Đang tải... (xem toàn văn)
... 2013 Sinh viên Phạm Lệ Ngọc ii TÓM TẮT Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả sinh khí biogas” thực nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả. .. đến khả sinh khí biogas Kích thước nguyên liệu ủ nhỏ cho khả sinh khí biogas tốt (Sharma, 1988; Anthony Mshandete et al., 2006) Cho đến nay, nghiên cứu ảnh hưởng kích cỡ lục bình lên khả sinh khí. .. biogas ủ yếm khí kết hợp với phân heo chưa nghiên cứu đầy đủ điều kiện điều kiện thực tế ĐBSCL Vì thế, đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả sinh khí sinh học thực 1.2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN PHẠM LỆ NGỌC Luận văn tốt nghiệp Đại học Chuyên ngành Khoa học Môi Trường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KÍCH CỠ LỤC BÌNH NGHIỀN NHỎ LÊN KHẢ NĂNG SINH KHÍ SINH HỌC Cán bộ hướng dẫn: TRẦN SỸ NAM Cần Thơ, 2013 Luận văn kèm theo đây với tựa đề là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí sinh học”, do Phạm Lệ Ngọc thực hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm đề cương thông qua. PGS. TS Nguyễn Hữu Chiếm PGS. TS Bùi Thị Nga TS Nguyễn Xuân Lộc i LỜI CẢM TẠ Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người đã giúp đỡ tác giả tận tình trong thời gian qua. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Sỹ Nam, thầy Nguyễn Võ Châu Ngân đã chia sẻ những kinh nghiệm cũng như truyền đạt kiến thức chuyên môn và tận tình hướng dẫn, luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp. Nhân đây cũng xin gửi lời cám ơn đến tất cả quý thầy, cô Bộ môn Khoa học Môi trường; quý thầy, cô Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên – Trường Đại học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ trong quá trình theo học và thực hiện đề tài tốt nghiệp. Xin gửi lời cảm ơn tới chị Nguyễn Thị Thùy học viên Cao học ngành Khoa học Môi trường K18, các bạn Nguyễn Quốc Tú, Cao Văn Hiệp, Phạm Văn Thuận sinh viên ngành Khoa học Môi trường K36, Văn Mỹ Linh, Nguyễn Văn Quốc, Lê Quang Thạnh, Trần Trung Trí lớp Kĩ thuật Môi trường K36. Xin gửi lời cảm ơn thân ái nhất đến các bạn lớp Khoa học Môi trường K36 đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Sau cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã giúp đỡ và động viên tinh thần giúp tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2013 Sinh viên Phạm Lệ Ngọc ii TÓM TẮT Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng các kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí biogas” đã được thực hiện nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí biogas. Thí nghiệm được bố trí theo mẻ hoàn toàn ngẫu nhiên với các kích cỡ lục bình khác nhau gồm 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; 1 cm và không cắt có phối trộn phân heo với tỉ lệ 50% – 50%. Nhằm tăng độ tin cậy cho thí nghiệm, các nghiệm thức được bố trí lặp lại 5 lần với bình ủ 21 lít trong điều kiện phòng thí nghiệm và được theo dõi trong 45 ngày. Các thông số thể tích biogas sinh ra, thành phần biogas và các yếu tố môi trường mẻ ủ như pH, nhiệt độ, hiệu điện thế oxi hóa khử được theo dõi với chu kì 2 ngày/lần. Các chỉ tiêu VS, C/N, TKN, TP, tổng coliform, feacal coliform, tổng vi sinh vật yếm khí cũng được phân tích vào ngày đầu, ngày 20 và ngày 45 của thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy lục bình có kích thước nhỏ cho lượng khí methane tích dồn cao hơn. Kết quả phân tích thống kê cho thấy nghiệm thức lục bình không cắt có lượng khí methane tích dồn thấp hơn và khác biệt có ý nghĩa so với các nghiệm thức lục bình 0,05 cm; 0,2 cm và 0,5 cm nhưng lại không có sự khác biệt với nghiệm thức lục bình 1cm. Nghiệm thức có kích cỡ lục bình nhỏ sẽ sinh ra lượng khí cực đại cao hơn nghiệm thức có kích cỡ lục bình lớn hơn (LB 0,05 cm: 17,24 lít/kgVS; LB 0,2 cm: 14,20 lít/kgVS; LB 1cm: 14,70 lít/kgVS và LB không cắt: 10,25 lít/kgVS). Thành phần khí methane của mẻ ủ khá cao, đạt giá trị 38,54% - 42,97% ). Năng suất sinh khí methane lần lượt là 276,91 lít/kgVS; 311,84 lít/kgVS; 348,98 lít/kgVS; 280,36 lít/kgVS (tương ứng với các nghiệm thức 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; 1 cm và không cắt). iii MỤC LỤC LỜI CẢM TẠ ........................................................................................................................ ii TÓM LƯỢC ......................................................................................................................... iii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iv DANH SÁCH HÌNH ............................................................................................................ vi DANH SÁCH BẢNG .......................................................................................................... vii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT............................................................................................ viii CHƯƠNG I MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2 1.2.1 Mục tiêu tổng quát ................................................................................................ 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể ..................................................................................................... 2 1.3 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 2 CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ................................................................................ 3 2.1 Quá trình sinh học yếm khí.......................................................................................... 3 2.1.1 Giới thiệu về khí sinh học ..................................................................................... 3 2.1.2 Cơ chế quá trình lên men yếm khí ........................................................................ 4 2.1.3 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí .................... 7 2.2 Đặc tính hóa học cơ bản và năng suất sinh khí biogas của một số .......................... 122 2.2.1 Đặc tính hóa học ............................................................................................... 122 2.2.2 Năng suất sinh biogas ....................................................................................... 133 2.3 Sơ lược về các nguyên liệu ủ ................................................................................... 133 2.3.1 Lục bình ............................................................................................................ 133 2.3.2 Phân heo ........................................................................................................... 166 CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP ....................................................... 18 3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu ............................................................................. 18 3.2 Phương tiện nghiên cứu ............................................................................................. 18 3.2.1 Dụng cụ, thiết bị ................................................................................................. 18 3.2.2 Nguyên vật liệu nghiên cứu ................................................................................ 19 3.3 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 200 3.3.1 Bố trí thí nghiệm ............................................................................................... 200 3.4 Phương pháp thu mẫu và phân tích ......................................................................... 211 3.4.1 Phương pháp thu mẫu và các thông số đo đạc.................................................. 211 3.4.2 Phương pháp phân tích mẫu ............................................................................. 222 iv 3.4.3 Phương pháp tính toán ...................................................................................... 233 3.4.4 Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................ 266 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THẢO LUẬN .......................................................................... 277 4.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu ...................................................................... 277 4.2 Các thông số kiểm soát quá trình ủ yếm khí.............................................................. 28 4.2.1 Nhiệt độ .............................................................................................................. 28 4.2.2 pH ....................................................................................................................... 29 4.2.3 Điện thế oxi hóa khử ........................................................................................ 300 4.3 Ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí biogas ............................... 311 4.3.1 Xác định thời điểm sinh khí cực đại của mẻ ủ ................................................. 322 4.3.2 Tổng khí CH4 tích dồn của các nghiệm thức trong 45 ngày............................. 344 4.4 Ảnh hưởng của kích cỡ đến thành phần biogas ......................................................... 36 4.5 Ảnh hưởng của kích cỡ đến năng suất sinh khí methane .......................................... 39 4.6 Tiềm năng sử dụng bã thải sau ủ làm phân bón ...................................................... 411 4.6.1 TKN (Total Kjeldahl Nitrogen) ........................................................................ 411 4.6.2 TP (Tổng photpho) ........................................................................................... 411 4.6.3 COD .................................................................................................................. 422 4.6.4 Vi sinh vật trong mẻ ủ. ..................................................................................... 433 CHƯƠNG V KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ ........................................................................... 46 5.1 Kết luận...................................................................................................................... 46 5.2 Kiến nghị ................................................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 47 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 511 v DANH SÁCH HÌNH Hình Tên hình Trang 2.1 Sự phát triển của vi sinh vật trong lên men methane 4 2.2 Cơ chế tạo khí methane từ chất thải hữu cơ 5 2.3 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí 6 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ 8 2.5 Sự phân lớp trong dịch lên men methane 11 2.6 Cây lục bình (Eichhornia crassipes) 14 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm theo mẻ 19 3.2 Thiết bị đo các khí thành phần (A) và đồng hồ đo thể tích khí (B) 22 4.1 Diễn biến điện thế oxi hóa khử (Redox) 31 4.2 Thể tích CH4 sinh theo ngày của 5 nghiệm thức trong 45 ngày 32 4.3 Thể tích khí methane tích dồn trong 45 ngày ngày thí nghiệm 35 4.4 Diễn biến giá trị phần trăm khí CH4 của các nghiệm thức qua các tuần 37 4.5 Phần trăm thành phần khí biogas của các nghiệm thức trong 45 ngày 39 4.6 Năng suất sinh methane của các nghiệm thức 40 4.7 TKN đầu vào đầu ra của các nghiệm thức 41 4.8 Diễn biến hàm lượng tổng photpho của 4 nghiệm thức 42 4.9 COD đầu vào, đầu ra của các nghiệm thức 42 4.10 Tổng vi sinh vật yếm khí có trong các nghiệm thức 43 4.11 Tổng Coliform đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức 44 4.12 Faecal coliform đầu vào đầu ra của các nghiệm thức 44 vi DANH SÁCH BẢNG Bảng Tên bảng Trang 2.1 Tỷ lệ (%) các thành phần khí sinh học 3 2.2 Tỷ lệ C/N của một số loại nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật 9 2.3 Khả năng gây độc của một số chất 10 2.4 Đặc tính hóa học cơ bản của các nguyên liệu thực vật 13 2.5 Năng suất sinh biogas của một số loại nguyên liệu thực vật 13 2.6 Thành phần hóa học của lục bình 15 2.7 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 ÷ 100 kg 17 2.8 So sánh thành phần hóa học của phân heo với các loại gia súc, gia cầm khác 17 3.1 Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (LB), kích thước nguyên liệu nạp 20 3.2 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu 23 4.1 Đặc điểm hóa học của nguyên liệu đầu vào 27 4.2 Đặc điểm hóa học của hỗn hợp nguyên liệu sau khi được phối trộn 28 4.3 Diễn biến nhiệt độ của các mẻ ủ trong 45 ngày 29 4.4 Diễn biến pH của mẻ ủ trong 45 ngày 29 4.5 Thể tích và thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức 33 4.6 Kết quả sinh khí CH4 của thí nghiệm ủ theo mẻ 36 4.7 Trung bình khí thành phần của các nghiệm thức 37 vii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học C/N Carbon/Nitrogen Tỉ lệ cacbon / nitơ CH4 Khí methane CO2 Khí cacbonic VS Tổng chất rắn bay hơi ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long TS Tổng chất rắn H2S Hydrogen sulfide HRT Hydraulic Retention Time Thời gian tồn lưu KHS Khí sinh học LB Lục bình NT Nghiệm thức O2 Khí oxy ODM Organic Dry Matter PH Chất hữu cơ khô Phân heo TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng nitơ Kjeldahl TN Total Nitrogen Tổng nitơ TP Total Photphorus Tổng photpho VS Volatile Solids Chất rắn dễ bay hơi VSV Vi sinh vật viii CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) thuộc hạ lưu châu thổ sông Mekong có diện tích 39.743 km2 gồm 12 tỉnh và 1 thành phố (Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, 2011). Với điều kiện tự nhiên thuận lợi, ĐBSCL có nền nông nghiệp phát triển mạnh so với nhiều địa phương khác trong nước. Ngoài thế mạnh về cây lúa nước và cây lương thực, chăn nuôi cũng là một trong những ngành đem lại hiệu quả kinh tế cao. Đặc biệt là chăn nuôi heo với số đàn heo lên đến 3,77 triệu con (Tổng cục Thống kê, 2012). Tuy nhiên nếu xét về khía cạnh môi trường, chất thải từ ngành chăn nuôi lại là một nguồn gây ô nhiễm lớn. Nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ chăn nuôi thì sử dụng hầm ủ hay túi ủ biogas là một trong những lựa chọn hàng đầu. Từ khi được đưa vào sử dụng cho đến nay, các hầm ủ và túi ủ biogas phát triển khá tốt với nhiều dự án đã được triển khai. Hiện nay biogas đã trở thành một phần rất quan trọng trong mô hình V-A-C-B (vườn – ao – chuồng biogas) – một mô hình đang được khuyến cáo áp dụng cho vùng nông thôn ĐBSCL. Đây là mô hình khép kín, giúp giảm rủi ro trong sản xuất, không gây ô nhiễm môi trường và giúp người nông dân cải thiện thu nhập. Tuy nhiên do tập quán chăn nuôi nhỏ lẻ, giá cả bấp bênh, dịch bệnh nên số lượng đàn heo diễn biến phức tạp dẫn đến sự không ổn định và thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp cho túi ủ biogas. Điều này đã dẫn đến việc sử dụng và khai thác hầm ủ biogas không đạt hiệu quả cao. Trong khi đó, lục bình (Eichornia crassipes) là loài cây thủy sinh rất phổ biến ở ĐBSCL. Trong điều kiện môi trường và khí hậu thích hợp, năng suất lục bình có thể đạt 175 tấn lục bình khô/ha/năm (Kha Mỹ Khanh, 1990 trích từ O.P. Chawla). Sự phát triển nhanh chóng của lục bình đang gây nhiều vấn đề cho môi trường như gây tắc nghẽn giao thông, giảm tốc độ dòng chảy, gây bồi lắng sông rạch, phân hủy làm ô nhiễm nguồn nước. Nhiều vùng nông thôn đồng bằng sông Cửu Long, lục bình phát triển mạnh đến mức người dân phải sử dụng thuốc khai hoang để diệt lục bình trên sông rạch. Các nghiên cứu về biogas trên thế giới và trong nước đã cho thấy việc ủ yếm khí đơn thuần một loại nguyên liệu ủ có tỷ lệ C/N quá cao hoặc quá thấp sẽ cho hiệu suất sinh khí kém hơn là sử dụng thêm các chất độn (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003). Nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân (2012) đã cho thấy lục bình có khả năng phân hủy và sinh khí biogas khá tốt, đáp ứng được yêu cầu nguyên liệu thay thế cho quá trình ủ yếm khí. Tuy nhiên, kích cỡ của lục bình khá lớn có thể gây trở ngại cho quá trình ủ yếm khí như làm túi ủ dễ bị ngẹt, mau chóng đầy và khả năng phân hủy kém so với phân heo. Do vậy, kích 1 cỡ của lục bình sẽ là một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến khả năng sinh khí biogas. Kích thước nguyên liệu ủ càng nhỏ thì cho khả năng sinh khí biogas càng tốt (Sharma, 1988; Anthony Mshandete et al., 2006). Cho đến nay, các nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí biogas trong ủ yếm khí kết hợp với phân heo vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ trong điều kiện trong điều kiện thực tế ở ĐBSCL. Vì thế, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng các kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí sinh học” đã được thực hiện. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát: tận dụng nguồn sinh khối lục bình làm nguồn nguyên liệu bổ sung ch biogas bên cạnh phân heo. 1.2.2 Mục tiêu cụ thể: đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ lục bình có phối trộn phân heo lên: lượng khí methane tích dồn, năng suất sinh khí biogas và hàm lượng khí CH4. 1.3 Nội dung nghiên cứu Bố trí thí nghiệm ủ yếm khí theo mẻ để đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ lục bình nghiền nhỏ có phối trộn phân heo ở tỉ lệ 50 – 50 lên tổng lượng khí biogas, năng suất sinh khí biogas và hàm lượng khí CH4. Phân tích và đánh giá hổn hợp mẻ ủ qua các thông số: tổng vi sinh vật yếm khí, tổng coliform, faecal coliform, TKN, TP, VS, TS, tỉ lệ C/N vào các ngày đầu, ngày 20, 45 của mẻ ủ. Phân tích và đánh giá diễn biến các thông số môi trường mẻ ủ như pH, nhiệt độ, điện thế ôxi hóa – khử, độ kiềm. Phân tích và đánh giá lượng khí biogas sinh ra trong mẻ ủ và các khí thành phần như CH4, CO2, O2 và H2S. 2 CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Quá trình sinh học yếm khí 2.1.1 Giới thiệu về khí sinh học a. Khí sinh học là gì? Quá trình phân hủy nếu xảy ra trong môi trường không có oxi thì được gọi là quá trình phân hủy kị khí hoặc yếm khí và sản phẩm của quá trình này được gọi là khí sinh học (KSH). Thành phần chủ yếu của KSH là khí methane (CH 4) chiếm khoảng 55% – 65% tổng lượng khí (Nguyễn Quang Khải, 2009; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) thì KSH là sản phẩm bay hơi của quá trình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp. Theo RISE – AT, 1998 trích dẫn bởi Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013 nhiệt trị của biogas từ 4.500 ÷ 6.000 kcal/m3 tùy thuộc vào phần trăm CH4 hiện diện trong hỗn hợp khí. (nhiệt trị của khí CH4 gần 9.000 kcal/m3). Chính vì vậy, lượng khí methane đo được càng nhiều thì sản phẩm khí sinh ra có chất lượng càng tốt. b. Thành phần khí sinh học Tỷ lệ (%) các thành phần khí trong khí sinh học được thể hiện trong Bảng 2.1 Bảng 2.1: Tỷ lệ (%) các thành phần khí sinh học Tỷ lệ (%) STT Thành phần biogas (1) (2) 1 Methane (CH4) 55 – 65 55 – 70 2 Carbondioxide (CO2) 23 – 45 30 – 45 3 Nitrogen (N2) 0–3 0–3 4 Hydrogen (H2) 0–1 0–1 5 Hydrogen sulphide (H2S) - 200 - 4000 ppm Nguồn: (1) Chongpak Polpaset, 1989 (2) RISE-AT, 1998 trích dẫn bởi Nguyễn Hữu Chiếm và Lê Hoàng Việt, 2013 Thành phần chính của biogas chủ yếu là khí methane (CH4), là một thành phần quan trọng giúp biogas cháy được và có thể sử dụng chủ yếu vào việc nấu ăn, thắp sáng và sấy khô nông sản, ở những nơi có điều kiện hơn có thể chạy máy, bơm nước hoặc phát điện. 3 2.1.2 Cơ chế quá trình lên men yếm khí Quá trình lên men yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau: {CHONS} → CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Q a. Quá trình phát triển của vi khuẩn yếm khí Vi sinh vật (VSV) hấp thu thức ăn trong môi trường để tăng trưởng. Như vậy, sự tăng trưởng của một tế bào VSV là sự gia tăng về số lượng các cấu tử trong tế bào gia tăng kích thước và trọng lượng. Đến cuối giai đoạn tăng trưởng thì tế bào phân cắt cho ra tế bào con. Quá trình sinh học xảy ra trong lên men methane là quá trình phát triển của VSV yếm khí và các quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ thành các chất khí, trong đó khí methane chiếm tỷ lệ rất lớn. Hình 2.1: Sự phát triển của vi sinh vật trong lên men methane (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008) Quá trình này được chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Là sự phát triển hỗn hợp rất nhiều loài VSV có trong chất thải, pha này kéo dài khoảng hai ngày. Trong dịch lên men ta thấy có sự phát triển của vi khuẩn yếm khí, vi khuẩn hiếu khí và cả vi khuẩn yếm khí tùy nghi. Sở dĩ trong thời gian đầu có phát triển cả vi khuẩn hiếu khí vì trong dịch lên men chất thải còn tồn tại một lượng oxy hòa tan nhất định, các loài vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy hòa tan này để tăng số lượng. Khi lượng oxy hết dần, lượng vi khuẩn hiếu khí giảm dần và chết hết khi quá trình tạo methane xuất hiện. Giai đoạn 2: Trong giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn thủy phân các chất hữu cơ và các vi khuẩn tạo acid. Giữa hai giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn sinh methane. Đây là loài vi khuẩn chiếm số lượng nhiều nhất và đóng vai trò quan trọng nhất của quá trình lên men methane. 4 Toàn bộ các loài vi khuẩn tham gia quá trình lên men methane từ giai đoạn đầu cho đến giai đoạn cuối được phân lập và định dạng gồm 4 nhóm chính: nhóm vi khuẩn lên men và thủy phân, nhóm vi khuẩn tạo acid, nhóm vi khuẩn sử dụng H2 tạo methane, nhóm vi khuẩn sử dụng acid acetic tạo methane. Các vi khuẩn yếm khí tham gia vào quá trình chuyển hóa chất hữu cơ gồm Clostridium spp, Peptoccocus anerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovidrio spp, Corynebactorium spp, Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus. Các vi khuẩn sinh methane trong mẻ phản ứng bao gồm: Nhóm vi khuẩn hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), nhóm vi khuẩn hình cầu (Methanoccocus, Methanosarcina) (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008) b. Quá trình phản ứng sinh hóa Chất hữu cơ Carbo hydrates, proteins, fats Thủy phân và lên men Vi khuẩn tạo acid Acid hữu cơ, rượi và các hợp chất trung tính khác Quá trình khử hydro của nhóm aceton Acetat H 2 , CO 2 Acetogenic bacteria Hydro hóa nhóm aceton Khử gốc Carboxyl của Acetat VK Aceto latic Sinh Methane từ phản ứng khử Nhóm VK sử dụng H2 CH4+CO2 CH4+CO2 Hình 2.2: Cơ chế tạo khí methane từ chất thải hữu cơ (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008 trích từ Brown và Taga, 1985) Toàn bộ quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ xảy ra trong quá trình lên men yếm khí được thể hiện theo sơ đồ sau (Hình 2.2) 5 Quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ được chia làm 3 giai đoạn: - Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử - Tạo nên các axit - Tạo methane 4% H2 Chất hữu cơ cao phân tử 28% 24% 76% CH 4 Axit hữu cơ 52% 72% Axit axetic 20% Giai đoạn I Giai đoạn II Giai đoạn III Thủy phân Tạo acid Tạo methane Hình 2.3: Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2005 trích từ Mc. Carty, 1981) - Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân Các chất hữu cơ trong nước thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như chất béo, carbohydrates, cellulose, lignin. Một vài loại ở dạng không hòa tan. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzyme ngoại bào (sản sinh bởi các vi khuẩn). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn 2. Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi các protein thành các amino acid, carbohydrates thành các đường đơn, chất béo thành các acid béo chuỗi dài. Tuy nhiên, các chất hữu cơ như là cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí. Bởi vì, lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn I sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm và các yếu tố môi trường như là pH và nhiệt độ. - Giai đoạn 2: giai đoạn sinh acid Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hóa thành acid acetic, H2 và CO2 bởi vi khuẩn Acetogenic. Tỉ lệ của các sản phẩm này tùy thuộc vào hệ VSV trong hầm ủ và các điều kiện môi trường. - Giai đoạn 3: giai đoạn tạo thành khí methane Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển đổi thành methane và các sản phẩm khác bởi nhóm vi khuẩn methane. Vi khuẩn methane là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Các vi khuẩn methane sử dụng acid acetic, methanol, CO2 và H2 để sản xuất methane trong đó acid acetic là nguyên liệu chính với từ 70% methane được sản 6 sinh ra từ nó. Phần methane còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ acid formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí. Các phản ứng có thể được biểu diễn qua các phương trình sau: Nguyên liệu CO2 + H2+ acetate Nguyên liệu CO2 + H2+ acetate propionate + butyrate + ethanol CH3COO- + H2O CH4 + HCO3- + năng lượng 4H2 + HCO3- + H+ CH4 + 3H2O + năng lượng 2.1.3 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí Quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ). Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở 5 10%, 90 95% còn lại là nước. a. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí. Theo Yadvika et al (2004), trong quá trình sản xuất khí sinh học VSV yếm khí hoạt động mạnh ở vùng ưa ấm và ưa nhiệt. Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình sản xuất biogas (Fabien, 2003). - 25 40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các VSV ưa ấm - 50 65oC: nhiệt độ thích hợp cho các VSV ưa nhiệt Nói chung, khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 50oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kìm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65oC trở lên. Việc sản xuất khí sinh học đạt tới mức tối đa khi nhiệt độ của mẻ ủ được duy trì ở 35 oC (R. Chandra et al., 2012) Hoạt động của vi khuẩn sinh methane chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi trường. Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30 - 40oC. Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh methane yếu đi (Nozhevnikova et a.l, 1999 trích từ Yadvika et al., 2004). 7 Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2003 trích từ Price and Cheremisinoff, 1981) b. Ảnh hưởng của pH và độ kiềm Giá trị pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 7,6 tối ưu trong khoảng từ 7 7,2 (Mc. Carty, 1964). Nhưng theo Gerardi (2003); Yadvika et al (2004) pH trong hầm ủ tối ưu nên ở mức 6,8 - 7,2. Tuy vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH này. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc là do các độc tố trong nguyên liệu nạp đã ức chế hoạt động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại thì mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngoài ra, có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Độ kiềm là điều cần thiết để kiểm soát độ pH thích hợp. Độ kiềm phục vụ như một bộ đệm ngăn chặn các thay đổi nhanh chóng trong pH. Sự ổn định của phân hủy được tăng cường bởi một độ kiềm cao nồng độ của giá trị tối ưu 1500 3000 mgCaCO3/L (Gerardi, 2003). Theo Nguyễn Hữu Chiếm và Lê Hoàng Việt (2013), độ kiềm của hầm ủ cần phải được giữ ở khoảng 1000 - 5000 mgCaCO3/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp. c. Ảnh hưởng của độ mặn Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu nạp là nước. Với phân heo cứ một xô phân cần hai xô nước. Tại nhiều vùng ở ĐBSCL, vào mùa khô nước ngọt không phải lúc nào cũng có nên Trung tâm năng lượng mới đã tìm hiểu khả năng sinh biogas của hầm ủ tùy thuộc vào độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ dưới 3%, khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể. Như vậy, việc phát triển hầm ủ biogas tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 2005). 8 d. Tỷ lệ cacbon và nitơ (C/N) KSH sinh ra do quá trình phân hủy các CHC được quyết định bởi quần hệ vi khuẩn. Môi trường dinh dưỡng tối ưu cho vi khuẩn sinh tổng hợp cấu trúc tế bào khi nguyên liệu phân hủy có tỷ lệ C/N trong khoảng 20 - 30, bởi vi khuẩn sử dụng C nhiều hơn sử dụng N từ 20 đến 30 lần (Bardiya and Gaur, 1997; Malik et al, 1987; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Tỷ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn. Thực tế người ta thường cố gắng đảm bảo tỉ lệ C/N khoảng 20 - 40. Vì thế phân trâu, bò, lợn có tỷ lệ C/N gần khoảng thích hợp. Phân người và phân gia cầm có tỷ lệ C/N thấp, các nguyên liệu thực vật thường có tỷ lệ C/N cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp ta nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu, chẳng hạn dùng phân người, phân gia súc, gia cầm với rơm rạ (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008); phân heo với lục bình (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2012) Bảng 2.2: Tỷ lệ C/N của một số loại nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật Tỷ lệ C/N Nguồn Rơm Lục bình Nguyễn Quang Khải (2001) 48 – 117 12 - 25 Nguyễn Hữu Phong (2009) - 30 Nguyễn Văn Thu (2010) 40,5 25,2 Nghiêm Bích Ngọc (2013) - 42,87 e. Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau: - Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng VS/ m3/ngày. - Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT. Lượng CHC nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane. Lượng CHC nạp thấp sẽ làm cho lượng khí sinh ra không đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng và hầm ủ không mang lại hiệu quả kinh tế vì nó được xây dựng lớn hơn thể tích cần thiết (Lê Hoàng Việt, 2005). Lượng chất hữu cơ tối ưu để nạp cho các hầm ủ không có giá bám cho vi khuẩn là 1 4 VS/m3/ngày (Eder and Schulz, 2007); đối với hầm ủ có giá bám cho vi khuẩn là 1 15 kg VS/m3/ngày. 9 f. Ảnh hưởng của các độc tố Đây là quá trình lên men yếm khí, do đó sự có mặt của oxy thường gây ức chế toàn bộ quá trình chuyển hóa. Trong trường hợp này, oxy được xem như là chất tạo độc đối với những loài vi khuẩn yếm khí. Ngoài ra, còn có một số các chất khác có khả năng gây độc cho VSV. Các chất độc và liều lượng gây độc của chúng được trình bày trong Bảng 2.3. Bảng 2.3: Khả năng gây độc của một số chất STT Các chất Liều lượng gây độc cho vi khuẩn (mg/L) 1 Acid bay hơi 2 Nitơ ammoniac 3 Sulfide 4 Canxi 2500 4500 5 Magne 1000 1500 6 Kali 2500 4500 7 Natri 3500 5500 8 Đồng 0,5 9 Cadmi 500 10 Sắt 11 Crom (+6) 3 12 Crom (+3) 500 13 Nikel > 200 (tính theo acid axetic) 1500 3000 (ở pH = 7,6) >200 1750 2 (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương) g. Tỉ lệ chất khô và độ pha loãng của nguyên liệu Tỉ lệ pha loãng ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí và loại bỏ nguyên liệu đã phân huỷ ra khỏi bể. Tỉ lệ chất khô khoảng 9 - 10% là thích hợp cho khả năng sinh khí và loại bỏ nguyên liệu. Nồng độ chất khô lên 20% thì tiết kiệm được 50% thể tích bể, nhưng rất dễ bị thừa axit và giảm khả năng tạo khí. Tỉ lệ nước/phân đưa vào bể thường dao động từ 1/1 đến 7/1. Tỉ lệ pha loãng 1/1 đối với phân bò và 2/1 đối với phân heo là phổ biến (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Sự hoạt động bình thường của vi khuẩn methane cần khoảng 90% nước để ủ vật liệu thải và 8 - 10% chất khô (Nguyễn Duy Thiện, 2001). Đối với mẻ ủ vận 10 hành ở nồng độ chất rắn thấp thì hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho mẻ ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 - 10%, còn lại 90 - 95% là nước (Fabien, 2003). Khống chế độ ẩm để kích thích VSV hoạt động, độ ẩm cao hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo ra ít, nhưng độ ẩm nhỏ hơn 20% cũng sẽ cản trở quá trình phát triển của vi sinh vật. Ẩm độ thích hợp nhất cho hoạt động của vi sinh vật là 91,5 - 96,0%. Độ ẩm trung bình thích hợp của nguyên liệu là 60% (Lê Hoàng Việt, 2005). Đối với các loại phân, hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7 - 9%. Đối với bèo tây, hàm lượng là 4 - 5%, rơm rạ là 5 - 8%. Nguyên liệu ban đầu có hàm lượng chất khô cao nên cần phải pha thêm nước. Tỉ lệ pha loãng thích hợp là 1 - 3 lít nước cho 1 kg phân (Nguyễn Quang Khải, 2009). h. Khuấy trộn Trong bể lên men tĩnh, khối dịch lên men phân ra làm ba lớp rất rõ. Ba lớp này được trình bày trong Hình 2.5. Hỗn hợp các loại khí trong đó có CH4 chiếm đa số (>50%) Lớp váng nổi Các loại CH4 CO2 Dung dịch chưa nhiều chất hữu cơ phân hủy khí khác Lớp bùn cặn chứa nhiều VSV Các loại CH COSự 4 2 phân lớp trong dịch lên men methane Hình 2.5: khí khác (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008) Khi không khuấy đảo, nguyên liệu trong bể phân hủy thường phân tầng thành 3 lớp: lớp trên là lớp váng, lớp giữa là lỏng và lớp đáy là cặn lắng (hình 2.5). Vi khuẩn khó phân bố đều trong môi trường lên men, kết quả là vi khuẩn khó tiếp xúc được với nguyên liệu mới để hấp thụ các chất dinh dưỡng, trong bể có nhiều vùng chết ở đó mật độ vi khuẩn thấp, sự phân hủy xảy ra yếu, nguyên liệu có thể tích tụ và đọng lại ở đó. Nếu khuấy đảo có thể khắc phục được nhược điểm 11 trên, quá trình phân hủy xảy ra nhanh hơn, đồng đều hơn (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Trong quá trình phân hủy của mẻ ủ, cần trộn đều nguyên vật liệu trong mẻ ủ, đặc biệt là đối với các thành phần có nguồn gốc thực vật, do gặp phải hiện tượng nổi vật liệu. Khi trộn đều vật liệu là làm tăng sự tiếp xúc giữa vi khuẩn với chất nền và cải thiện được số lượng vi khuẩn để tiêu hủy chất dinh dưỡng. Trộn vật liệu cũng có thể ngăn chặn quá trình hình thành bọt khí và tạo sự đồng đều nhiệt độ trong mẻ ủ. Tuy nhiên khi trộn quá mức, quá nhanh sẽ phá vỡ quần thể vi sinh vật trong vật liệu ủ, vì thế, tốt nhất là nên khuấy trộn đều và nhẹ nhàng (Fabien, 2003). i. Tiền xử lý nguyên liệu Các vật liệu sợi, đặc biệt là rơm rạ, cỏ, cỏ dại và thân cây phải xử lý trước khi ủ vì chúng có lớp vỏ bên ngoài rất khó phân hủy nên cần có thời gian làm chúng mục nát. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzyme để chuyển đổi polymer carbohydrate thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn và với sản lượng lớn hơn. Tiền xử lý bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học, sinh học và sự kết hợp giữa chúng (Alvira et al., 2009). j. Kích cỡ nguyên liệu Kích cỡ nguyên liệu là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng sản xuất biogas, kích cỡ nguyên liệu không nên quá lớn nó sẽ dẫn đến tắc nghẽn hầm ủ và cũng gây khó khăn cho vi khuẩn thực hiện quá trình phân hủy. Các nguyên liệu có kích cỡ nhỏ sẽ có bề mặt tiếp xúc lớn, gia tăng hoạt động của VSV, tăng quá trình sinh khí diễn ra nhanh hơn. Theo nghiên cứu của Sharma et al ,(1988) ở 5 kích cỡ hạt (0,088; 0,40; 1,0; 6,0 và 30,0 mm), lượng KSH sinh ra tối ưu ở các kích cỡ 0,088 và 0,40 mm. Một số nghiên cứu khác cũng cho rằng một phương pháp tiền xử lý vật lý như nghiền có thể làm giảm đáng kể khối lượng phân hủy yêu cầu mà không làm giảm khả năng sản xuất khí sinh học (Gollakota and Meher, 1988; Moorhead and Nordstedt, 1993). 2.2 Đặc tính hóa học cơ bản và năng suất sinh khí biogas của một số 2.2.1 Đặc tính hóa học Thực vật được dùng để làm thức ăn thêm cho động vật và dùng làm nguyên liệu lót chuồng như: rơm rạ, cây họ đậu, lục bình, thân cây bắp, bã mía, cũng tùy thuộc vào loài thực vật mà có các đặc điểm hóa học khác nhau. 12 Bảng 2.4: Đặc tính hóa học cơ bản của các nguyên liệu thực vật Loại nguyên liệu %N %P2O5 %K2O 0,35 - 0,5 0,137 3,26 1,5 0,35 0,5 Lục bình 0,79 - - Thân cây bắp 0,75 0,3 1,64 Bã mía 0,43 0,15 0,12 Rơm rạ Cây họ đậu (Nguồn: Nguyễn Quang Khải, 2001) 2.2.2 Năng suất sinh biogas Sản lượng khí sinh ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu, loại nguyên liệu, điều kiện ủ. Bảng 2.5: Năng suất sinh biogas của một số loại nguyên liệu thực vật Hàm lượng chất khô (%) Tỷ lệ C/N Sản lượng khí hàng ngày (L/kg) Bèo tây tươi 4-6 12 - 25 0,3 - 0,5 Rơm rạ khô 80 - 85 48 - 117 1,5 - 2,0 Nguyên liệu (Nguồn: Nguyễn Quang Khải, 2001) Theo Bảng 2.5 trong thời gian 1 ngày với khoảng 1 kg bèo tây tươi sẽ có khả năng sinh ra khoảng 0,3 - 0,5 L biogas, với 1kg rơm rạ khô biogas có khả năng sinh ra khoảng 1,5 - 2,0 L biogas, nhiều hơn bèo tây tươi. Kết quả này là do hàm lượng chất khô trong rơm rạ chiếm phần trăm cao hơn bèo tây tươi khoảng 15 - 20 lần. 2.3 Sơ lược về các nguyên liệu ủ 2.3.1 Lục bình Lục bình (Eichhornia Crassipes) còn gọi là bèo tây, bèo Nhật Bản, bèo sen. Là loài cỏ đa niên, thuộc nhóm thực vật thủy sinh sống trôi nổi, sinh sản rất nhanh. 13 Hình 2.6: Cây lục bình (Eichhornia crassipes) a. Nguồn gốc Lục bình có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của Nam Mỹ nó đã du nhập vào nhiều vùng ôn đới trên thế giới như Trung Mỹ, Bắc Mỹ (California, các bang miền Bắc nước Mỹ), Châu Phi, Ấn Độ, Châu Á, Úc, NewZealand. Ở Việt Nam, lục bình xâm nhập vào nước ta từ năm 1905 và nhanh chóng lan ra khắp các chỗ có nước tù hãm hoặc nơi nước ngọt chảy chậm như ao, hồ, giếng, mương, ven sông (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi Dương Thúy Hoa, 2004) b Nơi sống Lục bình phát triển nhanh chóng ở những chổ ngập nước như hồ, suối, sông, mương và các vùng nước tù đọng. Lục bình hấp thu dưỡng chất trực tiếp từ nước và thường được sử dụng làm công cụ xử lý nước thải. Chúng thích hợp và phát triển mạnh mẽ trong nguồn nước giàu dưỡng chất. c Đặc điểm hình dáng Lục bình là cây thân thảo sống trôi nổi trên mặt nước hoặc bám trên đất bùn. Thân gồm một trục mang nhiều lông ngắn và những đốt mang rễ và lá. - Lá: đơn, mọc thành chùm tạo thành hoa thị, phiến tròn dài 4 - 8 cm, bìa nguyên, gân hình cung, mịn, đặc sắc, cuống lá rất xốp thường phù to tạo thành phao nổi hình lọ ngắn và to ở cây non, kéo dài đến 30 cm ở cây già. - Hoa: xanh nhạt hoặc xanh tím tạo thành chùm đứng, cao 10 - 20 cm, không đều, đài và tràng cùng màu đính ở gốc, cánh hoa trên có đốm vàng, 3 tâm bì nhưng chỉ có 1 tâm bì thụ, 6 tiểu nhị với 3 tiểu nhị dài và 3 tiểu nhị ngắn. - Rễ: dạng sợi, bất định, không phân nhánh, mọc thành chùm dài và rậm ở dưới chiếm 20 - 50% trọng lượng toàn cây tùy thuộc vào môi trường sống nhiều 14 hay ít dinh dưỡng (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi Nguyễn Văn Tùng, 2004). d. Thành phần hoá học của lục bình Thành phần hóa học của lục bình được thể hiện trong bảng 2.6. Bảng 2.6 Thành phần hóa học của lục bình Thành phần hóa học Tỷ lệ (%) vật chất khô Protid 2,9 Glucid 0,9 Xơ 22,0 Tro 1,4 Calcium 40,8 Phosphor 0,8 Caroten Vitamin C 0,66 20 (Nguồn: Võ Văn Chi, 1997 trích dẫn bởi Dương Thúy Hoa, 2004) e. Đặc điểm sinh trưởng và phát triển của lục bình Lục bình có thể sinh trưởng và phát triển ở nhiệt độ 10 - 40oC nhưng mạnh nhất ở 20 - 30oC. Vì vậy, điều kiện nhiệt độ ở ĐBSCL rất thích hợp cho sự phát triển của lục bình. Tuy nhiên, ở phía Bắc do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, gió mùa đông khá lạnh nên lục bình chỉ phát triển mạnh từ tháng 4 đến tháng 10 và ra hoa vào khoảng tháng 10, tháng 11 (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi Nguyễn Văn Tùng, 2010). Lục bình có thể sống ở bất kì ao hồ nào. Tuy nhiên ở các ao, đầm nước tĩnh nhiều chất dinh dưỡng thì lục bình sinh trưởng với tốc độ rất nhanh. Do đó lục bình được xem là một cây lấn chiếm. Trong môi trường và khí hậu thích hợp thì năng suất lục bình có thể đạt 175 tấn sinh khối khô/ha/năm (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi Nguyễn Văn Tùng, 2010). Tăng nhiệt độ và ẩm độ tương đối sẽ dẫn đến sự gia tăng năng suất của lục bình. Trong buồng tăng trưởng với những điều kiện nhân tạo thuận lợi tối ưu cho sự sinh trưởng của lục bình (nhiệt độ không khí 40 - 25oC, ẩm độ tương đối 75 - 15 95%) thì lục bình sẽ tăng trưởng với tốc độ 6 cây con trong 1 tuần. Giá trị này rất cao nhưng trong điều kiện tương đối thuận lợi ngoài tự nhiên có sự kết hợp giữa nhiệt độ và ẩm độ tương đối, tốc độ sinh trưởng của lục bình chỉ đạt 3 - 3,5 cây con trong mỗi tuần. Hệ số tăng trưởng trong 2 tuần thấp hơn trong 1 tuần và ảnh hưởng của ẩm độ lớn hơn nhiệt độ. 2.3.2 Phân heo Phân heo là những thành phần từ thức ăn nước uống mà cơ thể gia súc, gia cầm không hấp thu được và thải ra ngoài cơ thể sau quá trình tiêu hóa. Thành phần các chất trong phân rất phong phú bao gồm các dạng chủ yếu sau: Các chất hữu cơ: phân có thành phần hữu cơ rất đa dạng như các hợp chất protein, carbohydrate, chất béo và các sản phẩm trao đổi của chúng. Các chất vô cơ: chủ yếu là các hợp chất khoáng đa lượng chứa Calcium (Ca), Phosphorus (P) và các nguyên tố vi lượng. Dư lượng của thức ăn bổ sung cho gia súc, gia cầm: bao gồm các thuốc kích thích tăng trưởng, các hormone hay dư lượng kháng sinh. Các men tiêu hóa của bản thân gia súc: chủ yếu là các enzyme đường tiêu hóa bị mất hoạt tính sau khi sử dụng. - Các mô và chất nhờn: tróc ra từ niêm mạc đường tiêu hóa vật nuôi. - Các thành phần tạp: đất, đá, cát, bụi thâm nhập từ môi trường ngoài. Ngoài ra còn có các yếu tố gây bệnh sinh học như: các vi khuẩn hay ký sinh trùng bị nhiễm trong đường tiêu hóa hay trong thức ăn của gia súc. Thành phần dưỡng chất của phân heo là 0,5% nitrogen và 0,3% phosphat. Thành phần này thay đổi theo lượng dưỡng chất của thức ăn và nước uống; thay đổi theo nhu cầu của cá thể, nếu nhu cầu của cá thể cao thì sử dụng dưỡng chất nhiều, phân sẽ ít và ngược lại; thay đổi theo có lót chuồng hay không. Tỉ lệ C/N là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng sinh khí biogas của nguyện liệu. Bảng 2.8 cho thấy giữa các loại phân động vật, phân heo có tỉ lệ C/N cao nhất dao động từ 20 – 22. Điều này chứng tỏ phân heo có khả năng dùng làm nguyên liệu ủ biogas tốt hơn các loại phân động vật khác. 16 Bảng 2.7 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 ÷ 100 kg Đặc tính Đơn vị Giá trị Vật chất khô g/kg 213 ÷ 342 TP g/kg 7,99 ÷ 9,32 Chất xơ g/kg 151 ÷ 261 Carbonat g/kg 0,23 ÷ 0,41 Các acid mạch ngắn g/kg 3,83 ÷ 4,47 pH g/kg 6,47 ÷ 6,95 (Trương Thanh Cảnh, 2010) Bảng 2.8 So sánh thành phần hóa học của phân heo với các loại gia súc, gia cầm khác Phân gia súc Trâu Bò Heo Gà Mức Hàm lượng Nitrogen (%) Hàm lượng Hàm lượng P2O5 (%) K2O (%) Tỉ lệ C/N Tối đa Tối thiểu 0,358 0,246 0,205 0,115 1,600 1,129 20 18 Trung bình 0,306 0,171 1,360 19 Tối đa Tối thiểu 0,380 0,302 0,249 0,164 0,992 0,424 19 17 Trung bình 0,341 0,227 0,958 18 Tối đa Tối thiểu 1,200 0,450 0,900 0,450 0,600 0,350 22 20 Trung bình 0,840 0,850 0,580 21 Tối đa Tối thiểu 2,0 1,8 0,950 0,450 1,72 1,21 17 15 Trung bình 1,9 0,850 1,421 16 (Nguyễn Đức Lượng, Nguyễn Thị Thùy Dương 2003) 17 CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 6 năm 2013 đến tháng 9 năm 2013. Thí nghiệm được bố trí tại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên – Trường Đại học Cần Thơ. Các phân tích, đo đạc được thực hiện tại các phòng thí nghiệm Độc học Môi trường và phòng thí nghiệm Khí sinh học. 3.2 Phương tiện nghiên cứu 3.2.1 Dụng cụ, thiết bị - Nhiệt kế, máy đo pH - Máy đo độ oxi hóa – khử (Redox) - Máy đo màu quang phổ UV – Vis Hitachi U2800 (Nhật) - Máy chưng cất Kjendahl tự động Vapodest 40 (Đức) - Tủ sấy Memmert (Đức) - Cân điện tử 4 số lẻ Sartorius (Đức) - Đồng hồ đo thể tích khí Ritter – Đức - Máy đo khí biogas chuyện dụng Biogas 5000 (Geotechnical Instrument Anh) - Bộ bình ủ yếm khí theo mẻ gồm: thùng nhựa tròn có thể tích 21 lít dùng để chứa nguyên liệu thí nghiệm, được gắn với túi nhôm dùng để chứa khí sinh ra qua ống dẫn khí, trên ống dẫn khí có 2 van khí dùng để khóa và mở van theo ý muốn. Toàn bộ các liên kết đều sử dụng khớp nối mềm đảm bảo hệ thống kín nước và kín khí trong suốt quá trình thí nghiệm (Hình 3.1) 18 Hình 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm theo mẻ. 3.2.2 Nguyên vật liệu nghiên cứu a. Lục bình Lục bình thu từ khu vực phường Ba Láng, quận Cái Răng, được loại bỏ rễ, phơi khô trong 5 ngày bằng ánh nắng mặt trời. Sau khi phơi khô phần thân lá sẽ được cắt nhỏ theo từng kích thước. Lục bình được cắt nhỏ bằng tay và dùng máy nghiền để nghiền nhỏ. Sau khi nghiền, lục bình được sàng để thu được các kích thước 0,05 cm, 0,2 cm, 0,5 cm và 1 cm. b. Phân heo Phân heo lấy từ trang trại của ông Huỳnh Kim Nhẫn, ấp Phú Lợi, xã Tân Phú Thạnh, huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang. Trại heo có số lượng 50 con. Sau khi lấy về, phân heo được phơi ở nơi thoáng mát, tránh tiếp xúc với ánh nắng mặt trời sẽ mất đi nguồn dưỡng chất, sau đó nghiền nhỏ bằng máy nghiền, cuối cùng được trộn đều tạo mẫu đồng nhất. c. Nước sau túi ủ biogas. Nước sau túi ủ biogas được lấy từ đầu ra túi ủ biogas của hộ ông Nguyễn Văn Nam tại xã Long Hòa, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ vào ngày 16/06/2013 (làm nước sử dụng cho quá trình tiền xử lý) và vào ngày 20/06/2013 (nạp thêm vào mẻ ủ nhằm bổ sung lượng vi sinh vật ban đầu cho tất cả các nghiệm thức). Túi ủ có chiều dài 12 m và đường kính là 0,8 m. Lúc lấy nước mồi hệ thống ủ biogas vẫn đang hoạt động bình thường. Số lượng heo trong chuồng lúc đó là 34 con, gồm 4 heo mẹ và 30 heo con. 19 3.3 Phương pháp nghiên cứu 3.3.1 Bố trí thí nghiệm a. Tính toán lượng nguyên liệu cần nạp Hỗn hợp phân heo và lục bình theo các tỉ lệ phối trộn được xác định dựa vào khối lượng chất rắn bay hơi (VS) và khối lượng tổng chất rắn (TS). Theo Eder và Schulz (2007), lượng nạp hằng ngày cho 1 m3 hầm ủ có thể dao động từ 1 – 4 kg VS/ngày. Chọn lượng nạp cho các nghiệm thức là 1kgVS/ngày/m3, tương đương 1 g VS/ngày/lít. Như vậy, lượng nguyên liệu nạp vào bình có thể tích ủ là 17 lít sẽ có tổng lượng VS= 1x17x20 = 340 g VS/17 lít bình ủ trong 20 ngày. Từ lượng VS nguyên liệu cần nạp có thể tính được lượng TS cũng như nguyên liệu cần sử dụng để nạp cho các thí nghiệm dựa theo các công thức sau: Lượng TS cần nạp = lượng VS cần nạp/VS(%) Lượng nguyên liệu cần nạp = lượng TS cần nạp/TS(%) Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (LB), kích thước nguyên liệu nạp được bố trí theo Bảng 3.1. Bảng 3.1: Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (LB) Khối lượng nạp tính theo VS (g) Nghiệm thức Khối lượng nạp tính theo TS(g) Lục bình 0.05 cm LB 170 PH 170 Tổng 340 LB 206,3 PH 299,3 Tổng 505,6 Lục bình 0.2 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 0.5 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 1 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 39.4 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 (Ghi chú: phân heo (PH), lục bình (LB)) b. Tiền xử lý nguyên liệu nạp Tiền xử lý bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt và sự kết hợp giữa chúng. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, và phá vỡ lignin, giúp quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn và đạt hiệu suất cao hơn. Đây được xem là một trong những bước quan trọng xử lý các bước trong việc chuyển đổi đường cellulose để lên men (Mosier et al, 2005). 20 Lục bình được tiền xử lý bằng nước sau túi ủ biogas nhằm mục đích làm mềm nguyên liệu, cung cấp nguồn vi sinh vật và thúc đẩy quá trình thủy phân trước khi nạp vào bình ủ. Lục bình sau khi phơi khô nghiền nhỏ theo từng kích thước sẽ được tiền xử lý bằng nước sau túi ủ biogas trong 5 ngày, hỗn hợp được khuấy trộn mỗi ngày một lần. c. Bố trí thí nghiệm Các nghiệm thức sẽ được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong bình nhựa 21 lít, mỗi nghiệm thức được lặp lại 5 lần. Nhằm tránh tình trạng bình ủ nạp nguyên liệu quá đầy, sau khi sinh khí có thể bị tràn. Thí nghiệm chỉ nạp nguyên liệu vào bình là 17 lít, 4 lít còn lại dùng để chứa phần khí sinh ra. Các bình nhựa được bao kín bằng bao nilon đen, hạn chế sự phát triển của tảo trong suốt quá trình làm thí nghiệm. Thí nghiệm được bố trí theo mẻ: nguyên liệu ủ được tính toán cho khoảng 20 ngày và nạp một lần ngay từ đầu, sau đó theo dõi trong 45 ngày, tỉ lệ phối trộn giữa phân heo và lục bình là 50% : 50%. Tiến hành tiền xử lí bằng nước mồi biogas trong 5 ngày, các nghiệm thức khác nhau về kích thước gồm: 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; 1 cm và không cắt. 3.4 Phương pháp thu mẫu và phân tích 3.4.1 Phương pháp thu mẫu và các thông số đo đạc a. Các chỉ tiêu môi trường mẻ ủ Theo dõi các chỉ tiêu môi trường của mẻ ủ (nhiệt độ, pH, điện thế oxi hóa – khử). Phương pháp thực hiện: đo trực tiếp từ tâm bình ủ bằng điện cực với chu kì 2 ngày 1 lần bắt đầu từ ngày đầu tiên của thí nghiệm vào 7h00 sáng, nhiệt độ được tiến hành đo vào 9h00. b. Các mẫu khí biogas Thu mẫu khí: khí sinh ra từ các nghiệm thức được thu và trữ vào các túi nhôm. Tiến hành đo vào 7h00 sáng, theo chu kì 2 ngày/lần và theo dõi liên tục trong 45 ngày. Theo dõi, đo đạc tổng lượng khí thu được bằng đồng hồ đo thể tích Ritter và phân tích thành phần khí (% CH4, %CO2, %O2 và % H2S) bằng máy Biogas 5000. Sau khi nạp nguyên liệu vào bình ủ chưa thu khí ngay mà để một ngày cho khí sinh ra lấp đầy phần mặt thoáng trong bình, công tác thu khí đo đạc bắt đầu từ ngày thứ hai. 21 (A) (B) Hình 3.2 Thiết bị đo các khí thành phần (A) và đồng hồ đo thể tích khí (B) c. Các mẫu hỗn hợp mẻ ủ Hỗn hợp mẻ ủ được xay nhỏ, trộn đều tạo mẫu đồng nhất và tiến hành thu mẫu để phân tích các chỉ tiêu VS, TS, TN, TP, vi sinh (vi sinh vật yếm khí, tổng coliform và faecal coliform) của các mẻ ủ tương ứng với các ngày lấy mẫu là ngày đầu, ngày 20, 45. Sau 20 ngày thí nghiệm tiến hành lấy 1 bình ủ của mỗi nghiệm thức để phân tích các chỉ tiêu TS, VS, tỉ lệ C/N, độ kiềm và pH nhằm xác định khả năng phân hủy của các vật liệu, cuối cùng sau 45 ngày phân tích các bình còn lại. 3.4.2 Phương pháp phân tích mẫu Tất cả các chỉ tiêu phân tích được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên. Theo các phương pháp thể hiện trong Bảng 3.2 22 Bảng 3.2: Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu Chỉ tiêu Phương pháp phân tích Phương tiện pH Đo trực tiếp bằng điện cực (TCVN 6492:2011) Máy đo pH hiệu Orion Model 230A Ntổng Phân hủy đạm và chưng cất Kjeldahl - Máy công phá đạm đạm Kjeldahl KB 20S (TCVN 6638:2000) - Máy chưng cất Gerhardt Vapodest - Ống Kjeldahl Đo thể tích khí Đo thành phần khí Đo trực tiếp bằng máy đo khí. - Đồng hồ đo khí RITTER Đo trực tiếp bằng máy đo. - Máy đo khí Biogas 5000 Vi sinh vật yếm khí - Túi trữ khí - Ống nghiệm - Pipette Tổng Coliform Phương pháp MPN (TCVN 8775:2011) VS Ptổng - Nồi chưng cất thủy (BW 20G Lab. Companion) - Nồi khử trùng nhiệt ướt (Hirayama Autoclave HVE-50) Faecal coliform TS - Buồng cấy (Clean Bench – Jisico): Sấy 105oC đến trọng lượng không đổi Tủ sấy Memmert UI40 Nung 550oC đến trọng lượng không đổi Cân điện tử Sartorius Phương pháp ASCORBIC ACID METHOD Máy so màu U-2008 Cân điện tử Sartorius Tủ nung Lenton 550oC Máy Autoclave 3.4.3 Phương pháp tính toán a) Xác định phần trăm ẩm độ Phân tích TS bằng phương pháp sấy khô ở 105°C. Giá trị TS được xác định theo công thức: 23 %TS M 2 M1 100 M 3 M1 Trong đó: - %TS: Phần trăm tổng chất rắn (%) - M1: Trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g) - M2: Trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) - M3: Trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 105°C (g) %Ẩm độ được tính bằng công thức: %Ẩm độ = 100% - %TS b) Xác định phần trăm chất rắn bay hơi (VS) Phân tích phần trăm vật chất hữu cơ khô bằng phương pháp tro hóa. Giá trị VS được xác định theo công thức: %VS 100% ( M 3 M1 100) M 2 M1 Trong đó: - %VS: Phần trăm chất rắn bay hơi (%) - M1: Trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g) - M2: Trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) - M3: Trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 550°C (g) c) Xác định carbon tổng số (Viện thổ nhưỡng nông hoá, 1998) Phân tích carbon tổng số dựa trên phương pháp tro hóa. Giá trị carbon tổng số được tính theo công thức sau: 100% ( %C M 3 M1 100) M 2 M1 1.724 Trong đó: - %C: Phần trăm carbon tổng (%) - M1: Trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g) - M2: Trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) 24 - M3: Trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 550°C (g) d) Xác định nitrogen tổng số (Viện thổ nhưỡng nông hoá, 1998) Phân tích nitrogen tổng bằng phương pháp Kjeldahl. Giá trị nitrogen tổng được tính theo công thức sau: %N (V V ' ) C N 0.014 100 M Trong đó: - %N: Phần trăm Nitrogen tổng (%) - V’: thể tích H2SO4 dùng trong định phân có mẫu (mL) - V: thể tích H2SO4 dùng trong định phân mẫu trắng (mL) - CN: nồng độ đương lượng của H2SO4 d ng trong định phân (N) - M: trọng lượng mẫu (g) e) Xác định tỉ lệ C/N Tỉ lệ C/N được tính theo công thức sau: C N %C %N Trong đó: - %C: phần trăm carbon tổng (%) - %N: phần trăm Nitrogen tổng (%) f) Xác định lượng TS nguyên liệu cần nạp Lượng TS nguyên liệu nạp cần dùng cho từng bình ủ được tính theo công thức sau: TSnap VSnap VS (%) Trong đó: - TSnạp: tổng lượng chất rắn nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - VSnạp: lượng chất rắn bay hơi nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - %VS: Phần trăm chất rắn bay hơi của từng loại nguyên liệu (%) 25 g) Xác định lượng nguyên liệu khô cần nạp Lượng nguyên liệu khô cần dùng cho từng bình ủ được tính theo công thức sau: NguyenLieunap TSnap %TS Trong đó : - Nguyên liệu nạp: lượng nguyên liệu khô cần nạp (g) - TSnạp: tổng lượng chất rắn nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - %TS: phần trăm tổng chất rắn của từng loại nguyên liệu (%) h) Xác định phần trăm khí CO2 và các khí khác Phần trăm khí CO2 và các khí khác được tính theo công thức: %CO2 và các khí khác = 100 - %CH4 Trong đó: - %CO2 và các khí khác: Phần trăm khí CO2 và các khí khác có trong hỗn hợp biogas (%) - %CH4: Phần trăm khí CH4 có trong hỗn hợp khí biogas (%) i) Xác định năng suất sinh khí Năng suất sinh khí được tính theo công thức sau: H V khi VSvao VSra Trong đó: - H: Năng suất sinh khí (lít/kg) - ∑Vkhí: Tổng thể tích khí (lít) - VS: lượng chất rắn bay hơi (kg) 3.4.4 Phương pháp xử lý số liệu Các kết quả của đề tài sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2013 để tính kết quả và vẽ đồ thị. Số liệu về các chỉ tiêu phân tích sẽ được kiểm tra phân phối chuẩn, tính đồng nhất của phương sai trước khi thực hiện so sánh trung bình giữa các nghiệm thức bằng phần mềm SPSS 13.0 26 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THẢO LUẬN 4.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu Theo nhiều nhà nghiên cứu hai yếu tố quan trọng nhất cho quá trình phân hủy yếm khí là carbon và nitrogen. Hai nguyên tố này phải hiện diện ở một tỉ lệ thích hợp nhất định thì quá trình phan hủy yếm khí mới diễn ra tốt, tỉ lệ này gọi là tỉ số C/N. Theo RISE-AT (1998) và Fabien (2003), tỉ lệ C/N tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20/1 đến 30/1. Nguyên liệu dùng trong thí nghiệm được phân tích các chỉ tiêu hóa học nhằm kiểm tra sự phù hợp của nguyên liệu đối với quá trình biogas. Kết quả phân tích về đặc điểm hóa học của nguyên liệu đầu vào được thể hiện trong Bảng 4.1. Bảng 4.1 Đặc điểm hóa học của nguyên liệu đầu vào Vật liệu %C %N C/N Lục bình 45.2 1.14 39.65/1 Phân heo 32.9 2.32 14.18/1 Dựa vào bảng 4.1 ta có thể thấy tỉ lệ C/N của lục bình là 39,65/1 là thấp hơn so với thí nghiệm của Nghiêm Bích Ngọc (2013) là 42,87/1 nhưng cao hơn nhìu so với trình bày của Nguyễn Văn Thu (2010) là 25/1, Nguyễn Võ Châu Ngân và cộng sự (2011) là 30/1. Tỉ lệ C/N của phân heo là 14,18/1. So với nghiên cứu của Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003) là 18/1 ÷ 22/1, Lê Trần Thanh Liêm (2010) là 17/1 ÷ 21/1 thì kết quả này là không phù hợp. Tỉ lệ C/N đầu vào của nguyên liệu có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như giống cây trồng, hệ thống canh tác, điều kiện đất đai, khí hậu, … Đối với quá trình phân hủy yếm khí, tỉ lệ C/N càng cao thì nồng độ khí methane trong khí sinh học càng giảm (Hill, 1979). Một trong những lí do phối trộn lục bình với phân heo trong mẻ ủ yếm khí là để ổn định tỉ lệ C/N ở mức thích hợp nhằm tăng khả năng sinh khí methane. Tỉ lệ C/N của phân heo thường thấp nên việc phối trộn với lục bình có tỉ lệ C/N cao là hợp lí nhằm tạo C/N tối ưu. Trong nghiên cứu này sau khi phối trộn C/N đầu vào của các nghiệm thức có giá trị từ 20,1 – 21,7 (Bảng 4.2) thuộc khoảng tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20 – 30 (Bardiya and Gaur, 1997; Malik et al, 1987; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). 27 Bảng 4.2 Đặc điểm hóa học của hỗn hợp nguyên liệu sau khi được phối trộn Nghiệm thức %C %N C/N Lục bình 0,05 cm 39,0 1,93 20,2 Lục bình 0,2 cm 39,0 1,94 20,1 Lục bình 0,5 cm 39,0 1,92 20,3 Lục bình 1 cm 39,0 1,92 20,4 Lục bình không cắt 39,0 1,80 21,7 Nhìn chung cả 2 tỉ lệ C/N của phân heo và lục bình đều không thích hợp cho quá trình ủ yếm khí. Tuy nhiên sau khi phối trộn lục bình với phân heo ở tỉ lệ 50% – 50% đã góp phần điều chỉnh tỉ lệ C/N của hỗn hợp ủ cao hơn tỉ lệ C/N của phân heo, thấp hơn tỉ lệ C/N của lục bình và càng tiến gần về khoảng giá trị thích hợp nhất cho quá trình ủ yếm khí. 4.2 Các thông số kiểm soát quá trình ủ yếm khí 4.2.1 Nhiệt độ Nhiệt độ được đo trực tiếp từ tâm của bình ủ bằng máy đo từ 10h00 đến 11h00 hai ngày một lần. Kết quả theo dõi nhiệt độ ở các mẻ ủ cho thấy nhiệt độ của các nghiệm thức dao động từ 26,920C đến 31, 160C, trung bình là 28,70C và không có sự chênh lệch nhiều giữa các nghiệm thức và giữa nghiệm thức với môi trường (Hình 4.1). Đây là khoảng nhiệt độ phù hợp cho các VSV ưa ấm phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Theo Lê Hoàng Việt (2005) và Fabien (2003) nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ưa ấm phát triển là từ 25 – 400C. Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010) cho rằng ở nhiệt độ cao, tốc độ phát triển của vi khuẩn và nguyên liệu nhanh hơn, tốc độ sinh methane của vi khuẩn tăng theo nhiệt độ, nhưng phản ứng sinh học lại có thể bị ức chế do lượng amon tự do cũng tăng theo nhiệt độ. Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) nhiệt độ tối ưu cho lên men tạo khí methane là khoảng 350C, thấp hơn nhiệt độ tối ưu này thì mức độ sinh khí giảm dần cho đến gần 100C. Nhiệt độ mẻ ủ biến động theo ngày trong suốt quá trình ủ tùy theo nhiệt độ môi trường (Bảng 4.3). Ngoài ra nhiệt độ của các nghiệm thức cũng chịu ảnh hưởng của lượng nhiệt được sinh ra từ các phản ứng sinh hóa trong các mẻ ủ. 28 Bảng 4.3 Diễn biến nhiệt độ (0C) của các mẻ ủ trong 45 ngày Giai đoạn (ngày) NT 1–7 8 - 15 16 - 23 24 - 31 32 - 37 37 - 43 LB 0.05 cm 29,25 ± 1,64 29,47 ± 1,18 29,48 ± 0,89 27,59 ± 0,26 28,38 ± 1,33 28,41 ± 0,84 LB 0.2 cm 29,12 ± 1,29 29,19 ± 1,15 29,11 ± 0,76 27,65 ± 0,40 28,27 ± 1,21 28,31 ± 0,70 LB 0.5 cm 29,04 ± 1,61 29,45 ± 1,26 29,50 ± 1,12 27,71 ± 0,42 28,39 ± 1,22 28,41 ± 0,85 LB 1 cm 29,50 ± 1,74 29,57 ± 1,16 29,56 ± 0,88 27,75 ± 0,30 28,46 ± 1,35 28,37 ± 0,92 LB không cắt 29,18 ± 1,48 29,17 ± 1,30 29,30 ± 0,72 27,61 ± 0,27 28,36 ± 1,42 28,23 ± 0,73 Môi trường 30,68 ± 2,41 29,93 ± 1,43 30,10 ± 2,26 29,05 ± 1,74 30,40 ± 2,11 29,33 ± 1,10 Tóm lại nhiệt độ trong các mẻ ủ phù hợp cho VSV ưa ấm phát triển và gần với khoảng nhiệt độ thích hợp cho sự phá triển của vi khuẩn sinh methane. Biến động nhiệt độ của các nghiệm thức trong quá trình bố trí thí nghiệm là do bình ủ có thể tích nhỏ (21 L) nên dễ chịu sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và do lượng nhiệt phát sinh từ các phản ứng sinh hóa trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ. 4.2.2 pH Biểu đồ diễn biến pH của từng nghiệm thức trong quá trình ủ (Bảng 4.4) cho thấy giá trị pH của mẻ ủ trong 45 ngày nằm trong khoảng từ 6,38 đến 7,2. pH đạt giá trị thấp nhất 6,38 đến 7,1 và không ổn định ở những ngày đầu tiên, do thời gian này là thời gian VSV làm quen với môi trường trong mẻ ủ và là giai đoạn xảy ra quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các acid amin cho VSV dễ phân hủy tạo acid acetic và các acid hữu cơ khác nên làm pH môi trường mẻ ủ giảm. Tuy nhiên khoảng pH này vẫn thuộc khoảng thích hợp cho sự phát triển của VSV. Bảng 4.4 Diễn biến pH của mẻ ủ trong 45 ngày Giai đoạn (ngày) NT 1–7 8 - 15 16 - 23 24 - 31 32 - 37 37 - 43 LB 0.05 cm 6,47 ± 0,10 6,78 ± 0,16 6,79 ± 0,15 7,06 ± 0,08 7,10 ± 0,02 6,83 ± 0,03 LB 0.2 cm 6,74 ± 0,14 6,83 ± 0,19 6,82 ± 0,21 7,10 ± 0,07 7,13 ± 0,06 6,81 ± 0,05 LB 0.5 cm 6,69 ± 0,08 6,87 ± 0,25 6,93 ± 0,17 7,12 ± 0,02 7,07 ± 0,04 6,73 ± 0,03 LB 1 cm 6,70 ± 0,10 6,84 ± 0,15 6,95 ± 0,16 7,12 ± 0,03 7,06 ± 0,02 6,79 ± 0,06 LB không cắt 6,93 ± 0,17 6,89 ± 0,16 7,01 ± 0,11 7,11 ± 0,03 7,10 ± 0,03 6,94 ± 0,12 29 Giá trị pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tốc độ hoạt động của hệ vi sinh trong mẻ ủ (Lê Hoàng Việt, 2013). Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997), pH là nhân tố góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí methane. Giá trị pH thay đổi theo từng giai đoạn diễn ra trong mẻ ủ, ở giai đoạn thủy phân các hợp chất hữu cơ và giai đoạn sinh acid thì pH giảm xuống, ở giai đoạn sinh methane thì pH tăng dần và bắt đầu ổn định tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào. Giá trị pH tăng lên trong tất cả các nghiệm thức ở giai đoạn sinh methane, các vi khuẩn sinh methane bắt đầu phát triển mạnh và gia tăng tốc độ chuyển đổi các acid hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác thành khí methane, carbonic, oxygen, nitrogen và hydrosulfua. Sau tuần thứ hai, giá trị pH ổn định, dao động từ 6,78 – 7,12 và nằm trong khoảng pH thích hợp cho VSV hoạt động từ 6,6 – 7,6 (Lê Hoàng Việt, 2005 và Mc Carty, 1964); 6,50 – 7,50 (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Nhìn chung, giá trị pH của tất cả các nghiệm thức tương đối đồng đều và thuộc khoảng giá trị thích hợp cho quá trình phân hủy của các VSV. Tuy vào những ngày đầu pH có sự chênh lệch với giá trị pH thích hợp nhưng sự chênh lệch không đáng kể và không ảnh hưởng nhiều đến quá trình sinh khí cũng như quá trình hoạt động của VSV. 4.2.3 Điện thế oxy hóa khử Điện thế oxi hóa khử được đo trực tiếp ở tâm bình ủ từ 7h00 đến 9h00, bắt đầu từ ngày thứ nhất, theo chu kì 2 ngày 1 lần. Kết quả theo dõi điện thế oxi hóa khử ở các mẻ ủ cho thấy điện thế oxi hóa khử của nghiệm thức khá ổn định, có sự dao động không đáng kể, giá trị điện thế oxi hóa khử nằm trong khoảng từ -335,6 mV đến - 212,8 mV, trung bình là -273,7 mV (Hình 4.1). Hình 4.1 cho thấy điện thế oxi hóa khử của tất cả các nghiệm thức trong suốt thời gian theo dõi đều có giá trị âm và nhỏ hơn -150 mV. Điều này chứng tỏ môi trường của mẻ ủ là môi trường yếm khí, quá trình xảy ra luôn là quá trình khử (không có oxygen, không xảy ra sự oxy hóa). Theo Jurgen Wiese, Ralf Konig (2007) khi môi trường yếm khí thì giá trị điện thế oxi hóa khử đo được thường nhỏ hơn -100 mV. 30 Điện thế oxi hóa khử (mV) Thời gian (ngày) -100 -125 -150 -175 -200 -225 -250 -275 -300 -325 -350 LB 0.05cm LB 0.2cm LB 0.5cm LB 1cm LB ko cắt Hình 4.1 Diễn biến điện thế oxi hóa khử (Redox) Trong 2 tuần đầu, điện thế oxi hóa khử của tất cả các nghiệm thức đều có giá trị âm và nhỏ luôn nhỏ hơn -250mV (cụ thể: NT1: -264,2 mV; NT2: -259,4mV; NT3: -286,4mV; NT4: -255,4mV; NT5: -248,4mV vào ngày 13 của mẻ ủ). Do trong 2 tuần đầu diễn ra quá trình khử mạnh hay là quá trình thủy phân các chất hữu cơ thành các monomer có phân tủ lượng nhỏ. Các monomer này là nguồn thức ăn cho vi khuẩn sinh acid (acetogenic). Nhóm vi khuẩn này hấp thụ, sinh trưởng, sinh sản và chuyển hóa các chất hữu cơ thành các acid béo bay hơi như acid acetates, acid propynic, acid butyric, acid formandehyd, H2 và CO2. Ở các tuần tiếp theo, giá trị điện thế oxi hóa khử tăng dần và tương đối ổn định, do thời gian này trong mẻ ủ diễn ra cùng lúc nhiều quá trình: thủy phân, tạo acid, methane hóa. Giá trị điện thế oxi hóa khử có dấu hiệu giảm vào tuần cuối của mẻ ủ, do vào thời điểm này, lượng chất hữu cơ trong môi trường của mẻ ủ giảm, các vi sinh vật yếm khí cũng chết dần do thiếu thức ăn, chất độc tích tụ trong môi trường, pH giảm,… nên quá trình khử cũng diễn ra với tốc độ chậm lại. Nhìn chung, điện thế oxi hóa khử của các nghiệm thức luôn có giá trị âm trong suốt quá trình ủ chứng tỏ toàn bộ quá trình ủ xảy ra trong điều kiện yếm khí. Điện thế oxi hóa khử là một yếu tố kiểm soát quan trọng cần được quan tâm, kiểm soát quá trình sinh khí sinh học của mẻ ủ, nhằm có biện pháp can thiệp kịp thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy (Jurgen Wiese, Ralf Konig, 2007). 4.3 Ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí biogas Trong thí nghiệm có nghiệm thức đối chứng nước mồi biogas nhằm mục đích xác định lượng biogas sinh ra từ nước mồi, từ đó có thể xác định được lượng biogas sinh ra từ nguyên liệu thực tế sử dụng cho thí nghiệm. Kết quả đo trong suốt thời gian thấy nghiệm cho thấy rằng không có khí sinh ra từ nước mồi biogas. Như vậy, các kết quả biogas sinh ra của từng nghiệm thức là từ nguyên liệu nạp vào thí nghiệm. 31 4.3.1 Xác định thời điểm sinh khí cực đại của mẻ ủ Xác định thời điểm sinh khí cực đại của mẻ ủ tức là xác định thời điểm mẻ ủ sinh khí cao nhất dựa vào diễn biến thể tích khí sinh ra trong các lần đo. Kết quả nghiên cứu cho thấy thể tích sinh ra của các nghiệm thức phối trộn lục bình với phân heo đều cho thấy có tính tăng giảm tương đồng, chứng tỏ nguyên liệu nạp vào các mẻ ủ là khá đồng nhất. Thể tích CH4 (lít/kgVS) 20 15 10 5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 45 Thời gian (ngày) LB 0,05 cm LB 0,2 cm LB 0,5 cm LB 1 cm LB ko cắt Hình 4.2 Thể tích CH4 sinh theo ngày của 5 nghiệm thức trong 45 ngày Diễn biến thể tích khí CH4 sinh ra theo các lần đo ở Hình 4.2 cho thấy, các nghiệm thức đều sinh khí ở ngày đo thứ nhất (tức là ngày thứ 2 của thí nghiệm), tuy nhiên giai đoạn này phần trăm CH4 so với tổng thể tích còn thấp. Trong đó nghiệm thức lục bình 1 cm có lượng CH4 nhiều nhất (3.81 lít/kgVS). Kế đến là nghiệm thức lục bình không cắt; lục bình 0,5 cm; lục bình 0,05 cm giá trị khí CH4 sinh ra lần lượt là 3,22 lít/kgVS; 2,69 lít/kgVS; 1,61 lít/kgVS và thấp nhất là nghiệm thức lục bình 0,2 cm với 0,90 lít/kgVS. Trong tuần đầu, thể tích khí CH4 sinh ra đều tăng ở tất cả các nghiệm thức (Nghiệm thức lục bình 0,05 cm ở ngày thứ 2 là 1,61 lít/kgVS đến ngày thứ 10 tăng lên 17,24 lít/kgVS, cùng thời điểm đó nghiệm thức lục bình 0,2 cm từ 0,90 lít/kgVS tăng lên 14,03 lít/kgVS, nghiệm thức lục bình 0,5 cm từ 2,69 lít/kgVS tăng lên 12,59 lít/kgVS, nghiệm thức lục bình 1 cm từ 3,81 lít/kgVS tăng lên 14,70 lít/kgVS, nghiệm thức lục bình không cắt từ 3,22 lít/kgVS tăng lên 10,02 lít/kgVS. CH4 sinh ra có dấu hiệu giảm ở các nghiệm thức vào ngày 12 của thí nghiệm do sơ suất trong việc lắc bình vào ngày trước đó. Đến ngày thứ 14, khí sinh ra ở các nghiệm thức tăng trở lại. Dựa vào Hình 4.5 có thể thấy nghiệm thức lục bình 1 cm và lục bình không cắt sinh khí CH4 cực đại sớm nhất vào ngày thứ 10. Tiếp đó là nghiệm thức lục bình 0,5 cm sinh ra lượng CH4 cực đại vào ngày thứ 22 của thí nghiệm, nghiệm thức lục bình 0,05 cm và lục bình 0,2 cm sinh khí CH4 cực đại trễ hơn vào ngày 32 26 và 28 của thí nghiệm. Thời điểm các nghiệm thức sinh khí CH4 cao nhất tương ứng với thể tích CH4 sinh ra cực đại của từng nghiệm thức được trình bày trong bảng sau: Bảng 4.5 Thể tích và thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức Nghiệm thức Thể tích CH4 cực đại (lít/kg VS) Thời gian (ngày) LB 0.05 cm 17,24 10 LB 0.2 cm 14,20 28 LB 0.5 cm 17,35 22 LB 1 cm 14,70 10 LB Không cắt 10,02 10 Trong thí nghiệm này, nghiệm thức lục bình 0,05 cm; 1 cm và không cắt sinh khí CH4 cực đại ở giai đoạn đầu của quá trình phân hủy (khoảng giữa tuần thứ 2) là do việc sử dụng nước mồi Biogas để tiền xử lý vật liệu trước khi ủ, nếu không có công đoạn tiền xử lý, mẻ ủ sẽ tốn nhiều thời gian hơn trong việc khởi động (Lopes và cộng sự, 2004). Nước mồi biogas được lấy trực tiếp từ đầu ra của hệ thống biogas đang hoạt động, các vi sinh vật yếm khí đã tồn tại sẵn trong nước mồi, cung cấp năng lượng và dinh dưỡng cho bình ủ ở giai đoạn đầu của quá trình phân hủy. Sự gia tăng số lượng vi sinh vật trong giai đoạn đầu là rất cần thiết nhằm rút ngắn thời gian lưu nước của mẻ ủ. Nghiệm thức lục bình 0,2 cm và 0,5 cm sinh khí CH4 cực đại vào ngày thứ 28 và 22 của thí nghiệm. Dựa vào đồ thị có thể thấy mỗi nghiệm thức đều có 2 đỉnh sinh khí, tức là khí sinh ra vẫn còn tăng giảm một vài đợt và đạt giá trị cao sau chu kì tăng cực đại. Đỉnh sinh khí thứ nhất là vào ngày 8 đến ngày 10 của thí nghiệm. Thời gian này các nghiệm thứ đều sinh ra lượng khí CH4 cao, cao nhất là nghiệm thức lục bình 0,05 cm (17,24 lít/kgVS cũng là lượng khí cực đại), nghiệm thức lục bình 0,2 cm và lục bình 1 cm sinh ra lượng CH4 chênh lệch nhau không lớn (14,03 và 14,70 lít/kgVS), tiếp đó là nghiệm thức lục bình 0,5 cm (12,59 lít/kgVS) và cuối cùng là nghiệm thức lục bình không cắt (10,02 lít/kgVS). Sau khi các nghiệm thức đạt đỉnh sinh khí lần thứ nhất, lượng CH4 sinh ra ở các nghiệm thức có xu hướng giảm sau đó bắt đầu tăng lại và đạt đỉnh sinh khí lần thứ 2. Sớm nhất là vào ngày thứ 20 đến 22 đối với nghiệm thức lục bình không cắt, kế đó là nghiệm thức lục bình 0,5 cm và lục bình 1 cm vào ngày 20 đến ngày 24 và nghiệm thức lục bình 0,05 cm; lục bình 0,2 cm là vào ngày 24 đến ngày 28 của thí nghiệm. Điều này có thể là do nguyên liệu ủ là hỗn hợp phối trộn giữa phân heo và lục bình, 2 loại này có thời gian phân hủy khác nhau. Phân heo dễ phân hủy hơn nên thời gian đầu, 33 phân heo được vi sinh vật sử dụng để đạt đến lượng khí cực đại. Sau đó lượng phân heo còn lại ít, thay vào đó là lục bình có quá trình thủy phân và sinh acid chậm hơn, cần nhiều thời gian phân hủy hơn do đó khi lục bình tiến hành quá trình phân hủy, mẻ ủ đạt đỉnh sinh khí mới. Mặt khác có khả năng trong môi trường mẻ ủ tồn tại một số thành phần hữu cơ khó phân hủy bắt đầu phân hủy vào thời gian này hoặc do quá trình lắc bình thủ công hằng ngày gây ảnh hưởng. Thời điểm sinh khí cực đại của các nghiệm thức ở thí nghiệm trên có sự khác biệt so với nghiên cứu của một số tác giả. Thí nghiệm của Nguyễn Võ Châu Ngân (2012) được thực hiện với bình ủ 21 lít, nguyên liệu là lục bình kích cỡ 1:2cm phối trộn phân heo, lượng biogas sinh ra cực đại vào ngày thứ 6 của thí nghiệm với 14,1 lít. Thí nghiệm được thực hiện ở cùng điều kiện tuy nhiên có sự khác nhau ở tỉ lệ C/N và lượng nguyên liệu nạp đầu vào (1,25 kg VS/lít/ngày) do đó dẫn đến sự khác biệt về thời gian và lượng khí cực đại của nghiệm thức giữa 2 thí nghiệm. Theo thí nghiệm của Nguyễn Hữu Phong (2009) đối với bình ủ 40 lít, nguyên liệu là lục bình phơi khô, cắt nhỏ 0,5 : 1,5cm. có phối trộn phân heo, lượng khí biogas sinh ra cực đại là 25 lít vào ngày thứ 12 của mẻ ủ. Cùng với lượng nguyên liệu nạp là 1kg VS/lít/ngày nhưng thể tích bình ủ gần gấp đôi nên nguyên liệu được tiếp xúc nhiều hơn với nước ủ. Theo thí nghiệm của Nghiêm Bích Ngọc (2013), điều kiện thí nghiệm giống nhau, nguyên liệu lục bình phơi khô cắt nhỏ 1 : 0,3 cm và không cắt, có phối trộn phân heo. Lượng khí sinh ra cực đại của 2 nghiệm thức lần lượt là 10,4 lít vào ngày 8 và 9,4 lít vào ngày 7. Nguyên nhân của sự khác biệt này có thể là do ở thí nghiệm của Nghiêm Bích Ngọc, lượng nguyên liệu đầu vào được tính toán cho 45 ngày, tỉ lệ C/N cao hơn (23,96/1 31,44/1). Từ ngày 28 cho đến khi kết thúc thí nghiệm, lượng khí sinh ra ở các nghiệm thức có dấu hiệu giảm, do lượng nguyên liệu nạp vào mẻ ủ chỉ được tính toán trong 25 ngày nhưng thời gian theo dõi lại kéo dài đến 45 ngày nên lượng chất hữu cơ giảm, vi sinh vật giảm, quá trình khử diễn ra chậm lại, độc chất trong môi trường tăng lên, pH giảm,… do đó lượng khí CH4 sinh ra cũng giảm theo. Nhìn chung, việc bổ sung nước mồi ở giai đoạn đầu của mẻ ủ góp phần thúc đẩy nhanh chóng quá trình sinh khí, có sự khác biệt rõ rệt giữa các nghiệm thức lục bình có kích thước nhỏ so với nghiệm thức lục bình không cắt. Diễn biến của quá trình sinh khí xảy ra ở các nghiệm thức là tương đối giống nhau do các nghiệm thức đều được nạp cùng một lượng VS đầu vào. 4.3.2 Tổng khí CH4 tích dồn của các nghiệm thức trong 45 ngày Nhìn vào biểu đồ thể tích biogas tích dồn trong 45 ngày thí nghiệm (Hình 4.3) có thể thấy biểu đồ có độ dốc ít chứng tỏ tốc độ sinh khí là không nhanh. 34 Điều này có thể được giải thích là do lục bình có hàm lượng chất xơ cao, VSV cần một thời gian để phân hủy. Mặt khác do nguyên liệu của mẻ ủ có khối lượng nhỏ dẫn đến hiện tượng lục bình bị nổi lên trên, khiến VSV không có điều kiện phân hủy toàn bộ lục bình một cách nhanh chóng (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2012), do đó để tăng sản lượng khí cần tiến hành khuấy đảo hỗn hợp (Nguyễn Quang Khải, 2009). Các đường biểu diễn hầu như xuất phát cùng 1 điểm, điều này cho thấy ngày đầu tiên tiến hành đo (tức là ngày thứ 2 của thí nghiệm) ở tất cả các nghiệm thức đều có sinh khí CH4 và có thể tích khí chênh lệch nhau không lớn và đạt thể tích cao nhất là nghiệm thức lục bình không cắt (cụ thể nghiệm thức lục bình 0,05 cm: 1,61 lít/kgVS; lục bình 0,2 cm: 0,90 lít/kgVS; lục bình 0,5 cm: 2,69 lít/kgVS; lục bình 1 cm: 3,81 lít/kgVS và lục bình không cắt: 3,22 lít/kgVS). Đây có thể là do các NT đều có kích cỡ nhỏ (lần lượt là 0,05; 0,2; 0,5 và 1 cm) tạo điều kiện cho sự phân hủy sinh học diễn ra dễ dàng và nhanh chóng do bề mặt tiếp xúc giữa nguyên liệu và VSV tăng. Đồng thời các nghiệm thức cũng đã được tiến hành tiền xử lí bằng nước mồi biogas trong 5 ngày, điều này có nghĩa là mẻ ủ đã được cung cấp sẵn một hệ VSV phân hủy sinh học, do đó quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn. Mặt khác do nguyên liệu ủ có kích cỡ nhỏ nên sẽ xuất hiện hiện tượng các nguyên liệu bị nổi lên trên, điều này gây cản trở sự tiếp xúc giữa nguyên liệu và vsv gây cản trở phần nào đến sự thủy phân tạo khí biogas. Thể tích (lít/kgVS) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 a ab bc cd d 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 45 Thời gian (ngày) LB 0,05 cm LB 0,2 cm LB 0,5 cm LB 1 cm LB ko cắt Hình 4.3 Thể tích khí methane tích dồn trong 45 ngày ngày thí nghiệm Kết quả CH4 tích dồn của các nghiệm thức trong 45 ngày cho thấy, nghiệm thức có lượng CH4 tích dồn cao nhất là nghiệm thức lục bình 0,05 cm (180,10 lít/kgVS), thứ hai là nghiệm thức lục bình 0,5 cm (176,60 lít/kgVS), tiếp đó là nghiệm thức lục bình 0,2 cm (155,04 lít/kgVS), nghiệm thức lục bình 1 cm 35 (140,74 lít/kVS) và cuối cùng là nghiệm thức lục bình không cắt (117,13 lít/kgVS). Kết quả phân tích thống kê cho thấy có sự khác biệt giữa các nghiệm thức kích cỡ lục bình về thể tích CH4 tích dồn (P 10 m3) thì có thể cho khác biệt rõ ràng hơn về phần trăm thành phần khí biogas sinh ra. %CH4 60 50 40 30 20 10 0 Tuần 1 Tuần 2 LB 0,05 cm Tuần 3 LB 0,2 cm Tuần 4 LB 0,5 cm Tuần 5 LB 1 cm Tuần 6 Tuần 7 LB ko cắt Hình 4.4 Diễn biến giá trị phần trăm khí CH4 của các nghiệm thức qua các tuần Giá trị thành phần CH4 của các nghiệm thức trong 45 ngày biến thiên từ 5,5 ÷ 64,5%. Giá trị thấp nhất (5,5%) là của NT lục bình 0.2 cm trong ngày thứ 2 của thí nghiệm. Sự khác thường này có thể là do việc lắc bình bị sai sót, lục bình bị nổi, các VSV không có điều kiện phân hủy. Ở tỉ lệ này, biogas sinh ra có chất lượng tốt để phục vụ cho đun nấu. 37 Dựa vào đồ thị Hình 4.6 về diễn biến giá trị phần trăm khí CH4 của các nghiệm thức qua các tuần ta có thể thấy trong tuần đầu %CH4 thấp có sự chênh lệch và tăng ở tất cả các nghiệm thức. Đây có thể là do, trong tuần đầu là khoảng thời gian hệ VSV trong mẻ ủ làm quen với môi trường, quá trình phân hủy diễn ra chưa mạnh do đó %CH4 có giá trị thấp và thiếu ổn định trong tuần đầu. Từ ngày thứ 20 đến ngày 36, %CH4 đạt giá trị cao và tương đối ổn định. Sau ngày 36 %CH4 có dấu hiệu giảm ở các nghiệm thức do hàm lượng chất hữu cơ giảm và điều kiên môi trường không còn thuận lợi cho vsv tiếp tục phát triển. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Dirar và El-Amin (1988), theo đó hàm lượng khí methane trên tổng thể tích biogas tăng dần trong giai đoạn đầu và giảm dần ở giai đoạn sau. Khí sinh học là hỗn hợp của nhiều chất khí, với tỉ lệ và thành phần của các chất khí có trong hỗn hợp tùy thuộc vào loại nguyên liệu và các điều kiện của qua trình phân hủy như nhiệt độ, pH, độ kiềm, … Đồng thời nó cũng tùy thuộc vào các giai đoạn diễn biến của quá trình phân hủy sinh học (Nguyễn Quang Khải, 2009; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Nguyên liệu được tiến hành tiền xử lý với nước mồi biogas trong 5 ngày nên phần nào rút rút ngắn được thời gian. Giai đoạn đầu của quá trình phân hủy sinh học yếm khí là thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử và một vài dạng không hòa tan thành những chất hữu cơ đơn giản dễ hòa tan trong nước. Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003) thì tham gia vào giai đoạn này có nhiều loài vi sinh vật và kéo dài khoảng 2 ngày. Sau đó các chất hữu cơ chuyển sang giai đoạn acid hóa và bắt đầu có sự phát triển của vi khuẩn sinh methane. Một số loài vi khuẩn acetogenic chuyển hóa các acid béo bay hơi thành acid acetate, rồi từ acid acetate sẽ chuyển tiếp thành CH4 và CO2. Dựa vào Hình 4.7 ta có thể thấy trong tuần thứ nhất, %CH 4 thấp do đây là giai đoạn đầu của quá trình phân hủy. Từ tuần thứ 2 đến tuần thứ 5, % CH4 ở tất cả các nghiệm thức có dấu hiệu tăng và dần ổn định. Đây là giai đoạn nhóm vi khuẩn sinh methane sinh trưởng và phát triển mạnh. Các sản phẩm của giai đoạn thủy phân và acid hóa như acid acetate, methanol, CO2, H2 được vi khuẩn methane sử dụng làm nguyên liệu chuyển hóa thành CH4. 38 % 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 Tuần 1 1 2 3 4 5 Tuần 2 1 2 3 4 5 Tuần3 CH4 1 2 3 4 5 Tuần 4 CO2 1 2 3 4 5 Tuần 5 1 2 3 4 5 Tuần 6 1 2 3 4 5 Tuần 7 Các khí khác Hình 4.5 Phần trăm thành phần khí biogas của các nghiệm thức trong 45 ngày NT1: 50%LB : 50%PH, LB kích cỡ 0.05cm NT4: 50%LB : 50%PH, LB kích cỡ 1cm NT2: 50%LB : 50%PH, LB kích cỡ 0.2cm NT5: 50%LB : 50%PH, LB không cắt NT3: 50%LB : 50%PH, LB kích cỡ 0.5cm Sau tuần thứ 5, %CH4 giảm dần do vào thời gian này lượng chất hữu cơ trong mẻ ủ giảm, không còn nguồn nguyên liệu để vsv thủy phân và acid hóa để làm nguồn thức ăn cho nhóm vi khuẩn sinh methane. Bị cạn kiệt thức ăn nhóm vi khuẩn sinh methane sẽ dần chết đi và %CH4 giảm. Nhìn chung, %CH4 của các nghiệm thức lục bình phối trộn phân heo là gần như tương đồng nhau tại các thời điểm đo. Kết quả chạy thông kê cho thấy các nghiệm thức không có sự khác biệt về giá trị trung bình %CH4 ở mức ý nghĩa 5%. Kết quả đo khí và thành phần khí cho thấy, kích cỡ lục bình gây ảnh hưởng đến khả năng sinh khí nhưng không ảnh hưởng đến thành phần khí của mẻ ủ. Việc nghiền nhỏ lục bình nhằm gia tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu ủ với hệ vsv tạo điều kiện cho quá trình phân hủy, tuy nhiên đồng thời cũng gây cản trở do lục bình bị nổi lên trên, bị khô và không tiếp xúc được với VSV trong dung dịch ủ. Có thể khi thực hiện thí nghiệm ở ngoài thực tế áp dụng với hầm ủ có thể tích lớn thì sẽ thấy rõ hơn sự ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí và thành phần khí. 4.5 Ảnh hưởng của kích cỡ đến năng suất sinh khí methane Hình 4.6 cho thấy năng suất sinh methane của các nghiệm thức dao động từ 227,57 đến 367,32 lít/kgVSphân hủy. Trong đó năng suất sinh methane cao nhất là nghiệm thức lục bình 0,5 cm (367,32 ± 23,69 lít/kgVSphân hủy) và thấp nhất là nghiệm thức lục bình không cắt (227,57 ± 54,09 lít/kgVS). Kết quả thống kê cho thấy nghiệm thức lục bình 0,5 cm có năng suất sinh khí methane cao hơn và có sự khác biệt ý nghĩa so với các nghiệm thức lục bình 0,05 cm; 1 cm và không cắt (p[...]... thế, đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng các kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí sinh học đã được thực hiện 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát: tận dụng nguồn sinh khối lục bình làm nguồn nguyên liệu bổ sung ch biogas bên cạnh phân heo 1.2.2 Mục tiêu cụ thể: đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ lục bình có phối trộn phân heo lên: lượng khí methane tích dồn, năng suất sinh khí biogas và.. .cỡ của lục bình sẽ là một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến khả năng sinh khí biogas Kích thước nguyên liệu ủ càng nhỏ thì cho khả năng sinh khí biogas càng tốt (Sharma, 1988; Anthony Mshandete et al., 2006) Cho đến nay, các nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí biogas trong ủ yếm khí kết hợp với phân heo vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ trong điều... hàm lượng khí CH4 1.3 Nội dung nghiên cứu Bố trí thí nghiệm ủ yếm khí theo mẻ để đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ lục bình nghiền nhỏ có phối trộn phân heo ở tỉ lệ 50 – 50 lên tổng lượng khí biogas, năng suất sinh khí biogas và hàm lượng khí CH4 Phân tích và đánh giá hổn hợp mẻ ủ qua các thông số: tổng vi sinh vật yếm khí, tổng coliform, faecal coliform, TKN, TP, VS, TS, tỉ lệ C/N vào các ngày đầu,... từng bình ủ (g) - %TS: phần trăm tổng chất rắn của từng loại nguyên liệu (%) h) Xác định phần trăm khí CO2 và các khí khác Phần trăm khí CO2 và các khí khác được tính theo công thức: %CO2 và các khí khác = 100 - %CH4 Trong đó: - %CO2 và các khí khác: Phần trăm khí CO2 và các khí khác có trong hỗn hợp biogas (%) - %CH4: Phần trăm khí CH4 có trong hỗn hợp khí biogas (%) i) Xác định năng suất sinh khí Năng. .. Thành phần hoá học của lục bình Thành phần hóa học của lục bình được thể hiện trong bảng 2.6 Bảng 2.6 Thành phần hóa học của lục bình Thành phần hóa học Tỷ lệ (%) vật chất khô Protid 2,9 Glucid 0,9 Xơ 22,0 Tro 1,4 Calcium 40,8 Phosphor 0,8 Caroten Vitamin C 0,66 20 (Nguồn: Võ Văn Chi, 1997 trích dẫn bởi Dương Thúy Hoa, 2004) e Đặc điểm sinh trưởng và phát triển của lục bình Lục bình có thể sinh trưởng... tăng hoạt động của VSV, tăng quá trình sinh khí diễn ra nhanh hơn Theo nghiên cứu của Sharma et al ,(1988) ở 5 kích cỡ hạt (0,088; 0,40; 1,0; 6,0 và 30,0 mm), lượng KSH sinh ra tối ưu ở các kích cỡ 0,088 và 0,40 mm Một số nghiên cứu khác cũng cho rằng một phương pháp tiền xử lý vật lý như nghiền có thể làm giảm đáng kể khối lượng phân hủy yêu cầu mà không làm giảm khả năng sản xuất khí sinh học (Gollakota... nhiệt trị của biogas từ 4.500 ÷ 6.000 kcal/m3 tùy thuộc vào phần trăm CH4 hiện diện trong hỗn hợp khí (nhiệt trị của khí CH4 gần 9.000 kcal/m3) Chính vì vậy, lượng khí methane đo được càng nhiều thì sản phẩm khí sinh ra có chất lượng càng tốt b Thành phần khí sinh học Tỷ lệ (%) các thành phần khí trong khí sinh học được thể hiện trong Bảng 2.1 Bảng 2.1: Tỷ lệ (%) các thành phần khí sinh học Tỷ lệ (%)... hơn Tiền xử lý bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học, sinh học và sự kết hợp giữa chúng (Alvira et al., 2009) j Kích cỡ nguyên liệu Kích cỡ nguyên liệu là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng sản xuất biogas, kích cỡ nguyên liệu không nên quá lớn nó sẽ dẫn đến tắc nghẽn hầm ủ và cũng gây khó khăn cho vi khuẩn thực hiện quá trình phân hủy Các nguyên liệu có kích cỡ nhỏ sẽ có bề mặt tiếp xúc... kín khí trong suốt quá trình thí nghiệm (Hình 3.1) 18 Hình 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm theo mẻ 3.2.2 Nguyên vật liệu nghiên cứu a Lục bình Lục bình thu từ khu vực phường Ba Láng, quận Cái Răng, được loại bỏ rễ, phơi khô trong 5 ngày bằng ánh nắng mặt trời Sau khi phơi khô phần thân lá sẽ được cắt nhỏ theo từng kích thước Lục bình được cắt nhỏ bằng tay và dùng máy nghiền để nghiền nhỏ Sau khi nghiền, ... mẫu để phân tích các chỉ tiêu VS, TS, TN, TP, vi sinh (vi sinh vật yếm khí, tổng coliform và faecal coliform) của các mẻ ủ tương ứng với các ngày lấy mẫu là ngày đầu, ngày 20, 45 Sau 20 ngày thí nghiệm tiến hành lấy 1 bình ủ của mỗi nghiệm thức để phân tích các chỉ tiêu TS, VS, tỉ lệ C/N, độ kiềm và pH nhằm xác định khả năng phân hủy của các vật liệu, cuối cùng sau 45 ngày phân tích các bình còn lại 3.4.2