Than sinh học được dùng như phân hữu cơ, giúp đất giữ nước, dưỡng chất và bảo vệ các loại vi khuẩn có lợi. Với đặc tính hấp thu 50% khí CO2 từ sự hô hấp của cây và khả năng lọc chất độc trong đất, than sinh học cũng giúp bảo vệ môi trường và giảm thiểu hiệu ứng nhà kính. Gần đây, than sinh học còn được nghiên cứu để xử lý nước.
Than sinh học
Than sinh học (biochar) là loại vật liệu có đặc tính xốp, hàm lượng cacbon cao được tạo ra trong quá trình phân hủy nhiệt hóa nguyên liệu sinh khối trong điều kiện có ít hoặc không có oxy (nên còn được gọi là than nhiệt phân). Nguyên liệu sinh khối có thể là chất thải hữu cơ như các bộ phận của thực vật (thân, cành, lá, vỏ,…) hay bùn thải, phân chuồng hoặc phế liệu ra từ các nhà máy giấy; dệt sợi,…
Có nhiều công nghệ sản xuất than sinh học, tùy theo yêu cầu sử dụng, do mỗi phương pháp sẽ tạo nên các đặc tính vật lý và hóa học khác nhau của than. Theo tài liệu Biochar technology in wastewater treatment: A critical review, có 4 công đoạn chính trong sản xuất than sinh học là: (1) thu thập nguyên liệu sinh khối (biomass); (2) tiền xử lý (pre-treatment); (3) quá trình nhiệt (thermal processing) và (4) hoàn thiện (post-treatment).
Quy trình công nghệ sản xuất than sinh học
(Nguồn: Biochar technology in wastewater treatment: A critical review (2020))
Tiền xử lý là bước đầu tiên để sản xuất than sinh học từ các nguyên liệu thô khác nhau. Tùy thuộc vào nguyên liệu và mục đích sử dụng than sinh học, công nghệ tiền xử lý (pre-treatment) được phân thành 3 nhóm: vật lý (khô, nghiền, sàng, rửa,…), hóa học (xử lý bằng hóa chất hoặc vật liệu chức năng, lượng tiền chất và chức năng tác nhân,…), sinh học (xử lý vi khuẩn,…).Sau đó, quá trình nhiệt (thermal processing) sẽ chuyển đổi sinh khối thành than sinh học, chủ yếu gồm: nhiệt phân, có hỗ trợ của vi sóng, cacbon hóa thủy nhiệt và khí hóa. Quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, tốc độ gia nhiệt và thời gian thực hiện, nên tác động đến các thành phần và đặc tính hóa lý của sản phẩm. Cuối cùng là hoàn thiện (post-treatment), chủ yếu sử dụng các phương pháp vật lý (nghiền bi, từ hóa,...) và hóa học (xử lý ăn mòn,...). Công nghệ này đại diện cho một lĩnh vực nghiên cứu mới, đưa than sinh học thành loại vật liệu carbon thân thiện với môi trường và có tiềm năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực.
Than sinh học được xem là một trong các giải pháp quan trọng góp phần xử lý các vấn đề toàn cầu như biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường và suy thoái đất. Các lợi ích mà than sinh học mang lại bao gồm:
- Bù đắp phát thải khí nhà kính: vì nó lưu trữ carbon ở dạng ổn định, ngăn chặn việc phát tán khí nhà kính vào khí quyển do suy giảm sinh khối.
- Là chất hấp phụ và chất xúc tác hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện với môi trường: than sinh học có thể dùng để hấp phụ kim loại và các chất ô nhiễm khác nhau, làm sạch nước.
- Dùng làm phân hữu cơ bón cho đất để cải thiện độ phì nhiêu của đất và tăng năng suất cây trồng.
- Dùng sản xuất năng lượng sạch nhằm thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch.
Lợi ích của than sinh học trong nông nghiệp
(Nguồn: Mini-Review on Influence of Biochar for Sustainable Agriculture (2013))
Xử lý nước bằng than sinh học
Trên thế giới, người ta thường sử dụng than sinh học để xử lý nước thải công nghiệp, nước thải đô thị, nước thải nông nghiệp và nước mưa.
Đối với nước thải công nghiệp, các chất ô nhiễm chủ yếu là các kim loại nặng độc hại và chất ô nhiễm hữu cơ. Một số nghiên cứu đã công bố việc sử dụng than sinh học trộn chitosan giúp hấp phụ hiệu quả các kim loại nặng (như Cu, Pb, As, Cd,…) trong nước thải công nghiệp; vật liệu than sinh học Gliricidia cho phép loại bỏ màu tím pha lê khỏi nước trong sản xuất thuốc nhuộm; sử dụng than sinh học bã mía để hấp phụ chì từ nước thải sản xuất pin,… Tuy nhiên, khá nhiều thí nghiệm sử dụng than sinh học để loại bỏ chất gây ô nhiễm từ nước thải công nghiệp vẫn còn thực hiện trong phòng thí nghiệm, cần nghiên cứu và triển khai trong thực tế.
Ứng dụng than sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trường nước
(Nguồn: Biochar for removal of dyes in contaminated water: an overview (2022))
Đối với nước thải đô thị, nhờ diện tích bề mặt xốp cao, than sinh học có thể hoạt động như một bộ lọc sinh học. Kết quả nghiên cứu năm 2018 của Manyuchi và cộng sự “Potential to use municipal waste biochar in wastewater treatment for nutrients recovery” (tạm dịch Tiềm năng khai thác than sinh học từ chất thải đô thị để xử lý nước thải nhằm thu hồi các dưỡng chất) đã cho thấy, các thông số COD, TSS, TKN và TP trong nước thải đô thị đã lần lượt giảm 90%, 89%, 64% và 78% sau khi được đưa qua bộ lọc bằng than sinh học. Cũng có thể sử dụng trực tiếp hoặc kết hợp than sinh học với bộ lọc sinh học và các công nghệ khác để xử lý, giúp thu hồi nitơ và photpho không bền. Chẳng hạn như than sinh học chứa nhôm oxyhydroxit (AlOOH) được dùng để tái chế và tái sử dụng photpho từ nước thải đã qua xử lý thứ cấp, nhờ lực hút tĩnh điện. Photpho được than sinh học hấp thụ có thể dùng như phân bón tan chậm trong nông nghiệp.
Trong bối cảnh ngày càng nhiều thuốc trừ sâu và kim loại nặng độc hại được thải vào đất khiến ô nhiễm nông nghiệp ngày càng trở nên nghiêm trọng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng than sinh học và các sản phẩm biến tính của nó để xử lý. Với ô nhiễm thuốc trừ sâu như imidacloprid và atrazine từ nước thải nông nghiệp, người ta dùng than sinh học rơm rạ và rơm rạ biến tính axit photphoric; đối với sulfamethazine người ta dùng than sinh học hoạt hóa bằng hơi nước; đối với atrazine, cả hai loại than sinh học từ rơm rạ và đậu nành đều cho thấy hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiên, tốc độ hấp phụ thuốc trừ sâu sẽ phụ thuộc vào độ xốp và độ pH của than sinh học. Ngoài ra, trong nông nghiệp, các kim loại nặng độc hại như As, Cr, Cu và Pb cũng là vấn đề ô nhiễm phổ biến. Cơ chế hấp phụ của than sinh học đối với kim loại nặng trong nông nghiệp liên quan đến khả năng tương tác tĩnh điện, tạo phức bề mặt, trao đổi ion, tương tác giữa các phân tử, liên kết cation-p và tương tác p-p.
Trong môi trường tự nhiên nói chung, chất lượng nước cũng còn bị suy giảm đáng kể do lượng nước mưa chảy tràn trên các bề mặt ở các đô thị không được xử lý trước khi xả ra môi trường góp phần làm gia tăng nồng độ các kim loại nặng, các chất hữu cơ và các chất ô nhiễm sinh học. Với các hệ thống xử lý nước mưa hữu hiệu, chẳng hạn như sử dụng than sinh học đã ngâm tẩm nhôm, có thể loại bỏ As5+ và các chất Pb2+, Zn2+, Cu2+ và PO43- có thể loại các chất ô nhiễm trong nước thải đô thị, theo một số nghiên cứu. Khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước mưa tùy thuộc đặc tính của than sinh học, đặc tính của chất ô nhiễm và thành phần nước. Đối với xử lý ô nhiễm nước mưa, than sinh học khả thi và có triển vọng hơn so với các vật liệu khác nhờ rẻ tiền và khá dễ tạo ra.
Một số kết quả sử dụng than sinh học để xử lý ô nhiễm nước tại Việt Nam
Cùng chung mối bận tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, các chuyên gia trong nước cũng rất quan tâm đến việc sử dụng than sinh học để xử lý ô nhiễm nguồn nước. Minh chứng cho điều này, có thể tham khảo một số công trình nghiên cứu mới được công bố gần đây:
- Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Sinh học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã tìm ra “Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh tạo màng sinh học xử lý nước bị nhiễm dầu và chế phẩm vi sinh tạo màng sinh học thu được bằng quy trình này”. Các chuyên gia đã tiến hành nhân nuôi chủng vi khuẩn tạo màng sinh học (có khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon dầu mỏ) để tạo ra chế phẩm trên chất mang là than sinh học (được sản xuất từ nguồn nguyên liệu rơm rạ hoặc trấu ngay tại địa phương). Nghiên cứu đã tạo ra chế phẩm vi sinh (tên thương mại là MicroDegrader), có khả năng phân hủy các thành phần dầu mỡ với độ ổn định cao, an toàn với môi trường, có năng lực phân hủy trên 95% các thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu.
Sự cố nước nhiễm dầu thải trên sông (Nguồn: ipvietnam.gov.vn)
Theo nhóm nghiên cứu, hiện chưa có các sản phẩm tạo màng sinh học từ các vi sinh vật trong xử lý ô nhiễm dầu. Giải pháp và kết quả thử nghiệm đã tạo ra màng sinh học cho phép vi sinh vật thích nghi và dễ dàng chống chịu được các điều kiện khắc nghiệt của môi trường (như pH, nhiệt độ, nồng độ các chất gây ô nhiễm,...). Quy trình đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích (số 2-0001942), công bố ngày 25/01/2019. Giải pháp này cũng đã được Trung tâm Đổi mới sáng tạo ứng phó với biến đổi khí hậu Việt Nam (VCIC) - đại diện cho các tổ chức như: Ngân hàng Thế giới, Cơ quan Phát triển Quốc tế Australia (AusAID) và Cơ quan Hỗ trợ của Vương quốc Anh (UKaid) - tài trợ, nhằm bước đầu thương mại hóa ra thị trường.
- Nghiên cứu “Khảo sát khả năng hấp phụ xử lý nước của than sinh học tạo thành từ sinh khối phụ phẩm nông nghiệp” của các chuyên gia tại Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM (công bố tháng 05/2022 trên Tạp chí Khí tượng Thủy văn) đã thử nghiệm khả năng xử lý nước ô nhiễm xanh methylene bằng than sinh học sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp (rơm, rạ) có kích thước than từ 212-1.000 µm).
Kết quả cho thấy, than sinh học kích thước càng mịn (212 µm) sẽ cho khả năng hấp phụ xanh methylene càng cao. Theo nhóm nghiên cứu, điều này là do ưu thế liên quan đến diện tích bề mặt riêng lớn (30,5-32,8 m2/g), sự đa dạng hệ thống kích thước lỗ xốp bên trong cấu trúc than sinh học và bề mặt than sinh học có thể tạo ra các nhóm chức quan trọng như –OH, C=O, v.v…
Hiệu suất hấp phụ xanh methylene của than sinh học kích thước 212 µm (Nguồn: Kết quả nghiên cứu)
Mặc dù nghiên cứu chưa thử nghiệm khả năng hấp phụ tác nhân ô nhiễm của các loại nước thải có mức độ ô nhiễm cao như nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm, nhưng nghiên cứu đã cho thấy tiềm năng không chỉ có thể loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước mà than sinh học còn góp phần tiếp cận nông nghiệp bền vững, khi tận dụng được nguồn phụ phẩm rơm rạ, giảm tác động ô nhiễm môi trường.
- Sử dụng than sinh học được sản xuất từ trấu (nhiệt phân ở điều kiện 550°C trong 3 giờ, sau đó được xử lý rửa nước và hấp tiệt trùng) làm giá thể trong bể hiếu khí cũng như làm vật liệu lọc trong cột lọc sinh học để thử nghiệm mô hình xử lý nước thải trong hệ thống nuôi tôm giống tuần hoàn, là công trình nghiên cứu KH&CN cấp Thành phố của Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM, được nghiệm thu năm 2021. Đề tài với tên gọi “Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước của than sinh học trong hệ nuôi thủy sản tuần hoàn nhằm ứng dụng cho mô hình nuôi tôm giống” đã công bố rộng rãi các thông số vận hành thích hợp cho việc xử lý nước thải là: tỷ lệ giá thể than sinh học 30% v/v, thời gian lưu 2 giờ, lưu lượng sục khí 3L/phút; chiều cao lớp vật liệu lọc 30cm, kích thước hạt than 5-8mm, phương pháp lọc nhỏ giọt là phù hợp để xử lý nước.
Qua thử nghiệm với tôm thẻ chân trắng được ương trong hệ thống xử lý nước tuần hoàn (RAS) ứng dụng than sinh học, tỷ lệ sống đạt trên 80%, hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR) đạt 1,3, trong giới hạn cho phép của quy chuẩn ương nuôi tôm, hiệu suất tái sử dụng nước trong mô hình đạt 100%, và than sinh học sau quá trình lọc, hệ số GI đạt từ 228-227%, hoàn toàn phù hợp cho việc tiếp tục xử lý làm phân bón.
Mô hình xử lý nước thải trong hệ thống nuôi tôm giống tuần hoàn (Nguồn: Kết quả nghiên cứu)
***
Có thể thấy, than sinh học đang được nghiên cứu xử lý ô nhiễm nước tại Việt Nam hiện được sản xuất từ việc tận dụng các phụ phẩm của ngành nông nghiệp (như rơm, rạ, trấu,…). Đây là một xu thế tích cực trong phát triển nông nghiệp bền vững, giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường.
Bên cạnh đó, với khả năng sử dụng làm vật liệu lọc thân thiện với môi trường, chi phí thấp, hiệu quả cao và khả năng tái sử dụng làm phân hữu cơ, than sinh học có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các trang trại thủy sản ở những khu vực cần tiết kiệm nước nuôi; những vùng ven biển nhiều rủi ro về dịch bệnh; khu vực dễ bị ô nhiễm; và phục vụ sản xuất giống trong điều kiện cách ly với nguồn nước bên ngoài.
Duy Sang
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] Lam Vân. Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước của than sinh học trong hệ nuôi thủy sản tuần hoàn nhằm ứng dụng cho mô hình nuôi tôm giống. https://cesti.gov.vn/bai-viet/CTDS5/nghien-cuu-hieu-qua-xu-ly-nuoc-cua-than-sinh-hoc-trong-he-nuoi-thuy-san-tuan-hoan-nham-ung-dung-cho-mo-hinh-nuoi-tom-giong-4e560824-23b8-4280-a0fc-7b0f0705aed6
[2] Nguyễn Công Mạnh và cộng sự. Khảo sát khả năng hấp phụ xử lý nước của than sinh học tạo thành từ sinh khối phụ phẩm nông nghiệp. Tạp chí Khí tượng Thủy văn.
[3] Thụy Minh. Chế phẩm vi sinh tạo màng sinh học xử lý nước nhiễm dầu. https://ipvietnam.gov.vn/tin-tuc-su-kien/-/asset_publisher/7xsjBfqhCDAV/content/che-pham-vi-sinh-tao-mang-sinh-hoc-xu-ly-nuoc-nhiem-dau-tiet-kiem-30-chi-phi-so-voi-cong-nghe-cu
[4] Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ TP.HCM. Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ: Vai trò của than sinh học (biochar) sản xuất và ứng dụng hiệu quả than sinh học.
[5] Vithanage, M. et al. Mini-Review on Influence of Biochar for Sustainable Agriculture. Journal of Food and Agriculture.
[6] Xiang, W. et al. Biochar technology in wastewater treatment: A critical review. Chemosphere.