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 về luận án

Nghiên cứu về chuyển đổi sinh khối phế phụ phẩm nông nghiệp thành vật liệu chức năng cao cấp đang là trọng tâm của khoa học môi trường hiện đại nhằm giải quyết cuộc khủng hoảng kép: ô nhiễm nguồn nước và biến đổi khí hậu toàn cầu. Luận án tiến sĩ ngành Môi trường đất và nước (Mã số: 62 44 03 03) của tác giả Nguyễn Đạt Phương với đề tài “Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình” (Trường Đại học Cần Thơ, 2023; Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Lộc và PGS. Ngô Thụy Diễm Trang) đại diện cho một công trình tiên phong tiếp cận theo mô hình kinh tế sinh học tuần hoàn (circular bioeconomy). Nghiên cứu giải quyết đồng thời ba thách thức sinh thái cấp bách tại Đồng bằng sông Cửu Long: áp lực ô nhiễm từ 6,54 triệu tấn vỏ trấu phát sinh hàng năm và sự bùng phát sinh khối xâm lấn của cây lục bình (Eichhornia crassipes với tốc độ sinh trưởng lên đến 140 tấn $\text{ha}^{-1}\text{năm}^{-1}$); sự phú dưỡng hóa nguồn nước do nước thải hầm ủ biogas chăn nuôi chứa nồng độ $\text{N-NH}_4^+$ từ 105,6 đến 217,9 $\text{mg L}^{-1}$; và gánh nặng phát thải khí nhà kính (KNK) từ canh tác lúa ngập nước chiếm hơn 57% tổng phát thải của ngành nông nghiệp Việt Nam (MONRE, 2014).

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi được nhận diện là sự thiếu hụt các bằng chứng thực nghiệm có tính hệ thống về mối liên hệ nhân - quả giữa điều kiện nhiệt hóa vật liệu (nhiệt độ nhiệt phân từ 500°C đến 900°C trong môi trường khí trơ $\text{N}2$), đặc tính hóa lý bề mặt (nhóm chức, độ xốp, diện tích bề mặt BET, dung tích trao đổi cation CEC và điểm điện tích bằng không $\text{pH}{\text{pzc}}$), khả năng thu hồi dinh dưỡng vô cơ ($\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_3^-$) từ nền nước thải phức tạp, cũng như cơ chế giải phóng chậm dinh dưỡng nuôi dưỡng cây trồng kết hợp với khả năng ức chế sinh khí $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ trên đất lúa. Luận án đã thiết lập hệ thống 3 câu hỏi nghiên cứu và 3 giả thuyết khoa học tương ứng:

1. H1: Điều kiện nhiệt phân ở 700°C tối ưu hóa cấu trúc mao quản và hóa học bề mặt của than trấu và than lục bình, tạo ra dung lượng hấp phụ chọn lọc vượt trội đối với cả $\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_3^-$ so với than chế tạo ở 500°C và 900°C.
2. H2: Than sinh học sau khi hấp phụ dinh dưỡng từ nước thải biogas đóng vai trò như một chất mang dinh dưỡng nhả chậm (slow-release carrier), khi phối trộn với phân khoáng vô cơ theo tỷ lệ tối ưu sẽ cải thiện đáng kể sinh khối cây rau muống (Ipomoea aquatica) so với đối chứng không bổ sung.
3. H3: Bổ sung than trấu và than lục bình ở liều lượng cao (20 tấn $\text{ha}^{-1}$) vào đất phù sa trồng lúa ngập nước tạo ra cơ chế thoáng khí vi mô và điều hòa quần thể vi sinh vật đất, dẫn đến suy giảm đồng thời phát thải tích lũy $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$.

Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên sự tích hợp của thuyết nhiệt phân sinh khối (Lehmann & Joseph, 2012), nhiệt động học và động học hấp phụ bề mặt (Tran et al., 2017; Tan et al., 2015), và lý thuyết chu trình chuyển hóa sinh địa hóa nitơ - carbon trong đất ngập nước (Spokas & Reicosky, 2009; Jeffery et al., 2016). Về mặt phạm vi, nghiên cứu sử dụng trấu từ giống lúa OM5451 tại Hậu Giang, lục bình thu gom tại Vĩnh Long, nước thải biogas thực tế và tiến hành chuỗi thực nghiệm kiểm soát nghiêm ngặt từ quy mô phòng thí nghiệm đến hệ thống nhà lưới tiêu chuẩn.

---

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế ghi nhận sự bùng nổ của các nghiên cứu về than sinh học (biochar) trong hai thập kỷ qua. Tuy nhiên, các dòng nghiên cứu lớn vẫn tồn tại nhiều mâu thuẫn và tranh luận học thuật sâu sắc. Dòng nghiên cứu thứ nhất tập trung vào cơ chế hấp phụ ion dinh dưỡng. Trong khi Clough et al. (2013) và Yao et al. (2012) lập luận rằng than sinh học thông thường có khả năng hấp phụ cation ($\text{NH}_4^+$) tốt nhờ mật độ điện tích âm bề mặt nhưng rất hạn chế trong việc giữ anion ($\text{NO}_3^-$), thì Mizuta et al. (2004) chỉ ra rằng than tre nhiệt phân ở 900°C có thể hấp phụ nitrate với dung lượng 1,2 $\text{mg g}^{-1}$ nhờ sự phát triển của hệ thống vi mao quản và cấu trúc thơm hóa cao. Ngược lại, nhiều tác giả cho rằng nhiệt phân ở nhiệt độ quá cao làm suy giảm các nhóm chức oxy hóa chứa năng lượng liên kết, làm giảm hiệu suất giữ ion phân cực.

Dòng nghiên cứu thứ hai xoay quanh tác động của than sinh học đối với phát thải khí nhà kính trong đất canh tác lúa ngập nước. Hai luồng quan điểm đối lập đã được ghi nhận: một mặt, các nghiên cứu của Fungo et al. (2014), Singla & Inubushi (2013) và Zhang et al. (2010) quan sát thấy hiện tượng gia tăng phát thải $\text{CH}_4$ khi bón than sinh học, giải thích do phần carbon không bền (labile carbon) trong than đóng vai trò là cơ chất kích thích vi khuẩn sinh mê-tan (methanogens). Mặt khác, các công trình của Lin et al. (2015), Liu et al. (2011), Qian et al. (2014) và phân tích tổng hợp của Jeffery et al. (2016) chứng minh than sinh học làm giảm đáng kể $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ nhờ cải thiện độ dẫn khí, tăng oxy hòa tan vùng rễ và tăng cường hoạt tính của vi khuẩn oxy hóa mê-tan (methanotrophs) như một "màng lọc sinh học" (Feng et al., 2012).

Về mặt tương tác dinh dưỡng đất, Prommer et al. (2014) cảnh báo hiệu ứng tự đối kháng (antagonistic effect): than sinh học có thể hấp phụ quá mức ammonium tự do trong dung dịch đất, gây ức chế vi khuẩn nitrate hóa và dẫn đến thiếu hụt nitơ khả dụng cho cây trồng nếu không được bổ sung cân đối. Tương tự, Brantley et al. ghi nhận bón than sinh học đơn lẻ làm giảm năng suất ngô, nhưng khi phối hợp với phân đạm khoáng lại gia tăng đáng kể hiệu quả sử dụng nitơ.

             [Hấp phụ & Tái sinh dinh dưỡng]      [Cải tạo đất & Giảm phát thải KNK]

Luận án này định vị chính xác vào khoảng trống tri thức trên bằng cách chứng minh than trấu và than lục bình chế tạo tại 700°C vượt qua rào cản hấp phụ đơn ion truyền thống, đạt dung lượng hấp phụ đồng thời cả $\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_3^-$ ở mức cao vượt trội so với các nghiên cứu quốc tế:

• So với than tre của Mizuta et al. (2004) tại 900°C ($1,2\text{ mg g}^{-1}\text{ NO}3^-$), than trấu và than lục bình của luận án đạt dung lượng đẳng nhiệt Langmuir cực đại ($Q{\text{max}}$) lên đến $9,87\text{ mg g}^{-1}$ và $9,59\text{ mg g}^{-1}$ đối với $\text{NO}_3^-$.
• So với than sậy nhiệt phân 500°C của Hou et al. (2016) ($Q_{\text{max}} = 1,49\text{ mg g}^{-1}\text{ NH}4^+$) hay than trấu kết hợp phân lợn của Mei et al. (2021) ($Q{\text{max}} = 2,94\text{ mg g}^{-1}\text{ NH}_4^+$), than trấu chế tạo trong nghiên cứu này đạt $5,51\text{ mg g}^{-1}\text{ NH}_4^+$ ngay trong môi trường nước thải biogas thực tế có độ cạnh tranh ion phức tạp.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và làm sâu sắc thêm 3 nền tảng lý thuyết cốt lõi trong khoa học đất và vật liệu hấp phụ:

1. Lý thuyết tương tác bề mặt đa cơ chế (Multi-mechanism Surface Interaction Theory): Công trình làm sáng tỏ cơ chế giữ ion không chỉ thuần túy là lực tĩnh điện Van der Waals hay trao đổi ion trên các tâm tích điện âm (phù hợp với mô hình CEC của Liang et al., 2006), mà còn được thúc đẩy mạnh mẽ bởi tương tác cho - nhận electron $\pi$-$\pi$ (Swiatkowski et al., 2004; Pignatello, 2005) xuất phát từ các vòng thơm ngưng tụ cao hình thành tại 700°C, kết hợp với phản ứng tạo phức phối trí của các nhóm chức chứa oxy (carboxyl, hydroxyl, phenol) với ammonium và nitrate.
2. Lý thuyết Động học hóa lý không đồng thể: Chứng minh quá trình thu giữ ion dinh dưỡng trên nền than nhiệt phân tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai (Pseudo-second-order kinetic model của Ho & McKay), khẳng định quá trình hấp phụ hóa học (chemisorption) đóng vai trò kiểm soát tốc độ phản ứng, trong đó sự chia sẻ hoặc trao đổi electron giữa bề mặt than và ion chất tan là chủ đạo.
3. Mô hình cân bằng sinh địa hóa khí nhà kính vùng rễ lúa: Bổ sung bằng chứng thực nghiệm củng cố giả thuyết "màng lọc oxy hóa sinh học" và "điều hòa thế oxy hóa khử ($E_h$)". Than sinh học với cấu trúc vi mao quản bền vững đã tái cấu trúc không gian lỗ rỗng trong đất ngập nước, tăng cường sự khuếch tán oxy vào tầng khử, ức chế quá trình khử nitrate sinh $N_2O$ dị dưỡng (heterotrophic denitrification) và thúc đẩy vi khuẩn tiêu thụ mê-tan ở vùng rễ.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp ma trận 4 chiều: Nguồn nguyên liệu $\rightarrow$ Thông số nhiệt phân $\rightarrow$ Hóa lý bề mặt $\rightarrow$ Hiệu năng sinh thái đa mục tiêu.

• Tính mới về mặt phân tích: Khảo sát song song trên cùng một hệ tọa độ thực nghiệm giữa dung dịch chuẩn đơn chất và nền nước thải biogas thực tế đa thành phần. Cách tiếp cận này loại bỏ các sai lệch lý thuyết thuần túy khi chuyển giao vật liệu vào điều kiện hiện trường.
• Điều kiện biên (Boundary conditions): Quy luật hấp phụ và giải phóng dinh dưỡng đạt hiệu quả tối ưu tại nhiệt độ nhiệt phân 700°C, kích thước hạt sàng $\le 0,5\text{ mm}$, môi trường đất phù sa trung tính đến hơi chua nhẹ của ĐBSCL, và chế độ canh tác lúa ngập nước định kỳ.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án được thiết kế theo trường phái thực nghiệm thực chứng (positivism / quantitative empirical paradigm), kết hợp phương pháp suy diễn logic khoa học tự nhiên. Thiết kế đa mức độ (multi-level experimental design) bao gồm:

• Cấp độ 1 (Vật liệu): Chế tạo than trấu (từ giống lúa OM5451, Hậu Giang) và than lục bình (Eichhornia crassipes, Vĩnh Long) ở 3 mức nhiệt độ: 500°C, 700°C và 900°C.
• Cấp độ 2 (Hóa keo môi trường): Đánh giá động học và cân bằng hấp phụ $\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_3^-$ trong dung dịch chuẩn và nước thải biogas hộ chăn nuôi (Long Hồ, Vĩnh Long).
• Cấp độ 3 (Nông học - Chất mang dinh dưỡng): Thí nghiệm chậu cát sinh trưởng cây rau muống (Ipomoea aquatica) với các tỷ lệ phối trộn than sau hấp phụ và phân vô cơ.
• Cấp độ 4 (Khí hậu - Môi trường đất): Thí nghiệm bón than vào đất lúa phù sa ở các mức 0, 5, 10 và 20 tấn $\text{ha}^{-1}$ để đo đạc phát thải khí nhà kính.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình chế tạo và phân tích tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế nghiêm ngặt:

• Nhiệt phân kiểm soát: Vật liệu sinh khối sấy khô tuyệt đối ở 105°C theo TCVN 1867:2001, nghiền và ép viên (đối với lục bình), nung trong lò VMF-165 (Yamada Denki, Nhật Bản), hút chân không khử oxy hoàn toàn, quét dòng khí $\text{N}_2$ liên tục với lưu lượng ổn định 3 L $\text{phút}^{-1}$, tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C }\text{phút}^{-1}$, thời gian lưu nhiệt chính xác 2 giờ.
• Phân tích hóa lý bề mặt:
  • Hình thái bề mặt: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM S-4800 (Hitachi, Nhật Bản).
  • Diện tích bề mặt và cấu trúc xốp: Thiết bị hấp phụ đẳng nhiệt khí $\text{N}_2$ Quantachrome Instruments (Version 11.0) theo mô hình BET.
  • Thành phần nguyên tố C, H, N: Máy phân tích nguyên tố CHNS-O Perkin-Elmer 2400 Series II; Oxy được tính toán khấu trừ theo công thức: $\text{O (%)} = 100% - (\text{C} + \text{H} + \text{N} + \text{Tro} + \text{Độ ẩm})$.
  • Hàm lượng tro, chất bay hơi và carbon cố định: Chuẩn hóa theo ASTM D1762-84 (2013) tại 750–800°C trong 6 giờ.
  • Dung tích trao đổi cation (CEC): Phương pháp trích ly ba lần với $\text{BaCl}_2\text{ 0,1 M}$, thay thế bằng $\text{MgSO}_4\text{ 0,02 M}$ chuẩn và chuẩn độ lượng dư bằng $\text{EDTA 0,01 M}$.
  • Điểm điện tích bằng không ($\text{pH}_{\text{pzc}}$): Phương pháp bổ sung muối của Balistrieri & Murray (1981) trên nền $\text{NaCl 0,1 M}$ từ pH 2 đến 11, lắc 24 giờ ở 190 vòng $\text{phút}^{-1}$.

Data và phân tích

• Động học và Đẳng nhiệt hấp phụ: Dữ liệu thực nghiệm được khớp phi tuyến tính và tuyến tính hóa với các phương trình Pseudo-first-order, Pseudo-second-order, Langmuir và Freundlich: $$\text{Langmuir: } q_e = \frac{Q_{\text{max}} K_L C_e}{1 + K_L C_e} \quad \Longleftrightarrow \quad \frac{C_e}{q_e} = \frac{1}{Q_{\text{max}} K_L} + \frac{C_e}{Q_{\text{max}}}$$ $$\text{Freundlich: } q_e = K_F C_e^{1/n} \quad \Longleftrightarrow \quad \log q_e = \log K_F + \frac{1}{n} \log C_e$$
• Đo đạc khí nhà kính: Khí $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ được thu thập bằng kỹ thuật buồng tối đóng kín (closed-chamber method) định kỳ suốt chu kỳ sinh trưởng của lúa, phân tích nồng độ trên sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) trang bị đầu dò FID và ECD.
• Xử lý thống kê: Phân tích phương sai một nhân tố (One-way ANOVA), so sánh sự khác biệt có ý nghĩa giữa các nghiệm thức bằng kiểm định Duncan và Tukey HSD ở mức ý nghĩa $p < 0,05$ trên phần mềm chuyên dụng (SPSS/SAS); đồ thị van Krevelen và đường cong hấp phụ được xử lý qua OriginPro.

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án mang lại 5 kết quả đột phá mang tính định lượng chuẩn xác cao:

1. Đặc tính nhiệt động và biến đổi cấu trúc phụ thuộc nhiệt độ: Nhiệt độ nhiệt phân tăng từ 500°C lên 700°C và 900°C làm giảm hiệu suất thu hồi than (do phân hủy nhiệt các hợp chất cellulose, hemicellulose và lignin) nhưng làm tăng hàm lượng tro, carbon cố định, giá trị pH và EC. Than ở 700°C thể hiện tỷ lệ nguyên tử $\text{H/C}$ và $\text{O/C}$ thấp nhất trên đồ thị van Krevelen, phản ánh mức độ thơm hóa (aromaticity) và tính kỵ nước tối ưu, tạo điều kiện cho các tương tác $\pi$-$\pi$ mạnh mẽ.

2. Dung lượng hấp phụ vượt bậc trên nền nước thải biogas thực tế: Quá trình hấp phụ $\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_3^-$ của cả than trấu và than lục bình đều tương thích xuất sắc với mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 > 0,98$) và mô hình động học biểu kiến bậc hai (PSO):

   • Dung lượng hấp phụ cực đại ($Q_{\text{max}}$) đối với $\text{NH}_4^+$ của than trấu đạt $5,51\text{ mg g}^{-1}$ (hiệu suất 24,71%) và than lục bình đạt $4,31\text{ mg g}^{-1}$ (hiệu suất 26,71%).
   • Dung lượng hấp phụ cực đại ($Q_{\text{max}}$) đối với $\text{NO}_3^-$ của than trấu đạt $9,87\text{ mg g}^{-1}$ (hiệu suất 69,70%) và than lục bình đạt $9,59\text{ mg g}^{-1}$ (hiệu suất 64,14%).
   • Kết quả đáng chú ý: Khả năng hấp phụ nitrate của cả hai loại than đều cao hơn đáng kể so với ammonium, phá vỡ định kiến cho rằng than sinh học chưa hoạt hóa biến tính khó hấp phụ ion âm.

3. Cơ chế hiệp đồng dinh dưỡng kích thích sinh khối cây trồng: Bổ sung than trấu và than lục bình đã hấp phụ dinh dưỡng từ nước thải biogas cải thiện vượt bậc các chỉ tiêu nông học của rau muống (chiều cao thân, số lá, chiều dài rễ, trọng lượng tươi và trọng lượng khô). Đột phá nhất là công thức phối trộn 50% than hấp phụ dinh dưỡng + 50% phân bón khoáng vô cơ mang lại sinh khối và tốc độ phát triển cao nhất, chứng minh cơ chế nhả chậm dinh dưỡng giúp giảm rửa trôi và tối ưu hóa khả năng hấp thụ của rễ.

4. Cắt giảm phát thải khí nhà kính quy mô lớn trên đất lúa:

   • Than trấu bổ sung ở mức 20 tấn $\text{ha}^{-1}$ làm giảm phát thải $\text{CH}_4$ 15,99% và giảm phát thải $\text{N}_2\text{O}$ 48,47% so với đối chứng.
   • Than lục bình bổ sung ở mức 20 tấn $\text{ha}^{-1}$ đạt hiệu quả cắt giảm cao hơn, giảm phát thải $\text{CH}_4$ 20,14% và giảm phát thải $\text{N}_2\text{O}$ 51,90%.
   • Mức giảm phát thải của nghiệm thức 20 tấn $\text{ha}^{-1}$ vượt trội rõ rệt ($p < 0,05$) so với các nghiệm thức liều lượng thấp (5 tấn $\text{ha}^{-1}$ và 10 tấn $\text{ha}^{-1}$).

Implications đa chiều

• Học thuật: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện về tính chất nhiệt hóa học và năng lực hấp phụ của sinh khối bản địa nhiệt đới, đóng góp vào thư viện chuẩn hóa thông số than sinh học toàn cầu.
• Nông học & Môi trường: Đưa ra giải pháp "1 mũi tên trúng 3 đích": xử lý triệt để bùn/nước thải biogas chăn nuôi $\rightarrow$ tạo ra dòng phân bón nhả chậm giàu dinh dưỡng thay thế 50% phân hóa học $\rightarrow$ phục hồi độ phì nhiêu đất thoái hóa.
• Chính sách khí hậu: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể hỗ trợ Việt Nam thực hiện cam kết Đóng góp do quốc gia tự quyết định (NDC) và Cam kết giảm phát thải khí mê-tan toàn cầu (Global Methane Pledge) đạt mức phát thải ròng bằng “0” (Net Zero) vào năm 2050.

---

Limitations và Future Research

1. Quy mô thực nghiệm: Nghiên cứu sinh khối và phát thải khí nhà kính mới được tiến hành trong điều kiện nhà lưới có kiểm soát; các dao động thời tiết thực địa, chế độ thủy văn ngập - khô xen kẽ phức tạp và hệ vi sinh vật bản địa tự nhiên có thể làm thay đổi biên độ phát thải.
2. Cơ chế phân tử của vi sinh vật: Luận án chưa áp dụng kỹ thuật giải trình tự gen thế hệ mới (Next-Generation Sequencing - 16S rRNA metagenomics) hoặc định lượng gen biểu hiện (pmoA, mcrA, nosZ, nirK) để xác định trực tiếp biến động mật độ vi khuẩn methanotrophs và denitrifiers.
3. Đánh giá vòng đời (LCA) và hiệu quả kinh tế vĩ mô: Chưa lượng hóa chi phí đầu tư lò nhiệt phân công nghiệp, chi phí thu gom sinh khối lục bình quy mô lớn và hạch toán tín chỉ carbon (carbon credits).

Chương trình nghiên cứu tiếp nối:

• Triển khai mô hình cánh đồng mẫu lớn tại các tiểu vùng sinh thái ĐBSCL (vùng phù sa ngọt, vùng đất phèn trũng, vùng ven biển).
• Ứng dụng phân tích đồng vị bền ($\delta^{13}\text{C}$, $\delta^{15}\text{N}$) để theo dõi chính xác đường đi của ion dinh dưỡng được nhả ra từ than vào mô thực vật.
• Nghiên cứu biến tính bề mặt than bằng công nghệ hoạt hóa hóa học kết hợp vi sinh vật bản địa nhằm tăng dung lượng hấp phụ lên gấp 2–3 lần.

---

Tác động và ảnh hưởng

• Học thuật: Công trình đã công bố các bài báo khoa học trên các tạp chí chuyên ngành uy tín trong nước và quốc tế (Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, Tạp chí Quốc tế Journal of Bioresources - UGC-CARE Quality Journal). Dự báo các kết quả này sẽ trở thành tài liệu tham khảo then chốt cho các nghiên cứu về xử lý ô nhiễm sinh học tại Đông Nam Á.
• Chuyển dịch ngành nông nghiệp: Mở ra hướng đi thương mại hóa sản phẩm "Phân bón sinh học thông minh từ than trấu và lục bình", giúp các trang trại chăn nuôi quy mô vừa và lớn tự chủ công nghệ xử lý nước thải thành phân bón hữu cơ giá trị gia tăng cao.
• Lợi ích xã hội & Khí hậu: Khai thông dòng chảy giao thông thủy tại ĐBSCL thông qua việc thu gom lục bình, giảm thiểu nguy cơ phú dưỡng hóa sông ngòi, bảo vệ nguồn nước ngầm và tạo sinh kế xanh cho người dân địa phương.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học trẻ: Tiếp cận được quy trình chuẩn hóa từ khâu tiền xử lý sinh khối, vận hành lò nhiệt phân khí trơ đến các thuật toán mô hình hóa động học/đẳng nhiệt hấp phụ.
• Giảng viên và Viện nghiên cứu: Bổ sung học liệu thực chứng giá trị cao cho các chuyên đề đào tạo sau đại học về Khoa học đất, Quản lý môi trường và Đổi mới nông nghiệp sinh thái.
• Doanh nghiệp R&D Phân bón và Môi trường: Ứng dụng ngay công thức phối trộn 50% than hấp phụ dinh dưỡng biogas + 50% phân vô cơ để sản xuất các dòng phân bón NPK-Biochar tan chậm, giảm chi phí nguyên liệu nhập khẩu.
• Nhà hoạch định chính sách môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh ĐBSCL có căn cứ khoa học chuẩn xác để xây dựng hướng dẫn kỹ thuật quản lý phụ phẩm cây trồng và hạn chế ô nhiễm chăn nuôi.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?

Luận án đã chứng minh sự vượt trội của cơ chế hấp phụ đa tác nhân trên nền than sinh học xử lý ở 700°C. Khác với quan niệm truyền thống cho rằng than sinh học chỉ giữ cation qua lực hút tĩnh điện CEC, công trình chỉ ra rằng ở 700°C, sự tái sắp xếp mạng lưới carbon thơm đa vòng tạo ra mật độ tương tác cho - nhận electron $\pi$-$\pi$ dày đặc kết hợp với hệ thống mao quản trung bình và vi mao quản tối ưu, cho phép giữ giữ mạnh mẽ anion nitrate ($\text{NO}_3^-$) với dung lượng lên đến $9,87\text{ mg g}^{-1}$ (than trấu) và $9,59\text{ mg g}^{-1}$ (than lục bình) trực tiếp từ nền nước thải biogas phức tạp.

2. Tính đổi mới trong phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây?

So với các nghiên cứu của Hou et al. (2016) hay Mei et al. (2021) vốn chỉ đánh giá quá trình hấp phụ trong dung dịch chuẩn đơn chất tinh khiết, luận án đã thiết lập quy trình kiểm chứng kép: đối chứng dung dịch chuẩn và thực nghiệm trực tiếp trên nước thải biogas thực tế chứa đa ion cạnh tranh ($\text{PO}_4^{3-}, \text{Cl}^-, \text{SO}_4^{2-}, \text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{K}^+$). Hơn nữa, nghiên cứu đã khép kín toàn bộ chu trình thực nghiệm: Chế tạo vật liệu $\rightarrow$ Hấp phụ xử lý ô nhiễm $\rightarrow$ Đánh giá nhả chậm dinh dưỡng trên cây trồng $\rightarrow$ Đánh giá cắt giảm phát thải khí nhà kính trong đất lúa.

3. Phát hiện bất ngờ nhất được chứng minh bằng dữ liệu là gì?

Phát hiện bất ngờ nhất là hiệu năng giảm phát thải khí nhà kính của than lục bình cao hơn than trấu ở cùng mức bón 20 tấn $\text{ha}^{-1}$ (giảm $\text{CH}_4$ 20,14% so với 15,99%; giảm $\text{N}_2\text{O}$ 51,90% so với 48,47%). Điều này được giải thích là do than lục bình có cấu trúc mô xốp thực vật nguyên thủy thoáng đãng hơn, hàm lượng khoáng đa dạng hơn, tạo ra độ dẫn khí và khả năng hòa tan oxy vào tầng đất ngập nước cao hơn, ức chế triệt để hơn điều kiện yếm khí sinh mê-tan.

4. Giao thức lặp lại (Replication Protocol) có được đảm bảo độ tin cậy?

Hoàn toàn nghiêm ngặt và chi tiết. Toàn bộ thông số vận hành nhiệt phân (nhiệt độ 700°C, tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C }\text{phút}^{-1}$, dòng khí $\text{N}_2\text{ 3 L phút}^{-1}$, thời gian lưu 2h), chuẩn bị mẫu (sàng 0,5 mm, sấy 105°C theo TCVN 1867:2001), các thiết bị phân tích tiêu chuẩn quốc tế (SEM S-4800, Quantachrome BET, CHNS-O Perkin-Elmer 2400 II, Mettler Toledo MP220), cùng phương pháp xác định CEC ($\text{BaCl}_2/\text{MgSO}4/\text{EDTA}$) và $\text{pH}{\text{pzc}}$ (Balistrieri & Murray, 1981) đều được mô tả chuẩn hóa, cho phép tái lập kết quả thực nghiệm với độ chính xác cao.

5. Định hướng chương trình nghiên cứu 10 năm tới?

Xây dựng nền tảng công nghệ phân bón Nano-Biochar nhả chậm thông minh tích hợp cảm biến vi sinh; số hóa bản đồ tiềm năng giảm phát thải KNK của từng loại sinh khối phụ phẩm nông nghiệp cho toàn bộ vùng ĐBSCL; và hoàn thiện quy trình công nghệ tích hợp đăng ký hạn ngạch tín chỉ carbon theo cơ chế thị trường quốc tế (VCS/Gold Standard).

---

Kết luận

1. Làm chủ quy trình nhiệt hóa sinh khối bản địa: Xác lập thành công quy trình nhiệt phân chậm ở 700°C trong môi trường khí trơ $\text{N}_2$ cho hai nguồn phụ phẩm dồi dào là trấu (lúa OM5451) và cây lục bình xâm lấn, tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt lớn, độ thơm hóa cao và mạng lưới mao quản phát triển.
2. Khả năng thu hồi dinh dưỡng vượt bậc: Đạt dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir cho $\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_3^-$ lần lượt là $5,51\text{ mg g}^{-1}$ và $9,87\text{ mg g}^{-1}$ (than trấu); $4,31\text{ mg g}^{-1}$ và $9,59\text{ mg g}^{-1}$ (than lục bình), loại bỏ hiệu quả chất ô nhiễm trong nước thải biogas chăn nuôi.
3. Cơ chế động học hóa lý xác định: Chứng minh quá trình hấp phụ ion dinh dưỡng diễn ra theo cơ chế hấp phụ hóa học đa tầng kết hợp tương tác $\pi$-$\pi$ và trao đổi ion, tuân thủ mô hình động học biểu kiến bậc hai (PSO) và đường đẳng nhiệt Langmuir.
4. Đổi mới giải pháp phân bón nhả chậm: Khẳng định công thức phối trộn 50% than đã hấp phụ dinh dưỡng + 50% phân hóa học tạo ra hiệu ứng kích thích sinh trưởng sinh khối cây rau muống vượt trội, cho phép giảm một nửa lượng phân bón khoáng cần sử dụng.
5. Cắt giảm phát thải khí nhà kính đột phá: Bổ sung 20 tấn $\text{ha}^{-1}$ than sinh học vào đất lúa làm giảm phát thải tích lũy $\text{CH}_4$ từ 15,99% đến 20,14% và $\text{N}_2\text{O}$ từ 48,47% đến 51,90%, cung cấp giải pháp căn cơ cho nền nông nghiệp lúa nước phát thải thấp.
6. Mở ra kỷ nguyên kinh tế tuần hoàn nông nghiệp: Tạo ra chuỗi giá trị khép kín từ chất thải $\rightarrow$ vật liệu hấp phụ $\rightarrow$ phân bón sinh học $\rightarrow$ giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu, mang lại giá trị thực tiễn to lớn và bền vững cho xã hội.

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.

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.