Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.

Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình.

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Than sinh học (TSH) là một sản phẩm giàu carbon thu được do nhiệt phân sinh khối các chất hữu cơ như gỗ, phân chuồng hoặc lá cây được đốt trong điều kiện ít hoặc không có oxy (Lehmann & Joseph, 2012) Nguyên liệu chế tạo rất đa dạng trong đó các phụ phẩm sinh học trong nông nghiệp là nguồn phổ biến và rẻ tiền Trong lĩnh vực môi trường, TSH đã được ứng dụng trong hấp phụ dinh dưỡng (Clough, et al., 2013; Mizuta, et al., 2004; Yao, et al., 2012), làm chất mang cải tạo đất (Lehmann et al.,

2011), lưu giữ carbon (Yoo, et al., 2015; Lin, et al., 2015; Chan, et al., 2008) và giảm phát thải KNK (Mukherjee & Lal, 2013; Xie, et al., 2015).

Nước thải từ hoạt động chăn nuôi là nguồn thải có chứa hàm lượng dinh dưỡng cao như P-PO4 3− dao động từ 37,2 – 51,1 mg L −1 ; N-NO3 − từ 0,30 – 1,14 mg L −1 ; N-

NH4 + từ 105,6 – 217,9 mg L −1 (Nữ và ctv., 2015) với nồng độ này nếu không được thu gom xử lý thì sẽ là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước mặt. Đặc biệt nếu hàm lượng N-NH4 + cao có thể gây hại cho sinh vật trong nước và gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa ở các sông hồ Ngoài ra hàm lượng nitrate trong nguồn nước có thể gây ra mối đe dọa cho sức khỏe cộng đồng, chẳng hạn như gây ung thư (Song, et al., 2015), các mô thần kinh và tổn thương nhận thức (Lefferts, et al., 2015).

Nitrate là một chất có đặc tính ổn định và độ hòa tan trong nước cao Do đó, làm thế nào để loại bỏ nitrate trong nước một cách hiệu quả và kinh tế đã trở thành một vấn đề. Bên cạnh những tác hại từ hoạt động chăn nuôi, lúa nước cũng là nguồn gây phát thải khí nhà kính (KNK), làm gia tăng nhiệt độ của trái đất gây hiện tượng ấm lên toàn cầu. Đối với các hoạt động sản xuất của ngành, phát thải do canh tác lúa ngập nước lên đến trên 57% lượng KNK của cả ngành, chủ yếu là khí mê-tan (CH4) và ôxít nitơ (N2O), tiếp theo là các hoạt động chăn nuôi (Chan, et al., 2008; Nguyen, et al., 2015; Trịnh, et al., 2013).

Trấu và lục bình là hai nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp lớn và phổ biến ở Việt Nam Theo tính toán tổng lượng trấu cả nước ước tính là 6,54 triệu tấn năm −1 , lượng trấu này hiện nay được xử lý chủ yếu bằng phương pháp đốt thu nhiệt nên gây ô nhiễm môi trường rất lớn Bên cạnh đó sự phát triển nhanh chóng của lục bình (140 tấn ha −1 năm −1 ) (Gunnarsson & Petersen, 2007) đã trở thành một vấn đề ở các kênh, rạch, ao hồ ở nhiều nơi trên thế giới như cản trở sự lưu thông trên sông ngòi, kênh rạch, đặc biệt khi chết chúng gây ô nhiễm môi trường nước một cách nghiêm trọng.

Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để giải quyết các vấn đề trên như quá trình lọc màng, oxi hóa nâng cao, phân hủy quang xúc tác, và phương pháp hấp phụ Trong đó, hấp phụ là một trong những phương pháp đơn giản,hiệu quả và phù hợp nhất bởi vì vật liệu hấp phụ được chế tạo từ trấu và lục bình rẻ tiền có sẵn tại địa phương, vật liệu sau khi hấp phụ được tận dụng làm chất mang bổ

KNK, hạn chế tác động gây biến đổi khí hậu (BĐKH) Than sinh học có thể chế tạo từ nhiều nguồn, trong đó các phụ phẩm sinh học trong nông nghiệp từ trấu và lục bình là nguồn phổ biến và rẻ tiền ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), với mục tiêu kép về hiệu quả kinh tế và môi trường Phát thải KNK là một vấn đề môi trường đang được quan tâm và cần hạn chế phát thải phù hợp với các cam kết quốc tế của Việt Nam. Việc lựa chọn vật liệu có sẵn địa phương hấp phụ chất dinh dưỡng trong nước sẽ góp phần làm giảm chi phí xử lý ô nhiễm môi trường nước Bên cạnh đó, thử nghiệm vật liệu sau hấp phụ bón vào đất thay thế một phân bón, giảm tổng lượng phát thải KNK và tăng năng suất cây trồng là cần thiết Xuất phát từ những lý do trên, đề tài: “Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình” được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của TSH từ phế phụ phẩm trong nông nghiệp góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm phát thải KNK từ các hoạt động canh tác nông nghiệp.

Chế tạo than trấu và than lục bình.

Xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng của nước thải biogas bằng than trấu và than lục bình để giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất và nước.

Xác định khả năng giảm phát thải khí nhà kính khi bổ sung than trấu và than lục bình để giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí.

Nội dung 3: Sử dụng than sinh học như chất mang và cung cấp dinh dưỡng

- Khảo sát khả năng sinh trưởng của cây rau muống khi bổ sung than trấu và than

- Khả năng giảm phát thải CH4 và N2O khi bổ sung than trấu và than lục bình.

Giới hạn nghiên cứu

- Nguyên liệu sản xuất TSH: Trấu được lấy từ giống lúa OM5451 tại tỉnh Hậu Giang; Lục bình thu gom ở kênh rạch khóm 5, phường 8, thành phố Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long;

- Nước thải biogas được thu tại hộ Trần Ngọc Khoa, Phú Quới, Long Hồ, Vĩnh Long.

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng (NH4 + và NO3 −) của nước thải biogas bằng than trấu và than lục bình; khả năng giảm phát thải của than trấu và than lục bình sản xuất ở nhiệt độ 700 o C.

- Nghiên cứu khả năng sinh trưởng của rau muống và khả năng giảm phát thải

CH4 và N2O từ sản xuất lúa trong điều kiện ở nhà lưới.

Ý nghĩa của luận án

Kết quả đạt được của luận án cho thấy hai loại TSH được sản xuất từ nguồn sinh khối bản địa là trấu và lục bình được tạo trong điều kiện phòng thí nghiệm với điều kiện nhiệt độ được kiểm soát, môi trường khí N2 Các tính chất vật lý và hóa học của hai loại than được xác định bằng các phương pháp phân tích khoa học, hiện đại Khả năng hấp phụ ammonium và nitrate trong dung dịch chuẩn và trong nước thải biogas; khả năng cung cấp dưỡng chất cho sự phát triển của cây rau muống; khả năng giảm phát thải khí CH4 và N2O từ đất trồng lúa nước của hai loại TSH đã được đánh giá qua kết quả đã được công bố trên các tạp chí có chỉ số trong và ngoài nước như: Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (ISSN 1859-4581), tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên (ISSN 1859-2171; 2734-9098) và Journal of Bioresources (UGC-CARE Quality Journal, ISSN 2394-4315 – E-ISSN 2582-2276).

Than sinh học được sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp tại địa phương, rẻ tiền (trấu và lục bình) làm vật liệu hấp phụ dinh dưỡng (NH4 + và NO3 −) trong nước thải chăn nuôi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Than sinh học sau khi hấp phụ dưỡng chất có thể được sử dụng để bón cho đất canh tác lúa và hoa màu, góp phần cải thiện tính chất hóa lý của đất sản xuất Mặt khác, TSH bón cho đất còn có khả năng giảm thiểu sự phát thải khí nhà kính (CH4 và N2O) trong sản xuất nông nghiệp ở đồng bằng sôngCửu Long (ĐBSCL) Kết quả của nghiên cứu còn có thể được sử dụng làm tài liệu phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu tại các Viện, trường Đại học.

Những đóng góp mới của luận án

Than trấu và than lục bình ở 700 o C đều có khả năng hấp phụ NH4 + và NO3 − trong nước thải biogas Dung lượng hấp phụ NH4 + và NO3 − lớn nhất của than trấu và than lục bình lần lượt là 5,51 mg g −1 và 4,31 mg g −1 ; 9,87 mg g −1 và 9,59 mg g −1 (hiệu suất 24,71% và 26,71%; 69,70% và 64,14%).

Than trấu và than lục bình ở 700 o C hấp phụ NH4 + hoặc NO3 − của nước thải biogas đều có ảnh hưởng tốt cho sự phát triển về sinh khối của cây rau muống Kết hợp phân bón hóa học với than trấu hoặc than lục bình ở tỷ lệ 50 : 50 cho sinh khối tốt nhất.

Bổ sung 20 tấn ha −1 than trấu hoặc than lục bình vào đất nông nghiệp có ảnh hưởng đến việc giảm phát thải khí CH4 và N2O cao nhất lần lượt là 15,99%, 48,47% cho than trấu và 20,14%, 51,90% cho than lục bình.

Than sinh học sản xuất từ nguyên liệu rẻ tiền ở địa phương là trấu, một phụ phẩm ngành sản xuất lúa và cây lục bình, một loại cây có thể gặp ở nhiều nơi ở Việt Nam làm nguyên liệu hấp phụ dinh dưỡng.

Sử dụng vật liệu hấp phụ làm chất mang dinh dưỡng cho cây trồng, với 2 tác dụng, chuyển chất ô nhiễm từ nước thải sinh học (biogas) thành chất dinh dưỡng và sử dụng TSH như một tác nhân mang và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.

Làm giảm ô nhiễm môi trường và giảm phát thải KNK từ canh tác cây trồng,giúp tăng cường lợi ích kinh tế và lợi ích môi trường cho người dân trong khu vực và góp phần hạn chế tác động của BĐKH toàn cầu.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Trấu được thu gom tại tỉnh Hậu Giang từ giống lúa OM5451 và lục bình thì được lấy từ kênh rạch tại phường 8 thành phố Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long Hai loại vật liệu này được chế tạo thành TSH bằng lò nung (VMF 165, Yamada Denki, Adachi, Tokyo,Nhật Bản) ở các nhiệt độ 500°C, 700°C và 900°C; Sau đó bố trí các thí nghiệm xác khả năng hấp phụ ammonium, nitrate trong nước thải biogas; xác định sự sinh trưởng của cây rau muống; và xác đinh khả năng giảm phát thải CH4 và N2O trong đất trồng lúa.

Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp

Thu thập, tổng hợp, kế thừa các tư liệu và tài liệu có liên quan đến luận án nhằm đảm bảo cập nhật, kế thừa tối đa và tổng hợp tốt nhất những kết quả đã có về lĩnh vực nghiên cứu trên thế giới và trong nước.

Những dữ liệu thu thập bao gồm:

- Các tài liệu liên quan đến trấu và lục bình.

- Các nghiên cứu về trấu và lục bình.

- Các tài liệu về nước thải túi ủ biogas.

- Các tài liệu về sản xuất lúa và phát thải khí nhà kinh trong sản xuất lúa.

- Các tính chất của TSH.

- Các nghiên cứu về hấp phụ nitrate và ammonium của TSH.

- Các nghiên cứu về khả năng bổ sung dinh dưỡng của TSH.

- Các tài liệu về sản xuất và ứng dụng TSH.

Các số liệu thứ cấp này phục vụ cho việc đánh giá tổng quan về cơ sở lý thuyết để thực hiện đề tài nghiên cứu này.

Các tài liệu tham khảo chủ yếu là các công trình nghiên cứu trong nước và thế giới đảm bảo chất lượng, thuộc các tạp chí tiêu đăng ký chức danh giáo sư của chuyên ngành hoặc tạp chí Quốc tế ISI.

Than trấu/than lục bình

Dung dịch chuẩn Nước thải biogas Dung dịch chuẩn Nước thải biogas

Trồng rau muống Trồng rau muống

Sinh trưởng của cây rau muống Sinh trưởng của cây rau muống

3.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm

Hình 3.1 Cây sơ đồ bố trí thí nghiệm

Mô tả sơ đồ bố trí thí nghiệm: Vỏ trấu và lục bình thu về tạo thành than trấu và than lục bình (theo quy trình Hình 3.2 và Hình 3.3) sau đó phân tích các tính chất hóa lý của than trấu và than lục bình để phục vụ cho việc đánh giá và giả thích khả năng hấp phụ ammonium và nitrate, tiếp theo cho hấp phụ ammonium và nitrate trong dung dịch chuẩn và nước thải biogas để khảo sát khả năng hấp phụ ammonium và nitrate của 2 loại than này, tiếp theo lấy than trấu và than lục bình đã hấp phụ ammonium và nitrate bổ sung vào cát trồng cây rau muống để đánh giá khả năng sinh trưởng của cây rau muống Cuối cùng lấy than trấu và than lục bình bổ sung vào đất trồng lúa để đánh giá khả năng giảm phát thải CH4 và N2O.

3.2.2.1 Nội dung 1: Chế tạo than trấu và than lục bình

Mục tiêu của nghiên cứu này là chế tạo ra TSH từ vỏ trấu và lục bình, sau đó xác định tính chất hóa lý của than trấu và than lục bình.

Thí nghiệm 1 Sản xuất than trấu và lục bình

+ Trấu được lấy từ giống lúa OM5451 tại tỉnh Hậu Giang.

+ Lục bình thu gom được rửa sạch (loại bỏ rễ và lá), lục bình sử dụng trong thí nghiệm được thu trong các kênh rạch ở khóm 5, phường 8, thành phố Vĩnh Long, tỉnh

Than trấu Đặt mẫu vào lò nung Xay trấu

+ Lò nung than (VMF – 165, Yamada Denki, Adachi, Tokyo, Nhật Bản).

+ Máy xay bột được sản xuất ở Việt Nam.

+ Khuôn ép hạt được sản xuất ở Nhật Bản.

+ Khung ép được sản xuất ở Việt Nam.

2 Phương pháp nghiên cứu a Quy trình sản xuất than trấu

Hình 3.2 Quy trình sản xuất than trấu

* Mô tả quy trình sản xuất than trấu:

Sau khi thu gom trấu về lấy trấu xay thành bột sau đó đem sấy khô đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 105 o C, lấy bột trấu sau khi sấy cho vào bình hút ẩm để giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ phòng cuối cùng bột trấu vào lò nung (VMF 165, Yamada Denki, Adachi, Tokyo, Nhật Bản) để tạo TSH Cho mẫu vào buồng nung, tiến hành khởi động hệ thống điện lò nung, sau đó khởi động máy bơm chân không hút hết khí oxy trong buồng nung, tiếp theo bơm khí nitơ vào đến trạng thái cân bằng với tốc độ khí nitơ được bơm vào là 3 L/phút, với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút để loại bỏ không khí trong buồng nung Sau đó, nhiệt độ lò được nâng lên từ nhiệt độ phòng đến 500 o C,

700 o C và 900 o C với thời gian lưu là 2 giờ.

Các bước sấy mẫu: Cho mẫu vào bình 1 lít và bỏ vào lò sấy ở nhiệt độ 105 o C cho đến khi trọng lượng không đổi (sấy liên tục khoảng 24h) → lấy mẫu ra bỏ vào bình hút ẩm lưu trữ Mục đích của sấy ở 105 o C đến trọng lượng không đổi là để tính chính xác năng suất của TSH.

Lục bình tươi Cắt nhỏ lục bình

Viên lục bình Khuôn ép Cho bột vào ép Bột lục bình

Sấy 1050C Đặt mẫu vào lò nung

* Cách xác định năng suất than trấu: Để xác định năng suất than trấu một cách chính xác, chúng ta tiến hành các bước sau: Đánh số các cốc (từ số 1 đến 12); Lấy các cốc đi sấy tương tự như sấy mẫu (tiến hành song song với sấy mẫu); Cân các cốc đã đánh số (từ số 1 đến 12) ghi lại số liệu; Cho mẫu vào các cốc đã đánh số và cân khối lượng mẫu (ghi lại số liệu); Cho các cốc mẫu vào lò nung; Sau khi đun với các nhiệt độ khác nhau (500 o C, 700 o C và 900 o C) với thời gian lưu 2 giờ Lấy mẫu ra để nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân để tính năng suất.

Năng suất của than trấu xác định theo công thức

Trong đó: P1: Trọng lượng mẫu và cốc trước khi nung (g); P2: Trọng lượng mẫu và cốc sau khi nung (g). b Quy trình sản xuất than lục bình:

Hình 3.3 Quy trình sản xuất than lục bình

* Mô tả quy trình sản xuất than lục bình:

Vớt lục bình phơi khô ngoài trời nắng khoảng 1 tuần, sau đó cắt nhỏ lục bình,tiếp tục xay lục bình thành bột, để vào khuôn ép thành viên Tiếp theo lấy viên lục bình đem sấy khô đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 105 o C, lấy bột trấu sau khi sấy nung (VMF 165, Yamada Denki, Adachi, Tokyo, Nhật Bản) để tạo TSH Cho mẫu vào buồng nung, tiến hành khởi động hệ thống điện lò nung, sau đó khởi động máy bơm chân không hút hết khí oxy trong buồng nung, tiếp theo bơm khí nitơ vào đến trạng thái cân bằng với tốc độ khí nitơ được bơm vào là 3 L/phút, với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút để loại bỏ không khí trong buồng nung Sau đó, nhiệt độ lò được nâng lên từ nhiệt độ phòng đến 500 o C, 700 o C và 900 o C với thời gian lưu là 2 giờ.

Các bước sấy mẫu: Cho mẫu vào đĩa petri và bỏ vào lò sấy ở nhiệt độ 105 o C cho đến khi trọng lượng không đổi (sấy liên tục khoảng 24h) → lấy mẫu ra bỏ vào bình hút ẩm lưu trữ Mục đích của sấy ở 105 o C đến trọng lượng không đổi là để tính chính xác năng suất của TSH.

* Cách xác định năng suất than lục bình: Để xác định năng suất than lục bình một cách chính xác, chúng ta tiến hành các bước sau: Đánh số các cốc (từ số 1 đến 12); Lấy các cốc đi sấy tương tự như sấy mẫu (tiến hành song song với sấy mẫu); Cân các cốc đã đánh số (từ số 1 đến 12) ghi lại số liệu; Cho mẫu vào các cốc đã đánh số và cân khối lượng mẫu (ghi lại số liệu); Cho các cốc mẫu vào lò nung; Sau khi đun với các nhiệt độ khác nhau (500 o C, 700 o C và 900 o C) với thời gian lưu 2 giờ Lấy mẫu ra để nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân để tính năng suất Năng suất của than lục bình xác định theo công thức (3.1).

Thí nghiệm 2 Khảo sát thành phần lý hóa của than

- Nguyên liệu: Than trấu và than lục bình được sản xuất ở nhiệt độ 500 o C, 700 o C và 900 o C bằng lò nung VMF-165 trong điều kiện không có oxy, than sau đó được nghiền và rây qua sàn có kích thước lỗ 0,5 mm; Hóa chất: BaCl2, MgSO4, dung dịch EDTA, NaOH và HCl (có xuất xứ Merk, có độ tinh khiết ≥ 99% được sử dụng để điều chỉnh pH trong dung dịch).

- Thiết bị: Máy đo pH (MP220, Mettler Toledo), máy đo EC (Laqua Twin, Horiba), máy ly tâm, máy lắc mẫu (Bioshaker BR-23FH), cân phân tích (AUY220, SHIMADZU, Nhật Bản), cân kỹ thuật (AND, SH 5000, Nhật Bản), lò điện (MMF-2,

AS ONE), Máy phân tích hàm lượng carbon, hydro và nitơ (CHNS-O Perkin-Elmer

2400 Series II), kính hiển vi điện tử S-4800 và máy đo diện tích bề mặt BET (Quantachrome Instruments version 11.0).

- Dụng cụ: Cốc, dao, muỗng và các dụng cụ phân tích mẫu,

Thí nghiệm được thực hiện với 3 lần lặp lại cho mỗi nghiệm thức.

- Khối lượng: Xác định bằng cân kỹ thuật (AND, SH 5000, Nhật Bản), cân phân tích (AUY220, SHIMADZU, Nhật Bản).

- Xác định pH và EC: Than được đo trong dung dịch có tỷ lệ nước khử ion và than là 1:100, hỗn hợp được lắc trong 2 giờ trên máy lắc (Bioshaker BR-23FH) ở tốc độ 100 vòng/phút và ở nhiệt độ phòng 25°C Sau đó, dung dịch trích được sử dụng để xác định giá trị pH và EC bằng máy đo pH (MP220, Mettler Toledo) và máy đo EC (Laqua Twin, Horiba).

- Xác định hàm lượng tro: Được xác định bằng lò điện (MMF-2, AS ONE), sử dụng phương pháp ASTM D1762-84 (2013) Trong đó, mẫu bột than trấu và than lục bình được đốt trong tủ nung ở nhiệt độ 750 – 800 o C trong 6 giờ để phân hủy thành phần hữu cơ, phần còn lại là trọng lượng tro trong than trấu và than lục bình.