Nghiên cứu thử nghiệm than sinh học biến tính từ vỏ trấu để thu hồi dinh dưỡng trong nước thải

Than sinh học (biochar) là sản phẩm của quá trình nhiệt phân sinh khối trong điều kiện yếm khí. Nó có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao, làm cho nó trở thành một vật liệu tiềm năng để xử lý ô nhiễm môi trường. Biochar có thể cải thiện đặc tính đất, tăng khả năng giữ nước và dinh dưỡng, và giảm phát thải khí nhà kính. Theo tổ chức IBI, 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). Vì vậy, việc nghiên cứu biochar mang đến giá trị to lớn.

Vỏ trấu là một phế phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam, với số lượng lớn được tạo ra hàng năm từ các nhà máy xay xát gạo. Việc sử dụng vỏ trấu để sản xuất biochar không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt hoặc thải bỏ, mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị gia tăng cao. Quá trình sản xuất biochar từ vỏ trấu có thể thực hiện bằng phương pháp trộn và ủ đơn giản như nghiên cứu của Trần Đặng Lan Vân cho thấy, làm tăng tính khả thi về mặt kinh tế. Đặc biệt, vỏ trấu có giá thành rẻ và dễ kiếm, là nguồn tài nguyên dồi dào.

Than sinh học chưa biến tính thường có khả năng hấp phụ hạn chế đối với một số chất ô nhiễm, đặc biệt là các ion dinh dưỡng như nitrat, phosphate, và ammonium. Điều này là do diện tích bề mặt riêng và số lượng các nhóm chức năng trên bề mặt than còn thấp. Do đó, cần phải có các biện pháp biến tính để cải thiện khả năng hấp phụ của than sinh học. Việc cải thiện sẽ mang đến tiềm năng lớn để làm sạch nước thải.

Hiệu quả hấp phụ của than sinh học trong xử lý nước thải bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường, bao gồm pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, và nồng độ các chất ô nhiễm. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của than sinh học và khả năng ion hóa của các chất ô nhiễm. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hấp phụ. Thời gian tiếp xúc cần đủ để đạt được trạng thái cân bằng hấp phụ. Nồng độ các chất ô nhiễm ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ của than sinh học. Do đó, cần phải kiểm soát và tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất.

Biến tính hóa học bằng muối kim loại như MgCl2 là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng hấp phụ của than sinh học. MgCl2 giúp tạo ra các phức chất trên bề mặt than sinh học, tăng cường khả năng trao đổi ion và hấp phụ các ion dinh dưỡng như ammonium và phosphate. Nghiên cứu của Trần Đặng Lan Vân đã chứng minh rằng than sinh học từ vỏ trấu biến tính MgCl2 (MCRH) có khả năng hấp phụ amoni và photphat tốt hơn so với than sinh học nguyên bản (RHB).

Quy trình sản xuất MCRH bao gồm các bước: (1) Chuẩn bị vỏ trấu và dung dịch MgCl2; (2) Trộn vỏ trấu với dung dịch MgCl2 theo tỷ lệ nhất định; (3) Ủ hỗn hợp trong một khoảng thời gian nhất định; (4) Nhiệt phân hỗn hợp trong điều kiện yếm khí ở nhiệt độ tối ưu (450-550°C); (5) Rửa sạch than sinh học sau nhiệt phân để loại bỏ các tạp chất; (6) Sấy khô và nghiền MCRH để sử dụng. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hàm lượng Mg trong than sinh học dao động từ 0-20% đã được tổng hợp và nghiên cứu.

Nghiên cứu cho thấy rằng khả năng hấp phụ amoni và photphat của MCRH giảm khi nồng độ ban đầu của các chất này tăng lên. Điều này là do khi nồng độ ban đầu cao, các vị trí hấp phụ trên bề mặt MCRH nhanh chóng bị bão hòa. Do đó, cần phải điều chỉnh lượng MCRH sử dụng hoặc pha loãng nước thải để đảm bảo hiệu quả xử lý.

Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt thực tế bằng MCRH. Kết quả cho thấy MCRH có khả năng loại bỏ amoni và photphat từ nước thải sinh hoạt, đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 14:2008/BTNMT (cột B). Cụ thể, nồng độ amoni, photphat của nước thải đầu ra đạt giá trị cho phép (10 mg/l) theo QCVN 14:2008 / BTNMT (column b) - National technical regulation on domestic wastewater.

Việc sử dụng than sinh học biến tính làm phân bón nhả chậm mang lại nhiều lợi ích cho nông nghiệp, bao gồm: (1) Cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách từ từ, giảm thiểu nguy cơ mất dinh dưỡng do rửa trôi; (2) Cải thiện đặc tính đất, tăng khả năng giữ nước và dinh dưỡng; (3) Giảm thiểu ô nhiễm môi trường do sử dụng phân bón hóa học; (4) Tăng năng suất cây trồng và chất lượng sản phẩm. Đây là một hướng đi quan trọng để phát triển nông nghiệp bền vững.

Việc phân tích chi phí - lợi ích của việc sản xuất và sử dụng MCRH là cần thiết để đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế của giải pháp này. Cần xem xét các chi phí sản xuất MCRH, chi phí vận hành và bảo trì hệ thống xử lý nước thải, và các lợi ích kinh tế do giảm chi phí xử lý nước thải, tăng năng suất cây trồng, và giảm ô nhiễm môi trường. Nếu chi phí sản xuất giảm nhờ vào quy trình đơn giản và nguồn vỏ trấu dồi dào, MCRH có tiềm năng thương mại hóa lớn.

Than sinh học biến tính từ vỏ trấu nổi bật với nhiều ưu điểm: (1) Khả năng hấp phụ dinh dưỡng cao hơn so với biochar thông thường; (2) Nguyên liệu dễ kiếm và giá rẻ (vỏ trấu); (3) Quy trình sản xuất đơn giản; (4) Khả năng tái sử dụng làm phân bón; (5) Góp phần vào kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững. Đây là những yếu tố quan trọng để biochar biến tính trở thành một giải pháp được ứng dụng rộng rãi.

Các hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào: (1) Tối ưu hóa quy trình biến tính để tăng hiệu quả hấp phụ; (2) Nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác trong nước thải; (3) Đánh giá hiệu quả của MCRH trong điều kiện thực tế (quy mô lớn); (4) Nghiên cứu các phương pháp tái chế MCRH sau hấp phụ; (5) Phát triển các ứng dụng khác của MCRH trong nông nghiệp và môi trường. Việc tiếp tục nghiên cứu sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của than sinh học biến tính.