Chương 1. Đốt rơm rạ và vấn đề ô nhiễm không khí 1. Thành phần nguyên tố của rơm rạ Rơm rạ thu gom theo phương thức gặt thủ công hiện nay có hai phần riêng rẽ là phần rơm chứa bông lúa, được thu gom riêng để tách lấy thóc, và phần rạ, là phần gốc của cây lúa, có thể được bỏ lại trên đất canh tác hoặc thu gom riêng để sử dụng [18]. Như vậy, phần rơm có nhiều lá lúa nên mềm hơn, còn phần rạ là phần chính của thân cây lúa nên cứng hơn.
Sau khi thu hoạch, rơm rạ được chất thành đống hoặc rải trên mặt ruộng, tùy theo phương pháp thu hoạch, tương ứng là việc sử dụng máy tuốt cố định hoặc máy gặt đập liên hợp. Tỷ lệ rơm rạ phát sinh so với sản lượng lúa thay đổi, dao động trong khoảng 1,0 - 4,3 [19] và 0,74–0,79 [20]. Thành phần nguyên tố chính của rơm rạ bao gồm cacbon, hydro, oxy, nitơ và lưu huỳnh với tỷ lệ tương ứng là C: 45,7-61,4%, H: 5,1-8,5%, O: 48,3 -58,1%, N: 0,8-1,4%, S: 0,3-0,4% và các nguyên tố vi lượng khác với tỷ lệ nhỏ [18, 21]. So với nhiên liệu hóa thạch, hàm lượng cacbon trong sinh khối rơm rạ ít hơn, trong khi hàm lượng oxy và hydro cao hơn [18].
Rơm rạ cũng có đặc điểm là có chất bay hơi cao so với gỗ và than và một lượng cacbon cố định thấp hơn so với trong than đá. Hàm lượng tro cao trong rơm rạ làm giảm nhiệt trị của nó và ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa năng lượng. Hàm lượng tro rơm rạ, bao gồm cả phần rơm rạ không cháy, khoảng 18,67–29,1% [18]. Thành phần nguyên tố của rơm rạ góp phần xác định các chất thải phát sinh vào khí quyển từ quá trình đốt hở rơm rạ ngoài đồng ruộng, như hàm lượn nitơ và lưu huỳnh trong sinh khối có thể dẫn đến hình thành SOx và NOx trong quá trình đốt cháy gây ra các vấn đề về mưa axit.
7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương thức sử dụng rơm rạ sau thu hoạch Hiện nay, rơm rạ sau thu hoạch được sử dụng bằng nhiều phương thức khác nhau trong đó các phương thức sử dụng dưới đây là phổ biến: a) Vùi rơm rạ vào đất Việc vùi rơm rạ sau thu hoạch vào đất hiện nay đang được cộng đồng toàn cầu coi là một giải pháp thay thế tốt hơn so với hoạt động đốt rơm rạ. Mặc dù vậy, giải pháp này chưa được thuyết phục về góc độ kinh tế đối với người nông dân do chi phí làm đất cao bao gồm cả nhiên liệu và thiết bị cũng như chi phí hao mòn. Hơn nữa, có một quan niệm sai lầm phổ biến cho rằng việc vùi rơm rạ vào đất làm cho đất kém màu mỡ.
Điều này đã được chứng minh là sai bởi một số bằng chứng đã chỉ ra kết quả ngược lại. Tại Ấn Độ, người ta đã xác nhận việc vùi rơm rạ vào đất làm giảm sản lượng lúa mì trong 2 năm đầu nhưng kết quả ngược lại trong 5-7 năm tiếp theo [22]. Trong một nghiên cứu khác ở Trung Quốc đã chỉ ra việc vùi rơm rạ trong đất là vô cùng quan trọng để cải thiện độ ổn định của đất cũng như cấu trúc phẫu diện đất [23]. Trong một nghiên cứu gần đây được thực hiện ở tỉnh Giang Tô, Trung Quốc thấy rằng sản lượng rơm rạ được cải thiện tới 58% tại nơi có hoạt động vùi rơm rạ vào đất [24].
Người ta cũng quan sát thấy lượng nitơ và phốt pho cũng như kali tăng 15% do kết quả của việc kết hợp rơm [24]. b) Che phủ rơm rạ trên bề mặt đất ruộng Một cách sử dụng rơm rạ khác là ở các vùng trồng rau, người ta thường sử dụng rơm rạ để phủ lên trên bề mặt đất ruộng. Vì rơm rạ có trọng lượng nhẹ và cũng có giá trị pH trung tính, nên nó có thể được sử dụng rộng rãi cho mục đích che phủ. Hoạt động này có hiệu quả cao trong việc kiểm soát sự phát triển của cỏ dại cũng như duy trì độ ẩm của đất trong thời gian dài hơn.
Do đó, nó ngăn cản việc sử dụng hóa chất diệt cỏ và cũng dẫn đến việc sử dụng ít nước hơn. Sau vụ mùa, nó có thể dễ dàng 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com được xới vào đất và cũng có thể được sử dụng trong mùa đông để che phủ cây trồng nhằm bảo vệ chúng khỏi thời tiết quá lạnh. Việc phủ rơm rạ có ảnh hưởng tích cực đến khả năng giữ nước của đất, ngăn cản sự phát triển của cỏ dại, kích thích sự phát triển của rễ cây [25]. c) Sử dụng rơm rạ làm giá thể trồng nấm Nhằm mục đích tái sử dụng rơm rạ, tạo thêm thu nhập cho gia đình, người dân đã tận dụng lại rơm rạ làm giá thể trồng nấm.
Phương thức này được thực hành cả ở quy mô trong nhà và ngoài trời, mặc dù kỹ thuật trong nhà được coi là có lợi hơn. Trong một nghiên cứu được thực hiện bởi Yang và cộng sự (2013), cho thấy việc sử dụng rơm rạ đóng vai trò quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của nấm sò [26]. Tóm lại, việc trồng nấm có thể được thúc đẩy ở những vùng có lượng rơm rạ lớn hơn vì nó có tiềm năng quản lý bền vững rơm rạ cũng như cải thiện môi trường. d) Sử dụng rơm rạ làm thức ăn cho động vật nhai lại Rơm rạ đã được sử dụng làm thức ăn cho gia súc từ rất lâu đời.
Hiện nay một tỷ lệ lớn rơm rạ được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, đặc biệt là khắp châu Phi và tiểu lục địa Ấn Độ. Mặc dù rơm rạ ít có giá trị về dinh dưỡng nhưng nó vẫn được sử dụng làm nguồn thức ăn thay thế cho động vật [27]. Lượng rơm rạ hàng ngày mà một con vật có thể tiêu thụ chỉ bằng 2% trọng lượng cơ thể của nó. Một nghiên cứu khác chỉ ra rằng, lượng rơm rạ tiêu thụ hàng ngày của động vật nhai lại lên tới 1,2 kg.
Tuy nhiên tỷ lệ tiêu thụ có thể khác nhau giữa các loài động vật. e) Sản xuất khí sinh học Khí sinh học bao gồm chủ yếu là CH4 và CO2 bên cạnh các chất khí dạng vết như: H2, NH3 và H2S. Sản phẩm khí sinh học được tạo ra thông qua quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ khác nhau. Nguồn năng lượng tái tạo này có thể được sử 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dụng làm nhiên liệu cho mục đích sinh hoạt cũng như thương mại.
Rơm rạ là nguyên liệu hoàn hảo để sản xuất khí sinh học, bởi vì thành phần hóa học của rơm rạ có chứa nhiều xenlulo (24–35%) và hêmixenlulo (32– 37%) [28]. Quá trình sản xuất khí sinh học diễn ra trong các giai đoạn khác nhau, bắt đầu từ giai đoạn tiền xử lý, nơi cắt nhỏ, trộn và lên men rơm. Tiếp theo là giai đoạn phân hủy kỵ khí tạo ra khí sinh học và bùn thải như một sản phẩm phụ [29]. Bùn thải cũng được sử dụng làm phân bón trong các ứng dụng nông nghiệp.
Trong một nghiên cứu khác, nhằm tìm ra tỷ lệ phối trộn tối ưu nhất của rơm rạ, rác thải nhà bếp và phân lợn để sản xuất khí sinh học đã được thực hiện bởi tác giả Ye và cộng sự (2013). Kết quả chỉ ra rằng tỷ lệ 0,4: 1,6: 1 tương ứng với chất thải nhà bếp: phân lợn: rơm rạ cho kết quả sản xuất khí sinh học tốt nhất [30]. Đây là một giải pháp thay thế rất có lợi cho việc sử dụng bền vững rơm rạ, nơi mà ngay cả phụ phẩm cũng có thể được sử dụng như một nguyên liệu đầu vào có giá trị cho nông trại. Ngoài ra, rơm rạ còn có thể được sử dụng để sản xuất cồn ethanol, khí hóa, làm giấy, sản xuất than bánh rơm, than sinh học, cácbonat hóa,.
f) Đốt rơm rạ ngay tại đồng ruộng Thâm canh hệ thống canh tác lúa gắn liền với việc sử dụng các giống năng suất cao và ngắn ngày với thời gian luân chuyển giữa các vụ ngắn hơn trong hệ thống đa canh tác. Hơn nữa, sự ra đời nhanh chóng của máy gặt đập liên hợp tạo thành một yếu tố thay đổi phương thức sử dụng vì lượng rơm rạ được trải ra đồng ruộng nhiều hơn. Việc thu gom rơm thủ công trên đồng ruộng không có lãi vì chi phí nhân công cao. Quá trình vùi rơm vào đất đặt ra những thách thức trong quá trình sản xuất lúa gạo hai đến ba đợt thu hoạch mỗi năm.
Điều này là do thời gian phân hủy không đủ, rơm rạ có đặc tính bón phân kém cho đất và cản trở việc trồng trọt. Kết quả là, việc đốt rơm rạ trên cánh đồng đã gia tăng đáng kể trong thập kỷ qua, mặc dù bị cấm ở 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hầu hết các nước trồng lúa vì ô nhiễm và các vấn đề liên quan đến sức khỏe. Đốt rơm rạ và phát thải các chất ô nhiễm không khí 1. Quá trình cháy của rơm rạ Quá trình đốt cháy rơm rạ là sự kết hợp của các quá trình vật lý và hóa học khác nhau và thường được chia thành ba giai đoạn cơ bản là: giai đoạn bắt lửa (quá trình gia nhiệt), giai đoạn cháy có ngọn lửa (cháy bùng phát) và giai đoạn kết thúc [11].
- Giai đoạn bắt lửa, các phần nhỏ như lá và phần chứa bông lúa cháy trực tiếp. Các phần lớn hơn như thân cây, trải qua quá trình gia nhiệt. Độ dài của giai đoạn bắt lửa phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của rơm rạ, như độ ẩm, phương thức đốt và kích thước nhiên liệu. Trong giai đoạn bắt lửa ban đầu này, một lượng lớn CO được phát sinh và các chất hữu cơ dễ bay hơi, như các hợp chất thơm đa vòng được giải phóng.
- Giai đoạn cháy có ngọn lửa (cháy bùng phát) khi nhiên liệu cháy đã đủ khô, quá trình đốt cháy chuyển từ giai đoạn bắt lửa sang giai đoạn bùng cháy. Giai đoạn này cũng bảo gồm cả hai quá trình đốt cháy hoàn toàn và đốt cháy không hoàn toàn. Sản phẩm của quá trình đốt cháy hoàn toàn là CO2 là H2O. Đối với quá cháy không hoàn toàn, một lượng lớn CO và các hợp chất hữu cơ được tạo thành.
Thành phần và lượng chất thải phụ thuộc vào các giai đoạn của quá trình cháy, khả năng cung cấp oxy, nhiệt độ và thành phần cơ bản của nhiên liệu đốt. Các hợp chất khí có thể được chia thành các sản phẩm khí thải sơ cấp và thứ cấp.