Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN NHẬT HIẾU

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỐ ĐỊNH MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)
VÀ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM
DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN NHẬT HIẾU

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỐ ĐỊNH MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)
VÀ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM
DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Đặng Văn Minh

THÁI NGUYÊN - 2017


i
LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất
phát từ yêu cầu thực tế để từ đó hình thành lên hướng nghiên cứu cho luận
văn thạc sĩ dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo GS. TS. Đặng Văn
Minh. Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng quy định và kết quả
trình bày trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trước đây.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình!
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017
Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu


ii
LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo GS. TS. Đặng Văn
Minh - Trường Đại học Thái Nguyên, người đã định hướng đề tài, cung cấp tài
liệu và tận tình hướng dẫn chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn
thạc sĩ này. Em xin được gửi lời cảm ơn tới Khoa Môi trường - Trường Đại học
Nông Lâm Thái Nguyên cùng các thầy cô giáo trong Khoa đã tận tình giảng dạy
và truyền đạt những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu cũng như những tình
cảm tốt đẹp cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Phòng Đào tạo sau đại học Đại học Nông Lâm Thái Nguyên các thầy cô giáo đã tạo mọi điều kiện tốt
nhất về cơ sở vật chất cho chúng em được học và nghiên cứu.

Cuối cùng, em xin dành một tình cảm biết ơn đến gia đình và bạn bè,
những người đã luôn ở bên cạnh, động viên, chia sẻ cùng em trong suốt thời
gian học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017
Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu


iii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.

Quy định mức giới hạn kim loại nặng trong đất ..................................... 6

Bảng 1.2.

Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao ................. 8

Bảng 1.3.

Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý
kim loại nặng trong đất ............................................................................ 9

Bảng 1.4.

Số lượng rơm tính theo các loại cây trồng ở Trung Quốc năm 2002.......... 18

Bảng 1.5.

Ứng dụng rơm rạ trong nông nghiệp ..................................................... 21

Bảng 1.6.

Thành phần hóa học của vỏ trấu ............................................................ 21

Bảng 1.7.

Thành phần hóa học của tro bay theo Quốc gia .................................... 23

Bảng 1.8.

Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu
khác nhau ............................................................................................... 24

Bảng 1.9.

Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 ................................................... 25

Bảng 1.10. Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel ........................... 28
Bảng 1.11. Kích thước hạt tro bay thương phẩm ..................................................... 28
Bảng 1.12. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước ....................... 31
Bảng 1.13. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 ............. 31
Bảng 3.1.

Nguồn tro bay của các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên .... 42

Bảng 3.2.

Thành phần, tính chất của tro bay ......................................................... 43

Bảng 3.3.

Phân tích mức độ ô nhiễm kim loại trong đất mỏ chì kẽm Làng Hích ........... 44

Bảng 3.4.

Lượng rơm rạ phát sinh trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên ........................ 45

Bảng 3.5.

Tiềm năng sản xuất than sinh học từ rơm rạ tại tỉnh Thái Nguyên ....... 46

Bảng 3.6.

Thành phần, tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ ................. 46

Bảng 3.7.

Bảng kết quả phân tích thành phần của đất trước phân tích .................. 47

Bảng 3.8.

Bảng kết quả các chỉ tiêu pH trong quá trình ủ Biochar, tro bay .......... 48

Bảng 3.9.

Bảng kết quả các chỉ tiêu Eh trong quá trình ủ Biochar, tro bay .......... 49

Bảng 3.10. Bảng kết quả các chỉ tiêu EC trong quá trình ủ Biochar, tro bay .......... 50

Bảng 3.11. Bảng kết quả các chỉ tiêu kim loại Pb, Zn, Cd (Tất cả kim loại
thuộc dạng di động) sau 90 ngày ủ Biochar, tro bay ............................. 51


iv
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.

Ước tính lượng rơm rạ ngoài đồng ruộng của một số tỉnh vùng
đồng bằng Sông Hồng. .......................................................................... 18

Hình 1.2.

Sự tương phản về kích thước tro bay .................................................... 27

Hình 1.3.

Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thước
thường thấy nhiều hơn ........................................................................... 27

Hình 1.4.

Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF ............... 27

Hình 1.5.

Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ
từ 1966-2012 .................................................................................. 29

Hình 1.6.

Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử
dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008............................................. 30

Hình 3.1.

Sơ đồ hành chỉnh tỉnh Thái Nguyên ...................................................... 40


v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu .............................................................................................................. 2
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ............................................................... 2
3.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 2
3.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 3
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 3
1.1.1. Cơ sở khoa học ......................................................................................... 3
1.1.2. Thực tiễn đề tài ......................................................................................... 3
1.2. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản ...... 4
1.2.1. Tại Việt Nam ............................................................................................ 4
1.2.2. Tại nước ngoài .......................................................................................... 5
1.2.3. Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng ............................................................ 6

1.2.4. Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm .................................................... 7
1.3. Tổng quan về than sinh học ........................................................................... 10
1.3.1. Than sinh học (TSH) là gì? .................................................................... 10
1.3.2. Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH .............................. 10
1.3.3. Đặc điểm của TSH.................................................................................. 14
1.3.4. Khả năng ứng dụng của TSH ................................................................. 14
1.3.5. Sản xuất TSH .......................................................................................... 16
1.4. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp ..................................................... 17
1.4.1. Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp ..... 17
1.4.2. Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và trong nước ....... 17
1.4.3. Tổng quan về một số loại phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam ............ 19


vi
1.5. Tổng quan về tro bay ..................................................................................... 22
1.5.1. Tro bay là gì? .......................................................................................... 22
1.5.2. Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của Tro bay ......................... 22
1.5.3. Đặc điểm của Tro bay............................................................................. 26
1.5.4. Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới ................. 29
1.5.5. Khả năng ứng dụng của tro bay trong nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm .... 32
1.5.6. Tình hình nghiên cứu xử lý và ứng dụng tro bay ở Việt Nam ............... 32
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 36
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 36
2.1.1. Đối tượng ................................................................................................ 36
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 36
2.2. Nội dung nghiên cứu...................................................................................... 36
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 36
2.3.1. Cách tiếp cận .......................................................................................... 36
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 37
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .............................................................. 40

3.1. Thực trạng việc khai thác khoáng sản và đất bị ô nhiễm KLN trên đất
khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên .................................................................. 40
3.2. Đánh giá nguồn nguyên liệu sản xuất than sinh học (biochar) và tro bay
tại tỉnh Thái Nguyên ............................................................................................. 42
3.2.1. Tình hình phát sinh và thành phần tính chất của tro bay nhà máy
nhiệt điện .......................................................................................................... 42
3.2.2. Nguồn nguyên liệu rơm rạ và thành phần tính chất của than sinh
học sản xuất từ rơm rạ ...................................................................................... 44
3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính, tro bay
trên đất sau khai khoáng ....................................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 54
1. Kết luận ............................................................................................................. 54
2. Kiến nghị ........................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 56
PHỤ LỤC


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có số lượng mỏ khoáng sản lớn Đất tại những vùng sau khi khai
thác khoáng sản rất nghèo kiệt và suy thoái nghiêm trọng (Đặng Văn Minh và cs,
2011). Việc suy thoái và ô nhiễm môi trường đất đã làm cho những vùng đất này
không có khả năng canh tác nông nghiệp hoặc nếu trồng được cây nông nghiệp
nhưng hiệu quả thấp và sản phẩm nông nghiệp trồng trên đất này không an toàn cho
người sử dụng (Đặng Văn Can và Đào Ngọc Phong, 2000, Phạm Quang Hà, 2002). Một số
nguyên tố kim loại nặng có tính độc hại cao trong đất sau khai khoáng có thể gây
hại tới động, thực vật và con người (Trịnh Thị Thanh, 2002).
Kim loại nặng (KLN) có thể tồn tại ở trạng thái phản ứng (linh động), hay
không phản ứng (cổ định). Để xử lý kim loại nặng trong đất thường cổ định và ngăn

chặn chúng chuyển sang trạng thái linh động. Hướng tiếp cận chính của đề tài này
là: sử dụng than sinh học (từ phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ), tro bay (chất
thải của nhà máy nhiệt điện) phối hợp đá apatit hấp phụ và cố định KLN trong đất
sau khai khoáng. Các nguồn nguyên liệu này rất sẵn có hiện nay và rẻ tiền.
Thái Nguyên hiện có 66 đơn vị hoạt động khai thác khoáng sản với tổng số
mỏ được cấp phép khai thác lên tới 85, trong đó có 10 điểm khai thác than, 14 điểm
khai thác quặng sắt, 9 điểm khai thác quặng chì kẽm, 24 điểm khai thác đá vôi, 3
điểm khai thác quặng titan… Tổng diện tích đất trong hoạt động khai thác chiếm
hơn 3.191 ha, tương ứng gần 1% diện tích đất tự nhiên của tỉnh.
Trong quá trình khai thác, các đơn vị đã thải ra một khối lượng lớn đất đá
thải, làm thu hẹp và suy giảm diện tích đất canh tác, điển hình là các bãi thải tại mỏ
sắt Trại Cau (gần 2 triệu m3 đất đá thải/năm), mỏ than Khánh Hòa (gần 3 triệu m3
đất đá thải/năm), mỏ than Phấn Mễ (hơn 1 triệu m3 đất đá thải/năm)… Nhiều mẫu
đất tại các khu vực khai khoáng đều có biểu hiện ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt,
một số mẫu gần khu sinh sống của dân cư cũng đang bị ô nhiễm. Cụ thể, hàm lượng
asen tại mỏ sắt Trại Cau và mỏ thiếc Đại Từ vượt chuẩn 12mg/kg; hàm lượng sắt
trong tất cả các mẫu ở Trại Cau, Phấn Mễ, Hà Thượng đều ở mức cao; hàm lượng
kẽm, chì tại một số khu vực cũng vượt chuẩn cho phép.


2
Đáng chú ý,tại nhiều khu vực mỏ ở Trại Cau, Đồng Hỷ và một vài điểm ở Phú
Lương, Đại Từ xuất hiện không ít những doanh nghiệp khai thác không phép, không có
thiết kế mỏ, khiến tài nguyên bị tổn thất và môi trường bị ô nhiễm nặng nề.
Nhận thức được ảnh hưởng xấu của đất bị ô nhiễm do khai thác khoáng sản,
dưới sự định hướng của GS.TS. Đặng Văn Minh, tôi lựa chọn đề tài ”Nghiên cứu
khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để
xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản” nhằm đưa ra giải pháp công nghệ góp
phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất bị ô nhiễm sau khai khoáng.
2. Mục tiêu

- Đánh giá nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ sau thu hoach) để tạo
than sinh học và nguồn nguyên liệu tro bay tại Thái Nguyên.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ KLN của các loai than sinh học (sản xuất từ
phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ) và tro bay từ phê thải của các nhà máy nhiệt
điện để xủ lý đất bị ô nhiễm KLN do khai thác khoáng sản.
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu về tính chất của than sinh học và tro bay và thành phần kim loại
nặng có trong đất sau khai khoáng. Phân tích, đánh giá được những chỉ tiêu trong
đất và hàm lượng kim loại nặng trong đất thay đổi như thế nào với các công thức ủ
than sinh học và tro bay khác nhau.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu khả năng xử lý đất bị ô nhiễm do bị ô nhiễm kim loại nặng do
khai thác khoáng sản bằng các vật liệu rẻ tiền và sẵn có tại các địa phương như than
sinh học, tro bay.


3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1.1. Cơ sở khoa học
Than sinh học (TSH) được sản xuất từ rơm rạ hiện thường được coi là phế phụ
phẩm nông nghiệp. Các loại TSH đều có đặc điểm chung: Độ xốp cao có khả năng
giữ không khí, giữ nước, chất dinh dưỡng, môi trường sống thích hợp cho một số vi
khuẩn và sự phát triển của thực vật, đồng thời có khả năng hấp thụ của các KLN.
Tro bay là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy
nhiệt điện. Mỗi năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than
và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải. Đến năm 2020, lượng tro xỉ thải lên
đến 16 triệu tấn/năm. Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các ôxit

vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO3, MgO, CaO, K2O. Tính hấp phụ của tro bay là
một trong những tính chất quan trọng để xử lý đất ô nhiễm KLN.
Đá apatit: Apatit có công thức hóa học là: Ca5(PO4)3X (X: Cl, F, OH...), có
khả năng cố định các kim loại nặng. Dùng apatit để xử lý kim loại nặng trong đất là
phương pháp mới đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới với các tên gọi khác
nhau như in-situ remediation technicques (Canađa), phot-phát - induce metal
stabilization (Mỹ).
1.1.2. Thực tiễn đề tài
Qua khảo sát của các nhà khoa học cho thấy, đất đai một số địa phương trong
cả nước tập trung nhiều mỏ khoáng sản đã và đang khai thác bị ô nhiễm kim loại
nặng. Ví như tại Thái Nguyên, ở 4 vùng khai thác mỏ đặc trưng (mỏ than Núi
Hồng, sắt Trại Cau, chì - kẽm làng Hích, xã Tân Long và thiếc núi Pháo, Hà
Thượng), hàm lượng các kim loại như chì (Pb), kẽm (Zn), asen (As), cadami (Cd)
trong đất cao gấp nhiều lần mức cho phép. Trong đó phải kể đến là khu vực Hà
Thượng, huyện Đại Từ, hàm lượng As trong một số mẫu đất cao hơn quy chuẩn cho
phép là 1262 và 467 lần, tương ứng. Tại huyện Yên Lãng, hàm lượng As trong đất
cao hơn quy chuẩn cho phép của Việt Nam là 308 lần,… Tại huyện Đồng Hỷ, hàm
lượng Cd, Pb và Zn ở trong đất Làng Hích, xã Tân Long cao hơn ở các điểm thu
mẫu khác. Đặc biệt, hàm lượng Pb ở trong 03 mẫu là 108,5; 45,1 và 51,3 ppm, đều


4
vượt Quy chuẩn Việt Nam. Hàm lượng Zn trong các điểm mẫu đó cao hơn quy
chuẩn cho phép khoảng 45 lần. Hàm lượng As và Cd ở 3 điểm lấy mẫu nêu trên
cũng cao hơn khi so với đất không ô nhiễm… (Viện Công nghệ môi trường, 2010.
Báo cáo tổng hợp kết quả Khoa học công nghệ đề tài KC 08.04/06-10:).
1.2. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản
1.2.1. Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN trong đất bởi các
vật liệu tự nhiên còn hạn chế. Các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khả năng

loại bỏ KLN trong nước và sử vật liệu hấp phụ bằng thực vật.
Đất là một trong những thành phần chủ yếu của môi trường, do đó công tác
quản lý đất là hết sức quan trọng và cấp thiết có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến
chất lượng, môi trường đất. Các hoạt động đô thị, khai khoáng, nông nghiệp là
nguyên nhân gây suy giảm chất lượng đất và các hình thức bảo vệ nguồn tài nguyên
đất là yêu cầu khẩn cấp, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng trong đất.
Việc khai thác, sản xuất và sử dụng các sản phẩm hóa học (ví dụ như ắc quy,
chất thải công nghiệp, cặn bùn,…) gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất. Bản thân kim
loại nặng cũng tồn tại tự nhiên trong đất nhưng hiếm khi tồn tại ở mức độ độc hại.
Sự tích lũy kim loại nặng quá mức trong đất gây độc hại cho người dân và
những động vật khác. Các thói quen thải kim loại nặng bừa bãi (trong thời gian dài)
làm thay đổi chuỗi thức ăn. Ngộ độc cấp tính từ kim loại nặng hiếm khi do ăn vào
hoặc tiếp xúc qua da nhưng cũng hoàn toàn có thể. Việc tiếp xúc với kim loại nặng
lâu ngày sẽ gây nên các loại bệnh:
- Chì: Gây thần kinh mệt mỏi và rối loạn
- Cd: Ảnh hưởng đến gan, thận và bộ phận GI
- Arsenic: Đầu độc da, thận và hệ nơ ron trung ương.
Vấn đề thường gây ra bởi các cation kim loại (những nguyên tố trong đất là
do các cation Pb2+ …) như Hg, Cd, Pb, Niken, Cu, Zn, Cl và Mn. Các anion xung
quanh thường là (những nguyên tố trong đất kết hợp với oxy và có điện tích âm:
MnO42- …) Arsenic, molybdenum, Solenium và Bo. (Theo GS. Lê Huy Bá, Viện
KHCN và QLMT thành phố HCM).
Bên cạnh đó, tro bay và diatomit được biến tính sau đó đưa vào đất ô nhiễm
KLN để khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ của chúng. Sử dụng vật liệu điều


5
chế cho đất ô nhiễm Cd, Pb cho thấy khả năng làm giảm hàm lượng linh động và
trao đổi của những nguyên tố này trong đất. Hiệu suất hấp phụ Pb, Cd trong đất ô
nhiễm Hưng Yên của vật liệu biến tính từ Diatomit Hòa Lộc cao. Lượng vật liệu bổ

sung càng lớn (1-5%) thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb
tăng từ 19,30% đến 25,64%, với Cd từ 12,75% đến 39,24%. Vật liệu tổng hợp từ tro
bay cũng cho hiệu suất hấp phụ cao. Lượng vật liệu bổ sung càng lớn (1-5%) thì
hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb tăng từ 2,82% đến
27,18%, với Cd từ 15,44% đến 41,05%.
Một biện pháp nhằm làm giảm tính độc của KLN trong đất là sử dụng các
chất có khả năng cố định KLN linh động. Nghiên cứu của Bùi Hải An sử dụng
bentonite đã hoạt hóa Na và than bùn Mỹ Đức kết quả thí nghiệm cho thấy khi bổ
sung vào đất xám bạc màu trên nền phù sa cổ bị gây ô nhiễm nhân tạo Pb và Cd ở
ba mức, so sánh với mẫu đối chứng, bentonite và than bùn cho hiệu quả cố định cao
nhất khi bổ sung 10 tấn/ha. Tuy nhiên kết quả chỉ ở dưới 10%. Bentonite và than
bùn thể hiện khả năng cố định tốt nhất khi mức ô nhiễm Cd và Pb ở mức thấp nhất.
1.2.2. Tại nước ngoài
Môi trường bị ô nhiễm do các hoạt động khai khoáng và tuyển quặng đã
được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Hiện nay, rất
nhiều biện pháp đã được sử dụng để xử lý ô nhiễm, giải quyết hậu quả môi trường
liên quan đến các hoạt động khai thác tài nguyên không hợp lý. Trong đó một số
phương pháp đã được ứng dụng thực tế như sử dụng thực vật hấp thụ ((Kibria,
Osman, & Ahmed, 2006), ), sử dụng than sinh học có nguồn gốc thực vật để hấp
phụ ((Fellet, Marmiroli, & Marchiol, 2014), (Xu et al., 2013), (Yu et al., 2008),
(Ahmad, Lee, et al., 2014; Alslaibi, Abustan, Ahmad, & Foul, 2013; Beesley &
Marmiroli, 2011; Bian et al., 2013), sử dụng một số vật liệu có diện tích bề mặt lớn
như tro bay ((González, Moreno, Navia, & Querol, 2011), khoáng vật đất
((Armandi, Bonelli, Geobaldo, & Garrone, 2010; Biniak, Pakuła, & Szyman, 1999;
Biniak, Pakuła, Szymański, & Świa̧Tkowski, 1999; Davis & Bhatnagar, 1995;
Inyang, Gao, Zimmerman, Zhang, & Chen, 2014). (Ahmad, Rajapaksha, et al.,
2014) đã tổng hợp rất nhiều nghiên cứu về việc sử dụng than sinh học như là vật
liệu hấp thụ chất ô nhiêm trong đất và nước.

6
Gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm và đầu tư cho các nghiên cứu
phát triển công nghệ xử lý KLN trong nước thải ((Dong, Ma, & Li, 2011), và đất.
Các nghiên cứu tập trung phát triển các loại vật liệu có khả năng kết tủa hóa học,
hấp phụ, trao đổi ion, và màng lọc... Xu hướng chung trong kỹ thuật phát triển các
loại vật liệu này đều tập trung vào nghiên cứu các thành phần và cấu trúc carbon.
Các cấu trúc này có thể được xử lý và tăng cường hoạt tính bằng một số phương
pháp nhiệt độ, hóa chất xúc tác. Năm 2012, Ademiluyi và công sự đã thực hiện
nghiên cứu hiệu quả của một số loại than sinh học như tre, vỏ dừa, vỏ hạt cọ để hấp
thụ các chất kim loại (Cr2+, Cu2+, Ni2+, Pb2+, Fe2+, Zn2+). Các loại sinh khối này
được nhiệt phân ở nhiệt độ 400◦C-500◦C sau đó biến tính hoạt hóa ở 800oC bằng 6
loại chất xúc tác gồm (H2SO4, HCl, ZnCl2, H3PO4, NaOH, và HNO3). Quá trình xử
lý có ảnh hưởng đáng kể các khoảng hổng trong than, làm tăng kích thước vi lỗ, do
đó có ảnh hưởng đáng kể đến sự hấp thu KLN (Ademiluyi & David-West, 2012).
1.2.3. Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng
Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng rất quan trong bới vì công việc làm sạch
đất ô nhiễm rất khó khăn và tốn kém. Việc sử dụng chất thảo công nghiệp hay bùn
phải tuân theo quy định giới hạn do US Environmental Protection Agency (EPA) đề
ra trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Quy định mức giới hạn kim loại nặng trong đất
(Adapted from USEPA, 1993)
Nồng độ
Tốc độ ô nhiễm hàng năm
lớn nhất
(mg/kg
(kg/ha/năm) (lb/A/năm)
hoặc ppm)
Arsenic
75
2

1.8
Cadmium
85
1.9
1.7
Chronium
3000
150
134
Copper
4300
75
67
Pead
420
21
14
Mercury
840
15
13.4
Molybdenum
57
0.85
0.80
Nickel
75
0.90
0.80
Selenium

100
5
4
Zine
7500
140
125
Kim loại
nặng

Tốc độ ô nhiễm
tích lũy
(kg/ha)

(lb/A)

41
39
3000
1500
420
300
17
18
100
2800

36.6
34.8
2.679

3.340
375
268
15
16
89
2500


7
Sự ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng là phương pháp tốt nhất tránh ô nhiễm
kim loại cho đất. Với bảng trên, sự cân bằng tương đối được dùng để chỉ ra tổng số
bùn lớn nhất có thể được dùng.
Những kim loại được giới thiệu là sau quá trình ô nhiễm môi trường chúng
sẽ lưu lại trong đất. Những kim loại không phân ra như bazo cacbon (hữu cơ). Chỉ
loại trừ Hg và Selenium bằng cách biến đổi thành hơi nhờ các vi sinh vật Tuy nhiên
rất khó loại bỏ các kim loại này ra khỏi môi trường.
Cách xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất theo phương pháp truyền thống
có giá trị rất cao với những vùng đất rộng bị ô nhiễm. Cách xử lý có thể được làm
tại chỗ hay chuyên đến nơi khác để xử lý, cả 2 cách này đều rất tốn kém.
1.2.4. Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm
Hiện nay các rất nhiều phương pháp đang được áp dụng và nghiên cứu như:
- Xử lý bằng nhiệt độ cao (Sản phẩm thủy tinh, các dạng hạt, không có rò rỉ
kim loại)
- Những nhân tố hóa rắn (Sản phẩm vật chất giống xi măng)
- Cách thức làm sạch (lọc ô nhiễm ra ngoài)
Và còn một phương pháp rất hiệu quả, đó là xử lý bằng thực vật.
1.2.4.1. Xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật
Trong thực tế, công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp ứng
một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyển các chất ô nhiễm từ

đất lên thân nhanh, chống chịu được với nồng độ các chất ô nhiễm cao và cho sinh
khối nhanh. [1,3,6]. Xử lý KLN trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều
phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các KLN như:
- Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài
thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân. Các loài thực vật này phải kết
hợp được 2 yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân và cho sinh khối cao. Có rất
nhiều loài đáp ứng được điều kiện thứ nhất (bảng 1.2), nhưng không đáp ứng được
điều kiện thứ hai.
- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi
sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ. Quá trình này làm giảm khả năng linh


8
động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm hàm lượng kim loại
khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn.
Bảng 1.2. Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao [17]
Nồng độ kim loại
STT

Tên loài

tích luỹ trong thân
(µg/g trọng lượng

Tác giả/năm công bố

khô)
1

Arabidopsis halleri

(Cardaminopsis halleri)

13.600 Zn

Ernst, 1968

2

Thlaspi caerulescens

10.300 Zn

Ernst, 1982

3

Thlaspi rotundifolium

8.200 Pb

Reeves & Brooks, 1983

4

Minuartia verna

11.000 Pb

Ernst, 1974

5

Thlaspi geosingense

12.000 Ni

Reeves & Brooks, 1983

6

Alyssum bertholonii

13.400 Ni

Brooks & Radford, 1978

7

Alyssum pintodasilvae

9.000 Ni

Brooks & Radford, 1978

8

Berkheya codii

11.600 Ni

Brooks, 1998

9

Psychotria douarrei

47.500 Ni

Baker et al., 1985

10

Miconia lutescens

6.800 Al

Bech et al., 1997

10.000 Al

Watanabe et al., 1998

11

Melastoma
malabathricum

Năm 1998, Cục môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của
các phương pháp xử lý KLN trong đất bằng phương pháp truyền thống và
phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu, kết quả

cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ
0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp
hơn 10 đến 1000 lần [17].
Có ít nhất 400 loài phân bố trong 45 họ thực vật được biết là có khả năng hấp
thụ kim loại [33]. Các loài này là các loài thực vật thân thảo hoặc thân gỗ, có khả
năng tích luỹ và không có biểu hiện về mặt hình thái khi nồng độ kim loại trong
thân cao hơn hàng trăm lần so với các loài bình thường khác. Các loài thực vật này


9
thích nghi một cách đặc biệt với các điều kiện môi trường và khả năng tích luỹ hàm
lượng kim loại cao có thể góp phần ngăn cản các loài sâu bọ và sự nhiễm nấm [17].
Bảng 1.3. Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý
kim loại nặng trong đất [17]
STT

Tên loài

Khả năng xử lý

Tác giả và năm công bố

1

Salix

KLN trong đất, nước

Greger và Landberg,
1999

2

Populus

Ni trong đất, nước và
nước ngầm

Punshon và Adriano,
2003

Chất phóng xạ, KLN, Se

Brown, 1996 và

Juncea, B. nigra

trong đất

Banuelos et al, 1997

4

Cannabis sativa

Chất phóng xạ, Cd trong
đất

Ostwald, 2000

5

Helianthus

Pb, Cd trong đất

EPA, 2000 và Elkatib
etal., 2001

6

Typha sp.

7

Phragmites australis

KLN trong chất thải mỏ
khoáng sản

Massacci et al., 2001

8

Glyceria fluitans

KLN trong chất thải mỏ
khoáng sản

MacCabe và Otte, 2000

9

Lemna minor

KLN trong nước

Zayed et al., 1998

3

Brassica napus, B.

Mn, Cu, Se trong nước
thải mỏ khoáng sản

Horne, 2000

Ngày nay, sự thích nghi của các loài thực vật có khả năng hấp thụ kim loại
nặng chưa được làm sáng tỏ bởi có rất nhiều yếu tố phức hợp tác động lẫn nhau.
Tích luỹ kim loại là một mô hình cụ thể của sự hấp thụ dinh dưỡng khoáng ở thực
vật. Có 17 nguyên tố được biết là cần thiết cho tất cả các loài thực vật bậc cao (C,
H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Cl và Ni). Các nguyên tố đa
lượng cần thiết cho các loài thực vật ở nồng độ cao, trong khi các nguyên tố vi
lượng chỉ cần đòi hỏi ở nồng độ rất thấp. Các loài thực vật được sử dụng để xử lý
môi trường bao gồm các loài có khả năng hấp thụ được các kim loại dạng vết cần
thiết như Cu, Mn, Zn và Ni hoặc không cần thiết như Cd, Pb, Hg, Se, Al, As với
hàm lượng lớn, trong khi đối với các loài thực vật khác ở các nồng độ này là cực kỳ
độc hại [17,39,44].

10
1.3. Tổng quan về than sinh học
1.3.1. Than sinh học (TSH) là gì?
Than sinh học (biochar) là loại than được hình thành khi nhiệt phân các chất
hữu cơ ở nhiệt độ khoảng 400 – 500oC trong điều kiện yếm khí. TSH có hạt mịn
được SX bằng phương pháp nhiệt phân từ nguyên liệu có nguồn gốc sinh khối thực
vật (gỗ, thân, cành, lá và phụ phẩm nông nghiệp, rác thải hữu cơ). Nhiệt phân là sự
phân hủy hóa học của vật liệu hữu cơ bằng cách đun nóng trong sự vắng mặt của
oxy. ... Thuật ngữ biochar trở nên thông dụng trong ngành nông nghiệp để chỉ loại
than được tạo ra từ các loại chất thải hữu cơ trong sản xuất nông lâm nghiệp như
trấu, rơm rạ, thân cà lá cây, vỏ hạt cà phê, đậu đỗ, cùi bắp, mùn cưa, phoi bào, gỗ
vụn… với cấu trúc cacbon xốp tồn tại bền vững và có tác dụng tăng độ phì nhiêu
cho đất đặc biệt với các loại đất nghèo, đất axit (độ pH thấp).
1.3.2. Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH
1.3.2.1. Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH trên thế giới
Một nhóm các nhà khoa học thuộc nhiều tổ chức khác nhau tại Mỹ đã tiến
hành một nghiên cứu tính chất của TSH sản xuất từ những nguồn nguyên liệu khác
nhau ở những nhiệt độ khác nhau và ảnh hưởng của chúng đến đất cát pha. Đứng
đầu nhóm nghiên cứu là Nhà khoa học đất – Jeff Novak, công tác tại Trung tâm
nghiên cứu đất, nước và thực vật vùng đồng bằng ven biển trực thuộc tổ chức Dịch
vụ nghiên cứu Nông nghiệp (ARS – Agricultural Research Service) ở Florence.
Trong dự án này, nhóm nghiên cứu của Novak đã sử dụng vỏ lạc, vỏ hồ đào, rơm
trộn phân gia cầm, cỏ switch và các phế phẩm từ gỗ cứng để sản xuất 9 loại TSH
khác nhau. Tất cả các nguyên liệu trên được nhiệt phân ở hai nhiệt độ khác nhau để
sản xuất TSH (từ 250oC đến 700oC). Nhiệt phân là một quá trình phân hủy hóa học,
là kết quả của việc làm nóng nhanh các nguyên liệu thô trong môi trường không có
oxy. Các nhà nghiên cứu cho rằng, TSH nhiệt phân ở nhiệt độ cao hơn thì sinh khối
than thu được ít hơn, diện tích bề mặt lớn hơn, pH cao, hàm lượng tro cao và tổng
điện tích bề mặt là nhỏ nhất. Việc mất đi các hợp chất bay hơi ở nhiệt độ nhiệt phân

cao hơn còn làm cho TSH có tỷ lệ phần trăm các bon cao hơn nhưng hàm lượng
hidro và oxy lại thấp hơn rất nhiều. Phân tích quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân


11
13

C cho thấy rằng sự mất đi cấu trúc béo diễn ra ở nhiệt độ nhiệt phân cao hơn. Các

loại TSH, nhìn chung, khi nhiệt phân ở nhiệt độ cao làm tăng giá trị pH của đất.
Khả năng giữ nước của đất thay đổi sau khi bón thêm TSH vào (Jeff Novak, 2009).
TSH sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau dưới những điều kiện nhiệt phân
khác nhau có ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học của đất theo những cách khác
nhau. Than nhiệt phân ở nhiệt độ thấp thì có pH thấp (Jeff Novak, 2009) do đó thích
hợp bón cho loại đất có tính kiềm vì có thể làm giảm giá trị pH của đất. Còn than
nhiệt phân ở nhiệt độ cao thì có pH cao (Jeff Novak, 2009), thích hợp bón cho loại
đất có tính axit như đất đồi núi của vùng trung du, miền núi. Như vậy, TSH có thể
được sản xuất để cải thiện tính chất vật lý, hóa học của đất một cách có chọn lọc
bằng việc thay đổi nguyên liệu và điều kiện nhiệt phân.
Phương pháp hiện đại làm biochar từ chất thải thực vật bằng cách nung nóng
ở nhiệt độ siêu cao trong điều kiện thiếu ôxy. Một số công ty đang xây dựng thiết bị
sản xuất biochar ở nhiều quy mô. Một trong những công ty đầu tiên giới thiệu thiết
bị này là công ty Biochar Engineering Corp (BEC) ở Colorado, Mỹ. Thiết bị sản
xuất TSH có kích thước cỡ container giúp nông dân có thể sản xuất biochar tại chỗ.
Ngoài biochar, còn có thể sản xuất nhiên liệu lỏng như methanol [19].
TSH thu được nhiều hơn ở nhiệt độ nhiệt phân thấp hơn vì sự cô đặc của các
hợp chất béo là nhỏ nhất, các hợp chất CH4, CO, H2 bị mất đi ít hơn. Dưới 350oC,
hiệu suất đạt được ít nhất là 50%. Hiệu suất giảm xuống khoảng 30% khi nhiệt độ
nhiệt phân tăng đến 500 – 700oC vì sự mất nước của các nhóm hydroxyl và sự suy
thoái cấu trúc ligno-cellulose bởi nhiệt. Hiệu xuất thu được carbon (Cbiochar/Cnguyên

liệu)

ở nhiệt độ nhiệt phân cao hay thấp là như nhau (Jeff Novak và cộng sự, 2009).
Tổng lượng các bon cao trong các cấu trúc thơm giải thích cho sự thiếu hụt

tổng điện tích âm bề mặt trong hầu hết các loại TSH sản xuất ở điệu kiện nhiệt độ
nhiệt phân cao. Các nhóm chức năng mà phổ biến là những điện tích âm này như OH hay –COOH cũng bị mất đi cùng với sự mất đi của các vật chất dễ bay hơi (Jeff
Novak và cộng sự, 2009) [25].
Tại Anh, trung tâm nghiên cứu về TSH đã thực hiện nhiều nghiên cứu liên
ngành về vai trò của than sinh học như một biện pháp lưu giữ các bon và công nghệ


12
năng lượng bền vững để cung cấp các hiểu biết về tác động nông học, môi trường
và kinh tế - xã hội của than sinh học. Hiện nay TSH được sử dụng rộng rãi ở các
vườn ươm đã đem lại kết quả cao.
Trung tâm nghiên cứu về TSH New Zealand nhằm mục đích thúc đẩy sự
hiểu biết của than sinh học cho sự giảm nhẹ biến đổi khí hậu toàn cầu, đặc biệt là
các lĩnh vực nông nghiệp và lâm nghiệp.
Ở Ấn Độ, sử dụng TSH như là một phần của tập quán truyền thống và văn
hóa của người dân với các mục đích khác nhau. Than không bao giờ được coi là
một vật liệu phế thải. Dư lượng cây trồng bị cháy được chuyển đổi thành than củi
và tro. Than, một sản phẩm phụ của các bếp lò truyền thống được thêm vào phân
trang trại hay phân hữu cơ, luôn luôn là một nguồn có giá trị để cải thiện độ màu
mỡ của đất. Bộ lạc Munda sống trong phần Orissa, Jharkhand và bang Tây Bengal,
Ấn Độ, sử dụng than sinh học trong việc tăng năng xuất cây trồng. Than sinh học
chủ yếu là sản phẩm phụ từ các bếp nấu sinh khối (nhất là bếp ba lò hoặc bếp lò
bằng đất sét đơn giản). Họ pha trộn than với phân trang trại bón vào đất đá ong màu
đỏ ít màu mỡ để trồng rau.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều quốc gia tiếp tục nghiên cứu, sản xuất và

sử dụng TSH. TSH được thương mại hóa trên thế giới, là một ngành công nghiệp
non trẻ nhưng sẽ phát triển nhanh chóng bởi nó là phương tiện đa lợi ích.
1.3.2.2. Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH ở Việt Nam
Một số nghiên cứu về TSH cũng đã được tiến hành ở nhiều nơi tại Việt Nam.
Tuy nhiên, những nghiên cứu chủ yếu tập chung vào các ứng dụng của TSH trong
đời sống sản xuất chứ chưa có một nghiên cứu cụ thể nào về đặc điểm tính chất cụ
thể của TSH theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, sản xuất.
 Tro thảo mộc
Có chứa nhiều loại khoáng chất đa vi lượng rất cần thiết cho cây trồng
(cacbonat kali, vôi, lân), các nguyên tố vi lượng (sắt, ma giê, bo, mangan, kẽm, lưu
huỳnh…), có tính kiềm có thể khử chua đất rất hữu hiệu. Theo tính toán của các nhà
chuyên môn, 1 tấn tro có thể khử chua tương đương 300kg vôi bột. Hàm lượng các
chất khoáng có trong tro thảo mộc khá cao: K2O từ 5,9 – 12,4%; P2O5 từ 3,1 –
3,4%; CaO từ 22,1 – 25,2 %. Các chất dễ tan trong nước của tro là cacbonat và


13
sunfat kali tan đến 90%, lân cũng thuộc loại dễ tan. Tro rất phù hợp với các loại cây
công nghiệp, cây ăn quả, rau màu [10].
 Đất hun khói
Đây là loại phân bón được “sản xuất” tại chỗ bằng cách dùng củi khô, rơm
rạ, cỏ khô có lẫn đất được dẫy ở ven đường, bãi chăn thả trâu bò hoặc khai thác ở
những vạt đồi, gò bỏ trống đem hun khói ở nhiệt độ 150 – 200°C trong điều kiện
thiếu oxy (tác giả, năm). Đào hố sâu 25 – 30cm, rồi lót cành khô, rơm cỏ khô phía
dưới, vun đất lẫn cỏ, rơm rác thành đống to (cao khoảng 50cm, đường kính 50cm)
rồi đốt lửa cho bén để cháy âm ỉ trong 4 – 5 giờ như đống rấm chỉ có khói, không
cho bốc thành ngọn lửa, để nguội, dùng cào hoặc bừa san bón đều trên mặt ruộng
cùng với phân chuồng, phân hữu cơ trong quá trình làm đất [3].
Ở đồng bằng sông Cửu Long, người ta chú ý đến việc sản xuất TSH từ vỏ
trấu vì phế phẩm này luôn sẵn có ở đây. Hạt than rất mịn nhưng có thể tích lỗ hổng

rất lớn. Mặt khác, bụi than tương đối nặng do giàu silic, nhờ đó có thể rải vãi bằng
tay hay bằng cơ giới. Nước ta đã có thói quen lấy tro lò đốt đem ra bón ruộng,
nhưng tỉ lệ TSH trong đó thường thấp hơn tro đen. Trong loại tro xám này có đến
trên dưới 40% tro trắng vốn có hoạt tính rất mạnh và thường có hại cho cây, cho
đất. Để có TSH vỏ trấu người ta cần đốt trong điều kiện thiếu khí để chúng cháy
ngún chứ không cháy ngọn. Có rất nhiều cách để đốt than, phổ thông nhất theo kiểu
hầm than đắp ngoài bằng vỏ đất sét. Khi trấu đã bắt lửa thì lấp miệng lại chỉ chừa
mấy ống cho khói thoát ra. Nhưng ở đồng bằng sông Cửu Long nổi tiếng với những
dòng sông trấu trôi ra từ các nhà máy xay xát tập trung, việc sản xuất TSH nên được
thực hiện trên dây chuyền khí hóa để một mặt lấy nhiệt sản xuất điện năng, mặt
khác thu hồi TSH thương phẩm để bán trong nước hay đem xuất khẩu. Nhu cầu sử
dụng TSH vỏ trấu trên ruộng vào khoảng 16 tấn mỗi hecta, tương đương với
khoảng tỷ lệ 1,4% trong lớp đất mặt từ 0 đến 0,1 mét. Việc rải bón có thể thực hiện
nhiều lần, nhiều vụ mà không ngại mật độ quá cao vì TSH có tính trung hòa chứ
không có tính axit như tro xám. Người ta tính toán kinh tế bằng cách lấy giá trị tăng
thêm sản lượng và giảm bớt phân bón trong các năm sau bù vào đầu tư sản xuất hay
tiền mua TSH. Việc cân đối này luôn có lợi và lợi lớn cho các nông gia [3].


14
1.3.3. Đặc điểm của TSH
Thông tin về các đặc tính lý hóa học của TSH rất hạn chế (Golchin et al.
1997). Tuy nhiên tổng hợp từ nhiều nguồn TSH Glaser et al, (2002) cho thấy lượng
TSH thu được là 28,5%, hàm lượng carbon trong TSH là 79,6% và năng suất
carbon là 49,9%.
Tuy nhiên, tất cả các loại TSH đều có đặc điểm chung:
- Độ xốp cao có khả năng giữ không khí, giữ nước, chất dinh dưỡng, môi
trường sống thích hợp cho một số vi khuẩn và sự phát triển của thực vật.
- Có các đặc tính hóa lý giúp hấp thụ của các chất và kiểm soát độ ẩm [29].
Các yếu tố chính quyết định chất lượng của TSH là:

- Chất lượng của loại nguyên liệu đầu vào (loại chất hữu cơ) dùng để đốt.
- Môi trường đốt (ví dụ nhiệt độ, khí).
- Thiết bị đốt (lò đất, thiết bị đơn giản, hệ thống máy nhiệt phân hiện đại,).
- Chất bổ sung trong quá trình đốt. Nguồn hữu cơ cung cấp để đốt than có
ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng TSH, hàm lượng dinh dưỡng và chất dễ tiêu.
Nếu nguyên liệu là những cây gỗ lớn, chắc thì TSH sẽ tốt, nếu nguyên liệu là
các loại cành lá nhỏ, cỏ, cây bụi thì chất lượng TSH sẽ thấp hơn với hàm lượng
cacbon thấp hơn [29].
1.3.4. Khả năng ứng dụng của TSH
1.3.4.1. Cải tạo đất
Các nghiên cứu đã xác nhận các tác dụng của TSH đối với đất:
- Giảm rửa trôi các chất dinh dưỡng.
- Làm giảm độ chua đất: làm tăng độ pH của đất.
- Giảm độc tính nhôm, giảm tính di dộng các kim loại nặng khác.
- Cung cấp các khoáng cho đất Ca, Mg, P, và K.
- Tăng cường khả năng trao đổi.
- Tăng cường giữ nước.
- Tăng độ xốp, ổn định cấu trúc đất.


15
- Tăng số lượng vi sinh vật đất có lợi, kích thích các hoạt động vi sinh vật.
Biochar có thể cải thiện hầu như bất kỳ loại đất nào. Những khu vực có lượng mưa
thấp hoặc các loại đất nghèo dinh dưỡng sẽ được cải thiện nhiều nhất.
1.3.4.2. Tăng sinh trưởng, phát triển và 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% so với đối chứng (Chidumayo, 1994).
Kishimoto and Sugiura (1985) cho thấy 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 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 (Nardi et al, 2000). 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 (Lehmann et al, 2002).
1.3.4.3. Giảm phát thải khí nhà kính
Biochar giúp làm sạch không khí bằng hai cách: Ngăn chất thải hữu cơ thối
rữa giải phóng khí CO2 vào khí quyển và cho phép cây trồng lưu trữ CO2 mà nó hấp
thu từ không khí trong quá trình quang hợp dưới dạng bền vững. Và được tăng
thông qua tăng trưởng thực vật tăng lên nhờ bón TSH.
Theo nhà khoa học James Hansen (Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia
(NASA) của Mỹ), nếu cả thế giới sử dụng biochar, lượng khí CO2 phát thải vào khí
quyển trong vòng 50 năm tới có thể giảm khoảng 8 phần triệu (ppm) [29].
1.3.4.4. Sự thấm hút của kim loại nặng
Trong than sinh học, người ta đã tìm thấy khả năng thấm hút một loạt các
kim loại nặng, bao gồm chì (Pb), asen (As) và Cadimi (Cd). Một loại than sinh học
từ phân bò sữa được sấy ở nhiệt độ ở 350°C có khả năng thấm hút Pb nhiều hơn
nhiều lần so với than hoạt tính (Cao et al., 2009). Trong trường hợp này, sự thấm
hút bề mặt bởi than sinh học hầu hết (85%) được cho là Pb phản ứng với tro hiện
hữu trong than sinh học, và cũng là trực tiếp thấm hút (15%) trên bề mặt của than


16
sinh học. Các tác giả của nghiên cứu này kết luận rằng: tro trong than sinh học phân
chuồng chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc làm giảm nồng độ Pb trong nước, cũng
như một thực tế hiển nhiên là than hoạt tính (rất ít tro) có khả năng thấm hút số
lượng Pb nhỏ hơn nhiều so với than sinh học phân chuồng.
1.3.5. Sản xuất TSH
1.3.5.1. Nguyên liệu

Nguyên liệu để sản xuất TSH rất phong phú. Đó chính là các vật liệu hữu cơ
như các phế phụ phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp (vỏ trấu, rơm rạ, bã mía, cùi dừa,
lõi ngô, mùn cưa…) và các tàn dư thực vật kháccũng như các loại thực phẩm thừa
và chất thải lâm nghiệp hoặc các chất thải của chăn nuôi. Nguồn nguyên liệu này rất
sẵn có trong đời sống nhất là đối với một nước có nền nông nghiệp chủ đạo như
nước ta hiện nay. Sau mỗi vụ thu hoạch của bà con nông dân, lượng phế phụ phẩm
nông nghiệp còn lại là rất lớn, do đó có thể dễ dàng thu gom được nguồn nguyên
liệu này mà không hề tốn nhiều chi phí, lại có thể tận dụng được phần dư lượng
thừa, tưởng như bỏ đi với khối lượng lớn từ hoạt động sản xuất nông nghiệp. Vì
vậy, vấn đề nguyên liệu cho sản xuất TSH luôn có thể linh hoạt thay đổi dễ dàng
tùy thuộc vào điều kiện của từng địa phương.
1.3.5.2. Phương pháp sản xuất TSH
Sản xuất than sinh học hiện nay có hai phương pháp chính:
- Đốt ủ yếm khí: là phương pháp cổ xưa để sản xuất than sinh học, nguyên
liệu cho vào các hố, rãnh, mồi lửa rồi đắp lại [3]. Phương pháp này vẫn còn là một
tiềm năng để sản xuất than sinh học ở khu vực nông thôn, nó không cho phép thu
được dầu sinh học hoặc khí tổng hợp và vẫn phát thải một lượng khí CO2, và các
khí nhà kính khác (có khả năng có cả chất độc) vào không khí.
- Nhiệt phân: Sản lượng than nhiệt phân thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ.
Nhiệt độ càng thấp, càng có nhiều than được tạo ra trên một đơn vị sinh khối . Nhiệt
phân nhiệt độ cao cũng được gọi là khí hóa, và chủ yếu sản xuất khí tổng hợp từ
sinh khối, hai phương pháp chính của nhiệt phân nhiệt phân “nhanh” và nhiệt phân
“chậm”. Phương pháp nhiệt phân nhanh thu được 60% dầu sinh học, 20% than sinh
học, 20% khí tổng hợp, và có thể được thực hiện trong vài giây, trong khi nhiệt


17
phân chậm có thể được tối ưu hóa để sản xuất than hiệu quả hơn (~ 50%), nhưng
cần phải kiểm soát thời gian [29].
Ngoài ra, công nghệ vi sóng gần đây đã được sử dụng có hiệu quả chuyển đổi các

chất hữu cơ than sinh học trên quy mô công nghiệp, sản xuất gần 50% than [14].
1.4. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp
1.4.1. Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp
Phế phụ phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động
nông nghiệp (OECD, 1997) [37]. Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ,
có thể còn non, xanh; có thể đã xơ cứng vì silic hoá như trấu hay lignin hoá như gỗ.
Chúng còn có thể được xem như là một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ quá
trình quang tổng hợp và các quá trình sinh học khác trong sản xuất nông nghiệp.
Nguồn gốc phát sinh phế phẩm nông nghiệp là quá trình sản xuất nông nghiệp hay
chế biến nông sản bao gồm: chế biến các loại cây công nghiệp, cây lương thực, cây hoa
màu, sản xuất hoa quả, thực phẩm, sinh ra từ hoạt động chăn nuôi…
1.4.2. Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và trong nước
1.4.2.1. Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới
Các chất thải trong nông nghiệp chiếm hơn 30% sản lượng nông nghiệp trên
toàn thế giới. Theo thống kê, hàng năm có khoảng 5 tỷ tấn sinh khối được tạo ra từ
sản xuất nông nghiệp, và khối lượng sinh khối này đã được sử dụng vào các mục
đích khác nhau của cuộc sống, ví dụ: làm thức ăn chăn nuôi, lương thực, năng
lượng sinh học, chế biên thực phẩm, hoặc làm phân bón, hoặc ứng dụng trong sản
xuất công nghiệp (UNEP, 2009). Tuy nhiên, có một lượng không nhỏ sinh khối
nông nghiệp đang bị lãng phí và không được quản lý hiệu quả để tái sử dụng vào
các mục đích kinh tế khác.
Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia Châu Á có lượng phế phụ phẩm nông
nghiệp lớn nhất, chiếm trên 2/3 tổng lượng phế phụ phẩm nông nghiệp của khu vực.
Cụ thể: Ở Ấn Độ, sản xuất nông nghiệp đã tạo ra trên 500 triệu tấn phế phụ phẩm.
Sự gia tăng sản lượng lúa và lúa mỳ đã tạo ra một lượng đáng kể phế phụ phẩm cây
trồng, trong đó lượng phế phụ phẩm từ lúa, ngô, lúa mỳ và kê chiếm 70% (khoảng
352 triệu tấn) tổng lượng phế phụ phẩm cây trồng (Singh và Sidhu, 2014) [40].
Ở Trung Quốc, lượng phế phụ phẩm từ các cây trồng chính (ngô, lúa mỳ,
lúa, kê và cao lương) đạt khoảng 490 triệu tấn, chiếm khoảng 50% tổng lượng phế
phụ phẩm cây trồng ở Châu Á (Devendra, 1997).