Luận án Tiến sĩ Môi trường: Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:226

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Môi trường "Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi)" trình bày xác định khả năng hấp phụ ammonium và nitrate của TSH tre và tràm trong dung dịch nước thải sau biogas; Xác định khả năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O của TSH tre và tràm trên đất trồng lúa và đất trồng hoa màu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Môi trường: Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ PHẠM NGỌC THOA KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG VÀ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA THAN TRE (Bambusa blumeana) VÀ THAN TRÀM (Melaleuca cajuputi) LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 62440303 NĂM 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ PHẠM NGỌC THOA MÃ SỐ NCS: P0717002 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG VÀ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA THAN TRE (Bambusa blumeana) VÀ THAN TRÀM (Melaleuca cajuputi) LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 62440303 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS. NGUYỄN HỮU CHIẾM NĂM 2022
CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Luận án này với tựa đề là “KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG VÀ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA THAN TRE (Bambusa blumeana) VÀ THAN TRÀM (Melaleuca cajuputi)”, do nghiên cứu sinh Phạm Ngọc Thoa thực hiện theo sự hướng dẫn của PGs.Ts. Nguyễn Hữu Chiếm. Luận án đã báo cáo và được Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ thông qua ngày: …/…/2022. Luận án đã được chỉnh sửa theo góp ý và được Hội đồng đánh giá luận án xem lại. Thư ký Ủy viên Ủy viên Phản biện 3 Phản biện 2 Phản biện 1 Người hướng dẫn Chủ tịch Hội đồng PGs. Ts. Nguyễn Hữu Chiếm i
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin được chân thành tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa học là Phó Giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Hữu Chiếm, Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ đã tận tình hướng dẫn, động viên và góp ý về chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án tiến sĩ. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Phó Giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Xuân Lộc cùng tất cả quý Thầy Cô Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên đã và đang hỗ trợ, hướng dẫn học thuật cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn sinh viên khóa 40, 41, 42 và 43 đã giúp đỡ tác giả hoàn thành các nghiên cứu thực nghiệm trong suốt thời gian qua. Xin trân trọng cảm ơn học viên Tăng Lê Hoài Ngân và Võ Hoàng Việt đã luôn đồng hành và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập nghiên cứu tại đại học Cần Thơ. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến dự án nâng cấp Trường Đại học Cần Thơ VN14-P6, được hỗ trợ từ nguồn vốn vay ODA của Nhật Bản (E7) đã hỗ trợ kỹ thuật, kinh phí cho luận án Phạm Ngọc Thoa ii
TÓM TẮT Tình trạng ô nhiễm bởi các hoạt động nông nghiệp đang trở thành vấn đề cấp thiết tại Đồng bằng sông Cửu Long. Hiện nay, nguồn nước thải sau biogas được tạo ra trong các hầm kỵ khí có chứa nồng độ các ion hòa tan cao và khoảng 60% khí metan. Do đó, chúng có tiềm năng gây ô nhiễm nguồn nước rất lớn và có thể dẫn đến nguy cơ làm gia tăng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm: (1) Đánh giá khả năng hấp phụ của than sinh học tre và tràm đối với ion NH 4+ và NO3- trong nước thải sau biogas; (2) Đánh giá tiềm năng làm giảm sự phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng lúa và đất trồng hoa màu của than tre và than tràm. Hàng loạt các thí nghiệm được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2018-2020 bao gồm thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thí nghiệm trong nhà lưới tại trường Đại học Cần Thơ. Tất cả các thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp chính quy phổ biến hiện hành. Kết quả nghiên cứu cho thấy than sinh học tre và tràm hấp phụ hiệu quả ion NH 4+ trong điều kiện dung dịch hấp phụ có pH=8, với thời gian hấp phụ là 15 phút, và liều lượng than sinh học sử dụng là 1 g/L. Dung lượng hấp phụ NH4+ cực đại của than tre và than tràm tương ứng là 3,24 đến 5,4 mg/g. Đồng thời, than tre và than tràm hấp phụ hiệu quả ion NO3- trong điều kiện dung dịch hấp phụ có pH= 4, lượng than sinh học sử dụng là 1 g/L và thời gian hấp phụ trong15 phút. Khả năng hấp phụ nitrate tối đa của hai loại than sinh học từ 8,1 (than tre) đến 15,5 mg/g (than tràm). Dữ liệu thí nghiệm phù hợp với các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt như mô hình Langmuir và mô hình Freundlich. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy rằng bổ sung than sinh học tre và tràm vào đất trồng lúa đã giúp làm giảm đáng kể lượng khí thải CH4 trong khi vẫn duy trì sản xuất lúa. Lượng phát thải CH4 ở tất cả các nghiệm thức có bổ sung than sinh học đều giảm đáng kể từ 23,6% đến 47,1% so với đối chứng. Bên cạnh đó, việc bổ sung than sinh học cũng làm giảm đáng kể lượng khí thải khí N2O trên đất trồng hoa màu đến 60% so với nghiệm thức được bón urê. Từ khóa: Than sinh học cây tràm, than sinh học cây tre, hấp phụ dinh dưỡng, giảm phát thải, khí nhà kính. iii
ABSTRACT Agricultural pollution is becoming an urgent issue in the Mekong Delta. Currently, biogas effluent created from anaerobic digesters contains high concentrations of dissolved ions and about 60% methane. As a result, they have a high potential to pollute water and increase greenhouse gas emissions. As a result, this study was carried out to: (1) assess the adsorption capacity of bamboo and melaleuca biochar for NH 4+ and NO3- ions in wastewater after biogas; and (2) assess the potential of bamboo and melaleuca biochar to reduce CH4 and N2O emissions on rice and cash crops. A series of experiments were carried out between 2018 and 2020, including laboratory experiments and greenhouse experiments at Can Tho University. All experiments were performed according to the prevailing conventional method. The results showed that bamboo and melaleuca biochar effectively adsorbs NH4+ ions in the condition that the adsorption solution has pH=8, with an adsorption time of 15 minutes, and the dose of biochar used is 1 g.L-1. The maximum NH4+ adsorption capacity of bamboo biochar and melaleuca biochar is 3.24 to 5.4 mg.g-1, respectively. Additionally, bamboo and melaleuca biochar effectively adsorbed NO3- ions in the condition that the adsorption solution had pH=4, the amount of biochar used was 1 g.L-1 and the adsorption time was 15 minutes. The maximum nitrate adsorption capacity of the two biochars ranged from 8.1 (bamboo biochar) to 15.5 mg.g-1 (melaleuca biochar). Experimental data were consistent with isothermal adsorption models such as the Langmuir model, and Freundlich model. The study results also showed that adding bamboo and melaleuca biochar to rice soil significantly reduced CH4 emissions while maintaining rice production. CH4 emissions in all treatments with biochar were significantly reduced from 23.6% to 47.1% compared with the control. In addition, the addition of biochar also significantly reduced N2O emissions on cropland by 60% compared with the treatment treated with urea. Keywords: Melaleuca biochar, bamboo biochar, nutrient adsorption, emission reduction, greenhouse gas. iv
MỤC LỤC CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG ............................................................................. i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii ABSTRACT .............................................................................................................. iv LỜI CAM ĐOAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.......................................................... v MỤC LỤC ................................................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. x DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................... xv CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI..................................................................... 1 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................. 3 1.2.1. Mục tiêu tổng quát ...................................................................................... 3 1.2.2. Mục tiêu cụ thể ........................................................................................... 3 1.3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ........................................................ 3 1.3.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................ 3 1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................ 3 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................................ 3 1.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 4 1.6. TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................................ 4 CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ...................................................................... 5 2.1. TỔNG QUAN THAN SINH HỌC ................................................................... 5 2.1.1. Khái niệm than sinh học ............................................................................. 5 2.1.2. Tính chất than sinh học ............................................................................... 5 2.2. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN SINH HỌC ............................................................................................. 8 2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ chất dinh dưỡng............................... 8 2.2.2. Thuộc tính của than sinh học ...................................................................... 9 vi
2.2.3. pH của dung dịch ...................................................................................... 10 2.2.4. Khử khoáng hóa và xử lý khử tro.............................................................. 11 2.2.5. Các ion đồng tồn tại .................................................................................. 11 2.2.6. Liều lượng chất hấp phụ ........................................................................... 12 2.2.7. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ............................................................. 12 2.2.8. Nhiệt độ hấp phụ ...................................................................................... 13 2.2.9. Động học hấp phụ và phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ............................ 13 2.3. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN SINH HỌC................ 15 2.3.1. Hấp phụ nitrate trong nước ....................................................................... 15 2.3.2. Hấp phụ ammonium trong nước................................................................ 15 2.4. VAI TRÒ CỦA THAN SINH HỌC VỚI ĐẤT ............................................... 16 2.4.1. Tăng độ xốp đất ........................................................................................ 16 2.4.2. Tăng khả năng giữ nước của đất ............................................................... 17 2.4.3. Tăng sự liên kết trong đất ......................................................................... 17 2.4.4. Tăng độ pH của đất ................................................................................... 17 2.4.5. Tăng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất ................................................. 17 2.4.6. Bổ sung nguồn dinh dưỡng cho đất ........................................................... 17 2.4.7. Cung cấp nơi trú ngụ của cho các quần thể vi sinh vật .............................. 18 2.5. VAI TRÒ CỦA THAN SINH HỌC ĐỐI VỚI KHÍ NHÀ KÍNH .................... 18 2.5.1. Tổng quan khí nhà kính ............................................................................ 18 2.5.2. Phát thải khí N2O trong canh tác nông nghiệp ........................................... 19 2.5.3. Phát thải khí CH4 trong canh tác nông nghiệp ........................................... 23 2.6. NƯỚC THẢI SAU BIOGAS .......................................................................... 28 2.6.1. Sơ lược về nước thải sau biogas ................................................................ 28 2.6.2 Thành phần hóa học và dinh dưỡng của nước thải sau biogas .................... 29 2.7. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN SINH HỌC TRONG NGHIÊN CỨU .......................................................................................................... 30 2.8. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CÂY TRỒNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU .................................................................................................................................. 31 2.8.1. Cây rau muống ......................................................................................... 31 2.8.2. Cây cải xanh ............................................................................................. 33 vii
2.8.3. Cây lúa ..................................................................................................... 34 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................... 37 3.1. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1. NĂNG SUẤT THAN VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ-HOÁ HỌC CỦA THAN SINH HỌC ĐƯỢC TẠO TỪ TRE VÀ TRÀM ......................................................................................... 37 3.1.1. Phương tiện nghiên cứu ............................................................................ 37 3.1.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 37 3.2. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 2. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN TRE VÀ THAN TRÀM .................................................................................................................................. 42 3.2.1. Phương tiện nghiên cứu ............................................................................ 42 3.2.2. Phương pháp thực hiện ............................................................................. 43 3.2.3. Ảnh hưởng của than sinh học từ tre và tràm sau khi hấp phụ đến sinh trưởng và phát triển của cây rau muống (Ipomoea aquatica Forsk) ....................................... 51 3.3. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 3. KHẢO SÁT TIỀM NĂNG LÀM GIẢM PHÁT THẢI KHÍ CH4 VÀ N2O CỦA THAN TRE VÀ THAN TRÀM ..................................................................................................... 55 3.3.1. Thí nghiệm 1. Sử dụng than tre, tràm làm giảm phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng lúa ngập nước liên tục ................................................................................. 55 3.3.2 Thí nghiệm 2. Khảo sát ảnh hưởng của than tre/tràm đến sự phát thải khí CH 4 và N2O trên đất trồng cải ........................................................................................... 61 3.3.3 Tính toán lượng phát thải ........................................................................... 65 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................... 67 4.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1. NĂNG SUẤT THAN VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ-HOÁ HỌC CỦA THAN SINH HỌC ĐƯỢC TẠO TỪ TRE VÀ TRÀM ....................................................................................................................... 67 4.1.1. Năng suất than .......................................................................................... 67 4.1.2. Tính chất vật lý, hoá học của than ............................................................. 68 4.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 2. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN TRE, THAN TRÀM ................................................... 75 4.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ ammonium của than tre, than tràm ................. 75 4.2.2. Quá trình chuyển hóa đạm ammonium trong nước thải biogas thành nitrate .................................................................................................................................. 85 4.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ nitrate của than tre và than tràm ..................... 87 viii
4.2.4. Ảnh hưởng của than sinh học từ tre và tràm sau hấp phụ dinh dưỡng đến sinh trưởng, phát triển của cây rau muống (Ipomoea aquatica Forsk)................................ 95 4.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 3. KHẢO SÁT TIỀM NĂNG LÀM GIẢM PHÁT THẢI KHÍ N2O VÀ CH4 TRONG CANH TÁC LÚA VÀ HOA MÀU ................................................................................................................................ 103 4.3.1. Khảo sát tiềm năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng lúa ngập nước liên tục ................................................................................................... 103 4.3.2. Khảo sát tiềm năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng cải ................................................................................................................................ 111 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... 120 5.1. Kết luận ........................................................................................................ 120 5.2. Kiến nghị ...................................................................................................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 122 TIẾNG VIỆT....................................................................................................... 122 TIẾNG ANH ....................................................................................................... 123 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 141 ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Ảnh hưởng của nguyên liệu và nhiệt độ nhiệt phân lên khả năng hấp phụ NH 4+ và NO3- của một số loại than sinh học .......................................................................... 9 Bảng 2.2. Ảnh hưởng của phương pháp khử khoáng lên khả năng hấp phụ NH 4+ và NO3- của than sinh học ....................................................................................................... 11 Bảng 2.3. Một số loại khí nhà kính ............................................................................ 19 Bảng 2.4. Tác động của than sinh học lên sự phát thải khí N 2O ................................... 22 Bảng 2.5. Tác động của TSH lên sự phát thải khí CH4 trên đất trồng lúa ...................... 28 Bảng 2.6. Chất lượng nước thải sau biogas ................................................................ 29 Bảng 2.7. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi heo .......................... 29 Bảng 2.8. Liều lượng phân bón cho cây rau muống ................................................... 32 Bảng 3.1. Phương pháp phân tích các thông số trong nước ........................................ 42 Bảng 3.2. Tóm tắt các thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ amonium và nitrate của than tre và than tràm trong nước thải sau biogas ........................................................ 49 Bảng 3.3. Thông số đo đạc nước thải biogas .............................................................. 51 Bảng 3.4. Mô tả các nghiệm thức trong thí nghiệm trồng rau muống kết hợp bón than tre sau khi hấp phụ đạm (NH4+, NO2- và NO3-) trong dung dịch dinh dưỡng biogas ... 52 Bảng 3.5. Mô tả các nghiệm thức trong thí nghiệm trồng rau muống kết hợp bón than tràm sau khi hấp phụ đạm (NH4+, NO2- và NO3-) trong dung dịch dinh dưỡng biogas 53 Bảng 3.6. Phương pháp phân tích các thông số trong đất ........................................... 54 Bảng 3.7. Đặc tính ban đầu của đất lúa sử dụng cho thí nghiệm ................................. 55 Bảng 3.8. Các nghiệm thức trong thí nghiệm ............................................................. 59 Bảng 3.9. Tỉ lệ và thời điểm bón N cho lúa theo công thức 30-60-60 kg N/ha ........... 59 Bảng 3.10. Đặc tính ban đầu của đất hoa màu sử dụng cho thí nghiệm ...................... 61 Bảng 3.11. Các nghiệm thức trong thí nghiệm ........................................................... 63 Bảng 3.12. Liều lượng bón phân cho cây cải theo công thức 70-50-35 kg N/ha ......... 63 Bảng 4.1. Tính chất vật lý của than tràm, than tre ở nhiệt độ 500ºC, 700ºC, 900ºC .... 69 Bảng 4.2. Thành phần các nguyên tố khoáng trung bình của than tre, than tràm ........ 70 Bảng 4.3. Diện tích bề mặt riêng của gỗ tre và tràm trước và sau khi nung ................ 72 Bảng 4.4. Thông số đo đạc nước thải biogas .............................................................. 75 Bảng 4.5. Các thông số của các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ ammonium ................... 84 Bảng 4.6. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa........................................ 86 x
Bảng 4.7. Các thông số của các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ nitrate .......................... 95 Bảng 4.8. Hàm lượng dinh dưỡng hấp phụ được trên 1 g than ................................... 95 Bảng 4.9. Hàm lượng nitrate trong cây rau muống sau thu hoạch (mg/kg) ............... 102 Bảng 4.10. Các thông số đất sau khi kết thúc thu khí (ngày 38) ............................... 104 xi
DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Cấu trúc chung của than sinh học ................................................................. 5 Hình 2.2. Cơ chế hấp phụ ion ở than sinh học ............................................................ 10 Hình 3.1. Tre gai (Bambusa blumeana) (A) và tràm ta (Melaleuca cajuputi) (B) ....... 38 Hình 3.2. Máy nghiền nguyên liệu (A) và bột tràm và tre sau khi được nghiền (B) .... 38 Hình 3.3. Khuôn kim loại ép viên (A); thiết bị nén viên (B); viên nén tre (C) ............ 38 Hình 3.4. Lò nung VMF-165 (Yamada Denky-Nhật Bản).......................................... 39 Hình 3.5. Viên nén tre trước khi nung (A) và than tre 700ºC (B) ............................... 39 Hình 3.6. Máy lắc ngang (A), trích mẫu sau khi lắc (B) và máy so màu quang phổ (C) .................................................................................................................................. 44 Hình 3.7. Đo lưu lượng khí ........................................................................................ 46 Hình 3.8. Đế chamber (A); Đặt đế chamber (B) ......................................................... 56 Hình 3.9. Mô hình thu khí trên lúa ............................................................................. 57 Hình 3.10. Lọ đựng mẫu khí (A) và ống tiêm thu mẫu (B) ......................................... 57 Hình 3.11. Ngâm đất (A), đánh bùn và phối trộn than (B) .......................................... 58 Hình 3.12. Gieo hạt (A), cây lúa ở giai đoạn 7 NSS (B), cây lúa ở giai đoạn 26 NSS (C) .................................................................................................................................. 58 Hình 3.13. Quá trình thu mẫu khí: Đặt chậu vào vị trí thu mẫu (A), đặt buồng thu mẫu khí (B), lắp bin và quạt (C), thu mẫu khí (D) ............................................................. 60 Hình 3.14. Buồng thu khí ........................................................................................... 62 Hình 3.15. Chậu trồng cải .......................................................................................... 62 Hình 3.16. Đế champer (A) và mô hình thu khí trên cây cải (B)................................. 64 Hình 4.1. Năng suất than: theo nguyên liệu tạo than (A); theo nhiệt độ nung (B) ....... 67 Hình 4.2. Phổ hồng ngoại than tre (A), than tràm (B) ................................................. 71 Hình 4.3. Hình SEM gỗ tràm (A); than tràm 700ºC (B), gỗ tre (C), và than tre 700ºC (D) .................................................................................................................................. 73 Hình 4.4. pHpzc của than tre và than tràm (BB: than tre, M: than tràm;) ..................... 74 Hình 4.5. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ NH4+ : Lượng NH4+ hấp phụ trong dung dịch NH4+ chuẩn (A); Lượng NH4+ hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NH4+chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) .................................................................................................................................. 76 xii
Hình 4.6. Ảnh hưởng của khối lượng than đến khả năng hấp phụ NH4+ : Lượng NH4+ hấp phụ trong dung dịch NH4+ chuẩn (A); Lượng NH4+ hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NH4+ chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) .......................................................................................................... 79 Hình 4.7. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ NH4+ : Lượng NH4+ hấp phụ trong dung dịch NH4+ chuẩn (A); Lượng NH4+hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NH4+ chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) ............................................................................................................................. 81 Hình 4.8. Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ đến khả năng hấp phụ NH4+: Lượng NH4+ hấp phụ trong dung dịch NH4+ chuẩn (A); Lượng NH4+hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NH4+ chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) .................................................................................................................. 82 Hình 4.9. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của than tràm than tre trong dung dịch NH4+ chuẩn và dung dịch sau biogas ................................................................................... 83 Hình 4.10. Lượng NH4+ được than hấp phụ (A) và hiệu suất hấp phụ (B) của 2 loại TSH trong dung dịch biogas ............................................................................................... 85 Hình 4.11. Diễn biến nồng độ nitrate theo thời gian ................................................... 87 Hình 4.12. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ NO 3- : Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (A); Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) .................................................................................................................................. 88 Hình 4.13. Ảnh hưởng của khối lượng TSH đến khả năng hấp phụ NO3-. Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (A); Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) .......................................................................................................... 90 Hình 4.14. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ NO 3- : Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (A); Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) ............................................................................................................................. 91 Hình 4.15. Ảnh hưởng của nồng độ NO3- đến khả năng hấp phụ NO3-: Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (A); Lượng NO3- hấp phụ trong dung dịch biogas (B); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch NO3- chuẩn (C); Hiệu suất hấp phụ trong dung dịch biogas (D) .................................................................................................................. 93 Hình 4.16. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của than tre than tràm trong dung dịch NO3- chuẩn và dung dịch biogas ......................................................................................... 94 xiii
Hình 4.17. Hình thái cây rau muống bổ sung than tràm (A) và than tre (B), chiều cao cây rau muống bổ sung than tràm (C) và tre (D), chiều dài rễ cây rau muống bổ sung than tràm (E) và tre (F) hấp phụ ammonium sau 30 ngày trồng .................................. 97 Hình 4.18. Hình thái cây rau muống bổ sung than tràm (A) và than tre (B), chiều cao cây rau muống bổ sung than tràm (C) và tre (D), chiều dài rễ cây rau muống bổ sung than tràm (E) và tre (F) hấp phụ nitrate sau 30 ngày trồng ......................................... 98 Hình 4.19. Sinh khối tươi và khô của thân và rễ rau muống (A) than tràm và (B) than tre hấp phụ ammonium; (C) than tràm và (D) than tre hấp phụ nitrate........................... 100 Hình 4.20. Cường độ phát thải và tổng lượng phát thải CH 4 trên lúa ngập nước liên tục, than tràm (A, B), than tre (C,D) ............................................................................... 106 Hình 4.21. Cường độ phát thải và tổng lượng phát thải N2O trên lúa ngập nước liên tục, than tràm (A, B), than tre (C,D) ............................................................................... 109 Hình 4.22. Tổng lượng phát thải khí nhà kính (CO2eq) của than tràm (A), than tre (B) ................................................................................................................................ 110 Hình 4.23. Cường độ phát thải và tổng lượng phát thải N2O trên đất trồng cải khi bón than tràm (A và B) và bón than tre (C và D) ............................................................ 111 Hình 4.24. Cường độ phát thải và tổng lượng phát thải CH 4 trên đất trồng cải khi bón than tràm (A và B) và bón than tre (C và D) ............................................................ 114 Hình 4.25. Tổng lượng phát thải khí nhà kính trên đất trồng cải (CO 2eq), than tràm (A), than tre (B) .............................................................................................................. 115 Hình 4.26 Chiều cao cây và chiều dài rễ .................................................................. 117 Hình 4.27. Sinh khối tươi (A, C) và sinh khối khô (B, D) của cải ............................ 118 xiv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Nghĩa của từ viết tắt 1 BET (Brunauer Emmett Teller) Diện tích bề mặt riêng 2 CEC (Cation Exchange Capacity) Khả năng trao đổi cation 3 CO2e (Carbon dioxide equivalent) Hàm lượng CO2 tương đương 4 ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long 5 DO (Dissolve Oxygen) Hàm lượng oxy hòa tan 6 EC (Electrical Conductivity) Độ dẫn điện 7 Eh Thế oxy hóa khử FTIR (Fourier transform infrared 8 Phổ hồng ngoại spectroscopy) 9 HHV (Higher Heating Value) Giá trị nhiệt Hội liên hiệp chính phủ về biến đổi 10 IPCC khí hậu 11 KNK Khí nhà kính 12 NSS Ngày sau sạ 13 OC (Organic Carbon) Hàm lượng chất hữu cơ 14 pHpzc pH tại điểm có điện tích bằng 0 15 SEM (Scanning Electron Microscope) Kính hiển vi điện tử quét 16 TN (Distillation and Titration) Đạm tổng số 17 TP (Total Phosphorus) Lân tổng số 18 TSH Than sinh học 19 VAC Vườn ao chuồng xv
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Than sinh học (TSH) là một vật liệu rắn giàu cacbon được tạo ra sau khi than hoá sinh khối ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu oxy, chứa hàm lượng cacbon cao và ổn định trong hàng trăm đến hàng nghìn năm sau khi được bón vào đất (Lehmann and Joseph, 2015). Một số loại TSH đã được sử dụng trong xử lý NH4+ và cho kết quả tốt như than bã ngô ở 400-500ºC, than rơm 500ºC, than bạch đàn 600ºC có thể hấp phụ NH4+ với một lượng từ 0,7-4,5 mg N/1g than (Fidel et al., 2018), (Khalil et al., 2018), (Yao et al., 2012). Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng TSH có khả năng hấp phụ NO3- từ dung dịch chẳng hạn như than bã ngô 600ºC có thể hấp phụ NO 3- với một lượng 1,4-1,5 mg N/g (Fidel et al., 2018), hay TSH biến tính từ bã mía 600ºC có thể hấp phụ NO3- tối đa đến 28,21 mg N/g (Hafshejania et al., 2016). Hiện nay, ngày càng có nhiều công trình nghiên cứu công nhận tiềm năng hấp phụ nitrogen của TSH và ứng dụng TSH trong kiểm soát ô nhiễm nguồn nước. Một lợi ích tiềm năng khác của TSH là khi bổ sung TSH vào đất có khả năng làm giảm phát thải khí N2O và CH4 thông qua sự cô lập cacbon trong đất, và mang lại những lợi ích khác, chẳng hạn như cải thiện độ phì nhiêu của đất, giữ độ ẩm cho đất và tăng năng suất cây trồng. Tuy nhiên, tác động chính xác của việc sử dụng TSH đối với phát thải KNK trong đất có nhiều kết quả khác nhau trong nhiều nghiên cứu điển hình (Cayuela et al., 2014; Lorenz and Lal, 2014). Hàm lượng CH 4 và N2O trong đất tăng đáng kể trong một số nghiên cứu (Yanai et al., 2007; Zwieten et al., 2010; Jones et al., 2011; Wang et al., 2012), nhưng lại giảm hoặc không thay đổi ở những nghiên cứu khác (Rogovska et al., 2011; Feng et al., 2012; Zheng et al., 2012; Case et al., 2014; Quin et al., 2015). Ví dụ, một thí nghiệm trên đất trồng lúa được bổ sung TSH được sản xuất từ rơm lúa mì đã làm giảm 41,8% lượng khí thải N2O (Zhang et al., 2012b). Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có tiềm năng lớn để phát triển kinh tế nông nghiệp và đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo an ninh lương thực quốc gia. Hiện nay, thu nhập từ chăn nuôi gia súc, gia cầm và thủy hải sản đang chiếm tỉ trọng lớn trong sản xuất nông nghiệp ở ĐBSCL. Tuy nhiên, nguồn chất thải từ các hoạt động này chứa hàm lượng dinh dưỡng cao hiện đang là mối đe dọa đối với các hệ sinh thái dưới nước thông qua rửa trôi (Cruse et al., 2014). Nước thải sau biogas vẫn chứa nồng độ các ion hòa tan cao, trong đó ion NH4+ và NO3- có tiềm năng gây ô nhiễm nguồn nước rất lớn (Nu et al., 2015). Ion NH4+ là một trong những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước, khi hàm lượng ion NH4+ cao có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. Tác động dễ thấy nhất của hiện tượng phú dưỡng là tạo ra các đợt tảo nở hoa dày đặc gây mùi hôi, làm giảm độ trong của nước và làm suy giảm chất lượng nguồn nước (Chislock et al., 2013). Mặt 1
khác, khi tảo chết đi sẽ bị phân hủy bởi vi sinh vật và quá trình này sẽ làm cạn kiệt lượng oxy hòa tan gây hại cho hầu hết các sinh vật thủy sinh (Arend et al., 2011). Ion NO3- có độ hòa tan cao, do đó rất khó để loại bỏ nó ra khỏi nguồn nước. Khi nồng độ ion NO3- trên 45 mg/L dưới dạng NO3- hoặc trên 10 mg/L dưới dạng N-NO3- thì không thể sử dụng làm nước uống (Food, 2002). Bởi vì, các phản ứng trao đổi chất bên trong cơ thể người sẽ chuyển hóa ion NO3- thành các hợp chất độc hại như ion NO2- và nitrosoamines. Khi nồng độ ion NO3- cao hơn mức giới hạn cho phép sẽ gây ra chứng methemoglobin huyết hoặc hội chứng trẻ em xanh, làm tăng tỷ lệ tử vong ở trẻ sơ sinh, dị tật bẩm sinh, ung thư, tăng huyết áp. Trẻ sơ sinh dễ mắc bệnh hơn do tiêu thụ nhiều ion NO3- qua nước uống so với người lớn (Brindha et al., 2017;). Vì vậy, cần phải có biện pháp để quản lý nguồn chất thải này. Hiện nay, nhiều phương pháp đã được áp dụng nhằm loại bỏ ion NH4+ và NO3- ra khỏi nguồn nước trong đó phương pháp hấp phụ ngày càng được chú ý rộng rãi vì đơn giản, hiệu suất cao, giá thành rẻ, và dễ ứng dụng vào thực tiễn. Các vật liệu chính được sử dụng làm vật liệu hấp phụ để loại bỏ nitrate thường là zeolit và than sinh học (TSH). Bên cạnh chăn nuôi thì ĐBSCL cũng là nơi sản xuất lượng lớn lúa gạo và rau màu vì vậy hoạt động trồng trọt cũng trở thành một trong những nguồn chính sinh ra khí gây hiệu ứng nhà kính mà chủ yếu là khí N2O và CH4. Trong đó, CH4 có hấp phụ bức xạ nhiệt cao gấp 21 lần so với khí CO2, đóng góp 16% vào quá trình tăng nhiệt độ môi trường, chu kỳ tồn tại của CH4 khoảng 100 năm. Khí N2O đóng góp 6% làm tăng nhiệt độ môi trường, có chu kỳ tồn tại trong khí quyển rất lâu từ 130-150 năm. Khí N2O được hình thành do quá trình phân hủy các hợp chất nitơ trong đất chủ yếu là từ nguồn phân đạm (IPCC, 2014). Nguồn nguyên liệu để sản xuất TSH rất đa dạng như phân, bùn, sinh khối thực vật (Lehmann et al., 2011). Trong khi đó, ĐBSCL là nơi có lượng sinh khối thực vật dồi dào có thể tận dụng để sản xuất TSH như tre và tràm. Tre (Bambusa blumeana) là loài dễ sinh trưởng và phát triển, có khả năng tự tái sinh (Mohamed et al., 2007), rất phổ biến ở Việt Nam, chiếm hơn 1,2 triệu ha rừng trồng ở miền Nam và miền Bắc Việt Nam, sản xuất khoảng 7 triệu tấn bã sinh khối/năm với sản lượng trung bình hàng năm lên đến 13 tấn/ha (Agency, 2012). Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của rừng tre sau đó biến thành rừng độc canh là nguyên nhân làm giảm đa dạng sinh học, dinh dưỡng của đất và phá hoại cấu trúc vật chất của đất (Yiping and Henley, 2010; Song et al., 2011; Buckingham et al., 2011). Mặt khác, tính đến năm 2015, khoảng 11,1 triệu ha diện tích rừng tự nhiên còn lại, trong đó cây tràm (Melaleuca cajuputi) chiếm 176 nghìn ha (Bazile et al., 2016). Ước tính rằng gần 5 triệu tấn phụ phẩm gỗ được sản xuất hàng năm từ rừng tự nhiên (Agency, 2012). Việc quản lý không đúng nguồn sinh khối dồi dào này ở ĐBSCL sẽ gây lãng phí và góp phần làm tăng nguy cơ ô nhiễm môi trường. Do đó, sản xuất TSH từ các sinh khối này có thể làm giảm các tác động tiêu cực đến môi trường. Than sinh học tre và tràm có thể ứng dụng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước, 2
đồng thời góp phần hạn chế sự phóng thích các khí gây hiệu ứng nhà kính trong quá trình sản xuất nông nghiệp, xuất phát từ vấn đề thực tiễn trên, đề tài “Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi)” đã được thực hiện. 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.2.1. Mục tiêu tổng quát Xác định khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải nhà kính từ TSH tre (Bambusa blumeana) và TSH tràm (Melaleuca cajuputi) từ nước thải biogas ở Cần Thơ vùng ĐBSCL. 1.2.2. Mục tiêu cụ thể - Xác định khả năng hấp phụ ammonium và nitrate của TSH tre và tràm trong dung dịch nước thải sau biogas. - Xác định khả năng làm giảm phát thải khí CH4 và N2O của TSH tre và tràm trên đất trồng lúa và đất trồng hoa màu. 1.3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 1.3.1. Ý nghĩa khoa học Chất hấp phụ là TSH tre và tràm đã được tạo ra bằng quy trình đạt tiêu chuẩn (nung trong điều kiện môi trường khí trơ (N2), không lẫn O2 và kiểm soát được nhiệt độ nung). Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và khí nhà kính của TSH được xác định thông qua hàng loạt các thí nghiệm, tất cả các thông số có được từ các thí nghiệm đều được thống kê theo các phương pháp khoa học hiện đại đang được áp dụng phổ biến trên thế giới. Từ đó làm cơ sở cho việc giải thích cơ chế hấp phụ của TSH một cách khoa học và logic. 1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn Than sinh học tre và tràm giúp xử lý ô nhiễm hữu cơ nguồn nước trong các mô hình sản xuất nông nghiệp như VACB đang rất phổ biến ở ĐBSCL. Than sinh học tre và tràm sau khi hấp phụ NH4+ và NO3- có thể được tận dụng như nguồn phân hữu cơ. Bổ sung TSH tre và tràm cho đất trồng lúa và hoa màu giúp cải thiện các tính chất lý hóa đất, đồng thời giảm được sự phóng thích các khí gây hiệu ứng nhà kính như CH4, N2O. Kết quả của đề tài còn được sử dụng để bổ sung tài liệu phục vụ cho việc giảng dạy, học tập, nghiên cứu trong các trường đại học và viện nghiên cứu. Ngoài ra đề tài còn là nguồn thông tin quý giá giúp cho chính quyền địa phương trong công tác sản xuất nông nghiệp bền vững cho tương lai ĐBSCL. 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nguyên liệu tạo TSH trong phòng thí nghiệm gồm tre (Bambusa blumeana) và 3