Đánh giá khả năng cố định kim loại nặng trong đất bạc màu của than sinh học dưới tác động của mưa axit

Một trong những hậu quả của các tác động của con người tới môi trường đất là sự tích lũy dần kim loại nặng trong đất, là một trong những hiểm họa cho môi trường đất mà kéo theo đó là sự

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Đất là nguồn tài nguyên quý giá mà con người sử dụng nó để sản xuất ra lương thực, thực phẩm cung cấp cho bản thân và cộng đồng Một trong những hậu quả của các tác động của con người tới môi trường đất là sự tích lũy dần kim loại nặng trong đất, là một trong những hiểm họa cho môi trường đất mà kéo theo đó là sự ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm nông nghiệp và gián tiếp tới sức khỏe con người và các loài động vật Mặt khác, chúng có khả năng gây suy giảm chất lượng nguồn nước

ngầm khi hòa tan vào các tầng nước dưới đất

Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp truyền thống từ lâu đời Trong khi

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 rửa trôi, xói mòn… Do đó, đất bạc màu cần thiết phải được cải tạo

để phục vụ cho canh tác cây trồng đạt hiệu quả cao

nông nghiệp hay rác thải Nó được ví như “vàng đen” của ngành nông nghiệp Do đặc tính ưu việt của than sinh học trong việc cải thiện chất lượng đất và tăng năng suất cây trồng Ngoài ra than sinh học 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, Với sự cố định kim loại nặng trong đất, kim loại nặng sẽ bị giữ lại trong đất hoặc sẽ giải phóng với tốc độ chậm hơn vì vậy ít gây ảnh hưởng tới môi trường

Đứng trước thực trạng ô nhiễm không khí đáng báo động như hiện nay thì một trong những hậu quả nghiêm trọng kéo theo đó là những trận mưa có tính chất axit Điều đáng lo ngại, kim loại nặng tồn tại trong đất sẽ trở nên linh động hơn trong môi trường có pH thấp Tạo điều kiện dễ dàng cho các kim loại nặng xâm nhập vào chuỗi thức ăn của sinh vật và con người

Với nguồn nguyên liệu dồi dào, sẵn có từ phụ phẩm cây lúa và quy trình sản xuất đơn giản Việc sử dụng than sinh học để cố định kim loại nặng trong đất được biết đến như một giải pháp xử lý ô nhiễm thân thiện với môi trường mà tiết kiệm chi phí

Do đó, tôi lựa chọn đề tài: “Đánh giá khả năng cố định kim loại nặng trong đất bạc màu của than sinh học dưới tác động của mưa axit” nhằm làm sáng tỏ khả năng cố

định kim loại nặng của than sinh học trên đất bạc màu

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xác đinh hiệu quả cố định kim loại nặng trong đất bạc màu của than sinh học dưới tác động của mưa axit

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá khả năng giảm sự phân tán kim loại nặng

của than sinh học trong môi trường đất xám bạc màu Tạo cơ sở ứng dụng than sinh

học trong nông nghiệp để cải tạo đất và xử lý ô nhiễm môi trường đất

Than sinh học làm chậm quá trình phân giải chất hữu cơ ra các sản phẩm cuối cùng là CO2 và CH4 (bay lên không khí), giúp cố định các bon trong đất Khám phá này đang được các nhà khoa học ứng dụng mạnh mẽ vào mục đích tăng quá trình cố định các bon trong chương trình giảm thiểu biến đổi khí hậu

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Than sinh học được sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp giúp người nông dân tận dụng được nguồn phụ phẩm và thu được nguồn hữu cơ vô cùng lớn đồng thời còn tránh gây ô nhiễm môi trường Do vậy, việc sử dụng than sinh học làm phân bón và cải tạo đất, đáp ứng được yêu cầu về mặt kinh tế và môi trường Góp phần khuyến cáo nông dân sử dụng than sinh học hợp lý cho một số loại đất để vừa bảo đảm năng suất, vừa bảo vệ môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 ĐẤT BẠC MÀU

Đất bạc màu là tên gọi của một loại đất có thành phần cơ giới nhẹ, màu xám nhạt, nhiều cát, nghèo kiệt chất dinh dưỡng, giữ nước kém… Theo phân loại của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO), đất bạc màu thuộc nhóm Acrisols Theo cách phân loại của Bộ Nông Nghiệp Hoa Kì ( USDA) nó nằm trong nhóm Ulcrisols

Trên thế giới tổng diện tích 2 nhóm đất Acrisols và Ulcrisols vào khoảng hơn

800 triệu ha Phần lớn diện tích này nằm ở vùng nhiệt đới như Đông Nam Á, Tây Phi, Trung Nam Mỹ ( UNDP, 1992)

Theo phân loại đất Việt Nam theo phương pháp của FAO- UNESCO năm 1996, nhóm đất xám trên cả nước có: 19.970.642 ha, phân bố rộng khắp trung du miền núi

và rìa đồng bằng Chia ra làm 5 loại: xám bạc màu (Haplic Acrisol), xám có tầng loang

lỗ (Plinthic Acrisol), xám glay (Gleyic Acrisol), xám ferrlic (Ferralic Acrisol), xám mùn trên núi (Humic Acrisol), trong đó xám bạc màu và xám ferralit chiếm diện tích nhiều nhất

1.1.1 Sự hình thành và phân bố

a Phân bố

Đất bạc màu phân bố tập trung vùng trung du các tỉnh, nên còn gọi là những cánh đồng trước núi, nằm trên độ cao trung bình 6-10m so với mặt biển Địa hình đại diện chung cho loại đất này là dốc thoai thoải hướng xuống đồng bằng phù sa mới Tùy thuộc nguồn gốc mẫu thổ, địa hình, chế độ canh tác v.v… mà hình thái phẫu diện

có khác nhau, song trong phẫu diện phổ biến thường có ba tầng rõ rệt: tầng bạc màu, tầng đế cày, tầng đất nền

b Nguồn gốc phát sinh

Tự nhiên

Đá mẹ: Phù sa cổ, các loại đá mẹ chua: granit, liparit, phiến thạch, sa thạch khi

phong hóa có thành phần cơ giới nhẹ Do điệu kiện địa hình, khí hậu và canh tác lạc hậu nên đất bị rửa trôi, thoái hóa tạo nên đất bạc màu nghèo dinh dưỡng

Địa hình: Nằm tiếp giáp giữa vùng trung du đồi núi thấp và đồng bằng phù sa

Địa thế thường lồi lõm, lượn sóng, dốc thoải nên dễ bị bào mòn, rửa trôi các chất màu

mỡ

Khí hậu: Nhiệt đới gió mùa, mùa hè mưa nhiều, tập trung, nhiệt độ bình quân

cao (khoảng 30-350C từ tháng 5-10), mùa đông khô hanh và đông xuân thường khô hạn Độ ẩm lớp mặt đất dưới 60% khi mưa lại sình, dính nhão nhoét

Nhân tạo:

Bóc lột đất: Đất hình thành do lạm dụng quá nhiều phân bón, đồng thời sử

dụng không đúng kỹ thuật canh tác cũng như việc sử dụng quá nhiều hóa chất bảo vệ thực vật và canh tác lâu năm mà không cải tạo, cày xới đất

- Do quá trình khoáng hóa xảy ra mạnh nên hàm lượng chất hữu cơ trong đất thấp (thường <1)

- Do Al3+ cao, làm đất chua [3, 7]

Bảng 1.1.Thành phần hóa học của đất xám bạc màu

Qua các số liệu minh họa trên cho thấy, đất bạc màu là loại đất xấu cần phải cải tạo về tính chất vật lý cũng như tính chất hóa học của đất nhằm nâng cao độ phì của đất Cho đến nay có nhiều nghiên cứu ứng dụng các biện pháp nhằm cải tạo đất đã được tiến hành, trong đó có một số biện pháp như:

Biện pháp cày sâu: nhằm đưa dần hạt sét từ dưới lên tầng đất mặt nhằm hạ chế

sự rửa trôi

Bón vôi: cải tạo đất khô và cung cấp canxi cho cây trồng

Bón đất phù sa và đất đỏ: Đây là một trong những biện pháp cả tạo đất bạc màu

có hiệu nghiệm hơn nữa nhằm tăng tỷ lệ hạt mịn trong đất Theo thí nghiệm của Viện Khoa học Nông nghiệp, đất bạc màu trộn với 10% đất phù sa sông Hồng cho năng suất tăng 134%, trộn với 10% đất đỏ feralit tăng 138%

Biện pháp thủy lợi: Tầng canh tác trong mùa khô luôn bị thiếu ẩm Ở tầng đất

nền, độ ẩm tương đối khá nhưng hoa màu ít tận dụng được vì sức hút bề mặt các phân

tử nước rất cao (nước hấp ẩm lên tới 12-16%) [1,7]

Tính chất nước: Một trong những nguyên nhân làm cho những tính chất này

xấu là do tưới tiêu không hợp lý, không có nước tưới vào mùa khô hạn, không thoát được nước tưới khi gặp mưa to, kéo dài

Xây dựng chế độ canh tác hợp lý: đưa cây họ đậu vào thành phần cơ cấu cây

trồng nhằm bồi dưỡng đất Tăng cường xới, xáo làm cho đất tơi xốp

Bón than sinh học

1.2 Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ

LÝ

1.2.1 Khái niệm về kim loại nặng và đất bị nhiễm kim loại nặng

Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 Trong hóa học, kim loại là nguyên tố có thể tạo ra các ion dương (cation) và có các liên kết kim loại, và đôi khi người ta cho rằng nó tương tự như là cation trong đám mây các điện tử Kim loại nặng được được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu,

Ni, Cd, As, Co, Sn…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru…), các kim loại phóng

xạ (U, Th, Ra, Am,…)

Đất bị ô nhiễm kim loại nặng là khả năng tích lũy kim loại nặng trong đất vượt quá tiêu chuẩn cho phép gây đọc đối với con người, sinh vật và đất

Trên thực tế, các kim loại nặng nếu ở hàm lượng tích hợp rất cần cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật và con người Nhưng nếu chúng tích lũy nhiều trong đất thì lại rất độc hại [2, 4, 6]

1.2.2 Hiện trạng và nguyên nhân ô nhiễm kim loại nặng trong đất

Hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất ở Việt Nam

Ở Việt Nam những nghiên cứu bước đầu về KLN trong đất đã chỉ ra hàm lượng của các nguyên tố KLN (Cu, Pb, Zn, Cd,…) trong đất phụ thuộc nhiều vào nguồn gốc

đá mẹ và mẫu chất hình thành nên các loại đất đó Các tác giả Trần Công Tấu và Trần Công Khánh (1998) đã công bố hàm lượng KLN dạng tổng số và dễ tiêu ở tầng đất mặt 0 – 20 cm của một số loại đất: đất feralit, đất phù sa, đất xám, đất phèn… đã đưa

ra 7 độc tố (Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) tập trung chủ yếu ở hai loại đất chính ở Việt Nam, trong đó đất feralit có hàm lượng các nguyên tố (trừ Pb) cao nhất (Trần Công Tấu, 1998) [9]

Nguyên nhân

 Nguồn gốc tự nhiên

Trong các khoáng vật hình thành nên đất thường chứa một hàm lượng nhất định KLN như đá macma (chứa Mn, Co, Ni, Cu, Zn,), đá nham thạch (chứa Cu),…

 Nguốn gốc nhân tạo

- Ô nhiễm do chất thải sinh hoạt

Ở các thành phố lớn, chất thải rắn sinh hoạt được thu gom, tập trung, phân loại

và xử lý chủ yếu bằng chôn lấp, bùn từ hệ thống thu gom nước và nước rỉ từ các hầm ủ

và bãi chôn lấp có tải lượng ô nhiễm chất hữu cơ rất cũng như các KLN: Cu , Zn, Pb,

Al, Fe, Cd, Hg và cả các chất như P, N,… cũng cao Nước rỉ này sẽ ngấm xuống đất gây ô nhiễm đất và nước ngầm

- Ô nhiễm do chất thải công nghiệp

Các hoạt động công nghiệp rất phong phú và đa dạng, chúng có thể là nguồn gây ô nhiễm đất một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Nguồn gây ô nhiễm trực tiếp khi chúng được thải trực tiếp vào môi trường đất, nguồn gây ô nhiễm gián tiếp là chúng được thải vào môi trường nước, môi trường không khí nhưng do quá trình vận chuyển, lắng đọng chúng di chuyển đến đất và gây ô nhiễm đất

- Ô nhiễm đất do phân bón hóa học

Bảng 1.2: Sử dụng phân bón vô cơ ở nước ta qua các năm

So sánh với các nước có nền nông nghiệp hiện đại trên thế giới thì lượng phân của nước ta còn thấp, nhưng nó là một nguyên nhân gây ô nhiễm đất, nước là do:

+ Hiệu quả sử dụng phân bón ở nước ta còn thấp: Đạm đạt 30-45%, Lân 40-45%, Kali 40-50% Lượng phân thất thoát năm 2007 là 1455,1 nghìn tấn (814,5tấn N; 330,7tấn P; 309,9tấn K)

+ Bón phân không đều theo vùng

+ Bón phân không đúng kĩ thuật

+ Bón phân không cân đối

+ Chất lượng phân bón không đảm bảo

Bảng 1.3: Các tạp chất trong phân superphophat

(Nguồn: Sinh thái và môi trường đất -Lê Văn Khoa)

Phân bón được chế biến từ rác thải đô thị, phế phẩm sản xuất có chứa nhiều kim loại nặng và các vi sinh vật gây hại

Theo nghiên cứu của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa từ 2004-2007 thì Hg và Coliform là những yếu tố thường xuyên vượt quá tiêu chuẩn cho phép trong các lọai phân nói trên

Một số loại phân P nhập khẩu có chứa hàm lượng Cd quá cao như: Phân P nhập

từ vùng nam Mỹ và Châu Phi có hàm lượng Cd ở mức cao trên 200 ppm

- Sử dụng phân hữu cơ

Trong phân chuồng cũng có chứa rất nhiều các loại kim loại nặng và các vi sinh vật gây hại Ở Việt Nam, phân chuồng thường ít được ủ đúng kỹ thuật và bón đúng liều lượng nên dễ gây ô nhiễm môi trường đất, gây hại cho động vật và người Bởi vì trong phân bón này có chứa nhiều giun sán, trứng giun, sâu bọ, vi trùng, và các mầm bệnh dễ lây lan Khi bón vào đất chúng có điều kiện phát triển làm ô nhiễm môi trường sinh thái qua lan truyền trong nước mặt hoặc bốc hơi trong không khí Mặt khác, lạm dụng quá nhiều phân hữu cơ trong điều kiện yếm khí làm giảm pH của đất

- Ô nhiễm do lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật

Cùng với phân bón thì hóa chất bảo vệ thực vật cũng được sử dụng ngày càng nhiều, hiện nay Việt Nam sử dụng trên 300 loại thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng (có cả các loại thuốc bị cấm như Wolfatox, Monitor, DDT)

Từ năm 2000 đến nay, trung bình mỗi năm tiêu thụ trên 30.000 tấn thuốc bảo vệ thực vật thành phẩm Các thuốc bảo vệ thực vật thường là những hóa chất độc, khả năng tồn dư lâu trong đất, tác động tới môi trường đất, sau đó đến sản phẩm nông nghiệp, đến động vật và người, theo kiểu tích tụ, ăn sâu và bào mòn

Bảng 1.4: Thời gian tồn lưu trong đất của một số nông dược

Loại nông dược Thời gian bán phân hủy

1.2.3 Tác động của kim loại nặng tới môi trường đất

- Các KLN có tác động hình thành hay làm xuất hiện nhiều loại khoáng (VD: As có ái lực mạnh có khả năng hình thành hay làm xuất hiện khoảng hơn 200 loại khoáng vật.)

- Các KLN tồn tại dưới nhiều trạng thái và trong nhiều dạng hợp chất khác nhau, dễ gây tác động xấu tới cấu trúc đất ở những điều kiện nhất định

- Ảnh hưởng tới pH của môi trường đất

- Có tác động qua lại tới một số nguyên tố khác và với hệ sinh vật trong môi trường đất

- Các KLN (Cd, As, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn) có mặt ở nồng độ cao trong đất có thể làm giảm khả năng nảy mầm, sinh trưởng và năng suất cây trồng, giảm các hoạt động có lợi của vi sinh vật đất (VD: vi khuẩn), giảm sự sống và tái sinh của động vật

đất (VD: giun) và làm giảm chất lượng nông sản, thực phẩm phục vụ vật nuôi và con người

- Trong đó có cadimi và asen có điểm bất thường là nồng độ trong cây gây độc cho con người thấp hơn nhiều nồng độ mà cây bị độc Trong khí đó đối với các kim loại khác, nồng độ độc ở cây trồng thấp hơn nồng độ đối với con người Điều này đã tạo nên khả năng là Cd và As nguy hiểm hơn đối với sức khỏe con người so với các loại kim loại khác

- Khi nồng độ các KLN trong rau vượt quá giới hạn cho phép như: Cu là 10mg/kg, Zn

là 20mg/kg, Cd là 1mg/kg, Pb là 100mg/kg thì sẽ gây nguy hiểm đến sức khỏe con người (tiêu chuẩn của Bộ NN & PTNT Quy định tạm thời về sản xuất rau an toàn 28/04/1988) [9,10,12]

1.2.4 Các biện pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất

a Xử lý kim loại nặng bằng thực vật

Hầu hết, các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp Tuy nhiên, vẫn có một số loài thực vật không chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của chúng

Tuy nhiên, hầu hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ KLN cao là những loài phát triển chậm và có sinh khối thấp, trong khi các thực vật cho sinh khối nhanh thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại cao

c Phương pháp xử lý đất bằng tách chiết, phân cấp cỡ hạt

Phương pháp này dựa vào việc rửa các kim loại nặng ra khỏi đất Quá trình rửa tập trung vào việc di dời các kim loại nặng và các hợp chất chứa kim loại nặng Quá trình này có thể được tiến hành với một vài loại tác nhân rửa khác nhau như các axit

vô cơ (HCl, H2SO4 với pH=2), các axit hữu cơ (axit acetic, axit lactic…), các tác nhân tạo phức (EDTA - axit Etylen Diamin Tetraaxetic, DTPA - axit Dietylen Triamin Pentaacetic…) và sự kết hợp cả ba loại tác nhân trên

d Phương pháp xử lý đất bằng điện

Phương pháp xử lý đất bằng điện là phương pháp làm sạch dựa trên quá trình xảy

ra khi có dòng điện một chiều phát ra giữa catot và anot được đặt ở một vị trí thích hợp trong đất Sự di chuyển của các ion và các phần tử mang điện tích về các cực khác nhau được hình thành

e Phương pháp chiết tách hơi tại chỗ

Việc tách chất ô nhiễm trong đất bằng phương pháp làm bay hơi dựa trên khả năng bay hơi của các chất ô nhiễm Phương pháp này thích hợp cho việc xử lý tại chỗ đất ô nhiễm các hợp chất bay hơi như: Tricloroetylen, pecloroetylen, toluen, benzen…

và nhiều dung môi hữu cơ khác

f Phương pháp kết tủa hóa học

Phương pháp này phụ thuộc vào nồng độ các kim loại nặng trong dung dịch đất Việc tăng nồng độ các kim loại nặng trong pha nước xảy ra mạnh khi có mặt các axit mạnh (HCl, HNO3 và H2SO4), trong điều kiện môi trường kiềm hầu hết kim loại nặng

sẽ bị kết tủa làm giảm tính độc hại của chúng

g Phương pháp phân hủy sinh học các chất ô nhiễm

Sự phân hủy sinh học đất ô nhiễm chủ yếu dựa vào việc sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm, nhất là các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất không ô nhiễm Quá trình phân hủy sinh học tự nhiên các chất ô nhiễm xảy ra trong môi trường đất là rất đa dạng, tuy nhiên điều kiện để phân hủy sinh học nhìn chung là không thuận lợi để đạt được hiệu quả làm sạch Do vậy cần được bổ sung thêm những loại vi sinh vật để tăng cường quá trình phân hủy sinh học và cải thiện các điều kiện cho các vi

sinh vật phân hủy Sự phân hủy sinh học có thể xảy ra ở cả điều kiện hiếu khí và kỵ khí nhưng nhìn chung điều kiện hiếu khí thường được áp dụng nhiều hơn

1.3.2 Đặc tính của TSH

Mỗi loại TSH sản xuất từ các loại vật liệu khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau

- pH:

Đối với các vật liệu giàu xenlulzo và hemixenlulozo thì có thể phân hủy ở

200-300oC tạo ra các axit hữu cơ và phenolic làm giảm pH của sản phẩm Khi nhiệt độ lớn hơn 300o

C, muối kiềm bắt đầu tách ra khỏi hữu cơ và làm pH tăng lên, pH tăng liên tục ở nhiệt độ 600oC Độ pH của TSH làm từ rơm ngô pH của TSH sản xuất từ rơm ngô ở 600oC là khoảng 9,54 cho thấy rằng nó có tiềm năng để cải tạo đất chua, đây có thể là một yếu tố quan trọng trong sự di động của kim loại [21]

pH của TSH làm từ phân bò sữa là khoảng 9,81, của TSH làm từ vỏ trấu là khoảng 8,01 pH của TSH làm từ phân bò cao hơn là do phân bò đã có chứa một số lượng lớn khoáng chất chúng có thể bắt đầu tách ra khỏi hữu cơ ở nhiệt độ cao hơn

300oC, làm pH của sản phẩm tăng đến gần 10 [20]

- Thành phần dinh dưỡng của TSH:

Hàm lượng cacbon(C) trong TSH khá cao khoảng 79,6% và năng suất cacbon là khoảng 49,9%, 2,03%N, 0,22% P2O5, 0,56%K2O [16]

1.3.4 Lợi ích của TSH trong nông nghiệp

- TSH làm tăng năng suất cây trồng

Bón TSH 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% và chiều cao của cây có thể 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 bón lượng TSH cao Ngoài việc TSH cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết, các axít humic còn chứa các hóc môn có khả năng tăng trưởng cây trồng Tất nhiên để tìm ra lượng TSH tối ưu bón cho cây trồng thì cần phải xác định cho từng loại đất và cây trồng nhất định Một số nghiên cứu gần đây còn cho thấy tác dụng của TSH đối với sinh trưởng và năng suất cây trồng còn cao hơn nếu bón kết hợp với phân khoáng [18]

- TSH cải thiện dinh dưỡng dễ tiêu cây trồng

Bón TSH có thể làm tăng pH và giảm nhôm di động trong đất chua, tại các vùng đất nhiệt đới bị khoáng hóa mạnh thâm canh cao Bón TSH làm tăng pH đất đối

với rất nhiều loại thành phần cơ giới khác nhau, mức tăng có thể lên tới 1,2 đơn vị pH Kết quả là độ no bazơ tăng đến tận 10 lần so với trước khi bón TSH, còn CEC thì tăng đến 3 lần bởi vì khi bón TSH đồng thời cũng bổ sung thêm các nguyên tố kiềm K, Ca,

Mg vào dung dịch đất, tăng pH đất và tăng dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng trong đất Nhiều nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng kể cả lượng TSH nhỏ bón vào đất thì cũng tăng một cách đáng kể lượng cation kiềm trong đất, kể cả lượng đạm tổng số và lân dễ tiêu cũng tăng hơn so với đối chứng

- 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 Điều này rất quan trọng với các loại đất bị phong hóa hấp phụ ion kém Nếu trộn một lượng lớn TSH từ cây gỗ cứng vào đất thì CEC có thể tăng 50% so với không sử dụng TSH nhưng với một lượng TSH nhỏ thì vẫn tăng CEC trong đất trong khi đó bón tro than hoặc tro bay thì cũng không tăng khả năng giữ dinh dưỡng của đất Khả năng giữ dinh dưỡng cũng có thể đạt được do khả năng giữ dinh dưỡng trong các khe hở lớn và nhỏ Nhiều nghiên cứu khác cũng chỉ ra bón TSH vào đất thì tăng khả năng giữ ion trong đất và giảm sự rửa trôi của chất hữu cơ hòa tan và các chất dinh dưỡng hữu cơ [18]

- TSH cải thiện khả năng giữ nước và ổn định cấu trúc đất

TSH không những làm thay đổi đặc tính hóa học đất mà còn ảnh hưởng tính chất lý học đất như khả năng giữ nước của đất Những tác dụng này 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 Một nhược điểm rất lớn của việc sử dụng tàn dư hữu cơ là phải bón một lượng rất lớn

từ 50 đến 200 tấn.ha–1 thì mới cải thiện được một phần đặc tính của đất Đáp ứng được lượng bón lớn như vậy là tương đối khó Trong khi đó chỉ cần bón một lượng nhỏ (1.5 tấn ha–1) than giàu axít humic cũng làm tăng từ 20 đến 130% hạt kết ổn định Hơn nữa chất thải hữu cơ lại có thể chứa rất nhiều chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ

- TSH làm giảm mức độ thấm sâu của các chất trong đất

TSH có thể hạn chế sự thấm sâu của các chất gây ô nhiễm trong đất nông nghiệp Điều này có thể do bởi khả năng hút bám của TSH đối với các chất hòa tan như Al3+

, NO3-, PO43- và các ion hòa tan khác Với khả năng này, than sinh học nên được nghiên cứu để ứng dụng vào việc hạn chế rửa trôi dinh dưỡng bề mặt ở các lưu vực và hạn chế ô nhiễm nước ngầm gây ra bởi sự thấm sâu của các hóa chất sử dụng trong nông nghiệp

Theo một nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2011) về đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đến năng suất ngô và khí nhà kính trên đất sét tích vôi nghèo các bon hữu cơ tại Hà Nam, Trung Quốc, thí nghiệm bón than sinh học được làm từ rơm lúa

mỳ nhiệt phân bằng lò ở nhiệt độ từ 350 – 550oC với lượng bón từ 0, 20, 40 tấn/ha Thí nghiệm cho thấy than sinh học làm tăng năng suất ngô từ 7,3 đến 15,8% mà không cần bón thêm nitơ và 8,8 và 12,1% tương ứng với 20 tấn/ha và 40 tấn/ha than sinh học kết hợp với phân nitơ Trong nghiên cứu này cũng cho thấy năng suất cây trồng tăng tương ứng với lượng than sinh học bón vào đất [23]

- 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 Than sinh học đã được chứng minh là một chất hấp thụ hiệu quả các chất gây ô nhiễm khác nhau, chất hữu cơ và chất vô cơ vì chúng có diện tích bề mặt lớn và có cấu trúc đặc Nhiều nghiên cứu khác cũng cho thấy than sinh học làm từ các vật liệu khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại nặng, các chất ô nhiễm hữu cơ như PAHs, thuốc trừ sâu và các chất ô nhiễm khác [14]

- Xử lý ô nhiễm kim loại nặng

Về xử lý kim loại nặng, nhiều báo cáo đã cho rằng than sinh học có hiều quả cao trong việc loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch và trong đất Hiệu quả của than sinh học được sản xuất từ rơm rạ trên Cu(II), Pb(II) và Cd(II) linh động trong đất Ultisol giảm C(II) và Pb(II) tương ứng là 19,7 %- 100% và 18,6% – 77% [15,17]

Các cơ chế loại bỏ kim loại nặng khi có than sinh học thêm vào có thể do tương tác tĩnh điện, sự kết tủa và một số cơ chế khác Sự phối hợp của than sinh học, bề mặt THS mang điện tích âm do sự giảm tiềm năng điện động (zeta potential) và tăng CEC

Vì vậy, việc hút tĩnh điện giữa các kim loại nặng có điện tích dương và đất sẽ được tăng cường Liên quan đến sự kết tủa là sự tăng lên đáng kể của pH đất từ than sinh học thêm vào có thể dẫn đến giảm sự linh động của kim loại Các dạng oxit khác nhau, phốt phát hoặc cácbonát sẽ được hình thành trong các điều kiện khác nhau, ví

dụ, kết tủa mới chỉ được quan sát trên kim loại Pb với than sinh học từ bùn thải như 5PbO.P2O5.SiO2 (chì phốt phát silicat) tại pH5 Một số cơ chế phức tạp hơn cũng có thể có vai trò tham gia trong quá trình tương tác giữa than sinh học và kim loại nặng Bởi vì có nhiều nhóm chức (cacboxylic, alcohol và nhóm hydroxyl, …) trên bề mặt của than sinh học, chúng dễ dàng hình thành các phức chất giữa kim loại nặng và các nhóm trên Sự kết hợp với các nhóm chức hydroxyl và cacboxyl hữu cơ chiếm 38,2 – 42,3% tổng số Pb liên kết thay đổi với pH, trong đó đồng kết tủa hoặc liên kết trên bền mặt khoáng chiếm 57,7 – 61,8% [8]

- Xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ

Than sinh học có khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong đất, nước và trầm tích, và do đó làm giảm khả năng dễ tiêu của chúng và ngăn các chất độc hại chuyển từ môi trường vào thực vật và tiếp tục cho sinh vật trong đó có con người [21]

Vấn đề này cũng đã được thử nghiệm với nồng độ hòa tan tự do của PAH trong bùn thải có thể giảm đáng kể khi sự có mặt của than sinh học, với lượng từ 0-57% tùy thuộc vào lượng biochar thêm vào Than sinh học từ cây cũng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng lên khả năng di chuyển của PCP Cho thấy 5% TSH thêm vào làm giảm hàm lượng PCP là 42%, và cũng giảm nồng độ PCP (phencyclidine) từ 56% và 65% tương ứng trong dịch chiết methanol và nước cất Xác định tác dụng của than sinh học lên tính dễ tiêu của PAH (Polycyclic aromatic hydrocarbons), và cho thấy rằng than sinh học đã làm giảm tổng số (449-306mg/kg) và khả năng dễ tiêu (chiết bằng cyclodextrin) (276-182mg/kg) PAH, và nồng độ PAH trong giun đất Eisenia fetida (lên đến 45%) [9]

- Than sinh học tác động lên thuốc trừ sâu

Khi bổ sung 1%TSH thì 1,3- dichloropropene trong giảm đi đáng kể, TSH cũng làm giảm dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ trong đất Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mức độ ảnh hưởng của than sinh học lên hiệu quả của thuốc trừ cỏ phụ thuộc vào tính chất hóa học và cơ chế hoạt động của chúng Hơn nữa, TSH khi bón vào đất có thể làm giảm khả năng hấp phụ theo thời gian, điều này có thể quan trọng đối với kiểm soát lượng thuốc trừ có trong đất để bổ sung TSH cần thiết

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

Chất thải nông nghiệp như rơm rạ, phân chuồng giàu chất hữu cơ và các nguyên

tố dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng, do đó rất thuận lợi cho việc bổ sung vào đất với mục đích cải thiện tính chất chất của đất và trả lại chất dinh dưỡng và tăng hàm lượng hữu cơ trong đất Tuy nhiên chất thải nông nghiệp không xử lý mà trực tiếp đưa vào đất có thể xảy ra nhiều vấn đề Ví dụ như, bón phân chuồng có nguy cơ bị rửa trôi hoặc thấm lọc các thành phần có nguồn gốc từ phân chuồng như N và P, chúng có thể gây hại tới dòng suối và ao hồ; bùn thải thô có thể có nguy cơ gây vượt quá hàm lượng kim loại nặng có thể gây ô nhiễm cho môi trường So với bùn thải thô thì quá trình nhiệt phân có thể làm giảm kim loại nặng dễ tiêu đối với thực vật, giảm dạng linh động

và nguy cơ rửa trôi của kim loại nặng

Ủ phân compost là một trong những biện pháp ứng dụng rộng rãi đối với quá trình tái chế chất thải nông nghiệp, điều mà có thể tránh được những bất lợi do các độc

tố khi bón trực tiếp vào đất TSH như một nhân tố có tác động lớn có thể thúc đẩy quá trình quá trình ủ không chỉ tạo cấu trúc và bổ sung chất khô mà còn cung cấp C và năng lượng cho các vi sinh vật Nó cho thấy rằng, than sinh học là tác nhân tối ưu hóa cho quá trình ủ phân gia súc gia cầm bằng cách làm giảm mùi hôi và mất N cũng như tạo ra loại phân ủ có thành phần dinh dưỡng cân bằng Do vậy, than sinh học có vai trò

hỗ trợ trong việc xử lý hoặc thay thế sự dụng chất thải nông nghiệp

1.4 MƯA AXIT

Lắng đọng axit là hiện tượng được tạo thành trong điều kiện khí quyển bị ô nhiễm các khí SO2, NOx lắng đọng xuống bề mặt trái đất ở dạng khô như, bụi, khí gas, sol khí có tính axit, ở dạng ướt (trước đây quen gọi chung là Mưa axit ): mưa tuyết, sương mù, hơi nước có tính axit

Mưaaxit là một dạng lắng đọng axit để chỉ các trận mưa có độ axit thấp hơn 5,6 Hầu hết các trận mưa axit có giá trị pH nằm trong khoảng từ 4,3 – 5 Một số trận mưa thậm trí còn ghi nhận được ở mức pH 2,4 ở các khu công nghiệp của Trung Quốc

và Nga năm 2006 theo [17]

Thực trạng: Ở Việt Nam 10 năm trước, mưa axit chỉ được phát hiện ở Lào Cai thì đến cuối năm 2002, toàn bộ 9 trạm quan trắc mưa axit trên toàn quốc đều thấy mưa axit Tỷ lệ số mẫu mưa axit ở các tỉnh miền Đông Nam Bộ (Biên Hoà, thành phố Hồ Chí Minh, Bình Dương) là lớn nhất (chiếm 27 – 29% số mẫu nước mưa)

Nguyên nhân gây ra mưa axit: Nguyên nhân của mưa axit là do trong nước mưa

có hoà tan những khí SO2, SO3, NO, NO2, N2O Các khí này hoà tan trong nước mưa tạo ra các axit tương ứng của chúng, tạo lên độ pH thấp gây ra mưa axit, các khí này

có nguồn gốc từ tự nhiên trong các hoạt động của núi lửa, nhưng chủ yếu chúng được thải ra từ các hoạt động của con người trong đó chủ yếu từ hoạt động của ngành công nghiệp

Mưa axit ảnh hưởng xấu tới đất do nước mưa ngầm xuống đất làm tăng độ chua của đất, hoà tan các nguyên tố trong đất cần thiết cho cây như canxi (Ca), Magiê (Mg), làm suy thoái đất, cây cối kém phát triển, lá cây gặp mưa axit sẽ bị "cháy" lấm chấm, mầm sẽ chết khô, làm cho khả năng quang hợp của cây giảm, cho năng suất thấp [16]

Do pH thấp, mưa axit có thể hòa tan các kim loại nặng ở dạng oxit sắt, oxit mangan, dạng liên kết với các hợp chất hữu cơ trong đất… thành dạng linh động tạo điều kiện cho cây trồng dễ dàng hấp thu chúng Ngoài ra, làm tăng khả năng phân tán kim loại nặng trên diện rộng và mạch nước ngầm Điều này ảnh hưởng không nhỏ tới

sinh vật đất nói chung và thực vật nói riêng Vì vậy, ảnh hưởng trực tiêp tới sức khỏe con người

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1 Đối tượng

Than sinh học: tự điều chế

Đất bạc màu: lấy từ tầng canh tác (0-15cm) tại xã Bắc Phú, huyện Sóc Sơn,

thành phố Hà Nội, làm khô không khí và đem rây qua rây 2mm để loại bỏ các xác hữu

cơ trong đất như: rễ cây, lá cây, xác côn trùng…(Hình 2-phụ lục)

Dung dịch các kim loại nặng với nồng độ 128mg Cu2+/kg, 212 mgPb2+/kg, 130mgZn2+/kg pha từ các muối Cu(NO3)2.3H2O, Pb(NO3)2, Zn(NO3)2.6H2O tương ứng

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp tổng quan tài liệu

- Tìm hiểu về đất bạc màu

- Than sinh học và đặc tính

- Mưa axit và đặc tính

b Phương pháp thực nghiệm

Sản xuất than sinh học

Trộn than sinh học với đất bạc màu đã được rây qua kích thước 2mm theo các

tỷ lệ khác nhau: 0%, 1%, 5%, 10%, 100% TSH theo trọng lượng

Phân tích các chỉ tiêu hóa lý đối với từng mức tỷ lệ phối trộn

Gây nhiễm riêng biệt từng kim loại nặng vào các mức tỷ lệ phối trộn trên

Ủ trong buồng tối 30 ngày và duy trì ở độ ẩm 75% khả năng giữ ẩm của đất trong suôt thời gian ủ

Sau 30 ngày ủ, phân tích hàm lượng kim loại nặng trong các mẫu kể trên

c Phương pháp xử lý số liệu

Sử dụng các phần mềm word, excell thông dụng

2.2 THỰC NGHIỆM

2.2.1 Sản xuất than sinh học

Than sinh học (TSH): làm từ trấu và rơm rạ (phối trộn theo tỷ lệ 1:5 trọng

lượng)

a) Nguyên tắc: Than sinh học trong thí nghiệm được chế tạo từ rơm rạ và trấu, theo

phương pháp nhiệt phân gián tiếp trong điều kiện yếm khí, tại nhiệt độ trong khoảng từ 500-600oC

b) Chuẩn bị

- Nguyên liệu: trấu khô, rơm rạ khô (độ ẩm khoảng 12%)

- Dụng cụ: Một bao diêm, giấy bìa mồi lửa, bình xịt nước, xẻng nhỏ, gang tay

- Lò đốt nhiệt phân gián tiếp:

Lò đốt xây bằng gạch chịu nhiệt, thùng để làm lò đốt được làm bằng thùng phi có thể tích 200 lít Phía trên có gắn ống khói cao hơn 1m, phía dưới chân thùng có cửa để nhóm lửa Thùng lớn có thể chứa được 6 thùng tôn nhỏ có đường kính 20cm và chiều cao là 30cm Các thùng nhỏ sử dụng để nhồi vật liệu vào trong và được bịt kín bằng nắp thùng có khoan lỗ để thoát khí

Hình 2.1: Mô hình nhiệt phân gián tiếp

c) Quy trình chế tạo than sinh học

- Vật liệu (rơm) đƣợc cho vào 6 thùng tôn nhỏ, nén thật chặt, đậy nắp cẩn thận

- Lót một lớp rơm và trấu xuống đáy thùng phi, giữa các thùng tôn nhỏ đƣợc chèn bằng chính các vật liệu rơm và trấu, phủ trấu lên trên cùng

- Mồi lửa đốt các vật liệu chèn xung quanh và đóng cửa lò

- Sau khoảng 4 giờ quá trình cháy kết thúc, tiến hành mở nắp thùng phi Lấy từng thùng tôn nhỏ thu sản phẩm (Hình 1- phụ lục)

2.2.2 Xử lý và bảo quản mẫu

- Mẫu than sinh học: (Hình 3-phụ lục)

Các mẫu than sinh học đƣợc bảo quản trong phòng thí nghiệm, để nơi khô ráo và sạch Sau đó than sinh học đƣợc nghiền nhỏ bằng cối và chày sứ, qua rây nhôm 2mm, bảo quản trong túi nilon để phục vụ phân tích

- Mẫu đất bạc màu: (Hình 2-phụ lục)

Các mẫu đất đƣợc lấy mang về phòng thí nghiệm đƣợc phơi khô không khí nơi khô ráo và sạch Sau đó, mẫu đất đƣợc nghiền nhỏ bằng cối và chày sứ, qua rây 2mm, bảo

quản trong túi nhựa để phục vụ phân tích

2.2.4 Phân tích các chỉ tiêu hóa lý

a Khả năng giữ ẩm của vật liệu

 Thủ tục phân tích:

Vật liệu đã xử lý qua rây với kích thước 2mm, tiến hành phối trộn theo tỷ lệ 0%,1%, 5%, 10%, và 100%TSH, cho vào các ống kim loại (ống dung trọng) Một đầu bịt kín bằng vải, đầu kia cho vật liệu vào ở trạng thái tự nhiên, không nén chặt Tiến hành ngâm trong nước ngập ½ ống trong khay chứa nước, để qua đêm (16h) đến khi vật liệu

đã bão hòa nước Sau đó, nhấc ống ra và để ráo cho đến khi không còn nước rơi xuống Tiến hành lấy mẫu và phân tích độ ẩm

b Xác định pH H2O và pH KCl

 pH H2O là pH được đo trong dung dịch huyền phù của vật liệu và nước

 pH muối trung tính: là pH được đo trong dung huyên phù của vật liệu và dung dịch KCl 1M

 Nguyên tắc: Tỷ lệ đất/KCl hoặc H2O=1/2,5 g.ml-1 (đối với than sinh học tỉ lệ 1/10) đo bằng pH meter điện cực thuỷ tinh trong huyền phù

 Thủ tục phân tích:

- Cân 10g vật liệu đối với tỷ lệ 0%, 1%, 5%, 10%TSH đã trộn vào các bình tam giác 100ml khác nhau Thêm 25 ml dung dịch KCl 1M hoặc nước cất Riêng đối với mấu 100%TSH, cân 5g vật liệu và thêm 50ml KCl hoặc 50ml H2O

- Lắc trên máy 1h với tốc độ 150 vòng/phút

- Đem đo pH ngay bằng pH điện cực thủy tinh

- Để kết quả ổn định trong 30s và ghi lại kết quả đo

c Dung lượng trao đổi cation (CEC)

 CEC là dung lượng trao đổi cation của phức hệ keo đất

 Nguyên tắc:

- Rửa sạch hết những cation ngoài tầng hấp thu của đất

- Đẩy toàn bộ cation bão hòa ra khỏi đất bằng một cation khác

- Xác định số meq của cation bão hòa được đẩy ra và từ đó suy ra CEC của đất bằng hệ số me/100g đất hoặc cmolc/kg đất

 Thủ tục tiến hành:

- Tiến hành làm 8 mẫu với 3 lần lặp

- Cân chính xác 2,5g vật liệu đã qua rây 2mm vào ống ly tâm 50ml

- Thêm 50 ml CH3COONH4 1M (pH = 7), lắc trong 10 phút, ly tâm 10 phút Sau

đó, gạn lấy dịch trong Dịch lấy được đem đi phân tích Ca, Mg, Na trao đổi theo phương pháp AAS

- Thêm 50 ml etanol (1:1), lắc trong 10 phút, ly tâm 10 phút Sau đó, loại bỏ dịch

- Thêm 100 ml CH3COONa 1M (pH = 7), chia dịch làm 3 lần, lắc 10 phút, ly tâm

Bước 1: Trên cơ sở phân tích được độ ẩm của từng vật liệu tiến hành trộn than sinh

học với đất bạc màu theo các tỉ lệ (0%, 1%; 5%; 10% TSH) về khối lượng theo bảng

Đất (kg)

Độ ẩm vật liệu (%)

Hệ số khô kiệt K

Bước 2: Gây nhiễm riêng biệt từng KLN ở nồng độ 5% của CEC 10%TSH, trộn đều

với 4 mức tỷ lệ phối trộn khác nhau với 3 lần lặp (Hình 5-phụ lục) Theo bảng sau:

Nồng độ KLN = (5%*17,51)*(100/1000)*(MKLN/số cation trao đổi) (mg/kg)

- Ký hiệu mẫu: Cu 1 – 3: gây nhiễm riêng biệt Cu ở mỗi mức tỷ lệ được lặp

lại 3 lần và bắt đầu từ tỷ lệ vật liệu 0%TSH, lần lượt ở các mức tiếp theo

2.2.6 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của mưa axit giả định tới khả năng cố đinh kim loại của than sinh học

dịch chiết bằng phương pháp phổ hấp thụ ngọn lửa AAS