THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung

Tên đề tài: Nghiên cứu thu hồi Nitơ và Photpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng than sinh học biến tính được sản xuất từ mùn cưa gỗ keo ứng dụng làm phân bón hữu cơ cải tạo đất.

Mã số: ĐH2024-NV-01

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Văn Hữu Tập

Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên

Thời gian thực hiện: 02/2024 – 06/2026 (gia hạn đến tháng 6 năm 2026)

2. Mục tiêu

- Thu hồi được N và P trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng than sinh chế tạo từ mùn cưa gỗ keo và biến tính với H₂O₂ và O₃;

- Ứng dụng than sinh học đã hấp phụ và thu hồi N và P làm phân bón hữu cơ cải tạo đất bạc màu cho canh tác rau.

3. Tính mới và sáng tạo

Đề tài có những điểm mới và sáng tạo nổi bật sau:

Đề tài lần đầu tiên sử dụng mùn cưa gỗ keo – một phế phẩm lâm nghiệp dồi dào, rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam – để chế tạo than sinh học, thay vì các nguyên liệu truyền thống (vỏ lạc, tre, phân gia cầm…) thường cạnh tranh với lương thực hoặc phải nhập khẩu.

Điểm sáng tạo thứ hai là quy trình biến tính oxy hóa than sinh học bằng H₂O₂ và O₃ (không sử dụng kim loại nặng hoặc hóa chất đắt tiền). Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường, giúp tăng mạnh các nhóm chức oxy bề mặt (–OH, C=O, –COOH), nâng cao diện tích bề mặt và dung tích trao đổi cation, từ đó cho phép hấp phụ đồng thời Nitơ và Photpho với hiệu suất cao (N tổng 67,5%, P tổng 86,8%).

Điểm mới quan trọng thứ ba là mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín: than sinh học sau khi hấp phụ thu hồi N và P từ nước thải chăn nuôi lợn sau biogas được sử dụng trực tiếp làm phân bón hữu cơ cải tạo đất bạc màu cho canh tác rau. Sản phẩm thu được không chỉ đạt tiêu chuẩn QCVN 01-189:2019/BNNPTNT mà còn được chấp nhận đơn đăng ký nhãn hiệu, tạo ra giá trị kinh tế kép: vừa xử lý ô nhiễm nước thải, vừa tạo ra phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng giải phóng chậm.

Ngoài ra, đề tài kết hợp nghiên cứu toàn diện từ chế tạo vật liệu, hấp phụ tĩnh – động đến thí nghiệm trồng rau trên đất thực tế, cung cấp cơ sở khoa học và quy trình công nghệ hoàn chỉnh có khả năng chuyển giao và nhân rộng tại các tỉnh miền núi phía Bắc.

4. Kết quả nghiên cứu

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã thực hiện, đề tài đạt được các kết quả chính sau:

(1). Về chế tạo và đặc trưng vật liệu than sinh học: Đề tài đã chế tạo thành công than sinh học SP600 từ mùn cưa gỗ keo bằng phương pháp nhiệt phân chậm ở 600 °C và biến tính oxy hóa bằng H₂O₂ 20% (tỷ lệ lỏng/rắn 6,67:1) để thu được SPHO20 – vật liệu tối ưu. Kết quả phân tích SEM, EDX, XRD, BET, FTIR cho thấy SPHO20 có cấu trúc xốp gồ ghề, diện tích bề mặt lớn, thể tích lỗ rỗng cao, hàm lượng nhóm chức oxy phong phú (–OH, C=O) và dung tích trao đổi cation (CEC) ban đầu đạt 75,1 meq/100 g, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ đồng thời Nitơ và Photpho.

(2). Về khả năng hấp phụ tĩnh thu hồi Nitơ và Photpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas: Các điều kiện tối ưu được xác định là pH 7, thời gian tiếp xúc 270 phút, liều lượng 0,6g/50mL. SPHO20 đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất: N tổng 67,5%, P tổng 86,8%, TOC 47,1%; dung lượng hấp phụ lần lượt là 38,84 mg/g (N tổng), 14,69 mg/g (P tổng) và 19,89 mg/g (TOC). Nước thải sau xử lý cải thiện rõ rệt, gần đạt một số chỉ tiêu theo QCVN 62:2025/BTNMT (P tổng 10,46 mg/L ≤ 14 mg/L; pH 7,11).

(3). Về hấp phụ động: Với chiều cao lớp vật liệu 40 cm và tốc độ bơm 0,5 mL/phút, thời gian bứt phá và thời gian bão hòa kéo dài đáng kể; hiệu suất sử dụng cột η đạt 88,76 % (N tổng) và 83,80 % (P tổng). Kết quả khẳng định khả năng ứng dụng quy mô lớn của SPHO20 trong xử lý liên tục nước thải chăn nuôi.

(4). Về đặc điểm của than sinh học sau hấp phụ và khả năng cải tạo đất bạc màu: SPHO20 sau hấp phụ trở thành phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng với N tổng số 3,79%, P₂O₅ tổng số 1,54%, K₂O tổng số 3,23%, OC 66,36% và CEC 89,37 meq/100 g, đáp ứng đầy đủ QCVN 01-189:2019/BNNPTNT; hàm lượng kim loại nặng (Pb 10,16 mg/kg, Cd < 1 mg/kg, Zn 127,2 mg/kg) đều nằm dưới giới hạn cho phép. Khi bón 12 g SPHO20S/chậu (tương đương 13,2 tấn/ha) trên đất bạc màu (pH KCl 4,82, OM 1,35%, N và P dễ tiêu rất nghèo), rau cải ngọt đạt chiều cao 30,47 cm và 12,00 lá/cây sau 35 ngày (cao hơn đối chứng 70% về chiều cao và 44% về số lá), trọng lượng cây tươi 67,33 g/chậu (gấp 4,7 lần đối chứng) và trọng lượng cây khô 4,67 g/chậu (gấp 4,1 lần đối chứng).

(5). Về hiệu quả kinh tế – xã hội, môi trường và khả năng ứng dụng thực tế: Đề tài đã xây dựng quy trình công nghệ khép kín, chi phí sản xuất SPHO20S khoảng 8–12 triệu VND/tấn, tỷ lệ lợi ích/chi phí (B/C) đạt 2,8–3,5 lần. Công nghệ giảm 67–87 % tải lượng N và P trong nước thải, tạo ra phân bón hữu cơ chậm tan, góp phần thực hiện kinh tế tuần hoàn, giảm phụ thuộc phân bón hóa học và cải tạo hàng triệu ha đất bạc màu vùng trung du miền núi phía Bắc.

5. Sản phẩm

5.1. Sản phẩm Khoa học

- Bài báo khoa học quốc tế: 02 bài báo được đăng (hoặc chấp nhận đăng) trên tạp chí khoa học có trong chỉ mục trích dẫn WoS/SCOPUS:

(1). Thi Minh Hoa Duong, Huu-Tap Van, Thi Pha Tran, Duy Hai Nguyen, Thi Cuc Luu, Diep Anh Do, Thi Bich Hanh Nguyen and Thi Quynh Nga Luong (2025): Ozone-functionalized acacia wood sawdust biochar for total
nitrogen adsorption from pig wastewater.  Material Research Express 12 (2025) 125502.

Link: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/ae2836, (Tạp chí thuộc danh mục SCIE, Q2, IF: 2.2 , H-index: 75).

(2). Thi Mai Vu, Thi Minh Phuong Nguyen, Huu-Tap Van,  Ngoc Thuan Le and Dinh-Trinh Tran (2025): Biomass-derived hydrochar and activated carbon in pharmaceutical pollution mitigation: a comprehensive overview. RSC Advances, 15(50), 43053-43084.

Link: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/ra/d5ra04857e. (Tạp chí thuộc danh mục SCIE, Q1, IF: 4.6 , H-index: 230).

- Bài báo khoa học trong nước: 02 bài báo đăng trên tạp chí khoa học trong nước được HĐGSNN tính điểm:

(3). Duong Thi Minh Hoa, Van Huu Tap, Chu Van Ha, Bui Thi Thanh Lam, Tran Do Hai Nam, Mone Oudomphone, Pham Hong Hanh, Soulivong Mitsaiya (2025): Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý photpho trong nước thải chăn nuôi bằng than sinh học. TNU Journal of Science and Technology, 230(02): 184 - 191.

Link https://jst.tnu.edu.vn/jst/article/view/11932

(4). Tran Thi Pha, Van Huu Tap, Duong Thi Minh Hoa, Hoang Thi Dien, Le Thu Hoai, Pham Thi Tam (2026): Ứng dụng than sinh học từ mùn cưa gỗ keo để loại bỏ phốt pho trong nước thải chăn nuôi sau biogas: ảnh hưởng của thời gian, liều lượng và mô hình động học. TNU Journal of Science and Technology, 231(02): 120 - 127.

Link: https://jst.tnu.edu.vn/jst/article/view/14420/pdf.

(Tạp chí được Hội đồng giáo sư liên ngành xây dựng – kiến trúc tính 1,0 điểm theo quyết định 26/QĐ-HĐGSNN ngày 11/7/2025 của Hội đồng giáo sư nhà nước về việc phê duyệt danh mục các tạp chí khoa học được tính điểm năm 2025, trong đó có chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường).

5.2. Sản phẩm đào tạo

- Hỗ trợ đào tạo 01 nghiên cứu sinh theo hướng của đề tài: NCS. Dương Thị Minh Hòa, Tên luận án: “Nghiên cứu đồng thời xử lý và thu hồi Nito, Photpho trong nước thải chăn nuôi lợn làm phân bón bằng than sinh học biến tính có nguồn gốc từ mùn cưa gỗ keo”.

5.3. Sản phẩm ứng dụng

- 01 Quy trình thu hồi chất dinh dưỡng từ nước thải chăn nuôi lợn đảm bảo quy trình vận hành hợp lý, tối ưu để thu hồi Nitơ và Photpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau bioga.

- 01 Biochar hữu cơ giàu dinh dưỡng sản xuất từ vật liệu thu được được đăng ký nhãn hiệu: Đã được chấp nhận đơn đăng ký nhãn hiệu hợp lệ của Cục Sở hữu trí tuệ.

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu 

- Phương thức chuyển giao: Chuyển giao các kết quả nghiên cứu dưới dạng văn bản (báo cáo, bài báo khoa học).

- Địa chỉ ứng dụng: Đề tài sẽ chuyển giao cho Trung tâm Học liệu của Đại học Thái Nguyên làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và những nhà khoa học quan tâm đến lĩnh vực nghiên cứu xử lý nước thải.

- Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: Nghiên cứu này góp phần phát triển phương pháp xử lý và thu hồi các chất dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi dựa trên quá trình hấp phụ. Các phát hiện cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển hơn nữa các công nghệ xử lý thân thiện với môi trường, với những lợi ích tiềm năng bao gồm thu hồi chất dinh dưỡng từ nước thải chăn nuôi, cải thiện chất lượng nước thải, giảm tải lượng ô nhiễm và cải tạo đất nghèo dinh dưỡng.

INFORMATION OF RESEARCH RESULTS

1. General information

Project title: Study on Nitrogen and Phosphorus recovery from post-biogas pig farm wastewater using modified biochar derived from acacia sawdust for organic fertilizer and soil amendment applications.

Code number: ĐH2024-NV-01

Project Leader: Assoc.Prof.Dr. Van Huu Tap

Implementing institution: Thai Nguyen University

Duration: From February 2024 to June 2026 (Extension granted until June 2026).

2. Objectives

- Recovery of nitrogen (N) and phosphorus (P) from post-biogas swine wastewater using acacia sawdust-derived biochar modified with H₂O₂ and O₃.

- Application of N- and P-enriched biochar as an organic fertilizer for the reclamation of degraded soil in vegetable cultivation.

3. Creativeness and innovativeness

The project presents the following notable innovative aspects:

For the first time, acacia wood sawdust – an abundant, low-cost, and locally available forestry by-product in Vietnam – was used to produce biochar, instead of conventional feedstocks (peanut shells, bamboo, poultry manure…) that often compete with food production or require importation.

The second creative point is the oxidative modification of biochar using H₂O₂ and O₃. This simple, environmentally friendly method (without heavy metals or expensive chemicals) significantly increases oxygen-containing functional groups (–OH, C=O, –COOH), surface area, and cation exchange capacity, enabling simultaneous high-efficiency adsorption of nitrogen and phosphorus (67.5% total N and 86.8% total P).

The third major novelty lies in the closed-loop circular economy model: after nutrient (N and P) recovery from post-biogas pig farm wastewater, the spent biochar is directly applied as an organic fertilizer for the reclamation of degraded (bạc màu) soils in vegetable cultivation. The resulting product fully meets QCVN 01-189:2019/BNNPTNT standards and has had its trademark registration application accepted, creating dual economic value – both wastewater treatment and production of slow-release nutrient-rich organic fertilizer.

Furthermore, the project provides a comprehensive research approach integrating material synthesis, static and dynamic adsorption studies, and real pot experiments on degraded soil, delivering a complete scientific basis and transferable technological process suitable for scaling up in the northern mountainous provinces of Vietnam.

4. Research results:

Based on the research results obtained, the project has achieved the following main outcomes:

(1). Regarding the preparation and characterization of the biochar material: The project successfully prepared SP600 biochar from acacia wood sawdust using slow pyrolysis at 600 °C and oxidative modification with 20% H₂O₂ (liquid-to-solid ratio of 6.67:1) to obtain SPHO20 – the optimal material. SEM, EDX, XRD, BET, and FTIR analyses revealed that SPHO20 possesses a rough and porous structure, large specific surface area, high pore volume, abundant oxygen-containing functional groups (–OH, C=O), and an initial cation exchange capacity (CEC) of 75.1 meq/100 g. These properties create favorable conditions for the simultaneous adsorption of nitrogen and phosphorus.

(2). Regarding the static adsorption capacity for nitrogen and phosphorus recovery from post-biogas pig farm wastewater: The optimal conditions were determined to be pH 7, contact time of 270 minutes, and adsorbent dosage of 0.6 g/50 mL. SPHO20 achieved the highest adsorption efficiencies: 67.5% for total N, 86.8% for total P, and 47.1% for TOC. The corresponding adsorption capacities were 38.84 mg/g (total N), 14.69 mg/g (total P), and 19.89 mg/g (TOC). The treated wastewater showed significant improvement and nearly met several parameters of QCVN 62:2025/BTNMT (total P = 10.46 mg/L ≤ 14 mg/L; pH = 7.11).

(3). Regarding dynamic adsorption: At a bed height of 40 cm and flow rate of 0.5 mL/min, the breakthrough time and exhaustion time were significantly prolonged; the column utilization efficiency (η) reached 88.76% for total N and 83.80% for total P. These results confirm the potential for large-scale continuous application of SPHO20 in pig farm wastewater treatment.

(4). Regarding the characteristics of the spent biochar and its ability to amend degraded soil: After nutrient adsorption, SPHO20 became a nutrient-rich organic fertilizer with total N of 3.79%, total P₂O₅ of 1.54%, total K₂O of 3.23%, organic carbon (OC) of 66.36%, and CEC of 89.37 meq/100 g, fully complying with QCVN 01-189:2019/BNNPTNT. Heavy metal contents (Pb 10.16 mg/kg, Cd < 1 mg/kg, Zn 127.2 mg/kg) were all well below the permitted limits. When applied at 12 g SPHO20S per pot (equivalent to 13.2 tons/ha) on degraded soil (pH KCl 4.82, OM 1.35%, very low available N and P), Chinese cabbage achieved a height of 30.47 cm and 12.00 leaves per plant after 35 days (70% higher in height and 44% higher in leaf number than the control). Fresh biomass reached 67.33 g/pot (4.7 times higher than the control) and dry biomass reached 4.67 g/pot (4.1 times higher than the control).

(5). Regarding economic–social, environmental effectiveness and practical applicability: The project developed a closed-loop technological process with a production cost of SPHO20S of approximately 8–12 million VND/ton and a benefit/cost ratio (B/C) of 2.8–3.5. The technology reduces the N and P loading in wastewater by 67–87%, produces a slow-release organic fertilizer, and contributes to the implementation of a circular economy model. It also reduces dependence on chemical fertilizers and supports the remediation of millions of hectares of degraded soils in the northern midland and mountainous regions of Vietnam.

5. Products:

5.1. Scientific products

- International journal articles: Two articles published (or accepted for publication) in scientific journals indexed in the Web of Science (WoS)/SCOPUS citation databases:

(1). Thi Minh Hoa Duong, Huu-Tap Van, Thi Pha Tran, Duy Hai Nguyen, Thi Cuc Luu, Diep Anh Do, Thi Bich Hanh Nguyen and Thi Quynh Nga Luong (2025): Ozone-functionalized acacia wood sawdust biochar for total nitrogen adsorption from pig wastewater. Materials Research Express 12 (2025) 125502.

Link: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/ae2836 (SCIE journal, Q2, IF: 2.2, H-index: 75).

(2). Thi Mai Vu, Thi Minh Phuong Nguyen, Huu-Tap Van, Ngoc Thuan Le and Dinh-Trinh Tran (2025): Biomass-derived hydrochar and activated carbon in pharmaceutical pollution mitigation: a comprehensive overview. RSC Advances, 15(50), 43053-43084.

Link: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/ra/d5ra04857e (SCIE journal, Q1, IF: 4.6, H-index: 230).

-  Domestic journal articles: Two articles published in domestic scientific journals scored by the National Council of Professors (HĐGSNN):

(3). Duong Thi Minh Hoa, Van Huu Tap, Chu Van Ha, Bui Thi Thanh Lam, Tran Do Hai Nam, Mone Oudomphone, Pham Hong Hanh, Soulivong Mitsaiya (2025): Effect of pH on phosphorus removal from livestock wastewater using biochar. TNU Journal of Science and Technology, 230(02): 184-191.

Link: https://jst.tnu.edu.vn/jst/article/view/11932

(4). Tran Thi Pha, Van Huu Tap, Duong Thi Minh Hoa, Hoang Thi Dien, Le Thu Hoai, Pham Thi Tam (2026): Application of biochar derived from acacia wood sawdust for phosphorus removal from post-biogas livestock wastewater: effects of contact time, dosage, and kinetic models. TNU Journal of Science and Technology, 231(02): 120-127.

Link: https://jst.tnu.edu.vn/jst/article/view/14420/pdf.

(The journal is scored 1.0 point by the Interdisciplinary Council for Construction–Architecture according to Decision 26/QĐ-HĐGSNN dated 11 July 2025 of the State Council of Professors approving the list of scientific journals for scoring in 2025, including the Environmental Engineering specialty).

5.2. Training products

Support for the training of one PhD student aligned with the project topic: PhD candidate Duong Thi Minh Hoa. Dissertation title: “Simultaneous treatment and recovery of nitrogen and phosphorus from pig farming wastewater for fertilizer production using modified biochar derived from acacia wood sawdust.

5.3. Applied products

- One nutrient recovery process from pig farming wastewater, ensuring rational and optimal operating procedures for the recovery of nitrogen and phosphorus from post-biogas pig wastewater.

- One nutrient-rich organic biochar produced from the obtained material, registered as a trademark: The trademark registration application has been accepted as valid by the Intellectual Property Office.

6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results

- Transfer method: Transfer of research results in documentary form (reports and scientific articles).

- Application address: The project results will be transferred to the Learning Resource Center of Thai Nguyen University as reference materials for students, lecturers, and researchers interested in wastewater treatment.

-  Impacts and benefits: This study contributes to the development of nutrient treatment and recovery methods from livestock wastewater based on adsorption processes. The findings provide a scientific foundation for advancing environmentally friendly treatment technologies, with potential benefits including nutrient recovery from pig wastewater, improved effluent quality, reduced pollution load, and remediation of nutrient-deficient soils