CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. Nhu cầu phân bón và sự sư thừa Photpho, Nitơ trong chất thải
Là thành phần chính và là nguyên tố thiết yếu cho sự sống, photpho (P) là thành phần quan trọng cấu thành nên các tế bào (ARN, AND). Photpho còn là nguyên liệu chính cho nhiều ngành công nghiệp, sản xuất như phân bón, thuốc nổ, luyện kim,….Sự thiếu hụt nguồn tài nguyên photpho ảnh hưởng trực tiếp đến an ninh lương thực toàn cầu và sự phát triển bền vững của môi trường. Với sự gia tăng dân số, nguồn cung photpho đang và sẽ còn quan trọng hơn trong tương lai, vì photpho là nguồn tài nguyên không thể thay thế. Photpho được liệt kê trong danh sách Nguyên liệu thô quan trọng (CRM) của EU.
Photpho là một nguyên tố có khả năng phản ứng cao và do đó, chúng không bao giờ được tìm thấy dưới dạng nguyên tố tự do trong tự nhiên. Hầu hết photpho của trái đất được tìm thấy dưới dạng khoáng chất trong lớp vỏ trái đất. Tuy nhiên, đây là một nguồn tài nguyên không thể tái tạo, có trữ lượng hữu hạn và chỉ tập trung ở một số nước như Marcoc, Hoa Kỳ, Nga,… Sự phân bố không đều này dẫn đến sự phụ thuộc của an ninh lương thực thế giới vào một số nước nhất định. Tính trong năm 2022, tổng giá trị photpho được giao dịch đạt 1,23 tỷ đô la, tăng 62,3% so với năm 2021. Cùng với sự căng thẳng chính trị đang leo thang, nhiều chuyên gia dự đoán rằng giá trị photpho vẫn sẽ tăng trong tương lai.
1.1.2. Nhu cầu sử dụng phân bón và sự dư thừa trong chất thải của Nitơ và Photpho
Theo thống kê trong những năm gần đây, tác động từ các hoạt động của con người đã gây ra sự ảnh hưởng đáng kể đến chu trình nitơ và photpho, tạo ra sự mất cân bằng dinh dưỡng giữa nitơ và photpho trong hệ sinh quyển [3]. Những tác động bao gồm sự thay đổi về phát thải khí nhà kính, bao gồm khí methane (CH4) và nitrous oxide (N2O), đến sự gia tăng nhiệt độ trên toàn cầu và tạo ra các biến động thời tiết cực đoan. Trong những biến đổi do tác động của con người, hiện nay, sự chệch lệch về cân bằng dinh dưỡng giữa nitơ và photpho đang nhận được ít sự chú ý và quan
7
tâm so với những thay đổi khác [4]. Sự mất cân bằng giữa cân nặng và chiều cao đã được WHO và OECD dữ liệu hóa trong những năm gần đây cho thấy con người cũng bị ảnh hưởng bởi sự mất cân bằng này [5].
Sự mất cân bằng nitơ và photpho do sự thất thoát trong quá trình sản xuất nông nghiệp, cứ tăng 10% khối lượng phân bón được sử dụng lại thất thoát đi 1%
đến 4% khối lượng [6]. Lượng sử dụng phân bón của các nước trên quốc gia được thống kê Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Mức độ sử dụng phân bón trên toàn thế giới và theo từng quốc gia [9]
STT Quốc gia
Mức bón N (kg/ha/năm) Mức bón P (kg/ha/năm) 2005 2010 2015 2005 2010 2015 1 Hoa Kỳ 65,63 69,75 77,46 24,56 21,21 26,82 2 Trung Quốc 213,5 241,92 228,48 94,73 115,27 116,4 3 Ấn Độ 74,99 97,21 102,51 30,71 48,43 41,18 4 Indonesia 59,05 62,43 61,27 8,03 19,11 17,11 5 Nhật Bản 117,98 97,86 79,87 130,25 92,38 76,78 6 Hà Lan 244,35 205,82 203,11 42,55 29,02 12,22 7 Tây Ban Nha 51,77 54,65 62,54 28,77 19,55 24,16 8 Thái Lan 55,43 79,21 80,74 17,12 24,11 16,39 9 Argentina 18,89 19,79 14,52 15,14 17,54 11,62
10 Úc 19,14 22,85 28,04 20,94 17,19 19,98
11 Brazil 27,11 47,36 44,23 37,57 43,58 52,65 Dân số tăng trưởng liên tục, đòi hỏi đến nông nghiệp phải phát triển để cung cấp đủ lương thực và thực phẩm cho hoạt động sống của con người dẫn đến hàm lượng nitơ và photpho dư thừa. Quá trình xử lý không triệt để lượng dư thừa gây ra tình trạng ô nhiễm nước nghiêm trọng được quan tâm tại thời điểm hiện tại và ở trong tương lai. Lượng nitơ và photpho xuất hiện trên các dòng chảy thông qua dòng
8
chảy bề mặt là do sự rửa trôi các lượng phân bón dư thừa trên bề mặt đất nông nghiệp. Được thống kê vào năm 2020, giá trị trung bình 23,8% lượng nitơ được bón vào đất bị chuyển hóa thành NH3 (16,1%); N2O (0,3%); dòng chảy bề mặt và rửa trôi (2,6% và 4,8%). Tổng lượng photpho bị mất xấp xỉ 2,7% lượng cung cấp; dòng chảy bề mặt và rửa trôi (1,4% và 1,3%) [6] [7].
Cân bằng được nguồn ô nhiễm giúp giảm thiểu bớt ô nhiễm nước, nguồn xuất hiện nitơ và photpho không chỉ từ quá trình nông nghiệp còn xuất phát từ nước thải công nghiệp, nước thải đô thị (sinh hoạt) được xả thải ra ngoài khi chưa xử lý triệt để. Người ta hiểu rằng duy trì chất lượng nước trong tương lai là việc kiểm soát tốt lượng nitơ và photpho trong nước. Tuy nhiên, quản lý dựa trên thông tin hiện tại thường không linh hoạt đối với sự biến động của chất lượng nước, gây khó khăn lớn hơn trong việc khôi phục hệ sinh thái [8]. Các phân tích về chất gây ô nhiễm nước thải trong nhiều ngành sản xuất ở Hoa Kỳ đã chỉ ra rằng nitơ và photpho thuộc vào nhóm 10 chất gây ô nhiễm hàng đầu theo khối lượng trong 7 trong tổng số 21 ngành.
Nồng độ của các chất dinh dưỡng này thường nằm trong khoảng từ hàng trăm đến hàng nghìn ppm (ví dụ: 600–800 ppm đối với nitơ và 80–300 ppm đối với photpho) [10].
Dự kiến trong tương lai nguồn nitơ và photpho cực kì khó thu hồi và chi phí để thu hồi nguồn ô nhiễm này là một thách thức vô cùng lớn cho nhân loại. Mối quan hệ giữa chất ô nhiễm và tuần hoàn được gắn bó chặt chẽ thông qua việc thu hồi sử dụng làm phân bón. Năm 2050, ước tính khối lượng sản xuất thấp hơn 71%
khối lượng sản xuất ở năm 2019 được thể hiện bảng số liệu sau [10]
Bảng 1.2. Lượng nitơ (N) và Photpho (P) sản xuất để sử dụng nông nghiệp dựa trên trước (BAU) và sau (TS) theo kinh tế bền vững [10]
Năm BAU TS
NP Na NP Na
2019 152 286 357 108 458,466 152 286,357 108 458,466 2050 205 164 190 146 118.101 22 354,256 15 920,719
9
Dựa trên việc xem xét thông tin khoa học hiện có, ô nhiễm nitơ và photpho có thể giảm đáng kể bằng cách giảm lượng dinh dưỡng dư thừa trong các hệ thống và quy trình nông nghiệp, cũng như giảm lượng dòng chảy nước từ cả khu vực nông nghiệp và đô thị thông qua nhiều biện pháp khác nhau.