tốc độ tăng trưởng đều đến ngày 28 trước khi giảm tốc độ tăng trưởng chiều cao trong giai đoạn sau cho đến khi thu hoạch Số lượng lá trung bình cao nhất ghi nhận trong giai đoạn từ ngày thứ 21 đến ngày 28 của chu kỳ trồng Nhìn chung, phân bón tổng hợp từ bùn thải biogas kết hợp dinh dưỡng vô cơ cho hiệu quả tăng trưởng cao hơn so với PTM, đặc biệt phân tổng hợp có phủ màng (PP) cho hiệu quả tăng trưởng chiều cao và số lá cao hơn đáng kể so với PTM và phân tổng hợp không phủ màng (PKP) Chiều cao trung bình cây cải đạt 21,90 0,39 cm ở nghiệm thức PTM, thấp hơn so với nghiệm thức PKP (22,48 0,71 cm) và PP (24,38 0,49 cm) ở ngày thứ 35 (Hình 4.7) Số lượng lá trung bình đạt 7,60 0,89 lá/cây ở nghiệm thức PTM, cũng thấp hơn so với nghiệm thức PKP (8,32 0,44 lá/cây) và PP (10,47 0,72 lá/cây) ở ngày thứ 35 (Hình 4.8)
Hình 4.7 Chiều cao cây phát triển trong chu kỳ trồng thử nghiệm
Hình 4.8 Số lá cây phát triển trong chu kỳ trồng thử nghiệm
Kết quả phân tích sinh khối và hàm lượng TKN trong sinh khối cây cải bẹ dưa sau thu hoạch được minh họa trong Bảng 4.6 Tổng khối lượng sinh khối ướt thu được từ nghiệm thức sử dụng viên phân thương mại (PTM) đạt cao nhất (161,6 g/cây), giảm dần theo thứ tự PTM > PP > PKP > KP Sinh khối thu hoạch từ nghiệm thức không có phân bón (KP) rất thấp (6,3 g/cây), thấp hơn rất nhiều so với các nghiệm thức có bón phân Kết quả này cho thấy viên phân tổng hợp có và không có lớp màng có hiệu quả
62 cung cấp dinh dưỡng đáp ứng nhu cầu cho cây cải bẹ dưa tương đương phân thương mại Ngoài ra, hàm lượng TKN của cải trồng với phân tổng hợp không phủ màng (PKP) là cao nhất (33573,8 mg/kg sinh khối khô), tiếp theo thứ tự giảm dần là nghiệm thức PTM, PP và KP
Bảng 4.6 Sinh khối và hàm lượng TKN trong cây cải bẹ dưa sau thu hoạch
Khối lượng sinh khối tươi (g/cây)
Khối lượng sinh khối khô (g/cây)
TKN (mg/kg sinh khối khô)
4.5.2 Đánh giá mức độ thất thoát dinh dưỡng qua nước tưới
Sự thất thoát chất dinh dưỡng từ phân bón trong đất trồng được đánh giá bằng cách đo nồng độ dinh dưỡng trong nước thoát ở đáy chậu trồng (Hình 4.9) Kết quả cho thấy có sự thất thoát đáng kể N ở dạng NH4 + trong nước tưới trong ngày 4 và ngày 19, ngay sau khi bổ sung phân bón thương mại (PTM) Nồng độ trung bình của NH4 +-N trong nước thoát của nghiệm thức PTM là 5,481 mg/L vào ngày thứ 4 và 6,827 mg/L vào ngày thứ 19 của chu kỳ trồng cây Xu hướng thất thoát N trong nước tưới tương tự cũng được ghi nhận với nồng độ NH4 +-N thấp hơn của nghiệm thức PKP và PP ngay sau khi bổ sung phân bón từ hai đến ba ngày Nồng độ NH4 +-N trong nước thoát của nghiệm thức PKP và PP tăng ở mức tương đương nhau trong những ngày sau khi bổ sung phân bón vào đất trồng, dao động trong khoảng 2,307 – 2,580 mg/L vào ngày thứ
7 và 2,936 – 3,160 mg/L vào ngày 19 hoặc ngày 22 Tuy nhiên, trong thời gian trồng còn lại, hàm lượng N bị thất thoát ở dạng NH4 + trong nước thoát của nghiệm thức PP thấp hơn so với nghiệm thức PKP (Hình 4.9)
Kết quả ghi nhận được về sự thất thoát nitơ ở dạng NH4 +-N đúng như mong đợi và phù hợp với các nghiên cứu trước đây N vô cơ có trong phân bón hóa học hòa tan
63 nhanh trong nước và cải thiện độ phì nhiêu của đất trồng một cách hiệu quả Tuy nhiên, nhược điểm của phân bón hóa học với sự hòa tan nhanh của dinh dưỡng ở dạng N vô cơ là mức thất thoát N rất lớn do tốc độ hòa tan cao hơn so với tốc độ hấp thu dinh dưỡng của thực vật (Wang và cộng sự, 2021) Trong khi đó, phân bón hữu cơ có tốc độ phân hủy chậm và cung cấp lượng nitơ vừa đủ hoặc thấp hơn so với nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của cây trồng (Guo và cộng sự , 2016) Vì vậy, năng suất thu hoạch thấp cùng với mức tiêu tốn sức lao động cao là mối quan tâm chính đối với phương thức canh tác chỉ sử dụng phân bón hữu cơ
Phương pháp sử dụng phân bón nhằm đạt hiệu quả cân đối và hợp lý được quan tâm trong những năm gần đây là phương thức bổ sung kết hợp phân bón hữu cơ và vô cơ (Tao và cộng sự, 2015) Phương thức bón phân kết hợp này có thể cải thiện không chỉ độ phì nhiêu của đất và năng suất cây trồng ổn định mà còn hiệu quả sử dụng nitơ bằng cách giảm thất thoát (Gao và cộng sự, 2023) Trong nghiên cứu này, việc bổ sung
N vô cơ dưới dạng urê và (NH4)3PO4 trong công thức phân bón tổng hợp từ bùn thải biogas thể hiện một cách tiếp cận chiến lược để thực hành sử dụng kết hợp các loại phân bón hữu cơ và vô cơ Sự hòa tan urê và (NH4)3PO4 làm tăng nồng độ NH4 +-N trong nước thoát ở nghiệm thức PKP và PP Mặt khác, mức thất thoát NH4 +-N trong nước thoát ở nghiệm thức PKP và PP vẫn thấp hơn so với nghiệm thức PTM Kết quả này có thể chứng minh cho tốc độ giải phóng chậm của NH4 +-N của phân bón kết hợp N vô cơ và bùn thải biogas Việc ổn định NH4 +-N trên các hạt đất tích điện âm hiệu quả có thể góp phần làm chậm tốc độ giải phóng NH4 +-N từ phân bón dạng hạt kết hợp N vô cơ và bùn thải biogas, từ đó làm giảm sự thất thoát NH4 +-N qua nước thoát của nghiệm thức PKP và PP (Zhu và Wang, 2011)
Mức thất thoát NH4 +-N trong nước thoát thấp hơn ở nghiệm thức PP so với nghiệm thức PKP cho thấy màng phủ polymer cho hiệu quả tốt trong làm chậm tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng từ viên phân bón tổng hợp Lớp màng phủ gelatin- glutaraldehyde có thể giúp giảm tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng bằng cách hạn chế sự khuếch tán của nước vào bên trong viên phân và ra ngoài môi trường thông qua quá trình trương nở và thẩm thấu Nói cách khác, khi tiếp xúc với môi trường đất ẩm, lớp màng phủ polymer trương nở cho phép nước khuếch tán chậm vào trong viên phân và hòa tan chất dinh dưỡng đồng thời hạn chế tốc độ giải phóng chất vào môi trường đất Lớp màng phủ polymer sinh học cũng là nguồn C bổ sung cho cộng đồng vi sinh vật đa dạng trong đất, làm tăng tỷ lệ C:N và thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật trong đất, có
64 lợi cho quá trình phân hủy và khoáng hóa chất hữu cơ giúp bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng
Nồng độ NH4 +-N trong nước thoát ở nghiệm thức PP cao hơn so với nghiệm thức PKP ở giai đoạn cây con Kết quả này cho thấy tốc độ chuyển hóa thành phần dinh dưỡng trong phân bón có phủ lớp màng polymer thành dạng NH4 +-N diễn ra thuận lợi hơn Hoạt động của cộng đồng vi sinh vật phát triển trên lớp màng phủ polymer có thể thúc đẩy quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng trong viên phân bón Ở giai đoạn cây con, nhu cầu dinh dưỡng thấp, tốc độ chuyển hóa cao trong nghiệm thức PP giải phóng hàm lượng NH4 +-N lớn, không được thực vật hấp thu hết và lượng dư thừa sẽ thất thoát qua nước tưới lớn hơn so với nghiệm thức PKP ở cùng giai đoạn Tuy nhiên, vào cuối chu kỳ sinh trưởng, nhu cầu dinh dưỡng thực vật tăng cao, lượng NH4 +-N thất thoát qua nước tưới thấp và không có sự khác biệt giữa nghiệm thức PP và PKP
Hình 4.9 Nồng độ NH 4 + –N (mg/L) trong nước tưới ở các điều kiện bón phân khác nhau
Nồng độ PO4 3 P thất thoát theo nước tưới ghi nhận cao nhất khi sử dụng PTM và PKP ngay sau thời điểm bổ sung phân bón, vào ngày thứ 4 và ngày thứ 22 Trong thời gian còn lại của chu kỳ trồng, nồng độ PO4 3 P thất thoát theo nước tưới không đáng kể (Hình 4.10) Nồng độ PO4 3 P cao nhất ghi nhận trong nước thoát vào ngày thứ 22, lần lượt là 0,520, 0,187 và 0,071 mg/L ở các nghiệm thức PTM, PKP và PP Do PO4 3
P có khả năng hấp phụ cao lên bề mặt các hạt đất, lượng PO4 3 P thất thoát theo nước tưới chỉ xảy ra khi tốc độ giải phóng PO4 3 P cao và sau khi quá trình hấp phụ đạt bão hòa Vì vậy, kết quả này cũng cho thấy PKP có khả năng giải phóng PO4 3 P nhiều hơn
PP vào trong môi trường đất
Hình 4.10 Nồng độ PO 4 3- -P (mg/L) trong nước tưới ở các điều kiện bón phân khác nhau 4.5.3 Đánh giá hàm lượng dinh dưỡng tích lũy trong đất
