Tài liệu Chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phụ phẩm nông nghiệp để xử lý chất hữu cơ trong nước thải làng nghề chế biến nông sản xã dương liễu – huyện hoài đức – thành phố hà nội

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄỄN THỊ LIỄN CHẾẾ TẠO VẬT LIỆU HẤẾP PHỤ TỪ PHẾẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ĐỂ XỬ LÝ CHẤẾT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI LÀNG NGHẾỀ CHẾẾ BIẾẾN NÔNG SẢN XÃ DƯƠNG LIẾỄU – HUYỆN HOÀI ĐỨC – THÀNH PHÔẾ HÀ NỘI Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã sôố: 60 44 03 01 Người hướng dẫẫn khoa học: TS. Nguyêẫn Thị Hôồng Hạnh NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Liên i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc TS.Nguyễn Thị Hồng Hạnh đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Hóa, Khoa Môi trường- Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Bộ môn Hóa và xã Dương Liễu đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Liên ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng vii Danh mục hình ix Trích yếu luận văn x Trích yếu luận văn x Thesis abstract xi Phần 1. Mở đầu 1 vi 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2. Gıả thuyết khoa học 2 1.3. Mục tıêu nghıên cứu 2 1.4. Phạm vı nghıên cứu 2 1.5. Những đóng góp mớı, ý nghĩa khoa học và thực tıễn 3 Phần 2. Tổng quan tài liệu 4 2.1. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp 4 2.1.1. Định nghĩa về phế phẩm nông nghiệp trồng trọt 2.1.2. Phân loại phế phẩm nông nghiệp 4 4 2.1.3. Tình hình phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam 2.1.4. Thành phần và tính chất phế phụ phẩm nông nghiệp 6 2.2. Tổng quan về vỏ trấu 7 2.2.1. Lượng vỏ trấu phát sinh 7 2.2.2. Thành phần chủ yếu của vỏ trấu 8 2.2.3. Một số ứng dụng của vỏ trấu 10 2.3. Tổng quan về bã mía 13 2.3.1. Nguồn gốc 13 2.3.2. Tình hình trữ lượng 13 2.3.3. Thành phần của bã mía 14 iii 5 2.3.4. Một số ứng dụng của bã mía 15 2.4. Hiện trạng môi trường nước tại các làng nghề chế biến nông sản 2.5. Các công nghệ xử lý nước thải chế biến nông sản 2.6. Xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ 21 19 2.6.1. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 2.6.2. Cơ chế của hiện tượng hấp phụ 18 21 23 2.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ 24 Phần 3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 3.1. Địa điểm nghiên cứu 26 3.2. Thờı gıan nghıên cứu 26 3.3. Đốı tượng/vật lıệu nghıên cứu 3.4. Nộı dung nghıên cứu 26 3.5. Phương pháp nghiên cứu 26 26 26 3.5.1. Phương pháp thu thập tài liệu 26 3.5.2. Phương pháp thực nghiệm 27 3.5.3. Một số phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu 3.5.4. Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu 33 3.5.5. Phương pháp tính toán kết quả và xử lý số liệu Phần 4. Kết quả và thảo luận 4.1. 33 35 Kết quả chế tạo vật lıệu hấp phụ 4.1.1. Khối lượng VL tạo thành 31 35 35 4.1.2. Kết quả phân tích thành phần các nguyên tố của sản phẩm 37 4.1.3. Kết quả ảnh chụp SEM của các vật liệu 41 4.1.4. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các vật liệu 43 4.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật lıệu vớı các mẫu nước chứa chất hữu cơ trong phòng thí nghıệm 45 4.2.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu đối với dung dịch CH3COOH 45 4.2.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu đối với dung dịch xanh methylen 53 4.2.3. Đánh giá khả năng hấp phụ của các vật liệu với mẫu nước chứa chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm 61 iv 4.3. Thử nghıệm xử lý nước thảı làng nghề cbns xã dương lıễu bằng vật lıệu chế tạo 62 4.3.1. Tìm hiểu về hiện trạng sản xuất chế biến nông sản tại xã Dương Liễu 62 4.3.2. Hiện trạng môi trường nước tại làng nghề Dương Liễu Phần 5. Kết luận và kıến nghị 5.1. Kết luận 69 5.2. Kıến nghị 69 Danh mục công trình công bố 69 71 Tàı lıệu tham khảo 72 Phụ lục 75 v 63 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt BC BTNMT CBNS CN COD FAO KSON NNPTNT PPPNN PTCN q Qmax UBND VL VLHP Nghĩa tiếng Việt Báo cáo Bộ tài nguyên môi trường Chế biến nông sản Công nghiệp Nhu cầu oxy hóa học Tổ chức lương thực thế giới Kiểm soát ô nhiễm Nông nghiệp phát triển nông thôn Phế phụ phẩm nông nghiệp Phát triển công nghiệp Dung lượng hấp phụ Dung lượng hấp phụ cực đại Ủy ban nhân dân Vật liệu Vật liệu hấp phụ vi DANH MỤC BẢNG 2.1. Thành phần hoá học của một số phế phụ phẩm nông nghiệp.............................7 2.2. Đặc trưng thành phần hoá học của nguyên liệu trấu...........................................8 2.3. Thành phần hóa học của tro đốt từ trấu...............................................................9 2.4. Kết quả xác định thành phần nguyên tố của vỏ trấu...........................................9 2.5. Tình hình sản xuất mía đường và trữ lượng mía đường trên thế giới từ 2007 – 2012...................................................................................................14 2.6. Thành phần hoá học của bã mía........................................................................14 2.7. Đặc trưng nước thải một số làng nghề chế biến nông sản.................................19 2.8. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ..........................................................................21 3.1. Số liệu xây dựng đường chuẩn dung dịch xanh methylen................................30 3.2. Vị trí lẫy mẫu nước thải tại làng nghề xã Dương Liễu......................................33 3.3. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích nước thải.............................................33 4.1. Khối lượng VL chế tạo từ vỏ trấu.....................................................................35 4.2. Khối lượng VL chế tạo từ bã mía......................................................................36 4.3. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố của các VL từ vỏ trấu và bã mía ...........................................................................................................................39 4.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các VL đối với dung dịch CH3COOH........................................................................................45 4.5. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến khả năng hấp phụ axit axetic của các loại vật liệu.................................................................................48 4.6. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch axit axetic đến khả năng hấp phụ của các loại VL........................................................................................................50 4.7. Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại đối với axit axetic của các loại vật liệu...............................................................................................................52 4.8. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với dung dịch xanh methylen......................................................................54 4.9. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến khả năng hấp phụ xanh methylen của các VL.........................................................................................56 vii 4.10. Ảnh hưởng của nồng độ xanh methylen ban đầu đến khả năng hấp phụ của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B, 4....................................................................58 4.11. Dung lượng hấp phụ cực đại của các vật liệu hấp phụ đối với dung dịch Xanh methylen..................................................................................................61 4.12. Thống kê các sản phẩm chủ yếu năm 2015.......................................................63 4.13. Lượng nước thải của làng nghề Dương Liễu năm 2015...................................64 4.14. Đặc trưng nước thải làng nghề xã Dương Liễu.................................................65 4.15. Kết quả thử nghiệm khả năng hấp phụ của các vật liệu biến tính với nước thải làng nghề xã Dương Liễu..................................................................66 4.16. Dung lượng hấp phụ của các vật liệu trong khoảng thời gian từ 30 đến 150 phút.............................................................................................................67 viii DANH MỤC HÌNH 2.1. Một số loại bã thải nông nghiệp............................................................................5 2.2. Biểu đồ thể hiện sản lượng một số loại cây trồng qua các năm............................5 2.3. Quy trình xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột xã Tân Hòa, huyện Quốc Oai – Thành phố Hà Nội............................................................................20 2.4. Quy trình xử lý nước thải tinh bột mỳ tại nhà máy Phước Long.........................20 2.5. Đường hấp phụ đẳng nhiệt langmuir...................................................................23 2.6. Sự phụ thuộc Ccb/q và Ccb....................................................................................23 3.1. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch xanh methylen.......................31 4.1. Giản đồ phân tích nhiệt DSC mẫu vỏ trấu...........................................................35 4.2. Giản đồ phân tích EDX.......................................................................................38 4.3. Hình ảnh các loại vật liệu....................................................................................42 4.4. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các vật liệu...............................................................43 4.5. Cấu trúc của chuỗi xenlulozo..............................................................................44 4.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ axit axetic................................46 4.7. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ axit axetic của các loại vật liệu hấp phụ....................................................................................................47 4.8. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu suất hấp phụ của vật liệu..................49 4.9. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến dung lượng hấp phụ của vật liệu .............................................................................................................................49 4.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với dung dịch CH3COOH.................51 4.11. Sự phụ thuộc của Ccb/q và Ccb với dụng dịch CH3COOH....................................51 4.12. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B.......................................................................................55 4.13. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B.......................................................................................55 4.14. Mối quan hệ giữa khối lượng vật liệu và hiệu suất hấp phụ của VL 1A, VL 1B, VL 2A, VL 3A, VL 3B............................................................................57 4.15. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với dung dịch xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B, 4......................................................................60 4.16. Sự phụ thuộc của Ccb/q và Ccb với dụng dịch xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B, 4.........................................................................................60 ix TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu về các vật liệu hấp phụ được chế tạo từ hai loại nguyên liệu trấu và bã mía bằng các phương pháp khác nhau: Trấu sau khi được rửa sạch, phơi khô tạo thành vật liệu trấu thô (VL 1A); bã mía cắt nhỏ, rửa nhiều lần bằng nước để loại bỏ đường, đun sôi ở 100 oC trong vòng 50 phút, rửa sạch và phơi khô tự nhiên tạo thành vật liệu mía thô (VL 1B). Các vật liệu thô (VL 1A và VL1B) tiếp tục được đem chế tạo bằng 2 phương pháp đốt yếm khí ở 700oC và hoạt hóa bằng axit sunfuric đặc 98% trong 48 giờ. Sau chế tạo thu được bốn loại vật liệu biến tính khác nhau: VL 2A, 2B, 3A, 3B. Kết quả khảo sát cho thấy trấu được nhiệt hóa ở 700 oC có kích thước cấp hạt nhỏ, khả năng hấp phụ axit axetic cao 53,191mg/g, hấp phụ xanh methylen 62,5 mg/g. Mía được nhiệt hóa bằng axit có kích thước cấp hạt nhỏ, nhưng không tính được khả năng hấp phụ axit axetic do mẫu có chứa nhiều các nguyên tố kiềm, kiềm thổ làm ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. Các vật liệu được hoạt hóa bằng axit sunfuric có cấp hạt lớn hơn và khả năng hấp phụ axit axetic và xanh methylen kém hơn so với vât liệu trấu được nhiệt hóa. Các vật liệu biến tính tiếp tục được dùng để xử lý các chất hữu cơ trong nước thải làng nghề chế biến nông sản xã Dương Liễu tại các nồng độ 4980 mg/l, 1860 mg/l, 985 mg/l, 540 mg/l trong thời gian từ 30 đến 150 phút. Kết quả trong điều kiện thí nghiệm cho thấy, các vật liệu đều có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ tốt, trong đó, VL2A có khả năng hấp phụ tốt nhất. Trên cơ sở này, vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu và bã mía sẽ được ứng dụng để hoàn thiện quy trình công nghệ có khả năng xử lý triệt để chất hữu cơ trong nước thải tại làng nghề xã Dương Liễu và các làng nghề khác có tính chất nước thải tương tự. Từ khóa: Vỏ trấu, bã mía, hấp phụ, chất hữu cơ x THESIS ABSTRACT This report presents the results of research on the adsorbents are made rice husk and bagasse by different methods: After being washed and dried, rice husk will become raw husk (VL 1A); bagasse cut into small pieces, repeatedly washed by water to remove sugar, boiled at 100 0C within 50 minutes and naturally washed and dried to have raw bagasse (VL 1B). The raw materials (VL1 1A and VL 1B) will be continuously manufactured by virtue of anaerobic heat at 700 0C and activated by condensed sulfuric acid 98% within two days. The four different denatured materials got after manufacture includes VL 2A, 2B, 3A, 3B. The investigation reveals that rice husk thermalized at 700 0C may highly absorb acetic acid 53,191 mg/g and methylene blue 62,5 mg/g. Bagasse is thermalized at the finely granular level; nevertheless, acetic acid absorbing capacity is not able to count owing to alkali and alkaline-earth metals. The materials thermalized by sulfuric acid at the larger granular level and acetic acid and methylene blue absorbing capacity is lower than thermalized rice husk. The denatured materials will be continuously made in use to process organic substance in sewage at 4980mg/l, 1860 mg/l, 985 mg/l, and 540mg/l from 30 to 150 minutes in Duong Lieu agricultural village. The result after being experimented indicates the materials are greatly absorbable in which VL2A is the best, absorbing capacity within 150 minutes is 117,97 mg/g. It can be started that absorbent from rice husk and bagasse will be applied to make the technology procedure complete in order to process organic substance in Duong Lieu agricultural village as well as other similar ones. Keywords: rice husk, bagasse, adsorption, organic matter xi PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trải qua gần 30 năm của quá trình đổi mới, nền kinh tế nước ta như được “thay da, đổi thịt” hoàn toàn: Các thành phố, nhà máy, xí nghiệp, công trình giao thông, khu công nghiệp, khu đô thị, khu dân cư mọc lên như nấm xuyên suốt mảnh đất hình chữ S. Nền kinh tế phát triển đã làm cho đời sống của người dân không ngừng được cải thiện và nâng cao. Tuy nhiên, vấn đề ô nhiễm môi trường hầu như vẫn chưa được quan tâm đúng mức, trong đó có ô nhiễm môi trường nước. Hiện nay, ô nhiễm môi trường nước do chất hữu cơ khá nghiêm trọng. Các chất ô nhiễm này có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, đường miệng, qua da …, nếu hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây rối loạn chức năng sinh lý của cơ thể sống, gây các bệnh ung thư, thần kinh. Do vậy, việc nghiên cứu, loại bỏ chúng ra khỏi môi trường có ý nghĩa hết sức quan trọng. Đã có rất nhiều phương pháp xử lý ô nhiễm nước được áp dụng: Phương pháp sinh học, phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý. Vì vậy, cũng đã có rất nhiều nguyên liệu khác nhau được sử dụng để chế tạo vật liệu hấp phụ, trong đó phế phụ phẩm nông nghiệp như: lõi ngô, vỏ lạc, vỏ trấu, xơ dừa … đang được các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam quan tâm nghiên cứu. Những vật liệu này có một số ưu điểm nổi bật như: nguyên liệu sử dụng làm chất hấp phụ khá phong phú, dễ điều chế, thân thiện với môi trường và có độ an toàn cao. Dương Liễu là một xã thuộc huyện Hoài Đức - thành phố Hà Nội, nổi tiếng với nghề chế biến nông sản như tinh bột sắn, miến dong, bún khô, phở khô … Sự phát triển của làng nghề nơi đây đã tạo công ăn việc làm cho hàng nghìn lao động, đưa Dương Liễu trở thành xã có thu nhập bình quân đứng thứ 3 trong toàn huyện Hoài Đức. Tuy nhiên, thời kỳ mùa vụ, trung bình mỗi ngày xã tiếp nhận khoảng 1.200 – 1.500 tấn nguyên liệu nên đã tạo ra áp lực rất lớn lên chất lượng môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng, trong đó, chủ yếu là ô nhiễm chất hữu cơ. Vì vậy, yêu cầu cấp thiết là làm sao có thể xử lý triệt để các chất ô nhiễm này trong nước để vừa phát triển kinh tế mà vẫn đảm bảo chất lượng môi trường. 1 Xuất phát từ ý tưởng trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phụ phẩm nông nghiệp để xử lý chất hữu cơ trong nước thải làng nghề chế biến nông sản xã Dương Liễu – huyện Hoài Đức – thành phố Hà Nội” 1.2. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC - Vỏ trấu và bã mía có khả năng chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) do thành phần chính của chúng là xenlulo, hàm lượng cacbon cao, có khả năng biến tính để tạo thành dạng vật liệu (VL) tương tự than hoạt tính. - VL chế tạo có cấu trúc tốt, có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm. Việc đánh giá cấu trúc VL dựa trên các tiêu chí sau: + Hiệu suất chế tạo về khối lượng; + Đánh giá cấu trúc vật liệu thông qua phân tích thành phần hóa học, xác định cấu trúc bề mặt, thành phần cấp hạt, cấu trúc tinh thể và diện tích bề mặt riêng của VL. + Đánh giá dung lượng hấp phụ cực đại của các vật liệu với axit axetic và xanh methylen. - VL có khả năng hấp phụ chất hữu cơ trong nước thải làng nghề xã Dương Liễu, hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ tốt. 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu biến tính vỏ trấu và bã mía để tạo ra các vật liệu có khả năng hấp phụ tốt chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm. - Ứng dụng để xử lý chất hữu cơ trong nước thải làng nghề CBNS xã Dương Liễu - huyện Hoài Đức - thành phố Hà Nội. 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu biến tính vỏ trấu và bã mía để tạo ra các loại vật liệu hấp phụ khác nhau từ hai phương pháp: đốt yếm khí và hoạt hóa bằng axit sunfuric 98%; - Nghiên cứu thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu; - Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu với axit axetic và xanh methylen; - Quy mô sản xuất và xác định hàm lượng chất hữu cơ của nước thải làng nghề CBNS xã Dương Liễu; 2 - Xử lý thử nghiệm với mẫu nước thải tại làng nghề xã Dương Liễu có COD từ 540 mg/l đến 4.980 mg/l bằng các VL chế tạo. 1.5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học: + Đã chế tạo được các vật liệu từ vỏ trấu và bã mía có khả năng hấp phụ tốt các chất hữu cơ: dung dịch axit axetic, dung dịch xanh methylen, chất hữu cơ trong nước thải làng nghề CBNS Dương Liễu. + Đã đưa ra được một phương pháp mới để xử lý, tái sử dụng các các phế phụ phẩm nông nghiệp, hạn chế phát thải gây ô nhiễm môi trường. - Ý nghĩa thực tiễn: +Tìm và chế tạo được vật liệu hấp phụ từ nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp rẻ tiền, sẵn có, là đối tượng phát thải gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng lại để chế tạo thành vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường; +Giảm bớt kinh phí xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp; +Nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm; +Góp phần vào vệ sinh môi trường sống của con người; +Các kết quả thu được là cơ sở để hoàn thiện quy trình xử lý nước thải giúp xử lý triệt để các chất hữu cơ trong nước thải nghiên cứu. 3 PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. TỔNG QUAN VỀ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP 2.1.1. Định nghĩa về phế phẩm nông nghiệp trồng trọt Theo Đỗ Văn Sáng, (2008): Phế phụ phẩm nông nghiệp là những sản phẩm nông nghiệp không đạt yêu cầu về kích thước, phẩm chất, giá trị sử dụng … đã quy định, phải loại bỏ nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng hoặc chế biến. Phế phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ, có thể còn non, xanh, có thể đã xơ cứng vì silic hóa như trấu hay lignin hóa 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. 2.1.2. Phân loại phế phẩm nông nghiệp Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch. Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Dựa vào nguồn gốc phát sinh, bã thải nông nghiệp được chia làm hai loại khác nhau: - Phế phụ phẩm trực tiếp: Đây là những chất hữu cơ trực tiếp phát sinh trên đồng ruộng như: rễ, thân, lá cây trồng già cỗi hoặc sau thu hoạch. Những phế phẩm này thường được sử dụng lại ngay trên đồng ruộng để trả lại một phần chất hữu cơ cho đất, bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ … Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã. Các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng. - Phế phụ phẩm sau chế biến: Những phế phụ phẩm này bao gồm: Vỏ trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ cà phê, bãi sắn, mùn cưa ... Loại phế phụ phẩm này được sử dụng chủ yếu để làm chất đốt, một phần nhỏ khác sử dụng cho các mục đích như làm vật liệu xây dựng, vật liệu xử lý môi trường … Tuy nhiên, hiện nay kinh tế phát triển mạnh, kéo theo việc sử dụng các phụ phẩm này làm chất đốt đã giảm đi rất nhiều so với trước đây. Chính vì vậy, để loại bỏ các phế phẩm không mong muốn này, người sản xuất đã vứt bừa bãi hoặc đốt bỏ, gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. 4 Hình 2.1. Một số loại bã thải nông nghiệp 2.1.3. Tình hình phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam Ngành nông nghiệp trồng trọt là một trong những ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam. Mặc dù diện tích đất nông nghiệp giảm nhưng sản lượng, năng suất cây trồng luôn tăng qua các năm thể hiện qua biểu đồ sau: Hình 2.2. Biểu đồ thể hiện sản lượng một số loại cây trồng qua các năm Nguồn: Tổng cục Thống kê và Bộ NN & PTNT (2015) 5 Cùng với sự tăng trưởng về sản lượng nông nghiệp là sự gia tăng về khối lượng phế phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch và chế biến lên đến hàng chục triệu tấn. Cụ thể, mỗi năm nguồn sinh khối trấu của nước ta khoảng 100 triệu tấn, mùn cưa 250 triệu tấn, vỏ lạc 4,5 triệu tấn, vỏ hạt điều, bã mía, gỗ vụn khoảng 400 triệu tấn (Trần Linh, 2010). Trong đó, phụ phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng Sông Cửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và duyên hải Nam trung bộ. Phụ phẩm mùn cưa tập trung nhiều ở miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc. Vỏ cà phê có nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên. Trong khi đó hiện nay công tác quản lý và xử lí các phế phụ phẩm này mới chủ yếu dừng lại ở một số hình thức như: sử dụng trực tiếp làm phân bón, thức ăn cho gia súc, làm giá thể trồng nấm, còn lại phần lớn là bỏ lại đồng ruộng hoặc đốt trực tiếp gây ảnh hưởng không nhỏ tới chất lượng môi trường đồng thời làm thất thoát nhiều thành phần hữu ích từ chính các phế phụ phẩm này. Những năm gần đây, tiến bộ khoa học kỹ thuật đã giúp tận thu các phế, phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông sản, thực phẩm để sản xuất phân hữu cơ vi sinh, vật liệu xây dựng, thức ăn chăn nuôi, khí đốt, năng lượng… Tuy nhiên việc sản xuất vẫn còn hạn chế, chưa được nhân rộng mà chỉ diễn ra trên quy mô hộ gia đình. Do đặc thù của sản xuất nông nghiệp của nước ta hiện nay vẫn còn mang tính nhỏ lẻ, phân tán nên việc thu gom, phân loại phế phụ phẩm nông nghiệp rất khó khăn. Chính vì vậy phế phẩm nông nghiệp không được tận dụng triệt để, một lượng lớn phế phẩm được thải bỏ bằng cách đốt thậm chí đổ xuống ao, hồ, sông suối… vừa gây lãng phí, vừa gây ô nhiễm môi trường. 2.1.4. Thành phần và tính chất phế phụ phẩm nông nghiệp Hầu hết các phế phụ phẩm nông nghiệp đều có hàm lượng chất xơ rất cao ví dụ như rơm chứa 34% chất xơ, lá mía chiếm 43%...nên rất khó tiêu hoá. Mặt khác một số loại phế phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía…Đó cũng là lí do làm cho người nông dân chỉ sử dụng một phần các loại phế phụ phẩm này ở dạng tươi làm thức ăn cho gia súc. Trong các nghiên cứu về phế phụ phẩm nông nghiệp cho thấy thành phần chủ yếu của chúng là các nguyên tố Cacbon, Nitơ, Photpho, Oxi, Silic … Đặc biệt Silic là nguyên tố không chỉ chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần tươi mà còn khá nhiều trong thành phần tro của các phế phụ phẩm. 6 Bảng 2.1. Thành phần hoá học của một số phế phụ phẩm nông nghiệp TT Loại tro 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Cói Rạ chiêm Cây sậy Thân ngô Rạ mùa Lá mía Rạ nếp Tầu dừa Dâu tằm Bã mía Mạt cưa Lá phi lao Cây sú vẹt Cây trinh nữ Cây vừng Cây đay Trấu Trấp Cây sắn Cây bông % tan trong nước 37,0 3,2 9,5 13,7 6,8 8,1 5,9 35,0 20,4 16,5 6,4 0,8 17,0 25,2 35,7 51,9 4,2 0,8 32,1 33,8 % tan trong HCl 57,0 13,3 26,9 36,2 18,2 19,3 11,0 76,2 70,1 39,1 54,6 41,5 56,1 70,8 93,0 89,2 4,6 9,0 98,4 94,8 SiO2 Al2O3 Fe2O3 P2O5 K2O CaO 43,0 86,7 73,1 63,8 81,8 80,7 89,0 23,8 29,9 60,9 45,4 58,5 43,9 29,2 7,0 10,8 95,4 91,0 1,6 5,2 1,34 2,04 1,08 0 0 0 0,3 0 0,4 0,2 2,2 4,3 3,6 0,6 0 0 0 5,8 0 0 1,49 3,19 2,79 2,09 3,29 1,49 1,29 1,49 1,59 1,29 3,69 3,09 1,19 2,19 1,19 0,50 2,39 1,09 1,49 1,49 3,3 0,9 3,3 9,5 1,2 2,3 0,6 6,4 8,8 8,4 2,0 1,0 1,6 5,8 7,9 4,8 0,6 0,4 19,0 16,4 22,2 2,0 5,4 8,3 4,1 5,0 3,5 21,0 12,2 9,9 3,8 0,5 10,2 15,7 21,4 31,2 2,5 0,5 19,2 20,3 6,4 2,6 5,1 5,2 3,8 5,5 1,7 11,2 25,1 3,8 20,6 17,5 12,2 16,6 24,4 18,2 0,8 0,5 17,7 23,2 Nguồn: Bùi Huy Hiền (2013) 2.2. TỔNG QUAN VỀ VỎ TRẤU 2.2.1. Lượng vỏ trấu phát sinh Việt Nam là một nước nông ngiệp, hàng năm lượng phế thải dư thừa trong quá trình chế biến các sản phẩm nông sản, thực phẩm rất lớn như rơm rạ, vỏ trấu, chuối, xơ dừa, bã mía...Theo nghiên cứu Nguyễn Bá Tuấn (2012), Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu đời, từ lâu cây lúa đã gắn liền với đời sống của nhân dân. Không những hạt lúa được sử dụng làm lương thực chính mà các phần còn lại sau thu hoạch lúa cũng được người dân tận dụng trở thành những vật liệu có ích trong đời sống hàng ngày. Vỏ trấu có thể làm chất đốt, bón cây để tăng độ xốp của đất, làm vật liệu xây dựng. Lúa là một trong năm loại cây lương thực chính của thế giới. Hạt lúa sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài thu được các phụ phẩm là cám và trấu. Năm 2011, theo thống kê của Bộ NNPTNT sản lượng gạo Việt Nam là 42 triệu tấn. Trong số đó, sản lượng trấu thu gom được khoảng 4-5 triệu tấn, phần còn lại không thu gom 7 được bị thải ra ngoài môi trường. Tại đồng bằng sông Cửu Long, các nhà máy xay xát đổ trấu xuống sông, rạch; vỏ trấu trôi lềnh bềnh đi khắp nơi, chìm xuống đáy, gây ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của người dân. Với các tính chất tự nhiên như cứng, có xơ, dễ gây trầy khiến các sản phẩm làm từ trấu có độ dinh dưỡng thấp độ ăn mòn cao, lượng tro quá nhiều. Do ít có giá trị kinh tế cũng như giá trị sử dụng nên vỏ trấu được coi như một loại phế thải nông nghiệp và là một trong những yếu tố gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, việc tái chế, tận dụng chất thải không những đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Nghiên cứu xử lý các kim loại nặng và chất hữu cơ bằng các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với môi trường được chế tạo từ phế thải nông nghiệp là khía cạnh được nhiều tác giả trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu. 2.2.2. Thành phần chủ yếu của vỏ trấu Vỏ trấu được tách ra trong quá trình xay xát lúa gạo. Theo Nguyễn Bá Tuấn (2012), trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi cháy trong quá trình đốt và còn 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu là xellulose, ligin và Hemi-xellulose, ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất chứa nitơ và vô cơ. Ligin chiếm khoảng 25-30% và xellulose chiếm khoảng 35-40%. Bảng 2.2. Đặc trưng thành phần hoá học của nguyên liệu vỏ trấu STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Thành phần Độ ẩm Protein thô Dầu trấu thô (bay hơi) Dịch chiết không chứa nitơ Sợi thô Tro Pentosan Xellulose Thành phần không tan của tro trong axit. (Tính theo lượng tro thu được) Hàm lượng (%) 2,4 - 11,4 1,7 - 7,4 0,4 - 3,0 24,7 - 38,8 31,7 - 49,9 13,2 - 29,0 16,9 - 22,0 34,3 - 43,8 13,7 - 20,8 Nguồn: Lê Thị Hoài Nam và cs. (2010) Thành phần hoá học của vỏ trấu biến động theo giống lúa, mùa vụ, đặc trưng canh tác nông nghiệp của từng vùng khác nhau. Qua đánh giá và theo dõi nhiều năm ở nhiều nước trên thế giới, thành phần hoá học của vỏ trấu có đặc trưng được trình bày trong bảng 2.2. Hàm lượng của các thành phần trong trấu có biên độ dao động lớn. 8