Phương thức loại bỏ nitơ và phốt pho khỏi hệ thống thoát nước ngầm trong trang trại

Nhóm nghiên cứu, do Wei Zheng (trái) và Hongxu Zhou của Trung tâm Công nghệ Bền vững Illinois (ISTC) dẫn đầu, đã bổ sung thêm thành phần xử lý nước bằng "than sinh học thiết kế đặc biệt" vào lò phản ứng sinh học sử dụng dăm gỗ tiêu chuẩn để giải quyết đồng thời hai vấn đề về dòng chảy nitơ và phốt pho từ trang trại. Ảnh: Michelle Hassel.

Các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống xử lý nước thải ven ruộng giúp giảm lượng chất dinh dưỡng dư thừa chảy vào nguồn nước từ hệ thống thoát nước nông trại. Phương pháp của họ kết hợp lò phản ứng sinh học bằng dăm gỗ với mô-đun xử lý nước bằng than sinh học qua hai bước. Một thử nghiệm thực địa kéo dài một năm đã chứng minh rằng hệ thống này làm giảm cả lượng nitơ và phốt pho chảy tràn từ đất nông nghiệp.

Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Water Process Engineering, cũng bao gồm một phân tích kinh tế kỹ thuật cho thấy hệ thống lò phản ứng sinh học - than sinh học có thể trở thành một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí cho các phương pháp xử lý nước thải ven ruộng hiện tại trong khi vẫn đạt được kết quả chất lượng nước tốt hơn.

Nước thải chứa chất dinh dưỡng từ các cánh đồng là nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước, thúc đẩy sự phát triển mạnh của tảo độc hại và làm suy thoái hệ sinh thái nước ngọt và ven biển. Theo Wei Zheng, làm việc tại Trung tâm Công nghệ Bền vững Illinois, Viện Nghiên cứu Prairie thuộc Đại học Illinois Urbana-Champaign, mặc dù các bể phản ứng sinh học bằng dăm gỗ được sử dụng để giảm lượng nitơ chảy tràn, nhưng chúng không được thiết kế để loại bỏ phốt pho. Trong khi đó, phốt pho hòa tan là một mối quan ngại lớn trong nước thải nông nghiệp. Giống như nitơ, phốt pho thúc đẩy sự phát triển mạnh của tảo trong sông hoặc hồ, có thể tạo ra độc tố, cản trở ánh sáng mặt trời và làm thiếu oxy cho các sinh vật thủy sinh.

Lượng phốt pho chảy tràn thậm chí có thể tăng lên khi mới lắp đặt hệ thống xử lý sinh học bằng dăm gỗ, vì phốt pho có sẵn trong gỗ có thể ngấm vào nước. Zheng nêu ý kiến: “Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi muốn phát triển một hệ thống xử lý tại chỗ mới có khả năng thu giữ nhiều chất dinh dưỡng cùng một lúc. Vì vậy, chúng tôi đã kết hợp hệ thống xử lý sinh học bằng dăm gỗ với kênh hấp thụ than sinh học để loại bỏ cả nitơ và phốt pho”.

Hệ thống xử lý sinh học là những rãnh lớn chứa đầy dăm gỗ, qua đó nước thải nông nghiệp được dẫn đi. Dăm gỗ hỗ trợ vi khuẩn khử nitrat, chúng tiêu thụ carbon trong sinh khối gỗ và trong điều kiện thiếu oxy, chuyển đổi nitrat thành khí nitơ. Giai đoạn thứ hai của hệ thống, kênh hấp thụ than sinh học, thu giữ phốt pho hòa tan thông qua các phản ứng hóa học tạo thành các hợp chất rắn như magie photphat và canxi photphat, cả hai đều có thể được tái sử dụng làm phân bón.

Zheng và các đồng nghiệp đã tạo ra loại than sinh học “đặc chế” từ bùn vôi, một sản phẩm phụ của quá trình xử lý vôi trong các nhà máy xử lý nước. Họ trộn bùn với mùn cưa mịn và nung nóng ở nhiệt độ cao trong điều kiện ít oxy. Bột than sinh học thu được sau đó được nén thành viên, việc này đảm bảo vật liệu nằm trong các kênh hấp phụ và không bị cuốn trôi bởi dòng nước.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra than sinh học bằng cách sử dụng bùn vôi, một sản phẩm phụ của quá trình chế biến vôi trong các nhà máy xử lý nước. Họ trộn bùn với mùn cưa, chuyển hóa thành than sinh học bằng cách nung trong lò và ép thành viên. Ảnh: Michelle Hassel.

Khi được thử nghiệm trên diện tích một hecta, hệ thống lò phản ứng sinh học-than sinh học đã giảm tải lượng nitrat-nitơ trong nước thải nông trại xuống 58% và giảm tải lượng amoni-nitơ xuống 72%. Mô-đun hấp phụ than sinh học đã giảm nồng độ phốt pho hòa tan từ 3-92% và tổng phốt pho từ 20-92%, tùy thuộc vào điều kiện dòng chảy theo mùa.

Một đánh giá kinh tế kỹ thuật ước tính rằng hệ thống đạt được chi phí loại bỏ đơn vị là 90,30 đô la Mỹ/kg nitrat-nitơ được giữ lại mỗi năm và 63,90 đô la Mỹ/kg phốt pho phản ứng hòa tan được loại bỏ khỏi nước thải mỗi năm. Mô hình cho thấy việc mở rộng hệ thống lên diện tích 10 hecta sẽ làm giảm đáng kể các chi phí này.

Phương pháp mới này cũng có thể giúp bù đắp chi phí vì than sinh học đã qua sử dụng, chứa nhiều phốt pho có thể được tái sử dụng làm phân bón cho đồng ruộng. Ngoài ra, việc bổ sung than sinh học vào đất có thể cải thiện sức khỏe của đất, tăng năng suất cây trồng và giúp nông dân đủ điều kiện nhận tín chỉ carbon.

Zheng và các đồng nghiệp hiện đang đánh giá phương pháp sử dụng than sinh học trên quy mô lớn hơn tại một trang trại thương mại.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Illinois.