Đặt vấn đề Xã hội ngày một văn minh, mức sống của con ngƣời nâng cao, lƣợng nƣớc thải sinh hoạt thải ra môi trƣờng ngày một tăng. Đặc trƣng của nƣớc thải sinh hoạt là chứa nhiều thành phần gây ô nhiễm: cặn bẩn, dầu mỡ, các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học, các loại vi sinh vật gây bệnh. Trong đó các chất dinh dƣỡng nhƣ nitơ (N), photpho (P) là đối tƣợng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trƣờng, làm ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời và các quá trình xử lý khác trong trạm xử lý nƣớc thải. Amonia, photphat là những nguyên tố dinh dƣỡng đa lƣợng, nồng độ trong nƣớc quá cao dẫn đến hiện tƣợng phú dƣỡng hóa gây biến động liên tục điều kiện sống (pH, oxy hòa tan), gây khó khăn hô hấp và sinh tồn của thủy động vật, góp phần ô nhiễm môi trƣờng nƣớc (Viện khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Tây Nguyên, 2018).
Nếu tận dụng đƣợc các chất dinh dƣỡng trên từ nguồn nƣớc thải sinh hoạt sẽ mang lại lợi ích kinh tế đồng thời bảo vệ môi trƣờng. Kiểm soát đƣợc nồng độ N và P trong nƣớc chính là kiểm soát đƣợc các chất dinh dƣỡng trong môi trƣờng nƣớc. Việt Nam là một nƣớc nông nghiệp, lƣợng phế phẩm dƣ thừa trong quá trình chế biến các sản phẩm nông sản, thực phẩm rất lớn và đa dạng về chủng loại. Mặc dù có thể thu nguồn lợi lớn từ lƣợng phế phẩm nông nghiệp, nhƣng do đời sống con ngƣời đƣợc nâng cao, những phế phẩm này thƣờng bị bỏ lại ngay tại đồng ruộng sau khi thu hoạch, thậm chí đốt gây hậu quả nghiêm trọng tới môi trƣờng đất, môi trƣờng nƣớc, môi trƣờng không khí, đe dọa ô nhiễm môi trƣờng đến những địa phƣơng có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp và ảnh hƣởng đến các vấn đề nhân sinh xã hội khác (Viện khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Miền Nam, 2015).
Vấn đề đặt ra là phải tìm giải pháp để tận dụng tốt các phế phẩm nông nghiệp nhƣ một nguồn tài nguyên mới và bảo vệ môi trƣờng, đảm bảo phát triển bền vững. Trƣớc những vấn đề trên, than sinh học (biochar) nhƣ là một giải pháp toàn diện và đang đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và ví nhƣ là “vàng đen” cho ngành nông nghiệp. Bổ sung biochar vào đất có thể làm thay đổi đặc tính lý hóa đất, tăng lƣợng dinh dƣỡng trong đất và tăng khả năng phát triển nấm cộng 2 sinh rễ cây (Ishii and Kadoya, 1994), là nơi trú ngụ, bảo vệ cho nấm và vi sinh vật trong đất (Warnock et al, 2007). Việc sử dụng biochar để bón vào đất canh tác đã và đang ngày càng đƣợc chú ý đến nhƣ là một cách để làm tăng nguồn chứa cacbon, giảm hiệu ứng nóng lên toàn cầu, cải thiện khả năng giữ nƣớc, dinh dƣỡng trong đất cũng nhƣ kiểm soát sự di động của nhiều chất gây ô nhiễm môi trƣờng (Lehmann et al, 2006; Verheijen et al, 2009; Van Zwieten et al, 2010).
Hơn nữa, việc bón biochar vào đất còn làm tăng hiệu quả sử dụng nƣớc, tăng độ phì của đất và sản lƣợng cây trồng do làm giảm sự rửa trôi các chất dinh dƣỡng và thậm chí cung cấp các chất dinh dƣỡng cho cây (Glaser et al, 2002; Lehmann et al, 2003). Biochar giải quyết đƣợc hầu hết các vấn đề môi trƣờng cấp thiết nhƣ: tận dụng phế phẩm nông nghiệp, thu hồi dinh dƣỡng từ nƣớc thải sinh hoạt, chống ô nhiễm nguồn đất, tăng năng suất cây trồng, bảo vệ môi trƣờng khỏi hiệu ứng nhà kính, … Việc tận dụng các chất thải từ nông nghiệp để tạo ra một loại vật liệu thân thiện môi trƣờng, chi phí sản xuất thấp lại có tiềm năng to lớn trong xử lý ô nhiễm chất dinh dƣỡng trong nƣớc thải là một hƣớng đi đáng xem xét. Chính vì những lý do trên, có thể thấy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng than sinh học biến tính từ vỏ trấu để thu hồi dinh dƣỡng từ nƣớc thải” là cần thiết và có tính thực tế cao. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu 1.
Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá khả năng xử lý amoni, nitrat, photphat trong nƣớc thải của biochar từ vỏ trấu biến tính MgCl2. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mg lên hiệu quả xử lý của MCRH. Nội dung 2: Khảo sát các muối kim loại ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý của biochar biến tính. Nội dung 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý của MCRH.
Nội dung 4: Khảo sát hiệu suất xử lý của MCRH trên nƣớc giả thải, nƣớc thải thực. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tƣợng nghiên cứu: - Than sinh học từ vỏ trấu và muối kim loại. - Nƣớc thải sinh hoạt: từ Kí túc xá khu A, khu B – ĐHQG – TP.HCM, nƣớc giả thải.
Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đƣợc thực hiện với quy mô tại phòng thí nghiệm phân tích và công nghệ môi trƣờng, phòng 809 nhà H2, Đại học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM cơ sở 2, Dĩ An, Bình Dƣơng. Thời gian thực hiện: Từ 01/01/2020 đến 31/12/2020. Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học: - Đề tài cung cấp dữ liệu về khả năng hấp phụ chất dinh dƣỡng của than sinh học biến tính. Ý nghĩa thực tiễn: - Tận dụng hiệu quả lƣợng phế phẩm nông nghiệp.
- Thông qua việc nghiên cứu khả năng hấp phụ chất dinh dƣỡng của than sinh học, đánh giá lợi ích của biochar, từ đó đƣa ra kiến nghị về một loại biochar mới - biochar biến tính muối kim loại. Giới thiệu về biochar 2. Khái niệm về biochar Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative - Sáng kiến Than sinh học Quốc tế) thì than sinh học (biochar) là chất rắn thu từ quá trình cacbon hóa sinh khối. Biochar có thể bổ sung vào đất với mục đích cải thiện các chức năng của đất và giảm sự phát thải các khí nhà kính.
Chúng có ý nghĩa lớn trong việc cố định cacbon theo chu trình tuần hoàn vật chất cacbon trong khí quyển (Obi el al, 2016). Có thể hiểu biochar là một sản phẩm của các quá trình nhiệt phân vật liệu hữu cơ trong môi trƣờng yếm khí (thiếu oxy và áp suất lớn thì cacbon sinh khối không bị cháy hoàn toàn mà chuyển sang dạng giữa khoáng và hữu cơ), có hàm lƣợng cacbon cao và đặc tính xốp giúp đất giữ nƣớc, dƣỡng chất, có khả năng tồn tại bền vững trong môi trƣờng đất và làm tăng lƣợng cacbon lƣu giữ trong đất, bảo vệ vi khuẩn có lợi cho đất, có ảnh hƣởng tích cực đến sản xuất của đất (Lê Phú Tuấn và cộng sự, 2016). Ngoài ra, biochar có đặc tính nhƣ một bể chứa cacbon tự nhiên, cô lập và giữ khí CO2 trong đất. Đặc tính của biochar - Tỷ lệ dinh dưỡng trong biochar Hầu hết biochar đƣợc tạo ra trong khoảng nhiệt độ từ 450 oC – 550 oC, sẽ ảnh hƣởng tới việc mất nitơ (N) và lƣu huỳnh (S).
Tuy nhiên, nếu sản xuất biochar từ một số nguyên liệu giàu N thì có thể giữ đƣợc 50 %N và tất cả S nếu nhiệt phân ở 450 oC (Lehmann et al, 2009). Biochar khi đƣợc bổ sung vào đất mặc dù thƣờng không có hàm lƣợng N dễ tiêu cao, nhƣng có khả năng giữ lại các chất dinh dƣỡng trong đất và hạn chế sự rửa trôi, dẫn đến tăng sự thu dinh dƣỡng của cây trồng và năng suất cao hơn. - Diện tích bề mặt riêng và vi lỗ trong biochar Diện tích bề mặt riêng chịu ảnh hƣởng bởi nguyên liệu sinh khối và điều kiện sản xuất, đây là một trong những cơ sở để biết sự tƣơng tác giữa đất và biochar. Diện tích bề mặt riêng và vi lỗ của biochar tăng theo nhiệt độ, cùng nguyên liệu nhƣng nhiệt độ sản xuất khác nhau sẽ cho ra các loại biochar khác nhau.
5 Biochar có bề mặt riêng phát triển và thƣờng đƣợc đặc trƣng bằng cấu trúc nhiều đƣờng mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thƣớc và hình dạng khác nhau. Thông thƣờng, chúng có lỗ xốp từ một nanomet đến vài nghìn nanomet. Các lỗ đƣợc chia thành 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Lỗ nhỏ (micropores) chính là nhóm có năng lƣợng hấp phụ lớn nhất; có kích thƣớc cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2 nm, thể tích lỗ từ 0,15 – 0,7 cm3/g, diện tích bề mặt riêng chiếm 95 % tổng diện tích bề mặt của biochar.
Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ và không xảy ra sự ngƣng tụ mao quản. Lỗ trung (mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển, có bán kính hiệu dụng từ 2 nm đến 50 nm, thể tích của chúng thƣờng từ 0,1 đến 0,2 cm3/g. Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50 nm và thƣờng trong khoảng 500 - 2000 nm với thể tích lỗ từ 0,2 – 0,4 cm3/g. Nhóm lỗ xốp này hoạt động nhƣ một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung (Lehmann et al, 2009).
Theo thời gian, khả năng hấp phụ của biochar sẽ giảm do các lỗ rỗng của nó bị bít kín. - Cấu trúc xốp của bề mặt biochar Với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho biochar có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Các lỗ rỗng trên bề mặt biochar có cƣờng độ sắp xếp lớn, thực sự mang lại giá trị quan trọng lớn hơn so với sinh khối không bị cháy (Warnock et al, 2007). Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng đƣợc quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phƣơng pháp than hóa.
Cấu trúc xốp của biochar có tác dụng to lớn trong nông nghiệp. Nó có thể chứa một lƣợng nƣớc lớn, khi bón trên đất cát giúp nâng cao năng lực giữ nƣớc của đất, cải thiện đáng kể độ ẩm đất. Đồng thời nó cũng có khả năng giữ khí rất tốt, khi bón cho đất sét, nó có ảnh hƣởng đáng kể đến độ xốp thoáng và khả năng trao đổi khí của loại đất này. Cấu trúc xốp của biochar là nơi hấp phụ hữu cơ, là nơi trú ngụ và nhân sinh khối của các vi sinh vật hữu ích trong đất.
- Nhóm cacbon - oxy trên bề mặt biochar 6 Là những nhóm quan trọng nhất ảnh hƣởng đến đặc trƣng bề mặt (tính ƣa nƣớc, độ phân cực, tính acid, …), đặc điểm hóa lý (khả năng xúc tác, dẫn điện, .) và khả năng phản ứng của các vật liệu này. Dạng nhóm cacbon - oxy bề mặt (acid, bazơ, trung hòa) đã đƣợc xác định, các nhóm axit bề mặt rất đặc trƣng và đƣợc tạo thành khi than đƣợc xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 400 oC.