tóm tắt luận án nghiên cứu ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm cây lúa để cải tạo môi trường đất xám bạc màu

Ngoài ra, than sinh học có thể tồn tại nhiều năm trong đất với cấu tr c tơi xốp, diện tích ề mặt lớn và độ hấp phụ các chất cao nhờ đó còn được sử dụng để xử lý ô nhiễm trong môi trường

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong canh tác nông nghiệp, việc lạm dụng thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bón phân không hợp lý…đã tạo cơ hội cho chất gây ô nhiễm, đặc biệt là hàm lượng kim lọai nặng tích lũy dần trong đất qua các mùa vụ Bên cạnh đó, phần lớn đất nông nghiệp ở nước ta là đất bạc màu, với đặc tính chua, nghèo kiệt chất dinh dưỡng, dung tích hấp thu thấp, thường khô hạn và chai cứng, đất lại dễ bị tác động bởi quá trình xói mòn, rửa trôi Điều này càng làm suy giảm sức sản xuất của đất, giảm năng suất cây trồng, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng nông sản Do đó, cần có những biện pháp cải tạo và xử lý ô nhiễm trong đất

Thực tế hiện nay, do điều kiện kinh tế phát triển và sản xuất nông nghiệp bằng cơ giới hóa, từ đó thói quen sử dụng phụ phẩm cây lúa của người dân đã thay đổi dẫn đến dư thừa một lượng rất lớn, chúng không được quản lý tốt ở khắp các vùng miền ở Việt Nam Tình trạng vứt bỏ rơm rạ, trấu ở trên đồng ruộng, kênh rạch dẫn đến việc phân hủy chất hữu cơ tạo ra khí metan, ô nhiễm không khí, sự phân hủy chất hữu cơ làm rửa trôi photpho, kim loại nặng trong môi trường đất gây ô nhiễm nguồn nước Ngoài ra, việc đốt rơm, rạ không những gây ô nhiễm môi trường, làm gia tăng khí nhà kính trong khí quyển mà còn ảnh hưởng tới sức khỏe con người

han sinh học là sản phẩm được nhiệt phân yếm khí từ các loại sinh khối hữu cơ giàu các on

và có nhiều tác dụng trong sản xuất và đời sống hông phải ngẫu nhiên mà than sinh học được các nhà khoa học ví như “vàng đen” của ngành nông nghiệp Sự đề cao này xuất phát từ những đặc tính ưu việt của than sinh học trong việc cải thiện tính chất đất và nâng cao suất cây trồng Ngoài ra, than sinh học có thể tồn tại nhiều năm trong đất với cấu tr c tơi xốp, diện tích ề mặt lớn và độ hấp phụ các chất cao nhờ đó còn được sử dụng để xử lý ô nhiễm trong môi trường đất và môi trường nước bởi các tác nhân như: kim loại nặng, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,…

Xuất phát từ những yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm cây lúa để cải tạo môi trường đất xám bạc màu” được tiến hành

2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án này được tiến hành với những mục tiêu sau đây:

- Đánh giá được khả năng cố định LN trong môi trường đất bạc màu của TSH

- Đánh giá được khả năng ứng dụng TSH từ phế phụ phẩm cây l a để cải tạo tính chất đất xám bạc

3 Nội dung nghiên cứu

3.1 Nội dung 1 Phân tích, đánh giá tính chất lý hóa của đất xám bạc màu và TSH từ phụ

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5 Những đóng góp mới của đề tài

- Xác định được khả năng cải tạo và nâng cao một số tính chất lý hóa đất xám bạc màu của TSH sản xuất

- Ứng dụng thành công để nâng cao năng suất và cải tạo một số tính chất lý hóa của đất xám bạc màu trồng lúa tại óc ơn, à Nội

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa

1.1.1 Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa trên thế giới

Nhu cầu gạo dự kiến sẽ vẫn mạnh mẽ trong vài thập kỷ tới do sự tăng trưởng kinh tế và dân số

ở các nước châu Phi và châu Á Đến năm 2020, tổng lượng tiêu thụ gạo sẽ là 450 triệu tấn, tăng 6,6%

so với 422 triệu tấn vào năm 2007 Nhìn chung, ngành sản xuất lúa gạo sẽ vẫn duy trì ổn định trong một thời gian dài, dẫn đến việc phụ phẩm từ cây lúa vẫn ở mức cao

1.1.2 Tình hình thu gom và sử dụng phụ phẩm cây lúa ở Việt Nam

Với sản lượng l a ước tính năm 2013 của cả nước trên 40 triệu tấn, nếu tính tỉ lệ thu hoạch là 1,0 và

tỉ lệ giữa trọng lượng trấu trên trọng lượng hạt là 0,2 thì cả nước có trên 40 triệu tấn rơm rạ và trên 8 triệu tấn trấu Đây là một nguồn nguyên nhiên liệu rất lớn

Hiện tượng đốt rơm rạ ngay trên đồng ruộng hiện nay đã lan ra khá phổ biến ở vùng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Biện pháp xử lý này vừa không đem lại hiệu quả kinh tế mà còn gây lãng phí, làm ô nhiễm môi trường và trong tương lai gần có thể phải loại bỏ

1.1.3 Ảnh hưởng của một số hình thức xử lý phụ phẩm cây lúa đến môi trường đất và chu trình

các bon

Hình thức đốt phụ phẩm có lợi trong việc dọn dẹp đồng ruộng nhanh chóng và có thể diệt mầm bệnh của vụ trước cho vụ tiếp theo Tuy nhiên, hình thức đốt có thể gây ra tác hại lớn đến môi trường đất, quá trình đốt không chỉ làm gây ô nhiễm môi trường và gia tăng khí nhà kính CO2, CO, NOx, ) mà còn làm ảnh hưởng đến môi trường đất Vùi rơm rạ vào đất là việc hoàn trả lại cho đất một phần các nguyên tố dinh dưỡng mà cây l a đã lấy đi từ đất Ttuy nhiên điều này có thể bị ảnh hưởng bởi mầm bệnh từ vụ trước để lại

3

Bên canh đó, rơm rạ tươi phân hủy trong điều kiện ngập nước thường sản sinh ra các axit hữu cơ gây ra ngộ độc cho rễ lúa hay làm giảm khả năng hấp thụ dưỡng chất, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và năng suất của

lúa

rong môi trường đất ô nhiễm, các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính di động của KLN là

pH, chất hấp phụ, sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ và vô cơ, ao gồm cả axit humic và fulvic, các dịch tiết từ rễ cây và chất dinh dưỡng Phản ứng oxi hóa khử có thể huy động hoặc cố định các kim loại, tùy thuộc vào từng kim loại và môi trường Vì vậy, trong canh tác lúa, việc vùi phụ phẩm hoặc sử dụng phân compost chứa nhiều chất hữu cơ trong môi trường ngập nước (có tính khử) có thể làm cho các kim loại nặng trở nên linh động hơn

1.2 Đất xám bạc màu

Đất xám bạc màu là tên gọi theo Việt Nam cho loại đất Haplic Acrisols (FAO- UNESCO) thuộc nhóm

đất xám Đất xám bạc màu chủ yếu phát triển trên nền phù sa cổ, đá macma axit và đá cát, phân ố tập trung

ở Đông Nam ộ, Tây Nguyên và Trung du Bắc bộ

1.2.1 Sự phân bố, phân loại đất bạc màu

Diện tích đất xám bạc màu của cả nước là khoảng 3 triệu ha Nhóm đất xám bạc màu phân bố chủ yếu ở Đông Nam ộ, Tây Nguyên và Trung du Bắc bộ

1.2.2 Tính chất đất bạc màu

Đất xám bạc màu có thành phần cơ giới từ nhẹ đến trung bình, dung trọng từ 1,30-1,50 g/cm3

; tỷ trọng 2,65-2,70; độ ẩm: tầng đất 50-70cm đến 250cm thường xuyên bằng 80-100% so với độ ẩm trữ cực đại nhưng đất bị nén chặt nên mùa khô chỉ từ 21- 24%; độ xốp 43-45%; sức chứa ẩm đồng ruộng 27-31%; độ ẩm cây héo 5-7% Đất có phản ứng từ chua vừa đến rất chua, pHKCl phổ biến từ 3,0-4,5; hàm lượng mùn tầng đất mặt từ nghèo đến rất nghèo (0,50-1,50%); các chất tổng số và dễ tiêu đều nghèo Nghèo cation trao đổi (Ca+++ Mg++ < 2 meq/100g đất ; độ no azơ và dung tích hấp thu thấp

1.2.3 Kim loại nặng trong đất xám bạc màu

Hàm lượng kim loại nặng trong nhóm đất xám bạc màu ở Việt Nam đa số đều nằm dưới ngưỡng so với QCVN 03:2008/BTNMT, mặc dù hàm lượng trung bình KLN của đất xám bạc màu đều ở ngưỡng cho phép tuy nhiên ở một số khu vực bị ảnh hưởng của nước thải từ các làng nghề truyền thống, khu công nghiệp

và đô thị lớn đã thấy xuất hiện ô nhiễm kim lọai nặng vì vậy cần chú ý đến ô nhiễm đất và có các biện pháp

đề phòng

1.2.4 Các biện pháp cải tạo và nâng cao độ phì nhiêu đất bạc màu

Có nhiều biện pháp cải tạo đất bạc màu đã được triển khai ứng dụng, mục tiêu của các biện pháp này nhằm nâng cao độ phì nhiêu của đất và làm tăng năng suất cây trồng

1.2.4.1 Biện pháp cày sâu

1.2.4.2 Bón vôi

1.2.4.3 Bón phù sa sông và đất đỏ

1.2.4.4 Biện pháp thủy lợi

1.2.4.5 Luân canh tăng vụ cây trồng

1.2.4.6 Tăng cường bón chất hữu cơ

1.3 Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp xử lý

1.3.1 Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất

1.3.1.1 Nguồn gốc tự nhiên

1.3.1.2 Nguồn gốc nhân tạo

+ Ô nhiễm do chất thải công nghiệp

+ Ô nhiễm đất do sản xuất nông nghiệp

1.3.2 Các dạng kim loại nặng trong đất

Kim loại được tìm thấy trong một hoặc nhiều trạng thái, như: 1 òa tan trong dung dịch đất; 2) Chiếm giữ ở các vị trí trao đổi ở thành phần đất vô cơ; 3 ấp phụ trên các thành phần vô cơ của đất; 4) Kết hợp với chất hữu cơ không hòa tan; 5 ết tủa ở dạng các chất rắn tinh khiết hoặc hỗn hợp; 6) Có mặt trong cấu trúc của các khoáng vật thứ cấp; 7) Có mặt trong cấu trúc của khoáng sơ cấp

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự linh động hay cố định kim loại nặng trong môi trường đất

Các phản ứng trong môi trường đất, ví dụ acid/ azơ, kết tủa/hòa tan, quá trình oxy hóa/khử, hấp thụ hoặc quá trình trao đổi ion có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi nồng độ và tính linh động kim loại trong môi trường đất Độc tính, tính di động và phản ứng phụ thuộc vào đặc tính của từng kim loại và phụ thuộc vào một số điều kiện như p , Eh, nhiệt độ, độ ẩm, các phức chất, cường độ ion, điều kiện oxi hóa khử, v.v

1.3.4 Mối quan hệ giữa kim loại nặng trong môi trường đất và nước

Tính chất hóa học và tính chất vật lý của chất ô nhiễm ảnh hưởng đến sự di chuyển của kim loại trong đất và nước KLN tồn tại ở ba dạng trong kết cấu đất: các chất ô nhiễm hòa tan trong dung dịch đất, chất ô nhiễm hấp phụ trên bề mặt đất và chất ô nhiễm cố định hóa học dạng hợp chất rắn Các tính chất hóa học và vật lý của đất sẽ ảnh hưởng đến các dạng kim loại và tính linh động của nó từ đó có thể lựa chọn công nghệ phù hợp để xử lý

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp thu kim loại nặng vào thực vật

Khả năng dễ tiêu và hút thu KLN của thực vật bị ảnh hưởng bởi các đặc tính lý hóa của môi trường đất như: p , hàm lượng khoáng sét, chất hữu cơ, CEC và hàm lượng LN trong đất hông thường pH thấp, thành phần cơ giới nhẹ, độ mùn thấp, thực vật hút KLN mạnh

1.3.6 Một số phương pháp truyền thống xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng

- Phương pháp xử lý đất ô nhiễm LN ằng thực vật phytoremendiation

- Phương pháp đào và chuyển chỗ Dig and aul :

- Phương pháp cố định hoặc cô đặc ta ilization/ olidification

- Phương pháp thuỷ tinh hoá Vitrification

- Phương pháp rửa đất oil washing

1.3.7 Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước

Xử lý LN trong nước được thực hiện các phương pháp phổ iến sau: ết tủa hóa học; rao đổi ion;

ấp phụ; Chất hấp phụ sinh học; Màng lọc; Đông tụ và keo tụ; uyển nổi và Công nghệ điện hóa,

1.4 Tổng quan về sản xuất và ứng than sinh học

Trong những năm gần đây, ngày càng nhận được sự ch ý như là một cách tiếp cận thân thiện môi trường, đặc biệt trong chiến lượnc giảm nhẹ biến đổi khí hậu được định nghĩa là vật liệu giàu các bon, cấp hạt mịn, xốp, được sản xuất bằng cách nhiệt phân từ sinh khối hữu cơ trong điều kiện oxy hạn chế

và ở nhiệt độ tương đối thấp (<700oC)

1.4.1 Đặc tính của TSH

Thông tin về các đặc tính lý hóa học của TSH rất hạn chế Tuy nhiên tổng hợp từ nhiều nguồn TSH cho thấy lượng thu được là 28,5%, hàm lượng car on trong là 79,6% và năng suất carbon là 49,9% Các yếu tố chính quyết định đặc tính của TSH là: (1) loại chất hữu cơ dùng để nhiệt phân, (2) môi

5

trường nhiệt phân (ví dụ nhiệt độ, khí) (3) chất bổ sung trong quá trình nhiệt phân Nguồn hữu cơ cung cấp cho hun than có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng , hàm lượng dinh dưỡng và chất dễ tiêu

1.4.2 Than sinh học cải tạo đất và nâng cao năng suất cây trồng

1.4.2.1 TSH cải thiện dinh dưỡng dễ tiêu cây trồng

Bón TSH có thể làm tăng p và giảm nhôm di động trong đất chua, tại các vùng đất nhiệt đới bị khoáng hóa mạnh thâm canh cao Bón làm tăng p đất đối với rất nhiều loại thành phần cơ giới khác nhau, mức tăng có thể lên tới 1,2 đơn vị pH

1.4.2.2 TSH cải thiện khả năng giữ dinh dưỡng

TSH không những cải thiện hàm lượng dinh dưỡng dễ tiêu mà còn tăng cả khả năng giữ dinh dưỡng trong đất Nếu trộn một lượng lớn TSH từ cây gỗ cứng vào đất thì CEC có thể tăng 50% so với đối chứng nhưng với một lượng TSH nhỏ thì vẫn tăng CEC trong đất trong khi đó ón tro than hoặc tro ay thì cũng không tăng khả năng giữ dinh dưỡng của đất

1.4.2.3 TSH cải thiện khả năng giữ nước, ổn định cấu trúc đất và làm giảm mức độ thấm sâu của các chất trong đất

TSH có thể nâng cao lượng nước dễ tiêu cho cây trồng và giảm xói mòn đất Những đặc tính lý hóa học của các loại đất nghèo hữu cơ thường được cải thiện bằng các hình thức canh tác gắn liền với việc sử dụng chất hữu cơ như phân xanh, chất thải hữu cơ và các chất mùn từ than

TSH có thể hạn chế sự thấm sâu các chất gây ô nhiễm trong đất nông nghiệp Điều này có thể do bởi khả năng h t ám của đối với các chất hòa tan như là Al3+, NO3

-, PO4 3-

và các ion hòa tan khác

1.4.2.4 TSH tăng năng suất cây trồng

Bón vào đất làm tăng đáng kể tỷ lệ nảy mầm của hạt giống, sự sinh trưởng phát triển và năng suất cây trồng Tỷ lệ nảy mầm có thể tăng 30%, chiều cao cây tăng 24% và sinh khối cũng tăng 13% so với đối chứng Nếu bón 0,5 tấn TSH/ha thì chiều cao của cây sugi tăng thêm 1,26 đến 1,35 lần và sản lượng tăng 2,3 đến 2,4 lần Với cây hàng năm năng suất có thể tăng 200% nếu được ón lượng TSH cao

1.4.3 Than sinh học xử lý môi trường đất ô nhiễm

Các chất ô nhiễm có thể gây độc hại đối với hệ sinh thái nếu chúng di chuyển vào đất và đi vào cây trồng, sinh vật hoặc thấm vào nước ngầm đã được chứng minh là một chất hấp phụ hiệu quả các chất gây ô nhiễm khác nhau, chất hữu cơ và chất vô cơ vì ch ng có diện tích bề mặt lớn và có cấu tr c đặc biệt

1.4.3.1 Xử lý ô nhiễm kim loại nặng

Về xử lý kim loại nặng, nhiều báo cáo đã cho rằng TSH có hiều quả cao trong việc loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch và trong đất Dịch chiết axit chứa Cu (II) và Pb (II) giảm 19,7 - 100% và 18,6 - 77% tương ứng với sự tăng của hàm lượng TSH thêm vào Khi 5mmol/kg của các kim loại nặng này thêm vào, với công thức có 3% và 5% đã làm giảm Pb (II) từ 2 và 3 lần, cao hơn mẫu không có TSH

1.4.3.2 Xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ

có khả năng loại ỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong đất, nước và trầm tích, và do đó làm giảm khả năng dễ tiêu của ch ng và ngăn các chất độc hại chuyển từ môi trường vào thực vật và tiếp tục cho sinh vật trong đó có con người ết quả cho thấy 2-14% sulfamethoxazole đã di chuyển qua đất có ổ sung

so với 60% trong dung dịch của đất không ổ sung

1.4.3.3 Than sinh học tác động lên thuốc trừ sâu

iệu quả giảm thuốc xông 1,3- dichloropropene trong đất có ổ sung ết quả cho thấy trong đất có ổ sung 1% , lượng 1,3-dichloropropene phải cần gấp đôi mới đủ để diệt được giun tròn iệu quả cao của việc ứng dụng về hiệu lực của artrazine trên đất có kiểm soát cỏ dại và cho thấy rằng liều

lượng thêm vào đất 1% trọng lượng có thể cần tăng 3-4 lần để diệt được cỏ dại theo mong muốn

ọ cũng lưu ý rằng mức độ ảnh hưởng của lên hiệu quả của thuốc trừ cỏ phụ thuộc vào tính chất hóa học và cơ chế hoạt động của ch ng

1.4.3.4 Xử lý các chất ô nhiễm khác và làm phân ủ

Ủ phân compost là một trong những iện pháp ứng dụng rộng rãi đối với quá trình tái chế chất thải nông nghiệp, điều mà có thể tránh được những ất lợi do các độc tố khi ón trực tiếp vào đất như một nhân tố có tác động lớn có thể th c đẩy quá trình quá trình ủ không chỉ tạo cấu tr c và ổ sung chất khô mà còn cung cấp C và năng lượng cho các vi sinh vật là tác nhân tối ưu hóa cho quá trình ủ phân gia s c gia cầm ằng cách làm giảm mùi hôi và mất N cũng như tạo ra loại phân ủ có thành phần dinh dưỡng cân ằng

1.4.4 Tải lượng than sinh học của đất và các tác động bất lợi

Tải lượng TSH của đất

Đất erra Preta đất đen ở Brazin đã được chứng minh chứa khoảng 50 tấn C ha-1

dạng TSH, xuống

độ sâu khoảng 1 mét và loại đất này rất màu mỡ khi so sánh với đất xung quanh Điều này đã dẫn đến ý tưởng có thể áp dụng cho đất trong việc cô lập các bon và duy trì hoặc cải thiện chức năng sản xuất của đất, cũng như các điều chỉnh các chức năng và chức năng môi trường sống của đất Các thí nghiệm đối chứng đã được thực hiện để xem xét các tác động của các tỉ lệ ứng dụng khác nhau của trong đất Chất hữu cơ của một số loại đất ở châu Âu đã có hàm lượng khoảng 14% (có thể lên đến 45%) TSH Tải lượng lên đến 140 tấn C ha-1

đất nhiệt đới) vẫn có ảnh hưởng tích cực đến năng suất

Khả năng gây cháy

Một yếu tố cần quan tâm về khả năng chịu tải TSH của đất là nguy cơ gây cháy âm ỉ Chất hữu cơ của đất ở trạng thái khô có khả năng cháy âm ỉ dưới mặt đất liên tục trong khoảng thời gian dài Điều này là khả năng cao khi trong đất có tỉ lệ TSH lớn và ở trong điều kiện đủ khô có thể tạo điều kiện cho việc cháy

âm ỉ trong đất Việc bắt lửa cháy như vậy có thể xảy ra ở cả tự nhiên và nhân tạo, ví dụ như chị cháy bởi sét tấn công, hoặc do hoạt động đốt phụ phẩm của con người

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Đất xám bạc màu (Haplic Acrisols được lấy tại xã Bắc Phú, huyện óc ơn, thành phố Hà Nội

- TSH từ phụ phẩm nông nghiệp (vật liệu rơm rạ và trấu) sau thu hoạch tại ruộng nghiên cứu

- Rau muống (Ipomoea aquatica) được gieo từ hạt

- L a hang Dân 18 được sử dụng phổ biến tại huyện óc ơn, thành phố Hà Nội

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp như: Phương pháp điều tra thu thập tài liệu; Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu;

Phương pháp ố trí thí nghiệm:

Thí nghiệm 1: đánh giá sự thay đổi tính chất hóa lý của đất sau khi phối trộn TSH Mục đích của

nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng cải tạo một số tính chất đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH, phối trộn vào đất xám bạc màu với các tỉ lệ 0%, 1%; 5%; 10% TSH theo trọng lượng sau thời gian ủ 4 tuần

Thí nghiệm 2: đánh giá ảnh hưởng của pH đến sự biến thiên điện tích bề mặt của đất xám bạc màu

sau khi bổ sung TSH

Thí nghiệm 3: đánh giá khả năng xử lý KLN của TSH Mục đích của thí nghiệm này nhằm đánh giá

khả năng xử lý KLN của TSH trong dung dịch dưới sự biến thiên của pH

7

Thí nghiệm 4: đánh giá khả năng cố định KLN của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH Mục tiêu

của nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng cố định KLN của đất xám bạc màu có bổ sung TSH theo các tỉ

lệ 0%, 1%, 5%, 10% TSH trong dung dịch chứa LN dưới tác động của các yếu tố: thời gian hấp phụ, pH và nồng độ KLN

Thí nghiệm 5: thí nghiệm đánh giá khả năng cố định KLN của đất xám bạc màu có bổ sung TSH

dưới tác động của dung dịch chiết CaCl2 0,01 M Mục đích nhằm đánh giá khả năng cố định KLN của đất xám bạc màu đã phối trộn dưới tác động của môi trường dung dịch CaCl2 0,01 M theo thời gian

Thí nghiệm 6: đánh giá khả năng h t thu LN của cây rau muống trong môi trường đất xám bạc

màu có bổ sung TSH Mục đích của thí nghiệm này nhằm đánh giá khả cố định LN được gây nhiễm nhân tạo trong môi trường đất xám bạc màu có bổ sung TSH,

Thí nghiệm 7: thí nghiệm đánh giá khả năng cải tạo đất và nâng cao năng suất cho cây lúa của TSH

Mục đích của thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng cải tạo một số tính chất lý hóa đất xám bạc màu và nâng cao năng suất cây lúa của TSH

Các chỉ tiêu theo dõi trong vật liệu như: p , CEC, các cation kiềm, KLN, N, P, K tổng số, khả năng giữ nước, điện tích bề mặt Các chỉ tiêu được phân tích bằng các phương pháp thông dụng trong phòng thí

nghiệm

Số liệu được xử lý tính toán thống kê mô tả và so sánh sự khác biệt các giá trị trung bình trên Excel

Sử dụng các phương trình động học Lagergren và Elovich để mô tả động học hấp phụ của vật liệu và khả năng chiết KLN của dung dịch CaCl2 0,01 M trong thí nghiệm

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính chất lý hóa của đất bạc màu và TSH

Tiến hành phân tích một số chỉ tiêu hóa lý của đất xám bạc màu và TSH cho thấy,

Đất bạc màu có pHH2O = 5,2, pHKCl = 4,2 (tỷ lệ chiết 1:2,5 , hàm lượng CaCO3 thấp, Ca-CaCO3 = 0,004% Khả năng trao đổi cation thấp, CEC = 9,24 cmolc/kg, các cation hòa tan Ca2+, Mg2+, K+ và Na+ có giá trị tương ứng là 2,0, 0,2, 0,2 và 0,1 cmol/kg KLN tổng số Cu, Pb và Zn có giá trị tương ứng là 25,73, 13,11 và 74,59 mg/kg và đều ở dưới tiêu chuẩn cho phép LN trong đất (QCVN 03:2008/BTNMT) Khả năng giữ nước (WHC) thấp, W C = 36,6% Điện tích bề mặt là -4,2 mmolc/kg

Ngược lại với những đặc tính trên, TSH trong nghiên cứu có pH kiềm tính, pHH2O = 10,6, pHKCl = 10,0 (tỷ lệ chiết 1:10), phù hợp với hàm lượng CaCO3 khá cao có trong TSH, Ca-CaCO3 = 1% CEC của khá cao, đạt 80,43 cmolc/kg, các cation hòa tan Ca2+, Mg2+, K+ và Na+ có giá trị tương ứng là 16,8, 6,9, 229,8 và 8,5 cmol/kg KLN tổng số Cu, Pb và Zn có giá trị tương ứng là 0,73, 2,10 và 13,93 mg/kg Khả năng giữ nước cao, W C = 82,2% Điện tích bề mặt là -20,0 mmolc/kg

3.2 Tính chất lý hóa của vật liệu phối trộn sau 4 tuần ủ

Thí nghiệm ủ các vật liệu đã phối trộn TSH với đất xám bạc màu theo các tỉ lệ 0%, 1%; 5%; 10% TSH trong buồng và duy trì ở 75% khả năng giữ nước sau 4 tuần cho kết quả ở TSH có thể gián tiếp ảnh hưởng đến khả năng dễ tiêu của các chất dinh dưỡng bằng cách thay đổi độ pH của đất

So với đối chứng (0% TSH), Bổ sung TSH theo các tỉ lệ 1%; 5%; 10% TSH tương ứng làm tăng

pHH20 lên 1,3, 3,1 và 4,0 đơn vị và pHKCl tăng lên 1,2, 3,2 và 4,1 đơn vị

CEC của TSH cao góp phần làm cho CEC của đất tăng lên với mức tăng của hàm lượng TSH So với đối chứng (0% TSH), bổ sung với các mức 1%; 5%; 10% TSH vào làm CEC của đất tăng lên tương ứng 0,6, 3,4 và 8,3 cmolc/kg

cũng làm tăng các cation Ca, Mg, và Na trong đất, Ca tăng từ 2,2 đến 4,2 cmol/kg, Mg tăng

từ 0,3 đến 1,0 cmol/kg, tăng từ 2,5 đến 24,5 cmol/kg và Na tăng từ 0,2 đến 0,9 cmol/kg tương ứng với 1%; 5% và 10% ón vào đất Các cation này góp phần làm tăng p của đất đồng thời cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng khi bổ sung vào đất

cũng làm độ kiềm tổng số (Ca-CaCO3) của đất tăng lên so với mức tăng của ón vào đất, Ca-CaCO3 tăng 0,013, 0,05 và 0,09% tương ứng với 1%, 5% và 10% ón vào đất

Hình 3.1 ÷ 3.5 Sự thay đổi một số chỉ tiêu lý hóa trong đất sau khi bổ sung than sinh học

Hình 3.6 Sự phụ thuộc điện tích bề mặt vào pH của đất sau khi bổ sung TSH

Đất xám bạc màu và TSH sau khi phối trộn ở các tỉ lệ khác nhau đều mang điện tích âm và biến đổi theo p môi trường, p càng cao thì điện tích âm của vật liệu càng lớn pH của môi trường thay đổi từ 2,1 đến 11,2 thì điện tích mặt của vật liệu có tỉ lệ phối trộn 0%, 1%; 5%; 10% TSH biến đổi tương ứng từ -1,4 ÷ -12,4; -1,3 ÷ -11,7; -1,8 ÷ -12,4; -2,1 ÷ -16,1 mmolc/kg Như vậy, điện tích âm bề mặt của đất tăng theo tỉ lệ tăng của hàm lượng TSH

Các bằng chứng trên cho thấy, việc bổ sung vào đất có tác dụng cải tạo đất một cách rõ rệt Mẫu đất sau khi được phối trộn với TSH ở các tỷ lệ khác nhau với khoảng thời gian 4 tuần ủ đã cho thấy có

9

sự tăng lên về các chỉ tiêu p , CEC, cation trao đổi, độ giữ nước của đất và điện tích bề mặt so với mẫu đối

chứng Qua đó có thể khẳng định vai trò cải tạo môi trường đất xám bạc màu bởi TSH

3.3 Khả năng xử lý Cu, Pb và Zn của TSH trong môi trường nước

3.3.1 Khả năng đệm pH của TSH

Khi thêm H+ hoặc OH- vào dung dịch, tại hệ không có bổ sung , p dao động trong khoảng từ 2,1 đến 11,9 Đối với các hệ có bổ sung TSH, pH của dung dịch hầu như không đổi đáng kể so với sự thay đổi pH của dung dịch đối chứng mặc dù lượng H+

hoặc OH- thêm vào tương đương nhau p của mẫu thử nghiệm dao động trong khoảng từ 8,6 đến 10,7 (Hình 3.7), chứng tỏ TSH có khả năng đệm tốt

Khả năng đệm của TSH là số mol của H+ hoặc OH- thêm vào 1 lít dung dịch có bổ sung để pH của nó tăng lên hoặc giảm xuống 1 đơn vị Theo tính toán cho thấy, trung bình khả năng đệm axit của hệ có

bổ sung TSH (TSH-Cu, TSH-Pb, TSH-Zn) là 9,6 mmol H+/L và khả năng đệm azơ của hệ có bổ sung TSH

Theo bảng 3.4, pH dung dịch chứa kim loại Cu ở trạng thái cân bằng dao động từ 8,6 đến 10,7 Nồng

độ Cu còn lại trong dung dịch dao động 0,17 – 3,01 mg/L tương ứng với hiệu suất xử lý của Cu của TSH dao

động 95,9 – 99,8% Trong thí nghiệm, hiệu suất kết tủa đạt cao nhất ở pH = 8,6

pH 4,96 8,9 9,1 9,4 9,5 9,8 9,8 9,8 9,9 10,0 10,1 10,2

Pb (mg/L) 183,8 1,06 2,57 2,77 2,18 3,94 3,36 3,37 2,78 2,67 2,66 2,74

Hiệu suất

(%) 0 99,4 98,6 98,5 98,8 97,9 98,2 98,2 98,5 98,6 98,6 98,5

Theo bảng 3.5, pH dung dịch chứa kim loại Pb ở trạng thái cân bằng dao động từ 8,9 đến 10,2 Nồng

độ Pb còn lại trong dung dịch dao động 1,06 – 3,94 mg/L tương ứng với hiệu suất xử lý của Pb của TSH dao động 97,9 – 99,4% Trong thí nghiệm, hiệu suất kết tủa đạt cao nhất ở pH = 8,9

3.3.4 Khả năng xử lý Zn của TSH

Theo bảng 3.6, pH dung dịch chứa kim loại Zn ở trạng thái cân bằng dao động từ 8,9 đến 9,9 Nồng

độ Zn còn lại trong dung dịch dao động 0,63 – 1,62 mg/L tương ứng với hiệu suất xử lý của Zn của TSH dao

động 98,1 – 99,3% Kết quả thí nghiệm cho thấy, hiệu suất kết tủa trong thí nghiệm đạt cao nhất ở pH = 9,4

Bảng 3.6 Sự thay đổi pH của dung dịch Zn 2+ sau khi bổ sung TSH

Thí

nghiệm

Ban đầu Bổ sung TSH, tỷ lệ vật liệu và dung dịch chứa kim loại là 1:45 pH-Zn 4,3 9,0 8,9 9,2 9,4 9,5 9,6 9,5 9,7 9,7 9,9 9,9

Zn

(mg/L) 83,5 0,66 0,98 1,39 0,63 1,62 0,68 1,32 1,05 1,04 1,47 1,31 Hiệu suất

(%) 0 99,2 98,8 98,3 99,3 98,1 99,2 98,4 98,7 98,8 98,2 98,4

3.4 Khả năng cố định Cu, Pb và Zn của đất sau khi bổ sung TSH

Ngoài việc đánh giá khả năng xử lý LN trong môi trường nước của TSH, nghiên cứu cũng ố trí thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ KLN của đất trong môi trường nước sau khi bổ sung dưới tác động của các yếu tố môi trường (thời gian hấp phụ, pH và nồng độ KLN) Nghiên cứu sử dụng phương trình Lagergren (bậc 1) mô tả quá trình động học hấp phụ và đánh giá sự hấp phụ của kim loại trên mẫu nghiên cứu về mức độ phù hợp với mô hình Freundlich

3.4.1 Khả năng hấp phụ Cu của đất phối trộn với TSH

3.4.1.1 Động học hấp phụ của Cu

Hình 3.8 Động học quá trình hấp phụ Cu bởi vật liệu theo thời gian

Lượng Cu bị hấp phụ bởi vật liệu tăng lên theo thời gian Tốc độ hấp phụ của cả bốn vật liệu đều tăng nhanh trong khoảng 40 ph t đầu tiên

Đối với vật liệu 0% đối chứng), tốc độ tăng từ 0,01 – 0,13 mg/g/ph t, sau đó giảm xuống 0,007 mg/g/phút ở khoảng thời gian 60-120 ph t và đạt cân bằng từ 120 phút Sau 60 phút, tốc độ hấp phụ Cu bởi vật liệu hầu như không tăng <0,006 mg/g/ph t ại thời điểm cân bằng, hiệu suất hấp phụ % lượng Cu bị

Bảng 3.7 Các tham số mô tả động học hấp phụ Cu của vật liệu

(mg/g)

qe

(mg/g) k Phương trình R20%TSH 0,35 0,34 -0,042

q>120 giá trị trung bình Cu đo được sau 120 ph t đo từ thực nghiệm

qe lượng Cu hấp phụ tại thời điểm cân ằng tính từ phương trình hồi quy giữa ln qe - qt) và t

Phương trình Lagergren mô tả động học hấp phụ Cu bởi vật liệu 0%, 1%; 5%; 10% TSH có hằng số hấp phụ Lagergren (k) của Cu tương ứng với các giá trị 0,042, 0,039, 0,042, 0,041

Sự khác biệt không có ý nghĩa giữa các giá trị thực nghiệm (q>120) và tính toán hồi quy (qe) cùng với

hệ số tương quan R cao 0,85 – 0,97) thể hiện phương trình Lagergren mô tả tốt động học hấp phụ Cu bởi vật liệu trong nghiên cứu

3.4.1.2 Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu

Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng Cu bị hấp phụ bởi TSH

Sự tăng lên của pH trong dung dịch cân bằng có tác động thuận đến sự hấp phụ Cu của vật liệu Đối với vật liệu 0%TSH, Cu bị hấp phụ đạt cao nhất với nồng độ 3,17 mg/g ở p = 5,94 tương ứng với hiệu suất 97,96% Với vật liệu 1%TSH, Cu bị hấp phụ đạt cao nhất với nồng độ 3,05 mg/g ở p = 6,78 tương ứng với hiệu suất 98,01% Với vật liệu 5%TSH, Cu bị hấp phụ đạt cao nhất với nồng độ 3,25 mg/g ở pH = 6,58

tương ứng với hiệu suất 98,31% Với vật liệu 10%TSH, Cu bị hấp phụ đạt cao nhất với nồng độ 3,48 mg/g ở

p = 7,27 tương ứng với hiệu suất 98,96%

Từ kết quả trên cho thấy, ở vật liệu có mức phối trộn cao hơn làm tăng p trong dung dịch cao hơn và hiệu suất hấp phụ Cu cũng cao hơn so với vật liệu có mức phối trộn TSH thấp

) là 0,81 Ở các mức bổ sung 1% , 5% và 10% , lượng Cu bị hấp phụ tăng lên tương ứng từ 0,6 đến 1,37 mg/g,

từ 0,64 đến 2,94 mg/g và từ 0,66 đến 3,12 mg/g, hệ số tương quan khá chặt tương ứng với R2 là 0,94, 0,994

và 0,995 Từ các đường hấp phụ cho thấy, vật liệu có bổ sung TSH hấp phụ chưa đạt đến trạng thái bão hòa

và còn có khả năng hấp phụ thêm Cu

3.4.2 Khả năng hấp phụ Pb của đất phối trộn với TSH

3.4.2.1 Động học hấp phụ của Pb

Hình 3.11 Động học quá trình hấp phụ Pb bởi vật liệu theo thời gian

Lượng Pb bị hấp phụ bởi vật liệu tăng lên theo thời gian Tốc độ hấp phụ của cả bốn vật liệu đều tăng nhanh trong khoảng 40 ph t đầu tiên

Đối với vật liệu 0% đối chứng), tốc độ tăng từ 0,02 – 0,15 mg/g/ph t, sau đó giảm xuống 0,01 mg/g/phút ở khoảng thời gian 60-120 ph t và đạt cân bằng từ 120 phút Sau 60 phút, tốc độ hấp phụ Pb bởi vật liệu hầu như không tăng <0,014 mg/g/ph t ại thời điểm cân bằng, hiệu suất hấp phụ % lượng Pb bị hấp phụ/tổng lượng P đạt 92,5% Đối với vật liệu 1%TSH, tốc độ tăng từ 0,02 – 0,25 mg/g/ph t, sau đó