Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Các nhà khoa học đang tìm cách biến rơm rạ, phân chuồng và các loại phế thải nông nghiệp khác thành phân bón hữu ích thông qua các công nghệ xúc tác. Hướng đi này có tiềm năng giảm ô nhiễm và tiết kiệm tài nguyên, nhưng vẫn còn nhiều rào cản kỹ thuật, kinh tế và pháp lý cần vượt qua.

Sản xuất phân bón hóa học hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào các nguồn tài nguyên không tái tạo: khí tự nhiên để tổng hợp đạm, quặng phốt phát để làm lân. Quá trình sản xuất đạm theo phương pháp Haber-Bosch - công nghệ công nghiệp nền tảng của nền nông nghiệp hiện đại - tiêu thụ khoảng 2% tổng năng lượng toàn cầu và phát thải gần 1,8% lượng CO₂ của thế giới. Trong khi đó, mỗi năm nông nghiệp toàn cầu thải ra hàng tỷ tấn phế phụ phẩm - từ rơm rạ, bã mía, vỏ trấu đến phân chuồng và bùn thải - phần lớn bị đốt bỏ hoặc xử lý tốn kém.

Một bài tổng quan đăng trên tạp chí Applied Catalysis O: Open (tháng 7/2025) do nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Wroclaw (Ba Lan) thực hiện đã điểm lại các công nghệ xúc tác có khả năng chuyển hóa phế thải nông nghiệp thành phân bón. Nhóm tác giả đánh giá đây là hướng đi phù hợp với nguyên tắc kinh tế tuần hoàn, nhưng cũng thẳng thắn chỉ ra nhiều khó khăn mà các công nghệ này còn phải đối mặt trước khi có thể áp dụng rộng rãi trong thực tế.

Phế thải nông nghiệp - nguồn nguyên liệu tiềm năng nhưng không đơn giản

hế thải nông nghiệp bao gồm nhiều nhóm khác nhau: rơm rạ và thân cây ngũ cốc, vỏ trái cây và rau củ, bã ép dầu và vỏ hạt, phân gia súc và gia cầm, vỏ trấu, bùn thải. Điểm chung là tất cả đều chứa các nguyên tố dinh dưỡng mà cây trồng cần - đặc biệt là đạm (N), lân (P) và kali (K) - nhưng ở dạng chưa thể sử dụng trực tiếp.

Tuy nhiên, nguyên liệu này không đồng nhất. Thành phần hóa học của phế thải thay đổi lớn tùy theo loại cây trồng, vùng địa lý và điều kiện bảo quản. Một số loại còn chứa kim loại nặng, kháng sinh tồn dư, hạt nhựa siêu nhỏ hoặc mầm bệnh - đòi hỏi phải xử lý thêm trước khi dùng làm phân. Ngoài ra, phế thải nông nghiệp thường phân tán trên diện tích rộng, mật độ thấp, khó thu gom và vận chuyển đến nơi chế biến tập trung. Tất cả những yếu tố này làm tăng chi phí và phức tạp thêm quá trình sản xuất.

Nhóm tác giả ước tính chỉ khoảng 20–30% tổng lượng phế thải cây trồng là có thể thực sự khai thác được cho mục đích sản xuất phân bón, vì phần còn lại cần giữ lại để duy trì độ phì nhiêu của đất hoặc phục vụ các mục đích khác như chăn nuôi và làm chất đốt.

Các công nghệ xúc tác chính đang được nghiên cứu

Nhiệt phân xúc tác

Đây là quá trình nung nóng vật liệu hữu cơ từ cây trồng và vật nuôi (biomass) ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy. Quá trình này tạo ra ba sản phẩm chính: khí tổng hợp (syngas) dùng làm năng lượng, dầu sinh học (bio-oil) dùng làm nhiên liệu hoặc hóa chất, và than sinh học (biochar) - vật liệu xốp giàu carbon dùng cải tạo đất. Chất xúc tác - thường là khoáng silicat nhôm tinh thể (zeolite) hoặc oxit kim loại - được thêm vào để cải thiện chất lượng sản phẩm và kiểm soát sự phân bố các nguyên tố dinh dưỡng.

Than sinh học là sản phẩm được quan tâm nhiều nhất trong bối cảnh sản xuất phân bón. Đây là vật liệu giàu carbon, cấu trúc xốp, có khả năng giữ nước và dinh dưỡng trong đất. Khi được bổ sung thêm đạm, lân, kali, than sinh học có thể trở thành phân bón nhả chậm - giúp cây hấp thụ dinh dưỡng đều đặn hơn và giảm thất thoát ra môi trường.

Các nghiên cứu cho thấy nhiệt độ nung có ảnh hưởng lớn đến tính chất của than sinh học. Nhiệt độ thấp hơn (dưới 500°C) cho than giàu đạm hơn và nhả chậm hơn, trong khi nhiệt độ cao hơn khiến nhiều chất dinh dưỡng bay vào pha khí. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa các thông số này cho từng loại nguyên liệu cụ thể vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

Cacbon hóa thủy nhiệt

Phương pháp này xử lý vật liệu hữu cơ trong nước nóng và áp suất cao, tạo ra sản phẩm gọi là than thủy nhiệt (hydrochar). So với nhiệt phân, cacbon hóa thủy nhiệt phù hợp hơn với nguyên liệu có độ ẩm cao như phân chuồng hay bùn thải. Ưu điểm là có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn và giữ lại nhiều lân hơn trong sản phẩm.

Mô hình thực tế từ Đan Mạch và Đức cho thấy tích hợp công nghệ này vào nhà máy khí sinh học (biogas) đã giúp chuyển hóa bã sau lên men thành phân bón giàu dinh dưỡng, đồng thời giảm phát thải N₂O khoảng 30% so với cách xử lý truyền thống.

Thu hồi đạm và lân bằng phương pháp điện hóa

Thay vì đốt hay nung chảy vật liệu hữu cơ, phương pháp điện hóa dùng dòng điện để chuyển hóa hợp chất nitrat trong nước thải thành amoniac - một dạng đạm có thể dùng trực tiếp làm phân bón. Phương pháp này được đánh giá là thân thiện hơn với môi trường, có thể kết hợp với nguồn điện tái tạo và hoạt động ở điều kiện nhiệt độ, áp suất nhẹ nhàng hơn nhiều so với tổng hợp Haber-Bosch.

Tuy nhiên, nhóm tác giả lưu ý rằng tổng hợp amoniac bằng điện hóa hiện vẫn ở giai đoạn phát triển sơ khai, hiệu suất năng lượng còn thấp và chi phí sản xuất vẫn cao hơn phương pháp truyền thống.

Thu hồi kali từ tro đốt phế thải

Kali là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng thứ ba cho cây trồng. Tro từ đốt phế thải thực vật - đặc biệt tro từ rơm rạ - chứa hàm lượng kali khá cao. Nghiên cứu cho thấy phương pháp đơn giản nhất và hiệu quả kinh tế nhất là hòa tan tro trong nước ở nhiệt độ phòng, sau đó thu hồi dung dịch kali. Tuy nhiên, lĩnh vực này còn ít được nghiên cứu hơn so với thu hồi đạm và lân, và chưa có nhiều mô hình triển khai thực tế ở quy mô công nghiệp.

Lợi ích môi trường và kinh tế - triển vọng có nhưng cần xem xét thận trọng

Nhóm tác giả tổng hợp một số lợi ích tiềm năng của hướng sản xuất phân bón từ phế thải thông qua xúc tác:

Về môi trường, các công nghệ này có thể giảm phát thải CO₂ trong sản xuất phân bón lên đến 30%, giảm N₂O - loại khí nhà kính mạnh gấp 298 lần CO₂ - từ quá trình bón phân, và giảm nguy cơ ô nhiễm nguồn nước do dinh dưỡng bị rửa trôi. Phân bón từ than sinh học còn có khả năng lưu giữ carbon trong đất trong thời gian dài.

Về kinh tế, dùng phế thải làm nguyên liệu thay thế cho tài nguyên hóa thạch giúp giảm phụ thuộc vào các nguồn cung biến động giá. Phân bón nhả chậm cũng có thể giúp nông dân bón ít hơn nhưng hiệu quả hơn, giảm chi phí lao động và đầu vào.

Tuy nhiên, các tác giả nhấn mạnh rằng nhiều con số lợi ích nêu trên là kết quả từ các thử nghiệm trong điều kiện kiểm soát, chưa phản ánh đầy đủ thực tế sản xuất quy mô lớn. Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống xúc tác chuyên dụng còn cao, và chưa nhiều công nghệ đạt được mức giá cạnh tranh so với phân bón thông thường.

Những thách thức chưa được giải quyết

Nhóm tác giả phân loại các rào cản thành bốn nhóm chính:

Thách thức kỹ thuật: Chất xúc tác bị mất hoạt tính theo thời gian do tích tụ cặn carbon, bị ngộ độc bởi tạp chất hoặc biến dạng cấu trúc ở nhiệt độ cao. Việc tái sinh xúc tác tốn kém và có thể gây ngừng sản xuất. Bên cạnh đó, dữ liệu về truyền nhiệt và truyền khối ở quy mô lớn còn thiếu, khiến việc nâng quy mô từ phòng thí nghiệm lên nhà máy thực sự gặp nhiều bất ngờ.

Thách thức nguyên liệu: Thành phần phế thải thay đổi theo mùa vụ, vùng địa lý và điều kiện bảo quản - ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xúc tác và chất lượng phân bón đầu ra. Sự có mặt của kim loại nặng, kháng sinh hay hạt nhựa siêu nhỏ đòi hỏi thêm bước xử lý làm sạch tốn kém.

Thách thức kinh tế và hậu cần: Phân bón hóa học truyền thống đang có lợi thế lớn nhờ quy mô sản xuất và chuỗi cung ứng đã được thiết lập vững chắc. Các nhà máy sản xuất phân bón từ phế thải quy mô nhỏ khó cạnh tranh về chi phí với các tổ hợp công nghiệp lớn. Việc thu gom và vận chuyển phế thải phân tán cũng làm tăng đáng kể chi phí đầu vào.

Thách thức pháp lý và xã hội: Tại nhiều quốc gia, đặc biệt trong Liên minh châu Âu, phân bón từ phế thải phải trải qua quy trình kiểm định nghiêm ngặt về hàm lượng kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh và các chất ô nhiễm khác trước khi được phép lưu hành. Quy định không đồng nhất giữa các quốc gia cũng cản trở việc thương mại hóa rộng rãi. Ngoài ra, nhiều nông dân vẫn còn dè dặt với phân bón nguồn gốc phế thải do lo ngại về chất lượng và an toàn.

Hướng nghiên cứu trong tương lai

Nhóm tác giả đề xuất một số hướng nghiên cứu cần ưu tiên: phát triển chất xúc tác bền hơn và rẻ hơn, có thể từ than sinh học hoặc khoáng silicat nhôm tự nhiên thay cho loại tổng hợp đắt tiền; ứng dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quá trình xúc tác và dự đoán tính chất sản phẩm; kết hợp xúc tác hóa học với vi sinh vật để cải thiện hiệu quả thu hồi dinh dưỡng; và thực hiện thêm các thử nghiệm thực tế ở quy mô thử nghiệm trung gian trước khi quyết định đầu tư sản xuất đại trà.

Nhóm cũng nhấn mạnh vai trò quan trọng của chính sách: trợ cấp, ưu đãi thuế và khung pháp lý rõ ràng là những yếu tố không thể thiếu để thúc đẩy doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực còn nhiều rủi ro này.

Một vài gợi ý cho bối cảnh Việt Nam

Việt Nam là một trong những nước có lượng phế thải nông nghiệp lớn ở Đông Nam Á, đặc biệt là rơm rạ từ sản xuất lúa, bã mía từ chế biến đường và phân chuồng từ chăn nuôi. Tình trạng đốt rơm rạ sau thu hoạch vẫn còn phổ biến ở nhiều địa phương, gây ô nhiễm không khí và lãng phí nguồn tài nguyên tiềm năng.

Công nghệ sản xuất than sinh học từ rơm rạ và phụ phẩm nông nghiệp đã có một số thử nghiệm tại Việt Nam, nhưng chưa được nhân rộng do chi phí đầu tư ban đầu và thiếu chuỗi cung ứng phù hợp. Những bài học từ các mô hình ở Đan Mạch và Đức nêu trong bài báo - kết hợp nhà máy khí sinh học với cacbon hóa thủy nhiệt - có thể là tài liệu tham khảo hữu ích cho các cơ sở chăn nuôi quy mô lớn hoặc vùng trồng lúa tập trung ở Đồng bằng sông Cửu Long.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phần lớn nghiên cứu được tổng hợp trong bài thực hiện ở điều kiện khí hậu và quy mô khác với Việt Nam. Các thử nghiệm thích nghi với điều kiện địa phương - loại phế thải, thổ nhưỡng, khí hậu nhiệt đới - là bước cần thiết trước khi áp dụng rộng rãi.

Nguồn: Skrzypczak và cộng sự (2025), "Catalytic innovations in fertilizer production from agricultural waste: Enhancing soil health and sustainability", Applied Catalysis O: Open 206, 207064. DOI: 10.1016/j.apcato.2025.207064