Luận án Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than trấu và than lục bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ ---o0o--- NGUYỄN ĐẠT PHƯƠNG KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG VÀ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA THAN TRẤU VÀ THAN LỤC BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ: 62 44 03 03 NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ ---o0o--- NGUYỄN ĐẠT PHƯƠNG MÃ SỐ NCS: P0717001 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG VÀ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA THAN TRẤU VÀ THAN LỤC BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ: 62 44 03 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS. NGUYỄN XUÂN LỘC PGS.TS. NGÔ THỤY DIỄM TRANG NĂM 2023 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 trấu và than lục bình”, do nghiên cứu sinh Nguyễn Đạt Phương thực hiện theo sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Xuân Lộc và PGS.TS. Ngô Thụy Diễm Trang. Luận án đã báo cáo và được Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ thông qua ngày: 09/03/2023. 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 i LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban Chủ nhiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Phòng Quản lý Khoa học và Khoa Sau đại học Trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ trong những năm qua. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với người hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Xuân Lộc, PGS.TS. Ngô Thụy Diễm Trang, PGS.TS. Nguyễn Hữu Chiếm, TS. Đỗ Thị Mỹ Phượng và TS. Trần Sỹ Nam đã nhiệt tình giúp đỡ và cho tôi những lời khuyên quý báu trong suốt thời gian học tập cũng như khi thực hiện nghiên cứu và viết luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô đã giảng dạy, hướng dẫn tôi học tập, nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt xin cảm ơn Bản Quản lý Dự án Nâng cấp Trường Đại học Cần Thơ VN14-P6 đã tài trợ kinh phí thực hiện đề tài này. Đồng thời xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Xây dựng Miền Tây đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và hoàn thành luận án này. Cuối cùng, xin chân thành cảm của Gia đình, Bạn bè và Đồng nghiệp đã động viên trong suốt quá trình học tập. NGUYỄN ĐẠT PHƯƠNG ii TÓM TẮT Luận án được thực hiện nhằm chế tạo than trấu và than lục bình; ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas; và 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. Than trấu và than lục bình được nhiệt phân ở 500°C, 700°C và 900°C. Các thí nghiệm được bố trí để xác khả năng hấp phụ ammonium, nitrate; thí nghiệm sinh trưởng của cây rau muống khi bổ sung than trấu hoặc than lục bình đã hấp phụ dinh dưỡng; và thí nghiệm xác định khả năng giảm phát thải CH4 và N2O. Than trấu và than lục bình được sản xuất ở nhiệt độ nhiệt phân 700°C đều hấp phụ ammonium (NH4+) và nitrate (NO3−) trong nước thải biogas. Sự hấp phụ NH4+ và NO3− của 2 loại than này phù hợp với mô hình động học biểu kiến bậc 1 và bậc 2; mô hình Langmuir phù hợp hơn mô hình Freundlich. Dung lượng hấp phụ NH4+ và NO3− lớn nhất theo mô hình Langmuir 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 đạt hiệu suất 24,71% và 26,71%; 69,70% và 64,14%. Than trấu và than lục bình hấp phụ NH4+ hoặc NO3− của nước thải biogas làm tăng chiều cao, số lá, chiều dài rễ, trọng lượng tươi, trọng lượng khô và sinh khối của cây rau muống. Than trấu và than lục bình hấp phụ NH4+ hoặc NO3− kết hợp với phân bón vô cơ ở tỷ lệ 50 : 50 cho sinh khối rau muống cao nhất. Bổ sung than trấu hoặc than lục bình vào đất trồng lúa làm giảm phát thải khí nhà kính. Hiệu quả giảm phát thải CH4 và N2O của nghiệm thức bổ sung 20 tấn ha−1 cao hơn so với các nghiệm thức bổ sung 5 tấn ha−1 và 10 tấn ha−1 lần lượt là 15,99%, 48,47% cho than trấu và 20,14%, 51,90% cho than lục bình. Than sinh trấu và lục bình có thể được sử dụng làm nguyên liệu hấp phụ dinh dưỡng biogas. Than sau hấp phụ có thể bón đất làm tăng năng suất cây trồng, giảm ô nhiễm môi trường và giảm phát thải khí nhà kính góp phần hạn chế tác động của BĐKH toàn cầu. Từ khóa: Than trấu, than lục bình, dinh dưỡng, nước thải biogas, sinh trưởng rau muống, khí nhà kính. iii ABSTRACT The thesis was carried out to make rice husk biochar and water hyacinth biochar; application of biochar to adsorb pollutants from biogas wastewater; and using biochar as a carrier and providing nutrients for water spinach, reducing greenhouse gas emissions in rice cultivation. Rice husk biochar and water hyacinth biochar were pyrolysed at 500°C, 700°C, and 900°C. Experiments were conducted to determine the adsorption capacity of ammonium, nitrate; growth experiment of water spinach with supplementing rice husk or hyacinth biochar absorbed nutrients; and experiments to determine the ability to reduce CH4 and N2O emissions. The rice husk biochar and water hyacinth biochar prepared at the pyrolysis temperature of 700°C had the ability to adsorb both ammonium (NH4+) and nitrate (NO3−) in biogas wastewater. The adsorption of NH4+ and NO3− of two biochars were fitted with first-order kinetic model and second-order kinetic model. The NH4+ and NO3− adsorption of these two biochars were more consistent with the Langmuir model than the Freundlich model. The largest NH4+ and NO3− adsorption capacity, according to the Langmuir model of the rice husk biochar and water hyacinth biochar were 5.51 mg g−1 and 4.31 mg g−1; 9.87 mg g−1 and 9.59 mg g−1 with achieve efficiency 24.71% and 26.71%; 69.70% and 64.14%, respectively. Rice husk biochar and water hyacinth biochar adsorbed ammonium or nitrate in biogas wastewater, which increased the growth in terms of height, number of leaves, root length, fresh weight, dry weight, and biomass of water spinach. Rice husk biochar and hyacinth biochar adsorbed ammonium or nitrate combined with inorganic chemical fertilizers at the ratio of 50 : 50 resulted in the highest biomass of water spinach. Rice husk biochar or water hyacinth biochar amendment to paddy rice reduced greenhouse gas (GHG) emissions. The effectiveness of reducting CH4 and N2O emissions of the treatment adding 20 tons ha−1 was higher than of the treatments adding 5 tons ha−1 and 10 tons ha−1 by 15.99%, 48.47% of rice husk biochar and 20,14%, 51,90% for water hyacinth biochar, respectively. Rice husk biochar and water hyacinth biochar can be used as materials for nutrient adsorptions in biogas wastewater. Post-adsorbed biochar can fertilize soil to increase crop yields, reduce environmental pollution and reduce greenhouse gas emissions, contributing to limiting the impact of global climate change. Keywords: Rice husk biochar, water hyacinth biochar, nutrients, biogas wastewater, growth of water spinach, greenhouse gas. iv LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Nguyễn Đạt Phương, là nghiên cứu sinh ngành Môi trường đất và nước, Khóa 2017. Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi được sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Xuân Lộc và PGS.TS. Ngô Thụy Diễm Trang. Các thông tin được sử dụng tham khảo trong đề tài luận án được thu thập từ các nguồn đáng tin cậy, đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng ở phần danh mục tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện một cách nghiêm túc, trung thực và không trùng lắp với các đề tài khác đã được công bố trước đây. Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này. v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i TÓM TẮT ...................................................................................................................... ii ABSTRACT .................................................................................................................. iii LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... iv MỤC LỤC ...................................................................................................................... v DANH SÁCH BẢNG .................................................................................................. vii DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................. viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... x CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................ 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 2 1.2.1 Mục tiêu tổng quát ......................................................................................... 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể .............................................................................................. 2 1.3 Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2 1.3.1 Nội dung 1: Chế tạo than trấu và than lục bình ............................................. 2 1.3.2 Nội dung 2: Ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas .............................................................................................................................. 2 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 ................................... 2 1.4 Giới hạn nghiên cứu ................................................................................................ 3 1.5 Ý nghĩa của luận án ................................................................................................ 3 1.5.1 Về khoa học ................................................................................................... 3 1.5.2 Về thực tiễn ................................................................................................... 3 1.6 Những đóng góp mới của luận án .......................................................................... 4 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 5 2.1 Tổng quan về than sinh học ................................................................................... 5 2.1.1 Khái niệm về than sinh học ........................................................................... 5 2.1.2 Quy trình sản xuất than sinh học ................................................................... 5 2.1.3 Đặc tính của than sinh học ............................................................................ 5 2.1.4 Tổng quan về hấp phụ ................................................................................... 8 2.1.5 Một số phương trình đẳng nhiệt mô tả quá trình hấp phụ (Tran, et al., 2017)8 2.1.6 Cơ chế hấp phụ các chất của than sinh học ................................................. 10 2.2 Ứng dụng của than sinh học ................................................................................. 12 2.2.1 Than sinh học hấp phụ dinh dưỡng ............................................................. 12 2.2.2 Than sinh học như là chất mang cải tạo dinh dưỡng cho đất ...................... 13 vi 2.2.3 Than sinh học lưu giữ carbon trong đất và giảm phát thải khí nhà kính ..... 15 2.3 Tổng quan về nước thải sau túi ủ biogas ............................................................ 18 2.3.1 Nước thải sau túi ủ biogas ........................................................................... 18 2.3.2 Thành phần hóa học và dinh dưỡng của nước thải sau túi ủ biogas ........... 18 2.4 Một số đặc điểm của cây lục bình như là nguyên liệu sản xuất than sinh học 19 2.5 Một số đặc điểm của cây rau muống và cây lúa ................................................. 22 2.5.1 Cây rau muống ............................................................................................ 22 2.5.2 Sản xuất lúa và các vấn đề môi trường trong sản xuất lúa .......................... 23 2.6 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................................. 29 CHƯƠNG 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 31 3.1 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 31 3.2 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 31 3.2.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp ......................................................... 31 3.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................................... 32 3.2.3 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu ....................................................... 49 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 50 4.1 Tính chất hóa lý của than sinh học được chế tạo từ trấu và lục bình .............. 50 4.2 Ứng dụng than sinh học hấp phụ chất ô nhiễm từ nước thải biogas ............... 57 4.2.1 Khả năng hấp phụ ammonium của than trấu và than lục bình từ dung dịch chuẩn và nước thải biogas ............................................................................................. 57 4.2.2 Khả năng hấp phụ nitrate của than trấu và than lục bình từ dung dịch chuẩn và nước thải biogas ....................................................................................................... 69 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 .............................................. 79 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 ..................................................... 79 4.3.2 Khả năng giảm phát thải CH4, N2O khi bổ sung than trấu và than lục bình 96 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................... 104 5.1 Kết luận ................................................................................................................ 104 5.2 Đề xuất.................................................................................................................. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 105 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................... 1 PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................. 50 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1. Nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải chăn nuôi heo trước và sau khi qua túi ủ biogas ............................................................................................................. 18 Bảng 2.2. Chất lượng nước thải sau túi ủ biogas với nguyên liệu nạp là phân heo, bèo tai tượng và nước ao ...................................................................................................... 19 Bảng 2.3. Tính chất hóa học của lục bình từ các nguồn khác nhau .............................. 20 Bảng 2.4. Thành phần các nguyên tố của vỏ trấu ......................................................... 28 Bảng 3.1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu .............................................................. 41 Bảng 3.2. Bố trí các nghiệm thức cho than trấu/than lục bình hấp phụ ammonium .... 42 Bảng 3.3. Bố trí các nghiệm thức cho than trấu/than lục bình hấp phụ nitrate............. 43 Bảng 3.4. Lượng phân hóa học và lượng than trấu hấp phụ ammonium cho các nghiệm thức ................................................................................................................................ 43 Bảng 3.5. Lượng phân hóa học và lượng than trấu hấp phụ nitrate cho các nghiệm thức44 Bảng 3.6. Lượng phân hóa học và lượng than lục bình hấp phụ ammonium cho các nghiệm thức ................................................................................................................... 44 Bảng 3.7. Lượng phân hóa học và lượng than lục bình hấp phụ nitrate cho các nghiệm thức ................................................................................................................................ 44 Bảng 3.8. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu .............................................................. 45 Bảng 3.9. Mô tả khối lượng TSH bổ sung cho từng nghiệm thức ................................ 46 Bảng 3.10. Các giai đoạn và liều lượng cần bón phân cho lúa ..................................... 47 Bảng 3.11. Tần suất thu mẫu đất trong thí nghiệm ....................................................... 47 Bảng 3.12. Phương pháp phân tích ............................................................................... 48 Bảng 4.1. Tính chất hóa lý của than trấu và than lục bình ............................................ 51 Bảng 4.2. Phân tích khoáng chất của than trấu và than lục bình .................................. 55 Bảng 4.3. Các thông số động học hấp phụ ammonium trong dung dịch chuẩn và nước thải biogas của than trấu và than lục bình ..................................................................... 63 Bảng 4.4. Các thông số mô hình hấp phụ đẳng nhiệt ammonium ................................ 67 Bảng 4.5. Các thông số động học hấp phụ nitrate của than trấu và than lục bình trong dung dịch chuẩn và nước thải biogas ............................................................................ 74 Bảng 4.6. Các thông số mô hình hấp phụ đẳng nhiệt nitrate của than trấu và than lục bình trong dung dịch chuẩn và nước thải biogas .......................................................... 77 Bảng 4.7. Tính chất của nước thải biogas ..................................................................... 79 viii DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1. Cơ chế hấp phụ các chất hữu cơ của TSH (Tan, et al. 2015) ....................... 11 Hình 2.2. Sơ đồ minh họa các cơ chế giảm thiểu sự bay hơi của ammonia (NH3) do TSH gây ra (Mandal, et al., 2016) ................................................................................ 11 Hình 2.3. Lục bình ........................................................................................................ 20 Hình 2.4. Cây rau muống .............................................................................................. 22 Hình 2.5. Sản xuất lúa và diện tích đất trồng lúa trên thế giới từ năm 2009 – 2018 (FAO, 2018) .................................................................................................................. 24 Hình 2.6. Sản lượng gạo thế giới năm 2006 – 2010 (IRRR - AfricaRice - CIAT 2013)24 Hình 2.7. Vỏ trấu ........................................................................................................... 27 Hình 3.1. Cây sơ đồ bố trí thí nghiệm ........................................................................... 32 Hình 3.2. Quy trình sản xuất than trấu .......................................................................... 33 Hình 3.3. Quy trình sản xuất than lục bình ................................................................... 34 Hình 4.1. (A) pH và (B) EC của than trấu và than lục bình nhiệt ph