Nghiên cứu xử lý vật liệu giàu lignocellulose (mùn cưa cây keo) để sản xuất phân than sinh học ứng dụng nhằm cải thiện tính chất đất ở khu vực bãi thải khai thác than khe hùm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hoàng Chiều Tiến NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU GIÀU LIGNOCELLULOSE (MÙN CƢA CÂY KEO) ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN THAN SINH HỌC ỨNG DỤNG NHẰM CẢI THIỆN TÍNH CHẤT ĐẤT Ở KHU VỰC BÃI THẢI KHAI THÁC THAN KHE HÙM THÀNH PHỐ HẠ LONG, TỈNH QUẢNG NINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hoàng Chiều Tiến NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU GIÀU LIGNOCELLULOSE (MÙN CƢA CÂY KEO) ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN THAN SINH HỌC ỨNG DỤNG NHẰM CẢI THIỆN TÍNH CHẤT ĐẤT Ở KHU VỰC BÃI THẢI KHAI THÁC THAN KHE HÙM THÀNH PHỐ HẠ LONG, TỈNH QUẢNG NINH Chuyên ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGÂN HÀ Hà Nội - 2020 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu, Khoa Mơi Trường, Phòng Sau Đại học Thầy Cô giáo trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu viết luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn tới TS Nguyễn Ngân Hà tận tình dạy bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn, đồng ý cho tham gia thực trực tiếp sử dụng số liệu đề tài cấp ĐHQGHN mã số QG.19.13 “Nghiên cứu xử lý vật liệu giàu lignocellulose có nguồn gốc từ phế liệu nơng, lâm nghiệp để sản xuất phân bón ứng dụng cho cải tạo đất” TS Nguyễn Ngân Hà chủ nhiệm Tôi xin gửi lời cảm ơn đến đề tài QG 19.13 hỗ trợ toàn kinh phí tạo điều kiện q trình thực kết nghiên cứu viết luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán công nhân viên Cơng ty TNHH MTV Khai thác Khống sản – Tổng công ty Đông Bắc tạo điều kiện cho tơi nghiên cứu, tìm tòi, học hỏi cung cấp liệu cho tơi hồn thành luận văn Cuối tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, người thân, bạn bè lãnh đạo nhà trường, phòng ban chức năng, đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2020 Hồng Chiều Tiến LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tất nội dung Luận văn hình thành phát triển từ quan điểm cá nhân tôi, hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Ngân Hà, số liệu kết có Luận văn hồn tồn trung thực Riêng phần kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng than sinh học kế thừa từ đề tài nghiên cứu QG 19.13 Toàn thông tin, kết nghiên cứu công trình nghiên cứu khác trích dẫn đầy đủ, rõ ràng Hà Nội, tháng năm 2020 TÁC GIẢ Hoàng Chiều Tiến MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan vật liệu lignocellulose 1.1.1 Khái niệm vật liệu Lignocellulose 1.1.2 Ứng dụng vật liệu Lignocellulose 1.2 Tổng quan than sinh học ứng dụng than sinh học để cải tạo đất Việt Nam giới 1.2.1 Khái niệm than sinh học 1.2.2 Đặc điểm than sinh học 1.2.3 Đặc tính than sinh học bón vào đất 1.2.4 Ứng dụng than sinh học cải tạo đất, nâng cao suất trồng 10 1.3 Tổng quan bãi thải khai thác than Khe Hùm 13 1.3.1 Quy mơ, diện tích 13 1.3.2 Hiện trạng bãi thải 13 1.3.3 Công tác cải tạo phục hồi môi trường bãi thải 14 1.4 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội phƣờng Hà Phong, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh 15 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 19 2.2 Nội dung nghiên cứu 20 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 20 2.3.1 Phương pháp thu thập tổng hợp tài liệu 20 2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 20 2.3.3 Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm 23 2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu 25 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 26 3.1 Thành phần lignocellulose tính chất hóa học mùn cƣa Keo 26 3.2 Đặc tính hóa lý than sinh học chế tạo từ mùn cƣa Keo 28 3.2.1 Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng nhiệt trọng lượng vi sai (TGA/DTG) mùn cưa Keo 28 3.2.2 Thành phần khoáng biochar 28 3.2.3 Cấu trúc bề mặt biochar từ mùn cưa 31 3.3 Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng than sinh học 32 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến chất lượng than sinh học 32 3.3.2 Ảnh hưởng thời gian nung đến chất lượng than sinh học 35 3.4 Đặc tính hóa học đất trƣớc thí nghiệm 39 3.5 Tính chất hóa học đất sau thí nghiệm với than sinh học 40 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 TIẾNG VIỆT 49 TIẾNG ANH 49 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần số loại vật liệu lignocellulose Bảng 1.2 Dự tính tổng khối lượng đất đá thời gian đổ thải theo dự án từ năm 2017-2024 13 Bảng 1.3 Nhiệt độ trung bình tháng năm (2011 – 2014) 16 Bảng 2.1 Một số tiêu phân tích đất trước sau thí nghiệm 24 Bảng Một số tiêu phân tích mùn cưa keo .26 Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến chất lượng than sinh học 32 Bảng 3 Ảnh hưởng thời gian nung đến chất lượng TSH 35 Bảng Đặc tính hóa học than sinh học sử dụng để cải tạo đất 38 Bảng Đặc tính hóa học đất trước thí nghiệm 39 Bảng Tính chất hóa học đất sau thí nghiệm với than sinh học 40 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Thành phần cấu trúc lignocellulose .3 Hình Mùn cưa keo 27 Hình Kết nhiệt trọng lượng/nhiệt trọng lượng vi sai (tga/dtg) mùn cưa 28 Hình 3 Kết xrd a) mẫu biochar mùn cưa nghiên cứu; b) mẫu biochar habeeb mahmud 30 Hình Kết SEM mùn cưa (a, b) biochar mùn cưa (c, d) 31 Hình Hình ảnh than sinh học sử dụng thí nghiệm cải tạo đất 37 Hình pH đất sau bổ sung than sinh học 41 Hình 3.7 CEC đất sau thí nghiệm bổ sung than sinh học 42 Hình 3.8 Tổng hàm lượng Ca2+, Mg2+ trao đổi đất sau thí nghiệm 43 Hình 3.9 Hàm lượng chất hữu đất sau thí nghiệm 43 Hình 3.10 Hàm lượng chất dinh dưỡng NPK đất sau thí nghiệm .44 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TSH: Than sinh học (Biochar) CHC: Chất hữu CEC: Khả trao đổi cation KLN: Kim loại nặng CTTN: Cơng thức thí nghiệm MỞ ĐẦU Lignocellulose vật liệu cấu thành nên phần thiết yếu thành tế bào thực vật, thành phần chủ yếu bao gồm lignin, cellulose hemicellulose Lignocellulose coi nguồn nguyên liệu tái tạo dồi bao gồm phế thải nông nghiệp (ngũ cốc, rơm rạ, trấu, phế thải khác có từ ngành chế biến lương thực ), phế liệu lâm nghiệp (có từ q trình khai thác rừng, chế biến gỗ), lượng thân thảo thân gỗ trồng đất thối hóa nhiễm, nguyên liệu cho công nghiệp giấy Phần lớn vật liệu lignocellulose khó phân giải tự nhiên điều kiện thường số sinh vật có khả phân giải chúng Vì tồn đọng với lượng lớn lignocellulose môi trường tích tụ theo thời gian khơng gây nhiễm mơi trường mà làm đứt qng chu trình tuần hoàn vật chất tự nhiên Nhiều nghiên cứu chứng minh khả triển vọng sử dụng, xử lý vật liệu giàu lignocellulose để tạo nhiều sản phẩm có ích ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, có mục đích cải tạo đất mơi trường Mùn cưa Keo loại phế thải lâm nghiệp phổ biến nhiều địa phương nước ta, giàu hàm lượng lignocellulose, có từ q trình khai thác, chế biến gỗ Mùn cưa gỗ Keo đánh giá loại phế thải khó phân hủy tự nhiên môi trường, chúng thường tận dụng làm chất đốt than đốt sinh học Các nghiên cứu ứng dụng than sinh học chế biến từ mùn cưa gỗ Keo để cải tạo đất Chính lý đó, đề tài lựa chọn mùn cưa Keo làm đối tượng để sản xuất phân than sinh học phục vụ cho mục đích cải tạo mơi trường đất Ngành cơng nghiệp khai thác khống sản, đặc biệt cơng nghiệp khai thác than ngành kinh tế mũi nhọn tỉnh Quảng Ninh Đóng góp ngành cơng nghiệp khai thác than phát triển đất nước nói chung tỉnh Quảng Ninh vô lớn Tuy nhiên, ô nhiễm môi trường hoạt động khai thác Bảng Đặc tính hóa học than sinh học sử dụng để cải tạo đất STT Đơn vị Chỉ tiêu phân tích Kết 1 pHKCl 7,92 2 CEC meq/100g 81,82 3 Ca2+ mgđl/100g 15,9 4 Mg2+ mgđl/100g 8,1 5 Ca2+ + Mg2+ mgđl/100g 24,0 6 Kali tổng số mg/g 4,309 7 Nts % 0,628 8 P2O5ts mg/g 0,332 9 CHC % 6,869 10 Ndt mg/100g 9,12 11 P2O5dt mg/100g 11,226 Như TSH dùng để làm thí nghiệm có pH cao, phản ứng kiềm (pHKCl = 7,92) Dung tích trao đổi cation CEC mức cao (81,82 meq/100g) cation kiềm chủ yếu Ca, Mg, K, Na có sinh khối mùn cưa trình bị nhiệt phân chúng bị biến đổi thành oxit, hydroxit muối cacbonat có TSH, kết phân tích cho thấy hàm lượng Ca2+, Mg2+ TSH mức cao Ngoài CEC TSH cao liên quan đến cacbon hoạt tính diện tích bề mặt nó[30] Nhiệt độ coi yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến giá trị CEC TSH nhiệt độ tăng làm tăng diện tích bề mặt thơng qua hình thành vi lỗ gia tăng nhóm cacboxylic bề mặt TSH [25] Hàm lượng chất dinh dưỡng nitơ, phốt tổng số dễ tiêu TSH mức giàu, hàm lượng kali tổng số mức nghèo Than sinh học nghiên cứu có hàm lượng chất hữu cao (6,869%) thích hợp để sử dụng cho cải tạo đất 38 3.4 Đặc tính hóa học đất trƣớc thí nghiệm Kết phân tích số tính chất hóa học đất thí nghiệm lấy từ khu vực bãi thải khai thác than Khe Hùm, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh thể bảng 3.21: Bảng Đặc tính hóa học đất trƣớc thí nghiệm STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Kết - 4,5 pHKCl OC % 0,98 CHC % 1,69 CEC meq/100g 5,5 Tổng Ca2+, Mg2+ trao đổi mgđl/100g 2,8 K2O tổng số % 0,2 K2O dễ tiêu mg/100g 4,2 Nitơ tổng số % 0,06 P2O5 tổng số % 0,02 10 P2O5 dễ tiêu mg/100g 4,49 11 As ppm 8,17 12 Pb ppm 23,31 13 Cd ppm 2,61 14 Zn ppm 130,2 15 Cu ppm 60,7 Các số liệu bảng 3.20 cho thấy, đất dùng làm thí nghiệm có phản ứng chua vừa (pHKCl = 4,5), hàm lượng chất hữu mức nghèo (1,69%), dung tích trao đổi cation CEC xếp vào loại thấp (5,5 meq/100g đất), tổng hàm lượng Ca, Mg trao đổi thấp (2,8 mgđl/100g đất) 39 Kết phân tích tiêu dinh dưỡng nitơ, phốt pho, kali cho thấy đất nghiên cứu nghèo hàm lượng nguyên tố dạng tổng số dễ tiêu Đối chiếu kết phân tích hàm lượng kim loại nặng đất nghiên cứu (As, Cd, Pb, Cr, Cu, Zn) với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia giới hạn cho phép số kim loại nặng đất (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) thấy đất nghiên cứu có hàm lượng KLN cao nằm giới hạn cho phép quy chuẩn chưa bị ô nhiễm KLN 3.5 Tính chất hóa học đất sau thí nghiệm với than sinh học Kết phân tích đất sau 12 tuần phối trộn với than sinh học không trồng đất sau 12 tuần phối trộn với than sinh học có trồng cỏ đậu liệt kê bảng 3.22: Bảng Tính chất hóa học đất sau thí nghiệm với than sinh học Thí nghiệm khơng trồng Thí nghiệm có trồng 0% TSH 1% TSH 5% TSH 10% TSH 0% TSH + cỏ đậu - 4,4± 0,1 4,9± 0,1 5,9± 0,2 6,7± 0,1 4,6± 5,2± 0,2 6,4± 0,1 6,9± 0,1 CEC meq/ 100g 5,1± 1,1 6,0± 0,7 7,8± 0,2 11,5± 1,2 5,6± 0,4 8,0± 1,0 15,7± 0,3 16,5± 0,2 Ca + Mg mgđl/ 100g 2,7± 0,2 3,1± 4,5± 0,2 5,6± 0,1 2,5± 0,1 2,8± 0,1 4,4± 0,2 5,1± 0,2 CHC % 1,12± 0,02 1,58± 0,10 1,84± 0,13 2,02± 0,03 1,79± 0,05 1,86± 0,01 1,98± 0,07 2,16± 0,11 % 0,2± 0,01 0,203± 0,216± 0,231± 0,21± 0,213± 0,01 0,01 0 0,238 0,255± ± 0,03 0,023 ± 0,001 0,039 ± 0,004 0,044 ± 0,002 0,023 ± 0,031 ± 0,002 0,049 ± 0,003 0,063 ± 0,001 0,061 0,063 0,110 0,111 0,163 0,215 0,323 Chỉ tiêu Đơn vị pHKCl STT K2Ots P2O5ts % 0,017 ± 0,002 Nts % 0,05± 40 1% TSH + cỏ đậu 5% TSH + cỏ đậu 10% TSH + cỏ đậu Thí nghiệm khơng trồng STT Đơn vị Chỉ tiêu 0% TSH 1% TSH 5% TSH 10% TSH ± 0,002 ± 0,002 ± 0,001 Thí nghiệm có trồng 0% 5% 1% 10% TSH TSH TSH + TSH + + cỏ + cỏ cỏ đậu cỏ đậu đậu đậu ± ± ± ± 0,001 0,010 0,011 0,005 Cu ppm - - - - 55,4 47,9 37,7 30,1 Zn ppm - - - - 131,3 120,7 110,6 97,9 10 Pb ppm - - - - 22,5 21,7 19,1 14,4 11 Cd ppm - - - - 2,22 2,01 1,43 1,03 12 As ppm - - - - 7,71 6,91 4,44 3,67 a) pHKCl đất: Than sinh học dùng để bón vào đất có pH cao pH đất đóng vai trò giống vơi làm tăng giá trị pH đất pHKCl đất Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ trồng đậu trồng đậu trồng đậu trồng đậu 0% TSH 1% TSH 5% TSH 10% TSH Hình pH đất sau bổ sung than sinh học So với đối chứng (0% TSH) việc bổ sung TSH theo tỉ lệ 1%, 5% 10% làm tăng pHKCl đất thí nghiệm khơng trồng có trồng cỏ đậu Trong việc trồng cỏ đậu đất phối trộn than sinh học có tác dụng cải thiện pH tốt đất phối trộn than sinh học ủ Đối với thí nghiệm khơng trồng hay có trồng với tỉ lệ phối trộn đất với 41 10% TSH cải thiện độ pH đất tốt pH đất phối trộn với 10% TSH không trồng cây, đất phối trộn với 5%, 10% TSH có trồng tăng đến mức 6,7; 6,4; 6,9 (gần trung tính) CEC đất (meq/100g đất b) CEC đất: 18 16 14 12 10 Không Trồng Không Trồng Không Trồng Không Trồng trồng cỏ đậu trồng cỏ đậu trồng cỏ đậu trồng cỏ đậu 0% TSH 1% TSH 5% TSH 10% TSH Hình 3.7 CEC đất sau thí nghiệm bổ sung than sinh học TSH vừa sản xuất có khả giữ cation chúng có giá trị CEC mức tối thiểu Tuy nhiên bổ sung vào đất, theo thời gian với kết hợp với đất, bề mặt phần tử TSH dần bị oxy hóa tương tác với thành phần đất, làm tăng nhóm chức năng, làm tăng điện tích âm bề mặt làm tăng CEC đất [16] Trong thí nghiệm phối trộn đất với TSH mà không trồng cây, với mức gia tăng tỉ lệ TSH phối trộn giá trị CEC đất tăng lên Xu hướng xảy tương tự đất thí nghiệm có trồng cỏ đậu Tuy nhiên, việc trồng cỏ đậu đất phối trộn TSH có tác dụng tốt việc cải thiện CEC đất so với việc không trồng Ở công thức đất phối trộn với 5% TSH không trồng CEC tăng lên mức trung bình (11,5 meq/100g đất), công thức đất phối trộn với 5% TSH, 10% TSH có trồng CEC tăng đến mức cao 15,7 16,5 meq/100g đất d Hàm lượng Ca, Mg trao đổi đất 42 Tổng Ca, Mg trao đổi, mgđl/100g đất Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ trồng đậu trồng đậu trồng đậu trồng đậu 0% TSH 1% TSH 5% TSH 10% TSH Hình 3.8 Tổng hàm lượng Ca2+, Mg2+ trao đổi đất sau thí nghiệm So với đất ban đầu có tổng hàm lượng Ca2+, Mg2+ trao đổi 2,8 mgđl/100g đất việc bổ sung TSH vào đất làm tăng hàm lượng Ca2+, Mg2+ trao đổi đất theo thứ tự tăng dần mức bổ sung TSH từ đến 10% So với thí nghiệm bổ sung TSH vào đất mà khơng trồng với thí nghiệm có trồng cỏ đậu hàm lượng Ca2+, Mg2+ trao đổi có giá trị thấp khơng đáng kể, điều cỏ đậu sử dụng phần Ca2+, Mg2+ nguyên tố dinh dưỡng chúng e) Hàm lượng chất hữu (CHC) đất 2.5 CHC, % 1.5 0.5 Không Trồng Không Trồng Không Trồng Không Trồng trồng cỏ đậu trồng cỏ đậu trồng cỏ đậu trồng cỏ đậu cây cây 0% TSH 1% TSH 5% TSH 10% TSH Hình 3.9 Hàm lượng chất hữu đất sau thí nghiệm Hàm lượng CHC tiêu quan trọng đánh giá độ phì nhiêu đất Việc bổ sung than sinh học vào đất cải thiện hàm lượng CHC đất theo thứ tự 43 tăng tỉ lệ thuận với mức tăng tỉ lệ bổ sung TSH vào đất Mức bổ sung 10% TSH giúp nâng hàm lượng CHC đất từ mức nghèo lên mức trung bình Kết phân tích hàm lượng CHC đất sau thí nghiệm cho thấy trồng cỏ đậu đất bón TSH làm giàu giữ nhiều chất hữu cho đất Hàm lượng NPK đất, % f) Hàm lượng chất dinh dưỡng NPK đất 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ Không Trồng cỏ trồng đậu trồng đậu trồng đậu trồng đậu 0% TSH 1% TSH K2Ots P2O5ts 5% TSH 10% TSH Nts Hình 3.10 Hàm lượng chất dinh dưỡng NPK đất sau thí nghiệm Việc bón TSH cho đất thí nghiệm trồng khơng trồng làm tăng hàm lượng nitơ, phốt ka li đất Tuy nhiên, TSH có hàm lượng kali khơng cao nên bón vào đất khơng làm tăng đáng kể hàm lượng đất Bón TSH với mức bổ sung 5% 10% vào đất thay đổi hàm lượng phốt cho đất từ mức nghèo lên nghèo, trồng cỏ đậu đất có bón TSH mức bón 1% TSH thay đổi hàm lượng phốt từ mức nghèo lên nghèo (0,03%) Khi trồng cỏ đậu đất phối trộn 10% TSH kết phân tích đất cho thấy hàm lượng phốt cải thiện đạt mức trung bình (0,06%) Đất ban đầu nghèo nitơ, sau bổ sung TSH hàm lượng cải thiện không nhiều, hàm lượng đạt mức trung bình bổ sung 10% TSH vào đất Tuy nhiên, kết hợp bón TSH với trồng cỏ đậu hàm lượng nitơ đất cải thiện đáng kể, hàm lượng đạt mức trung bình (0,16%) thí nghiệm bón 1% TSH, đạt mức giàu mức bón TSH 5% (0,22%) 10% (0,32%) Ngồi ra, khơng bón TSH mà trồng cỏ đậu thơi sau tháng thí nghiệm hàm lượng 44 ni tơ đất cải thiện đến mức trung bình (0,11%) Để đạt kết nguyên nhân TSH có chứa sẵn hàm lượng ni tơ, phốt cao, bón vào đất nâng hàm lượng đất lên, nguyên nhân kể đến hàm lượng ni tơ, phốt giải phóng từ trình phân giải chất hữu trình thí nghiệm Ngồi ra, cỏ đậu có khả cố định đạm, có mặt loài thực vật che phủ mặt đất cải thiện độ ẩm cho đất, giảm thất thoát dinh dưỡng đất, tăng cường có mặt lồi vi sinh vật có lợi phân giải chất hữu phân hủy chậm làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng cho đất g) Hàm lượng kim loại nặng đất Các kết phân tích số kim loại nặng đất (Cu, Zn, Pb, Cd) sau thí nghiệm bổ sung than sinh học trồng cỏ đậu cho thấy hàm lượng kim loại nặng có giảm xuống đáng kể so với đất ban đầu mức độ giảm tỉ lệ thuận với mức tăng lượng bổ sung TSH vào đất Như bổ sung TSH tạo điều kiện cho cỏ đậu sinh trưởng phát triển tốt đất thí nghiệm, chúng giúp hút thu phần kim loại nặng làm giảm hàm lượng kim loại nặng đất Từ kết nghiên cứu thấy biochar chế tạo từ mùn cưa Keo phương pháp nhiệt phân yếm khí theo mẻ 4500C khoảng thời gian 2h cho kết tốt để sử dụng cho cải tạo đất Kết thử nghiệm cải tạo đất với sản phẩm biochar thu bước đầu chứng tỏ khả cải thiện tính chất đất Với liều lượng bổ sung 10% biochar vào đất đất trồng thêm cỏ đậu giúp cải tạo đất tốt so sánh với liều lượng thử nghiệm khác đất khơng trồng đất có trồng Các kết nghiên cứu làm sở để đề xuất biện pháp xử lý mùn cưa Keo (vật liệu giàu lignocellulose) để tạo biochar có khả cải tạo đất làm sở đề xuất liều lượng bổ sung vào đất để đạt hiệu cải tạo đất tốt 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Mẫu mùn cưa Keo ban đầu sử dụng để chế tạo TSH có 84,82% thành phần nước, chất hữu dễ bay hơi, hydrocacbon phân hủy, 15,18% chất vơ khơng bị phân huỷ khoảng nhiệt độ 8000C Mùn cưa có hàm lượng CHC cao (70,12%), tỉ lệ C:N cao (1275:1), hàm lượng lignocellulose cao (35,04% cellulose, 20,50% hemicellulose, 24,41% lignin), Ca2+ Mg2+ cao (14,319% 0,0271%), hàm lượng NPK thấp Mùn cưa không chứa KLN độc hại (As, Pb, Cd), chứa lượng đáng kể nguyên tố vi lượng Cu (0,04397mg/g), Zn (0,09727 ppm) Vật liệu TSH chế tạo từ mùn cưa dạng cacbon vơ định hình TSH có dạng lỗ rỗng, xốp Đã tối ưu nhiệt độ thời gian nhiệt phân nguyên liệu điều kiện yếm khí để tạo TSH dùng cho cải tạo đất nhiệt phân nguyên liệu 4500C thời gian sản phẩm TSH có tính chất hóa học sau: pH kiềm (pH = 7,92), CEC cao (81,82 meq/100g), Ca2+ (15,9 mgđl/100g), Mg2+ (8,1 mgđl/100g) mức cao, Nts (0,628%) Ndt (9,12 mg/100g) cao, giàu P2O5ts (0,332%) P2O5dt (11,226 mg/100g), Kali thấp (4,309 mg/g), CHC cao (6,869%) Đất dùng để bố trí thí nghiệm lấy khu vực bãi thải khai thác than Khe Hùm, thành phố Hạ Long, Quảng Ninh có phản ứng chua (pH = 4,5), nghèo CHC (1,69%), CEC thấp (5,5 meq/100g đất), tổng Ca2+, Mg2+ thấp (2,8 mgđl/100g đất), nghèo hàm lượng Nts (0,06%), P2O5ts (0,02%), P2O5dt (4,49 mg/100g đất), K2Ots (0,2%) K2Odt (4,2 mg/100g đất) Đất không bị ô nhiễm KLN (As, Cd, Pb, Cr, Cu, Zn) Việc bón TSH vào đất theo mức 1%, 5%, 10% thí nghiệm khơng trồng thí nghiệm có trồng cỏ đậu giúp cải thiện số tính chất đất so với đối chứng: bón TSH cho đất mà khơng trồng sau 12 tuần giúp nâng pH đất từ 4,4 lên khoảng 4,9 – 6,7, CEC từ 5,1 lên khoảng 6,0 – 11,5 meq/100g đất, Ca2+, Mg2+ từ 2,7 lên khoảng 3,1 – 5,6 mgđl/100g đất, 46 CHC từ 1,12 lên khoảng 1,58 – 2,02 %, K2Ots từ 0,2% lên khoảng 0,203 – 0,231%, P2O5ts từ 0,017 lên khoảng 0,023 – 0,044%, Nts từ 0,05 lên khoảng 0,061 – 0,110% Bón TSH cho đất với mức 1%, 5%, 10% sau trồng cỏ đậu sau 12 tuần thí nghiệm tính chất đất cải thiện tốt so với đối chứng tốt so với đất không trồng cây: pH đất tăng lên từ 4,6 đến khoảng 5,2 – 6,9%, CEC từ 5,6 lên khoảng 8,0 – 16,5 meq/100g đất, Ca2+, Mg2+ từ 2,5 lên khoảng 2,8 – 5,1 mgđl/100g đất, CHC từ 1,79 lên khoảng 1,86 – 2,16 %, K2Ots từ 0,21% lên khoảng 0,213 – 0,255%, P2O5ts từ 0,023 lên khoảng 0,031 – 0,063%, Nts từ 0,111 lên khoảng 0,163 – 0,323% Hàm lượng KLN (Cu, Zn, Pb, Cd) có giảm xuống đáng kể so với đối chứng so với đất ban đầu chưa thí nghiệm Như với mức bổ sung TSH 10% vào đất sau trồng cỏ đậu tính chất đất bãi thải khai thác than Khe Hùm cải thiện tốt 47 Kiến nghị Cần có thêm thí nghiệm để khảo sát đầy đủ tác động TSH đến tính chất lý học sinh học đất, nghiên cứu sâu tác động TSH đến mơi trường đất qua ứng dụng vào bãi than khai thác than địa bàn tỉnh Quảng Ninh tăng hiệu suất cải tạo phục hồi môi trường đất khu vực bãi thải Than sinh học nghiên cứu có tiềm ứng dụng sản xuất nông nghiệp tác dụng nhằm cải tạo tính chất đất, thử nghiệm sử dụng than sinh học cho vùng đất khác đặc biệt đất bị suy thoái Đề xuất thử nghiệm cải tạo đất quy mơ ngồi thực tế với đất bãi thải khai thác than Khe Hùm, Quảng Ninh việc bón bổ sung 10% biochar mùn cưa Keo vào đất trồng thêm cỏ đậu đất 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Báo cáo “Về việc chấp hành quy định pháp luật công tác bảo vệ môi trường hoạt động đổ thải đất đá cải tạo phục hồi môi trường bãi thải thuộc cơng ty TNHH MTV Khai Thác Khống Sản năm 2018” [2] Nguyễn Công Vinh, Nguyễn Văn Hiền, Lê Xuân Ánh, Nguyễn Thị Thanh Tâm, Mai Thị Lan Anh, 2014 “Hiệu kinh tế tồn dư than sinh học bón kết hợp với phân khống cho lúa” – Hội thảo Quốc gia giải pháp nâng cao hiệu sử dụng phân bón Việt Nam: 209 - 221 [3] Niên giám thống kê tỉnh Quảng Ninh từ năm 2011,2012,2013, 2014 [4] Vũ Duy Hoàng, Nguyễn Tất Cảnh, Nguyễn Văn Biên, Nhữ Thị Hồng Linh (2013), “Ảnh hưởng biochar phân bón đến sinh trưởng suất cà chua trồng đất cát” – Tạp chí Khoa học Phát triển, tập 11, số 5: 603 - 613 TIẾNG ANH [5] Anderson, C R., Conderon, L M., Clough, T J., Fiers, M., Stewart, A., Hill, R A & Sherlock, R R (2011), “Biochar induced soil microbial community change: Implications for biogeochemical cycling of carbon, nitrogen and phosphorus” Pedobiologia, 54, 309-320 [6] Arindam Kuila, Vinay Sharma (2017), “Lignocellulosic biomass production and industrial applications”, Scrivener publishing, USA [7] Brewer, C E (2012) “Biochar characterization and engineering” Ph.D 3511366, Iowa State University [8] Chan, K Y., Xu, Z (2009) Biochar Nutrient Properties and Their Enhancement, Biochar for Environmental Management, Science and Technology (Eds Lehmann, J & Joseph, S.), Earthscan [9] D.V Sarkhot et al T A Ghezzehei, and A A Berhe (2013), “Effectiveness of Biochar for sorption of ammonium and phosphate from dairy effluent”, J of Environmental quality, 42, 1545-1554 49 [10] Dias B.O., Silva C.A., Higashikawa F.S., Roig A., Sanchez-Monedero M.A (2009) Use of biochar as bulking agent for the composting of poultry manure: Effect on organic matter degradation and humification Bioresource Technology 101:1239 – 1246 [11] Downie, A., Crosky, A., Munroe, P (2009), Physical properties of biochar, Lehmann J and Joseph, S (Eds.) Biochar for environmental management: Science and Technology, London, Earthscan [12] Habeeb, G A., Mahmud, H B (2010), Study on properties of rice husk ash and its use as cement replacement material, Journal of Material Research, 13(2), pp 185 - 190 [13] Kifayat Ullah, Vinod Kumar Sharma, Sunil Dhingra, et al (2015), “Assessing the lignocellulosic biomass resources potential in developing countries: A critical review”, Renewable and sustainable energy reviews 51, 682-689 [14] Kolb, S (2007) Understanding the mechanisms by which a manure – based charcoal product affects microbial biomass and activity (doctoral disseraion), University of Wisconsin [15] L.F Ballesteros et al (2018), “Lignocellulosic materials and their use in biobased packaging”, Biobased polymers, Scrivener publishing, USA [16] Lehmann J (2007), “Bio-energy in the black”, Frontiers in Ecology and the Environment, 5, pp 381-387 [17] Lehmann, J., 2009 Biochar for environmental management : an introduction Biochar for Environmental Management Science and Technology 25, 15801-1581 [18] Lukas Van Zwieten et al (2009), “Biochar and Emissions of Non-CO2 Greenhouse Gases from Soil, Biochar for environmental management”, Publisher: Earthscan, London [19] Mansor A.M., Lim J.S., Ani F.N., Hashim H., Ho W.S., 2019, Characteristics of cellulose, hemicellulose and lignin of MD2 pineapple biomass, Chemical Engineering Transactions, 72, 79-84 50 [20] Michelin M, Ruiz HA, Silva DP, Ruzene DS, Teixeira JA, Polizeli MLTM (2014) “Cellulose from lignocellulosic waste” In: Ramawat KG, Mérillon J-M (eds) Polysaccharides: bioactivity and biotechnology Springer International Publishing, Switzeland, pp 1–33 [21] Nguyen Dang Anh Thi (2014), Bio-Energy in Vietnam Opportunities and challenges [22] Nigam Ps, G.N., Anthwal A (2009), “Pre-treatment of agro-industrial residues”, in Biotechnology for agro-industrial residues utilization, P.S.n Nigam and A Pandey, Editors, Springer, Netherland, pp 13-33 [23] Rizwan, M., Ali, S., Qayyum, M.F., Ibrahim, M., Ziaurrehman, M., Abbas, T., Ok, Y.S., 2016 Mechanisms of biochar-mediated alleviation of toxicity of trace elements in plants: a critical review Environmental Science and Pollution Research 23, 2230- 2248 [24] Shi, R.Y., Hong, Z.N., Li, J.Y., Jiang, J., Kamran, M.A., Xu, R.K., Qian, W., 2018 Peanut straw biochar increases the resistance of two Ultisols derived from different parent materials to acidification: A mechanism study Journal of Environmental Management 210, 171-179 [25] Sohi S.P., Krull E., Lopez-Capel E., Bol R (2010) “A review of biochar and its use and function in soil” Advances in Agronomy, 105: 47-82 [26] Steinbeiss, S., Gleixner, G & Antonietti, M (2009), “Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity” Soil Biology and Biochemistry, 41, 1301-1310 [27] Trautmann N.M., Krasny M.E., 1998, Composting in the classroom: Scientific Inquiry for High School Students, Cornell University, Iowa: Kendall/Hunt Publishing Company, Dubuque, USA [28] Vaughn, S F., Kenar, J A., Thompson, A R., Peterson, S C., 2013 Comparison of biochars derived from wood pellets and pelletized wheat straw as replacements for peat in potting substrates Industrial Crops and Products, 51, 437443 51 [29] Warnock, D.D., Lehmann, J., Kuyper, T.W and Rilling, M.C (2007) Mycorrhyzal responses to biochar in soil – concepts and mechanisms, Plant and Soil 300 [30] Yuan J H., Xu R K., Zhang H (2011), “The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different tempertures” Bioresource Technology, 102, pp 3488- 3497 52 ... bãi thải khai thác Than + 0% phân than sinh học CT1: Đất bãi thải khai thác Than + 1% phân than sinh học CT2: Đất bãi thải khai thác Than + 5% phân than sinh học CT3: Đất bãi thải khai thác Than. ..ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hoàng Chiều Tiến NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU GIÀU LIGNOCELLULOSE (MÙN CƢA CÂY KEO) ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN THAN SINH HỌC ỨNG DỤNG NHẰM CẢI THIỆN TÍNH... Một số cách xử lý vật liệu lignocellulose phổ biến để tạo sản phẩm có ích như: xử lý để tạo lượng khí sinh học (biogas), xử lý kiềm để cải thiện tính chất vật lý, học, hóa học sợi lignocellulose