Nghiên cứu khả năng tận dụng chất dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi bằng sự hấp phụ của zeolite

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 550 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẬN DỤNG CHẤT DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG SỰ HẤP PHỤ CỦA ZEOLITE Nguyễn Viết Quốc An*, Trần Thành, Lê Thị Ánh Hồng Trường Đại học Nguyễn Tất Thành *Tác giả liên lạc: nguyenanpt2015@gmail.com TÓM TẮT Quá trình tận dụng và thu hồi dinh dưỡng từ những chất thải và ứng dụng vào nông nghiệp đang được quan tâm nhằm hạn chế sử dụng phân bón hóa học. Nghiên cứu với mục đích thu hồi và tận dụng dinh dưỡng từ nước thải chăn nuôi heo thông qua khả năng hấp phụ của zeolite và thử nghiệm thành phẩm phân hữu cơ sau quá trình hấp thụ lên cây cải xanh. Hiệu quả hấp phụ tổng nitơ, tổng phospho trong nước thải thông qua sự thay đổi các khối lượng zeolite, thay đổi thời gian sục khí đã được đánh giá. Kết quả ban đầu cho thấy ở tỷ lệ 20g zeolite cùng với sục khí trong thời gian 24 giờ cho hiệu quả tốt nhất. Sau thời gian canh tác 21 ngày, kết quả thử nghiệm trên cây cải xanh cho thấy nghiệm thức phối hợp giữa phân hóa học và phân hữu cơ thành phẩm tốt nhất đánh giá trên cả chiều cao và tổng trọng lượng mẫu thu hoạch. Từ khóa: Cải xanh, hấp phụ, thu hồi dinh dưỡng, zeolite. STUDY ON NUTRITIONAL RECOVERY IN SWINE WASTEWATER BY ZEOLITE ADSORPTION Nguyen Viet Quoc An*, Tran Thanh, Le Thi Anh Hong Nguyen Tat Thanh University *Corresponding Author: nguyenanpt2015@gmail.com ABSTRACT Reducing the use of chemical fertilizers is recommended to recover nutrients in the waste. The study aims to utilize nutrients in swine wastewater effluent as a fertilizer through adsorption of zeolite and test the effect of organic fertilizer on green mustard. The adsorption capacity of zeolite on nitrogen and phosphorus in swine wastewater was evaluated with different masses, varying the aeration time strain addition. Initial results showed that 30 g of zeolite was supplemented with 5 ml of bacterial medium and continuous aerobic for 72 h for maximum efficiency. After 21 days of harvesting green mustard, the results of mixed fertilizer (chemical fertilizer + organic fertilizer) gave the best result in both height and volume. Keywords: Azotobaccter, adsorption, green mustard, recovery nutrients, zeolite. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, với sự phát triển kinh tế nhanh chóng nền công nghiệp chăn nuôi dẫn đến việc tạo ra một lượng lớn nước thải nuôi heo, mà nói chung có chứa nồng độ cao các chất dinh dưỡng như trong tổng nitơ (TN) và tổng phosphate (TP). Khi các hợp chất này có mặt với số lượng đáng kể các nguồn nước mặt như sông, hồ, tảo và vi sinh vật khác sinh sản quá mức trong các nguồn nước. Xét riêng biệt của khả năng loại bỏ TN vì tính hấp phụ của zeolite được sự chú ý vì giá thành thấp và đơn giản khi ứng dụng cùng hiệu quả cao. Zeolite là kết Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 551 tinh, khóa ng aluminosilicate vi xốp gồm ba chiều của SiO44-và AlO45- tứ diện liên kết thông qua các nguyên tử oxy. Nó thường thể hiện một tính chọn lọc cao đối với các ion amoni và kim loại và thường có thể được sử dụng như thiết bị trao đổi ion trong lọc nước, làm mềm. Ở một góc độ khác trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nhu cầu và giá phân bón hiện ngày càng tăng cao, từ đó, định hướng tái sử dụng nguồn dinh dưỡng trong chất thải phục vụ lại cho nông nghiệp, giảm sử dụng phân hóa học đang được khuyến khích áp dụng. Nghiên cứu được triển khai với mục đích sử dụng Zeolite dạng hạt để hấp thụ các chất dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi heo thành phân bón sau đó tận dụng thử nghiệm hiệu quả của thành phẩm trên cây cải xanh bằng mô hình thử nghiệm. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu nghiên cứu Nước thải chăn nuôi heo được lấy từ trại chăn nuôi heo của nông hộ thuộc TP.HCM. Các hạt giống cải xanh, Zeolite, phân hữu cơ và hóa học được mua thương mại. Thiết kế và tiến trình thí nghiệm Hình 1. Tiến trình thí nghiệm và phương pháp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng của khối lượng và thời gian đến hiệu quả hấp phụ của Zeolite Để Zeolite hấp phụ tốt nhất thì nó phải được bổ sung một khối lượng và có thời gian hấp phụ thích hợp, nếu khối lượng Zeolite bổ sung vào quá ít và thời gian hấp thụ ngắn thì nó sẽ không hấp phụ các chất một cách tối ưu. Còn nếu khối lượng Zeolite bổ sung vào quá nhiều sẽ làm dư thừa và có thể gây Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 552 ảnh hưởng ngược lại đối với hiệu quả hấp phụ, hơn nữa khối lượng Zeolite bổ sung vào nhiều sẽ làm tốn Zeolite, điều này không có lợi về mặt kinh tế. Ảnh hưởng của sự sục khí đến hiệu quả hấp phụ của ZeoliteSục khí là quá trình cung cấp oxy, khi sục khí sẽ tạo môi trường tốt cho các vi sinh vật hiếu khí có lợi hoạt động mạnh, giúp phân giải ni tơ và photpho về dạng dễ hấp phụ hơn. Do đó, khảo sát ảnh hưởng của sự sục khí đến hiệu quả hấp phụ của Zeolite là rất cần thiết. Chúng tôi khảo sát với nghiệm thức bổ sung 20g Zeolite trong 24 giờ không khuấy và nghiệm thức bổ sung 20 g Zeolite khuấy liên tục trong 24 giờ. Thu được kết quả được biểu diễn như hình sau: Hình 1. Hiệu suất hấp phụ của zeolite trong khảo sát ảnh hưởng của sự cấp khí đến hiệu quả hấp phụ của zeolite trong 24 giờ Từ kết quả Hình trên cho thấy, hiệu suất hấp phụ thấp nhất là 67.36% của nghiệm thức bổ sung 20g Zeolite trong 24 giờ không khuấy ở chỉ tiêu nitrat. Tuy nhiên tổng quan cho thấy chỉ tiêu photpho có hiệu suất thấp nhất ở cả 2 nghiệm thực đạt 71.62% ở nghiệm thức bổ sung 20g Zeolite trong 24 giờ không khuấy và 78.25% ở nghiệm thức bổ sung 20g Zeolite khuấy liên tục trong 24 giờ. Hiệu suất hấp phụ cao nhất là ở chỉ tiêu nitơ tổng, cả 2 nghiệm thức là 95% ở nghiệm thức bổ sung 20g Zeolite trong 24 giờ không khuấy và 96.28% ở nghiệm thức bổ sung 20g Zeolite khuấy liên tục trong 24 giờ đạt trên mức 90% hiệu suất xử lý. Bên cạch đó có thể thấy được rằng khi khuấy cấp một lượng khí oxy vào quá trình hâp phụ thì hiệu suất có cấp khí đạt ưu thế hơn. Điều này chứng minh khuấy cấp khí có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả hấp phụ của Zeolite. Càng về sau chiều cao cây ở các nghiệm thức có sự chênh lệch rõ rệt. Những ngày tiếp theo chiều cao tăng dần và mạnh ở giai đoạn từ 12 – 21 ngày sau khi trồng. Tăng cao nhất là nghiệm thức 3 từ 6.850 cm đến 22.208 cm, nghiệm thức 2 tăng từ 6.383 cm đến 16.75 cm, nghiệm thức 4 thì từ 6.483 cm đến 15.875 cm, thấp nhất là nghiệm thức đối chứng 1 từ 6.017 cm đến 12.958 cm. Tuy nhiên hàm lượng chất dinh dưỡng ở mỗi nghiệm thức là khác nhau nên lượng chất dinh dưỡng cây hấp thụ cũng khác nhau. Số lá thật ở các nghiệm thức trong thí nghiệm tăng dần từ 12 ngày và đạt giá trị cao nhất ở 21 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 553 ngày. Ở giai đoạn 21 ngày cải được trồng ở nghiệm thức 3 đạt mức phát triển cao nhất từ 6 lá đến 13 lá có sự khác biệt đối với nghiệm thức 1. Ở nghiệm thức 2 và nghiệm thức 4 không có sự khác. Kết quả này khẳng định, chế phẩm phân Zeolite có tác dụng tăng cường sự phát triển bộ lá của cây, nhưng hiệu quả chưa cao. KẾT LUẬN Qua quá trình thực hiện, chúng tôi rút ra một số kết luận cho quy trình khảo sát khả năng thu hồi dinh dưỡng của zeolite trong nước thải chăn nuôi gia súc và tạo phân zeolite thử nghiệm như sau: Vật liệu zeolite có khả năng hấp phụ được các dưỡng chất tốt cho thực vật có trong nước thải với hiệu suất tối ưu hấp phụ Nitơ tổng đạt 95.7%, Nitrit đạt 84.3%, Nitrat đạt 71.3%, Amoni đạt 81.6% và Photpho đạt 61.2%. Đồng thời hiệu quả hấp phụ của zeolite phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: khối lượng zeolite được bổ sung, thời gian xử lý và điều kiện được cung cấp khí oxy. Với 500ml nước thải chăn nuôi được bổ sung 20 g zeolite và sục khí liên tục trong 24 giờ thì cho hiệu quả cao nhất, hàm lượng nitơ, photpho, amoni, nitrit và nitrat trong nước thải gia súc đã giảm rõ rệt và đạt hiệu suất 80%-90%. Điều đó chứng tỏ vật liệu zeolite đã hấp phụ một cách đáng kể hàm lượng chất nitơ, photpho, amoni, nitrit và nitrat có trong nước thải chăn nuối gia súc. Sau khi thực nghiệm chế phẩm phân zeolite lên cây cải xanh sau thời gian trồng 21 ngày thu hoạch thì nghiệm thức 3 (NT3) bón phân phối trộn (phân hóa học + phân zeolite) cho kết quả tốt nhất, đạt chiều cao là 22.2cm và khối lượng là 672.084g, tiếp theo là nghiệm thức 2 (NT2) bón phân zeolite và nghiệm thức 4 (NT4) bón phân hóa học cho năng suất tương đương nhau, thấp nhất là nghiệm thức 1 (NT4) không được bón phân cho kết quả đạt chiều cao 12.9cm và khối lượng là 312.69g. Qua kết quả trên cho thấy sửa dụng phân zeolite phối trộn lên cây cải xanh thì đạt hiệu quả 60% chiều cao và 70% trọng lượng của cây so với phân hóa học. Vì vậy phân bón zeolite phối trộn khả năng thúc đẩy sự phát triển cho cây trồng và có thể thay thế phân hóa học. TÀI LIỆU THAM KHẢO H. HUANG, X. XIAO, B. YAN, L. YANG (2010). Ammonium removal from aqueous solutions by using natural Chinese (Chende) zeolite as adsorbent. J. Hazard. Mater. 175, 247–252. L. Zhang, D. Jahng (2010). Enhanced anaerobic digestion of piggery wastewater by ammonia stripping: effects of alkali types. J. Hazard. Mater. 182, 536– 543. O. Ichihashi, K. Hirooka (2012). Removal and recovery of phosphorus as struvite from swine wastewater using microbial fuel cell. Bioresour. Technol. 114, 303–307. P. COOPER, M. DAY, V. THOMAS (1994). Process options for phosphorus and nitrogen removal from wastewater. J. Inst. Water Environ. Manage. 8, 84–92. V.M. VADIVELU, J. KELLER, Z. YUAN (2006). Effect of free ammonia and free nitrous acid concentration on the anabolic and catabolic processes of an enriched Nitrosomonas culture. Biotechnol. Bioeng. 95, 830–839.