THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng than sinh học được sản xuất từ vỏ cà phê và trấu nhằm hỗ trợ canh tác cho một số loại cây rau và cây công nghiệp Mã số của dự án là VS01/16-17, với mục tiêu cải thiện hiệu quả sản xuất nông nghiệp thông qua việc ứng dụng các vật liệu sinh học tái chế.
2 Đơn vị chủ trì: Tổ Công nghệ sinh học Môi trường, Phòng Công nghệ Vi sinh –
Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM
3 Đơn vị phối hợp chính: Phòng Thực nghiệm cây trồng
4 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Tấn Đức
5 Cán bộ/Nhóm thực hiện:
1/ ThS Vũ Thùy Dương – Thành viên chính
2/ KS Nguyễn Minh Khánh – Thành viên chính
3/ ThS Nguyễn Thị Hạnh Nguyên – Thành viên
4/ KS Nguyễn Ngọc Phi – Thành viên
5/ TS Phạm Nguyễn Đức Hoàng – Cố vấn chuyên môn
6 Thời gian thực hiện: 24 tháng (Từ 01/2016 đến 12/2017 )
- Kinh phí đã sử dụng: 399.738.388 VNĐ
Mục tiêu của nhiệm vụ là hoàn thiện quy trình sử dụng than sinh học nhằm nâng cao sức khỏe của đất canh tác, cải tạo đất bạc màu và chuẩn bị sẵn sàng để chuyển giao cho các đơn vị có nhu cầu.
9 Các nội dung công việc đã thực hiện so với đăng ký
TT Nội dung đăng ký Thời gian (bắt đầu – kết thúc Thực hiện Đánh giá
Khảo sát thời gian và tỷ lệ nguyên liệu vỏ cà phê đầu vào để sản xuất biochar từ thiết bị khí hóa
+Tỉ lệ lượng nguyên liệu vỏ cà phê đầu vào và thời gian vận hành thiết bị khí hóa
+Kết quả phân tích thành phần hóa học của các sản phẩm biochar Đúng tiến độ
Khảo sát hiệu quả của biochar từ vỏ cà phê đến chất lượng đất và năng suất của cây cà
+ Kết quả theo dõi sinh trưởng và năng suất của cây cà chua
+Số liệu phân tích đặc tính lý hóa của của các nghiệm thức đất có và không bổ sung biochar Đúng tiến độ chua ở quy mô nhà lưới
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng biochar từ vỏ cà phê đến sự thay đổi đặc tính lý hóa sinh của đất bazan trồng cà phê
Lượng biochar phù hợp khi bón vào đất trong vườn cà phê có thể cải thiện đáng kể đặc tính lý hóa sinh của đất bazan Kết quả theo dõi cho thấy sự thay đổi tích cực về độ phì nhiêu và cấu trúc đất khi áp dụng biochar đúng tiến độ.
NỘI DUNG KHOA HỌC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Năm 2015, được công nhận là International Year of Soils, đã ghi nhận nhiều nỗ lực từ cộng đồng khoa học, doanh nghiệp và chính phủ nhằm cải tạo và sử dụng đất bền vững (FAO, 2015) Báo cáo của hội đồng kỹ thuật quốc tế về tài nguyên đất (ITPS – FAO) chỉ ra rằng đất là nền tảng của sự sống, nhưng đang bị đe dọa bởi hoạt động của con người, dẫn đến nguy cơ khủng hoảng Quản lý đất một cách hiệu quả không chỉ gia tăng khả năng cung cấp thực phẩm mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa khí hậu và bảo vệ hệ sinh thái toàn cầu Các khảo sát đã chỉ ra 10 mối nguy hiểm đang tác động tiêu cực đến chất lượng đất.
Mất cân bằng dinh dưỡng
Giảm tính đa dạng sinh học trong đất
Tình trạng đất bị nén
Đất bị rửa trôi, bạc màu
Nguồn carbon hữu cơ trong đất bị thất thoát
Đất bị che lấp trong quá trình đô thị hóa, phát triển giao thông
Các mối nguy ảnh hưởng đến sức khỏe của đất có thể khác nhau tùy theo khu vực, và thường có từ 2-3 mối nguy cùng tác động Báo cáo đã khuyến nghị sử dụng than sinh học (biochar) như một chất cải tạo đất Nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra hiệu quả tích cực của biochar đối với cây trồng và chất lượng đất, thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp Tuy nhiên, phương pháp tối ưu để phát huy hiệu quả của biochar vẫn đang được nghiên cứu và thử nghiệm.
Tình trạng đất bạc màu và rửa trôi là mối nguy lớn nhất đối với canh tác tại Việt Nam Do đó, việc tìm kiếm giải pháp cải tạo đất bạc màu từ nguồn lực nghiên cứu của Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM là rất cần thiết.
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng than sinh học từ vỏ cà phê và trấu để hỗ trợ cho canh tác một số cây rau và cây công nghiệp” (Mã số: VS01/16-17) nhằm cung cấp thêm chứng cứ khoa học về hiệu quả của biochar trong cải tạo đất và thay đổi đặc tính đất theo thời gian cho các loại cây trồng phổ biến Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để nhân rộng và chuyển giao các mô hình sản xuất biochar bằng phương pháp khí hóa vào các mô hình canh tác nông nghiệp hữu cơ bền vững Đề tài này được đăng ký trong chương trình phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao tại Thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2016-2020 theo Quyết định số 6150/QĐ-UBND ngày 24/11/2016.
2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài sử dụng nguyên liệu trấu và vỏ cà phê để tạo ra biochar bằng hệ thống khí hóa model 250 Đánh giá hiệu quả quá trình khí hóa bằng thiết bị này cũng như phân tích các chỉ tiêu quan trọng đại diện cho chất lượng biochar
Nghiên cứu tác động của biochar khi được sử dụng làm phân bón lót với các liều lượng khác nhau đến sự phát triển của cây trồng, cụ thể là cây cà chua (đại diện cho nhóm cây dài ngày) và cây cải xanh (cây ngắn ngày), đã được thực hiện trong mô hình chậu tại nhà lưới thuộc trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM.
Khảo sát sự biến đổi của đặc tính lý, hóa, sinh của đất đỏ bazan tại vườn cà phê ở Đăk Nông trong 1 năm nhằm phát hiện sự khác biệt giữa việc bón biochar và nghiệm thức đối chứng Nghiên cứu này sẽ làm cơ sở để phổ biến ứng dụng biochar trong canh tác nông nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.
3 Ý nghĩa khoa học của việc thực hiện Ý nghĩa về mặt thực tiễn
Nghiên cứu ứng dụng biochar như một chất cải tạo đất không chỉ giúp cố định CO2 dưới dạng carbon trong đất mà còn gián tiếp giảm lượng CO2 trong khí quyển, góp phần quan trọng vào việc giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.
Các chiến lược phát triển năng lượng tái tạo chỉ có khả năng thay thế lượng phát thải CO2 từ nhiên liệu hóa thạch, mà không giảm lượng CO2 đã tồn tại trong khí quyển Ví dụ, khi thay thế xăng bằng năng lượng mặt trời trong giao thông, chúng ta không phát thải thêm CO2, nhưng cũng không làm giảm lượng CO2 hiện hữu Do đó, các chiến lược này chỉ có tác dụng ngăn chặn sự gia tăng CO2 mà không thể đảo ngược hiện tượng biến đổi khí hậu, giữ cho tình trạng khí hậu không trở nên nghiêm trọng hơn (Lehmann, 2007; Lehmann & Joseph, 2009; Singh, Cowie, & Chan, 2011).
Một phương pháp hứa hẹn để giảm lượng CO2 trong khí quyển là sử dụng công nghệ sản xuất biochar thông qua quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ thấp Công nghệ này tạo ra hai sản phẩm chính: syngas, một hỗn hợp CO và H2, từ việc nhiệt phân gỗ, cỏ cây và phế phẩm nông nghiệp, phục vụ cho việc sản xuất nhiệt, điện và biofuel, cùng với biochar được tạo ra sau quá trình này.
CO2 trong không khí được thực vật tổng hợp thành sinh khối, đóng vai trò là nguyên liệu cho quá trình nhiệt phân nhằm thu hồi năng lượng phục vụ cho con người Sản phẩm còn lại, biochar, có cấu trúc carbon bền và các tính chất lý hóa phù hợp để cải tạo đất, giúp kích thích sự phát triển của cây trồng Quá trình này tạo ra sinh khối từ CO2, tiếp tục cung cấp năng lượng dưới dạng khí syngas và biochar Nhờ vậy, công nghệ này giúp cân bằng CO2 theo hướng tích cực, chuyển hóa ngày càng nhiều CO2 thành biochar trong đất, từ đó tăng cường hàm lượng mùn, chất dinh dưỡng và khả năng giữ nước của đất.
Biochar có nhiều tính chất cần nghiên cứu, bao gồm thời gian bán hủy trong đất và khả năng giữ cation Biochar mới (fresh biochar) thường có khả năng giữ cation kém hơn so với biochar đã ủ lâu (aged biochar) trong một số trường hợp Khả năng hấp phụ của biochar được cho là tăng theo thời gian, nhưng cần có thêm kiểm chứng Hiệu quả của biochar trong việc giữ ẩm cho đất và các rủi ro khi áp dụng làm chất cải tạo đất hoặc phân bón cần được đánh giá qua thí nghiệm trên mô hình cây trồng và điều kiện thực địa Công nghệ biochar có tiềm năng quan trọng trong việc bổ sung carbon cho đất, tái tạo chất mùn, tăng độ phì nhiêu và giảm ô nhiễm môi trường bằng cách giảm lượng phân hóa học sử dụng.
Nguyên lý chuyển hóa sinh khối thực vật thành biochar thông qua quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ thấp không chỉ giúp tạo ra năng lượng mà còn tái tạo lại đất Theo nghiên cứu của Lehmann (2007), khoảng 50% lượng sinh khối ban đầu có thể được chuyển đổi thành biochar.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1 Tình hình đất bạc màu ở khu vực Tây Nguyên
Theo báo cáo điều tra, nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng đất bạc màu ở Nam Á và Đông Nam Á là do xói mòn bởi nước, gây rửa trôi chất dinh dưỡng trong đất So với các khu vực khác, Bắc Á và châu Âu chủ yếu bị bạc màu do phong hóa, trong khi châu Phi đối mặt với xâm mặn và sa mạc hóa Tại Việt Nam, khu vực Tây Nguyên bị bạc màu do xói mòn và lũ quét, còn đồng bằng sông Cửu Long chịu ảnh hưởng từ việc sử dụng phân hóa học và thuốc trừ sâu, làm giảm chất lượng đất (van Lynden & Oldeman, 1997).
Vùng Tây Nguyên bao gồm 5 tỉnh: Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk, Đăk Nông và Lâm Đồng, với tổng diện tích khoảng 54.000 km², chiếm 17,5% diện tích cả nước Đây là khu vực có tài nguyên thiên nhiên phong phú và là nơi sản xuất các loại cây công nghiệp quan trọng Tính đến ngày 1/1/2005, diện tích đất nông nghiệp của vùng đạt 15.000 km², tương đương 15,5% tổng diện tích đất nông nghiệp cả nước Trong đó, diện tích trồng cây công nghiệp lâu năm là 753.332 ha, với cà phê chiếm 70% diện tích, khoảng 434.355 ha, tiếp theo là cao su (104.894 ha), hồ tiêu (70.000 ha), điều (54.796 ha), chè (27.000 ha) và các loại cây khác.
Tây Nguyên có khí hậu nhiệt đới gió mùa đặc trưng, với sự đa dạng về địa hình và ảnh hưởng của dãy Trường Sơn, dẫn đến sự khác biệt khí hậu rõ rệt giữa các vùng Đặc biệt, sự tương phản giữa mùa khô hạn và mùa mưa ẩm ở khu vực này rất đáng chú ý.
Mùa khô ở Tây Nguyên kéo dài khoảng 6 tháng từ tháng 11 đến tháng 4, với lượng mưa chỉ chiếm dưới 25% tổng lượng mưa năm, gây khó khăn cho sản xuất nông nghiệp Thời gian này có gió mùa Đông Bắc, thời tiết khô hạn, độ ẩm thấp (74-81%), và lượng nước bốc hơi lớn (trên 1000 mm/năm), dẫn đến tình trạng hạn đất và hạn không khí, đặc biệt ở những vùng thiếu nước Ngược lại, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 mang lại lượng mưa lớn, chiếm trên 75% tổng lượng mưa hàng năm, với gió mùa Tây Nam có độ ẩm cao (87-90%), giúp thời tiết trở nên mát mẻ và thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp.
Tây Nguyên sở hữu 14 loại đất chính, trong đó đất xám chiếm 2,86 triệu ha (52,54%) và đất đỏ bazan 1,35 triệu ha (24,76%) Hai loại đất này rất màu mỡ, thích hợp cho cây trồng có giá trị cao như cà phê, cao su và cây ăn quả, với tổng diện tích khoảng 730.000 ha, chủ yếu tập trung ở các cao nguyên Buôn Ma Thuột, Đăk Nông, Plei Ku, Kon Hà Nừng, Di Linh và Đức Trọng Đất đỏ vàng trên đá macma axít chiếm khoảng 1,8 triệu ha, mặc dù kém phì nhiêu hơn đất đỏ bazan nhưng lại tơi xốp và giữ ẩm tốt, phù hợp cho nhiều loại cây trồng Ngoài ra, đất phù sa ở các vùng trũng giữa núi cũng rất thích hợp cho cây lương thực và có tiềm năng phát triển thành các vùng chuyên canh cây lương thực.
Sau nhiều năm canh tác cây công nghiệp, Tây Nguyên hiện có 612.360 ha đất trống đồi núi trọc bị thoái hóa nghiêm trọng, với 71,7% đất bazan bị thoái hóa, trong đó 21% thoái hóa nặng Để khôi phục độ phì nhiêu của đất và đảm bảo sản xuất nông nghiệp bền vững, cần áp dụng phương thức canh tác khoa học kết hợp với biện pháp sinh học và kỹ thuật đầu tư đồng bộ.
Bảng 1 Các loại đất chính ở Tây Nguyên
Kết quả cho thấy tỷ lệ % diện tích đất bạc màu ở khu vực Nam Á và Đông Nam Á (ASSOD) so với toàn cầu (GLASOD) được phân bố theo các nguyên nhân chính.
Hình 3 Bản đồ đánh giá tình hình đất bị thoái hóa ở khu vực Đông Nam Á
Biochar là sản phẩm giàu carbon được tạo ra thông qua quá trình nhiệt phân hợp chất hữu cơ trong điều kiện hạn chế oxy và nhiệt độ thấp (700 o C) Quá trình hoạt hóa này nhằm tăng diện tích bề mặt bằng cách hình thành nhiều vi lỗ trong cấu trúc biochar, và thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp, chẳng hạn như trong việc sản xuất các loại màng lọc.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Biochar trấu Biochar vỏ cà phê
Khảo sát đặc tính lý, hóa của biochar sau quá trình khí hóa
Phối trộn biochar trấu và vỏ cà phê theo tỷ lệ 1:1 (v/v)
TN1: Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng phối trộn biochar trên cây cà chua
TN2: Khảo sát ảnh hưởng của biochar khi dùng trực tiếp hoặc phối trộn với phân hữu cơ trên cây cải xanh
TN3: Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng biochar đến sự thay đổi đặc tính lý, hóa, sinh của đất bazan trồng cà phê trong thời gian 1 năm (12/2016-12/2017)
Nội dung 1: Khảo sát thời gian và tỷ lệ nguyên liệu trấu và vỏ cà phê đầu vào để sản xuất biochar từ thiết bị khí hóa
- Đánh giá tính khả thi của thiết bị khí hóa khi áp dụng trong thực tế dùng để sản xuất biochar
- Phân tích các đặc tính lý, hóa của biochar thành phẩm được sản xuất từ thiết bị trên.
Nội dung 2: Khảo sát hiệu quả của biochar đến sự sinh trưởng của cây trồng trong điều kiện chậu, vại
- Xác định liều lượng và phương pháp sử dụng biochar có hiệu quả khi áp dụng làm chất cải tạo đất cho cây trồng.
Nội dung 3: Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng biochar đến sự thay đổi đặc tính lý, hóa, sinh của đất bazan trồng cà phê
- Xác định liều lượng biochar phù hợp khi ứng dụng làm chất cải tạo đất trong điều kiện đất bazan trồng cà phê
Thiết bị khí hóa Đề tài sử dụng bộ khí hóa model 250 của Dr Paul Oliver, sản phẩm được cải tiến từ thiết kế của Alexis Belonio (Olivier, n.d.)
Quai xách Nắp đậy Cột khí hóa Quạt gió
Hình 12 Cấu tạo thiết bị khí hóa model 250
Bộ khí hóa hoạt động từ trái sang phải, bắt đầu với bộ khí hóa trước khi hoạt động và tiếp tục với bộ khí hóa đang hoạt động Khi nguyên liệu sinh khối bị khí hóa hoàn toàn, phần than (carbon) của biochar sẽ tiếp tục bị đốt cháy, tạo ra nhiệt độ rất cao (>1000 o C) và làm nóng đỏ thân thiết bị.
Hình 13 Bộ khí hóa model 250
Nguyên liệu cần có độ ẩm dưới 12% và nhiệt độ khí hóa có thể vượt quá 700 độ C Sản phẩm được thiết kế để ứng dụng ở quy mô nông hộ, tận dụng phế phụ phẩm nông nghiệp như trấu, vỏ cà phê và các loại viên nén từ xơ dừa, mạt cưa cho việc nấu ăn và rang nguyên liệu bằng nhiệt lượng từ khí syngas Biochar thu được sau mỗi mẻ nấu sẽ được sử dụng làm chất cải tạo đất, góp phần vào canh tác xanh và phát triển nông nghiệp bền vững Việc cố định carbon dưới dạng biochar giúp ngăn chặn thất thoát khí CO2 vào khí quyển, là một giải pháp hiệu quả trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu.
Vật liệu dùng cho các thí nghiệm trên cây trồng
- Phân viên hữu cơ Bounce Back® Thành phần: Hữu cơ 44%, acid humic 2%, N 3%,
P2O5 4,6%, K2O 2%, S 2%, Ca 7%, Mg 0,6%, độ ẩm 13%; Vi lượng: Fe 2000 ppm,
Mn 500 ppm, Zn 350 ppm, Cu 8 ppm, B 3 ppm, No 2 ppm Hướng dẫn sử dụng: đối với các loại cây hoa màu, dùng bón lót 50 kg/1000 m 2 /vụ
- Hạt giống cà chua F1 TN 323 Trang Nông® Xuất xứ: Ấn Độ Theo 10 TCN 639:2005, độ sạch ≥ 98%, nảy mầm ≥ 80%, độ ẩm ≤ 8%
- Hạt giống cải bẹ xanh mỡ Trang Nông® (Chinese mustard) Xuất xứ: New Zealand Theo TCCS:TN HCM 08/10, độ sạch ≥ 98%, nảy mầm ≥ 85%, độ ẩm ≤ 8%
Để tạo ra đất trồng cây chất lượng, cần phối trộn các thành phần theo tỷ lệ: 20% đất, 30% xơ dừa, 10% phân bò, 20% tro trấu và 30% compost Sau khi bổ sung một ít nước, sử dụng xẻng để trộn đều hỗn hợp Trên nền đất này, hãy bổ sung biochar và phân hữu cơ theo các tỷ lệ đã được xác định trong nghiệm thức.
- Đất gieo hạt: thành phần tương tự trên nhưng tỷ lệ xơ dừa và tro trấu nhiều hơn thông thường để làm đất tơi xốp, thoáng nước
3 Khảo sát quá trình khí hóa vỏ cà phê và trấu trên hệ thống khí hóa
Mục đích của nghiên cứu là xây dựng quy trình khí hóa nguyên liệu trấu và vỏ cà phê trên bộ khí hóa model 250, nhằm đánh giá chất lượng than sinh học thu được Kết quả này sẽ làm cơ sở cho việc triển khai các thử nghiệm về than sinh học trên các loại cây trồng.
Để thực hiện thí nghiệm, tiến hành đốt trên hệ thống model 250 với ba loại nguyên liệu: trấu, vỏ cà phê và hỗn hợp cà phê-trấu theo tỷ lệ 1:1 (v/v) Mỗi thí nghiệm sẽ được lặp lại ba lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.
- Các thông số pH, EC (mS/cm), khối lượng riêng (kg/m 3 ), độ ẩm (%) được phân tích theo phương pháp ghi ở mục 7 Phương pháp đo các chỉ tiêu
Thời gian khí hóa bắt đầu từ khi lửa mồi làm lớp nguyên liệu bề mặt tự cháy, sau đó đặt nắp bếp lên cột khí hóa để quan sát ngọn lửa màu xanh hoặc đỏ từ khí syngas Khi ngọn lửa tắt và bếp phát sinh khói, lớp nguyên liệu đã cháy gần đến đáy, lúc này ta dừng quá trình khí hóa và trút biochar ra ngoài Thời gian khí hóa được đo bằng đồng hồ bấm giờ, tính theo phút.
- Nhiệt độ khí hóa được kiểm tra bằng súng đo nhiệt độ bằng hồng ngoại Ebro TFI 54, khoảng đo -60 o C đến +550 o C Độ chính xác ± 1,5 o C, độ phân giải 0,1 o C
- Hiệu suất thu hồi (%) = 100 * [Biochar thành phẩm (kg) / Nguyên liệu ban đầu (kg)]
4 Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng phối trộn biochar đến sinh trưởng cây cà chua trong điều kiện chậu
Mục đích của nghiên cứu là xác định liều lượng biochar phù hợp ngay sau khi nhiệt phân (fresh biochar) khi bón lót vào đất, nhằm đánh giá tác động của nó đến sự sinh trưởng và năng suất cây cà chua Khác với các thí nghiệm trước, nghiên cứu này sử dụng fresh biochar thay vì aged biochar đã được ủ từ 2 tuần trở lên, nhằm tránh ảnh hưởng của chất dinh dưỡng bổ sung trong quá trình canh tác Kết quả cho thấy chiều cao cây và năng suất phụ thuộc vào nguồn đất trồng đồng đều cho cả bốn nghiệm thức, với yếu tố chính là liều lượng biochar thay đổi theo từng nghiệm thức.
Để thực hiện thí nghiệm, cần bố trí theo kiểu khối đầy đủ ngẫu nhiên (RCBD) với 4 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức gồm 20 chậu và thực hiện 3 lần nhắc lại Các chậu sẽ được sắp xếp trên 3 luống trong điều kiện nhà lưới, với khoảng cách 1 m giữa các lần nhắc lại nhằm tránh gây nhiễu kết quả.
Bảng 3 Công thức thí nghiệm xác định liều lượng biochar trên cây cà chua
Tỷ lệ phối trộn biochar theo diện tích (kg/m 2 )
Công thức phối trộn tính trên
Tỷ lệ phối trộn biochar theo khối lượng (%) NT1 Đối chứng Không phối trộn 2,5 kg đất + 0 g biochar 0%
NT2 (0,3 kg/m 2 ) 0,3 kg biochar/m 2 2,5 kg đất + 12 g biochar 0,5%
NT3 (1 kg/m 2 ) 1 kg biochar/m 2 2,5 kg đất + 38 g biochar 1,5%
NT4 (3 kg/m 2 ) 3 kg/m 2 2,5 kg đất + 114 g biochar 4,5%
Bảng 4 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của liều lượng biochar trên cây cà chua
Lần lặp lại 1 Lần lặp lại 2 Lần lặp lại 3
Chiều cao cây (cm): được đo từ sát gốc đến đỉnh sinh trưởng ở cành dài nhất, định kỳ đo 7 ngày/lần
Năng suất cá thể (g/cây) được xác định bằng cách thu hoạch từng ô thí nghiệm và tính lũy tiến vào cuối đợt canh tác, sau đó quy về giá trị trung bình trên mỗi cây trong từng ô thí nghiệm.
Hình 14 Bố trí thí nghiệm trên cây cà chua ở điều kiện nhà lưới
5 Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng phối trộn biochar vào đất trồng cải xanh
Mục đích của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của biochar khi sử dụng trực tiếp hoặc phối trộn với phân hữu cơ trên cây cải xanh, nhằm làm rõ hiệu quả của việc sử dụng biochar đơn lẻ hoặc kết hợp với các yếu tố dinh dưỡng bổ sung Nghiên cứu sẽ dựa trên dữ liệu liều lượng biochar phù hợp đã thu được từ thí nghiệm trên cà chua.
Để thực hiện thí nghiệm, cần bố trí thí nghiệm một yếu tố kiểu đầy đủ ngẫu nhiên (CRD) với 4 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức có 6 chậu và được lặp lại 3 lần Các chậu sẽ được sắp xếp trên một luống trong điều kiện nhà lưới, với khoảng cách 1 m giữa các lần nhắc lại nhằm tránh gây nhiễu kết quả Đối với nghiệm thức NT2 và NT4, cần bổ sung phân hữu cơ với tỷ lệ 160 g/m², tương ứng với 6,8 g/chậu.
Bảng 5 Công thức thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của biochar trên cây cải xanh
Tỷ lệ phối trộn biochar theo diện tích (kg/m 2 )
Công thức phối trộn tính trên
Tỷ lệ phối trộn biochar theo khối lượng (%) NT1 Đối chứng Không phối trộn 2,5 kg đất + 0 g biochar 0%
NT2 Phân hữu cơ Không phối trộn 2,5 kg đất + 0 g biochar
NT3 Biochar 1 kg biochar/m 2 2,5 kg đất + 38 g biochar
NT4 Biochar kết hợp phân hữu cơ 1 kg biochar/m 2 2,5 kg đất + 38 g biochar +
Bảng 6 Bố trí thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của biochar trên cây cải xanh
NT1.1 NT1.2 NT1.3 NT2.1 NT2.2 NT2.3 NT3.1 NT3.2 NT3.3 NT4.1 NT4.2 NT4.3
Chiều dài lá được đo từ gốc đến đầu lá dài nhất, thực hiện định kỳ mỗi 7 ngày Độ rộng lá được xác định bằng chiều ngang lớn nhất của lá, đo vào giữa giai đoạn sinh trưởng và trước khi thu hoạch.
Năng suất cá thể (g/cây): được đo sau khi nhổ cải và làm sạch đất Quy về giá trị trung bình trên từng cây ở mỗi ô thí nghiệm
Hình 15 Bố trí thí nghiệm trên cây cải xanh ở điều kiện nhà lưới
6 Khảo sát ảnh hưởng của than sinh học đến đặc tính lý, hóa, sinh của đất đỏ bazan trồng cà phê
Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu lý, hóa và sinh của nền đất canh tác sau một năm bón biochar với các hàm lượng khác nhau Nghiên cứu nhằm xác định ảnh hưởng của biochar đến chất lượng đất, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho việc cải thiện năng suất cây trồng.
Để thực hiện thí nghiệm, cần bố trí một yếu tố kiểu đầy đủ ngẫu nhiên (CRD) với 4 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức gồm 4 cây cà phê và thực hiện 3 lần nhắc lại Các cây cà phê được chọn phải ở độ tuổi trưởng thành.
Nhóm chỉ tiêu đại diện cho tính chất nền đất canh tác: pH, EC, độ ẩm, dung trọng
Nhóm chỉ tiêu đại diện cho mức độ dinh dưỡng của đất canh tác: C, N, P dễ tiêu, K dễ tiêu
Nhóm chỉ tiêu đại diện cho hoạt động của hệ vi sinh vật trong nền đất canh tác bao gồm tổng số vi khuẩn hiếu khí, tổng số nấm hiếu khí và tổng số nấm rễ nội cộng sinh Những chỉ tiêu này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá sức khỏe và độ phì nhiêu của đất, ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng Việc theo dõi và phân tích các chỉ tiêu này giúp nông dân cải thiện quản lý đất đai và tối ưu hóa năng suất cây trồng.
Nhóm chỉ tiêu đại diện cho hiệu quả than sinh học đến năng suất cây trồng: Năng suất cá thể (kg/cây), khối lượng 100 hạt (g)
Hình 16 Bố trí thí nghiệm thực địa
CHIỀU BIẾN THIÊN HÀM LƯỢNG BIOCHAR
Hình 17 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực địa tại Đăk Nông
7 Phương pháp đo các chỉ tiêu
Chỉ tiêu Tham khảo Ghi chú pH
(International Biochar Initiative, 2015) pH của biochar pha loãng trong H2O theo 1:20 (w/v); pH đất pha loãng trong H2O theo 1:5 (v/v)
EC của biochar pha loãng trong H2O theo 1:20 (w/v);
EC đất pha loãng trong H2O theo 1:5 (v/v) Độ ẩm (%) TCVN 6648-2000
ASTM D1762-84 Độ ẩm tính theo khối lượng mẫu ban đầu
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) Phương pháp thường quy PTN Tỷ trọng xương (kg/m 3 )
P dễ tiêu (mg/kg) TCVN 8942-2011
K dễ tiêu (mg/kg) TCVN 8662-2011
8 Phương pháp xử lý số liệu
Dữ liệu từ các thí nghiệm sẽ được xử lý bằng phần mềm Excel, phân tích ANOVA và phân hạng số liệu bằng phần mềm SAS 9.1 (Phan Thanh Kiếm, 2010).
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1 Khảo sát quá trình khí hóa vỏ cà phê và trấu trên hệ thống khí hóa model 250
Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hóa lý của than sinh học bao gồm nguyên liệu đầu vào, độ ẩm, khối lượng, cũng như các thông số quá trình như nhiệt độ, phương pháp nhiệt phân, tốc độ gió và thời gian lưu Để tối ưu hóa quy trình, cần theo dõi các yếu tố đầu ra như pH, EC, khối lượng riêng và hiệu suất thu hồi Từ những thông tin này, có thể xây dựng các điều kiện khí hóa phù hợp với yêu cầu cụ thể.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm với nguyên liệu đầu vào là vỏ cà phê và trấu để tối ưu hóa hiệu suất thu nhận biochar Kết quả cho thấy, khi nhiệt phân vỏ cà phê với khối lượng 5,5 kg/mẻ, đạt hiệu suất cao nhất là 48,48 ± 1,05% Đối với trấu, khối lượng 2 kg/mẻ mang lại hiệu suất 25,83 ± 1,44% Khi phối trộn hai loại nguyên liệu theo tỷ lệ 1:1, khối lượng 4 kg/mẻ cho hiệu suất cao nhất đạt 35,83 ± 1,44%.
Bảng 7 Kết quả phân tích biochar vỏ cà phê
Chỉ tiêu Thiết bị model 250 Trung bình Đầu vào
Nguyên liệu vỏ cà phê (kg) 5 5,5 6 6,5 5,75 Độ ẩm (%) 14,23 14,23 12,29 12,29 13,26 ±
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 280 280 280 280 280 pH 4,01 ±
EC (mS/cm) 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 Đầu ra
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 92,53 92,53 92,53 92,53 92,53 pH 11,70 ±
Thời gian khí hóa (phút)
Nhiệt độ khí hóa ( o C) từ 450 o C đến trên 550 o C
Bảng 8 Kết quả phân tích biochar trấu
Chỉ tiêu Thiết bị model 250 Trung bình Đầu vào
Nguyên liệu trấu (kg) 2 2,5 2,25 Độ ẩm (%) 12,23 12,23 12,23
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 87,30 87,30 87,30 pH 6,95 ± 0,02 6,95 ± 0,01 6,95 ±
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 68,12 68,12 68,12 pH 10,16 ± 0,04 10,13 ± 0,03 10,15 ±
Thời gian khí hóa (phút) 27,67 ± 0,58 35,00 ± 3,00 31,33 ±
Nhiệt độ khí hóa ( o C) từ 450 o C đến trên 550 o C
Biochar từ trấu và vỏ cà phê có giá trị pH tương đương (10-11), nhưng khác biệt lớn về giá trị EC và khối lượng riêng, cho thấy chất lượng nguyên liệu khí hóa khác nhau Vỏ cà phê khó khí hóa hơn trấu do độ ẩm cao và chứa nhiều lipid, khoáng chất, dẫn đến việc hình thành tảng lớn khi khí hóa ở nhiệt độ cao Để cải thiện quá trình khí hóa, chúng tôi đã phối trộn trấu với vỏ cà phê theo tỷ lệ 1:1 v/v Mục tiêu của nghiên cứu là áp dụng hỗn hợp biochar trấu và cà phê vào canh tác nông hộ tại khu vực Tây Nguyên.
Bảng 9 Kết quả phân tích biochar hỗn hợp trấu:vỏ cà phê (tỷ lệ 1:1 v/v)
Chỉ tiêu Thiết bị model 250 Trung bình Đầu vào
Nguyên liệu hỗn hợp (kg) 3 3,5 4 3,5 Độ ẩm (%) 12,46 12,46 12,46 12,46
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 196,30 196.30 196,30 196,30 pH 6,26 ± 0,05 6,26 ± 0,03 6,28 ± 0,03 6,27 ±
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 85,12 85,12 85,12 85,12 pH 10,69 ± 0,08 10,70 ±
Thời gian khí hóa (phút) 28,33 ± 2,08 32,00 ±
Nhiệt độ khí hóa ( o C) từ 450 o C đến trên 550 o C Để khảo sát quá trình khí hóa, nhóm nghiên cứu sử dụng 2 model khí hóa 250 và
Năng suất xử lý biomass đầu vào của các mô hình nồi khác nhau là 5-10 kg/giờ cho model 250 và 20-40 kg/giờ cho model 500, theo nghiên cứu của Dr Paul Olivier (2012) Quy trình vận hành được trình bày rõ ràng qua hình ảnh và có thuyết minh từng bước, nhằm nhấn mạnh những điểm quan trọng cần lưu ý khi áp dụng sản xuất biochar ở quy mô nông hộ.
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Để quá trình khí hóa diễn ra hiệu quả, nguyên liệu cần có độ ẩm dưới 12%, giúp dễ dàng mồi lửa và kích thích quá trình nhiệt phân tạo ra khí syngas Nếu vỏ cà phê có độ ẩm cao, nên phơi nắng khoảng 1 giờ trước khi thực hiện khí hóa.
Phối trộn nguyên liệu trấu và cà phê với tỷ lệ 1:1 v/v giúp cải thiện quá trình khí hóa Trấu có độ ẩm thấp, độ xốp cao và ít chất béo, nhờ đó không bị dính thành từng tảng lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho luồng khí syngas thoát lên dễ dàng.
Nên rải một lớp trấu nhỏ ở lớp trên cùng nhằm giúp việc mồi lửa diễn ra dễ dàng
Lắp đặt quạt gió vào thiết bị Quạt này sử dụng điện
DC, tốc độ quạt 16.000 RPM, có độ bền cao Cần lưu ý an toàn điện, dây điện, cháy nổ trong quá trình khí hóa
Để vận hành nồi khí hóa, bước đầu tiên là mồi lửa Sử dụng giấy carton là phương pháp thích hợp hơn so với các loại vật liệu khác, vì nó an toàn hơn Tránh sử dụng xăng hoặc cồn để mồi lửa, vì những chất này dễ gây cháy nổ.
Khi ngọn lửa lan tỏa đều trên bề mặt, cần gắp các mảng vụn đã mồi ra ngoài để tạo điều kiện cho luồng khí syngas thoát lên bề mặt một cách đồng đều Điều này giúp quá trình khí hóa diễn ra hoàn toàn từ trên xuống dưới.
Trong giai đoạn thu nhiệt từ khí syngas, sau khi ngọn lửa cháy mạnh, nắp nồi khí hóa sẽ được đậy lại Khi đó, khí syngas sẽ thoát ra từ các lỗ phía trên bếp và bắt đầu bốc cháy Màu sắc ngọn lửa sẽ thay đổi từ xanh dương sang đỏ cam, tùy thuộc vào thành phần nguyên liệu và hàm lượng H2, CO được sinh ra.
Khi sử dụng hệ thống, nếu đậy nắp mà không thấy lửa bốc lên, điều này không có nghĩa là H2 và CO không sinh ra, mà có thể do nồng độ chưa đủ để cháy Khi đó, khí CO có thể thoát ra và gây ngộ độc cho người vận hành Do vậy, chúng tôi khuyến cáo nên đặt hệ thống ở khu vực thoáng gió và gần nguồn nước để xử lý kịp thời các tình huống ngộ độc và cháy nổ.
Có thể thiết kế hệ thống ray và xay cà phê để tận dụng nhiệt năng từ quá trình khí hóa biochar Thay đổi tốc độ quạt gió sẽ kéo dài thời gian duy trì nguồn nhiệt này, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
250, tùy vào lượng nguyên liệu đưa vào ban đầu mà ta có thể kéo dài thời gian nấu từ 30 – 60 phút/mẻ khí hóa
Giai đoạn kết thúc quá trình khí hóa là khi nguyên liệu biomass được khí hóa từ trên xuống dưới đáy nồi Khi nguyên liệu đã cháy hết thành than, lượng carbon còn lại tiếp tục bị khí hóa, tạo ra nhiệt lượng cao, làm nóng đỏ thành nồi.
Ngọn lửa giảm dần và tắt hẳn khi hàm lượng khí H2 và CO sinh ra không còn nhiều Để xác định vị trí cột sinh khối, có thể nhúng mảnh vải vào nước và rà vào đáy nồi Để chủ động kết thúc quá trình khí hóa, hãy ngừng cung cấp không khí từ bên ngoài.
Bước 3: Thu hồi biochar sau quá trình khí hóa
Thông thường, hệ thống này cho hiệu suất thu hồi biochar tương đối thấp từ 20-45% vì phần lớn sinh khối đã chuyển thành dạng khí syngas
Nồi khí hóa và sản phẩm biochar rất nóng, đôi khi đạt đến 400 o C do đó cần có các dụng cụ thích hợp để thao tác
Khuyến cáo nên sử dụng nước để làm nguội than sau khi đổ ra, đặc biệt khi lửa vẫn còn âm ỉ bên dưới lớp than đã nguội Cần tưới nước lên biochar để đạt độ ẩm bão hòa (78%), giúp khi bón lót vào đất, biochar không cạnh tranh nước với rễ cây mà còn cung cấp nước, tăng độ ẩm cho đất.
Trong một số trường hợp, thành phần nguyên liệu chứa nhiều lipid và khoáng chất có thể kết tinh thành từng tảng lớn khi khí hóa ở nhiệt độ cao Điều này gây ra sự không đồng đều trong quá trình khí hóa, ảnh hưởng đến độ đồng nhất của biochar và dẫn đến hao hụt nguyên liệu Chúng ta có thể tách những phần nguyên liệu chưa khí hóa để sử dụng trong mẻ sau nhằm sản xuất biochar hiệu quả hơn.
KẾT LUẬN
1 Nhận xét và đánh giá kết quả đạt được so với yêu cầu
Hệ thống khí hóa model 250 tạo ra biochar có chất lượng đồng đều từ các loại nguyên liệu khác nhau, cung cấp khí syngas phục vụ nhu cầu nhiệt năng cho các hộ canh tác Sau quá trình khí hóa, biochar có thể được sử dụng như một chất cải tạo đất, giúp nâng cao năng suất cây trồng khi áp dụng đúng cách.
Biochar sau quá trình khí hóa có pH 10,73 ± 0,08 và độ dẫn điện EC (mS/cm) 1,37 ± 0,04 Hiệu suất thu hồi đạt 33,00 ± 2,53%, từ 3 kg nguyên liệu sinh khối đầu vào sẽ tạo ra 1 kg biochar thành phẩm Quá trình này cũng sản sinh nhiệt năng từ khí syngas trong khoảng thời gian 33,11 ± 4,94 phút.
Kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng biochar ngay sau quá trình nhiệt phân (fresh biochar) trong canh tác cà chua và cải xanh mang lại hiệu quả thấp hơn hoặc không khác biệt nhiều so với đối chứng Hàm lượng biochar được khuyến cáo là 1 kg/m², tương đương 1,5% theo khối lượng Khi trộn biochar với phân hữu cơ, tác động tích cực đến sự sinh trưởng của cải xanh rõ rệt hơn so với việc chỉ sử dụng phân hữu cơ hoặc biochar riêng lẻ.
Kết quả thí nghiệm sau một năm theo dõi cho thấy than sinh học, khi được sử dụng ở hàm lượng 1-3 kg/m², có thể áp dụng trực tiếp vào nền đất cây cà phê để tăng năng suất cây trồng.
2 Các nội dung công việc chưa hoàn thành và lý do (nếu có)
Kết quả chụp SEM cho thấy bề mặt của than sinh học có sự phức tạp trong quy trình chuẩn bị mẫu, đòi hỏi các loại hóa chất đặc thù Nhóm thực hiện đề xuất đưa nội dung này vào đề tài MT01/18-19 để tiếp tục phát triển và nghiên cứu.
Xác định diện tích bề mặt riêng của than sinh học là cần thiết do thiếu máy móc chuyên dụng để đo lường Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã liên hệ với Viện Khoa học vật liệu để gửi mẫu nhằm phân tích diện tích bề mặt riêng và khả năng hấp phụ của than sinh học Thông tin này được đưa vào đề tài MT03/18-20 nhằm cung cấp cái nhìn đầy đủ hơn về các đặc tính lý, hóa của than sinh học.
KIẾN NGHỊ
Dựa trên các kết quả đạt được từ đề tài và xu hướng nghiên cứu ứng dụng than sinh học đang phát triển mạnh mẽ toàn cầu, nhóm thực hiện đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo liên quan đến than sinh học như sau:
1/ Hướng nghiên cứu áp dụng than sinh học làm giá thể cố định vi sinh vật để làm chất mang trong sản xuất chế phẩm vi sinh Đây là hướng đã được cụ thể hóa ở đề tài cấp cơ sở Nghiên cứu khả năng cố định nấm Trichoderma spp và vi khuẩn Bacillus subtilis trên nền chất mang than sinh học từ trấu phục vụ sản xuất chế phẩm vi sinh
2/ Hướng nghiên cứu ứng dụng than sinh học làm sản phẩm nâng cao sức khỏe đất, giúp đưa vào thị trường một dòng sản phẩm chất cải tạo đất, giữ ẩm, tăng độ tơi xốp, tăng hàm lượng chất mùn, giúp giảm khí thải nhà kính Đây là hướng đã được cụ thể hóa ở nghiệp vụ thường xuyên Sản xuất thử nghiệm than sinh học từ trấu để tạo sản phẩm nâng cao sức khỏe đất (Mã số: NVTXMT01/18)
3/ Hướng nghiên cứu hoạt hóa than sinh học với sự tham gia của hệ giun đất nhằm tăng cường khả năng xử lý thuốc trừ sâu của than sinh học nhờ hệ exoenzyme của giun đất cố định trên bề mặt than (Sanchez-Hernandez, 2018) Đây là hướng nghiên cứu trực tiếp đi vào lĩnh vực phân giải chất độc hại bằng giải pháp sinh học vốn rất cấp thiết hiện giờ
4/ Hướng nghiên cứu ứng dụng than sinh học làm chất mang trong hệ xử lý nước thải thủy sản với đặc tính khả năng hấp phụ mạnh, giá thành rẻ, chất mang sau quá trình xử lý có thể chuyển hóa thành phân bón hữu cơ Hướng nghiên cứu này áp dụng nguyên lý chuyển tải chất dinh dưỡng hòa tan trong nước thành chất hữu cơ hoàn trả về nền đất canh tác thông qua chất mang than sinh học Đây là hướng được tiếp nối ở đề tài cấp cơ sở Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước của than sinh học trong hệ nuôi thủy sản tuần hoàn nhằm ứng dụng cho mô hình nuôi tôm giống (Mã số: MT03/18-20).
