Đặt vấn đề Hiện nay, nông nghiệp vẫn là một ngành quan trọng, góp phần vào phát triển, tồn tại của nhiều nước. Theo thống kê, tổng diện tích canh tác nông nghiệp chiếm khoảng 38% tổng diện tích đất trên thế giới. Nông nghiệp là ngành sản xuất lớn bao gồm trồng trọt, chăn nuôi, lâm nghiệp và thủy sản. Sản lượng lúa gạo thương mại toàn cầu hằng năm khoảng 36 triệu tấn, với kim ngạch thương mại đạt 3,2 tỷ USD (Đỗ Thị Bích, 2022).
Ngành nông nghiệp cung cấp những sản phẩm thiết yêu như lương thực, thực phẩm và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp. Bên cạnh đó, nông nghiệp còn mang lại nhiều giá trị về mặt kinh tế và xã hội như xuất khẩu, tạo việc làm và thu nhập cho người dân. Ở Việt Nam ước tính diện tích đất nông nghiệp là 27.482 ha trong đó đất trồng lúa chiếm 4,1 triệu ha. Tổng sản lượng lúa năm 2021 là 43,86 triệu tan tăng 1,1 triệu tan so với năm 2020.
Tỷ trọng gạo chat lượng cao chiếm trên 89% gạo xuất khẩu, góp phan nâng giá gạo xuất khâu bình quân từ 496 USD/tan năm 2020 lên trên 503 USD/tấn năm 2021 (Tổng cục Thống kê, 2022). Tuy vậy, cùng với sự gia tăng sản lượng các sản phẩm nông nghiệp đi theo đó là lượng phụ phẩm ngày càng tăng. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê, tổng khối lượng phụ phẩm năm 2020 của cả nước là trên 156,8 triệu tấn trong đó phụ phẩm sau thu hoạch từ cây trồng, từ quá trình chế biến nông san là 88,9 triệu tấn, chiếm 56,7%. Trong đó, riêng khu vực Đông Nam Bộ phát sinh 13,9 triệu tan và đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) với hơn 39,4 triệu tan.
Mặc dù vậy, tỉ lệ phụ phẩm cây trồng được thu gom, sử dụng chỉ chiếm 52,2%. Trong đó, tỉ lệ sử dụng rơm lúa chỉ 56,3% (cho các mục đích làm thức ăn thô cho gia súc, làm đệm lót sinh học cho vật nuôi, làm nam rơm, phủ gốc cho cây trồng. Đặc biệt, một lượng đáng ké phụ phẩm nông nghiệp không được xử lý hoặc xử lý sai cách gây ô nhiễm không khí, cản trở giao thông, ảnh hưởng đến sức khỏe con người, làm giảm đi giá trị của chúng. Theo số liệu Tổng cục thống kê năm 2020, phụ phẩm từ quá trình chế biến nông sản của ngành trồng trọt gồm: Vỏ trau 8,6 triệu tan, bã mía 3,5 triệu tấn, lõi bắp 1,4 triệu tan, vỏ củ mì 1,3 triệu tan và các loại khác là 2 triệu tan.
Đặc biệt, vỏ trau là nguồn phụ phẩm dồi dao, có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xử lý nước, làm giá thé cho cây trồng. nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi, còn lãng phi. Ở nước ta, bên cạnh trồng trot, thì nuôi trồng thủy sản được xem là ngành kinh tế mũi nhọn. Với hệ thống sông ngòi dày đặc và điều kiện khí hậu thuận lợi cho nuôi trồng nhiều loại thủy sản khác nhau như tôm, cá tra.
Từ năm 2015-2022: Sản lượng nuôi trồng thủy sản của Việt Nam tăng từ 3,53 triệu tan lên 5,19 triệu tấn, tăng 47%. Nuôi trồng thủy sản phục vụ cho xuất khẩu tập trung chủ yếu ở ĐBSCL (chiếm 95% tổng sản lượng cá Tra và 80% sản lượng tôm). Đặc biệt, sản lượng cá tra trong năm 2022 là 1,7 triệu tấn. Bên cạnh đó nước thải trong nuôi trồng thủy sản cũng chứa nhiều thành phần độc hại có thể gây ô nhiễm môi trường cần được xử lý.
Thông thường, nước thải từ nuôi trồng cá tra có lượng BOD khoảng 50 mg/L, COD khoảng 112 mg/L, tổng nitơ khoảng 4,81 mg/L, và tổng photpho khoảng 2,17 mg/L. Nguồn nước thải nuôi trồng thủy sản trong một vụ có thé đạt 15000 — 25000 m/ha tùy thuộc vào quy trình và diện tích nuôi trồng các loại thủy sản mà lượng phát thải khác nhau (Phạm Đình Đôn, 2016). Phát triển kinh tế cần phải gắn liền với bảo vệ môi trường sinh thái: do đó nước thải từ quá trình nuôi trồng thủy sản cần đucowj xử lý triệt dé và tái sử dụng. Những giải pháp xử lý hiện nay bao gồm: phương pháp vật lý (lọc lắng, sử dung tia cực tim,.), phương pháp hóa học (sử dụng ozon, các biện pháp kết tủa,.), và sinh học (sử dụng than sinh học, chế phẩm sinh học, xử lý bằng hệ thực vật như sử dung tao, thực vật.
Hiện nay, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học; đặc biệt sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường đang được khuyến khích sử dụng. Từ nguồn nguyên liệu vỏ trau đồi đào sẵn có và tiềm năng ứng dụng của than sinh học trong xử lý nước thải ô nhiễm, đề tài “ Nghiên cứu sản xuất than sinh học (biochar) từ vỏ trau và ứng dụng xử lý nước nuôi trồng thủy sản (cá tra)” đã được thực hiện. Mục tiêu của nghiên cứu nhằm khảo sát quy trình sản xuất TSH có khả năng hấp phụ tốt, đồng thời bước đầu đánh giá khả năng xử lý nước nuôi trồng thủy sản của TSH sản xuất từ vỏ trâu ở quy mô nhà lưới. Mục tiêu nghiên cứu Sản xuất TSH từ vỏ trâu có khả năng hấp phụ các chat gây ô nhiễm trong môi trường nước.
Ứng dụng TSH đã sản xuất làm vật liệu hấp phụ dé xử lý nước nuôi cá tra (quy mô nhà lưới) đạt các tiêu chuẩn về xử lý nước thai theo QCVN 02-20:2014/BNNPTNT. Nội dung thực hiện Nội dung 1: Sản xuất TSH từ vỏ trau. Nội dung 2: Đánh giá các đặc tính hóa lý và khả năng hấp phụ của TSH. Nội dung 3: Ứng dụng TSH dé xử lý nước nuôi cá tra trong nhà lưới.
TONG QUAN TÀI LIEU 2. Than sinh hoc 2. Tổng quan về than sinh học Than sinh học (biochar) được sản xuất từ bat kỳ vật liệu thực vật nào (cành cây, vỏ trau, rơm.) có hàm lượng carbon cao khi được đốt trong điều kiện yém khí (nồng độ khí Oxy thấp hoặc không có). Than sinh học được mệnh danh là “vàng đen” vì những tác dụng quý báu của nó đối với nông nghiệp và môi trường, là nhân tố chủ yếu tạo ra cuộc cách mạng xanh lần thứ ba.
Than sinh học có hàm lượng cacbon cao, đặc tính xốp và là “ngôi nha” của vi sinh vật. Ngoài ra, than sinh học còn có đặc tính như một bê chứa cacbon tự nhiên. Biochar cũng rất ôn định vì vậy nó trở thành một thành phần tồn tại lâu dài trong đất; các nghiên cứu khảo cô học ở Amazon đã phát hiện ra các trầm tích “đất den’ có tuổi trên 500 năm vẫn giữ được độ màu mỡ. Than sinh học là một loại cacbon đen được sản xuất từ vật liệu cacbon thông qua việc áp dụng nhiệt hoặc hóa chất (Lehmann, 2007; Novak và ctv, 2009).
Carbon đen trong đất có thé là kết quả của các hoạt động nhân sinh như các hiện tượng tự nhiên như hoạt động núi lửa hoặc cháy rừng (Spokes và ctv, 2012). Cụ thé hơn, TSH là sản phẩm rắn thu được sau khi nhiệt phân vật liệu hữu cơ trong điều kiện không có hoặc có rất ít oxy (Lehmann và Joseph, 2015). Nó có thé được sản xuất từ việc đốt những phụ phẩm nông nghiệp có sinh khối lớn ở Việt Nam như: rơm rạ, vỏ trâu, lõi ngô, vỏ dừa, cà phê, mùn cưa. Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, đến năm 2013, tong lượng chat thải nông nghiệp vào khoảng 118,21 triệu tắn/năm, bao gồm khoảng 32,8 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trau, 15,6 triệu tấn bả mía, 1,2 triệu tan vỏ ca phê, 9,2 triệu tan lõi ngô, 8,1 triệu tấn các loại phụ phâm nông nghiệp khác và phế thải từ gỗ khoảng 43,3 triệu tan.
Day là nguồn nguyên liệu tiềm năng dé sản xuất TSH. Các phương pháp sản xuất TSH bao gồm: nhiệt phân nhanh, nhiệt phân chậm, khí hóa. Trong đó, nhiệt phân chậm là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất TSH với hiệu suất tạo ra TSH cao. Các tính chất của TSH tạo thành phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu, điều kiện nhiệt phân (nhiệt độ nhiệt phân, thời gian lưu, tốc độ gia nhiệt) và quá trình tiền xử lý.
Trong đó nhiệt độ nhiệt phân là yếu tố ảnh hưởng đáng kể nhất đến chất lượng than sinh học tạo ra. Các phương pháp nhiệt phân bao gồm nhiệt phân cacbon hóa thủy nhiệt, nung chảy và gia nhiệt vi sóng, thay đổi về nhiệt độ và thời gian nhiệt hóa. Cho đến nay, TSH đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, được sử dụng dé giải quyết các van đề môi trường như hap phụ chat ô nhiễm, giảm khí thải nhà kính, ủ phân, xử lý nước thải, cải tạo đất, sản xuất năng lượng và chất xúc tác. Hàm lượng khoáng chất của TSH làm cho nó trở thành chất xúc tác cuối cùng cho quá trình phân hủy ky khí, giúp tăng cường đáng kể sản xuất năng lượng sinh học.
Bồ sung vào quá trình phân hủy ky khí bằng TSH có thể làm tăng sản lượng khí sinh học và hydro sinh học có thé dat được từ 57% đến 118% tương ứng trong quá trình kiểm soát (Malyan và ctv, 2021). Bồ sung TSH vào đất giúp cải thiện sức khỏe của đất, độ xốp và độ thoáng khí, làm giảm phát thải khí nhà kính từ đất. Bên cạnh đó, TSH còn có hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên, góp phan cải thiện, khắc phục và bảo vệ, hạn chế ô nhiễm môi trường, giúp giảm thiêu phát thải khí nhà kính. Đặc biệt TSH cũng có tính chất hấp phụ tương tự như than hoạt tính (THT) giúp TSH có thể được sử dụng như một chất hấp phụ giúp loại bỏ kim loại nặng hay anion gây ô nhiễm ra khỏi nước.
Nhưng so với THT, quá trình sản xuất TSH đơn giản và chi phí thấp hơn (Lehmann và Joseph, 2015) nhờ sử dụng nhiệt độ nhiệt phân thấp và không có bước hoạt hoá bé sung carbon tiêu tốn nhiều năng lượng và hoá chất. Như vậy, có thé thay TSH là một vật liệu tiềm năng với chi phí thấp trong vấn dé làm sạch đất, khí, nước thải trong tương lai. Cơ chế nhiệt phân hình thành than sinh học Các phản ứng hóa học thông thường xảy ra trong quá trình nhiệt phân đề sản xuất than sinh học bao gồm phân hủy và trùng hợp các thành phần cao phân tử, ngưng tụ, khử cacbon, khử cacboxyl, khử nước, methoxyl hóa, bién dang giữa các phân tử. Cơ chế nhiệt phân sinh khối dé sản xuất than sinh học bao gồm cơ chế nhiệt phân cellulose, hemicellulose và lignin vì mỗi thành phần có các đặc tính nhiệt khác nhau.
Nhiệt độ phản ứng là một trong những thông số quan trọng nhất chi phối các phan ứng chiếm ưu thế, nhưng rất khó dé duy trì nhiệt độ đồng nhất trong một hệ thống thực.