Để nuôi sống dân số ngày càng tăng của thế giới, người nông dân cần trồng nhiều loại cây trồng. Cây trồng cần nước để sinh trưởng và phát triển và lượng nước dùng để tưới cho cây ước tính chiếm khoảng 70% lượng nước ngọt sử dụng trên toàn cầu. Nhưng nhiều khu vực trên khắp thế giới đang bị ảnh hưởng bởi tình trạng thiếu nước. Điều đó có thể gây khó khăn cho người nông dân trong việc lấy đủ nước để trồng trọt. Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các nguồn nước thay thế có thể đáp ứng bền vững nhu cầu tưới tiêu hiện tại và tương lai.
Mẫu lá chà là (bên trái) và than sinh học từ lá chà là (bên phải) được sử dụng trong nghiên cứu. Công trình được thực hiện ở California và cây chà là được trồng khắp miền nam California để sử dụng trong nông nghiệp. Ảnh Michael Schmidt.
Nước thải đô thị được xử lý có thể được dùng để tưới cây trồng. Nhưng có một số thách thức phải vượt qua. Ví dụ, nước thải đô thị có thể chứa kháng sinh. Michael Schmidt, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Độ mặn của Hoa Kỳ ở Riverside, California cho biết: “Những loại kháng sinh này có thể làm tăng vi khuẩn kháng kháng sinh trong các hệ thống nông nghiệp được tưới bằng nước thải”.
Một ví dụ về vỏ hạt dẻ cười (trái) và than sinh học từ nó (phải) được sử dụng trong nghiên cứu. Sử dụng cây trồng địa phương như cây hạt dẻ cười có nghĩa là không cần vận chuyển xa nó, giúp giảm chi phí, tiêu thụ tài nguyên và ô nhiễm. Ảnh: Michael Schmidt.
Schmidt là tác giả chính của nghiên cứu mới cho thấy nguyên liệu thực vật địa phương hoặc chất thải thực phẩm có thể được sử dụng để loại bỏ kháng sinh khỏi nước thải đô thị. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng than sinh học, một chất giống như than củi, được tạo ra bằng cách đốt nóng các vật liệu hữu cơ ở nhiệt độ cao trong điều kiện không có oxy. Than sinh học đã loại bỏ hơn 97% của ba loại kháng sinh mà các nhà nghiên cứu đo được từ nước thải đô thị thông qua quá trình hấp phụ.
Schmidt cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng các phụ phẩm nông nghiệp tại địa phương có thể giúp loại bỏ kháng sinh ra khỏi dòng nước thải đã qua xử lý. Điều này thể hiện một chiến lược có khả năng tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường để loại bỏ một loạt các chất gây ô nhiễm khỏi nước thải”.
Điều quan trọng là Schmidt và các đồng nghiệp đã sử dụng nguyên liệu thực vật sẵn có tại địa phương – vỏ quả hạt dẻ cười và lá chà là – để tạo ra than sinh học. Vật liệu địa phương không cần phải vận chuyển xa. Điều đó có thể làm giảm chi phí, tiêu thụ tài nguyên và ô nhiễm.
Vỏ quả hạt dẻ cười (trên cùng bên phải) và lá chà là (trên cùng bên trái) và than sinh học được tạo ra từ những vật liệu này (bên dưới). Schmidt và các đồng nghiệp đã tạo ra than sinh học bằng cách nung nguyên liệu thực vật đến 400, 600 và 800°C. Ảnh: Michael Schmidt.
Nghiên cứu được thực hiện ở California, là bang sản xuất hơn 453 ngàn tấn quả hạt dẻ cười vào năm 2020. Trong khi Nam California là khu vực quan trọng nhất trên toàn quốc về sản xuất chà là, sản xuất nông nghiệp tập trung ở Thung lũng Coachella của Nam California. Chúng cũng được trồng ở phía tây nam nước Mỹ làm cây đô thị. “Mỗi cây chà là có thể sản xuất tới 18,1 kg lá khô mỗi năm”, Schmidt nói. “Vì vậy, đây dường như là nguồn than sinh học tiềm năng”.
Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cách thức sản xuất than sinh học, tạo ra sự khác biệt lớn trong khả năng loại bỏ kháng sinh khỏi nước thải. Việc tạo ra than sinh học dẫn đến một vật liệu giống như than xốp giàu carbon. Schmidt cho biết: “Chìa khóa để sản xuất than sinh học là thiếu oxy trong quá trình đốt nóng. Đốt nóng có oxy chủ yếu tạo ra tro (chứ không phải than sinh học)”.
Schmidt và các đồng nghiệp đã tạo ra than sinh học bằng cách nung nguyên liệu thực vật đến 400, 600 và 800°C (khoảng 750, 1100 và 1470°F). Sau đó, họ kiểm tra mức độ hiệu quả ở các nhiệt độ khác nhau của than sinh học đã loại bỏ ba loại kháng sinh khác nhau khỏi nước thải. Các loại kháng sinh được tập trung nghiên cứu trong nghiên cứu này là sulfamethoxazole, sulfapyridine và trimethoprim. Chúng được chọn vì chúng được tìm thấy trong nước thải được xử lý thu gom tại địa phương. Họ phát hiện ra rằng than sinh học được sản xuất ở 800°C đã loại bỏ kháng sinh hiệu quả nhất.
Schmidt cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng các điều kiện sản xuất than sinh học đóng một vai trò lớn trong việc loại bỏ kháng sinh. Điều này cũng có thể hữu ích cho các nhà khoa học sử dụng các vật liệu khác để sản xuất than sinh học cho mục đích này.”
Than sinh học loại bỏ kháng sinh khỏi nước thải thông qua một số cơ chế hóa học. Hiệu quả của các cơ chế hóa học này có thể phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của than sinh học. Nghiên cứu cho thấy rằng việc đo lường các đặc điểm vật lý này của than sinh học có thể tiết kiệm thời gian và chi phí. Schmidt cho biết: “Các thí nghiệm đo mức kháng sinh rất nhỏ đòi hỏi những dụng cụ đắt tiền. Chúng tôi đã chỉ ra rằng tác động của than sinh học có thể được diễn giải thông qua các đặc tính dễ đo lường. Điều này có thể giúp những nỗ lực trong tương lai có cơ sở để tối ưu hóa các chất hấp phụ của than sinh học để loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi nước thải.
Schmidt cho biết: “Nghiên cứu trong tương lai sẽ kết hợp các vật liệu than sinh học này và các vật liệu khác vào các hệ thống xử lý nước quy mô lớn. Mục tiêu là để các hệ thống này có khả năng xử lý lượng nước phù hợp cho việc tưới tiêu trên đồng ruộng”.
Nguyễn Tiến Hải theo Agronomy.
Đăng nhập
