Luận án Tiến sĩ Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ -o0o - NGUYỄN ĐẠT PHƯƠNG KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG VÀ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA THAN TRẤU VÀ THAN LỤC BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ: 62 44 03 03 NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ -o0o - NGUYỄN ĐẠT PHƯƠNG MÃ SỐ NCS: P0717001 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG VÀ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA THAN TRẤU VÀ THAN LỤC BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ: 62 44 03 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN XUÂN LỘC PGS.TS NGÔ THỤY DIỄM TRANG NĂM 2023 CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Luận án với tựa đề “Khả hấp phụ dinh dưỡng giảm phát thải khí nhà kính than trấu than lục bình”, nghiên cứu sinh Nguyễn Đạt Phương thực theo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Xuân Lộc PGS.TS Ngô Thụy Diễm Trang Luận án báo cáo Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ thông qua ngày: 09/03/2023 Luận án chỉnh sửa theo góp ý Hội đồng đánh giá luận án xem lại Thư ký Ủy viên Ủy viên Phản biện Phản biện Phản biện Người hướng dẫn Chủ tịch Hội đồng LỜI CẢM ƠN Trước hết xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban Chủ nhiệm Khoa Mơi trường Tài ngun Thiên nhiên, Phịng Quản lý Khoa học Khoa Sau đại học Trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ năm qua Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc người hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Xuân Lộc, PGS.TS Ngô Thụy Diễm Trang, PGS.TS Nguyễn Hữu Chiếm, TS Đỗ Thị Mỹ Phượng TS Trần Sỹ Nam nhiệt tình giúp đỡ cho tơi lời khuyên quý báu suốt thời gian học tập thực nghiên cứu viết luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất quý Thầy, Cô giảng dạy, hướng dẫn học tập, nghiên cứu suốt thời gian qua Đặc biệt xin cảm ơn Bản Quản lý Dự án Nâng cấp Trường Đại học Cần Thơ VN14-P6 tài trợ kinh phí thực đề tài Đồng thời xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Xây dựng Miền Tây tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập hồn thành luận án Cuối cùng, xin chân thành cảm Gia đình, Bạn bè Đồng nghiệp động viên suốt trình học tập NGUYỄN ĐẠT PHƯƠNG i TÓM TẮT Luận án thực nhằm chế tạo than trấu than lục bình; ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas; sử dụng than sinh học chất mang cung cấp dinh dưỡng cho rau muống, giảm phát thải khí nhà kính trồng lúa Than trấu than lục bình nhiệt phân 500°C, 700°C 900°C Các thí nghiệm bố trí để xác khả hấp phụ ammonium, nitrate; thí nghiệm sinh trưởng rau muống bổ sung than trấu than lục bình hấp phụ dinh dưỡng; thí nghiệm xác định khả giảm phát thải CH4 N2O Than trấu than lục bình sản xuất nhiệt độ nhiệt phân 700°C hấp phụ ammonium (NH4+) nitrate (NO3−) nước thải biogas Sự hấp phụ NH4+ NO3− loại than phù hợp với mơ hình động học biểu kiến bậc bậc 2; mơ hình Langmuir phù hợp mơ hình Freundlich Dung lượng hấp phụ NH4+ NO3− lớn theo mơ hình Langmuir than trấu than lục bình 5,51 mg g−1 4,31 mg g−1; 9,87 mg g−1 9,59 mg g−1 đạt hiệu suất 24,71% 26,71%; 69,70% 64,14% Than trấu than lục bình hấp phụ NH4+ NO3− nước thải biogas làm tăng chiều cao, số lá, chiều dài rễ, trọng lượng tươi, trọng lượng khô sinh khối rau muống Than trấu than lục bình hấp phụ NH4+ NO3− kết hợp với phân bón vơ tỷ lệ 50 : 50 cho sinh khối rau muống cao Bổ sung than trấu than lục bình vào đất trồng lúa làm giảm phát thải khí nhà kính Hiệu giảm phát thải CH4 N2O nghiệm thức bổ sung 20 ha−1 cao so với nghiệm thức bổ sung ha−1 10 ha−1 15,99%, 48,47% cho than trấu 20,14%, 51,90% cho than lục bình Than sinh trấu lục bình sử dụng làm ngun liệu hấp phụ dinh dưỡng biogas Than sau hấp phụ bón đất làm tăng suất trồng, giảm nhiễm mơi trường giảm phát thải khí nhà kính góp phần hạn chế tác động BĐKH tồn cầu Từ khóa: Than trấu, than lục bình, dinh dưỡng, nước thải biogas, sinh trưởng rau muống, khí nhà kính ii ABSTRACT The thesis was carried out to make rice husk biochar and water hyacinth biochar; application of biochar to adsorb pollutants from biogas wastewater; and using biochar as a carrier and providing nutrients for water spinach, reducing greenhouse gas emissions in rice cultivation Rice husk biochar and water hyacinth biochar were pyrolysed at 500°C, 700°C, and 900°C Experiments were conducted to determine the adsorption capacity of ammonium, nitrate; growth experiment of water spinach with supplementing rice husk or hyacinth biochar absorbed nutrients; and experiments to determine the ability to reduce CH4 and N2O emissions The rice husk biochar and water hyacinth biochar prepared at the pyrolysis temperature of 700°C had the ability to adsorb both ammonium (NH4+) and nitrate (NO3−) in biogas wastewater The adsorption of NH4+ and NO3− of two biochars were fitted with first-order kinetic model and second-order kinetic model The NH4+ and NO3− adsorption of these two biochars were more consistent with the Langmuir model than the Freundlich model The largest NH4+ and NO3− adsorption capacity, according to the Langmuir model of the rice husk biochar and water hyacinth biochar were 5.51 mg g−1 and 4.31 mg g−1; 9.87 mg g−1 and 9.59 mg g−1 with achieve efficiency 24.71% and 26.71%; 69.70% and 64.14%, respectively Rice husk biochar and water hyacinth biochar adsorbed ammonium or nitrate in biogas wastewater, which increased the growth in terms of height, number of leaves, root length, fresh weight, dry weight, and biomass of water spinach Rice husk biochar and hyacinth biochar adsorbed ammonium or nitrate combined with inorganic chemical fertilizers at the ratio of 50 : 50 resulted in the highest biomass of water spinach Rice husk biochar or water hyacinth biochar amendment to paddy rice reduced greenhouse gas (GHG) emissions The effectiveness of reducting CH4 and N2O emissions of the treatment adding 20 tons ha−1 was higher than of the treatments adding tons ha−1 and 10 tons ha−1 by 15.99%, 48.47% of rice husk biochar and 20,14%, 51,90% for water hyacinth biochar, respectively Rice husk biochar and water hyacinth biochar can be used as materials for nutrient adsorptions in biogas wastewater Post-adsorbed biochar can fertilize soil to increase crop yields, reduce environmental pollution and reduce greenhouse gas emissions, contributing to limiting the impact of global climate change Keywords: Rice husk biochar, water hyacinth biochar, nutrients, biogas wastewater, growth of water spinach, greenhouse gas iii LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Đạt Phương, nghiên cứu sinh ngành Mơi trường đất nước, Khóa 2017 Tơi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu khoa học thực thân hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Xuân Lộc PGS.TS Ngô Thụy Diễm Trang Các thông tin sử dụng tham khảo đề tài luận án thu thập từ nguồn đáng tin cậy, kiểm chứng, cơng bố rộng rãi tơi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng phần danh mục tài liệu tham khảo Các kết nghiên cứu trình bày luận án tơi thực cách nghiêm túc, trung thực không trùng lắp với đề tài khác công bố trước Tơi xin lấy danh dự uy tín thân để đảm bảo cho lời cam đoan iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH SÁCH BẢNG vii DANH SÁCH HÌNH viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát 1.2.2 Mục tiêu cụ thể 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.3.1 Nội dung 1: Chế tạo than trấu than lục bình 1.3.2 Nội dung 2: Ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas 1.3.3 Nội dung 3: Sử dụng than sinh học chất mang cung cấp dinh dưỡng cho rau muống, giảm phát thải khí nhà kính trồng lúa 1.4 Giới hạn nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa luận án 1.5.1 Về khoa học 1.5.2 Về thực tiễn 1.6 Những đóng góp luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan than sinh học 2.1.1 Khái niệm than sinh học 2.1.2 Quy trình sản xuất than sinh học 2.1.3 Đặc tính than sinh học 2.1.4 Tổng quan hấp phụ 2.1.5 Một số phương trình đẳng nhiệt mơ tả q trình hấp phụ (Tran, et al., 2017)8 2.1.6 Cơ chế hấp phụ chất than sinh học 10 2.2 Ứng dụng than sinh học 12 2.2.1 Than sinh học hấp phụ dinh dưỡng 12 2.2.2 Than sinh học chất mang cải tạo dinh dưỡng cho đất 13 v 2.2.3 Than sinh học lưu giữ carbon đất giảm phát thải khí nhà kính 15 2.3 Tổng quan nước thải sau túi ủ biogas 18 2.3.1 Nước thải sau túi ủ biogas 18 2.3.2 Thành phần hóa học dinh dưỡng nước thải sau túi ủ biogas 18 2.4 Một số đặc điểm lục bình nguyên liệu sản xuất than sinh học 19 2.5 Một số đặc điểm rau muống lúa 22 2.5.1 Cây rau muống 22 2.5.2 Sản xuất lúa vấn đề môi trường sản xuất lúa 23 2.6 Một số nghiên cứu nước 29 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 3.1 Đối tượng nghiên cứu 31 3.2 Phương pháp nghiên cứu 31 3.2.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 31 3.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 32 3.2.3 Phương pháp thống kê xử lý số liệu 49 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 4.1 Tính chất hóa lý than sinh học chế tạo từ trấu lục bình 50 4.2 Ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas 57 4.2.1 Khả hấp phụ ammonium than trấu than lục bình từ dung dịch chuẩn nước thải biogas 57 4.2.2 Khả hấp phụ nitrate than trấu than lục bình từ dung dịch chuẩn nước thải biogas 69 4.3 Sử dụng than sinh học chất mang cung cấp dinh dưỡng cho rau muống, giảm phát thải khí nhà kính trồng lúa 79 4.3.1 Khả sinh trưởng rau muống bổ sung than trấu than lục bình hấp phụ dinh dưỡng nước thải biogas 79 4.3.2 Khả giảm phát thải CH4, N2O bổ sung than trấu than lục bình 96 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104 5.1 Kết luận 104 5.2 Đề xuất 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 50 vi DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Nồng độ chất ô nhiễm có nước thải chăn nuôi heo trước sau qua túi ủ biogas 18 Bảng 2.2 Chất lượng nước thải sau túi ủ biogas với nguyên liệu nạp phân heo, bèo tai tượng nước ao 19 Bảng 2.3 Tính chất hóa học lục bình từ nguồn khác 20 Bảng 2.4 Thành phần nguyên tố vỏ trấu 28 Bảng 3.1 Phương pháp phân tích tiêu 41 Bảng 3.2 Bố trí nghiệm thức cho than trấu/than lục bình hấp phụ ammonium 42 Bảng 3.3 Bố trí nghiệm thức cho than trấu/than lục bình hấp phụ nitrate 43 Bảng 3.4 Lượng phân hóa học lượng than trấu hấp phụ ammonium cho nghiệm thức 43 Bảng 3.5 Lượng phân hóa học lượng than trấu hấp phụ nitrate cho nghiệm thức44 Bảng 3.6 Lượng phân hóa học lượng than lục bình hấp phụ ammonium cho nghiệm thức 44 Bảng 3.7 Lượng phân hóa học lượng than lục bình hấp phụ nitrate cho nghiệm thức 44 Bảng 3.8 Phương pháp phân tích tiêu 45 Bảng 3.9 Mô tả khối lượng TSH bổ sung cho nghiệm thức 46 Bảng 3.10 Các giai đoạn liều lượng cần bón phân cho lúa 47 Bảng 3.11 Tần suất thu mẫu đất thí nghiệm 47 Bảng 3.12 Phương pháp phân tích 48 Bảng 4.1 Tính chất hóa lý than trấu than lục bình 51 Bảng 4.2 Phân tích khống chất than trấu than lục bình 55 Bảng 4.3 Các thơng số động học hấp phụ ammonium dung dịch chuẩn nước thải biogas than trấu than lục bình 63 Bảng 4.4 Các thơng số mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt ammonium 67 Bảng 4.5 Các thông số động học hấp phụ nitrate than trấu than lục bình dung dịch chuẩn nước thải biogas 74 Bảng 4.6 Các thơng số mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt nitrate than trấu than lục bình dung dịch chuẩn nước thải biogas 77 Bảng 4.7 Tính chất nước thải biogas 79 vii 65 Bảng PL14.5 Sự phát thải khí nhà kính bổ sung than trấu sau 31NSS Nghiệm thức Số lần lặp lại NT1 NT2 NT3 NT4 Thời Nhiệt gian lấy độ mẫu 40,0 10 42,0 20 45,0 37,0 10 38,0 20 42,5 43,0 10 39,0 20 45,0 38,0 10 39,0 20 43,0 40,5 10 41,0 20 42,0 39,0 10 40,0 20 44,0 40,0 10 43,0 20 44,5 40,0 10 42,0 20 44,0 39,5 10 41,0 20 39,0 38,0 10 39,0 20 40,0 38,5 10 41,5 20 43,0 39,0 10 41,0 20 43,0 38,0 10 39,5 20 42,0 40,0 10 39,0 20 41,0 38,0 10 39,5 20 39,0 38,0 CH4 (ppm) 2,4266 2,9704 3,8912 2,3026 2,9701 3,7768 2,1668 2,9949 3,6939 2,1068 2,9490 3,6559 3,4419 5,0930 7,2979 3,3649 4,7508 7,2487 3,1598 4,7982 7,1203 3,3298 4,6820 7,2903 2,3094 3,9488 5,9240 2,2808 3,9713 5,9418 2,1295 3,9405 5,7615 2,2985 3,9105 5,9315 4,2637 5,9138 7,6146 4,3503 5,9071 7,6785 4,2419 5,9967 7,5523 4,3119 47 F (mg/m2/giờ) 4,1135 4,1824 4,2890 4,3832 10,8702 10,9544 11,1176 11,1352 10,2331 10,3921 10,2442 10,2470 9,4866 9,4173 9,4020 9,4841 N2O (ppm) 0,6076 0,6478 0,6857 0,6312 0,6773 0,7092 0,6709 0,7116 0,7496 0,6999 0,7316 0,7766 0,6406 0,7603 0,8160 0,4655 0,5255 0,6422 0,4342 0,5324 0,6161 0,5342 0,6024 0,7091 0,5997 0,6529 0,7019 0,5952 0,6431 0,6940 0,6485 0,7013 0,7495 0,6476 0,7013 0,7475 0,6299 0,6781 0,7234 0,6022 0,6571 0,6991 0,5569 0,6001 0,6539 0,5590 F (mg/m2/giờ) 0,6032 0,6086 0,6079 0,5968 1,3598 1,3706 1,4042 1,3523 0,7957 0,7713 0,7834 0,7749 0,7279 0,7540 0,7576 0,7486 Nghiệm thức Số lần lặp lại NT5 Thời Nhiệt gian lấy độ mẫu 10 39,0 20 40,0 41,0 10 44,0 20 45,0 39,5 10 40,0 20 42,0 41,0 10 42,0 20 45,0 41,0 10 42,0 20 45,0 CH4 (ppm) 5,8567 7,6530 8,0480 9,6440 11,1820 8,0629 9,7520 11,2726 8,3104 9,6592 11,4640 8,2804 9,6292 11,3664 F (mg/m2/giờ) 8,7743 9,0675 8,8479 8,6582 N2O (ppm) 0,6011 0,6549 0,6065 0,6405 0,6876 0,5593 0,5914 0,6369 0,6031 0,6335 0,6859 0,6041 0,6355 0,6800 F (mg/m2/giờ) 0,6244 0,6029 0,6388 0,5856 66 Bảng PL14.6 Sự phát thải khí nhà kính bổ sung than trấu sau 38NSS Nghiệm thức Số lần lặp lại NT1 NT2 NT3 Thời Nhiệt gian lấy độ mẫu 35,5 10 36,0 20 36,0 37,0 10 36,5 20 37,0 37,0 10 36,0 20 37,0 35,0 10 36,0 20 37,0 36,0 10 35,0 20 36,0 37,5 10 35,0 20 37,0 37,0 10 36,5 20 36,5 36,0 10 36,5 20 37,0 35,5 10 37,5 20 36,5 38,0 10 37,0 20 37,0 CH4 (ppm) 2,2850 2,9522 3,9956 2,2662 2,9535 3,9852 2,1984 2,9347 3,9007 2,2734 2,9147 3,9907 2,0630 7,5867 9,9804 2,0260 7,5619 10,0904 2,0927 7,6391 10,3607 2,0921 7,6291 10,2797 2,1035 4,6008 9,2060 2,0282 4,7218 9,3127 48 F (mg/m2/giờ) 4,9055 4,9137 4,8686 4,9221 22,7171 23,0766 23,6465 23,4291 20,3241 20,7889 N2O (ppm) 0,6022 0,6346 0,6725 0,6191 0,6492 0,6830 0,5652 0,5921 0,6292 0,5662 0,5931 0,6272 0,5826 0,6523 0,7141 0,4876 0,5609 0,6134 0,4751 0,5530 0,6031 0,4701 0,5530 0,6101 0,6141 0,6592 0,7025 0,8979 0,9312 0,9871 F (mg/m2/giờ) 0,5544 0,5023 0,5034 0,4808 1,0376 0,9899 1,0067 1,1017 0,6956 0,7001 Nghiệm thức Số lần lặp lại NT4 NT5 Thời Nhiệt gian lấy độ mẫu 37,5 10 37,5 20 41,0 37,0 10 37,5 20 41,0 38,0 10 37,0 20 40,5 38,5 10 37,5 20 41,0 38,0 10 37,5 20 40,5 38,0 10 37,5 20 40,5 38,0 10 37,0 20 40,0 37,0 10 37,0 20 39,0 37,0 10 37,0 20 39,0 36,0 10 37,5 20 39,0 CH4 (ppm) 2,0128 4,4596 9,3162 2,0588 5,3986 9,4512 2,0092 4,4041 8,8605 2,0176 4,3196 8,8387 2,1039 4,3998 8,8972 2,0029 4,8398 8,9599 2,0421 4,5049 8,8635 2,0915 4,5267 8,8754 2,0702 4,4417 8,8715 2,1692 4,4527 8,8945 49 F (mg/m2/giờ) 20,7537 21,0178 19,4794 19,3624 19,3041 19,7693 19,4048 19,3395 19,3891 19,1827 N2O (ppm) 0,5987 0,6315 0,6886 0,5997 0,6305 0,6886 0,6478 0,6793 0,7321 0,6925 0,7458 0,7743 0,5995 0,6605 0,6899 0,6085 0,6581 0,6959 0,5869 0,6252 0,6505 0,5336 0,5767 0,5993 0,5366 0,5781 0,6035 0,5356 0,5781 0,5985 F (mg/m2/giờ) 0,7025 0,6951 0,6591 0,6385 0,7064 0,6830 0,4975 0,5151 0,5245 0,4934 PHỤ LỤC Một số hình ảnh hoạt động thí nghiệm Hình PL1 Ảnh cắt lục bình kênh rạch 50 Hình PL2 Ảnh rửa lục bình Hình PL3 Ảnh phơi khơ lục bình 51 Hình PL4 Lị nung than (VMF – 165, Yamada Denki, Adachi, Tokyo, Nhật Bản) Hình PL5 Máy xay bột trấu lục bình 52 Hình PL6 Khn ép viên Hình PL7 Khung ép Hình PL8 Ảnh ép thành viên 53 Hình PL9 Ảnh lị nung than 54 Hình PL10 Ảnh than sau nung Hình PL11 Ảnh nghiên than rây than 55 Hình PL12 Ảnh thí nghiệm hấp phụ 56 Hình PL13 Ảnh bố trí thí nghiệm trồng rau muống 57 Hình PL14 Ảnh chamber thu khí 58 Hình PL15 Ảnh thu khí Hình PL16 Ảnh đế chamber 59 Hình PL17 Bố trí nghiệm thức trồng lúa Hình PL18 Giai đoạn tháo nước 60 Hình PL19 Ảnh giai đoạn lúa trổ đậu hạt 61