Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 342-349 Nghiên cứu ảnh hưởng tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đến số tính chất đất cát trồng khoai lang Lê Văn Thiện*, Ngô Thị Tường Châu,Trần Thị Thu Trang, Nguyễn Thị Ánh Ngọc Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 28 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 25 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 06 tháng năm 2016 Tóm tắt: Bài báo tập trung nghiên cứu số tính chất tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại ảnh hưởng chúng đến đất cát thí nghiệm trồng khoai lang sau 12 tuần Kết cho thấy, tro bay có thành phần khống chủ yếu Quarts (SiO2) với 40,42% Mullite (Al6Si2O13) với 16,13%, cấu trúc hình cầu với kích thước hạt 1-8 µm dạng cấp hạt phù sa, chứa nhiều nguyên tố Si, Al, K, Fe, Mg, Ca, Ti, Si có hàm lượng cao 239.005,7 ppm; Al 114.238,6 ppm; K 35.327,7 ppm; Fe 31.119,2 ppm; Mg 6.414,6 ppm; Ca 5.1529 ppm Ti 4.2857 ppm Ngoài chứa hàm lượng cao nguyên tố dinh dưỡng K, Mg, Ca, tro bay chứa nguyên tố dinh dưỡng trung lượng S nguyên tố vi lượng khác Fe, Cr, Zn, Cu, Mn, Ni với hàm lượng cao nên có tiềm để tái sử dụng cải tạo đất nghèo dinh dưỡng Sau 12 tuần bón, tro bay cải thiện đáng kể độ ẩm độ chua đất cát thí nghiệm, làm pH đất tăng, tăng CEC Ca2+ trao đổi đất, tăng hàm lượng nguyên tố dinh dưỡng đa lượng phốtpho kali dạng tổng số đất, đặc biệt hàm lượng kali tổng số đất cát thí nghiệm bón tro bay tăng 3,3-12,6 lần 3,1-11,4 lần so với đối chứng đất không trồng trồng khoai lang tương ứng Ngoài ra, khả cải thiện tính chất đất cát thí nghiệm thường tỷ lệ thuận với lượng tro bay bón vào đất, nhiên mức độ tăng khơng nhiều liều lượng bón tro bay lớn 10% tro bay so với trọng lượng đất thí nghiệm Từ khố: Tro bay, nhiệt điện Phả Lại, đất cát ven biển, Lệ Thủy, Quảng Bình khả giữ nước [1-3], cải thiện tình trạng dinh dưỡng đất thơng qua việc thay đổi CEC đất cung cấp số chất dinh dưỡng thiết yếu cho trồng [4-6], số trường hợp xem chất cải tạo đất bón vơi để trung hịa độ chua đất [7,8] Tro bay có chứa nguyên tố dinh dưỡng đa lượng vi lượng nên sử dụng chất cải tạo đất nghèo dinh dưỡng, thúc đẩy khả sản xuất đất suất trồng [6] Ngồi ra, tro bay cịn chứa ngun tố vết độc hại kim loại nặng [9], hầu hết hàm lượng Đặt vấn đề∗ Tro bay nhà máy nhiệt điện sản phẩm phế thải rắn tạo trình đốt than nhiệt độ cao nhà máy nhiệt điện xem nguồn tài nguyên tái tạo Các kết nghiên cứu tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than cho thấy, thành phần cấp hạt chủ yếu tro bay dạng hạt phù sa nên sử dụng để thay đổi kết cấu đất, tăng _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT.: 84-916027871 Email: levanthien@hus.edu.vn 342 L.V Thiện nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 342-349 chất độc hại nằm giới hạn cho phép [10], tro bay sử dụng chất cải tạo đất nông nghiệp mang lại hiệu cao [6, 9, 11] Tuy nhiên, khả cải tạo đất tăng suất trồng tro bay khác đối tượng đất trồng khác [12] Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tro bay lên đối tượng đất cát thí nghiệm lấy ven biển miền Trung Việt Nam, loại đất chua, nghèo dinh dưỡng, thành phần giới nhẹ với loại trồng chủ yếu địa phương (cây khoai lang) Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu - Tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại: tro bay lấy giàn lọc bụi tĩnh điện, loại tro bay có tính kiềm, pHKCl=9,45 - Đất cát ven biển (Haplic Arenosols): Đất cát ven biển lấy xã Sen Thủy, huyện Lệ Thủy, tỉnh Quảng Bình độ sâu 0-20 cm chuyển Hà Nội, sử dụng để bố trí thí nghiệm chậu vại - Phân khoáng NPK, phân chuồng - Cây khoai lang (Pomoea batatas) giống KL20-209 Trung tâm Nghiên cứu Phát triển có củ thuộc Viện Cây lương thực Cây thực phẩm chọn tạo từ tổ hợp hạt thu phấn tự giống nhập nội từ Đài Loan V20-29 2.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập số liệu: Kế thừa có chọn lọc tài liệu, tư liệu nghiên cứu có liên quan đến đất cát ven biển, sử dụng tro bay cải tạo đất chua, nghèo dinh dưỡng - Phương pháp điều tra thực địa lấy mẫu vật: Khảo sát, điều tra thực địa nhà máy nhiệt điện Phả Lại, lấy mẫu tro bay giàn lọc bụi tĩnh điện (thu phương pháp tĩnh điện lần 1)[13]; điều tra lấy mẫu đất cát ven biển Lệ Thủy, Quảng Bình - Phương pháp bố trí thí nghiệm: Thí nghiệm bố trí tiến hành nghiên cứu trồng khoai lang vụ Xuân Hè năm 2015 343 thùng xốp với 10 kg đất khô không khí trộn với tỷ lệ tro bay khác (so với trọng lượng đất), công thức sau: CT1: Đối chứng (ĐC) - đất cát ven biển (đất nền) CT2: ĐC + 5% tro bay CT3: ĐC + 10% tro bay CT4: ĐC + 15% tro bay CT5: ĐC + 20% tro bay CT6: ĐC + 25% tro bay Mỗi công thức thí nghiệm lặp lại 03 lần chia thành lô: Lô 1: không trồng cây; Lô 2: trồng khoai lang Đối với lơ tất cơng thức có bón phân khống NPK, phân chuồng theo khuyến cáo bón phân hợp lý cho trồng khoai lang với lượng phân bón 10 tấn/ha phân chuồng; 80 kg N; 50 kg P2O5; 100 kg K2O nguyên chất/ha Cách bón: Bón lót - 100% phân chuồng + 100% lượng phân lân + 30% lượng phân đạm + 20% lượng phân kali; Bón thúc lần (sau 20 ngày) - 50% lượng đạm + 30% lượng kali Bón thúc lần (sau 45 ngày) - 20% lượng đạm + 50% lượng kali - Phương pháp phân tích phịng: Xác định thành phần khống tro bay XRay sử dụng thiết bị Siemens D5005 Đức; Cấu trúc tro bay chụp ảnh SEM với thiết bị NanoSEM 450 hãng Nova FEI Mỹ; Thành phần nguyên tố tro bay xác định máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron Accelerator, hãng National Electrostatics Corp (NEC) Mỹ Tất phép đo thực Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Các mẫu đất lấy sau 12 tuần thí nghiệm phân tích theo phương pháp hành[14] Phịng phân tích Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa, Viện Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam Phịng phân tích Mơi trường, Khoa Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN - Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu tính tốn xử lý phần mềm Exel 2013 344 L.V Thiện nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 342-349 20,90; 36,50; 39,40; 40,10; 42,40; 45,90; 500; 54,80; 600 góc nhiễu xạ đặc trưng Mullite (Al6Si2O13) 16,40; 23,50; 25,20; 33,10; 40,80; 42,50; 53,90; 57,50 Như vậy, thành phần khoáng chủ yếu tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại Quartz (SiO2) với 40,42% Mullite (Al6Si2O13) với 16,13% Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Một số tính chất tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại Kết đo X-Ray hình cho thấy, có góc nhiễu xạ (2 ) 26,80 đặc trưng Quartz (SiO2), pic khác Quartz VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau Pha Lai 600 500 300 d=3.354 Lin (Cps) 400 d=2.2127 d=2.6984 100 d=2.5405 d=5.398 d=4.257 200 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thien-Moitruong-Pha Lai.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 °- End: 70.010 °- Step: 0.030 °- Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/20/15 14:23:11 46-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 40.42 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 15-0776 (I) - Mullite, syn - Al6Si2O13 - Y: 16.13 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình Ảnh phổ X-Ray tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đo thiết bị Siemens D5005 Đức Hình Cấu trúc tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đo thiết NanoSEM450, Nova FEI Mỹ (X 500 X 2.000) L.V Thiện nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 342-349 Bảng Kết phân tích thành phần nguyên tố tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại TT 10 11 12 13 14 15 16 17 Nguyên tố Mg Al Si P S K Ca Ti Cr Mn Fe Ni Cu Zn Rb Sr Pb Hàm lượng, ppm 6.414,6 114.238,6 239.005,7 404,2 909,1 35.327,7 5.1529 4.2857 154,1 275,0 31.119,2 69,6 57,8 112,7 254,4 135,3 134,3 Ngưỡng phát hiện, ppm 137,3 87,3 96,3 65,4 20,9 22,9 79,4 18,5 9,0 9,5 15,0 3,6 3,6 3,3 17,6 19,8 16,2 Tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại có cấu trúc chủ yếu dạng hình cầu, với kích thước khoảng 1-8µm (hình 2), với kích thước chủ yếu dạng hạt phù sa nên tiềm ứng dụng tro bay để cải tạo đất cát, tăng suất trồng cao, đặc biệt cải thiện tính chất vật lý đất (cấp hạt, tính thấm nước, nước ) [1,2,3] Tro bay chứa hầu hết tất nguyên tố có tự nhiên [5] Kết nhận bảng cho thấy, phát thấy 17 nguyên tố có thành phần tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại, đó, chủ yếu nguyên tố Si, Al, K, Fe, Mg, Ca, Ti Trong đó, Si có hàm lượng cao 239.005,7 ppm, Al 114.238,6 ppm; K 35.327,7; Fe 31.119,2; Mg 6.414,6; Ca 5.1529 Ti 4.2857 ppm Có thể thấy tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại chứa nguyên tố dinh dưỡng đa lượng (K) trung lượng (Mg, Ca) cao nên có lợi cho loại đất chua, CEC thấp nghèo chất dinh dưỡng [4,5,6,7,8] Ngồi ra, tro 345 bay cịn chứa nguyên tố dinh dưỡng đa lượng phốtpho (P) 404,2 ppm; nguyên tố trung lượng lưu huỳnh (S) 909,1 ppm chứa hầu hết nguyên tố vi lượng Fe, Cr, Zn, Cu, Mn, Ni - nguồn chất dinh dưỡng vi lượng cần cho đất thực vật, đặc biệt loại đất nghèo dinh dưỡng Tro bay cịn có chứa số nguyên tố vết kim loại nặng độc hại Pb, Sr, Rb giá trị thấp, ngưỡng QCVN 03MT:2015/BTNMT nên cần trọng sử dụng tro bay với liều lượng lớn bón liên tục cho đất 3.2 Ảnh hưởng tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đến số tính chất vật lý đất cát thí nghiệm Kết bảng cho thấy, tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại cải thiện độ ẩm đất cát thí nghiệm Cụ thể, độ ẩm đất (độ ẩm đất trạng thái tự nhiên đồng ruộng) công thức đất khơng trồng có xu hướng tăng lên cơng thức bón tro bay, cao CT2 7,74% so với đối chứng 6,65%, sau độ ẩm đất có xu hướng giảm tăng lượng tro bay Đối với đất trồng khoai lang cho kết tương tự, độ ẩm đất cao CT3 7,30% so với đối chứng 7,08% có xu giảm dần tăng liều lượng tro bay bón cho đất cơng thức Độ ẩm khơng khí đất (độ hút ẩm đất khơ khơng khí) tăng theo tỷ lệ tro bón vào đất tăng so với đối chứng hai lơ thí nghiệm trồng khoai lang khơng trồng cây, điều cho thấy bón tro vào đất cát làm tăng tính liên kết cấp hạt đất, tăng lực hydroscopic nên tăng khả giữ nước lượng nước hút ẩm đất khơ khơng khí So sánh đất trồng khoai lang đất khơng trồng độ ẩm đất trồng cao đất khơng trồng cây, cịn độ hút ẩm đất tương đương nhau, đất trồng có bón thêm phân bón hệ thống đất-cây cải thiện tốt độ ẩm đất cát thí nghiệm 346 L.V Thiện nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 342-349 Bảng Ảnh hưởng tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đến độ ẩm đất cát thí nghiệm Đất khơng trồng Ký hiệu mẫu Độ ẩm đất(%) CT1-ĐC CT2-5% CT3-10% CT4-15% CT5-20% CT6-25% 6,65 7,74 7,01 6,58 6,90 6,62 Độ ẩm khơng khí đất (%) 0,39 0,49 0,49 0,59 0,69 0,79 Đất trồng khoai lang Độ ẩm khơng khí đất Độ ẩm đất(%) (%) 7,08 0,40 7,26 0,52 7,30 0,55 7,29 0,58 7,32 0,69 7,16 0,78 Bảng Ảnh hưởng tro bay đến thành phần giới (%) theo cấp hạt (mm) đất cát thí nghiệm sau 12 tuần Ký hiệu mẫu CT1-ĐC CT2-5% CT3-10% CT4-15% CT5-20% CT6-25% Đất không trồng 2-0,2 0,2-0,02 mm mm 46,22 44,69 42,07 42,02 39,91 43,75 49,30 26,85 44,41 26,70 36,09 28,80 0,02-0,002 mm 0,06 5,64 5,74 16,40 19,58 25,28