Luận án tiến sĩ khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình

Luận án tiến sĩ nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình, ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Đạt Phương
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Lộc
• 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 trấu và than lục bình
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2.1. Mục tiêu tổng quát
• 1.2.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.3.1. Nội dung 1: Chế tạo than trấu và than lục bình
• 1.3.2. Nội dung 2: Ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas
• 1.3.3. 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
• 1.4. Giới hạn nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa của luận án
• 1.5.1. Về khoa học
• 1.5.2. Về thực tiễn
• 1.6. Những đóng góp mới của luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Tổng quan về than sinh học
• 2.1.1. Khái niệm về than sinh học
• 2.1.2. Quy trình sản xuất than sinh học
• 2.1.3. Đặc tính của than sinh học
• 2.1.4. Tổng quan về hấp phụ
• 2.1.5. Một số phương trình đẳng nhiệt mô tả quá trình hấp phụ
• 2.1.6. Cơ chế hấp phụ các chất của than sinh học
• 2.2. Ứng dụng của than sinh học
• 2.2.1. Than sinh học hấp phụ dinh dưỡng
• 2.2.2. Than sinh học như là chất mang cải tạo dinh dưỡng cho đất
• 2.2.3. Than sinh học lưu giữ carbon trong đất và giảm phát thải khí nhà kính
• 2.3. Tổng quan về nước thải sau túi ủ biogas
• 2.3.1. Nước thải sau túi ủ biogas
• 2.3.2. Thành phần hóa học và dinh dưỡng của nước thải sau túi ủ biogas
• 2.4. Một số đặc điểm của cây lục bình như là nguyên liệu sản xuất than sinh học
• 2.5. Một số đặc điểm của cây rau muống và cây lúa
• 2.5.1. Cây rau muống
• 2.5.2. Sản xuất lúa và các vấn đề môi trường trong sản xuất lúa
• 2.6. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
• 3.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm
• 3.2.3. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Tính chất hóa lý của than sinh học được chế tạo từ trấu và lục bình
• 4.2. Ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas
• 4.2.1. Khả năng hấp phụ ammonium của than trấu và than lục bình từ dung dịch chuẩn và nước thải biogas
• 4.2.2. Khả năng hấp phụ nitrate của than trấu và than lục bình từ dung dịch chuẩn và nước thải biogas
• 4.3. 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
• 4.3.1. 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
• 4.3.2. Khả năng giảm phát thải CH4, N2O khi bổ sung than trấu và than lục bình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Luận án tập trung vào việc nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình. Mục tiêu tổng quát là góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính từ các hoạt động nông nghiệp. Cụ thể, nghiên cứu nhằm chế tạo than sinh học từ trấu và lục bình, xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng từ nước thải biogas, và ứng dụng than sinh học trong việc cải thiện sinh trưởng cây trồng cũng như giảm phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa.

1.1. Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính từ các hoạt động nông nghiệp.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Chế tạo than trấu và than lục bình từ phế phẩm nông nghiệp, xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng từ nước thải biogas, và ứng dụng than sinh học trong việc cải thiện sinh trưởng cây trồng cũng như giảm phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp nhiệt phân để chế tạo than trấu và than lục bình ở các nhiệt độ 500°C, 700°C, và 900°C. Các thí nghiệm được thiết kế để đánh giá khả năng hấp phụ ammonium (NH4+) và nitrate (NO3−) từ nước thải biogas. Ngoài ra, nghiên cứu cũng tiến hành thí nghiệm sinh trưởng cây rau muống và đo lường phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa khi sử dụng than sinh học.

2.1. Chế tạo than sinh học

Than trấu và than lục bình được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân ở các nhiệt độ 500°C, 700°C, và 900°C. Quá trình này giúp tạo ra than sinh học có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho việc hấp phụ dinh dưỡng.

2.2. Đánh giá khả năng hấp phụ

Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng hấp phụ ammonium (NH4+) và nitrate (NO3−) của than trấu và than lục bình từ nước thải biogas. Kết quả cho thấy than sinh học nhiệt phân ở 700°C có hiệu suất hấp phụ cao nhất.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy than trấu và than lục bình nhiệt phân ở 700°C có khả năng hấp phụ ammonium và nitrate hiệu quả. Than sinh học cũng giúp cải thiện sinh trưởng của cây rau muống và giảm phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa. Cụ thể, việc bổ sung 20 tấn/ha than sinh học giúp giảm phát thải CH4 và N2O đáng kể.

3.1. Khả năng hấp phụ dinh dưỡng

Than trấu và than lục bình nhiệt phân ở 700°C có khả năng hấp phụ ammonium và nitrate từ nước thải biogas với hiệu suất lần lượt là 24,71% và 26,71%. Mô hình Langmuir phù hợp hơn mô hình Freundlich trong việc mô tả quá trình hấp phụ.

3.2. Ứng dụng trong nông nghiệp

Than sinh học sau hấp phụ được sử dụng làm chất mang dinh dưỡng cho cây rau muống, giúp tăng chiều cao, số lá, và sinh khối của cây. Ngoài ra, việc bổ sung than sinh học vào đất trồng lúa giúp giảm phát thải CH4 và N2O, góp phần bảo vệ môi trường.

IV. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của than trấu và than lục bình trong việc hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính. Than sinh học không chỉ giúp xử lý ô nhiễm môi trường mà còn cải thiện năng suất cây trồng và giảm phát thải khí nhà kính. Đề xuất tiếp tục nghiên cứu ứng dụng than sinh học trong các lĩnh vực khác như xử lý nước thải và cải tạo đất.

4.1. Kết luận

Than trấu và than lục bình nhiệt phân ở 700°C có khả năng hấp phụ dinh dưỡng hiệu quả và giảm phát thải khí nhà kính. Than sinh học là giải pháp tiềm năng trong việc bảo vệ môi trường và nâng cao năng suất nông nghiệp.

4.2. Đề xuất

Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng than sinh học trong các lĩnh vực khác như xử lý nước thải, cải tạo đất, và giảm phát thải khí nhà kính trong các hoạt động nông nghiệp khác.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Môi trường đất và nước (mã số: 62 44 03 03) với 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 bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Đạt Phương (mã số NCS: P0717001), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Xuân Lộc và PGS. Ngô Thụy Diễm Trang tại Trường Đại học Cần Thơ, bảo vệ thành công năm 2023.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, vùng Đồng bằng sông Cửu Long nói riêng và Việt Nam nói chung phát sinh khối lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp gồm vỏ trấu (ước tính 6,54 triệu tấn/năm) và sinh khối lục bình phát triển bùng phát trên kênh rạch (tốc độ sinh trưởng đạt 140 tấn sinh khối khô/ha/năm theo Gunnarsson & Petersen, 2007). Vỏ trấu chủ yếu bị đốt thu nhiệt gây phát tán khí thải, trong khi lục bình chết gây tắc nghẽn dòng chảy và ô nhiễm nguồn nước mặt. Song song đó, nước thải sau túi ủ biogas từ chăn nuôi heo chứa hàm lượng dinh dưỡng hòa tan cao (N-NH4+ dao động 105,6–421 mg/L, P-PO43- từ 37,2–492 mg/L), nếu không xử lý sẽ gây phú dưỡng hóa và đe dọa sức khỏe cộng đồng qua tích tụ nitrate (NO3-). Mặt khác, canh tác lúa nước ngập đóng góp trên 57% tổng phát thải khí nhà kính (KNK) của ngành nông nghiệp Việt Nam, chủ yếu là mê-tan (CH4) và ôxít nitơ (N2O). Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: chưa có công trình nào đánh giá toàn diện việc sử dụng than sinh học từ trấu và lục bình được nhiệt phân ở 700°C để đồng thời xử lý thu hồi ammonium (NH4+) và nitrate (NO3-) trong nước thải biogas, sau đó tái sử dụng nguồn than mang dinh dưỡng này làm chất bổ sung cho cây trồng và định lượng mức độ suy giảm phát thải KNK trong đất trồng lúa.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm:

1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than sinh học 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. Các mục tiêu cụ thể:
   • Mục tiêu 1: Chế tạo than trấu và than lục bình ở các mức nhiệt độ kiểm soát.
   • Mục tiêu 2: Xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng (ammonium và nitrate) từ nước thải biogas bằng than trấu và than lục bình để giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất và nước.
   • Mục tiêu 3: Xác định khả năng giảm phát thải khí nhà kính (CH4 và N2O) khi bổ sung than trấu và than lục bình vào đất canh tác để giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Vỏ trấu thu từ giống lúa OM5451 tại tỉnh Hậu Giang; lục bình thu gom tại kênh rạch thuộc khóm 5, phường 8, thành phố Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long; nước thải sau túi ủ biogas thu tại hộ chăn nuôi Trần Ngọc Khoa, xã Phú Quới, huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long; cây rau muống và cây lúa trồng thử nghiệm.
• Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu chế tạo vật liệu, phân tích hóa lý và thí nghiệm hấp phụ thực hiện tại phòng thí nghiệm; thí nghiệm sinh trưởng thực vật và phát thải khí nhà kính thực hiện trong điều kiện nhà lưới tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long; các dữ liệu thực nghiệm được thu thập, phân tích và nghiệm thu trong giai đoạn nghiên cứu sinh từ 2017 đến năm 2023.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các nhóm công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến chuỗi giá trị và ứng dụng của than sinh học:

• Về khái niệm, quy trình nhiệt phân và đặc tính hóa lý than sinh học: Luận án kế thừa các nghiên cứu nền tảng của Lehmann & Joseph (2010, 2012) về phân hủy nhiệt kỵ khí sinh khối hữu cơ dưới 700°C; Brownsort (2009) về phân định nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậm; Demirbas (2004), Al-Wabel et al. (2013), Jindo et al. (2014) và Piash et al. (2018) về ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến năng suất than, diện tích bề mặt, độ tro và độ kiềm hóa (pH tăng theo nhiệt độ từ 7,37 ở 200°C lên 12,38 ở 800°C). Cơ chế hình thành dung lượng trao đổi cation (CEC) và nhóm chức chứa oxy trên bề mặt than được đối chiếu theo Liang et al. (2006), Lee et al. (2010) và Harvey et al. (2011). Các nghiên cứu xử lý biến tính bề mặt bằng hóa chất (KOH, HNO3, H2SO4) được tham chiếu qua M. Yakout et al. (2015), Cường (2015), Bình & Bích (2007) và Dũng (2006).
• Về lý thuyết động học và cân bằng hấp phụ: Luận án vận dụng hệ thống phương trình của Tran et al. (2017) cho mô hình động học biểu kiến bậc 1 (Pseudo-first-order - PFO), biểu kiến bậc 2 (Pseudo-second-order - PSO), cũng như hai mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich; cơ chế hấp phụ hữu cơ và cố định ammonia qua tương tác tĩnh điện, liên kết hydro và tương tác π-π theo Tan et al. (2015), Mandal et al. (2016) và Jawaid et al. (2020).
• Về khả năng hấp phụ dinh dưỡng của than sinh học: Tác giả điểm lại các kết quả của Mizuta et al. (2004) đối với than tre (hấp phụ nitrate 1,2 mg/g); Yao et al. (2012) khảo sát 13 loại than sinh học nhận thấy khả năng giữ nitrate 3,7% và ammonium 15,7%; Zhang et al. (2013, 2015), Spokas et al. (2012), Zheng et al. (2013), Hale et al. (2013), Zhu et al. (2012) đối với than hoạt tính vỏ trấu (hấp phụ ammonium cực đại 3,24 mg/g); Hou et al. (2016) đối với than sậy (1,49 mg/g); Mei et al. (2021) đối với than trấu ủ phân lợn (2,94 mg/g) và Pratiwi et al. (2016) đạt 4,7 mg N/g.
• Về cải tạo dinh dưỡng đất và đáp ứng cây trồng: Các công trình của Lehmann et al. (2003, 2011), Rajkovich et al. (2012), Yuan et al. (2011), Lu et al. (2014), Peake et al. (2014), Nelissen et al. (2014, 2015), Laird et al. (2010), Jien & Wang (2013), Chan et al. (2008), Brantley et al. (2015) và Prommer et al. (2014) chứng minh than sinh học làm giảm tỷ trọng thể tích, tăng độ xốp, tăng khả năng giữ ẩm (trên 22%), cung cấp cation bazơ (K+, Ca2+, Mg2+) và nâng cao hiệu quả sử dụng đạm khi bón kết hợp phân vô cơ.
• Về lưu giữ carbon và phát thải khí nhà kính trong đất lúa: Luận án phân tích các quan điểm trái chiều về thông lượng phát thải CH4 và N2O khi bón than sinh học. Một số tác giả ghi nhận than làm tăng CH4 do bổ sung carbon không bền (Fungo et al., 2014; Singla & Inubushi, 2013; Yu et al., 2012; Zhang et al., 2010, 2012), trong khi nhiều nghiên cứu khẳng định than làm giảm CH4 nhờ cải thiện độ thoáng khí và thúc đẩy vi khuẩn oxy hóa mê-tan (Khan et al., 2013; Lin et al., 2015; Liu et al., 2011; Qian et al., 2014; Yoo & Kang, 2012; Feng et al., 2012; Jeffery et al., 2016). Về N2O, các phân tích tổng hợp của Cayuela et al. (2014) và Zwieten et al. (2010) xác nhận bổ sung than tỷ lệ 1–2% khối lượng làm giảm phát thải N2O, phụ thuộc vào tương tác vi sinh vật trong các chu trình nitrate hóa và khử nitrate (Hu et al., 2015; Wrage et al., 2001; Spokas & Reicosky, 2009; Malghani et al., 2013).
• Về nguồn thải nước biogas và sinh khối bản địa: Nồng độ chất ô nhiễm nước thải chăn nuôi heo sau túi ủ biogas được tổng hợp theo Hồng & Liệu (2012) và Nữ và ctv. (2015); tính chất hóa lý của sinh khối lục bình theo Gunnarsson & Petersen (2007) và vỏ trấu theo Tuấn (2012), Bỉnh (2011), Giang và ctv. (2013).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết là: Thiết lập quy trình nhiệt phân có kiểm soát để tạo than trấu và than lục bình ở 700°C; xác định các thông số đẳng nhiệt, động học hấp phụ đồng thời ammonium và nitrate từ nước thải biogas thực tế; đánh giá hiệu quả sinh học của than đã mang dinh dưỡng đối với rau muống; và định lượng mức độ cắt giảm phát thải đồng thời hai khí CH4 và N2O trên đất trồng lúa nước vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên khung lý thuyết nhiệt phân sinh khối hữu cơ trong môi trường hạn chế oxy tạo cấu trúc carbon cố định, lý thuyết hấp phụ bề mặt pha rắn - lỏng (gồm hấp phụ vật lý qua mao quản và hấp phụ hóa học qua trao đổi ion, tạo phức bề mặt), lý thuyết động học biểu kiến bậc 1, bậc 2, mô hình đẳng nhiệt Langmuir (hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất), mô hình đẳng nhiệt Freundlich (hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất), cùng lý thuyết về tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP theo EPA 2019: CO2 = 1, CH4 = 25, N2O = 298) để tính toán tổng phát thải khí nhà kính quy đổi (CO2-eq).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo hướng định lượng chặt chẽ qua các bước:

• Quy trình chế tạo than sinh học: Sinh khối trấu OM5451 được xay mịn, sấy ở 105°C đến khối lượng không đổi; sinh khối lục bình tươi (thu phần thân, bỏ lá và rễ) được phơi nắng 1 tuần, cắt nhỏ, xay bột, ép viên và sấy ở 105°C. Mẫu được nạp vào lò nung chuyên dụng VMF-165 (Yamada Denki, Nhật Bản), hút chân không loại bỏ oxy, thổi khí nitơ (N2) tinh khiết với lưu lượng 3 L/phút để duy trì môi trường trơ. Tốc độ gia nhiệt được kiểm soát ở mức 10°C/phút từ nhiệt độ phòng lên các mức 500°C, 700°C và 900°C, thời gian lưu nhiệt là 2 giờ.
• Phương pháp phân tích đặc tính hóa lý:
  • Độ ẩm xác định theo tiêu chuẩn TCVN 1867:2001 (sấy ở 105±5°C).
  • Hàm lượng tro xác định theo ASTM D1762-84 (nung ở 750–800°C trong 6 giờ trong lò MMF-2, AS ONE).
  • Chất bay hơi xác định ở 900±20°C trong 7 phút; carbon cố định (Fixed Carbon) tính bằng hiệu số phần trăm.
  • Thành phần nguyên tố C, H, N phân tích trên thiết bị CHNS-O Perkin-Elmer 2400 Series II; nguyên tố O tính theo hiệu số; từ đó tính các tỷ số nguyên tử H/C, O/C và C/N.
  • pH và độ dẫn điện (EC) đo bằng máy Mettler Toledo MP220 và Horiba Laqua Twin trong huyền phù tỷ lệ than:nước khử ion là 1:100 (lắc 2 giờ ở 100 vòng/phút, 25°C).
  • Khả năng trao đổi cation (CEC) xác định bằng phương pháp trao đổi BaCl2 0,1 M và kết tủa MgSO4 0,02 M, chuẩn độ lượng Mg dư bằng dung dịch EDTA 0,01 M.
  • Hình thái cấu trúc bề mặt chụp bằng kính hiển vi điện tử quét SEM S-4800; diện tích bề mặt riêng đo trên thiết bị BET Quantachrome Instruments phiên bản 11.0.
  • Điểm điện tích bằng không (pHpzc) xác định theo phương pháp của Balistrieri & Murray (1981) trong môi trường NaCl 0,1 M có dải pH ban đầu từ 2 đến 11, lắc 24 giờ ở tốc độ 190 vòng/phút.
• Phương pháp thí nghiệm hấp phụ: Khảo sát ảnh hưởng của pH (2–11), liều lượng than, thời gian tiếp xúc (0–1440 phút) và nồng độ ban đầu đối với ion NH4+ và NO3- trong dung dịch chuẩn và trong nước thải biogas thực tế. Dữ liệu thực nghiệm được khớp với các phương trình PFO, PSO, Langmuir và Freundlich.
• Phương pháp thử nghiệm sinh học và phát thải khí: Bố trí thí nghiệm chậu cát trồng rau muống đối chứng và bổ sung than sau hấp phụ ở các tỷ lệ thay thế phân hóa học khác nhau (0%, 25%, 50%, 75%, 100%); thí nghiệm chậu đất trồng lúa ngập nước bổ sung than trấu và than lục bình 700°C ở các mức liều lượng 0, 5, 10 và 20 tấn/ha; thu mẫu khí bằng buồng kín định kỳ, phân tích nồng độ CH4 và N2O, tính toán tốc độ phát thải và tổng lượng phát thải tích lũy quy đổi sang CO2-eq.
• Xử lý số liệu: Toàn bộ thí nghiệm được lặp lại 3 lần; số liệu được xử lý thống kê, phân tích phương sai (ANOVA) và kiểm định sự khác biệt trung bình bằng phần mềm thống kê chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung (Đặt vấn đề và mục tiêu nghiên cứu)

Chương 1 thiết lập luận cứ khoa học về thực trạng phát sinh phế phẩm vỏ trấu (6,54 triệu tấn/năm) và sinh khối lục bình (140 tấn khô/ha/năm), áp lực ô nhiễm môi trường nước từ nguồn nước thải biogas có nồng độ N-NH4+ từ 105,6–421 mg/L, P-PO43- từ 37,2–492 mg/L, và mức độ đóng góp phát thải KNK của ngành lúa nước (trên 57% lượng phát thải toàn ngành nông nghiệp Việt Nam). Tác giả xác định cấu trúc luận án gồm 3 mục tiêu cụ thể, 3 nội dung nghiên cứu gắn liền với giới hạn vật liệu (trấu OM5451 Hậu Giang, lục bình Vĩnh Long, nước thải biogas Long Hồ, than nhiệt phân ở 700°C thử nghiệm trong điều kiện nhà lưới), đồng thời khẳng định ý nghĩa khoa học qua các công bố quốc tế và tạp chí chuyên ngành.

Chương 2: Tổng quan tài liệu

Chương 2 tổng hợp toàn diện cơ sở lý thuyết về than sinh học, bao gồm định nghĩa, công nghệ nhiệt phân chậm/nhanh, các tính chất vật lý hóa học cốt lõi (CEC, pH, diện tích bề mặt BET, cấu trúc vi lỗ mao quản). Chương này trình bày chi tiết toán học các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich và mô hình động học PFO, PSO; phân tích cơ chế hấp phụ vật lý - hóa học của các hợp chất chứa nitơ (NH4+, NO3-). Chương 2 cũng tổng hợp số liệu về thành phần nước thải sau túi ủ biogas (Bảng 2.1 và Bảng 2.2), tính chất hóa học sinh khối lục bình qua các tác giả quốc tế (Bảng 2.3: hàm lượng chất khô 5–9,5%, protein 11,9–20%, cellulose 17,8–31%, lignin 7–26,36%) và thành phần nguyên tố vỏ trấu (Bảng 2.4: C chiếm 34,82%, O chiếm 51,51%, Si chiếm 9,20%). Vấn đề phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp được dẫn chứng qua số liệu thống kê của FAO, EPA (2013, 2019), Global Monitoring Laboratory (2021: nồng độ CH4 đạt 1891,3 ppb, N2O đạt 334,1 ppb) và Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam (MONRE 2014: canh tác lúa phát thải 37,43 triệu tấn CH4, chiếm 58% lượng CH4 quốc gia).

Chương 3: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 mô tả chi tiết nguồn gốc vật liệu thu gom và thiết bị thực nghiệm: lò nung than VMF-165, máy đo pH Mettler Toledo MP220, máy đo EC Horiba Laqua Twin, thiết bị phân tích nguyên tố CHNS-O Perkin-Elmer 2400 Series II, kính hiển vi SEM S-4800, máy Quantachrome Instruments v11.0. Tác giả chi tiết hóa quy trình sản xuất than trấu (nghiền bột, sấy 105°C, nhiệt phân trong khí trơ N2 với lưu lượng 3 L/phút, tốc độ gia nhiệt 10°C/phút ở 500°C, 700°C, 900°C trong 2 giờ) và quy trình sản xuất than lục bình (phơi khô, cắt nhỏ, ép viên, sấy 105°C và nhiệt phân tương tự). Chương này trình bày các công thức toán học xác định năng suất than, hàm lượng C cố định, hàm lượng oxy tính theo hiệu số, phương pháp đo CEC qua chuẩn độ EDTA, phương pháp xác định pHpzc theo Balistrieri & Murray (1981), các bảng bố trí nghiệm thức hấp phụ ammonium/nitrate, thí nghiệm bón than cho cây rau muống trên cát, thí nghiệm chậu đo phát thải CH4 và N2O trên đất lúa, cùng các quy trình lấy mẫu khí định kỳ.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 trình bày các phát hiện thực nghiệm cốt lõi theo 3 nội dung chính:

• Tính chất hóa lý than sinh học: Phân tích sự biến thiên pH, EC, năng suất than, thành phần nguyên tố C, H, N, O và đồ thị van Krevelen (H/C so với O/C) của than trấu và than lục bình ở 500°C, 700°C và 900°C. Cấu trúc vi lỗ xốp trên ảnh SEM và diện tích bề mặt BET phát triển mạnh nhất ở 700°C và 900°C; giá trị pHpzc được xác định làm cơ sở giải thích cơ chế tương tác ion. Nhiệt độ 700°C được chứng minh là tối ưu về mặt cân bằng giữa diện tích bề mặt, cấu trúc thơm hóa và hiệu quả kinh tế để chuyển tiếp sang các thí nghiệm ứng dụng.
• Khả năng hấp phụ dinh dưỡng: Quá trình hấp phụ NH4+ và NO3- từ dung dịch chuẩn và nước thải biogas thực tế của cả hai loại than đều tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 1 và bậc 2; dữ liệu cân bằng hấp phụ tương thích với mô hình Langmuir hơn mô hình Freundlich. Dung lượng hấp phụ cực đại theo Langmuir (Qmax) của than trấu đối với NH4+ đạt 5,51 mg/g (hiệu suất 24,71%) và đối với NO3- đạt 9,87 mg/g (hiệu suất 69,70%); của than lục bình đối với NH4+ đạt 4,31 mg/g (hiệu suất 26,71%) và đối với NO3- đạt 9,59 mg/g (hiệu suất 64,14%).
• Ứng dụng bón rau muống và giảm phát thải khí nhà kính:
  • Cung cấp dinh dưỡng cho rau muống: Việc bón than trấu và than lục bình sau hấp phụ NH4+ hoặc NO3- làm tăng rõ rệt các chỉ tiêu sinh trưởng (chiều cao cây, số lá, chiều dài rễ, trọng lượng tươi, trọng lượng khô và sinh khối tổng số). Nghiệm thức phối trộn 50% than hấp phụ + 50% phân bón vô cơ mang lại sinh khối rau muống cao nhất so với bón phân vô cơ đơn thuần hoặc bón than 100%.
  • Giảm phát thải khí nhà kính trên đất lúa: Bổ sung than trấu hoặc than lục bình 700°C vào đất lúa nước làm giảm phát thải tích lũy cả CH4 và N2O. Mức bón 20 tấn/ha cho hiệu quả giảm phát thải cao nhất: than trấu giúp giảm 15,99% CH4 và 48,47% N2O; than lục bình giúp giảm 20,14% CH4 và 51,90% N2O khi so sánh tương đối với các mức bón thấp hơn là 5 tấn/ha và 10 tấn/ha.

Chương 5: Kết luận và đề xuất

Chương 5 đúc kết các kết luận thực nghiệm về khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình 700°C; khẳng định tính khả thi của mô hình kinh tế tuần hoàn: chuyển hóa phụ phẩm nông nghiệp thành vật liệu xử lý nước thải chăn nuôi, tái sinh thành phân bón nhả chậm và cắt giảm phát thải KNK. Tác giả kiến nghị triển khai thử nghiệm trên đồng ruộng diện rộng và hoàn thiện quy trình nhân rộng mô hình tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Kết quả và những đóng góp mới

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi đạt được trong luận án:

Thông số nghiên cứu	Than trấu (nhiệt phân 700°C)	Than lục bình (nhiệt phân 700°C)
Dung lượng hấp phụ Langmuir cực đại Qmax (NH4+)	5,51 mg/g	4,31 mg/g
Hiệu suất hấp phụ NH4+ trong nước thải biogas	24,71%	26,71%
Dung lượng hấp phụ Langmuir cực đại Qmax (NO3-)	9,87 mg/g	9,59 mg/g
Hiệu suất hấp phụ NO3- trong nước thải biogas	69,70%	64,14%
Mô hình động học và đẳng nhiệt phù hợp nhất	PFO, PSO / Langmuir	PFO, PSO / Langmuir
Tỷ lệ phối trộn than sau hấp phụ : phân vô cơ tối ưu (rau muống)	50 : 50	50 : 50
Mức độ giảm phát thải CH4 ở liều lượng bón 20 tấn/ha	Giảm 15,99%	Giảm 20,14%
Mức độ giảm phát thải N2O ở liều lượng bón 20 tấn/ha	Giảm 48,47%	Giảm 51,90%

Những đóng góp mới của luận án được tác giả đúc kết bao gồm:

1. Xác lập bộ dữ liệu khoa học về khả năng hấp phụ đồng thời ammonium và nitrate trong nước thải sau túi ủ biogas của than trấu và than lục bình được sản xuất ở 700°C trong môi trường khí N2 được kiểm soát nghiêm ngặt. Dữ liệu chứng minh than trấu có dung lượng hấp phụ cực đại với NH4+ và NO3- cao hơn than lục bình (5,51 mg/g so với 4,31 mg/g cho NH4+; 9,87 mg/g so với 9,59 mg/g cho NO3-), trong khi than lục bình đạt hiệu suất hấp phụ NH4+ nhỉnh hơn than trấu (26,71% so với 24,71%).
2. Chứng minh hiệu quả sinh học của việc tái sử dụng than sinh học sau hấp phụ dinh dưỡng làm chất mang dinh dưỡng cho cây trồng. Bổ sung than đã hấp phụ NH4+ hoặc NO3- kết hợp phân bón vô cơ theo tỷ lệ 50 : 50 giúp cây rau muống đạt sinh khối và tốc độ phát triển tối ưu, mở ra giải pháp giảm 50% nhu cầu phân hóa học.
3. Định lượng thực nghiệm mức độ suy giảm phát thải khí nhà kính (CH4 và N2O) trên đất trồng lúa ngập nước khi bón than sinh học bản địa. Bổ sung liều lượng 20 tấn/ha than lục bình làm giảm 20,14% CH4 và 51,90% N2O, trong khi than trấu làm giảm 15,99% CH4 và 48,47% N2O so với các mức bón 5 và 10 tấn/ha.
4. Đề xuất giải pháp tích hợp đa mục tiêu: xử lý triệt để hai nguồn phế phụ phẩm sinh khối lớn (trấu và lục bình), thu hồi dinh dưỡng từ nước thải chăn nuôi biogas, hoàn trả dinh dưỡng cải tạo đất và giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong canh tác nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, luận án được thực hiện trong phạm vi giới hạn nguồn nguyên liệu cục bộ (vỏ trấu giống lúa OM5451 tại Hậu Giang, lục bình tại Vĩnh Long và nước thải biogas từ một hộ chăn nuôi tại Long Hồ, Vĩnh Long). Các thí nghiệm sinh trưởng của rau muống được tiến hành trên nền giá thể cát và thí nghiệm phát thải khí nhà kính trên đất trồng lúa được thực hiện trong chậu bố trí ở điều kiện nhà lưới có kiểm soát, chưa phản ánh đầy đủ tính biến động phức tạp của thời tiết, thủy văn và đặc tính đất đa dạng ngoài đồng ruộng thực tế.

Về hướng nghiên cứu tiếp, luận án định hướng:

• Mở rộng thử nghiệm bón than sinh học sau hấp phụ trên nhiều nhóm đất nông nghiệp khác nhau (đất phèn, đất phù sa, đất cát) và trên các đối tượng cây trồng khác ngoài đồng ruộng.
• Nghiên cứu cơ chế phân tử và động thái của các quần thể vi sinh vật tham gia oxy hóa CH4 (Methanotrophs) và vi khuẩn nitrate hóa/khử nitrate trong vùng rễ lúa khi có mặt than sinh học.
• Đánh giá khả năng giải hấp phụ lâu dài của các chất dinh dưỡng từ than vào dung dịch đất và tính toán hiệu quả kinh tế - môi trường toàn diện trên quy mô nông hộ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên các ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Đất đai, Nông học và Kỹ thuật Hóa học: Cung cấp quy trình nhiệt phân sinh khối kiểm soát môi trường khí trơ, phương pháp phân tích đặc tính hóa lý bề mặt (SEM, BET, pHpzc, CEC) và quy trình mô hình hóa động học, đẳng nhiệt hấp phụ.
• Kỹ sư môi trường và các cơ sở chăn nuôi: Tham khảo giải pháp kỹ thuật chi phí thấp nhằm thu hồi đạm và lân trong nước thải sau hầm ủ biogas, đáp ứng yêu cầu xử lý môi trường nông thôn.
• Các nhà quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp, biến đổi khí hậu: Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ việc xây dựng các biện pháp giảm phát thải khí nhà kính (Nationally Determined Contributions - NDC) và mô hình kinh tế tuần hoàn trong nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án lựa chọn nhiệt độ nhiệt phân nào là tối ưu cho than trấu và than lục bình để thực hiện các thí nghiệm ứng dụng?
Luận án khảo sát ba mức nhiệt độ 500°C, 700°C và 900°C. Mức nhiệt độ 700°C được lựa chọn để thực hiện toàn bộ các thí nghiệm hấp phụ dinh dưỡng trong nước thải biogas, thí nghiệm bón cho rau muống và thí nghiệm đo phát thải khí nhà kính trong đất lúa nhờ sự phát triển tối ưu về cấu trúc lỗ xốp, diện tích bề mặt và tính ổn định thơm hóa.

2. Dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir của than trấu và than lục bình đối với NH4+ và NO3- đạt bao nhiêu?
Dung lượng hấp phụ cực đại (Qmax) theo mô hình Langmuir của than trấu đối với NH4+ và NO3- lần lượt là 5,51 mg/g và 9,87 mg/g (hiệu suất đạt 24,71% và 69,70%). Đối với than lục bình, Qmax đối với NH4+ và NO3- lần lượt là 4,31 mg/g và 9,59 mg/g (hiệu suất đạt 26,71% và 64,14%).

3. Tỷ lệ kết hợp nào giữa than sinh học sau hấp phụ và phân bón vô cơ mang lại hiệu quả sinh khối cao nhất cho rau muống?
Thí nghiệm sinh trưởng xác định nghiệm thức kết hợp 50% than trấu hoặc than lục bình đã hấp phụ dinh dưỡng với 50% phân bón vô cơ cho chiều cao cây, số lá, chiều dài rễ, trọng lượng tươi/khô và sinh khối tổng số của cây rau muống đạt giá trị cao nhất.

4. Mức độ giảm phát thải khí nhà kính (CH4 và N2O) trên đất lúa khi bổ sung than sinh học liều lượng 20 tấn/ha là bao nhiêu?
Nghiệm thức bổ sung 20 tấn/ha than trấu làm giảm 15,99% CH4 và 48,47% N2O; nghiệm thức bổ sung 20 tấn/ha than lục bình làm giảm 20,14% CH4 và 51,90% N2O khi so sánh với các mức bổ sung thấp hơn là 5 tấn/ha và 10 tấn/ha.

5. Nguồn nguyên liệu sinh khối và nước thải biogas sử dụng trong nghiên cứu được thu thập từ đâu?
Vỏ trấu được lấy từ giống lúa OM5451 tại tỉnh Hậu Giang; lục bình thu gom tại kênh rạch khóm 5, phường 8, thành phố Vĩnh Long; nước thải sau túi ủ biogas được lấy tại hộ chăn nuôi Trần Ngọc Khoa, xã Phú Quới, huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Đạt Phương đã hoàn thành việc chế tạo than sinh học từ vỏ trấu và cây lục bình ở nhiệt độ nhiệt phân 700°C trong môi trường khí trơ N2, xác lập các thông số hóa lý bề mặt đặc trưng. Công trình chứng minh hiệu quả hấp phụ ammonium và nitrate từ nước thải sau túi ủ biogas tuân theo mô hình động học PFO/PSO và mô hình đẳng nhiệt Langmuir, đồng thời khẳng định việc tái sử dụng than sau hấp phụ phối trộn với phân vô cơ tỷ lệ 50 : 50 giúp tối ưu hóa sinh khối rau muống. Thêm vào đó, việc bổ sung than trấu và than lục bình ở liều lượng 20 tấn/ha vào đất trồng lúa đã làm giảm rõ rệt phát thải tích lũy của hai khí nhà kính quan trọng là CH4 và N2O, cung cấp giải pháp kỹ thuật tích hợp góp phần xử lý ô nhiễm môi trường nông nghiệp và thích ứng với biến đổi khí hậu tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.