Đặt vấn đề Than sinh học (TSH) là một sản phẩm giàu carbon thu được do nhiệt phân sinh khối các chất hữu cơ như gỗ, phân chuồng hoặc lá cây được đốt trong điều kiện ít hoặc không có oxy (Lehmann & Joseph, 2012). Nguyên liệu chế tạo rất đa dạng trong đó các phụ phẩm sinh học trong nông nghiệp là nguồn phổ biến và rẻ tiền. Trong lĩnh vực môi trường, TSH đã được ứng dụng trong hấp phụ dinh dưỡng (Clough, et al., 2013; Mizuta, et al., 2004; Yao, et al., 2012), làm chất mang cải tạo đất (Lehmann et al., 2011), lưu giữ carbon (Yoo, et al., 2015; Lin, et al., 2015; Chan, et al., 2008) và giảm phát thải KNK (Mukherjee & Lal, 2013; Xie, et al. Nước thải từ hoạt động chăn nuôi là nguồn thải có chứa hàm lượng dinh dưỡng cao như P-PO43− dao động từ 37,2 – 51,1 mg L−1; N-NO3− từ 0,30 – 1,14 mg L−1; N- NH4+ từ 105,6 – 217,9 mg L−1 (Nữ và ctv., 2015) với nồng độ này nếu không được thu gom xử lý thì sẽ là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước mặt.
Đặc biệt nếu hàm lượng N-NH4+ cao có thể gây hại cho sinh vật trong nước và gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa ở các sông hồ. Ngoài ra hàm lượng nitrate trong nguồn nước có thể gây ra mối đe dọa cho sức khỏe cộng đồng, chẳng hạn như gây ung thư (Song, et al., 2015), các mô thần kinh và tổn thương nhận thức (Lefferts, et al. Nitrate là một chất có đặc tính ổn định và độ hòa tan trong nước cao. Do đó, làm thế nào để loại bỏ nitrate trong nước một cách hiệu quả và kinh tế đã trở thành một vấn đề.
Bên cạnh những tác hại từ hoạt động chăn nuôi, lúa nước cũng là nguồn gây phát thải khí nhà kính (KNK), làm gia tăng nhiệt độ của trái đất gây hiện tượng ấm lên toàn cầu. Đối với các hoạt động sản xuất của ngành, phát thải do canh tác lúa ngập nước lên đến trên 57% lượng KNK của cả ngành, chủ yếu là khí mê-tan (CH4) và ôxít nitơ (N2O), tiếp theo là các hoạt động chăn nuôi (Chan, et al., 2008; Nguyen, et al., 2015; Trịnh, et al. Trấu và lục bình là hai nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp lớn và phổ biến ở Việt Nam. Theo tính toán tổng lượng trấu cả nước ước tính là 6,54 triệu tấn năm−1, lượng trấu này hiện nay được xử lý chủ yếu bằng phương pháp đốt thu nhiệt nên gây ô nhiễm môi trường rất lớn.
Bên cạnh đó sự phát triển nhanh chóng của lục bình (140 tấn ha−1 năm−1) (Gunnarsson & Petersen, 2007) đã trở thành một vấn đề ở các kênh, rạch, ao hồ ở nhiều nơi trên thế giới như cản trở sự lưu thông trên sông ngòi, kênh rạch, đặc biệt khi chết chúng gây ô nhiễm môi trường nước một cách nghiêm trọng. Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để giải quyết các vấn đề trên như quá trình lọc màng, oxi hóa nâng cao, phân hủy quang xúc tác, và phương pháp hấp phụ. Trong đó, hấp phụ là một trong những phương pháp đơn giản, hiệu quả và phù hợp nhất bởi vì vật liệu hấp phụ được chế tạo từ trấu và lục bình rẻ tiền có sẵn tại địa phương, vật liệu sau khi hấp phụ được tận dụng làm chất mang bổ sung dinh dưỡng cho cây, tăng khả năng lưu giữ carbon trong đất và giảm phát thải 1 KNK, hạn chế tác động gây biến đổi khí hậu (BĐKH). Than sinh học có thể chế tạo từ nhiều nguồn, trong đó các phụ phẩm sinh học trong nông nghiệp từ trấu và lục bình là nguồn phổ biến và rẻ tiền ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), với mục tiêu kép về hiệu quả kinh tế và môi trường.
Phát thải KNK là một vấn đề môi trường đang được quan tâm và cần hạn chế phát thải phù hợp với các cam kết quốc tế của Việt Nam. Việc lựa chọn vật liệu có sẵn địa phương hấp phụ chất dinh dưỡng trong nước sẽ góp phần làm giảm chi phí xử lý ô nhiễm môi trường nước. Bên cạnh đó, thử nghiệm vật liệu sau hấp phụ bón vào đất thay thế một phân bón, giảm tổng lượng phát thải KNK và tăng năng suất cây trồng là cần thiết. Xuất phát từ những lý do trên, đề tài: “Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình” được thực hiện.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.1 Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của TSH từ phế phụ phẩm trong nông nghiệp góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm phát thải KNK từ các hoạt động canh tác nông nghiệp.2 Mục tiêu cụ thể Chế tạo than trấu và than lục bình.
Xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng của nước thải biogas bằng than trấu và than lục bình để giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất và nước. Xác định khả năng giảm phát thải khí nhà kính khi bổ sung than trấu và than lục bình để giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí.3 Nội dung nghiên cứu 1.1 Nội dung 1: Chế tạo than trấu và than lục bình - Sản xuất than trấu và than lục bình. - Xác định pH, CEC, EC và thành phần nguyên tố của than trấu và than lục bình ở nhiệt độ 500oC, 700oC và 900oC.2 Nội dung 2: Ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas - Khảo sát khả năng hấp phụ dinh dưỡng của than trấu và than lục bình trong nước thải biogas.3 Nội dung 3: Sử dụng than sinh học như chất mang và cung cấp dinh dưỡng cho cây rau muống, giảm phát thải khí nhà kính trong trồng lúa - Khảo sát khả năng sinh trưởng của cây rau muống khi bổ sung than trấu và than lục bình đã hấp phụ dinh dưỡng trong nước thải biogas. 2 - Khả năng giảm phát thải CH4 và N2O khi bổ sung than trấu và than lục bình.4 Giới hạn nghiên cứu - Nguyên liệu sản xuất TSH: Trấu được lấy từ giống lúa OM5451 tại tỉnh Hậu Giang; Lục bình thu gom ở kênh rạch khóm 5, phường 8, thành phố Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long; - Nước thải biogas được thu tại hộ Trần Ngọc Khoa, Phú Quới, Long Hồ, Vĩnh Long.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng (NH4+ và NO3−) của nước thải biogas bằng than trấu và than lục bình; khả năng giảm phát thải của than trấu và than lục bình sản xuất ở nhiệt độ 700oC. - Nghiên cứu khả năng sinh trưởng của rau muống và khả năng giảm phát thải CH4 và N2O từ sản xuất lúa trong điều kiện ở nhà lưới.5 Ý nghĩa của luận án 1.1 Về khoa học Kết quả đạt được của luận án cho thấy hai loại TSH được sản xuất từ nguồn sinh khối bản địa là trấu và lục bình được tạo trong điều kiện phòng thí nghiệm với điều kiện nhiệt độ được kiểm soát, môi trường khí N2. Các tính chất vật lý và hóa học của hai loại than được xác định bằng các phương pháp phân tích khoa học, hiện đại. Khả năng hấp phụ ammonium và nitrate trong dung dịch chuẩn và trong nước thải biogas; khả năng cung cấp dưỡng chất cho sự phát triển của cây rau muống; khả năng giảm phát thải khí CH4 và N2O từ đất trồng lúa nước của hai loại TSH đã được đánh giá qua kết quả đã được công bố trên các tạp chí có chỉ số trong và ngoài nước như: Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (ISSN 1859-4581), tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên (ISSN 1859-2171; 2734-9098) và Journal of Bioresources (UGC-CARE Quality Journal, ISSN 2394-4315 – E-ISSN 2582-2276).2 Về thực tiễn Than sinh học được sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp tại địa phương, rẻ tiền (trấu và lục bình) làm vật liệu hấp phụ dinh dưỡng (NH4+ và NO3−) trong nước thải chăn nuôi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Than sinh học sau khi hấp phụ dưỡng chất có thể được sử dụng để bón cho đất canh tác lúa và hoa màu, góp phần cải thiện tính chất hóa lý của đất sản xuất. Mặt khác, TSH bón cho đất còn có khả năng giảm thiểu sự phát thải khí nhà kính (CH4 và N2O) trong sản xuất nông nghiệp ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Kết quả của nghiên cứu còn có thể được sử dụng làm tài liệu phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu tại các Viện, trường Đại học.6 Những đóng góp mới của luận án Than trấu và than lục bình ở 700oC đều có khả năng hấp phụ NH4+ và NO3− trong nước thải biogas. Dung lượng hấp phụ NH4+ và NO3− lớn nhất của than trấu và than lục bình lần lượt là 5,51 mg g−1 và 4,31 mg g−1; 9,87 mg g−1 và 9,59 mg g−1 (hiệu suất 24,71% và 26,71%; 69,70% và 64,14%).
Than trấu và than lục bình ở 700oC hấp phụ NH4+ hoặc NO3− của nước thải biogas đều có ảnh hưởng tốt cho sự phát triển về sinh khối của cây rau muống. Kết hợp phân bón hóa học với than trấu hoặc than lục bình ở tỷ lệ 50 : 50 cho sinh khối tốt nhất. Bổ sung 20 tấn ha−1 than trấu hoặc than lục bình vào đất nông nghiệp có ảnh hưởng đến việc giảm phát thải khí CH4 và N2O cao nhất lần lượt là 15,99%, 48,47% cho than trấu và 20,14%, 51,90% cho than lục bình. Than sinh học sản xuất từ nguyên liệu rẻ tiền ở địa phương là trấu, một phụ phẩm ngành sản xuất lúa và cây lục bình, một loại cây có thể gặp ở nhiều nơi ở Việt Nam làm nguyên liệu hấp phụ dinh dưỡng.
Sử dụng vật liệu hấp phụ làm chất mang dinh dưỡng cho cây trồng, với 2 tác dụng, chuyển chất ô nhiễm từ nước thải sinh học (biogas) thành chất dinh dưỡng và sử dụng TSH như một tác nhân mang và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Làm giảm ô nhiễm môi trường và giảm phát thải KNK từ canh tác cây trồng, giúp tăng cường lợi ích kinh tế và lợi ích môi trường cho người dân trong khu vực và góp phần hạn chế tác động của BĐKH toàn cầu. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về than sinh học 2.1 Khái niệm về than sinh học Than sinh học (TSH) là một sản phẩm giàu carbon thu được do nhiệt phân sinh khối các sản phẩm từ thực vật, động vật, kể cả các loại phân chuồng,… được đốt trong điều kiện ít hoặc không có oxy; hay TSH là sản phẩm bởi sự phân hủy các chất hữu cơ dưới điều kiện giới hạn oxy và nhiệt độ thấp (< 700oC) (Lehmann & Joseph, 2012).2 Quy trình sản xuất than sinh học 2.
