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.
