Gắn sản xuất phân bón với kinh tế tuần hoàn

Quy trình công nghệ do nhóm nhà khoa học TP.HCM hoàn thiện tạo ra cơ hội "tận dụng" nguồn nước thải từ nhà máy sản xuất phân bón để tiếp tục tạo ra các sản phẩm hữu ích, giúp giảm thiểu lượng chất thải nguy hại ra môi trường.

Thực tế cho thấy, nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam và Việt Nam vẫn là một nước nông nghiệp. Theo Chiến lược phát triển nông nghiệp và nông thôn bền vững giai đoạn 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050 vừa được Chính phủ phê duyệt tại Quyết định 150/QĐ-TTg, mục tiêu cụ thể đến năm 2030, tốc độ tăng trưởng GDP nông lâm thủy sản đạt bình quân từ 2,5-3%/năm, tốc độ tăng năng suất lao động nông lâm thủy sản đạt bình quân từ 5,5-6%/năm; mở rộng và phát triển thị trường, nhất là thị trường xuất khẩu. Tốc độ tăng giá trị xuất khẩu nông lâm thủy sản đạt bình quân từ 5-6%/năm.

Đặc biệt, Chiến lược đề ra mục tiêu đến năm 2050, Việt Nam sẽ trở thành một trong những nước có nền nông nghiệp hàng đầu thế giới với ngành công nghiệp chế biến nông sản hiện đại, hiệu quả, thân thiện với môi trường. Nông thôn Việt Nam không còn hộ nghèo và trở thành “nơi đáng sống” văn minh, xanh, đẹp…

Nhu cầu cấp bách

Có thể khẳng định rằng, phân bón là nguyên liệu đầu vào cực kỳ quan trọng cho sản xuất nông nghiệp, và nhu cầu phân bón ngày càng tăng, từ đó sản xuất phân bón càng được đẩy mạnh, đặc biệt là ngành sản xuất phân bón hóa học. Bên cạnh việc mở rộng quy mô sản xuất phục vụ nhu cầu phát triển của nông nghiệp, thì việc xử lý các nguồn chất thải, đặc biệt là khí thải, nước thải trong quá trình sản xuất phân bón luôn được chú trọng.

Khí thải sau khi ra khỏi hệ thống tách bụi đi qua hệ thống rửa khí và hấp phụ trước khi khí thải ra môi trường bên ngoài. Nếu dung dịch này được hồi lưu để tiếp tục sử dụng thì hàm lượng các chất di dưỡng bị hấp phụ trong dung dịch chứa hàm lượng lớn các chất dinh dưỡng Nitơ (N) và Phốtpho (P) vốn rất cần thiết cho cây trồng.

Trong khi đó, để xử lý nguồn nước này đạt tiêu chuẩn môi trường,hầu hết nhà máy đang áp dụng công nghệ hóa lý để xử lý lượng nước thải nói trên, đặc biệt là nguồn nước thải chứa nhiều dinh dưỡng chính như N và P. Theo đó, dung dịch NaOH được cho vào bể phản ứng với hàm lượng lớn để "đuổi" N (ở dạng khí NH₃) ra khỏi dung dịch. Như vậy, có thể thấy chất ô nhiễm (hợp chất của N) ở dạng lỏng được chuyển sang chất ô nhiễm dạng khí và phát tán ra không khí, tổng lượng N phát tán ra môi trường được xem là không đổi. Ngoài ra, nguồn nước thải sau khi đuổi N có pH cao, nên phải sử dụng lớn HCl để trung hòa, chuyển pH nước thải về trung tính để thực hiện các công đoạn tiếp theo trước khi thải ra môi trường. Như vậy, doanh nghiệp phải tiêu tốn một lượng lớn hóa chất NaOH và HCl mà vẫn không thể thể giảm lượng NH₃ phát ra môi trường.

"Do đó, việc giảm thiểu hóa chất để xử lý nước thải và thu hồi các chất dinh dưỡng N và P từ nước thải luôn là công nghệ mà các nhà môi trường và doanh nghiệp hướng đến, và các công nghệ này được xem là thân thiện với môi trường, rất có ý nghĩa về mặt kinh tế",  PGS.TS Lê Minh Viễn nhận định, "Hơn nữa, theo thống kê, thì các trữ lượng P trong các mỏ để sản xuất phân lân cũng đang ngày càng giảm sút. Do đó, việc thu hồi các nguyên tố dinh dưỡng như N và P ngày càng cấp bách hơn".

Tuy nhiên, trước thực tế trong nước hiện chưa có nghiên cứu đầy đủ nào về công nghệ thu hồi N và P từ các nhà máy sản xuất phân bón, cũng như nghiên cứu sử dụng các sản phẩm sau thu hồi để sản xuất phân bón phục vụ sản xuất nông nghiệp", PGS.TS Lê Minh Viễn và nhóm cộng sự tại Đại học Bách Khoa (ĐHQG TP.HCM) đã triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu công nghệ thu hồi nitơ, phốtpho trực tiếp từ nước thải nhà máy phân bón và định hướng sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân bón".

PGS.TS Lê Minh Viễn trình bày kết quả triển khai nhiệm vụ "Nghiên cứu công nghệ thu hồi nitơ, phốtpho trực tiếp từ nước thải nhà máy phân bón và định hướng sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân bón"

Hướng tiếp cận mới

Theo đó, là kết quả của nhiệm vụ khoa học - công nghệ vừa được Sở KH&CN TP.HCM nghiệm thu, PGS.TS Lê Minh Viễn và các cộng sự đã nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống thử nghiệm thu hồi N và P từ nước thải nhà máy phân bón công suất xử lý 1 m³/ngày và sản xuất 50 kg struvite theo quy trình công nghệ gián đoạn; đồng thời nghiên cứu sản xuất phân bón NPK sử dụng nguồn struvite sản xuất từ nước thải nhà máy phân bón.

Cụ thể, PGS.TS Lê Minh Viễn và các cộng sự đã xác định các thành phần chính của nguồn nước để đề xuất phạm vi của các thông số công nghệ và các phương pháp điều chế, đánh giá các tính chất của sản phẩm. Kết quả nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm cho thấy các thông số công nghệ như pH, tỷ lệ mol Mg/P, tỷ lệ mol N/P, thời gian phản ứng ảnh hưởng đến hiệu suất kết tủa struvite. Trong đó, thông số ảnh hưởng mạnh nhất là pH, tỷ lệ mol Mg/P, tỷ lệ mol N/P.

Quy trình thu hồi struvite

"Struvite dễ dàng kết tủa trong khoảng pH từ 7-9,5, thậm chí ở thời gian phản ứng là 30 phút. Đặc biệt, nghiên cứu này đã xây dựng được sự tương quan của các thông số công nghệ đến hiệu suất thu hồi N", đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ thông tin.

Từ kết quả tối ưu hóa, các thông số công nghệ được lựa chọn để tiến hành kiểm tra, thử nghiệm với quy mô pilot với công suất 1 m³/ ngày. Quá trình kết tủa struvite được thiết kế và vận hành thực tế trên thiết bị có tổng thể tích là 1.000 lít. Với thông số công nghệ đã tối ưu (với hàm mục tiêu là hiệu suất 80%), tỷ lệ mol Mg/P=1,0 và N/P= 1,2; pH=8,3, thời gian là 60 phút ở nhiệt độ môi trường, sản phẩm thu được là struvite có độ đơn pha cao (kiểm chứng bằng phương pháp XRD), dạng bột có kích thước hạt từ 13-22 micro mét (kiểm chứng bằng phương pháp SEM và phần mềm Image J). Tỷ trọng riêng từ 1.573 - 1.598 kg/m³, khối lượng riêng đổ đống là từ 497-580 kg/m³. Hàm lượng dinh dưỡng phù hợp với struvite thương mại.

Mô hình hệ thống

Đối chiếu với tiêu chuẩn về độ tan theo ISO 18644:2016, sản phẩm struvite thu được là loại phân bón chậm tan. Struvite có hàm lượng dinh dưỡng (Mg, N và P) cao cùng với tính chất tan chậm, struvite phù hợp để làm phân bón tan chậm phục vụ sản xuất nông nghiệp.

Ngoài ra, sự tương thích của struvite với các nguyên liệu truyền thống cũng được kiểm tra nhằm sử dụng nguyên liệu này để sản xuất các sản phẩm phân bón NPK. Kết quả thử nghiệm với các sản phẩm phân bón một hạt NPK 10-10-5 (10% khối lượng struvite, 20% khối lượng struvite, 30% khối lượng struvite), NPK 17-3-5 (10% khối lượng struvite), NPK 16-20-0 (10% khối lượng struvite) và phân bón 3 màu NPK 20-15-5.

Kết quả cho thấy struvite dễ dàng sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất phân bón như các nguyên liệu truyền thống khác. Khi sử dụng struvite càng nhiều, độ tan của sản phẩm NPK càng giảm. Độ tan giảm của sản phẩm là lợi thế cho việc tiết kiệm và sử dụng phân bón hiệu quả do hạn chế sự rửa trôi và thất thoát do phân bón tan quá nhanh.

Struvite hay MAP (magie amoni Photphat) là một tinh thể thường gặp trong tự nhiên với hằng số K_S = 12,6-13,26 ở dạng không tan (rất ít tan). Struvite tan ít trong nước và dung dịch nên sự giải phóng chậm struvite đã tạo ta nguồn N, P và Mg hiệu quả cho cây trồng bón qua lá hay đất. Sử dụng phân bón MAP có thể giảm từ 20-30%, thậm chí nhiều hơn, nếu xét trên khối lượng (sử dụng) so với phân bón thông thường mà vẫn có năng suất tương đương.

Là hợp phần quan trọng của nhiệm vụ, nhóm chuyên gia tại Đại học Bách Khoa đã sản xuất thử nghiệm thành công 50kg sản phẩm struvite thu hồi từ nước thải (của nhà máy sản xuất phân bón); hoàn thiện quy trình công nghệ thu hồi struvite từ nước thải nhà máy phân bón; cũng như quy trình công nghệ sản xuất phân NPK sử dụng sản phẩm struvite tạo ra trong quá trình thu hồi N, P từ nước thải nhà máy phân bón. Bên cạnh đó, nhóm triển khai nhiệm vụ cũng xây dựng bộ tiêu chuẩn cơ sở cho sản phẩm struvite và 3 loại phân NPK sản xuất từ nguồn struvite tổng hợp được.

Phân bón NPK từ struvite

Tóm lại, nghiên cứu này cho thấy việc sử dụng hóa chất để kết tủa các nguyên liệu phân bón bị hòa tan vào trong dung dịch nước để quay trở lại quá trình sản xuất phân bón dễ thực hiện. Trong khi phương pháp hóa lý, việc sử dụng dung dịch NaOH để xử lý NH₃ trong dung dịch và sử dụng dung dịch HCl để chuyển pH nước thải về trung tính đã làm tiêu hao một lượng hóa chất đáng kể mà không thu được sản phẩm phụ nào. Ngoài ra, phương pháp kết tủa struvite sử dụng công nghệ và thiết bị đơn giản, dễ vận hành cho thấy việc kết tủa struvite từ nước thải ngành công nghiệp sản xuất phân bón không những có ý nghĩa khoa học, mà còn có ý nghĩa về kinh tế so với phương pháp truyền thống.

Nhận xét về hiệu quả khoa học - công nghệ, PGS.TS Lê Minh Viễn khẳng định: kết quả của nhiệm vụ đã góp phần cung cấp các dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm, cung cấp công nghệ xử lý nước thải, và công nghệ này được xem là công nghệ đơn giản, hiệu quả, sạch - xanh để xử lý nước thải chứa nhiều N và P, hạn chế sử dụng hóa chất để xử lý nước thải mà không thể thu hồi được.

Về hiệu quả kinh tế xã hội, có thể thấy rằng, công nghệ xử lý nước thải thân thiện với môi trường không những giảm thiểu tiêu tốn hóa chất mà còn thu hồi được các chất dinh dưỡng từ nước thải, làm giảm thất thoát nguyên liệu trong quá trình sản xuất, và đặc biệt hơn hết là giảm chi phí xử lý so với công nghệ truyền thống.

"Do đó, nhiệm vụ đã tiếp cận một cách có hệ thống và mang tính thực tiễn cao để xử lý nước thải với công nghệ xử lý thân thiện môi trường, giảm chi phí hóa chất, góp phần làm giảm chi phí sản xuất cho doanh nghiệp. Từ đó gián tiếp góp phần thúc đẩy công tác bảo vệ môi trường, thúc đầy phát triển kinh tế - xã hội bền vững theo hướng nền kinh tế xanh và kinh tế tuần hoàn",  PGS.TS Lê Minh Viễn nhấn mạnh.