Biocarbon với sản xuất nông nghiệp

Biocarbon với sản xuất nông nghiệp Biocarbon hay Biochar là than sinh học, có hạt mịn được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân từ nguyên liệu có nguồn gốc sinh khối thực vật và rác thải. Nhiệt phân là sự phân hủy hóa học của vật liệu hữu cơ bằng cách đun nóng trong sự vắng mặt của oxy. Biocarbon Biocarbon hay Biochar là than sinh học, có hạt mịn được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân từ nguyên liệu có nguồn gốc sinh khối thực vật và rác thải. Nhiệt phân là sự phân hủy hóa học của vật liệu hữu cơ bằng cách đun nóng trong sự vắng mặt của oxy. Vào năm 1545, trong khu rừng rậm vùng Amazon, các nhà thám hiểm Tây Ban Nha lần đầu tiên thấy các khu vườn tươi tốt, ở đó đất sâu giàu màu đen - đất Terra Preta (Tiếng Bồ Đào Nha: đất đen) - không giống như những nơi mà họ từng thấy trước đây. Theo những kết quả nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra được cách mà những người cổ đại đã tạo ra làm cho đất dồi dào dinh dưỡng. 2.500 năm trước, đất đen đã được sản xuất từ bột than, phân trâu bò và cỏ rác tự nhiên, có tác dụng làm tăng độ phì nhiêu của đất, ảnh hưởng tốt đến sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng. Theo GS Solomon, Dawit, Johannes Lehmann et al trong Molecular signature and sources of biochemical recalcitrance of organic carbone in Amazonian Dark Earths, (2007): Terra Preta của nông dân địa phương ở lưu vực Amazon của Brazil lưu hành là loại được tạo ra bởi con người từ năm 450 BC (trước công nguyên) và 950 AD (sau công nguyên) ở độ sâu đến 2m, hiện người dân ở đây đã và đang tìm kiếm để khai thác “mỏ vàng đen” này sử dụng và để bán làm phân hữu cơ có giá trị. Hiện nay, nhiều vùng trên khắp hành tinh đã áp dụng than sinh học cho đất, họ đã xây dựng giao thức mới về điều này, chẳng hạn ở Hoa Kỳ đã có những báo cáo xuất sắc về than sinh học được trình bày trên các tạp chí điện tử và nhiều bài viết với cái tên hấp dẫn “Từ rác đến vàng - From Garbage to Gold” được đăng trên nhiều tạp chí. Phương pháp sản xuất Biocarbon Biocarbon được sản xuất từ những nguyên liệu là sinh khối thực vật (rơm, rạ, cây cối, bã mía, xơ dừa), rác thải… bằng phương pháp nhiệt phân. “Phương pháp nhiệt phân” có thể sản xuất bằng lò thủ công hoặc sản xuất trong các nhà máy lớn, cũng có thể bằng Biochar Reactor kéo đi lưu động. Chẳng hạn ở Indonesia có công ty sản xuất ở quy mô công nghiệp với công suất tới 200 tấn biocarbon/ngày. Hai phương pháp chính là nhiệt phân “nhanh” và nhiệt phân “chậm”. Ngoài ra, công nghệ vi sóng gần đây đã được sử dụng một cách hiệu quả trong việc chuyển đổi các chất hữu cơ thành than sinh học ở quy mô công nghiệp. Ngày xưa, việc sản xuất than sinh học như là một phụ gia đất đã được thực hiện trong các "hố, hầm" hay "rãnh". Phương pháp này là một tiềm năng để sản xuất than sinh học ở khu vực nông thôn. Hiện nay, các công ty đang sản xuất theo phương pháp hiện đại có quy mô lớn xử lý chất thải nông nghiệp, phụ phẩm giấy, cao su và thậm chí cả chất thải đô thị. Có ba hệ thống chính để triển khai phương pháp nhiệt phân. Đầu tiên là một hệ thống tập trung, nơi tất cả sinh khối trong khu vực sẽ được đưa đến một nhà máy nhiệt phân để xử lý. Hệ thống thứ hai là một lò nhiệt phân công nghệ thấp hơn cho từng nông hộ hoặc một nhóm nhỏ của nông dân. Thứ ba là một hệ thống di động, như một chiếc xe tải được trang bị thiết bị nhiệt phân để nhiệt phân sinh khối. Brazil là nước thuận lợi trong việc sản xuất Biocarbon bởi hàng năm họ thu hoạch khoảng 460Mt mía, như vậy có khoảng 100Mt dư lượng có thể đưa vào lò nhiệt phân. Tại Indonesia, một trong những nước sản xuất nhiều dầu cọ ở châu Á, từ cây cọ dầu (Oil Palm) sẽ cho 10% dầu, còn 90% sinh khối (cây, lá, quả, vỏ quả, xơ, buồng hoa, buồng quả...) đều là nguyên liệu để sản xuất Biochar. Michael J. Antal, J và các nhà nghiên cứu tại Đại học Hawaii (UH) đã cho biết, nhiệt độ lý tưởng để nhiệt phân là khoảng 500oC. Các công nghệ carbon hóa UH Flash được bảo vệ bởi bằng sáng chế ở Mỹ năm 2003 đã được áp dụng ở bang Hawaii, nhiều tiểu bang và quốc gia khác. Nguyên liệu được dùng ở đây bao gồm củi gỗ bạch đàn và gỗ sồi và sản phẩm phụ nông nghiệp như vỏ quả, lõi ngô, dứa, chất thải chế biến gỗ như mùn cưa gỗ, vỏ bào, các loại cây nhỏ và các vật liệu tổng hợp như lốp ô tô... Còn trong Dự án Biochar Thụy Sỹ (CarbonZero Project - Switzerland, 2007), để có hiệu quả cao với các thông số cho phép thực hiện trong điều kiện vắng mặt oxygen, nhiệt độ thích hợp trong khoảng 500-700oC và với quy mô lớn để sản xuất than sinh học, người ta đã cho ra các lò phản ứng Cacbon Zero (Carbon Zero Biochar Reactor) để sản xuất than sinh học với giá thấp. Ngoài ra, các lò phản ứng cũng tạo ra các khí tổng hợp (một sự kết hợp của hydro, carbon monoxide và methane) và các sản phẩm phụ khác. Các khí này có thể được sử dụng để thay thế cho khí propane và gas tự nhiên, sản xuất nhiệt cho các nhà kho hoặc nhà kính gia cầm. Nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng cho máy bơm tưới tiêu thông qua một bộ trao đổi nhiệt và động cơ hơi nước hiện đại, hoặc để tạo ra điện năng. Các thông số hoạt động có thể được điều chỉnh về phạm vi nhiệt độ hoặc thời gian mong muốn. Chuyển đổi hiệu quả của các sinh khối gỗ để cho 30-33% than sinh học. Vì vậy, mỗi thiết bị này sẽ sản xuất 300-330 kg/tấn than sinh học từ sinh khối. Một khi các phản ứng nhiệt phân đã bắt đầu, nó tự duy trì, không đòi hỏi đầu vào năng lượng bên ngoài. Sản phẩm phụ của quá trình này bao gồm các khí tổng hợp (H2 + CO), số lượng nhỏ của khí mê-tan (CH4), hắc ín, các axit hữu cơ và nhiệt dư thừa. Sử dụng Biocarbon trong nông nghiệp Biocarbon được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như để hấp thụ CO2 góp phần làm giảm khí nhà kính, làm chậm sự biến đổi khí hậu hoặc để sản xuất biofilter dùng lọc nước uống trong các gia đình, hoặc dùng xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt… nhưng trong nông nghiệp vẫn được dùng nhiều hơn. Theo GS Lehmann, bộ môn Địa Hoá học đất, trường Đại học Stanford (2007), khi được sử dụng rộng rãi, thuật ngữ Biochar (than sinh học) được hiểu là than từ bất kỳ sinh khối phế thải nào. Trong bối cảnh rộng hơn, Biochar có thể được hiểu là chất sử dụng để cải thiện chất lượng đất. Những người đam mê than sinh học nói chung đồng ý rằng, nguyên than sinh học cần phải được xử lý thêm trước khi được bổ sung vào khu vườn hoặc ủ trộn với phân hữu cơ, thường được sử dụng để tạo vật chất mang các vi sinh vật và chất dinh dưỡng có lợi. Than sinh học có diện tích hoạt động bề mặt cao hơn so với than khác và ngày càng có nhiều người quan tâm đến đặc điểm tiềm năng của than sinh học. Các hoạt động của dự án than sinh học Thụy Sỹ đã chứng minh tác dụng của than này đối với đất. Họ đưa than sinh học thực nghiệm tại Terrigal (Australia) với các công thức thí nghiệm: 1. Đất đồng bằng, 2. Đất + NPK (Nitơ, Phospho và phân bón Kali), 3. Đất + than sinh học, 4. Đất + NPK + than sinh học, tỷ lệ ứng dụng than sinh học vào ngày 3 lô thử nghiệm là 50 tấn/ha. Sau 10 tuần, ở các lô thử nghiệm cho thấy ở các công thức thí nghiệm có Biocarbon đều cho kết quả tốt và hiệu ứng tương tự cũng được thấy trong nhiều loại đất và các địa điểm khác trên thế giới (ảnh 5). Than sinh học được sử dụng phổ biến trên các lĩnh vực nông nghiệp và tích hợp vào các lớp trên của đất bởi nó có nhiều lợi ích, như làm tăng năng suất cây trồng đáng kể trên đất đang trong tình trạng nghèo, giúp ngăn chặn dòng chảy và mất mát phân bón, cho phép sử dụng phân bón ít hơn và giảm bớt ô nhiễm môi trường xung quanh mà vẫn giữ được độ ẩm, giúp cây qua được các thời kỳ hạn hán dễ dàng hơn. Quan trọng nhất, nó bổ sung dưỡng chất cho đất. Carbon hữu cơ sẽ thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật đất cần thiết cho sự hấp thụ chất dinh dưỡng, đặc biệt là nấm rễ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng carbon trong than sinh học vẫn ổn định trong thiên niên kỷ này, cung cấp một phương tiện đơn giản, bền vững để cô lập lượng khí thải carbon, đó là công nghệ khả thi ở các nước phát triển hay đang phát triển. Than sinh học được tạo ra từ sinh khối có khả năng hấp thụ khoảng 50% CO2 khí quyển và đó là nguyên liệu cần thiết cho quang hợp của thực vật. Các chất hữu cơ và vô cơ có chứa nhiều nguyên tử carbon có khả năng cung cấp một khối lượng dự trữ carbon lâu dài hơn so với than củi. Do đó, than sinh học cho chúng ta một cơ hội vàng để loại bỏ CO2 dư thừa từ khí quyển do khí thải các nhà máy, nạn phá rừng và cô lập nó một cách gần như thường xuyên và có lợi cho môi trường. Download Flash Saibhaskar Nakka (2007) còn cho rằng, than sinh học là than cần cho đất, được sử dụng đối với đất cùng với các sửa đổi khác để nâng cao độ phì nhiêu của đất. Loại đất đen có hàng ngàn năm trước được tạo ra trong các vùng của lưu vực sông Amazon cho đến khi có người Âu Châu đến. Tại châu Á, giá trị của than sinh học đã được biết đến nhiều tại Ấn Độ và được sử dụng như một thói quen truyền thống và văn hóa cho các mục đích khác nhau, bởi vậy than này không bao giờ được coi là một loại vật liệu chất thải. Mặc dù việc bổ sung than cho các loại đất được thực hiện như là một thói quen, nhưng nó vẫn là một phần của truyền thống canh tác tại Ấn Độ, khi chúng ta khám phá và chứng minh rằng các nông dân ở đây đã sử dụng than củi từ hàng trăm năm để sản xuất nông nghiệp bền vững. Nhiều nghiên cứu cho thấy, than sinh học có một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc giải quyết một số thách thức lớn nhất đối với nhân loại ngày nay. Như vậy, việc tiếp tục thực hiện chương trình: nghiên cứu công nghệ, phát triển, triển khai và phổ biến - RDD & D (Technology Research, Development, Deployment and Diffusion) của than sinh học và công nghệ nhiệt phân là hoàn toàn cần thiết. Trong bài viết “Than sinh học có thể cứu vãn hành tinh?” (Can biochar save the planet), GS.TS Tim Flannery - Đại học Mcquarie, Úc (2009) cho rằng, than sinh học có thể là đại diện cho các sáng kiến quan trọng nhất đối với môi trường trong tương lai của nhân loại. Theo Azadeh Ansari (2009), ngay ở Đại học Georgia đã có một nhà máy có thể nắm giữ một trong những giải pháp cho các vấn đề lớn về môi trường như năng lượng, sản xuất lương thực và thậm chí thay đổi khí hậu toàn cầu. Bibens - một kỹ sư ở đây cho biết “đặc sản ở đây là than sinh học", một loại than rất xốp được làm từ chất thải hữu cơ. Các nguyên liệu được dùng là các thứ bất kỳ thu được của rừng, của chất thải nông nghiệp và chất thải động vật như dăm gỗ, vỏ bắp, vỏ đậu phộng, thậm chí phân gà. Than sinh học thu được có tính chất xốp có thể giúp đất giữ nước, chất dinh dưỡng, bảo vệ các vi sinh vật trong đất. Việc tăng cường năng lực lưu giữ chất dinh dưỡng của đất bởi than sinh học không chỉ làm giảm các yêu cầu phân bón mà còn tác động tích cực đến khí hậu và môi trường của đất canh tác. Nghiên cứu cho thấy, do tính chất vật lý, hóa học của than sinh học mà nó có một khả năng độc đáo để thu hút và giữ độ ẩm cũng như chất dinh dưỡng và hóa chất nông nghiệp, thậm chí còn giữ lại chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Nghiên cứu gần đây đã chứng minh than sinh học không chỉ làm giàu đất mà còn giảm 50- 80% lượng khí carbon dioxide (CO2) và các oxit nitơ (NO2) phát thải. Mà NO2 là khí nhà kính đáng kể, mạnh hơn CO2 tới 310 lần. Than sinh học lại có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lỗ rỗng phức tạp (1g có thể có một diện tích bề mặt hơn 1.000m2) nên có khả năng hấp thụ nước, tạo thành các “hồ”, các “bể” nước dưới mặt đất để giữ lại lượng nước và dinh dưỡng rất lớn cho đất. Nhờ đó cung cấp một môi trường sống an toàn cho cây và các vi sinh vật trong đất. Nhiều nhà nghiên cứu đều cho rằng Biochar là người bạn tốt nhất của đất (Land’s Best Friend) bởi có những lợi ích như: tăng trưởng thực vật, giảm phát thải oxit nitơ (ước tính 50%), triệt khử nhiều sự phát thải mê-tan, giảm nhu cầu phân bón (ước tính 10%), giảm rửa trôi các chất dinh dưỡng, giảm độ chua của đất, tăng pH đất, lưu trữ carbon trong một bồn rửa ổn định lâu dài, tăng tập hợp đất do sợi nấm tăng, giảm độc tính nhôm, cải thiện việc xử lý đất nước, tăng mức đất ở có sẵn để dùng Ca, Mg, P và K, tăng hô hấp của vi sinh vật đất, tăng sinh khối vi sinh vật đất, tăng nấm rễ Arbuscular mycorrhyzal, kích thích vi sinh vật cố định đạm cộng sinh trong cây họ đậu, tăng khả năng trao đổi cation. Biocarbon đối với năng suất cây trồng Kết quả nghiên cứu mới nhất cho thấy, sản lượng cây trồng ở các vùng đất bón Biochar ở Canada tăng lên từ 6-17% so với đối chứng, thân cây cứng hơn và bộ rễ phát triển nhiều hơn (đến 68%). Hao hụt dưỡng chất phân bón do bị rửa trôi giảm rõ rệt, trong đó hiện tượng mất lân giảm đến 44%. Trên thực tế, lợi ích của việc bón Biochar đã được quan trắc, kiểm nghiệm nhiều nơi ở Úc, Philippines, Congo… và nhiều nước đã có chế độ khuyến khích hay thưởng cho các nông hộ sử dụng loại than này. Theo GS Lehmann đã trình bày ở Hội hóa học Mỹ rằng sử dụng than sinh học cộng với phân hóa học đã làm tăng trưởng lúa mỳ mùa đông và rau quả lên 25-50% so với bón một mình phân hóa học. TS N.Sai Bhaskar Reddy (2008) nghiên cứu ở đậu tương cũng nhận xét rằng có thêm Biocarbon vào đất nền, tỷ lệ nảy mầm cao, hệ rễ phát triển mạnh, quang hợp tăng, hoạt động của vi khuẩn cộng sinh cố định nitơ mạnh mẽ hơn so với đối chứng (trên đất nền). Biocarbon còn có vai trò trong việc chống suy thoái đất. Theo GS Johannes Lehmann, bộ môn Khoa học cây trồng và đất - Đại học Cornell đã nói tại Hiệp hội khoa học và tiến bộ Mỹ (2006) rằng: “Các kiến thức mà chúng ta có thể đạt được từ nghiên cứu các loại đất đen được tìm thấy trên toàn khu vực sông Amazon không chỉ dạy chúng ta làm thế nào để khôi phục đất bị suy thoái, sản lượng thu hoạch tăng gấp ba và hỗ trợ một mảng rộng các loại cây trồng trong vùng có đất nông nghiệp nghèo mà còn có thể dẫn đến các công nghệ để cô lập carbon trong đất và ngăn chặn những thay đổi quan trọng về khí hậu thế giới”. Mặt khác, theo Elmer, Wade, Jason C. White, and Joseph J. Pignatello, Đại học tổng hợp Connecticut (2009) thì cho thêm than sinh học vào đất sẽ có được giá trị sinh học đặc biệt quan trọng bởi nó sẽ hấp thụ các chất ô nhiễm như kim loại, đặc biệt là kim loại nặng và thuốc trừ sâu ngấm vào đất nên không gây ô nhiễm các nguồn cung cấp thực phẩm. Than sinh học có thể được thiết kế để có phẩm chất cụ thể phù hợp với tính chất riêng biệt của đất. Cho thêm than sinh học ở mức 10% đất và giảm được tới 80% mức độ gây ô nhiễm thuốc trừ sâu độc hại như chlordane, DDX trong các cây trồng. Tại Việt Nam, gần đây Báo Nông nghiệp (21/12/2010) cũng đã có bài viết đề cập đến việc sản xuất Biochar từ vỏ trấu để cải tạo đất, bởi 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 Biochar nên được thực hiện để một mặt lấy nhiệt sản xuất điện năng, mặt khác thu hồi Biochar thương phẩm để bán trong nước hay đem xuất khẩu. Theo tác giả bài viết thì nhu cầu sử dụng Biochar vỏ trấu trên ruộng vào khoảng 16 tấn/ha, tương đương với khoảng tỷ lệ 1,4% trong lớp đất mặt từ 0-0,1m. Hơn nữa, trong một xã hội mà sản xuất đang trên đà phát triển, đời sống của người dân được nâng cao thì các hoạt động của con người tác động đến môi trường sống cũng mạnh mẽ hơn, làm cho môi trường trở nên ô nhiễm nặng. Các chất thải từ sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, chất thải sinh hoạt, công nghiệp mía đường, chế biến gỗ, đóng tàu thuyền, sản xuất giấy, tinh bột... ngày càng nhiều nhưng chúng ta chưa biết biến rác thành vàng như những nơi khác. Nếu ở Nghệ An có sự đầu tư vào việc xây dựng một số nhà máy ở những vùng trọng điểm (vùng công nghiệp, đô thị...) hoặc trang bị các Biochar Reactor (loại cố định hay lưu động) để thu gom phế thải, rác thải và biến nó thành nguyên liệu để sản xuất Biocarbon thì vừa có Biocacbon phục vụ sản xuất nông nghiệp bền vững và dùng cho các mục đích khác (như xử lý nước thải, xử lý nước sinh hoạt và nước uống trong mùa lũ lụt, giảm phát thải các khí nhà kính như CO2, CH4, NO2, CFC...), vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng như hiện nay./. Tài liệu tham khảo Manuel Arroyo-Kalin (2007) Geoarchaeological approaches to the study of Terras Pretas. Amede Daki Bopolo - Biochar project wins critical funding for protection of rainforests in Congo Kinshasa, 2009. Lehmann, Johannes, John Gaunt, and Marco Rondon - Biochar Sequestration In Terrestrial Ecosystems (2006). E.G. Neves, R.N. Bartone, J.B. Petersen & M.J. Heckenberger -The timing of Terra Preta formation in the central Amazon: (2001). N. Sai Bhaskar Reddy, Terra Preta Signatures in India (2008.) ScienceDaily (Mar.1, 2006)-Amazonian Terra Preta Can Transform Poor Soil Into Fertile. Winsley, Peter - Biochar and bioenergy production for climate change mitigation, 64 NEW ZEALAND SCI. REV.5 (2007). Yaman, Serda - Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks... (2003). Nguyễn Dương Tuệ