TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TNTN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG ẢNH HƢỞNG CỦA TỶ LỆ PHỐI TRỘN RƠM VÀ PHÂN HEO ĐẾN KHẢ NĂNG SINH KHÍ BIOGAS Cán bộ hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện : TS. PHẠM VĂN TOÀN DƢƠNG THỊ BÍCH DUYÊN 1100877 Ths. NGUYỄN TRƢỜNG THÀNH NGUYỄN THỊ THU NGÂN 1100915 Ths. TRẦN SỸ NAM Cần Thơ 12- 2013 Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Cần Thơ, ngày…..tháng ….. năm 2013 Cán bộ hƣớng dẫn Phạm Văn Toàn Nguyễn Trƣờng Thành i Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Cần Thơ, ngày ….. tháng ….. năm 2013 Cán bộ phản biện Lê Hoàng Việt Nguyễn Thị Thu Vân ii LỜI CẢM TẠ Trong suốt quá trình làm luận văn, chúng tôi đã cố gắng để có thể vƣợt qua những khó khăn gặp phải. Tuy nhiên, chúng tôi sẽ khó hoàn thành luận văn nếu nhƣ không có sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, các cá nhân, tập thể và các bạn trong lớp luôn bên cạnh giúp đỡ, động viên.Vì vậy, qua đây xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các cá nhân, tập thể đã giúp chúng tôi hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tha thiết nhất đến cha, mẹ đã quan tâm lo lắng, hết sức cố gắng tạo mọi điều kiện thuận lợi về mặt tài chính để sớm hoàn thành luận văn. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phạm Văn Toàn, thầy Nguyễn Trƣờng Thành, thầy Nguyễn Võ Châu Ngân, thầy Trần Sỹ Nam và thầy Nguyễn Ngọc Em là ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và luôn ở bên cạnh để nhắc nhở chúng tôi kịp thời khắc phục, sửa chữa những sai sót, khuyết điểm trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Nhân đây cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô cố vấn học tập Nguyễn Thị Thu Vân đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ trong suốt thời gian chúng tôi học tại trƣờng. Và xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất, đến tất cả quý thầy cô thuộc Bộ môn Kỹ thuật Môi trƣờng, Khoa Môi Trƣờng và Tài nguyên Thiên nhiên đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Thị Thùy, Võ Thị Vịnh và Lê Ngọc Diệu Hồng học viên Cao học ngành Khoa học Môi trƣờng K18, các bạn trong lớp Kỹ Thuật Môi Trƣờng K36 và các bạn đã cùng thực hiện đề tài trong dự án SubProM. Với những kiến thức tiếp thu đƣợc trên lớp, chúng tôi đã hết sức cố gắng để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Sinh viên Dƣơng Thị Bích Duyên Nguyễn Thị Thu Ngân iii TÓM TẮT Thí nghiệm này nhằm đánh giá khả năng sinh khí của quá trình lên men yếm khí theo mẻ phân heo (PH) và rơm (R) ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau. Các thí nghiệm với các tỉ lệ 100% PH (TN1), 60% PH + 40% R (TN2), 50% PH + 50% R (TN3), 40% PH + 60% (TN4) và 20% PH + 80% R (TN5) (tính theo hàm lƣợng vật chất khô của nguyên liệu nạp) đƣợc tiến hành trên các bộ thí nghiệm ủ yếm khí liên tục theo mẻ ở quy mô phòng thí nghiệm. Các bộ thí nghiệm lên men yếm khí theo mẻ (21 lít) đƣợc sử dụng để tiến hành phân hủy nguyên liệu ủ và thu thập mẫu khí để xác định thể tích khí biogas và thành phần methane sinh ra. Từ đó xác định đƣợc tỉ lệ có khả năng sinh khí biogas phối trộn sinh khí tốt nhất. Ngoài việc đo thể tích khí sinh ra, pH, nhiệt độ, redox mỗi ngày, các chỉ tiêu nhƣ độ kiềm, COD, TKN, TP, VS, tổng Coliform, Fecal Coliform, tổng vi sinh vật yếm khí đƣợc phân tích trƣớc khi ủ và sau khi ủ của các thí nghiệm. Sau 45 ngày ủ yếm khí, tổng thể tích sinh khí của các nghiệm thức 100% PH, 60% PH + 40% R, 50% PH + 50% R, 40% PH + 60%R và 20% PH + 80% R lần lƣợt là 163,8L; 250,5L; 281,7L; 271,1L; 250,5L và thể tích khí mêtan tƣơng ứng là 85,96 L; 127,30L; 145,60 L; 146,20L và 125,60L. Thống kê kết quả đạt đƣợc, có sự khác biệt giữa nghiệm thức có phối trộn rơm và các nghiệm thức không có phối trộn và giữa các tỷ lệ phối trộn ở mức ý nghĩa 5%. Nhƣ vậy trong điều kiện thí nghiệm, khi có phối trộn thêm rơm cho khả năng sinh khí tốt hơn so với không phối trộn. Tỉ lệ phối trộn 50% PH + 50% R cho lƣợng khí sinh ra cao nhất (281,7L) và năng suất sinh khí cao nhất 854 L Biogas/ 1kg VS phân huỷ. Nhƣ vậy trong điều kiện thí nghiệm, khi có phối trộn thêm rơm cho khả năng sinh khí tốt hơn so với không phối trộn. Xác định đƣợc khoảng thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức từ ngày thứ 11 đến ngày 17, cụ thể nhƣ sau: Nghiệm thức 1 cho lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 12; nghiệm thức 2 cho lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 12, 13, 18; nghiệm thức 3 cho lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 16; nghiệm thức 4 cho lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 12; nghiệm thức 5 cho lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 12. Sau thời gian xử lý, chỉ tiêu tổng Coliform, Fecal Coliform, đầu ra của các nghiệm thức thấp hơn so với quy định tại QCVN 39:2011/BTNMT về yêu cầu sử dụng nƣớc thải cho tƣới tiêu. Đối với các chỉ tiêu đầu ra khác nhƣ TKN, TP, COD của các nghiệm thức có giảm nhƣng vẫn cao hơn gấp nhiều lần so với yêu cầu xả thải của nƣớc thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT. Do đó, nƣớc thải đầu ra của hầm ủ biogas cần phải đƣợc xử lý thêm nếu thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận Từ khoá: biogas, yếm khí, rơm, phân heo, tỷ lệ phối trộn. iv CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam kết luận văn này đƣợc hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của chúng tôi trong khuôn khổ của dự án “Sản xuất khí sinh học bền vững từ rơm thải”. Dự án có quyền sử dụng kết quả của luận văn này để phục vụ cho dự án. Cần Thơ, ngày 19 tháng 12 năm 2013 Tác giả luận văn Dƣơng Thị Bích Duyên Nguyễn Thị Thu Ngân v MỤC LỤC Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ..................................................................................... i Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ....................................................................................... ii LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................................iii TÓM TẮT.................................................................................................................................. iv MỤC LỤC ................................................................................................................................. vi DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................................ ix DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................................. x DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT................................................................................................... xi CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1 1.2 MỤC TIÊU ...................................................................................................................... 2 1.2.1 Mục tiêu tổng quát ..................................................................................................... 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể .......................................................................................................... 2 CHƢƠNG 2. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU .................................................................................... 3 2.1 CÂY LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG .............................................................. 3 2.2 RƠM RẠ VÀ CÁC ỨNG DỤNG ........................................................................................ 3 2.2.1 Cấu tạo của rơm ......................................................................................................... 3 2.2.2 Ứng dụng của rơm ..................................................................................................... 5 2.3 CHĂN NUÔI HEO Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG ................................................ 7 2.5 QUÁ TRÌNH LÊN MEN YẾM KHÍ .................................................................................. 11 2.5.1 Cơ chế của quá trình lên men yếm khí .................................................................... 11 2.5.2 Những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sinh khí methane ...................................... 14 2.6 KHÍ SINH HỌC (BIOGAS) ............................................................................................... 21 2.6.1 Tổng quan về khí sinh học ....................................................................................... 21 2.6.2Lợi ích từ khí sinh học .............................................................................................. 22 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP ................................................................................................ 24 VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 24 3.1 ĐỊA ĐIỂM ......................................................................................................................... 24 3.2 NỘI DUNG......................................................................................................................... 24 3.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 24 vi 3.3.1 Chuẩn bị vật liệu thí nghiệm.................................................................................... 24 3.3.2 Mô tả thí nghiệm.................................................................................................... 25 3.4 CÁC CHỈ TIÊU ĐO ĐẠC GỒM ....................................................................................... 27 TCVN 7601:2007 ............................................................................................................. 28 3.5.1 Phƣơng pháp tính toán ............................................................................................. 29 3.5.2 Phƣơng pháp xử lý số liệu ....................................................................................... 30 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................... 31 4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU NẠP ................................................. 31 4.2 KẾT QUẢ KHÍ BIOGAS CỦA CÁC NGHIỆM THỨC .................................................. 32 4.2.1 Thể tích khí Biogas sinh ra của các nghiệm thức theo ngày ................................... 32 4.2.2 Thể tích khí Biogas tích dồn của các nghiệm thức trong 45 ngày........................... 33 4.2.3 Thành phần khí CH4 của các nghiệm thức .............................................................. 34 4.2.4 Năng suất sinh khí Biogas của các nghiệm thức (Lƣợng khí sinh ra / 1kg VS phân huỷ) ................................................................................................................................... 35 4.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN THỂ TÍCH KHÍ SINH RA ...................................... 39 4.3.1 Nhiệt độ ................................................................................................................... 39 4.3.2 pH ............................................................................................................................ 40 4.3.3 Độ kiềm ................................................................................................................... 41 4.3.4 Điện thế oxy hóa – khử (Redox redox potentials) ................................................... 42 4.3.5 Tổng Vi sinh vật yếm khí ........................................................................................ 43 4.4 CHẤT LƢỢNG NƢỚC ĐẦU RA CỦA MẺ Ủ ................................................................. 44 4.4.1 TKN và TP............................................................................................................... 44 4.4.2 COD (Nhu cầu oxy hóa học) ................................................................................... 46 4.4.3 Tổng Coliform và Fecal Coliform ................................................................................... 47 CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 50 5.1 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 50 5.2 KIẾN NGHỊ...................................................................................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 51 vii PHỤ LỤC................................................................................................................................. 56 viii DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Sản lƣợng lúa ở Việt Nam trong những năm 2005-2011 ............................ 3 Bảng 2.2 Thành phần chính trong rơm rạ, trấu và rơm lúa mì. .................................. 4 Bảng 2.3 Thành phần hóa học của rơm (tính theo vật chất khô)................................ 5 Bảng 2.4 Số lƣợng heo ở Việt Nam trong những năm 2005-2011............................. 8 Bảng 2.5 Mối liên hệ giữa tuổi heo và lƣợng phân phát sinh.................................... 8 Bảng 2.6 Thành phần hóa học trong phân heo ........................................................... 9 Bảng 2.7 Vi khuẩn trong chất thải và thời gian tồn lại............................................ 10 Bảng 2.8 Tỷ lệ C/N của một số loại chất hữu cơ..................................................... 16 Bảng 2.9 Tỷ lệ phân heo/nƣớc và thời gian tồn lƣu của một số hầm ủ ................... 16 Bảng 2.10 Các điều kiện thích hợp đối với quá trình sản xuất biogas .................... 17 Bảng 2.11 Một số kim loại nặng ở dạng hòa tan ảnh hƣởng đến quá trình ủ yếm khí ............................................................................................................................ 18 Bảng 2.12 Lƣợng nƣớc có trong vật liệu thải .......................................................... 21 Bảng 2.13 Thành phần khí biogas theo các tài liệu khác nhau ............................... 21 Bảng 2.14 Kết quả so sánh năng suất của 4 loại cây trồng .................................... 22 Bảng 3.1 Tính toán khối lƣợng nạp cho thí nghiệm ủ theo mẻ ............................... 27 Bảng 3.2 Các chỉ tiêu xác định ................................................................................ 27 Bảng 4.1 Thành phần của nguyên liệu đầu vào ....................................................... 31 Bảng 4.2 Tỷ lệ phối trộn, VS, C/N đầu vào ............................................................ 32 Bảng 4.3 VS đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức ............................................. 39 Bảng 4.3 Hàm lƣợng Fecal Coliform của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ ............. 48 ix DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật....................................................... 9 Hình 2.2 Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật ................................................... 12 Hình 2.3 Ba giai đoạn của quá trình ủ yếm khí ..................................................... 13 Hình 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm ủ yếm khí ........................................................ 26 Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm....................................................................................... 26 Hình 4.1 Thể tích khí sinh ra theo ngày của các nghiệm thức ................................ 33 Hình 4.2 Thể tích khí tích dồn trong 45 ngày của các nghiệm thức ...................... 33 Hình 4.3 Thành phần khí CH4 theo ngày ở các nghiệm thức ............................... 34 Hình 4.4 Thể tích khí CH4 tích dồn trong 45 ngày của các nghiệm thức .............. 35 Hình 4.5 Năng suất sinh khí Biogas của các nghiệm thức ...................................... 36 Hình 4.6 Năng suất sinh khí CH4 của các nghiệm thức .......................................... 37 Hình 4.7 Lƣợng VS đã sử dụng trong 45 ngày ở các nghiệm thức ........................ 38 Hình 4.8 Nguyên liệu ủ ở NT3 vào ngày thứ 45 ..................................................... 40 Hình 4.9 Nhiệt độ trong 45 ngày thí nghiệm ........................................................... 41 Hình 4.10 Giá trị pH trong 45 ngày thí nghiệm ..................................................... 42 Hình 4.11 Giá trị độ kiềm trong 45 ngày thí nghiệm .............................................. 43 Hình 4.12 Lƣợng VS đã sử dụng trong 45 ngày ở các nghiệm thức ....................... 44 Hình 4.13 Số lƣợng vi khuẩn yếm khí..................................................................... 45 Hình 4.14 Nồng độ TKN của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ ............................... 46 Hình 4.15 Nồng độ TP của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ ................................... 47 Hình 4.16 Nồng độ COD đầu ra của các nghiệm thức ............................................ 48 Hình 4.17 Số lƣợng Tổng Coliform đầu ra của các nghiệm thức ........................... 49 x DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng BTNMT C Carbon Cac - bon COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá hoá học ĐBSCL Đồng bằng Sông Cửu Long GDP Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc gia N Nitrogen Nitơ QCVN Qui chuẩn Việt Nam PH Phân heo R Rơm Redox Redox potentials SubProM Điện thế oxy hóa khử Dự án Sản xuất khí sinh học bền vững từ rơm thải TKN Total Kjendah Nitrogen Tổng Nitơ Ken - dan TP Total Phosphorus Tổng photpho TS Total Solids Tổng chất rắn Vƣờn – ao – chuồng – biogas VACB VS Volatile Solids Chất rắn bay hơi VSV Vi sinh vật Xxx Không rõ năm xi Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hầm ủ biogas đã đƣợc triển khai ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) từ rất lâu. Hiện nay, hầm ủ biogas ngày càng phổ biến về kiểu dáng và chất liệu tạo nhiều cơ hội cho ngƣời dân lựa chọn loại hầm ủ phù hợp với túi tiền và điều kiện chăn nuôi (Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2013). Hiệu quả hầm ủ ngày càng đƣợc khẳng định không chỉ xử lý an toàn chất thải trong chăn nuôi mà còn tạo ra nguồn năng lƣợng thay thế, chất đốt để nấu ăn và dùng để thắp sáng,… Ngoài ra, chất thải đầu ra của hệ thống biogas còn là nguồn cung cấp trong chuỗi thức ăn cho cá trong mô hình VACB (vƣờn – ao – chuồng – biogas). Theo nghiên cứu khảo sát của Nguyễn Võ Châu Ngân et al. (2013) ở tỉnh Tiền Giang cho thấy 100% hộ dân sử dụng biogas làm chất đốt cảm thấy hài lòng vì đƣợc giảm chi phí chất đốt, tiết kiệm thời gian thu nhặt củi và mỗi năm sử dụng tiết kiệm từ 1.700.000 – 2.000.000 đồng cho chi phí chất đốt. Trong những năm qua ngành chăn nuôi heo phát triển liên tục tăng với tỷ lệ từ 5 – 12%/năm (Đỗ Thành Nam, 2008). Tuy nhiên, chăn nuôi heo ở vùng ĐBSCL chủ yếu chăn nuôi heo ở dạng nhỏ lẻ quy mô hộ gia đình (Lê Thị Mến, 2010) và thƣờng có thói quen giảm số lƣợng heo hoặc ngừng nuôi nếu gặp rủi ro dịch bệnh hoặc giá heo đầu ra thấp. Điều này dẫn đến việc thiếu hụt hoặc không có nguồn nguyên liệu cung cấp cho hầm ủ biogas, làm ảnh hƣởng đến hiệu suất hoạt động và hiệu quả kinh tế của hầm ủ. Vào năm 2010, ở ĐBSCL với sản lƣợng lúa 23 triệu tấn/năm thì cũng có tƣơng đƣơng lƣợng rơm ở mức 23 triệu tấn/năm (Nguyễn Bảo Vệ, 2010 trích dẫn của Nguyễn Hữu Chiếm et al., 2013). Rơm rạ nếu để tự nhiên sẽ phân hủy rất lâu do tỷ lệ C/N rất cao. Nếu chôn vùi rơm rạ trực tiếp vào đất sẽ gây hiện tƣợng bất động dinh dƣỡng trong đất hoặc gây ra hiện tƣợng ngộ độc hữu cơ cho cây lúa (Nguyễn Thành Hối, 2008 trích dẫn của Nguyễn Hữu Chiếm et al., 2013). Ngoài ra, để có đất sản xuất tăng vụ đa số nông dân thƣờng có tập quán là đốt rơm để chuẩn bị đất cho vụ mùa tiếp theo. Theo nghiên cứu khảo sát của Nguyễn Hữu Chiếm et al. (2013) ở một số tỉnh ở ĐBSCL cho thấy vụ Đông Xuân các hộ dân đốt rơm để vệ sinh đồng ruộng là 97,25%, vụ Hè Thu tỷ lệ đốt rơm giảm xuống còn 89,25% và ở vụ Thu Đông tỷ lệ đốt rơm giảm xuống thấp nhất là 45,25%. Việc đốt rơm thải ra nhiều thành phần khí gây hiệu ứng nhà kính. Theo Jefferey Jacobs et al. (1997) nếu đốt 1 tấn rơm thì sẽ thải ra 80 kg khí CO, 4,54 kg Hydrocarbon và 3,18 kg bụi tro các thành này góp phần gây hiệu ứng nhà kính, gây ô nhiễm môi trƣờng không khí. Theo Trƣơng Thị Nga et al. (2013) thành phần Carbon trong rơm chuyển hóa vào khí quyển dƣới dạng khí CO2. Khi 1 kg rơm có ẩm độ từ 12 – 17,1% bị đốt sẽ phát thải trung bình 0,08 kg CO, 0,62 kg CO2, 0,02 kg CH4. Vào mùa mƣa, ẩm độ của rơm cũng sẽ tăng và lƣợng khí sinh ra sẽ thay đổi. Nếu ẩm độ tăng lên từ 30,1 – 38,1% cứ 1 kg rơm đốt sẽ phát thải 0,09 kg CO, 0,57 kg CO 2, 0,02 kg CH4. Ẩm độ của rơm vào mùa mƣa có thể lên đến 50 – 60%, khi đó lƣợng khí phát thải trung bình khi đốt 1 kg rơm là 0,1 kg CO, 0,46 kg CO2, 0,01 kg CH4. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 1 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Bên cạnh đó, rơm sau thu hoạch còn đƣợc nông dân thải bỏ xuống các kênh rạch làm tắt giao thông thủy và làm ô nhiễm môi trƣờng xung quanh. Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng lƣợng rơm rạ thải bỏ là một vấn đề quan trọng, nhằm hạn chế việc đốt rơm tránh gây lãng phí và hạn chế ô nhiễm môi trƣờng. Ngƣời ta đã sử dụng rơm rạ cho việc ủ nấm rơm và các loại nấm khác, dùng làm phân bón cho cây trồng, thức ăn gia súc, nguyên vật liệu cho xây dựng: làm ván ép, làm phụ gia vôi vữa, xây nhà, làm giấy. Theo nghiên cứu của Ruihong Zhang và Zhiqin Zhang (1998); Nguyễn Võ Châu Ngân et al. (2012), cho thấy rơm sau thu hoạch có tiềm năng rất lớn để trở thành nguyên liệu nạp cho hầm ủ biogas… Với các thí nghiệm của Ruihong Zhang, Zhiqin Zhang (1998) đã sử dụng rơm làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ và kết quả đạt đƣợc là lƣợng khí sinh ra cao hơn 17,5% so với không có bổ sung rơm làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ. Tuy nhiên, để sử dụng rơm rạ sau thu hoạch làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ đạt hiệu quả thì phải phối trộn rơm và phân heo với tỷ lệ thích hợp. Vì theo Nguyễn Văn Thu (2010) tỉ lệ C/N của rơm khá cao là 40,5, trong khi đó tỷ lệ C/N của phân heo theo F. Straka et al. (xxx) là khá thấp là 12 – 15. Và tại Việt Nam, vấn đề phối trộn rơm và phân heo làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ. Từ những vấn đề trên, đề tài “Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas” đề xuất thực hiện. Đây là một nghiên cứu thuộc khuôn khổ dự án “Sản xuất khí sinh học bền vững từ rơm thải (SubProM)” do trƣờng Đại học Cần Thơ và trƣờng Đại học Aarhus - Đan Mạch thực hiện với sự tài trợ của DANIDA. 1.2 MỤC TIÊU 1.2.1 Mục tiêu tổng quát Đề tài nhằm đánh giá khả năng sinh khí biogas trong trƣờng hợp ủ yếm khí theo mẻ với các tỷ lệ phối trộn khác nhau của rơm và phân heo. Kết quả của đề tài giúp hạn chế việc lãng phí phụ phẩm nông nghiệp, nhất là tận dụng tốt lƣợng rơm sau thu hoạch ở ĐBSCL để sản xuất khí sinh học có phối trộn với phân heo sử dụng có hiệu quả các hầm ủ hiện tại; đồng thời, sản xuất nhiên liệu phục vụ các nhu cầu sinh hoạt của ngƣời dân, cung cấp nguồn phân bón hữu cơ cho canh tác nông nghiệp. 1.2.2 Mục tiêu cụ thể Xác định đƣợc tỉ lệ phối trộn thích hợp giữa phân heo với rơm dùng làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ yếm khí. Xác định thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 2 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas CHƢƠNG 2. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 CÂY LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Việt Nam là một đất nƣớc có nền nông nghiệp phát triển, lấy lúa gạo làm căn bản của nền kinh tế. Hiện nay, nƣớc ta có gần 33 triệu ha đất đai, trong đó có 26 triệu đất nông nghiệp mà cây lúa chiếm đến 7,6 triệu ha, rừng 16,2 nghìn ha (Tổng cục thống kê, 2011). Khoảng 73% dân số sống với nghề nông gồm có lúa gạo, bắp, cây có củ và rễ, hoa màu cây ăn quả, cây công nghệp, chăn nuôi, ngƣ nghiệp và lâm nghiệp. Năm 2011, nền nông nghiệp đã đóng góp vào GDP cả nƣớc với 22% (Tổng cục thống kê,, 2012). Bảng 2.1 Sản lƣợng lúa ở Việt Nam trong những năm 2005 – 2011 (Đơn vị: nghìn tấn) Năm Khu vực 2005 2008 2009 2010 2011 19298,5 20669,5 20523,0 21595,6 23186,3 Đồng bằng Sông Hồng 6398,4 6790,2 6796,8 6805,4 6979,2 Trung du và miền núi phía Bắc 2864,6 2903,9 3053,6 3087,8 3225,0 Bắc Trung Bộ và duyên hải miền Trung 5342,5 6114,9 6243,2 6152,0 6515,6 717,3 935,2 999,1 1042,1 1056,3 1211,6 1316,1 1334,3 1322,7 1362,5 ĐBSCL Tây Nguyên Đông Nam Bộ (Tổng cục thống kê, 2012) ĐBSCL giữ một vai trò quan trọng trong nền kinh tế nƣớc ta. Mỗi năm ĐBSCL đóng góp khoảng 36% giá trị xuất khẩu nông nghiệp, trên 50% sản lƣợng lúa, 70% sản lƣợng trái cây, 65% sản lƣợng thủy sản, 90% sản lƣợng gạo xuất khẩu của cả nƣớc. (Mai Chi, 2010 trích dẫn của Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012). Theo nghiên cứu của Nguyễn Hữu Chiếm et al. 2013 thì ƣớc lƣợng nguồn sinh khối rơm phát sinh ở ĐBSCL năm 2011 vào khoảng 33,5 (28,6 – 40,4) triệu tấn. 2.2 RƠM RẠ VÀ CÁC ỨNG DỤNG 2.2.1 Cấu tạo của rơm Rơm rạ là nguồn chất hữu cơ khổng lồ, chúng chiếm đến 50% trọng lƣợng của cây lúa. Theo ngân hàng kiến thức của Viện Nghiên cứu lúa Thế Giới (IRRI, trích dẫn của Nguyến Tấn Thanh, Phan Thành Thái, 2012), rơm rạ có một số đặc tính sau: năng suất rơm dao động từ 2 tấn/ha đến hơn 8 tấn/ha tùy thuộc vào giống lúa, năng suất lúa và phƣơng pháp thu hoạch (cắt gần gốc sẽ cho nhiều rơm hơn). Tổng lƣợng Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 3 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas rơm sau thu hoạch có tỷ lệ tƣơng ứng với năng suất lúa. Tỷ lệ rơm lúa thƣờng trong khoảng 0,8:1 – 1,2:1. Chiều dài của cọng rơm dao động từ 30 – 120 cm tùy thuộc vào giống lúa, phƣơng pháp thu hoạch (Ngô Thị Thanh Trúc, 2005, trích dẫn của Nguyến Tấn Thanh, Phan Thành Thái, 2012). Rơm lúa có hàm lƣợng tro khoảng 10 – 17% và hàm lƣợng Silic cao trong tro SiO2 là 75% trong rơm (Zevenhoven 2000, trích dẫn của Butchaiah Gadde et al., xxx). Rơm chủ yếu chứa Cellulose 32 – 47%, 19 – 27% Hemicelluloses và Lignin 5 – 24%, tro 18,8%. Các pentoses chiếm ƣu thế trong Hemicelluloses mà Xylose là quan trọng nhất. Các Carbohydrate rơm rạ liên quan đến đƣờng 41 – 43,4%, Xylose 14,8 – 20,2%, Arabinose 2,7 – 4,5%, Mannose 1,8% và Galactose 0,4% còn lại là Arabinose và Hexoses (Maiorella, 1985; Roberto et al., 2003 trích dẫn của Nutawan Yoswathana et al., 2010). Tuy nhiên, chất lƣợng rơm thay đổi đáng kể trong mùa cũng nhƣ trong khu vực khác nhau (Butchaiah Gadde et al., xxx) Bảng 2.2 Thành phần chính trong rơm rạ, trấu và rơm lúa mì. Đơn vị Rơm rạ Trấu Rơm lúa mì Carbon (*) % 15,86 16,22 17,71 VSS(*) % 65,47 65,52 75,27 Tro(*) % 18,67 20,26 7,02 SiO2 (**) % 76,67 91,42 55,32 CaO (**) % 3,01 3,21 6,14 MgO (**) % 1,75 32 2 – > 60 Yersinia enterocolitica 0 – 65,4 0 Không xác định 10 6 – 448 Listeria 16 – 19,8 0 – 19 42 – 128 15%, thƣờng là 20 – 50% (Nallathambi Gunaseelan, 1997, trích dẫn của Kopijyva và Kuopio, 2011). Một số hầm ủ hiện tại có tỷ lệ phân heo/nƣớc dao động từ 1/1 đến 1/5 đƣợc trình bày cụ thể ở bảng 2.9 Bảng 2.9 Tỷ lệ phân heo/nƣớc và thời gian tồn lƣu của một số hầm ủ Túi PE TP – BP KT1 EQ1 EQ2 Composite Tỷ lệ phân heo/nƣớc 1/5 1/5 1/1 : 1/2 1/5 1/5 1/1.5 Thời gian tồn lƣu (ngày) 17 20 30 – 40 20 20 10 (Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012) a6. Thời gian lƣu Là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị ủ yếm khí. Trong thời gian này nguyên liệu bị phân hủy kỵ khí và sinh ra khí sinh học. Quá trình phân hủy trong điều kiện Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 16 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas tự nhiên xảy ra thời gian dài, đối với phân động vật thời gian này có thể kéo dài tới hàng tháng, đối với nguyên liệu thực vật thời gian này có thể tới hàng năm. Do vậy, nên chọn thời gian lƣu sao cho trong thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất. Thời gian lƣu đƣợc chọn căn cứ vào thời tiết địa phƣơng, loại nguyên liệu nạp. Bảng 2.10 Các điều kiện thích hợp đối với quá trình sản xuất biogas Chất nền Vật chất khô (%) Phần trăm hữu cơ trong vật chất khô Khí sinh ra (VS) (m3/kg VS) 0,56 Thời gian tồn lƣu (ngày) Phân heo 5 – 27,5 90 Phân bò 7 – 20 85 – 90 Chất thải thực vật 5 – 20 76 – 90 0,4 8 - 20 37 93 0,7 – 0,8 10 25 – 50 70 – 95 0,55 – 0,62 – Cỏ Rơm rạ 0,20 – 0,50 (tỉ lệ TS) 22 – 28 28 – 38 (Deublei , Steinhauser( 2008), OLGPB (1976,) NAS (1977); Metcalf, Eddy, (2004) trích dẫn của Melanie Sattler, 2011) a7. Chất độc Chất độc gây ức chế hoạt động của các vi khuẩn yếm khí gây khi ảnh hƣởng đến quá trình sinh khí của quá trình ủ. Những biểu hiện thƣờng gặp nhƣ: làm ngăn cản quá trình sinh khí dẫn đến giảm lƣợng khí sinh ra và nồng độ acid dễ bay hơi tăng. Chất độc cũng có thể do nguyên liệu đầu vào nhƣ dƣ lƣợng thuốc bảo vệ thực vật trong rơm, thuốc trị bệnh còn tồn dƣ lại trong phân heo. Ngoài ra, ngƣời ta còn tìm thấy với nồng độ Kali là 8.000 mg/L có thể gây ức chế vi khuẩn trong mẻ ủ. Canxi và natri đã đƣợc tìm thấy là rất hiệu quả trong việc giảm những tác động độc hại của Kali. Sự có mặt của hai kim loại kiềm này làm giảm tác động độc hại cho quá trình ủ tối ƣu nhất khi nồng độ Canxi là 83 mg/L và Natri 379 mg/L (Basharat H. Bashir and Asif Matin, xxx). Nồng độ sunfua hòa tan trên 200 mg/L đã đƣợc chứng minh là độc hại đối với quá trình phân hủy yếm khí (Hayes, 1976). Hòa tan tập trung sulfide trong một phân hủy kỵ khí là một chức năng của các nguồn đầu vào của lƣu huỳnh, độ pH, tỷ lệ sản xuất khí và số lƣợng các kim loại nặng. Để kiểm soát mức sunfua hòa tan có thể đƣợc kiểm soát bằng cách bổ sung các muối sắt hoặc loại bỏ từ nguồn nguyên liệu của vật liệu có chứa lƣu huỳnh (McCarty P.L., 1961). Bên cạnh đó còn đó Chlorin cũng ảnh hƣởng đến quá trình ủ yếm khí, với nồng độ Cl- là 37500 mg/L sẽ ảnh hƣởng đến 85% quá trình ủ yếm khí (L. Mrafkova, 2003). Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 17 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Bảng 2.11 Một số kim loại nặng ở dạng hòa tan ảnh hƣởng đến quá trình ủ yếm khí Tên kim loại Nồng độ (mg/L) Arsenic 0,5 – 1,0 CaTSium 0,5 – 1,0 Crom 1,0 – 1,5 Cu 0,5 – 1,0 Ni 1,0 – 2,0 Kẽm 0,5 – 1,0 (Nicholas A. Mignone, 2005) a8. Độ mặn Vi khuẩn tham gia quá trình sinh khí methane có khả năng thích nghi dần với nồng độ của NaCl trong nƣớc. Giới hạn cho phép độ mặn dƣới 3‰, khả năng sinh khí không bị ảnh hƣởng đáng kể (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013). Do đó việc phát triển biogas trong mùa khô ở những khu vực nƣớc lợ không bị ảnh hƣởng nhiều. Tuy nhiên, theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân et al. (2012) về độ mặn đo đƣợc ở tại những khu vực có hầm ủ biogas trên địa bàn tỉnh Cà Mau tại một số thời điểm đạt giá trị rất cao. Mặc dù những điểm quan trắc nƣớc mặt không nằm ngay tại vị trí xây dựng hầm ủ, tuy nhiên ảnh hƣởng độ mặn của nƣớc mặt trong cùng một địa bàn là không khác biệt. Nhƣ vậy, nguồn nƣớc sử dụng cho các hầm ủ có độ mặn cao nhƣng cho đến nay những hầm ủ này đều vận hành tốt chƣa có sự cố xảy ra. Có khả năng, một số chủng vi sinh vật, có thể thích nghi với môi trƣờng nƣớc có độ mặn cao đã hiện diện trong những hầm ủ này, nâng ngƣỡng độ mặn gây hại cho vi sinh vật lên cao hơn. a9. Độ kiềm Kiềm thể hiện nồng độ bicarbonate, carbonatevà ion hydroxit và đƣợc thể hiện khi nồng độ tƣơng đƣơng của cacbonat canxi (CaCO3). Theo Leonardo H. Soares Damasceno et al. (2007) độ kiềm đóng quan trò quan trọng trong sự ổn định của quá trình phản ứng sinh học đƣợc sử dụng trong nƣớc thải, nhất là với quá trình yếm khí. Vì độ kiềm có khả năng trung hòa các axit và các muối của axit. Theo Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt (2009) thì độ kiềm tối ƣu cho quá trình ủ yếm khí ở khoảng 1.000 – 5.000 mgCaCO3/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp. Theo Michel H. Garardi (2003), khoảng độ kiềm tối ƣu cho sản xuất khí methane từ 1500 – 3000 mg/l CaCO3. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 18 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas a10. Chế độ khuấy trộn Khuấy trộn là tác động cơ học vào dung dịch lên men, khuấy trộn có những tác động tích cực. Khuấy trộn làm tăng khả năng tiếp xúc giữa chất hữu cơ với vi khuẩn, từ đó làm tăng nhanh quá trình chuyển quá vật chất. Khấy trộn làm phá vỡ lớp váng nổi phía mặt trên của bề mặt dung dịch, tạo điều kiện tốt cho sự thoát khí từ dung dịch vào buồng thu khí. Tuy nhiên, việc xáo trộn quá mức cũng có thể làm giảm hiệu suất sinh khí do môi trƣờng liên tục không đƣợc ổn định (Stroot et al., 2001, trích dẫn của Alastair J. Ward, 2008). a11. Oxy Đây là quá trình lên men yếm khí, do đó sự có mặt của oxy thƣờng gây ức chế quá trình chuyển hóa. Trong trƣờng hợp này, oxy đƣợc coi nhƣ là chất độc đối với những loài vi khuẩn yếm khí và ảnh hƣởng đến lƣợng khí sinh ra. b) Các yếu tố thúc đẩy quá trình sinh khí b1. Trộn chất thải để lên men Ở nông thôn, rất nhiều chất thải có thể dùng để sản xuất ra khí đốt. Những chất thải này ở khắp mọi nơi nhƣ là phân ngƣời và phân gia súc, rơm rạ, cỏ, các thân cây, rác thải và các chất thải thủ công nghiệp có thành phần hữu cơ là nguyên liệu tốt cho sản xuất khí sinh học. Tỷ lệ C/N thích hợp 25/1 – 30/1. Chất thải khác nhau có tỷ lệ C/N khác nhau và ngay cùng loại chất thải cũng có tỷ lệ C/N khác nhau khi có điều kiện khác nhau (cùng một loại phân heo nhƣng ở các giai đoạn phát triển của heo khác nhau hoặc địa điểm lấy phân heo khác nhau cũng dẫn đến tỷ lệ C/N khác nhau). Do đó, khi đƣa chất thải vào hầm, ngƣời ta không chỉ có một lƣợng nhất định vật liệu ủ mà ngƣời ta cần lƣu ý đến các vật liệu lên men khác nhau đƣa vào hầm ủ yếm khí. Nguyên liệu đƣợc phối trộn phải có tỷ lệ C/N thích hợp, đặc biệt với chất thải có thành phần sợi nhiều nhƣ rơm rạ, thân cây, cỏ và các chất có lƣợng nitơ cao nhƣ phân ngƣời, phân gia súc, gia cầm. Các chất này phải sử dụng phối trộn với nhiều vật liệu khác. b2. Xử lý nguyên liệu Để làm tăng tỷ lệ ủ vật liệu và tăng lƣợng khí sinh ra, các vật liệu phải đƣợc trộn và chất đống trƣớc khi cho vào hầm sinh khí. Các vật liệu sợi, đặc biệt là rơm rạ, cỏ, cỏ dại và thân cây phải xử lý. Vì trong có một lớp vỏ cứng nên phải có quá trình làm chúng mục nát. Khi đƣa vào trong bình nó sẽ nổi lên mặt và tạo khó khăn cho việc trộn với vật liệu khác. Để chất đống và trộn đều, vật liệu cần phải cắt thành những đoạn ngắn và chất thành từng lớp, mỗi lớp dày khoảng 50 cm. Khi vật liệu đã đƣợc bảo quản nhƣ vậy, lớp mặt ngoài bị phá hủy và lần lƣợt các chất thải dạng sợi cũng bị phá hủy. Việc cắt nhỏ thân cây cũng làm tăng mặt tiếp xúc của các vật liệu với các vi khuẩn, tạo quá trình lên men nhanh hơn ở trong hầm. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 19 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Khi phân ngƣời và phân gia súc đã oai theo phƣơng pháp ủ, sau đó đƣa vào hầm, nó sẽ cung cấp các vi khuẩn tự nhiên để tạo ra khí sinh học trong hầm và làm tăng đáng kể lƣợng khí sinh ra. Cũng theo nghiên cứu, tỷ lệ C/N đối với các chất thải thực vật già, cằn cỗi là 60/1 – 100/1. Nhƣng khi để chất đống lên men thì có thể giảm tỷ lệ C/N còn từ 15/1 – 21/1, gần tiến tới một môi trƣờng lý tƣởng cho vi khuẩn sinh methane hoạt động tốt. b3. Sự phân giải của cellulose trong điều kiện tự nhiên Cellulose là thành phần cơ bản nhất của thực vật, trong bông vải chiếm 90%, trong các tế bào thực vật khác chúng chiếm 40 – 55%. Đây là chất rất bền vững, không hòa tan trong nƣớc và không bị phân hủy trong đƣờng tiêu hóa của động vật mà chỉ bị phân hủy trong đƣờng tiêu hóa của động vật nhai lại. Cellulose là chất hóa học có trọng lƣợng phân tử lớn, chúng không thể xâm nhập đƣợc vào tế bào vi sinh vật, chúng bị phân giải ở ngoài tế bào vi sinh vật bởi enzyme ngoại bào. Các enzym này thay phiên nhau phân giải cellulose để giải phóng năng lƣợng và glucose, phục vụ cho sự sinh trƣởng sinh sản và phát triển của vi sinh vật. Trong điều kiện nuôi cấy nhân tạo lƣợng glucose nhiều. Nhƣng trong khối chất thải trong điều kiện tự nhiên quá trình thủy phân, lƣợng glucose tạo ra thƣờng rất ít, ngƣời ta thấy các sản phẩm trung gian của các quá trình phân hủy này nhiều. Tham gia vào quá trình phân giải các chất cellulose và các hợp chất lignoce llulose, pectinocellulose bao gồm rất nhiều loài vi sinh vật khác nhau, trong đó có cả các loài thuộc nhóm vi khuẩn, thuộc nhóm xạ khuẩn và các loài thuộc nhóm nấm sợi. Các chất cellulose trong điều kiện tự nhiên đƣợc phân hủy trong điều kiện hiếu khí lẫn điều kiện yếm khí. b4. Sự phân giải lignin trong điều kiện tự nhiên Lignin là một hợp chất cao phân tử có nhiều trong gỗ, trong thành phần của lignin có 69% là cacbon, 7% là hydro, 24% là oxy. Lignin là chất vô định hình, không tan trong nƣớc và không tan trong các acid vô cơ. Lignin có nhiều trong thực vật, nhƣng chúng lại không thay đổi trong suốt quá trình phát triển của thực vật. Do đó, trong chất thải hữu cơ từ thực vật lignin tồn tại một lƣợng rất lớn trong khối chất thải đó, có nhiều loài vi sinh vật tham gia phân giải hợp chất này, trong đó đáng chú ý nhất là các loài Polysticus versicolor, stereum hirsutum,… Quá trình phân giải lignin của loài vi sinh vật trên giúp quá trình phân giải cellulose có trong thực vật tốt hơn. c) Lƣợng nƣớc thích hợp Sự hoạt động bình thƣờng của vi khuẩn methane cần khoảng 90% nƣớc để lên men vật liệu thải và 8 – 10% chất khô (Nguyễn Duy Thiện, 2001). Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 20 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Bảng 2.12 Lƣợng nƣớc có trong vật liệu thải Loại vật liệu thải Phân ngƣời Phân lợn rắn Lƣợng nƣớc % 80 82 Phân lợn lỏng 96 Phân ngựa 76 Phân khô thông thƣờng 30 – 40 Than lúa khô Phân bò 10 – 20 83 (Nguyễn Duy Thiện, 2001) 2.6 KHÍ SINH HỌC (BIOGAS) 2.6.1 Tổng quan về khí sinh học Khí sinh học (biogas) là nguồn năng lƣợng tái tạo từ chất thải gia súc và con ngƣời, bên cạnh đó dƣỡng chất của các thực vật cũng có thể sử dụng để sản xuất khí. Đây là một hỗn hợp khí đƣợc sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dƣới tác dụng của vi khuẩn trong môi trƣờng yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 – 40oC. Hỗn hợp khí này chiếm tỉ lệ gồm: CH4: 60 – 70%; CO2: 30 – 40% phần còn lại là một lƣợng nhỏ khí: N2, H2, CO, CO2, SOx, H2S,… Lƣợng CH4 chịu ảnh hƣởng bởi quá trình phân hủy sinh học. Tùy thuộc vào từng loại phân, tỉ lệ phân nƣớc, nhiệt độ môi trƣờng, tốc độ dòng chảy,… trong hệ thống mà ảnh hƣởng đến sự sự sinh khí sinh học yếm khí (Trần Hiếu Nhuệ, 2001). Bảng 2.13 Thành phần khí sinh học theo các tài liệu khác nhau Tỷ lệ (%) Công thức hoá học (1) (2) Methane CH4 50 – 75 55 – 65 Carbon dioxide CO2 25 – 45 23 – 45 Nitrogen N2 0–2 0–3 Oxygen O2 0–2 Ít Hydrogen H2 0–1 0–1 Ammonia NH3 0–1 Ít Hydrogen sulphide H2S 0–1 Ít Thành phần ((1)Teodorita Al Seadi et al.,2008; (2)Chongrak Polprasert,1989) Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 21 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas 2.6.2 Lợi ích từ khí sinh học a. Tạo nguồn năng lượng tại chỗ Nguồn năng lƣợng có khả năng tái tạo lại đƣợc để phục vụ cho các vùng nông thôn, giải quyết vấn đề chất đốt ở nông thôn tránh nạn chặt phá rừng làm củi, rơm rạ làm chất đốt trên đồng ruộng, tiết kiệm đƣợc thời gian nấu nƣớng, giải phóng đƣợc lực lƣợng lao động tìm kiếm củi và vận chuyển than, nguồn năng lƣợng này có thể đƣa vào sản xuất nông nghiệp. Khí sinh học có thể phục vụ nhiều mục đích: đun nấu nhƣ khí dầu mỏ hóa lỏng (LPQ) thƣờng gọi là gas, thắp sáng cho ánh sáng chói lòa nhƣ đèn mạng (“măng sông”) dầu hỏa, chạy động cơ đốt trong chạy máy xay xát, máy bơm nƣớc hoặc chạy máy phát điện, chạy tủ lạnh, máy ấp trứng,… b. Lợi ích môi trường Nguyên liệu nạp bằng thiết bị khí sinh học một phần chuyển hóa thành khí sinh học, phần còn lại ở dạng đặc (váng, bã cặn) và lỏng (nƣớc thải) gọi chung là phụ phẩm. Sản phẩm thứ hai rất có giá trị có thể dùng vào nhiều mục đích: làm phân bón, xử lý hạt giống, làm thức ăn bổ sung cho chăn nuôi gia súc, gia cầm, nuôi thủy sản, nuôi giun,… Ta có thể biến trực tiếp những chất thải này làm phân bón nhằm thu hồi lại nguồn năng lƣợng biogas làm chất đốt, nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc những lợi ích khác. Bởi vì các phản ứng sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ yếm khí đã làm ổn định chất thải nên không hoặc ít gây ô nhiễm môi trƣờng, thích hợp cho việc làm phân bón và cải tạo đất. Quá trình phân hủy yếm khí không làm mất đi hoặc phá hủy các chất dinh dƣỡng có trong chất thải mà biến chúng trở thành các chất vô cơ thích hợp cho việc hấp thu cho cây trồng. Các kết quả thực nghiệm so sánh năng suất của 4 loại cây trồng khi bón bằng phân không ủ và bã của hầm biogas. Bảng 2.14 Kết quả so sánh năng suất của 4 loại cây trồng Ngô Lúa nƣớc Bông Lúa mì Phân không ủ 100% 100% 100% 100% Bã hầm Biogas 128% 110% 124,4% 112,5% Phân bón (Nguyễn Duy Thiện, 2001) c) Vô hiệu hóa mầm bệnh Trong suốt quá trình phân hủy yếm khí chất thải đƣợc giữ trong điều kiện không có oxy trong 15 – 50 ngày ở 350C. Những điều kiện này đã góp phần vô hiệu hóa các mầm bệnh. Quá trình ủ yếm khí loại bỏ những vi khuẩn Salmonella, Cryptosporidium và Giardia, vi sinh vật chỉ thị (Escherichia col và coliform) đã giảm 97,94 - 100%. Nó có thể đƣợc coi là một phƣơng pháp hiệu quả để loại bỏ tác Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 22 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas nhân gây bệnh bản địa và làm giảm số lƣợng các sinh vật. Số lƣợng trứng sán, giun móc và các ấu trùng tìm thấy có thể giảm 59,7 – 93% (Black et al., 1982 trích dẫn của Duncan Mara, Nigel Horan, 2003). d) Lợi ích khác Sử dụng khí sinh học cho đun nấu không gây ra khói bụi và nóng cho ngƣời sử dụng. Vì vậy, hạn chế ảnh hƣởng đến sức khỏe cho sử dụng. Công nghệ khí sinh học mang lại cuộc sống văn minh, tiện nghi, giải phóng trẻ em và phụ nữ khỏi công việc trong bếp vất vả và kiếm củi nặng nhọc, góp phần hiện đại hóa nông thôn, tạo ra công ăn việc làm mới cho thợ xây nông thôn (Nguyễn Quang Khải, 2008). Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 23 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 3.1 ĐỊA ĐIỂM Thí nghiệm đƣợc bố trí trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Nhà Thực nghiệm, Khoa Môi trƣờng & TNTN, khu II, Đại học Cần Thơ Địa điểm phân tích mẫu: các mẫu phân tích và đo đạc đƣợc tiến hành tại Phòng thí nghiệm Chất thải rắn, Vi sinh, Khoa Môi trƣờng & TNTN, Đại học Cần Thơ Thời gian: thí nghiệm đƣợc thực hiện từ tháng 8 – 10/2013 3.2 NỘI DUNG Chuẩn bị nguyên liệu: rơm, phân heo và bùn đen, nƣớc mồi biogas. Tiến hành tiền xử lý rơm bằng bùn đen. Bố trí thí nghiệm ủ yếm khí bằng bộ ủ 21 lít. Thu mẫu và phân tích mẫu đầu vào mẻ ủ các chỉ tiêu TS, VS, COD, TKN, tổng Coliform, Fecal Coliform và vi sinh vật yếm khí. Đo thể tích biogas, thành phần khí CH4 mỗi ngày và theo dõi đến ngày 45. Theo dõi hàng ngày các yếu tố môi trƣờng của mẻ ủ gồm pH, redox, nhiệt độ. Thu mẫu và phân tích các chỉ tiêu đầu ra mẻ ủ nhƣ TS, VS, COD, TKN, Fecal Coliform, tổng Coliform, tổng VSV yếm khí của các mẻ ủ tƣơng ứng với ngày lấy mẫu (ngày thứ 45). 3.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.3.1 Chuẩn bị vật liệu thí nghiệm a. Bình ủ Bình nhựa 21L có nắp đậy đƣợc bọc kín bằng nylon đen trong suốt thời gian làm thí nghiệm. Trên nắp bình có lắp ống nhựa mềm thu khí thoát ra chứa vào một túi nhôm. Trên ống nhựa mềm có bố trí 2 van một chiều để khí không thoát ra khỏi bình ủ tại những thời điểm đo đạc. b. Nguyên liệu ủ Phân heo: phân heo đƣợc lấy từ trại heo của ông Huỳnh Kim Nhẫn, ấp Phú Lợi, xã Phú Thạnh, huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang Phân heo sau khi lấy về đem phơi khô trong mát ở nhiệt độ 25 ± 4oC trong một tuần để tránh mất dƣỡng chất. Sau khi khô, phân heo đƣợc xay nhuyễn và trộn đều nhằm tạo mẫu đồng nhất. Rơm: Sử dụng rơm của giống lúa IR50404, rơm đƣợc thu gom từ hộ ông Huỳnh Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 24 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Văn Ba, ấp Đông Hƣng 2, xã Đông Thành, huyện Bình Minh, tỉnh Vĩnh Long, phơi khô ở nhiệt độ 25 ± 4oC cắt nhỏ khoảng 10cm, tiếp theo trộn đều để tạo mẫu đồng nhất. Lấy một ít mẫu rơm để phân tích độ ẩm, TKN, xác định tỉ lệ C/N. Sau đó, rơm đƣợc tiền xử lý bằng nƣớc bùn đáy ao lấy tại khoa Môi trƣờng và Tài nguyên thiên nhiên, trƣờng Đại học Cần Thơ. Trộn vật liệu với 10 lít nƣớc bùn đáy ao (1 kg bùn với 9 lít nƣớc) và ủ trong bình nhựa trong 05 ngày (mỗi ngày xáo trộn 01 lần). 3.3.2 Mô tả thí nghiệm Thí nghiệm ủ yếm khí theo mẻ đƣợc tiến hành trong các bình ủ bằng nhựa PVC thể tích 21L có kết nối với túi nhôm thu khí thoát ra. Những khớp nối của mô hình đƣợc kiểm tra cẩn thận, có lắp thêm các đệm cao su mềm và bôi nhựa silicon để đảm bảo mô hình kín khí tránh rò rỉ nƣớc và khí. Nguyên liệu nạp là phân heo và rơm đƣợc phối trộn theo tỷ lệ khác nhau đƣa vào bình ủ chỉ khoảng 17L để tránh quá trình sinh khí mạnh có thể đẩy nƣớc thải sang túi chứa gas. Sau 5 ngày tiền xử lý, mỗi bình ủ đƣợc bổ sung 200ml lƣợng nƣớc thải sau túi ủ biogas làm nƣớc mồi. Nƣớc thải sau túi ủ biogas đƣợc sử dụng để cung cấp nguồn vi sinh vật ban đầu cho tất cả các nghiệm thức để thúc đẩy quá trình sinh khí. Nƣớc thải sau túi ủ biogas đƣợc thu tại hộ nuôi heo của nông hộ Nguyễn Hoàng Nam (xã Long Hòa, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ). Do đó, sau khi nạp nƣớc thải vào bình ủ sẽ để trong 2 ngày cho khí sinh ra chiếm thể tích trống, từ ngày thứ 3 mới bắt đầu tiến hành đo đạc thông số khí gas. Để tránh tình trạng các nguyên liệu nạp đầu vào nổi lên trên nên cần bố trí trong bình 1 miếng lƣới lƣợt và 2 thanh nhựa đặt chéo ngang; bọc thêm túi nilong màu đen để tránh tảo phát triển. Nghiệm thức đƣợc bố trí 5 lần lặp lại để tăng độ chính xác của thí nghiệm. Theo dõi các chỉ tiêu đánh giá hằng ngày đối với nhiệt độ, pH, Redox, lƣợng khí sinh ra và thành phần khí. Thí nghiệm nạp theo mẻ gồm 5 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức đƣợc lặp lại 5 lần để tăng độ tin cậy của thí nghiệm. Bố thí theo kiểu hoàn toàn ngẫu nhiên. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 25 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Túi nhôm chứa gas 20 lít 1 1 2 4 lít chứa khí 3 17 lít nguyên liệu và nƣớc ủ Hình 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm ủ yếm khí (1) - van khí, (2) - ống dẫn khí , (3) - ống đo các thông số hàng ngày Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức 1 2 3 4 5 (NT1) (NT2) (NT3) (NT4) (NT5) 100%PH 60%PH + 50%PH + 40%PH + 20%PH+ 40%R 50%R 60%R 80%R Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm 3.3.3 Tính toán lƣợng nguyên liệu nạp Theo Eder và Schulz (2007), lƣợng nạp cho 1 m3 hầm ủ không có giá bám từ 1 - 4 kg VS/m3*ngày-1. Chọn lƣợng nạp cho các thí nghiệm là 1 kg VS/m3*ngày-1. Vậy lƣợng nạp cho 1 lít bình ủ tƣơng đƣơng là 1g VS/L*ngày-1 (trích dẫn của Nguyễn Phƣớc Lợi và Trần Thị Thái Lai, 2013). Thí nghiệm tính toán lƣợng nguyên liệu nạp vào hầm ủ là 45 ngày, bình ủ sử dụng 21 lít nhƣng lƣợng nạp vào bình là 17 lít (4 lít mặt thoáng để chứa khí sinh ra). Nhƣ Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 26 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas vậy, lƣợng nguyên liệu nạp vào hầm ủ có tổng VS = 1 × 17 × 45 = 765 g VS/ 17 lít bình ủ trong 45 ngày. Dựa theo từng tỉ lệ nạp ta xác định đƣợc lƣợng VS cần nạp ở từng tỉ lệ theo công thức: Lƣợng VS nguyên liệu cần nạp = Lƣợng VS cần nạp × Tỉ lệ phối trộn Từ lƣợng VS nguyên liệu cần nạp có thể tính đƣợc lƣợng vật chất khô có trong nguyên liệu cũng nhƣ nguyên liệu khô cần sử dụng dựa theo các công thức: Lƣợng TS cần nạp = Lƣợng VS cần nạp/VS(%) Lƣợng nguyên liệu khô cần nạp = Lƣợng TS cần nạp/(TS)(%) Bảng 3.1 Tính toán khối lƣợng nạp cho thí nghiệm ủ theo mẻ Kí hiệu Tỉ lệ Khối lƣợng nạp (g) tính theo khối lƣợng vật chất khô Khối lƣợng nạp (g) tính theo nguyên liệu sau khi phơi khô R PH Tổng R PH Tổng NT1 100%PH: 0%R 0 1210,44 1210,44 0 1375,5 1375,5 NT2 60%PH:4 0%R 369,57 726,27 1095,84 407,46 825,3 1232,76 NT3 50%PH:5 0%R 461,97 605,22 1067,19 509,32 687,75 1197,07 NT4 40%PH:6 0%R 554,35 484,18 1038,53 611,19 550,2 1161,39 NT5 20%PH:8 0%R 739,13 242,09 981,22 814,92 275,1 1090,02 3.4 CÁC CHỈ TIÊU ĐO ĐẠC GỒM Thông số đầu vào và đầu ra của nƣớc thải gồm: độ kiềm, thế ô-xy hóa khử, EC, VS, COD, tổng N, tổng P, tổng Coliform, Fecal Coliform. Mẫu phân tích đƣợc lấy vào ngày đầu (ngay thời điểm nạp nƣớc thải vào bình ủ), đến ngày 45 thu mẫu nƣớc đầu ra. Thông số nhiệt độ, pH, thể tích và thành phần khí tạo ra đƣợc đo hàng ngày trong suốt quá trình thí nghiệm Bảng 3.2 Các chỉ tiêu xác định Chỉ tiêu xác định pH Phƣơng pháp xác định Đo trực tiếp Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Thiết bị Máy đo pH hiệu Orion 230A Tiêu chuẩn xác định TCVN 6492:2011 Trang 27 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Thế ô-xy hóa khử Đo trực tiếp Máy đo Multi 340iWTW 82362 Weilheim - EC Đo trực tiếp Đo trực tiếp - Nung ở 5500C VS Độ kiềm COD Chuẩn độ H2SO4 0,02N Phƣơng pháp Kali Permangannate (KMnO4) TKN Phƣơng pháp nitơ Kjedahl TP Phƣơng pháp Ascorbic Acid Tổng Coliform Phƣơng pháp MPN Fecal Coliform Phƣơng pháp MPN Tổng vi khuẩn yếm khí Phƣơng pháp MPN Thể tích khí Đo trực tiếp Thành phần khí Đo trực tiếp Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Tủ sấy Memmert UI40 Cân điện tử Sartorius CP 324 Cân điện tử Sartorius CP 324 Máy đo pH hiệu Orion 230A Tủ sấy Memmert UI40 TCVN 6625:2000 TCVN 4565:1988 Máy công phá Kjeldahl KB 20S Máy chƣng cất nitơ Kjedahl TCVN 5987:1995 Máy so màu U-2008 TCVN Máy Autoclave 7601:2007 Tủ cấp vô trùng Máy khử trùng nhiệt ƣớt HVE - 50 Tủ ủ Model BE - 600 Máy chƣng cách thủy BW - 20G Tủ cấp vô trùng Máy khử trùng nhiệt ƣớt HVE - 50 Tủ ủ Model BE - 600 Máy chƣng cách thủy BW - 20G Tủ cấp vô trùng Máy khử trùng nhiệt ƣớt HVE - 50 Tủ ủ Model BE - 600 Máy chƣng cách thủy BW - 20G TCVN 8775:2011 TCVN 8775:2011 TCVN 8775:2011 Đồng hồ đo khí RITTER Máy đo khí Geotechnical 0 100/100 GA94 - - Trang 28 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas 3.5 PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 3.5.1 Phƣơng pháp tính toán a) Xác định phần trăm vật chất khô TS o Cho khay vào tủ sấy 105 C khoảng 1 giờ rồi đem ra bình hút ẩm để đến nguội cân trọng lƣợng khay M1, cho mẫu vào khay cân trọng lƣợng M2, để khay có mẫu vào tủ o sấy 105 C đến trọng lƣợng không đổi, đem ra bình hút ẩm để nguội, cân xác định trọng lƣợng M3. Phần trăm vật chất khô đƣợc xác định theo công thức: TS = M 3  M1 x100 (%) M 2  M1 => Độ ẩm = 100 – TS b ) Xác định phần trăm VS o Cốc sứ rửa sạch tráng bằng nƣớc cất, cho vào tủ nung 550 C trong 1 giờ lấy ra bình hút ẩm để đến nguội cân trọng lƣợng cốc M1. Cho M(g) mẫu vào cốc rồi đem mẫu o nung ở 550 C đến trọng lƣợng không đổi. Sau đó, lấy ra cho vào bình hút ẩm đến nguội cân trọng lƣợng cốc và mẫu M3. %VS/TS đƣợc tính theo công thức: VS/TS = M  (M 3  M1) x100 (%) M c) Phương pháp phân tích C/N Xác định %C theo phƣơng pháp xác định trọng lƣợng: %C = VS (%) 1,8 Xác định nitơ tổng bằng phƣơng pháp Kjeldahl. Phần trăm nitơ đƣợc tính theo công thức sau: %N = (V  V ' )  C  0,014  100 (%) M với %N: phần trăm nitơ tổng (%) V: thể tích H2SO4 dùng định phân mẫu thật (mL) V’: thể tích H2SO4 dùng định phân mẫu trắng (mL) C: nồng độ đƣơng lƣợng H2SO4 dùng định phân (N) M: trọng lƣợng mẫu (g) (TCVN 5987-1995 chất lƣợng nƣớc xác định nitơ kenđan (kjeldahl) phƣơng pháp sau khi cô cơ hóa với seelen) Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 29 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas d) phương pháp phân tích photpho tổng Xác định photpho tổng, tính bằng miligam/lít, theo công thức sau: Pp= ( A  A0 ) fVmax Vs Trong đó: A là độ hấp thu của phần mẫu thử; A0 là độ hấp thu của mẫu thử trắng; f là độ dốc của đƣờng chuẩn; Vmax là thể tích lớn nhất của mẫu thử, 40 ml; Vs là thể tích thực của mẫu thử, ml. (TCVN 6202:1996 chất lƣợng nƣớc – xác định photpho phƣơng pháp trắc phổ dung amoni molipdat) e) Phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học (COD) Phƣơng pháp đun hoàn lƣu kín và phƣơng pháp đun hoàn lƣu hở đều cùng tính trên một công thức sau: COD (mg / l )  ( A  B)  M  8000 V A: Thể tích FAS dùng cho thử không B: Thể tích FAS dung cho thử thật M: nguyên chuẩn độ của FAS V: ml mẫu đem đi chuẩn độ f) Phương pháp xác định năng suất sinh khí Năng suất sinh khí đƣợc tính theo công thức sau: Năng suất sinh khí = Tổng thể tích khí/ VSphân hủy Trong đó: - Năng suất sinh khí (lít/kgVS phân hủy) - Tổng thể tích khí (lít) - VSphân hủy: vật chất hữu cơ khô đã bị phân hủy trong thời gian sinh khí (kg) 3.5.2 Phƣơng pháp xử lý số liệu Các kết quả phân tích và đo đạc sử dụng Microsoft Excel 2010 để tổng hợp, viết báo cáo và vẽ đồ thị. Số liệu về các chỉ tiêu phân tích sẽ đƣợc kiểm tra tính đồng nhất của phƣơng sai trƣớc khi thực hiện so sánh trung bình giữa các nghiệm thức bằng phần mềm SPSS 16.0. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 30 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU NẠP Trong các chất hữu cơ là các nguyên tố C, N đóng vai trò trong quá trình tạo sinh khối của vi khuẩn yếm khí. Do đó tỷ lệ C/N cần đƣợc kiểm soát để tạo quá trình sinh khí CH4 tốt nhất. Theo Kumar et al., (2010) tỷ lệ C/N thích hợp từ 25/1 – 30/1 (trích dẫn của Rui Guo et al., 2012), hoặc với tỷ lệ C/N 25/1 – 35/1 (Hills và Roberts, 1981 trích dẫn của Ruihong Zhang, Zhiqin Zhang, 1998), vi khuẩn sử dụng C nhiều hơn sử dụng N từ 25 đến 30 lần. Tỷ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm. Ngƣợc lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều ammoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng cao. Nguyên liệu đƣợc sử dụng trong bố trí thí nghiệm là rơm phối trộn với phân heo. Rơm đƣợc phơi khô, cắt ngắn khoảng 10 cm, sau đó trộn đều và phân heo sau khi xay nhuyễn và trộn đều đƣợc đem phân tích các chỉ tiêu đầu vào để kiểm tra sự phù hợp của nguyên liệu dành cho mẻ ủ biogas đƣợc trình bày ở bảng 4.1 Bảng 4.1 Thành phần của nguyên liệu đầu vào Nguyên liệu Kí hiệu Độ ẩm (%) VS/TS (%) C (%) N (%) C/N Phân heo PH 19,20 63,2 36,65 2,30 15,80 Rơm R 10,20 82,28 48,02 0,85 56,80 Qua bảng trên cho thấy, rơm có tỷ lệ C/N là 56,80 kết quả nghiên cứu này khá phù hợp với nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Huyền (2012) thì tỷ lệ C/N là 51,78. Phân heo có tỷ lệ C/N là 15,80 tƣơng tự nhƣ kết quả của F. Straka et al. (xxx) C/N của phân heo theo là 12 – 15. Nhƣ vậy, từ kết quả phân tích cho thấy lƣợng carbon trong rơm khá cao và lƣợng carbon trong phân heo khá thấp. Để đạt đƣợc tỷ lệ C/N tối ƣu thì phải phối trộn 2 nguyên liệu này với nhau. Sau khi phối trộn 2 nguyên liệu phân heo và rơm với nhau, tiến hành phân tích mẫu đầu vào đƣợc kết quả ở bảng 4.2 Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 31 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Bảng 4.2 Tỷ lệ phối trộn, VS, C/N đầu vào Kí hiệu VS của hỗn hợp (g) C/N 100%PH : 0%R NT1 783 15,71 60% PH : 40% R NT2 783 22,26 50% PH : 50% R NT3 783 23,16 40% PH : 60% R NT4 783 25,58 20% PH : 80% R NT5 783 34,78 Nghiệm thức Từ kết quả phân tích mẫu đầu vào cho thấy 4 nghiệm thức: NT2, NT3, NT4, NT5 có tỷ lệ C/N thích hợp cho quá trình sinh khí. Duy nhất nghiệm thức NT1 có tỷ lệ C/N là 15,71 thấp hơn so với tỷ lệ C/N thích hợp. 4.2 KẾT QUẢ KHÍ BIOGAS CỦA CÁC NGHIỆM THỨC 4.2.1 Thể tích khí Biogas sinh ra của các nghiệm thức theo ngày Rơm lúa đƣợc xử lý với NaOH trƣớc khi cho vào hầm ủ sẽ tăng lƣợng biogas vì tạo điều kiện dễ dàng lên men cellulose của vi khuẩn (Agriculturte information, 2009 trích dẫn của Nguyễn Văn Thu, 2010). Theo kết quả đo đạc khí của các nhóm nghiệm thức (Hình 4.1), lƣợng khí sinh ra cực đại ở ngày thứ 11 đến ngày thứ 17, đây là giai đoạn phân heo và 1 phần rơm phân hủy (do rơm đã đƣợc tiền xử lý 5 ngày trƣớc đó). Sau ngày thứ 17, lƣợng khí sinh ra có xu hƣớng giảm (NT1) riêng các nghiệm thức còn lại có phối trộn rơm, lƣợng khí sinh ra vẫn cao do rơm còn lại trong bình ủ nên tiếp tục sinh khí. Tuy nhiên, ngày thứ 19 đến 23 lƣợng khí sinh ra có xu hƣớng giảm ở tất cả các nghiệm thức. Nhƣng đến ngày thứ 25 lƣợng khí sinh ra của NT1 và NT3 tăng đột biến. Đến ngày thứ 37,nghiệm thức 1 (100% PH) có xu hƣớng giảm do lƣợng dƣỡng chất trong phân heo đã phân hủy gần hết, nhƣng hầu nhƣ các nghiệm thức còn lại (có phối trộn rơm) đều tăng cao, do ở giai đoạn này pH ổn định hơn so với các ngày khác và nằm trong khoảng tối ƣu (6,5 – 7,5). Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 32 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas 14 NT1 L NT2 NT3 NT4 NT5 12 10 8 6 4 2 0 Ngày 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Hình 4.1 Thể tích khí sinh ra theo ngày của các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R 4.2.2 Thể tích khí Biogas tích dồn của các nghiệm thức trong 45 ngày Tổng lƣợng khí sinh ra của các nghiệm thức này trong 45 ngày là 163,8L (NT1), 250,5L ( NT2), 281,7L (NT3), 271,1L (NT4), 250,5L (NT5). Các nghiệm thức này có sự khác biệt ý nghĩa 5% giữa các nghiệm thức (phụ lục 1). L NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 300 250 b c c b 200 a 150 100 50 Ngày 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Hình 4.2 Thể tích khí tích dồn trong 45 ngày của các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Ở các nghiệm thức có phối trộn rơm lƣợng khí tăng lên đáng kể, nghiệm thức có tỉ lệ phối trộn rơm càng nhiều thì lƣợng khí sinh ra càng lớn. Tuy nhiên, NT3 (50%R Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 33 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas + 50%PH), lƣợng khí sinh ra cao nhất, khi lƣợng rơm phối trộn vƣợt quá 50% thì lƣợng khí có xu hƣớng giảm. 4.2.3 Thành phần khí CH4 của các nghiệm thức Bên cạnh việc đo tổng lƣợng khí sinh ra từ các nghiệm thức, thí nghiệm còn tiến hành đo thành phần khí (%CH4). Phần trăm khí CH4 đƣợc tính từ khi thể tích khí CH4 ổn định (từ tuần thứ 2 của mẻ ủ đến ngày thứ 45). Từ đó cho thấy, hệ vi sinh vật trong mẻ ủ đã hoạt động rất ổn định và hiệu quả (Hình 4.8). 70 % NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 60 50 40 30 20 10 Ngày 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Hình 4.3 Thành phần khí CH4 theo ngày ở các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Theo kết quả đo, thành phần khí sinh ra theo ngày, tuần đầu tiên, thành phần CH4 trong tuần đầu tiên rất thấp, trong tuần thứ 2, thành phần khí CH4 tăng dần và ở tuần 3,4 và 5 thì lƣợng CH4 sinh ra khá tốt, dao động trong khoảng 40 – 60 %. Một số thí nghiệm về sử dụng rơm sau ủ nấm và lục bình phối trộn phân heo làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ Biogas của Nguyễn Võ Châu Ngân et al (2012) cũng đã thu đƣợc hàm lƣợng CH4 ở khoảng 44,2 – 56 % ở các nghiệm thức phối trộn rơm sau ủ nấm và phân heo và ở khoảng 44,4 – 61,2%, ở các nghiệm thức phối trộn lục bình và phân heo. Ở tỉ lệ này, chất lƣợng gas tốt để phục vụ cho đun nấu. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 34 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas 160 L NT1 NT4 NT2 NT5 NT3 c b b b 140 120 100 a 80 60 40 20 Ngày 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Hình 4.4 Thể tích khí CH4 tích dồn trong 45 ngày của các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Theo biểu đồ cho thấy, thể tích CH4 của NT3 cao nhất là 145,60 L, kế đó là 131,00L của NT4, 127, 30L của NT2, 125,60L của NT5, 85,96 L của NT1. Số liệu trên cho thấy có sự khác biệt với mức ý nghĩa 5% về thể tích CH4 sinh ra giữa các nghiệm thức (phụ lục 2). 4.2.4 Năng suất sinh khí Biogas của các nghiệm thức (Lƣợng khí sinh ra / 1kg VS phân huỷ) Năng suất sinh khí của 1 nguyên liệu phản ánh khả năng sinh khí dựa trên sự phân huỷ hợp chất hữu cơ. Có thể dựa vào năng suất sinh khí, để lựa chọn đƣợc nghiệm thức sinh khí tốt nhất. Năng suất sinh khí của các mẻ ủ đƣợc theo dõi và đo đạc đến ngày thứ 45, sau đó xác định lƣợng VS phân hủy còn lại trong bình ủ. So sánh với lƣợng VS ban đầu nạp vào bình ủ, năng suất sinh khí biogas đƣợc tính dựa trên 1 kg VS phân hủy bị chuyển hóa. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 35 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas 1000 cd Lít Biogas/kg VS phân huỷ 900 b bc e 800 700 600 a 500 400 300 200 100 Nghiệm thức 0 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Hình 4.5 Năng suất sinh khí biogas của các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Dựa vào kết quả năng suất sinh khí của các nghiệm thức cho thấy: Năng suất sinh khí của các nghiệm thức dao động trong khoảng 480 – 854 Lít Biogas/ 1 kg VS phân hủy. Cao nhất là NT3 (50% R + 50% PH) và thấp nhất là NT1 (100% PH). Năng suất sinh khí biogas giữa các nghiệm thức đều có sự khác biệt ý nghĩa ở mức 5% (phụ lục 3). Năng suất khí sinh ra tăng dần nếu tăng tỷ lệ nạp thêm rơm vào bình ủ (NT2, NT3). Tuy nhiên lƣợng khí sẽ giảm khi thêm rơm quá 60% ( NT4, NT5). Nhƣ vậy có thể phối trộn rơm làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ lên tới 50% R+ 50% PH. Đối với NT3, năng suất sinh khí cao hơn so đáng kể so với NT1 (100%PH) không có phối trộn là khoảng 44%. Trong khi đó, kết quả nguyên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân et al. (2012) khi nghiên cứu rơm sau ủ nấm phối trộn với phân heo giảm thì năng suất sinh khí giảm nếu tăng tỉ lệ nạp rơm sau ủ nấm. Theo đó, nếu chọn nghiệm thức 100% phân heo làm đối chứng (năng suất sinh khí 100%), ta có các kết quả 91,1%, 78,2%, 74%, 61,5% tƣơng ứng các nghiệm thức 75% phân heo, 50% phân heo, 25% phân heo và 100% rơm sau ủ nấm. Theo Melanie Sattler (2011) trích dẫn từ NAS (1977) thì năng suất sinh khí tính trên 1 kg VS phân hủy của phân heo là 560 Lít Biogas/ 1 kg VS phân hủy và rơm là 550 – 620 Lít Biogas/ 1 kg VS phân hủy. Theo kết quả nghiên cứu, thì năng suất sinh khí của phân heo NT1 (100%) là 480 Lít Biogas/ 1 kg VS phân hủy, thấp hơn so với trích dẫn của Melanie Sattler (2011), thấp hơn khoảng 13%. Theo kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, rơm khi có phối trộn với phân heo, năng suất sinh khí tăng lên cao rõ rệt so với không phối trộn. Năng suất sinh khí của NT3 ( 50%PH + 50% R) cao hơn năng suất sinh khí của rơm khoảng 27%. Từ các nghiên cứu trên cho thấy, Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 36 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas khi đem nguyên liệu có phối trộn rơm và phân heo lại nạp cho hầm ủ, sẽ cho năng suất sinh khí cao hơn so với ủ duy nhất 1 nguyên liệu là rơm hoặc phân heo. 500 cd b Lít CH4/kg VS phân huỷ 450 bc e 400 350 300 a 250 200 150 100 50 Nghiệm thức 0 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Hình 4.6 Năng suất sinh khí CH4 của các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Theo kết quả thống kê, năng suất sinh khí CH4 của các nghiệm thức đều có sự khác biệt ý nghĩa ở mữa 5% (phụ lục 4). Qua hình 4.6 cho thấy, năng suất sinh khí CH4 tăng dần khi tăng tỉ lệ phối trộn rơm vào mẻ ủ, khi tăng tỉ lệ rơm lên đến 60% thì năng suất sinh khí CH4 có xu hƣớng giảm. Năng suất sinh khí CH4 của các nghiệm thức dao động trong khoảng 250 – 441L CH4/1 kg VS phân hủy. Kết quả cho năng suất sinh khí cao nhất là NT3 (50% R), kế đó là NT4 (60% R), NT2 (40% R) và NT5 (80% R) có năng suất sinh khí CH4 tƣơng đƣơng nhau và năng suất sinh khí nhỏ nhất là NT1 (100% PH). Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 37 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Bảng 4.3 VS đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức VS của hỗn hợp (g) Nghiệm thức Kí hiệu Đầu vào Đầu ra 100%PH : 0%R NT1 783 442,44 60% PH : 40% R NT2 783 462,51 50% PH : 50% R NT3 783 452,90 40% PH : 60% R NT4 783 451,91 20% PH : 80% R NT5 783 421,54 % 60 59 58 57 56 55 54 53 52 Nghiệm thức 51 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Hình 4.7 Lƣợng VS phân hủy đã sử dụng trong 45 ngày ở các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Theo kết quả phân tích cho thấy sau 45 ngày ủ năng suất sinh khí chỉ đạt khoảng ở 54 – 59%. Khi tính toán lƣợng VS nạp chỉ sử dụng trong 45 ngày nhƣng sau 45 ngày lƣợng VS phân hủy còn lại trong các mẫu vẫn còn có khả năng sinh khí do Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 38 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas rơm phân hủy chậm nên vẫn còn lƣợng chất dinh dƣỡng. Qua hình 4.13 cho thấy, rơm vẫn còn dạng sợi. Vì vậy, nếu tăng thời gian ủ thì vẫn có thể thu đƣợc khí biogas. Hình 4.8 Nguyên liệu ủ ở NT3 vào ngày thứ 45 Các kiểu công trình khí sinh học năng suất cao có sử dụng lọc sinh học, lọc yếm khí,… Đã đƣợc nghiên cứu và phát triển ở nhiều nƣớc trên thế giới, ƣu điểm nổi bật của công nghệ là hiệu suất sinh khí cao đạt đến 1m3 khí/m3 phân huỷ trong khi đó ở các công trình khí sinh học đơn giản, vận hành theo phƣơng thức nạp liên tục hiệu suất sinh khí vào khoảng 0,3 – 0,4 m3 khí/ m3 phân huỷ, một lợi thế khác của công nghệ đó là chịu đƣợc sự thay đổi đột ngột của lƣu lƣợng nguyên liệu nạp vào hàng ngày.Theo Hồ Thị Lan Hƣơng (xxx), năng suất sinh khí chỉ đạt khoảng 60 – 70%, tuy nhiên, sau 3 tháng khi nghiên cứu của có sử dụng thiết bị khí sinh học hình ống có mang lọc sinh học thì năng suất tăng lên cao nhất là khoảng 80%. 4.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN THỂ TÍCH KHÍ SINH RA 4.3.1 Nhiệt độ Các vi sinh vật yếm khí bị ảnh hƣởng rất lớn khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt độ ảnh hƣởng đến sự phát triển, các hoạt động và sự tồn tại của chúng (Lew, 2011 trích dẫn của Chengyuan Zhao, 2011). Quá trình ủ yếm khí và đạt hiệu quả tốt nhất ở khoảng nhiệt độ tối ƣu. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn khoảng tối ƣu, tế bào vi khuẩn, chất đạm và các chất dinh dƣỡng sẽ trở thành chất độc và các vi sinh vật có thể ngừng hoạt động (Loustarinen, 2005 Chengyuan Zhao, 2011). Sau 45 ngày ủ, nhiệt độ bình mẻ ủ đƣợc trình bày ở hình 4.9. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 39 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas NT1 0C NT2 NT3 34 32 30 28 26 24 22 20 Ngày 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Hình 4.9 Nhiệt độ trong 45 ngày thí nghiệm NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Theo biểu đồ nhiệt độ trong bình ủ dao động trong khoảng 25 – 320C, khoảng dao động nhiều nhất là 31 ± 10C. Khoảng nhiệt độ này thích hợp cho các vi sinh vật ƣa ấm 20 – 450C (Gerardi, 2003 trích dẫn của Alastair J. Ward, 2008). Giữa các nghiệm thức hầu nhƣ không có sự khác biệt với nhau về nhiệt độ. Ở giai đoạn ngày thứ 27 – 29 nhiệt độ giảm là do ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng, vì thời gian này do bão nên nhiệt độ giảm. Theo ghi nhận nhiệt độ hang ngày, nhiệt độ môi trƣờng thƣờng cao hơn trong mẻ ủ khoảng 1- 2 0C. Do thí nghiệm thực hiện trong tháng 8 – 10, nhiệt độ trong ngày biến đổi rất lớn, nhiệt độ buổi sáng và buổi trƣa chênh lệch rất lớn. Sự chênh lệch nhiệt độ làm ảnh hƣởng đến sự phát triển của vi sinh vật trong mẻ ủ. 4.3.2 pH Theo biểu đồ 4.10 cho thấy giá trị pH thay đổi theo từng ngày trong giai đoạn của quá trình ủ. Giá trị pH sẽ dao động theo từng giai đoạn khác nhau, giá trị pH càng ổn định ở khoảng thích hợp thì sẽ tạo điều kiện tốt cho quá trình phân hủy yếm khí của vi sinh vật. Kết quả đo pH hàng ngày cho thấy, bắt đầu từ ngày thứ 13 thì giá trị pH đƣợc cải thiện dần cho đến ngày thứ 45 của mẻ ủ và nằm trong khoảng 6,5 – 7,5. Trong 2 tuần đầu tiên, thì khoảng giá trị pH của các nghiệm thức dao động nhiều, điều này gây ức chế đến khả năng phát triển của vi sinh vật. Vì trong tuần đầu tiên, là khoảng thời gian thuỷ phân hợp chất hữu cơ sinh acid acetic và H2 dẫn đến pH giảm. Điều này làm cho mật độ vi sinh vật sinh chƣa phát triển mạnh, khí methane còn ít. Sau ngày thứ 14, pH của các nghiệm thức đều nằm trong khoảng pH tối ƣu, lúc này tạo môi trƣờng thuận lợi để vi sinh vật phát triển tốt và lƣợng khí sinh ra của mẻ ủ sinh khí ổn định hơn. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 40 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Khoảng tối ƣu 8 7.5 7 6.5 6 Ngày 5.5 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Hình 4.10 Giá trị pH trong 45 ngày thí nghiệm NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R So sánh khoảng pH thực nghiệm với khoảng pH thích hợp cho khả năng sinh khí tốt nhất là 6,5 – 7,5. Tuy nhiên vi khuẩn có thể chịu đƣợc pH thấp khoảng 5,5 và ở khoảng 8,0 nhƣng vi khuẩn tạo khí sẽ bị ức chế ( Lusk 1999 và Liu et al., 2007 trích dẫn của Ljupka Arsova, 2010). Ở từng nghiệm thức, thì giá trị trung bình của từng nghiệm thức đều nằm trong khoảng cho phép để vi sinh vật phát triển bình thƣờng 4.3.3 Độ kiềm Độ kiềm và pH là 2 thông số quan trọng ảnh hƣởng đến sự phát triển của vi sinh vật trong mẻ ủ. Sau 45 ngày, độ kiềm của mẻ ủ đầu ra có khuynh hƣớng tăng ở các nghiệm thức dao động từ 2106,67 – 2433,3mg CaCO3/L vẫn nằm trong khoảng tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp (1000 – 5.000 mgCaCO3/L), (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009). Nguyên nhân là do ở giai đoạn thủy phân và acid hóa đã chuyển hóa các monomer sinh ra ở giai đoạn 1 thành acid acetates, H2 và CO2. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 41 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas mgCaCO3/L 3000 2500 2000 Ngày đầu 1500 Ngày 45 1000 500 Nghiệm thức 0 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Hình 4.11 Giá trị độ kiềm trong 45 ngày thí nghiệm NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R 4.3.4 Điện thế oxy hóa – khử (Redox redox potentials) Tất cả các vi sinh vật tồn tại đƣợc là nhờ quá trình oxy hóa – khử (Noctor and Foyer 1998 trích dẫn của Christine H. Foyer et al., 2003). Khoảng Redox tối ƣu để quá trình oxy hóa khử là – 250mV đến – 476mV (theo Jürgen Wiese, 2009). Tín hiệu oxy hóa – khử là hình thức cơ bản nhất xem quá trình biến đổi diễn biến sinh học và phát triển các chất trung gian, sản phẩm trong quá trình ủ. Theo biểu đồ 4.4, hiệu điện thế có xu hƣớng giảm vào tuần đầu, tăng lên trong những tuần cuối. Ở những tuần sau có xu hƣớng tăng lên cao và ổn định hơn ở các tuần cuối, tuy nhiên hiệu điện thế vẫn âm, chứng tỏ ở trong mẻ ủ diễn ra quá trình khử. Ở tuần cuối, hiệu điện thế đạt giá trị cao nhất. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 42 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas 0 -50 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 31 33 35 37 39 41 43 45 Ngày -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 mV NT1 NT2 NT3 Hình 4.12 Giá trị Redox trong 45 ngày thí nghiệm NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R 4.3.5 Tổng Vi sinh vật yếm khí Tổng vi sinh vật yếm khí gồm có 3 nhóm chính: Clostidium perfringens., Bifidobacteria., Bascteroides spp.. Tuy nhiên, ngƣời ta đề nghị sử dụng Bifidobacteria. làm sinh vật chỉ thị. Số lƣợng vi khuẩn yếm khí của các nghiệm thức những ngày đầu rất thấp. Tuy nhiên sau 2 tuần, trong môi trƣờng yếm khí tốt, pH ở khoảng thích hợp và có lƣợng thức ăn đầy đủ nên lƣợng vi sinh vật sinh trƣởng nhanh làm gia tăng số lƣợng đáng kể ở các ngày 20, 30 và cao nhất ở ngày 45. Số lƣợng VSV ở các nghiệm thức dao động trong khoảng 3,0x105 – 9,0x107 MPN/100mL. NT1 (100%PH) có số lƣợng VSV gia tăng nhanh nhất và có số lƣợng cao nhất ở ngày 45 là 9,0x107 MPN/100mL. Ở các nghiệm thức còn lại có phối trộn rơm, số lƣợng tổng VSV yếm khí ở những ngày đầu có xu hƣớng giảm do VSV chƣa thích nghi đƣợc với môi trƣờng; sau ngày 20 đến ngày 30 số lƣợng VSV tăng lên, đến ngày thứ 45 số lƣợng VSV ổn định. Ở các nghiệm thức có phối trộn rơm, do có nhiều cellulose trong rơm nên vi sinh vật khó phân huỷ nên tốc độ phát triển của VSV chậm hơn so với NT1 (100% PH). Vì vậy, số lƣợng vi sinh vật có tăng nhƣng thấp hơn so với NT1 (Hình 4.13). Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 43 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas MPN/100mL 100000000 10000000 1000000 NT1 100000 NT2 10000 NT3 NT4 1000 NT5 100 10 1 Ngày đầu Ngày 20 Ngày 30 Ngày 45 Hình 4.13 Số lƣợng vi khuẩn yếm khí NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R 4.4 CHẤT LƢỢNG NƢỚC ĐẦU RA CỦA MẺ Ủ 4.4.1 TKN và TP Nồng độ nitơ và photpho trong nƣớc thải đầu ra của hệ thống xử lý phản ánh hiệu quả xử lý của hệ thống trong việc giảm đi lƣợng nitơ và photpho. Đây là 2 nguyên tố chủ yếu cần thiết cho sự phát triển của các thực vật – nó đƣợc biết đến nhƣ là những chất dinh dƣỡng hoặc kích thích sinh học. Theo Lâm Minh Triết và Đỗ Hồng Lan Chi (2005), nitơ là một trong những nguyên tố chính của sự sống, là thành phần của protein và acid nucleic trong tế bào vi sinh, động vật và thực vật. Photpho là 1 đại lƣợng cần thiết cho mọi tế bào sống. Photpho là thành phần quan trọng của ATP, acid nucleic (AND va ARN) và phospholipid của màng tế bào. TKN biểu thị tổng dạng hữu cơ và amôn trong nƣớc thải. Trong điều kiện phân hủy yếm khí TKN gồm đạm hữu cơ và NH4+. TKN là chỉ tiêu kiểm soát và đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguồn thải nhất là hữu cơ. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 44 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas mgN/L Ngày đầu Ngày 45 QCVN 40:2011 BTNMT 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Nghiệm thức NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Hình 4.14 Nồng độ TKN của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Qua hình 4.13 cho thấy hàm lƣợng nitrogen trƣớc khi xử lý của các nghiệm thức dao động từ 759,3–1695,9 mg N/L, tƣơng đối cao. Sau quá trình ủ yếm khí 45 ngày hàm lƣợng TKN có trong mẻ ủ giảm. Tuy nhiên, vì thể tích khí NH3 sinh khi ít nên hàm lƣợng TKN đầu ra của mẻ ủ giảm khoảng 3–25%. NT1 có hàm lƣợng nitrogen giảm nhiều nhất (25%) so với các nghiệm thức còn lại. Do số lƣợng tổng VSV yếm khí tăng cao (xem hình 4.13). Các VSV sử dụng nitrogen để tổng hợp thành tế bào mới. Thực vật và tảo sử dụng nitơ ở dạng amôn (NH4+) và nitrat ( NO3-). Tuy nhiên amôn chiếm ƣu thế trong nƣớc trung tính và hơi acid, vì khi pH tăng, khí NH3 sẽ đƣợc tạo ra và giải phóng vào khí quyển (Lâm Minh Triết và Đỗ Hồng Lam Chi, 2005). NH4+ NH3 + H+ Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001), photpho có trong nƣớc thải dƣới dạng orthophotphat (PO43-) hoặc poliphotphat (P2O7) hoặc photpho liên kết hữu cơ. Các vi sinh vật sử dụng photpho dƣới dạng orthophotphat và poliphotphat để duy trì hoạt động, dự trữ, vận chuyển năng lƣợng và phát triển tế bào mới. Qua hình 4.13 cho thấy hàm lƣợng photpho (mg/L) đầu ra của từng nghiệm thức có xu hƣớng giảm nhƣng giảm rất ít. Từ kết quả phân tích thấy, khả năng loại bỏ cao nhất là khoảng 50%, thấp nhất là khoảng 9%. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 45 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas mg/L 2500 2000 1500 Ngày đầu Ngày 45 1000 500 Nghiệm thức 0 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Hình 4.15 Nồng độ TP của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R Qua hình 4.15 cho thấy, nồng độ TP đầu ra có giảm hơn so với đầu vào nhƣng mức độ giảm rất thấp khoảng 9 – 50%. NT1 có nồng độ TP giảm nhiều nhất, so với các nghiệm thức còn lại. Do số lƣợng tổng VSV yếm khí tăng cao (xem hình 4.13). Các VSV này sử dụng photpho để tổng hợp thành tế bào mới. Sau quá trình ủ yếm khí 45 hàm lƣợng TKN, TP vẫn còn rất cao, TKN vƣợt khoảng 17 – 33 lần và TP vƣợt khoảng 90 – 299 lần so với QCVN 40:2011/BTNMT cột B. 4.4.2 COD (Nhu cầu oxy hóa học) Nhu cầu oxy hóa học là mức độ chuyển hóa của tất cả lƣợng vật chất hữu cơ có trong chất thải thành CO2 và H2O. Thông số này thể hiện toàn bộ các chất hữu cơ có thể bị oxy hóa bởi tác nhân hóa học. Do vậy, COD càng lớn thì chứng tỏ hàm lƣợng các chất hữu cơ phân hủy bằng phƣơng pháp hóa học càng nhiều, điều đó chứng tỏ mẫu nƣớc đó càng ô nhiễm. Theo hình 4.15 cho thấy, hàm lƣợng COD trƣớc khi xử lý có trong các mẻ ủ rất cao dao động trong khoảng 11627,4 – 53420,3 mg/L. Sau thời gian ủ 45 ngày hàm lƣợng COD đƣợc loại bỏ rất ít, hầu nhƣ ở các nghiệm thức, COD đầu ra chỉ giảm khoảng 5 – 10%. COD đầu ra còn rất cao, vƣợt rất nhiều lần so với QCVN 40:2011/BTNMT cột B. Cụ thể, NT1 vƣợt thấp nhất là khoảng 73 lần, NT3 vƣợt cao nhất là khoảng 248 lần. Vì vậy, chất thải từ hầm ủ cần đƣợc xử lý trƣớc khi thải ra môi trƣờng. Theo nghiên cứu của Trần Đại Lợi và Tô Trọng Khang (2013) cũng cho kết quả COD đầu ra của mẻ ủ cao và vƣợt rất nhiều lần so với QCVN 40:2011/BTNMT cột B tƣơng tự nhƣ kết quả trên. Mặc dù, trong nghiên cứu của Trần Đại Lợi và Tô Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 46 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Trọng Khang (2013) sử dụng rơm với nhiều kích cỡ khác nhau. Nhƣng nhìn chung, cả 2 nghiên cứu đều sử dụng nghiên liệu nạp là rơm và phân heo dẫn đến đầu ra tƣơng tự nhau. mg/L 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Ngày đầu Ngày 45 Nghiệm thức NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 Hình 4.16 Nồng độ COD đầu ra của các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT3: 50% PH+ 50% R; NT2: 60% PH+ 40% R NT4: 40% PH+ 60% R NT5: 20% PH+ 80% R 4.4.3 Tổng Coliform và Fecal Coliform Tổng coliform bao gồm vi khuẩn hiếu khí hay kỵ khí tùy tiện. Loại này bao gồm E. coli, Enterobacter, Klebesilla, Citrobacter. Tổng số Coliform thể hiện tốt nhất trong việc đánh giá an tính toàn của nƣớc thải sau xử lý (Lâm Minh Triết và Đỗ Hồng Lan Chi, 2005). Số lƣợng tổng Coliform ngày đầu rất cao và giảm dần theo từng đợt theo dõi. Số lƣợng tổng Coliform cao với những nghiệm thức có tỷ lệ phân heo cao và giảm dần theo từng tỷ lệ giảm của phân heo trong bình ủ. Số lƣợng tổng Coliform ở các nghiệm thức có tỷ lệ phân heo cao giảm mạnh hơn so với các nghiệm thức có tỷ lệ phân heo thấp hơn. Vì do phân heo dễ phân huỷ sinh khí nhanh hơn các nghiệm thức nhiều rơm, các vi khuẩn này bị các VSV yếm khí tranh giành thức ăn. Sau 20 ngày ủ, số lƣợng tổng coliform đã giảm hơn 90% ở NT1 (100% PH), các nghiệm thức còn lại có giảm, nhƣng không nhiều. Đến ngày thứ 45, số lƣợng tổng coliform còn lại rất thấp, rất khó phát hiện. Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 47 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas MPN/100mL 1000000000 100000000 10000000 1000000 NT1 100000 NT2 10000 NT3 1000 NT4 100 NT5 10 1 Ngày đầu Ngày 20 Ngày 30 Ngày 45 Hình 4.17 Số lƣợng Tổng Coliform đầu ra của các nghiệm thức NT1: 100% PH; NT2: 60% PH+ 40% R NT3: 50% PH+ 50% R; NT5: 20% PH+ 80% R NT4: 40% PH+ 60% R Fecal Coliform (Coliform phân) bao gồm tất cả những Coliform có thể lên men lactose ở 44,50C. Fecal Coliform bao gồm vi khuẩn nhƣ Klebesilla pneumoniae, Escherichia coli. Sự hiện diện của Coliform phân chỉ thị sự hiện diện của phân động vật máu nóng (Lâm Minh Triết, 2005). Sau 45 ngày ủ, số lƣợng Coliform phân giảm đều ở tất cả các nghiệm thức. Kết quả đƣợc trình bày ở bảng 4.3 Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 48 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Bảng 4.4 Hàm lƣợng Fecal Coliform của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ Nghiệm thức Tỉ lệ phối (NT) trộn NT1 Ngày đầu Ngày 20 ngày 30 ngày 45 100%PH:0%R 5,0x108 [...]... đó, vỏ mì phối trộn với phân bò, phân heo và phân gia cầm cũng có khả năng sinh khí tốt Trong đó, hỗn hợp vỏ mì và phân heo sinh ra lƣợng khí rất lớn Tuy nhiên để biết tỷ lệ phối trộn hợp lý để có lƣợng khí sinh ra tốt nhất của hỗn hợp vỏ mì và phân heo, cần nghiên cứu với các tỷ lệ phối trộn khác nhau (A U Ofoefule and E O Uzodinma, 2009) Rơm rạ có tiềm năng rất lớn để sản xuất khí sinh học Theo nghiên... Trang 10 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas đầu là phân heo, các nghiên cứu sau này tìm thêm các nguyên liệu có thể sản xuất khí biogas Ngoài sử dụng phân heo là nguyên liệu nạp, các phụ phẩm trong nông nghiệp: thân bắp, rơm lúa, rơm lúa mì và lục bình kết hợp với phân heo có thể cải thiện năng suất sinh gas từ 10 – 80% (Nguyễn Văn Thu, 2010) Theo nguyên cứu của Cathryn... loại nguyên liệu, chẳng hạn dung phân gia súc, gia cầm với thực vật nhƣ rơm rạ, lục bình,… Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 15 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas Bảng 2.8 Tỷ lệ C/N của một số loại chất hữu cơ Nguyên liệu Tỷ lệ C/N Máu động vật 3,2 12 – 15 Phân heo Phân bò, heo 18 Phân gà 15 Phân ngựa 25 Phân trâu 12 – 15 Lúa mì 40 –... nhiên, theo Nutawan Yoswathana et al (2010), cũng có khả năng sản xuất nhiên liệu sinh học Hàng năm, rơm rạ có khả Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 6 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas năng sản xuất 205 tỷ lít ethanol, chiếm khoảng 5% tổng số năng lƣợng tiêu thụ Đây là số tiền lớn nhất từ một đơn nguyên liệu sinh khối - Ủ biogas Ngoài... là khá thấp là 12 – 15 Và tại Việt Nam, vấn đề phối trộn rơm và phân heo làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ Từ những vấn đề trên, đề tài Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas đề xuất thực hiện Đây là một nghiên cứu thuộc khuôn khổ dự án “Sản xuất khí sinh học bền vững từ rơm thải (SubProM)” do trƣờng Đại học Cần Thơ và trƣờng Đại học Aarhus... cầu sinh hoạt của ngƣời dân, cung cấp nguồn phân bón hữu cơ cho canh tác nông nghiệp 1.2.2 Mục tiêu cụ thể Xác định đƣợc tỉ lệ phối trộn thích hợp giữa phân heo với rơm dùng làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ yếm khí Xác định thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 2 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh. .. của Nguyến Tấn Thanh, Phan Thành Thái, 2012), rơm rạ có một số đặc tính sau: năng suất rơm dao động từ 2 tấn/ha đến hơn 8 tấn/ha tùy thuộc vào giống lúa, năng suất lúa và phƣơng pháp thu hoạch (cắt gần gốc sẽ cho nhiều rơm hơn) Tổng lƣợng Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 3 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas rơm sau thu hoạch có tỷ. .. 14 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas a3 pH Hydro (H +) ion (ion là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử có điện tích âm hoặc dƣơng) kiểm soát nồng độ axit pH đo lƣờng nồng độ của H+ và hydroxit (OH-) các ion tạo nên nƣớc (H2O) pH của nƣớc ảnh hƣởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trong nƣớc (quá trình trao đổi chất, quá trình sinh sản và phát triển của. .. lƣu Là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị ủ yếm khí Trong thời gian này nguyên liệu bị phân hủy kỵ khí và sinh ra khí sinh học Quá trình phân hủy trong điều kiện Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877 Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915 Trang 16 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas tự nhiên xảy ra thời gian dài, đối với phân động vật thời gian này có thể kéo dài tới hàng tháng,... Ngân 1100915 Trang 18 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas a10 Chế độ khuấy trộn Khuấy trộn là tác động cơ học vào dung dịch lên men, khuấy trộn có những tác động tích cực Khuấy trộn làm tăng khả năng tiếp xúc giữa chất hữu cơ với vi khuẩn, từ đó làm tăng nhanh quá trình chuyển quá vật chất Khấy trộn làm phá vỡ lớp váng nổi phía mặt trên của bề mặt dung dịch, tạo