Đang tải... (xem toàn văn)
Mục đích nghiên cứu của đề tài là Đánh giá đặc tính và khả năng sử dụng bùn thải đô thị Hà Nội làm phân bón. Đánh giá đặc điểm lý, hóa, sinh học và dự báo khối lượng bùn thải đô thị Hà Nội.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUN ĐẶNG THỊ HỒNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BÙN THẢI ĐƠ THỊ HÀ NỘI LÀM PHÂN BĨN Ngành: Khoa học mơi trường Mã số: 62.44.03.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Nông Lâm Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải 2. GS.TS. Nguyễn Thế Đặng Phản biện 1: …………………………………… Phản biện 2: …………………………………… Phản biện 3: …………………………………… Đề tài sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá đề tài cấp Đại học họp tại: Trường Đại học Nơng Lâm Thái Ngun Vào hồi……… giờ …… ngày ……. tháng ……. năm 2017 Có thể tìm hiểu đề tài tại: Thư viện Quốc gia Trung tâm học liệu Đại học Thái Ngun Thư viện Trường Đại học Nơng Lâm DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Đặng Thị Hồng Phương, Đặng Văn Thành, Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Thế Đặng (2017), “Nghiên cứu tách chiết một số kim loại (Cu, Cr, Pn, Zn, Cd) trong bùn thải đơ thị bằng dung dịch axit”, Tạp chí Nơng nghiệp và phát triển nơng thơn, Số 14/2017, trang 119 124. ISSN 18594581 2. Đặng Thị Hồng Phương, Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Thế Đặng (2017), “Nghiên cứu mức độ khống hóa và chất lượng hỗn hợp bùn thải đơ thị sau xử lý kim loại nặng có phối trộn một số vật liệu hữu thô nấm Trichoderma spp”, Tạp chí Nơng nghiệp và phát triển nơng thơn, Số 15/2017, trang 111 120. ISSN 18594581 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bùn thải đơ thị phát sinh chủ yếu từ các hoạt động xử lý nước thải và nạo vét hệ thống thốt nước đơ thị, phát sinh ngày càng nhiều tại các đơ thị. Bùn thải đơ thị có hàm lượng chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho khá cao (Nguyễn Việt Anh, 2015). Mặt khác, q trình hình thành bùn thải cũng tích lũy nhiều chất gây ơ nhiễm như kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh. Ngày nay, trên thế giới bùn thải được tái sử dụng rất phổ biến. Sử dung bun thai lam phân bon cho ̣ ̀ ̉ ̀ ́ nông nghiêp nh ̣ la môt trong nh ̀ ̣ ưng biên phap x ̃ ̣ ́ ử ly, đô thai, đ ́ ̉ ̉ ược ap dung ́ ̣ ở nhiêu quôc gia. V ̀ ́ ơi muc đich hai hoa gi ́ ̣ ́ ̀ ̀ ưa l ̃ ợi ich tai s ́ ́ ử dung nguôn dinh d ̣ ̀ ương nh ̃ ưng lai han chê nguy c ̣ ̣ ́ ơ tich luy kim loai ́ ̃ ̣ năng va cac chât nguy hai trong bun thai vao môi tr ̣ ̀ ́ ́ ̣ ̀ ̉ ̀ ương thi nhât thiêt ̀ ̀ ́ ́ phai co nh ̉ ́ ưng nghiên c ̃ ưu, đanh gia phu h ́ ́ ́ ̀ ợp va đê xuât cac công nghê ̀ ̀ ́ ́ ̣ thân thiên v ̣ ơi môi tr ́ ương nhăm khai thac tôi đa tai nguyên vât chât ̀ ̀ ́ ́ ̀ ̣ ́ chưa trong bun thai. Chính vì v ́ ̀ ̉ ậy, đề tài “ Nghiên cứu đặc tính và khả năng sử dụng bùn thải đơ thị Hà Nội làm phân bón " được nghiên cứu và thực hiện 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng qt Đánh giá đặc tính và khả năng sử dụng bùn thải đơ thị Hà Nội làm phân bón 2.2. Mục tiêu cụ thể Đánh giá đặc điểm lý, hóa, sinh học va d ̀ ự báo khối lượng bùn thải đơ thị Hà Nội Đánh giá khả năng tách chiết một số kim loại nặng (Zn, Cu, Pb, Cr, Cd) trong bùn thải trạm xử lý nước thải sinh hoạt bằng dung dịch axit. Đánh giá khả năng ủ bùn thải đơ thị sau xử lý kim loại nặng phối trộn với một số chất thải nơng nghiệp (rơm, phân lợn) có bổ sung chế phẩm sinh học (EMIC và nấm Trichoderma spp.) làm phân bón hữu cơ Đánh giá hiệu lực của phân hữu cơ bùn thải đối với cây cải bẹ (Brassica campestris L.) và cây xác pháo (Salvia splendens ker. Gawl) 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Bổ sung thêm tư liệu đánh giá chi tiết đặc tính lý, hóa học và phát sinh bùn thải đơ thị Hà Nội. Tìm được các điều kiện thích hợp (về thời gian tương tác, nồng độ dung dịch axit, số lần chiết tách) để loại bỏ kim loại nặng trong bùn thải đơ thị bằng dung dịch axit. Đánh giá được khả năng khống hóa bùn thải sau xử lý kim loại nặng phối trộn với một số vật liệu hữu cơ (rơm, phân lợn) và chế phẩm sinh học (EMIC và nấm Trichoderma spp) Làm cơ sở tham khảo cho các nhà quản lý lập kế hoạch quản lý và xử lý các loại bùn thải đơ thị Hà Nội 4. Những đóng góp mới của luận án Đã đề xuất phương án chiết rút bằng dung dịch axit xitric để tiền xử lý kim loại nặng trong bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung làm cơ chất cho ủ phân compost Đã đề xuất giải pháp sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải trạm xử lý nước thải sinh hoạt sau tiền xử lý kim loại nặng phối trộn với phụ phẩm nông nghiệp (rơm, phân lợn) và chế phẩm sinh học (EMIC, Trichoderma spp.) 5. Giới thiệu bố cục luận án Luận án bao gồm 160 trang đánh máy A4 được cấu trúc gồm có 3 chương khơng kể phần mở đầu, kết luận, kiến nghị (Chương 1: Tổng quan tài liệu, chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu, chương 3: Kết quả nghiên cứu). Luận án có 60 bảng và 37 hình vẽ (khơng kể phần phụ lục minh họa). Tham khảo 119 tài liệu, trong đó 53 tài liệu tiếng Việt, 66 tài liệu tiếng nước ngồi. Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Khái qt về bùn thải đơ thị Trong phần này, tác giả trình bày tổng quan các vấn đề như khái niệm, nguồn phát sinh, đặc tính, các phương pháp xử lý bùn thải đơ thị, thực trạng cơng tác quản lý bùn thải đơ thị Hà Nội. Các loại bùn thải phát sinh từ các nguồn khác nhau và các vùng miền khác nhau có đặc điểm hóa lý khác nhau. Điểm chung của các loại bùn thải là lượng phát sinh từ các đơ thị ngày càng nhiều, trong bùn có chứa thành phần dinh dưỡng cho cây trồng như nitơ, phốt pho khá cao và bùn cịn chứa nhiều KLN và vi sinh vật gây bệnh 1.2. Phương pháp hóa học tách chiết KLN trong bùn thải đơ thị Chiết hóa học là q trình tách các chất ơ nhiễm từ đất, bùn và trầm tích bằng cách sử dụng chất chiết xuất. Phương pháp này được sử dụng để xử lý đất bị nhiễm KLN. Các chất chiết xuất có thể là các axit vơ cơ (HNO3, HCl, H2SO4), axit hữu cơ (axit xitric, axetic và axit oxalic), tác nhân tạo phức mạnh (NTA và EDTA) và một số hóa chất vơ cơ khác (Marchioretto và cs, 2002) 1.3. Phương pháp ủ phân compost Trong phần này, tác giả trình bày tổng quan về khái niệm, các yếu tố ảnh hưởng và các phương pháp ủ phân compost. Với các ưu điểm thời gian phân hủy nhanh, hầu hết cỏ dại, mầm bệnh bị tiêu diệt và dễ thực hiện, phương pháp ủ nóng được ưu tiên lựa chọn 1.4. Một số nghiên cứu ủ phân compost từ bùn thải đơ thị ứng dụng trong sản xuất nơng nghiệp Trong phần này, tác giả đã trình bày tóm tắt một số kết quả nghiên cứu về ủ phân compost từ bùn thải đô thị và ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Bùn thải đô thị; vật liệu phối trộn ủ phân: rơm, phân lợn, chế phẩm EMIC, nấm Trichoderma spp; cây trồng thử nghiệm hiệu lực của phân bón là cây cải bẹ ( Brassica campestris L.) và cây xác pháo (Salvia splendens ker. Gawl) 2.2. Nội dung nghiên cứu Hiện trạng phát sinh và đặc tính bùn thải đơ thị Hà Nội Nghiên cứu khả năng tách chiết một số kim loại nặng (Cd, Cu, Zn, Pb, Cr) trong bùn thải Nghiên cứu tận dụng bùn thải nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt sau xử lý KLN làm phân hữu cơ Nghiên cứu thử nghiệm phân hữu cơ sản xuất từ bùn thải sau xử lý KLN đối với cây trồng 2.3. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp như: Phương pháp điều tra thu thập tài liệu, phương pháp dự báo phát sinh lượng bùn thải đô thị Hà Nội, phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu, phương pháp thực nghiệm, phương pháp xử lý số liệu Các thí nghiệm trong nghiên cứu: * Thí nghiệm chiết tách một số kim loại nặng (Cd, Cu, Zn, Pb, Cr) trong bùn thải của trạm XLNTSH Kim Liên bằng axit: Các thí nghiệm thực hiện song song giữa 3 axit: xitric, axetic và nitric (Lựa chọn thời gian tương tác, lựa chọn nồng độ axit tối ưu và lựa chọn số lần chiết tách KLN) * Thí nghiệm ủ phân hữu cơ bùn thải (HCBT): Các cơng thức thí nghiệm: CT1: Bùn, CT2: Bùn Rơm, CT3: Bùn Rơm Phân lợn, CT4: Bùn Trichoderma, CT5: Bùn Rơm Trichoderma, CT6: Bùn Rơm Phân lợn Trichoderma, CT7: Bùn EMIC, CT8: Bùn Rơm EMIC, CT9: Bùn Rơm Phân lợn EMIC, CT10: Bùn EMIC Trichoderma, CT11: Bùn Rơm EMIC Trichoderma, CT12: Bùn Rơm Phân lợn EMIC Trichoderma * Thí nghiệm thử nghiệm hiệu lực của phân HCBT đối với cây cải bẹ (Brassica campestris L.) Các cơng thức bón phân: CT1 (ĐC1): 70 kg N + 50 kg P2O5 + 40 kg K2O (nền); CT2 (ĐC2): Nền + 15 tấn phân chuồng hoai, CT3: Nền + 5,6 tấn phân HCBT; CT4: Nền + 6,4 tấn phân HCBT, CT5: Nền + 7,2 tấn phân HCBT * Thí nghiệm thử nghiệm hiệu lực của phân HCBT đối với cây xác pháo (Salvia splendens) Các cơng thức bón phân: CT1 (ĐC1): 70 kg N + 60 kg P2O5 + 80 kg K2O (nền); CT2 (ĐC2): Nền + 15 tấn phân chuồng hoai, CT3: Nền + 5,6 tấn phân HCBT; CT4: Nền + 6,4 tấn phân HCBT, CT5: Nền + 7,2 tấn phân HCBT CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiện trạng phát sinh và đặc tính bùn thải đơ thị Hà Nội 3.1.1. Hiện trạng và dự báo lượng phát sinh các loại bùn thải đơ thị Hà Nội * Bùn thải từ bể phốt: Tính riêng trong năm 2015, lượng phân bùn bể phốt phát sinh từ 12 quận nội thành Hà Nội là khoảng 250.020 tấn/năm Ghi chú: Theo hàng, trong từng thí nghiệm, các số mang chữ cái (a, b, c, d) khác nhau thì sai khác có ý nghĩa thống kê ở độ tin cậy 95% Kết quả Bảng 3.6 cho thấy, hiệu suất chiết tách các KLN của axit hữu cơ (citric và axetic) đạt cao và ổn định ở 120 phút, của axit nitric là 60 phút 3.2.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất tách chiết KLN Bảng 3.7. Hiệu suất loại bỏ KLN của các axit ở các nồng độ Ghi chú: Theo hàng, trong từng thí nghiệm, các số mang chữ cái (a, b, c, d) khác nhau thì sai khác có ý nghĩa thống kê ở độ tin cậy 95% Kết quả bảng 3.7 cho thấy, đối với các axit hữu cơ (citric và axetic), hiệu quả loại bỏ KLN cao nhất ở nồng độ 0,3 0,5 M (với thời gian phản ứng 120 phút); đối với axit nitric hiệu quả loại bỏ các KLN cao nhất nồng độ 0,5 0,65 M (với thời gian phản ứng 60 phút) 13 3.2.2.3. Ảnh hưởng của số lần chiết đến hiệu quả loại bỏ KLN Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng số lần chiết tách KLN cho thấy, ngoại trừ Cr, các KLN khác (Cu, Zn, Pb, Cd) đạt cao và ổn định sau 5 lần chiết. Đối với Cr, sau 7 lần chiết lượng Cr tách ra đạt ổn định, khác biệt khơng có ý nghĩa thống kê 5% so với sau 8 lần chiết. Như vậy, hiệu quả loại bỏ hầu hết các KLN của cả 3 axit là sau 5 lần chiết tách Axit citric có nhiều ưu thế hơn trong tách chiết các KLN, q trình tách chiết có thể được thực hiện ở điều kiện có tính axit nhẹ (pH = 3 5). Do vậy, axit citric được lựa chọn để thực hiện tách chiết các KLN trong bùn thải đơ thị 3.2.3 Thành phần một số chất trong bùn thải sau quá trình chiết tách bằng axit Bảng 3.8. Thành phần một số chất trong bùn trước và sau loại bỏ Nts P 2O5ts Cu Zn Pb Cd Cr KLN (%) (%) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) pH OM (%) Trước chiết xuất 7,1 30,38 1,28 1,46 59,29 380,43 17,61 1,21 38,21 Sau chiết xuất bằng axetic 4,5 27,2 0,91 1,01 21,94 68,47 7,92 0,56 32,48 Sau chiết xuất bằng xitric 4,5 27,7 0,95 1,03 24,31 26,63 7,04 0,18 21,4 Sau chiết xuất bằng nitric 2,5 25,2 0,52 0,79 11,27 19,02 5,81 0,88 16,57 100 200 70 1,5 150 Bùn thải QCVN 03MT:2015/BTNMT về KLN trong đất nông nghiệp Như vậy, sau khi sử dụng các axit để loại bỏ các KLN, hàm lượng chất hữu cơ, nitơ, phốt pho trong bùn giảm so với ban đầu nhưng vẫn ở mức giàu so với thang đánh giá dinh dưỡng trong đất Sau xử lý bằng dung dịch axit, hàm lượng các KLN giảm khác biệt qua phép thử Ttest và đều đạt ngưỡng cho phép đối với KLN trong đất nông nghiệp. Bùn thải sau xử lý KLN cần được điều chỉnh pH bằng vơi bột đến pH trung tính (pH = 6,8 7,3), nghiên cứu thêm giải pháp bổ sung chất hữu (phân gà, phân lợn), 14 cacbon (rơm, cỏ,…) để tận dụng theo hướng làm phân compost cho nơng nghiệp Trong số các axit thử nghiệm để loại bỏ một số KLN trong bùn thải, axit xitric được lựa chọn. Theo tính tốn, lượng axit xitric dùng để loại bỏ KLN trong 1 tấn bùn (khơ khơng khí Độ ẩm của bùn khơ khơng khí là 25%) khoảng 7,5 kg. Bùn trạm XLNT có độ ẩm khoảng 90,2% (bảng 3.10), lượng axit xitric cần dùng để loại bỏ KLN trong 1 tấn bùn tươi là 1 kg 3.3. Nghiên cứu tận dụng bùn thải trạm XLNTSH sau xử lý KLN làm phân hữu cơ 3.3.1. Biến động các yếu tố trong q trình ủ phân Nhiệt độ: Nhiệt độ của các cơng thức thí nghiệm có bổ sung thêm vật liệu hữu cơ (rơm, phân lợn) dao động trong khoảng 28 oC 64,3oC, cao hơn hẳn các cơng thức khơng bổ sung vật liệu hữu cơ. Nhiệt độ tăng cao nhất ở CT12, đạt 64,3oC vào ngày thứ 16 17 sau ủ Độ ẩm: Sau 75 ngày ủ, độ ẩm của các khối ủ ở các cơng thức thí nghiệm có bổ sung vật liệu hữu cơ đạt 25% 34% Hàm lượng các bon tổng số: Tổng các bon ngày đầu các cơng thức thí nghiệm dao động trong khoảng 15,89 33,37%. Sau 75 ngày ủ của các cơng thức thí nghiệm có bổ sung chế phẩm EMIC nấm Trichoderma spp. thấp khác biệt có ý nghĩa so với cơng thức thí nghiệm cịn lại 15 Hình 3.5. Hàm lượng tổng các bon hữu cơ ở các cơng thức thí nghiệm sau 75 ngày ủ Hàm lượng nitơ tổng số: Hình 3.6. Hàm lượng Nts ở các cơng thức sau 75 ngày ủ Sau 75 ngày ủ, hàm lượng Nts các thí nghiệm dao động trong khoảng từ 0,94 % đến 2,52%, việc bổ sung thêm chế phẩm khơng có ý nghĩa trong việc làm tăng lượng Nts trong các vật liệu sau q trình ủ. Tỷ lệ C/N: Hình 3.7. Tỷ lệ C/N ở các cơng thức sau 75 ngày ủ Tỷ lệ C/N ở các cơng thức thí nghiệm giảm dần theo thời gian ủ giảm khác biệt theo thời gian ủ, trừ cơng thức bùn khơng phối trộn vật liệu hữu cơ. CT12 có tỷ lệ C/N giảm thấp nhất, khác biệt so với các cơng thức khác 16 Hàm lượng lân tổng số và dễ tiêu Hình 3.8. Hàm lượng P2O5 tổng số (%) và hình 3.9. Hàm lượng P2O5 dễ tiêu (mg/kg) của các cơng thức sau 75 ngày ủ Hàm lượng phốt pho tổng số các cơng thức sau 75 ngày ủ biến động trong khoảng 0,84 2,65% P2O5. Khi bổ sung thêm chế phẩm sinh học EMIC và/hoặc nấm Trichoderma spp, hàm lượng phốt pho tổng số của các cơng thức khác biệt khơng có ý nghĩa thống kê, tuy nhiên hàm lượng phốt pho dễ tiêu cao khác biệt so với các cơng thức khơng bổ sung chế phẩm Hàm lượng kali tổng số (%) Hình 3.10. Hàm lượng K2O tổng số sau 75 ngày ủ Sau 75 ngày ủ, hàm lượng kali tổng số trong các cơng thức dao động từ 0,42 1,58%. Việc bổ sung chế phẩm EMIC và/hoặc nấm Trichoderma spp chưa cho kết quả khác biệt rõ ràng đối với tổng kali trong thời gian 75 ngày ủ phân Biến động E.coli và Salmonella Các cơng thức khi bắt đầu ủ đều nhiễm E.coli và dao động trong khoảng 1,27 1,85x102 CFU/g, cơng thức thí nghiệm có bổ 17 sung phân lợn có Salmonella với mật độ 1,23 CFU/g. Sau 75 ngày ủ, khơng phát hiện E.coli và Salmonella trong hỗn hợp ủ Hàm lượng các KLN: Các KLN trong hỗn hợp ủ phân sau 75 ngày ngưỡng cho phép đối với KLN đất nông nghiệp 3.3.3. Đánh giá chất lượng phân hữu cơ sản xuất từ bùn thải sau xử lý KLN Bảng 3.9. Đặc tính lý hóa của phân HCBT sau 75 ngày ủ 3.3.4. Quy trình sản xuất phân hữu cơ từ bùn thải sau xử lý KLN Quy trình sản xuất phân hữu cơ bùn thải (HCBT) được nêu ở Hình 3.26 Theo tính tốn của đề tài, chi phí sản xuất 1 tấn phân HCBT là 25.000.000 đồng (2.500 đồng/kg) 18 Hình 3.11. Quy trình sản xuất phân hữu cơ bùn thải 3.4. Thử nghiệm hiệu lực phân HCBT trên cây trồng 3.4.1. Thử nghiệm hiệu lực phân HCBT trên cây cải bẹ Bảng 3.10. Ảnh hưởng đến năng suất của cây cải bẹ 19 Kết quả bảng 3.10 cho thấy, khi bón lượng phân khác nhau, năng suất cây cải bẹ khác nhau rõ rệt. Trong vụ Đơng Xn (chính vụ), năng suất lý thuyết và năng suất thực thu của cây cải bẹ cao hơn hẳn vụ Hè Thu. Cơng thức CT4 cho năng suất thực thu cao khác biệt khơng có ý nghĩa thống kê so với CT5 Kết quả ở bảng 3.11 cho thấy, tất cả các cơng thức phân bón ở có hàm lượng NO3 trong ngưỡng cho phép (