Luận án tiến sĩ môi trường khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre bambusa blumeana và than tràm melaleuca cajuput

Luận án tiến sĩ nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre Bambusa blumeana và than tràm Melaleuca cajuput.

• Tác giả: Phạm Ngọc Thoa
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Chiếm
• Trường học: Đại học Cần Thơ
• Chuyên ngành: Môi trường đất và nước
• Đề tài: Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre Bambusa Blumeana và than tràm Melaleuca Cajuput
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG
• LỜI CAM ĐOAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Mục tiêu tổng quát
• 1.2.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• 1.3.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.6. TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN
• 2. CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
• 2.1. TỔNG QUAN THAN SINH HỌC
• 2.1.1. Khái niệm than sinh học
• 2.1.2. Tính chất than sinh học
• 2.2. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN SINH HỌC
• 2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ chất dinh dưỡng
• 2.2.2. Thuộc tính của than sinh học
• 2.2.3. pH của dung dịch
• 2.2.4. Khử khoáng hóa và xử lý khử tro
• 2.2.5. Các ion đồng tồn tại
• 2.2.6. Liều lượng chất hấp phụ
• 2.2.7. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
• 2.2.8. Nhiệt độ hấp phụ
• 2.2.9. Động học hấp phụ và phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
• 2.3. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN SINH HỌC
• 2.3.1. Hấp phụ nitrate trong nước
• 2.3.2. Hấp phụ ammonium trong nước
• 2.4. VAI TRÒ CỦA THAN SINH HỌC VỚI ĐẤT
• 2.4.1. Tăng độ xốp đất
• 2.4.2. Tăng khả năng giữ nước của đất
• 2.4.3. Tăng sự liên kết trong đất
• 2.4.4. Tăng độ pH của đất
• 2.4.5. Tăng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất
• 2.4.6. Bổ sung nguồn dinh dưỡng cho đất
• 2.4.7. Cung cấp nơi trú ngụ của cho các quần thể vi sinh vật
• 2.5. VAI TRÒ CỦA THAN SINH HỌC ĐỐI VỚI KHÍ NHÀ KÍNH
• 2.5.1. Tổng quan khí nhà kính
• 2.5.2. Phát thải khí N2O trong canh tác nông nghiệp
• 2.5.3. Phát thải khí CH4 trong canh tác nông nghiệp
• 2.6. NƯỚC THẢI SAU BIOGAS
• 2.6.1. Sơ lược về nước thải sau biogas
• 2.6.2. Thành phần hóa học và dinh dưỡng của nước thải sau biogas
• 2.7. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN SINH HỌC TRONG NGHIÊN CỨU
• 2.8. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CÂY TRỒNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
• 2.8.1. Cây rau muống
• 2.8.2. Cây cải xanh
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1. NĂNG SUẤT THAN VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ-HOÁ HỌC CỦA THAN SINH HỌC ĐƯỢC TẠO TỪ TRE VÀ TRÀM
• 3.1.1. Phương tiện nghiên cứu
• 3.1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 2. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN TRE VÀ THAN TRÀM
• 3.2.1. Phương tiện nghiên cứu
• 3.2.2. Phương pháp thực hiện
• 3.2.3. Ảnh hưởng của than sinh học từ tre và tràm sau khi hấp phụ đến sinh trưởng và phát triển của cây rau muống (Ipomoea aquatica Forsk)
• 3.3. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 3. KHẢO SÁT TIỀM NĂNG LÀM GIẢM PHÁT THẢI KHÍ CH4 VÀ N2O CỦA THAN TRE VÀ THAN TRÀM
• 3.3.1. Sử dụng than tre, tràm làm giảm phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng lúa ngập nước liên tục
• 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của than tre/tràm đến sự phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng cải
• 3.3.3. Tính toán lượng phát thải
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1. NĂNG SUẤT THAN VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ-HOÁ HỌC CỦA THAN SINH HỌC ĐƯỢC TẠO TỪ TRE VÀ TRÀM
• 4.1.1. Năng suất than
• 4.1.2. Tính chất vật lý, hoá học của than
• 4.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 2. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN TRE, THAN TRÀM
• 4.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ ammonium của than tre, than tràm
• 4.2.2. Quá trình chuyển hóa đạm ammonium trong nước thải biogas thành nitrate
• 4.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ nitrate của than tre và than tràm
• 4.2.4. Ảnh hưởng của than sinh học từ tre và tràm sau hấp phụ dinh dưỡng đến sinh trưởng, phát triển của cây rau muống (Ipomoea aquatica Forsk)
• 4.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 3. KHẢO SÁT TIỀM NĂNG LÀM GIẢM PHÁT THẢI KHÍ N2O VÀ CH4 TRONG CANH TÁC LÚA VÀ HOA MÀU
• 4.3.1. Khảo sát tiềm năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng lúa ngập nước liên tục
• 4.3.2. Khảo sát tiềm năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng cải
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của hai loại than sinh học: than tre (Bambusa Blumeana) và than tràm (Melaleuca Cajuput). Tình trạng ô nhiễm môi trường do hoạt động nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long đang trở thành vấn đề nghiêm trọng. Nguồn nước thải từ các hầm biogas chứa nồng độ ion hòa tan cao, đặc biệt là ion NH4+ và NO3-, có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng. Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả của than sinh học trong việc hấp phụ các ion này và giảm thiểu phát thải khí nhà kính như CH4 và N2O trong quá trình canh tác.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nghiên cứu này được thực hiện trong bối cảnh môi trường đang bị đe dọa bởi ô nhiễm từ hoạt động nông nghiệp. Việc sử dụng than sinh học không chỉ giúp xử lý nước thải mà còn có thể cải thiện chất lượng đất và giảm phát thải khí nhà kính. Theo các nghiên cứu trước đây, than sinh học có khả năng hấp phụ ion dinh dưỡng hiệu quả, từ đó giúp cải thiện năng suất cây trồng và bảo vệ môi trường. Việc tìm hiểu sâu về khả năng hấp phụ dinh dưỡng của than tre và than tràm sẽ cung cấp những thông tin quý giá cho việc phát triển nông nghiệp bền vững.

II. Phương pháp nghiên cứu

Luận án đã thực hiện một loạt các thí nghiệm trong khoảng thời gian từ năm 2018 đến 2020, bao gồm thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thí nghiệm trong nhà lưới tại Trường Đại học Cần Thơ. Các thí nghiệm được thiết kế để đánh giá khả năng hấp phụ của than sinh học đối với ion NH4+ và NO3- trong nước thải sau biogas. Kết quả cho thấy than tre và than tràm có khả năng hấp phụ ion NH4+ hiệu quả trong điều kiện pH=8 và thời gian hấp phụ 15 phút, với dung lượng hấp phụ tối đa đạt từ 3,24 đến 5,4 mg/g. Đối với ion NO3-, khả năng hấp phụ tối đa của than tre và than tràm lần lượt là 8,1 và 15,5 mg/g.

2.1. Thiết kế thí nghiệm

Các thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp chính quy, bao gồm việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ dinh dưỡng như pH, thời gian tiếp xúc, và liều lượng than sinh học. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc bổ sung than sinh học vào đất trồng lúa không chỉ giúp hấp phụ ion dinh dưỡng mà còn làm giảm đáng kể lượng khí thải CH4 và N2O. Điều này chứng tỏ rằng than sinh học có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng đất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng than sinh học từ tre và tràm không chỉ giúp hấp phụ hiệu quả các ion dinh dưỡng mà còn giảm phát thải khí nhà kính. Cụ thể, lượng phát thải CH4 giảm từ 23,6% đến 47,1% so với đối chứng khi bổ sung than sinh học vào đất trồng lúa. Đối với đất trồng hoa màu, lượng khí thải N2O cũng giảm đến 60% so với nghiệm thức được bón urê. Những kết quả này khẳng định giá trị thực tiễn của việc sử dụng than sinh học trong nông nghiệp bền vững.

3.1. Đánh giá hiệu quả

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng than tre và than tràm có khả năng hấp phụ dinh dưỡng tốt, đồng thời giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Việc áp dụng than sinh học vào thực tiễn nông nghiệp không chỉ giúp cải thiện năng suất cây trồng mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển nông nghiệp bền vững tại Đồng bằng sông Cửu Long, nơi mà ô nhiễm môi trường đang là vấn đề cấp bách.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Môi trường Đất và Nước (mã số 62440303) với đề tài "Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi)" do nghiên cứu sinh Phạm Ngọc Thoa (mã số NCS: P0717002) thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hữu Chiếm tại Trường Đại học Cần Thơ, bảo vệ năm 2022. Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ kỹ thuật và kinh phí từ Dự án nâng cấp Trường Đại học Cần Thơ VN14-P6 (nguồn vốn vay ODA Nhật Bản, E7).

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Nguồn nước thải sau hệ thống xử lý biogas kỵ khí trong chăn nuôi còn chứa hàm lượng ion hòa tan cao, đặc biệt là ammonium ($NH_4^+$) và nitrate ($NO_3^-$), dẫn đến hiện tượng phú dưỡng nguồn nước và đe dọa sức khỏe sinh thái. Khí sinh học chứa khoảng 55-65% $CH_4$, trong khi hoạt động trồng lúa ngập nước và hoa màu phát thải lượng lớn khí nhà kính ($CH_4$ và $N_2O$). Đồng thời, vùng ĐBSCL sở hữu nguồn sinh khối thực vật dồi dào từ tre (Bambusa blumeana, với hơn 1,2 triệu ha rừng trồng ở hai miền, sản xuất khoảng 7 triệu tấn bã sinh khối/năm) và tràm (Melaleuca cajuputi, chiếm 176 nghìn ha rừng tự nhiên, tạo gần 5 triệu tấn phụ phẩm gỗ/năm) chưa được quản lý tối ưu. Khoảng trống nghiên cứu được xác định là việc thiếu hụt các đánh giá thực nghiệm về khả năng hấp phụ đồng thời $NH_4^+$ và $NO_3^-$ trong môi trường nước thải sau biogas phức tạp bằng than sinh học bản địa, cũng như các dữ liệu định lượng về tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính trên các loại đất canh tác tại ĐBSCL.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

1. Mục tiêu tổng quát: Xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải nhà kính từ than sinh học tre (Bambusa blumeana) và than sinh học tràm (Melaleuca cajuputi) từ nước thải biogas ở Cần Thơ vùng ĐBSCL.
2. Mục tiêu cụ thể:

• Xác định khả năng hấp phụ ammonium và nitrate của than sinh học tre và tràm trong dung dịch nước thải sau biogas.
• Xác định khả năng làm giảm phát thải khí $CH_4$ và $N_2O$ của than sinh học tre và tràm trên đất trồng lúa và đất trồng hoa màu.

Đối tượng nghiên cứu là than sinh học sản xuất từ tre (Bambusa blumeana) và tràm (Melaleuca cajuputi); dung dịch chuẩn và nước thải sau biogas từ nguồn phân heo; đất trồng lúa ngập nước liên tục; đất trồng rau màu; cây rau muống (Ipomoea aquatica Forsk) và cây cải xanh (Brassica juncea). Phạm vi nghiên cứu về không gian được thực hiện tại phòng thí nghiệm và nhà lưới thuộc Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ; phạm vi thời gian thực hiện chuỗi thí nghiệm từ năm 2018 đến năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế xoay quanh khả năng xử lý chất dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than sinh học (TSH). Về khả năng hấp phụ ammonium, các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng TSH tạo ở nhiệt độ thấp thường có dung lượng trao đổi cation (CEC) cao hơn, từ đó giữ $NH_4^+$ tốt hơn. Gai et al. (2014) khảo sát 12 loại TSH từ rơm lúa mì, ngô và vỏ đậu phộng ở 400-700ºC, ghi nhận TSH lõi ngô ở 400ºC hấp phụ $N-NH_4^+$ đạt 15,45 mg/g và giảm dần theo nhiệt độ nung. Takaya et al. (2016) công bố dung lượng hấp phụ của than gỗ sồi đạt 109,70 mg/g ở 250ºC và 129,40 mg/g ở 450ºC. Yao et al. (2012) thử nghiệm 12 loại TSH và nhận thấy hiệu suất loại bỏ $NH_4^+$ dao động từ 1,8% đến 15,7% (tương ứng 0,05-0,79 mg/g). Khalil et al. (2018) chỉ ra than trấu 600ºC hấp phụ $NH_4^+$ đạt 2,9 mg/g, trong khi than rơm 600ºC biến tính bằng NaOH 1M đạt 4,5 mg/g ở 45ºC. Fidel et al. (2018) ghi nhận than bã ngô, than rơm hấp phụ từ 0,7 đến 4,5 mg N/g.

Về khả năng hấp phụ nitrate, các nghiên cứu cho thấy nhiệt độ nung cao làm tăng diện tích bề mặt (BET) và cấu trúc mao dẫn, hỗ trợ hấp phụ anion. Mizuta et al. (2004) xác định than tre nung ở 900ºC hấp phụ $NO_3^-$ đạt 1,25 mg/g. Kameyama et al. (2016) quan sát thấy than tre 800ºC có hiệu quả hấp phụ $NO_3^-$ đạt 0,15 mg/g. Yao et al. (2012) kết luận TSH bã mía, tre, vỏ đậu phộng và gỗ tiêu ở 600ºC loại bỏ được 0,02-0,64 mg/g $NO_3^-$. Zhou et al. (2019) ghi nhận khả năng hấp phụ $N-NO_3^-$ của than gỗ vụn đạt 0,67-1,43 mg/g và than sậy đạt 0,80-1,50 mg/g trong dải nhiệt độ 300-700ºC. Fidel et al. (2018) ghi nhận than bã ngô 600ºC hấp phụ 1,4-1,5 mg N/g. Hafshejania et al. (2016) sử dụng than bã mía 750ºC biến tính hóa học đạt dung lượng hấp phụ nitrate tối đa 28,21 mg N/g tại pH=4,64. Zhao et al. (2018) công bố than lõi ngô 600ºC đạt dung lượng hấp phụ $NO_3^-$ cực đại 14,64 mg/g ở pH=2 và 40ºC.

Về tác động lên phát thải khí nhà kính, các tài liệu ghi nhận sự biến thiên phụ thuộc vào nguyên liệu và điều kiện canh tác:

Loại than sinh học	Tỷ lệ bổ sung	Thời gian theo dõi (ngày)	Tỷ lệ giảm phát thải $CH_4$ (%)	Tác giả và năm công bố
Than trấu 600ºC	1,5% w/w	49	21,4	Liu et al. (2011)
Than trấu 600ºC	2,5% w/w	49	34,8	Liu et al. (2011)
Than tre 600ºC	2,5% w/w	49	91,2	Liu et al. (2011)
Than trấu 450ºC	50 tấn/ha	60	37,0	Wang et al. (2012)
Than rơm 300ºC	3% w/w	14	37,7	Wang et al. (2017)
Than rơm 500ºC	3% w/w	14	7,0	Wang et al. (2017)
Than rơm 700ºC	3% w/w	14	8,9	Wang et al. (2017)
Than rơm 600ºC	20 tấn/ha	90	29,7	Xiao et al. (2018)
Than rơm 600ºC	40 tấn/ha	90	15,6	Xiao et al. (2018)
Than tràm 400ºC	5 tấn/ha	90	22,0	Nam et al. (2021)
Than tràm 400ºC	10 tấn/ha	90	14,1	Nam et al. (2021)
Than trấu 400ºC	5 tấn/ha	90	24,2	Nam et al. (2021)
Than trấu 400ºC	10 tấn/ha	90	28,0	Nam et al. (2021)

Vị trí của luận án được xác định rõ: trong khi phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát trên dung dịch đơn chất chuẩn trong phòng thí nghiệm hoặc dùng các chất biến tính đắt tiền, luận án này đi sâu vào đánh giá than tre và than tràm nhiệt phân chuẩn hóa trong điều kiện dung dịch nước thải biogas thực tế có chứa nhiều ion cạnh tranh. Đồng thời, luận án liên kết quy trình hấp phụ thu hồi dinh dưỡng với việc tái sử dụng làm phân bón cho cây trồng và kiểm chứng khả năng giảm phát thải khí nhà kính trực tiếp trên hai hệ thống canh tác lúa và hoa màu tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt phân sinh khối và hóa học bề mặt của vật liệu carbon. Than sinh học là vật liệu rắn giàu carbon, có cấu trúc xốp gồm ba cấp độ lỗ: lỗ micro (< 2 nm, đóng góp 95% diện tích bề mặt BET), lỗ meso (2-50 nm, dưới 5% diện tích) và lỗ macro (> 50 nm, diện tích dưới 0,5 $m^2/g$, hoạt động như kênh dẫn). Cơ chế hấp phụ ion được giải thích dựa trên giá trị $pH_{pzc}$ (điểm có điện tích bề mặt bằng 0). Khi pH dung dịch thấp hơn $pH_{pzc}$, bề mặt than tích điện dương do nhận ion $H^+$, ưu tiên cơ chế trao đổi anion để hấp phụ $NO_3^-$. Khi pH dung dịch cao hơn $pH_{pzc}$, bề mặt than tích điện âm do giải hấp ion $H^+$, ưu tiên cơ chế trao đổi cation (CEC) để giữ $NH_4^+$.

Cơ chế giảm phát thải khí nhà kính trong đất dựa trên sự biến đổi thế oxy hóa khử (Eh), độ xốp và hoạt tính vi sinh vật. Khí $CH_4$ sinh ra mạnh trong điều kiện kỵ khí khi Eh < -200 mV. Bổ sung than sinh học giúp làm thoáng khí, tăng độ xốp, duy trì Eh đất ở ngưỡng thích hợp (-150 mV đến +180 mV) và thúc đẩy vi khuẩn methanotrophic oxy hóa $CH_4$. Đối với $N_2O$, than sinh học làm tăng pH đất, hạn chế phản ứng tạo $N_2O$ trong quá trình khử nitrate và phản nitrate hóa, đồng thời cố định các hợp chất nitơ hữu hiệu.

Phương pháp thực nghiệm được triển khai theo ba nội dung chính:

• Phương pháp chế tạo và phân tích đặc tính: Nguyên liệu tre và tràm được nghiền thành bột, ép viên nén bằng khuôn kim loại, sau đó nung ở ba mức nhiệt độ 500ºC, 700ºC và 900ºC trong lò nung kiểm soát môi trường khí trơ ($N_2$), không lẫn $O_2$. Cấu trúc vi mô được quan sát qua kính hiển vi điện tử quét (SEM). Diện tích bề mặt riêng được đo bằng phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET). Các nhóm chức năng bề mặt được xác định bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Xác định $pH_{pzc}$, dung lượng trao đổi cation (CEC), hàm lượng tro và thành phần nguyên tố khoáng.
• Phương pháp khảo sát hấp phụ: Thực hiện các thí nghiệm hấp phụ theo mẻ (batch experiments) để khảo sát ảnh hưởng của pH (từ 2 đến 11), liều lượng than (0,5-4 g/L), thời gian tiếp xúc (0-180 phút), và nồng độ ion ban đầu trong dung dịch chuẩn cũng như nước thải sau biogas chăn nuôi heo. Nồng độ $NH_4^+$ và $NO_3^-$ được xác định bằng phương pháp trắc quang phổ và chuẩn độ theo phương pháp tiêu chuẩn. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý qua mô hình động học bậc 1, bậc 2 và các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt:
  • Phương trình Langmuir: $q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e}$ (dạng tuyến tính: $\frac{C_e}{q_e} = \frac{1}{q_m K_L} + \frac{C_e}{q_m}$)
  • Phương trình Freundlich: $q_e = K_F C_e^{1/n}$ (dạng tuyến tính: $\ln q_e = \ln K_F + \frac{1}{n}\ln C_e$)
  • Dung lượng hấp phụ: $q_e = \frac{(C_i - C_e)V}{m}$
• Phương pháp thử nghiệm sinh học và đo đạc khí nhà kính:
  • Thí nghiệm bón than sau hấp phụ lên cây rau muống (Ipomoea aquatica Forsk) trồng trong chậu (30 ngày), theo dõi chiều cao, chiều dài rễ, sinh khối tươi, sinh khối khô và dư lượng nitrate tồn dư trong mô thực vật.
  • Thí nghiệm đo phát thải khí nhà kính trên đất lúa ngập nước liên tục (bón đạm theo công thức 30-60-60 kg N/ha) và đất trồng cải xanh (Brassica juncea, công thức bón phân 70-50-35 kg N/ha). Khí được thu bằng phương pháp buồng kín (closed chamber) có quạt đối lưu chạy pin, lấy mẫu bằng ống tiêm chuyên dụng vào các lọ chân không ở các thời điểm sinh trưởng then chốt (10-30 ngày sau sạ và 60-75 ngày sau sạ trên lúa). Mẫu khí được phân tích định lượng $CH_4$ và $N_2O$ bằng máy sắc ký khí (GC). Lượng phát thải quy đổi sang $CO_2$ tương đương ($CO_2e$) dựa trên hệ số nóng lên toàn cầu: $CH_4 = 25$ và $N_2O = 298$ theo IPCC.

Nguồn dữ liệu phân tích bao gồm các thông số hóa lý của nước thải chăn nuôi heo trước và sau túi biogas, mẫu đất lúa và đất hoa màu tại Cần Thơ, cùng toàn bộ chuỗi số liệu thực nghiệm đo đạc giai đoạn 2018-2020.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của ngành nông nghiệp ĐBSCL. Sự gia tăng đàn gia súc kéo theo áp lực xả thải chất thải chăn nuôi; nước thải sau biogas dù đã qua xử lý kỵ khí vẫn mang tải lượng ô nhiễm hữu cơ và chất dinh dưỡng cao, với hàm lượng $N-NH_4^+$ từ 106 đến 421 mg/L, tổng đạm (TN) từ 335 đến 712 mg/L, và tổng lân (TP) từ 122 đến 492 mg/L. Nồng độ nitrate vượt ngưỡng 45 mg/L (hoặc 10 mg/L $N-NO_3^-$) trong nước tiềm ẩn nguy cơ gây methemoglobin huyết (hội chứng trẻ em xanh) và các bệnh lý nguy hiểm. Đồng thời, sản xuất lúa gạo và rau màu đóng góp tỷ trọng lớn vào phát thải khí nhà kính tại Việt Nam (ngành nông nghiệp chiếm 33,2% tổng phát thải quốc gia năm 2010 với 88,3 triệu tấn $CO_2e$, trong đó lúa nước chiếm 50,5%). Chương này xác định rõ mục tiêu tổng quát, 2 mục tiêu cụ thể, 3 nội dung nghiên cứu kỹ thuật, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, cùng 3 điểm mới then chốt của luận án về quy trình nung than kiểm soát trong khí $N_2$, xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng từ nước thải biogas và định lượng mức độ giảm phát thải khí nhà kính trên đất canh tác.

Chương 2: Lược khảo tài liệu

Chương 2 cung cấp cơ sở tài liệu chi tiết gồm 8 phần lớn: tổng quan than sinh học; các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ dinh dưỡng; khả năng hấp phụ nitrate và ammonium; vai trò của than sinh học đối với đặc tính lý hóa học và sinh học của đất; vai trò của than sinh học đối với phát thải khí nhà kính; đặc điểm nước thải sau biogas; đặc điểm sinh khối tre, tràm; và sinh học của cây rau muống, cây cải xanh. Tác giả phân tích các số liệu về nước thải biogas chăn nuôi heo ghi nhận từ Hồng và Liệu (2012) cũng như Nữ và ctv. (2015):

Thông số	Đơn vị	Trước khi qua túi ủ biogas	Sau khi qua túi ủ biogas
Nhu cầu oxy sinh học ($BOD_5$)	mg/L	873 - 1690	192 - 582
Nhu cầu oxy hóa học (COD)	mg/L	1794 - 3871	264 - 789
Chất rắn hòa tan (SS)	mg/L	1528 - 4521	188 - 821
Chất rắn bay hơi (VSS)	mg/L	955 - 2753	123 - 499
Ammonium ($N-NH_4^+$)	mg/L	-	106 - 421
Tổng đạm (TN)	mg/L	421 - 778	335 - 712
Tổng lân (TP)	mg/L	131 - 512	122 - 492
Tổng Coliform	MPN/100 mL	$4,3 \times 10^6 - 110 \times 10^6$	$1,5 \times 10^6 - 75 \times 10^6$

Chương này cũng phân tích sâu ảnh hưởng của quá trình khử khoáng và rửa acid lên TSH từ công trình của Gai et al. (2014), chứng minh rửa acid làm tăng hấp phụ nitrate nhưng làm giảm hấp phụ ammonium do làm mất các cation kiềm trao đổi. Tác giả tổng hợp cơ chế cạnh tranh ion giữa các cation ($K^+ > Na^+ > Ca^{2+} > Mg^{2+}$ đối với $NH_4^+$) và anion ($CO_3^{2-} > SO_4^{2-} > Cl^-$ đối với $NO_3^-$), đồng thời phân tích các yếu tố nông học điều hòa phát thải $CH_4$ và $N_2O$ gồm tập quán làm đất, phương pháp gieo hạt, giống lúa, quản lý phân bón nitơ, thế oxy hóa khử Eh, nhiệt độ và pH đất.

Chương 3: Phương tiện và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày chi tiết toàn bộ trang thiết bị và quy trình thực nghiệm:

• Thiết bị và chế tạo: Máy nghiền bột gỗ tre và bột tràm, khuôn kim loại ép viên nén chuyên dụng, hệ thống lò nung nhiệt độ cao có kết nối dòng khí trơ $N_2$ liên tục nhằm duy trì môi trường yếm khí tuyệt đối ở 500ºC, 700ºC và 900ºC.
• Khảo sát đặc tính: Đo diện tích bề mặt riêng BET, chụp ảnh vi cấu trúc lỗ xốp bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, ghi phổ FTIR trong dải số sóng đặc trưng, phân tích hàm lượng khoáng và độ tro.
• Khảo sát hấp phụ đạm: Bố trí các nghiệm thức hấp phụ $NH_4^+$ và $NO_3^-$ trong dung dịch chuẩn và nước thải biogas ở các nồng độ khác nhau. Bố trí thí nghiệm nitrate hóa dung dịch nước thải biogas để chuyển hóa $NH_4^+$ thành $NO_3^-$ phục vụ kiểm tra khả năng hấp phụ anion.
• Khảo sát trên cây rau muống: Đánh giá than tre và than tràm sau khi đã hấp phụ no dinh dưỡng ($NH_4^+$ và $NO_3^-$) trong dung dịch biogas, phối trộn vào đất để trồng rau muống đối chứng với bón phân vô cơ và đối chứng không bón, theo dõi các chỉ tiêu hình thái và dư lượng đạm trong rau sau 30 ngày.
• Khảo sát phát thải khí nhà kính: Thí nghiệm chậu trong nhà lưới trên đất trồng lúa ngập nước liên tục và đất trồng cải xanh. Đo đạc các thông số đất (Eh, pH, EC). Hệ thống thu khí gồm buồng kín composite có gắn quạt khuấy đảo khí mini 12V, lấy mẫu định kỳ bằng ống tiêm 50 mL và chuyển vào lọ thủy tinh kín chân không, phân tích định lượng trên máy sắc ký khí GC chuyên dụng.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu thực nghiệm thu được từ ba nội dung nghiên cứu:

• Nội dung 1: Năng suất than sinh học giảm dần khi nhiệt độ nhiệt phân tăng từ 500ºC lên 900ºC. Ngược lại, diện tích bề mặt riêng BET của gỗ tre và tràm trước khi nung rất thấp nhưng sau khi nung ở 700ºC tăng mạnh. Ảnh SEM cho thấy cấu trúc bó mạch xốp phát triển rõ nét, hình thành mạng lưới lỗ vi mô dày đặc. Phổ FTIR thể hiện sự suy giảm mạnh các đỉnh hấp thụ của nhóm -OH và liên kết aliphatic C-H khi tăng nhiệt độ, chứng minh sự thơm hóa cấu trúc carbon. Giá trị $pH_{pzc}$ của than tre và than tràm đều có xu hướng tăng theo nhiệt độ nhiệt phân, đạt giá trị kiềm ở 700-900ºC.
• Nội dung 2:
  • Hấp phụ ammonium: Cả hai loại than hấp phụ $NH_4^+$ tối ưu tại pH=8, thời gian tiếp xúc đạt cân bằng sau 15 phút, liều lượng than tối ưu là 1 g/L. Dung lượng hấp phụ cực đại đạt từ 3,24 mg/g (than tre) đến 5,4 mg/g (than tràm). Dữ liệu thực nghiệm tương thích cao với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.
  • Hấp phụ nitrate: Quá trình nitrate hóa nước thải biogas diễn ra thuận lợi, tạo nguồn $NO_3^-$ ổn định. Than tre và than tràm hấp phụ $NO_3^-$ tối ưu ở môi trường acid với pH=4, liều lượng than 1 g/L, thời gian cân bằng 15 phút. Dung lượng hấp phụ nitrate tối đa đạt 8,1 mg/g đối với than tre và 15,5 mg/g đối với than tràm.
  • Thử nghiệm trên rau muống: Cây rau muống bón than sau hấp phụ đạm sinh trưởng thuận lợi; chiều cao thân, chiều dài rễ, sinh khối tươi và sinh khối khô đều cải thiện rõ rệt so với đối chứng không bón. Phân tích sau thu hoạch cho thấy hàm lượng nitrate tích lũy trong mô cây rau muống hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn thực phẩm.
• Nội dung 3:
  • Trên đất lúa ngập nước liên tục: Các nghiệm thức có bổ sung than sinh học tre và tràm làm giảm đáng kể lượng phát thải khí $CH_4$ tích lũy từ 23,6% đến 47,1% so với nghiệm thức đối chứng không bổ sung than, trong khi năng suất sinh khối lúa không bị suy giảm. Sự phát thải $N_2O$ trên đất lúa ngập nước duy trì ở mức rất thấp do điều kiện yếm khí sâu (Eh thấp).
  • Trên đất trồng cải xanh: Bổ sung than tre và tràm giúp giảm lượng phát thải khí $N_2O$ lên đến 60% so với nghiệm thức bón đạm urê đơn thuần. Tổng lượng phát thải khí nhà kính quy đổi ($CO_2e$) trên đất trồng cải giảm đáng kể. Cây cải xanh đạt các chỉ tiêu chiều cao, chiều dài rễ và sinh khối tươi, khô tối ưu tại các nghiệm thức kết hợp than sinh học.

Kết luận và kiến nghị

Phần kết luận tổng hợp ngắn gọn các phát hiện thực nghiệm then chốt: than tre và than tràm sản xuất ở điều kiện kiểm soát khí $N_2$ sở hữu đặc tính hóa lý tối ưu cho xử lý môi trường; xác định được điều kiện hấp phụ đạm tối ưu (pH=8 cho $NH_4^+$ và pH=4 cho $NO_3^-$ với thời gian 15 phút); than sau hấp phụ có giá trị tái sử dụng làm phân bón an toàn; việc ứng dụng than vào đất canh tác giảm từ 23,6% đến 47,1% phát thải $CH_4$ trên đất lúa và giảm tới 60% phát thải $N_2O$ trên đất hoa màu.

Phần kiến nghị của tác giả đề xuất tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng than tre và than tràm trên quy mô đồng ruộng thực địa ngoài nhà lưới để kiểm chứng các biến động thời tiết; nghiên cứu hoàn thiện hệ thống nitrate hóa nước thải biogas kết hợp chuỗi lọc hấp phụ hai cấp; và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi triển khai mô hình kinh tế tuần hoàn Vườn - Ao - Chuồng - Biogas (VACB) tích hợp than sinh học tại nông hộ vùng ĐBSCL.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã nêu rõ những đóng góp mới về mặt khoa học lý luận và ứng dụng thực tiễn:

• Đóng góp về lý luận và khoa học:
  1. Lần đầu tiên tại vùng nghiên cứu, quy trình nhiệt phân tre (Bambusa blumeana) và tràm (Melaleuca cajuputi) được chuẩn hóa trong môi trường khí trơ ($N_2$), không lẫn $O_2$ ở ba mức nhiệt độ 500ºC, 700ºC, 900ºC, cung cấp bộ dữ liệu có hệ thống về diện tích bề mặt riêng BET, hình thái vi xốp qua ảnh SEM, các nhóm chức bề mặt qua phổ FTIR, giá trị $pH_{pzc}$ và dung lượng trao đổi cation CEC.
  2. Xác lập được cơ chế và các thông số đẳng nhiệt hấp phụ ammonium và nitrate của than tre, than tràm trong môi trường nước thải sau biogas chăn nuôi heo thực tế; chứng minh tính tương thích của dữ liệu thực nghiệm với các mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich.
  3. Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm định lượng về khả năng cắt giảm phát thải khí nhà kính ($CH_4$ giảm 23,6-47,1% trên ruộng lúa ngập nước; $N_2O$ giảm đến 60% trên đất hoa màu) của than tre và than tràm trong điều kiện canh tác cụ thể tại ĐBSCL.
• Đóng góp về thực tiễn và giải pháp ứng dụng:
  • Mở ra giải pháp tận dụng hiệu quả nguồn sinh khối phế phụ phẩm dồi dào từ rừng tràm và rừng tre tại ĐBSCL, góp phần giảm thiểu rác thải sinh khối và bảo vệ môi trường sinh thái.
  • Đưa ra quy trình chi phí thấp xử lý nguồn dinh dưỡng dư thừa ($NH_4^+$ và $NO_3^-$) trong nước thải sau biogas của các mô hình nông nghiệp VACB.
  • Đề xuất giải pháp tuần hoàn dinh dưỡng bằng cách tái sử dụng than sinh học sau hấp phụ làm nguồn phân bón bổ sung an toàn cho cây rau màu, vừa nâng cao sinh khối cây trồng vừa giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong canh tác nông nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ các giới hạn nghiên cứu xuất phát từ phạm vi thực hiện:

• Hạn chế: Toàn bộ các thí nghiệm khảo sát phát thải khí nhà kính ($CH_4$ và $N_2O$) và thử nghiệm bón than sau hấp phụ lên cây trồng mới chỉ được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm và nhà lưới tại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Đại học Cần Thơ, chưa triển khai đối chứng trực tiếp trên đồng ruộng quy mô lớn chịu tác động của các biến số thời tiết tự nhiên; nguồn nước thải biogas mới chỉ khảo sát trên cơ chất nạp là phân heo; chưa theo dõi diễn biến phát thải và độ bền của than sinh học qua nhiều vụ mùa canh tác liên tiếp.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng các thí nghiệm đồng ruộng thực địa trên các vùng đất khác nhau tại ĐBSCL để kiểm chứng hiệu lực giảm phát thải và năng suất cây trồng.
  • Thử nghiệm khả năng hấp phụ của than tre và than tràm trên các loại nước thải nông nghiệp và công nghiệp khác nhau.
  • Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế cột lọc hấp phụ liên tục ứng dụng trực tiếp tại các công trình khí sinh học nông hộ và trang trại chăn nuôi.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Môi trường Đất và Nước, Khoa học Môi trường, Nông học: Tham khảo phương pháp chuẩn hóa chế tạo than sinh học trong môi trường khí trơ $N_2$, quy trình đo đạc BET, SEM, FTIR, $pH_{pzc}$, phương pháp mô hình hóa đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich, và kỹ thuật đo đạc phát thải khí nhà kính bằng phương pháp buồng kín kết hợp máy sắc ký khí (GC).
• Nhà hoạch định chính sách nông nghiệp và cán bộ quản lý môi trường tại ĐBSCL: Cung cấp số liệu định lượng về tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa và hoa màu để xây dựng các kịch bản giảm phát thải theo định hướng của IPCC và thúc đẩy các mô hình kinh tế tuần hoàn nông nghiệp.
• Kỹ sư môi trường và người làm kỹ thuật trang trại: Ứng dụng quy trình hấp phụ đạm trong nước thải biogas và tái sử dụng than làm chất cải tạo đất, nâng cao giá trị gia tăng cho mô hình VACB.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều kiện tối ưu để than tre và than tràm hấp phụ ammonium và nitrate trong nước thải sau biogas là gì?
Quá trình hấp phụ $NH_4^+$ đạt hiệu quả cao nhất ở pH=8, thời gian tiếp xúc 15 phút và liều lượng than 1 g/L. Ngược lại, quá trình hấp phụ $NO_3^-$ đạt tối ưu ở pH=4, thời gian tiếp xúc 15 phút và liều lượng than 1 g/L.

2. Dung lượng hấp phụ cực đại của than tre và than tràm đối với ammonium và nitrate đạt bao nhiêu?
Dung lượng hấp phụ $NH_4^+$ cực đại của than tre và than tràm đạt từ 3,24 đến 5,4 mg/g. Dung lượng hấp phụ $NO_3^-$ cực đại đạt 8,1 mg/g đối với than tre và 15,5 mg/g đối với than tràm. Dữ liệu thực nghiệm đều phù hợp với mô hình Langmuir và Freundlich.

3. Khả năng làm giảm phát thải khí nhà kính của than tre và than tràm trên đất lúa ngập nước liên tục được ghi nhận như thế nào?
Bổ sung than tre và than tràm vào đất lúa ngập nước liên tục làm giảm lượng phát thải khí $CH_4$ tích lũy từ 23,6% đến 47,1% so với nghiệm thức đối chứng không bón than, trong khi năng suất sinh khối lúa vẫn được duy trì ổn định.

4. Bổ sung than tre và than tràm vào đất trồng cải xanh mang lại hiệu quả gì đối với phát thải $N_2O$ và sinh trưởng của cây?
Bổ sung than sinh học giúp làm giảm lượng phát thải khí $N_2O$ trên đất trồng cải xanh lên đến 60% so với nghiệm thức bón phân urê đơn thuần, đồng thời cải thiện chiều cao cây, chiều dài rễ và năng suất sinh khối tươi, khô của cải.

5. Việc bón than sinh học sau khi đã hấp phụ dinh dưỡng từ nước thải biogas có gây mất an toàn về dư lượng nitrate trong rau muống không?
Kết quả phân tích sau 30 ngày canh tác cho thấy hàm lượng nitrate tồn dư trong các bộ phận của cây rau muống sau thu hoạch đều nằm trong ngưỡng an toàn cho phép theo quy chuẩn thực phẩm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của NCS Phạm Ngọc Thoa đã giải quyết thành công các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc chế tạo than sinh học chuẩn hóa từ tre (Bambusa blumeana) và tràm (Melaleuca cajuputi), xác định rõ các đặc tính lý hóa và cơ chế hấp phụ $NH_4^+$ và $NO_3^-$ trong nước thải sau biogas. Kết quả thực nghiệm khẳng định hiệu quả cắt giảm phát thải $CH_4$ từ 23,6% đến 47,1% trên đất lúa ngập nước liên tục và giảm tới 60% phát thải $N_2O$ trên đất trồng cải xanh. Công trình cung cấp luận cứ khoa học thực nghiệm có giá trị phục vụ công tác quản lý ô nhiễm nước thải nông nghiệp, tuần hoàn dinh dưỡng và phát triển các mô hình canh tác giảm nhẹ phát thải khí nhà kính tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Than sinh học (TSH) là một vật liệu rắn giàu cacbon được tạo ra sau khi than hoá sinh khối ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu oxy, chứa hàm lượng cacbon cao và ổn định trong hàng trăm đến hàng nghìn năm sau khi được bón vào đất (Lehmann and Joseph, 2015). Một số loại TSH đã được sử dụng trong xử lý NH4+ và cho kết quả tốt như than bã ngô ở 400-500ºC, than rơm 500ºC, than bạch đàn 600ºC có thể hấp phụ NH4+ với một lượng từ 0,7-4,5 mg N/1g than (Fidel et al., 2018), (Khalil et al., 2018), (Yao et al. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng TSH có khả năng hấp phụ NO3- từ dung dịch chẳng hạn như than bã ngô 600ºC có thể hấp phụ NO 3- với một lượng 1,4-1,5 mg N/g (Fidel et al., 2018), hay TSH biến tính từ bã mía 600ºC có thể hấp phụ NO3- tối đa đến 28,21 mg N/g (Hafshejania et al.

Hiện nay, ngày càng có nhiều công trình nghiên cứu công nhận tiềm năng hấp phụ nitrogen của TSH và ứng dụng TSH trong kiểm soát ô nhiễm nguồn nước. Một lợi ích tiềm năng khác của TSH là khi bổ sung TSH vào đất có khả năng làm giảm phát thải khí N2O và CH4 thông qua sự cô lập cacbon trong đất, và mang lại những lợi ích khác, chẳng hạn như cải thiện độ phì nhiêu của đất, giữ độ ẩm cho đất và tăng năng suất cây trồng. Tuy nhiên, tác động chính xác của việc sử dụng TSH đối với phát thải KNK trong đất có nhiều kết quả khác nhau trong nhiều nghiên cứu điển hình (Cayuela et al., 2014; Lorenz and Lal, 2014). Hàm lượng CH 4 và N2O trong đất tăng đáng kể trong một số nghiên cứu (Yanai et al., 2007; Zwieten et al., 2010; Jones et al., 2011; Wang et al., 2012), nhưng lại giảm hoặc không thay đổi ở những nghiên cứu khác (Rogovska et al., 2011; Feng et al., 2012; Zheng et al., 2012; Case et al., 2014; Quin et al.

Ví dụ, một thí nghiệm trên đất trồng lúa được bổ sung TSH được sản xuất từ rơm lúa mì đã làm giảm 41,8% lượng khí thải N2O (Zhang et al. Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có tiềm năng lớn để phát triển kinh tế nông nghiệp và đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo an ninh lương thực quốc gia. Hiện nay, thu nhập từ chăn nuôi gia súc, gia cầm và thủy hải sản đang chiếm tỉ trọng lớn trong sản xuất nông nghiệp ở ĐBSCL. Tuy nhiên, nguồn chất thải từ các hoạt động này chứa hàm lượng dinh dưỡng cao hiện đang là mối đe dọa đối với các hệ sinh thái dưới nước thông qua rửa trôi (Cruse et al.

Nước thải sau biogas vẫn chứa nồng độ các ion hòa tan cao, trong đó ion NH4+ và NO3- có tiềm năng gây ô nhiễm nguồn nước rất lớn (Nu et al. Ion NH4+ là một trong những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước, khi hàm lượng ion NH4+ cao có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. Tác động dễ thấy nhất của hiện tượng phú dưỡng là tạo ra các đợt tảo nở hoa dày đặc gây mùi hôi, làm giảm độ trong của nước và làm suy giảm chất lượng nguồn nước (Chislock et al. Mặt 1 khác, khi tảo chết đi sẽ bị phân hủy bởi vi sinh vật và quá trình này sẽ làm cạn kiệt lượng oxy hòa tan gây hại cho hầu hết các sinh vật thủy sinh (Arend et al.

Ion NO3- có độ hòa tan cao, do đó rất khó để loại bỏ nó ra khỏi nguồn nước. Khi nồng độ ion NO3- trên 45 mg/L dưới dạng NO3- hoặc trên 10 mg/L dưới dạng N-NO3- thì không thể sử dụng làm nước uống (Food, 2002). Bởi vì, các phản ứng trao đổi chất bên trong cơ thể người sẽ chuyển hóa ion NO3- thành các hợp chất độc hại như ion NO2- và nitrosoamines. Khi nồng độ ion NO3- cao hơn mức giới hạn cho phép sẽ gây ra chứng methemoglobin huyết hoặc hội chứng trẻ em xanh, làm tăng tỷ lệ tử vong ở trẻ sơ sinh, dị tật bẩm sinh, ung thư, tăng huyết áp.

Trẻ sơ sinh dễ mắc bệnh hơn do tiêu thụ nhiều ion NO3- qua nước uống so với người lớn (Brindha et al. Vì vậy, cần phải có biện pháp để quản lý nguồn chất thải này. Hiện nay, nhiều phương pháp đã được áp dụng nhằm loại bỏ ion NH4+ và NO3- ra khỏi nguồn nước trong đó phương pháp hấp phụ ngày càng được chú ý rộng rãi vì đơn giản, hiệu suất cao, giá thành rẻ, và dễ ứng dụng vào thực tiễn. Các vật liệu chính được sử dụng làm vật liệu hấp phụ để loại bỏ nitrate thường là zeolit và than sinh học (TSH).

Bên cạnh chăn nuôi thì ĐBSCL cũng là nơi sản xuất lượng lớn lúa gạo và rau màu vì vậy hoạt động trồng trọt cũng trở thành một trong những nguồn chính sinh ra khí gây hiệu ứng nhà kính mà chủ yếu là khí N2O và CH4. Trong đó, CH4 có hấp phụ bức xạ nhiệt cao gấp 21 lần so với khí CO2, đóng góp 16% vào quá trình tăng nhiệt độ môi trường, chu kỳ tồn tại của CH4 khoảng 100 năm. Khí N2O đóng góp 6% làm tăng nhiệt độ môi trường, có chu kỳ tồn tại trong khí quyển rất lâu từ 130-150 năm. Khí N2O được hình thành do quá trình phân hủy các hợp chất nitơ trong đất chủ yếu là từ nguồn phân đạm (IPCC, 2014).

Nguồn nguyên liệu để sản xuất TSH rất đa dạng như phân, bùn, sinh khối thực vật (Lehmann et al. Trong khi đó, ĐBSCL là nơi có lượng sinh khối thực vật dồi dào có thể tận dụng để sản xuất TSH như tre và tràm. Tre (Bambusa blumeana) là loài dễ sinh trưởng và phát triển, có khả năng tự tái sinh (Mohamed et al., 2007), rất phổ biến ở Việt Nam, chiếm hơn 1,2 triệu ha rừng trồng ở miền Nam và miền Bắc Việt Nam, sản xuất khoảng 7 triệu tấn bã sinh khối/năm với sản lượng trung bình hàng năm lên đến 13 tấn/ha (Agency, 2012). Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của rừng tre sau đó biến thành rừng độc canh là nguyên nhân làm giảm đa dạng sinh học, dinh dưỡng của đất và phá hoại cấu trúc vật chất của đất (Yiping and Henley, 2010; Song et al., 2011; Buckingham et al.

Mặt khác, tính đến năm 2015, khoảng 11,1 triệu ha diện tích rừng tự nhiên còn lại, trong đó cây tràm (Melaleuca cajuputi) chiếm 176 nghìn ha (Bazile et al. Ước tính rằng gần 5 triệu tấn phụ phẩm gỗ được sản xuất hàng năm từ rừng tự nhiên (Agency, 2012). Việc quản lý không đúng nguồn sinh khối dồi dào này ở ĐBSCL sẽ gây lãng phí và góp phần làm tăng nguy cơ ô nhiễm môi trường. Do đó, sản xuất TSH từ các sinh khối này có thể làm giảm các tác động tiêu cực đến môi trường.

Than sinh học tre và tràm có thể ứng dụng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước, 2 đồng thời góp phần hạn chế sự phóng thích các khí gây hiệu ứng nhà kính trong quá trình sản xuất nông nghiệp, xuất phát từ vấn đề thực tiễn trên, đề tài “Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi)” đã được thực hiện. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu tổng quát Xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải nhà kính từ TSH tre (Bambusa blumeana) và TSH tràm (Melaleuca cajuputi) từ nước thải biogas ở Cần Thơ vùng ĐBSCL. Mục tiêu cụ thể - Xác định khả năng hấp phụ ammonium và nitrate của TSH tre và tràm trong dung dịch nước thải sau biogas.

- Xác định khả năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O của TSH tre và tràm trên đất trồng lúa và đất trồng hoa màu. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 1. Ý nghĩa khoa học Chất hấp phụ là TSH tre và tràm đã được tạo ra bằng quy trình đạt tiêu chuẩn (nung trong điều kiện môi trường khí trơ (N2), không lẫn O2 và kiểm soát được nhiệt độ nung). Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và khí nhà kính của TSH được xác định thông qua hàng loạt các thí nghiệm, tất cả các thông số có được từ các thí nghiệm đều được thống kê theo các phương pháp khoa học hiện đại đang được áp dụng phổ biến trên thế giới.

Từ đó làm cơ sở cho việc giải thích cơ chế hấp phụ của TSH một cách khoa học và logic. Ý nghĩa thực tiễn Than sinh học tre và tràm giúp xử lý ô nhiễm hữu cơ nguồn nước trong các mô hình sản xuất nông nghiệp như VACB đang rất phổ biến ở ĐBSCL. Than sinh học tre và tràm sau khi hấp phụ NH4+ và NO3- có thể được tận dụng như nguồn phân hữu cơ. Bổ sung TSH tre và tràm cho đất trồng lúa và hoa màu giúp cải thiện các tính chất lý hóa đất, đồng thời giảm được sự phóng thích các khí gây hiệu ứng nhà kính như CH4, N2O.

Kết quả của đề tài còn được sử dụng để bổ sung tài liệu phục vụ cho việc giảng dạy, học tập, nghiên cứu trong các trường đại học và viện nghiên cứu. Ngoài ra đề tài còn là nguồn thông tin quý giá giúp cho chính quyền địa phương trong công tác sản xuất nông nghiệp bền vững cho tương lai ĐBSCL. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nguyên liệu tạo TSH trong phòng thí nghiệm gồm tre (Bambusa blumeana) và 3 tràm (Melaleuca cajuputi) được thu thập tại Cần Thơ vùng ĐBSCL. Đề tài tập trung nghiên cứu, đánh giá tiềm năng hấp phụ ammonium và nitrate trong dung dịch chuẩn và nước thải sau biogas (nguyên liệu nạp là phân heo) của TSH tre và tràm trong phòng thí nghiệm thuộc Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên, Đại học Cần Thơ.

Đánh giá khả năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O trên mô hình trồng lúa và hoa màu, trong điều kiện nhà lưới, thuộc Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên, Đại học Cần Thơ. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tạo TSH ở 3 mức nhiêt độ bao gồm 500ºC, 700ºC và 900ºC từ nguồn nguyên liệu tre và tràm, sau đó xác định tính chất vật lý và hóa học của TSH. - Khảo sát khả năng hấp phụ ammonium và nitrate trong dung dịch chuẩn và nước thải sau biogas của than tre và than tràm. - Sử dụng TSH tre và tràm bổ sung vào đất giúp hạn chế lượng phát thải khí CH4 trên đất trồng lúa ngập nước liên tục và khí N 2O ở trên đất trồng màu.

TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN Lần đầu tiên tại vùng nghiên cứu đã có các thành công: (1) Tạo được than sinh học đạt tiêu chuẩn trong môi trường khí trơ (N2), không lẫn O2 trong điều kiện nhiệt độ có kiểm soát.