Công nghệ FBHC thu hồi các chất dinh dưỡng từ nước thải chăn nuôi để tái sử dụng trong sản xuất nông nghiệp

Từ nghiên cứu ban đầu ở quy mô phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu mạnh cấp ĐHQGHN về “Thu hồi Tài nguyên và Tái tạo năng lượng bền vững”, đã ứng dụng công nghệ kết tinh tạo hạt đồng thể tầng sôi (Fluidized-Bed Homogeneous Crystallization – FBHC) vào xử lý nước thải chăn nuôi lợn trong điều kiện thực tế.

Nhóm nghiên cứu Viện Tài nguyên Môi trường, ĐHQGHN

Mô hình pilot công suất 5 m³/ngày đêm đã được triển khai tại một trang trại của hộ gia đình ở phường Tùng Thiện, TP. Hà Nội. Không chỉ hướng đến giảm tải ô nhiễm nitơ và phốt pho trong nước thải, hệ thống còn thu hồi các chất dinh dưỡng này dưới dạng hạt struvite – một khoáng chất chứa magiê, nitơ và phốt pho, được sử dụng làm nguồn dinh dưỡng giải phóng chậm cho cây trồng.

Đây là một cách tiếp cận mới trong công nghiệp môi trường: không chỉ xử lý chất thải mà còn thu hồi tài nguyên từ chất thải, phù hợp với kinh tế tuần hoàn.

Từ chất gây ô nhiễm đến nguồn tài nguyên thứ cấp

Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng cao chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng. Nếu không được kiểm soát, nitơ và phốt pho đi vào nguồn nước, làm gia tăng nguy cơ phú dưỡng, suy giảm ôxy hòa tan và ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy vực.

Nhưng ở một góc nhìn khác, nitơ và phốt pho lại chính là những chất dinh dưỡng thiết yếu đối với cây trồng. Chính sự “hai mặt” này đặt ra câu hỏi cho các nhà khoa học: thay vì chỉ loại bỏ các chất dinh dưỡng này khỏi nước thải, liệu có thể thu hồi và đưa chúng trở lại chu trình sản xuất?

Theo các nghiên cứu của Nhóm nghiên cứu mạnh của Viện Tài nguyên và Môi trường đã công bố, nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý bằng hầm biogas vẫn chứa lượng đáng kể nitơ, phốt pho và kali. Điều này vừa tạo ra áp lực lên môi trường, vừa cho thấy tiềm năng của nguồn tài nguyên thứ cấp đang bị thất thoát và lãng phí.

FBHC là một trong những hướng công nghệ được nghiên cứu để giải quyết bài toán này. Thay vì tạo ra lượng bùn thải có độ ẩm cao như một số quá trình kết tủa thông thường, công nghệ kiểm soát các điều kiện hóa học và thủy động lực trong cột phản ứng FBHC để các ion hòa tan hình thành mầm tinh thể, sau đó phát triển thành những hạt khoáng có kích thước lớn hơn, thuận lợi cho việc tách và thu hồi.

Đối với nước thải giàu ammonium (NH4+) và phosphate (PO43-), một sản phẩm đáng chú ý là struvite (MgNH₄PO₄·6H₂O). Đây là khoáng chất chứa đồng thời magiê, nitơ và phốt pho, có tiềm năng sử dụng như nguồn dinh dưỡng giải phóng chậm cho cây trồng.

Tại Hội thảo “Thúc đẩy thu hồi và tái sử dụng nitơ, phốt pho và kali trong nước thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam: Công nghệ, chính sách và thực tiễn” tổ chức ngày 17/9/2026, GS.TS. Richard D. Webster, Viện trưởng Viện Nghiên cứu về Môi trường và Nước, Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore, nhấn mạnh mục tiêu của dự án không chỉ là xử lý nước thải, giảm ô nhiễm mà còn thu hồi các thành phần dinh dưỡng có giá trị như nitơ và phốt pho để tái sử dụng cho sản xuất nông nghiệp.

Theo Giáo sư, điều quan trọng là thay đổi cách nhìn đối với nước thải chăn nuôi: từ nguồn chất thải cần xử lý thành nguồn tài nguyên thứ cấp có thể thu hồi và đưa trở lại chu trình sản xuất.

Từ phòng thí nghiệm đến trang trại

Hướng nghiên cứu FBHC được TS. Lê Văn Giang và các cộng sự theo đuổi qua nhiều giai đoạn, từ thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm, nghiên cứu với nước thải thực tế đến phát triển công nghệ thu hồi đồng thời nhiều chất dinh dưỡng.

Các kết quả nghiên cứu trước đó cho thấy, FBHC có khả năng thu hồi nitơ, phốt pho và kali dưới các dạng khoáng như magnesium ammonium phosphate (struvite) và magnesium potassium phosphate (MPP), tạo nền tảng để phát triển công nghệ phù hợp với điều kiện nước thải chăn nuôi tại Việt Nam.

Trên cơ sở đó, nhiệm vụ KH&CN cấp TP. Hà Nội “Nghiên cứu công nghệ thu hồi nitơ và phốt pho trong nước thải trang trại chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật tạo hạt struvite tầng sôi để sản xuất phân hữu cơ”, mã số CT05/03-2023-3, được triển khai từ 2023-2026, do Viện Tài nguyên và Môi trường, ĐHQGHN chủ trì và TS. Lê Văn Giang làm chủ nhiệm.

Trong quá trình thực hiện, Nhóm nghiên cứu đã khảo sát nhiều trang trại chăn nuôi lợn tại TP. Hà Nội, lấy mẫu, đánh giá hiện trạng công nghệ xử lý và xác định đặc tính nước thải. Kết quả cho thấy, tại nhiều trang trại, hầm biogas vẫn là công đoạn xử lý chủ yếu, nhưng nước thải sau biogas còn chứa hàm lượng đáng kể chất hữu cơ, nitơ và phốt pho.

Theo TS. Lê Văn Giang, đây là một bài toán “hai mặt”: nitơ và phốt pho là nguồn gây ô nhiễm nếu không được kiểm soát, nhưng đồng thời cũng là nguồn tài nguyên hoàn toàn có thể thu hồi để tái sử dụng. Vì vậy, Nhóm nghiên cứu định hướng công nghệ xử lý không chỉ làm nước thải “sạch hơn” mà còn hướng đến tạo ra một dòng sản phẩm thứ cấp có giá trị sử dụng cho trồng trọt.

Các kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí RSC Advances cho thấy, trong điều kiện tối ưu, quá trình FBHC đạt hiệu suất loại bỏ phosphate 97,42% và ammoni 86,55%; tỷ lệ kết tinh tương ứng đạt 95,55% và 83,18%. Sản phẩm struvite thu hồi đạt độ tinh khiết khoảng 94,3%.

Đáng chú ý, công nghệ FBHC đã được đưa ra khỏi phòng thí nghiệm để thử nghiệm trong điều kiện thực tế. Nhóm nghiên cứu thiết kế, chế tạo và triển khai hệ thống pilot FBHC công suất 5 m³ nước thải/ngày đêm tại một trang trại ở phường Tùng Thiện, TP. Hà Nội.

Hệ thống được thiết kế để tích hợp vào chuỗi xử lý hiện có. Sau công đoạn xử lý ban đầu tại hầm biogas, nước thải được điều hòa trước khi đưa vào hệ thống FBHC để thu hồi các chất dinh dưỡng. Tại đây, trong điều kiện pH, tỷ lệ mol và thủy động lực phù hợp, ammonium và phosphate được chuyển hóa và kết tinh thành struvite. Nước thải sau đó tiếp tục được xử lý sinh học đạt Quy chuẩn Kỹ thuật quốc gia về nước thải chăn nuôi trước khi xả ra môi trường.

Mô hình được triển khai tại trang trại có quy mô chăn nuôi hơn 500 con lợn, lượng nước thải phát sinh khoảng 5-10 m³/ngày. Việc vận hành trực tiếp tại trang trại giúp Nhóm nghiên cứu đánh giá công nghệ trong điều kiện nước thải thực tế, nơi thành phần nước thải có thể thay đổi theo quy mô đàn, lượng nước vệ sinh và hoạt động chăn nuôi.

Kết quả vận hành cho thấy, mô hình có thể đạt hiệu suất thu hồi phosphate trên 95%, ammonium trên 85% trong dòng nước. Hạt struvite sau thu hồi được tách, làm khô và tiếp tục phân tích các thành phần dinh dưỡng, kim loại và những chỉ tiêu liên quan đến khả năng sử dụng trong trồng trọt.

Đến giai đoạn đánh giá Nhiệm vụ, hơn 300 kg struvite đã được thu hồi từ quá trình vận hành pilot. Sản phẩm có độ ẩm thấp và được sử dụng cho thử nghiệm trồng trọt nhằm bước đầu đánh giá khả năng hoàn trả chất dinh dưỡng trở lại đất.

Kéo dài vòng đời của nước thải trong nền kinh tế tuần hoàn

Điểm đáng chú ý của công nghệ FBHC không chỉ nằm ở khả năng giảm nồng độ chất ô nhiễm, mà còn ở việc biến một phần lớn chất ô nhiễm thành sản phẩm có khả năng tiếp tục được sử dụng.

Theo cách tiếp cận xử lý nước thải truyền thống, chu trình thường kết thúc khi nước được xử lý đạt yêu cầu và xả ra nguồn tiếp nhận. Với cách tiếp cận thu hồi tài nguyên, chu trình được kéo dài: chăn nuôi → nước thải giàu nitơ, phốt pho và kali → thu hồi dinh dưỡng → struvite/K-struvite → phân bón hoặc nguyên liệu phân bón → cây trồng.

Khi đó, nước thải không chỉ là dòng chất cần xử lý mà còn trở thành nguồn nguyên liệu thứ cấp. Việc thu hồi nitơ và phốt pho trước các công đoạn xử lý sinh học giúp giảm tải chất dinh dưỡng cho hệ thống phía sau, đồng thời hạn chế lượng nitơ và phốt pho có nguy cơ đi vào thủy vực. Việc tạo sản phẩm dạng hạt thay vì bùn thứ cấp cũng thuận lợi hơn cho tách, làm khô, lưu giữ và tái sử dụng.

Bên cạnh struvite, Nhóm nghiên cứu định hướng tận dụng bùn hữu cơ từ các công đoạn xử lý sinh học và hệ thống hầm biogas để phối trộn, xử lý theo quy trình phù hợp, qua đó hướng tới một mô hình tuần hoàn rộng hơn, trong đó nhiều dòng chất thải của trang trại có thể trở thành nguyên liệu đầu vào cho sản xuất nông nghiệp.

Kết quả pilot cho thấy, hệ thống FBHC có cấu trúc tương đối nhỏ gọn và có thể tích hợp vào hệ thống xử lý hiện hữu, thay vì phải thay thế toàn bộ dây chuyền. Một cấu trúc được định hướng gồm: biogas → điều hòa/tiền xử lý → FBHC thu hồi nitơ và phốt pho → xử lý sinh học → lọc → khử trùng → xả thải hoặc tái sử dụng. Trong đó, mỗi công đoạn đảm nhiệm một chức năng: biogas xử lý và tận dụng chất hữu cơ; FBHC thu hồi các chất dinh dưỡng; công đoạn sinh học và xử lý hoàn thiện kiểm soát phần ô nhiễm còn lại.

Trong thời gian tới, Nhóm nghiên cứu hướng tới phát triển hệ thống FBHC công suất lớn hơn, có khả năng chuyển giao cho các trang trại quy mô công nghiệp hàng nghìn đến hàng chục nghìn con lợn. Tuy nhiên, để đưa công nghệ từ mô hình pilot tới quy mô công nghiệp, Nhóm nghiên cứu tiếp tục đánh giá độ ổn định dài hạn, mức tiêu hao hóa chất và năng lượng, khả năng tự động hóa, chi phí đầu tư và vận hành, chất lượng sản phẩm cũng như các yêu cầu pháp lý đối với việc sử dụng sản phẩm thu hồi trong nông nghiệp.

Từ nghiên cứu khoa học, thử nghiệm trên nước thải thực đến mô hình pilot tại một trang trại tại TP. Hà Nội, FBHC đang từng bước cho thấy, một hướng tiếp cận khác đối với công nghệ môi trường: chất thải của quá trình này có thể trở thành tài nguyên đầu vào cho một quá trình khác.

Mô hình FBHC từ một công nghệ có kết quả khoa học tốt trở thành giải pháp kỹ thuật có khả năng thương mại hóa và triển khai rộng rãi trong thời gian tới

Khi nhân rộng, giá trị của công nghệ không chỉ dừng ở một mô hình xử lý nước thải công suất 5 m³/ngày đêm, mà có thể góp phần hình thành những mô hình trang trại tuần hoàn, nơi kiểm soát ô nhiễm, thu hồi tài nguyên và sản xuất nông nghiệp được kết nối trong cùng một chu trình.

Khi đó, câu hỏi của công nghệ môi trường không chỉ là “nước sau xử lý sạch đến đâu”, mà còn là: từ dòng chất thải đó, chúng ta đã giữ lại được bao nhiêu tài nguyên cho nền kinh tế?.

Tên nhiệm vụ: Nghiên cứu công nghệ thu hồi nitơ và phốt pho trong nước thải trang trại chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật tạo hạt struvite tầng sôi để sản xuất phân hữu cơ. Mã số nhiệm vụ: CT05/03-2023-3 Đơn vị chủ trì: Viện Tài nguyên và Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội. Chủ nhiệm: TS. Lê Văn Giang. Thời gian: 2023 – 2026. Địa điểm mô hình: Trang trại ông Nguyễn Hùng Cường, xóm Chằm, phường Tùng Thiện, TP. Hà Nội. Quy mô pilot: 5 m3/ngày đêm. Sản phẩm chính: Hạt struvite chứa NH4+, PO43-, Mg2+ (MgNH₄PO₄•6H₂O). Kết quả nghiên cứu đã công bố quốc tế: phốt phat loại bỏ 97,42%; ammonium 86,55%; độ tinh khiết struvite khoảng 94,3%. Khối lượng sản phẩm thu hồi tại giai đoạn pilot: khoảng 300 kg struvite.