đánh giá khả năng sinh khí biogas cửa rễ thân lá lục bình phối trộn phân heo trong phòng thí nghiệm

năng sinh khí khá tốt đáp ứng được yêu cầu nguyên liệu thay thế cho phân heo trong quá trình ủ yếm khí của hầm ủ biogas.. Mục tiêu cụ thể: Đánh giá khả năng sinh khí, tổng lượng khí sinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

CAO VĂN HIỆP

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH KHÍ BIOGAS

CỦA RỄ, THÂN, LÁ LỤC BÌNH (Eichhornia

crassipes) PHỐI TRỘN PHÂN HEO TRONG

PHÒNG THÍ NGHIỆM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TRẦN SỸ NAM

Cần Thơ, 12/2013

PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG

Luận văn kèm theo đây, với tựa đề là “Đánh giá khả năng sinh khí biogas

của rễ, thân và lá lục bình (Eichhornia crassipes) phối trộn phân heo trong điều

kiện phóng thí nghiệm” do Cao Văn Hiệp thực hiện và báo cáo đã được hội đồng

chấm luận văn thông qua

PGS.TS Bùi Thị Nga PGS.TS Nguyễn Hữu Chiếm

TS Nguyễn Xuân Lộc

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Sỹ Nam, thầy Nguyễn Võ Châu Ngân đã cung cấp những kinh nghiệm cũng như 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

Xin chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy, cô thuộc bộ môn Khoa học Môi trường nói riêng và toàn thể quý thầy, cô khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài

Lời tiếp theo xin cám ơn chị Nguyễn Thị Thùy đã tận tình hướng dẫn, cùng toàn thể bạn bè trong nhóm biogas đã giúp đỡ và chia sẽ công việc cũng như khinh nghiệm cho nhau

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 trong thời gian thực hiện luận văn

Sau cùng tác giả xin chân thành cảm ơn đặc biệt sâu sắc đến gia đình

đã giúp đỡ và động viên tinh thần cho tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp

Trân trọng cảm ơn!

Cần Thơ ngày 09 tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiện

TÓM LƯỢC

Đề tài “Đánh giá khả năng sinh khí biogas của rễ, thân, lá lục bình

(Eichhornia crassipes) phối trộn phân heo trong phòng thí nghiệm” được thực

hiện nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của rễ, thân, lá lục bình phối trộn phân heo lên khả năng sinh khí biogas Thí nghiệm được bố trí theo mẻ hoàn toàn ngẫu nhiên với các nghiệm thức rễ, thân, lá và rễ - thân – lá lục bình; các mẻ ủ được theo dõi liên tục trong 45 ngày Mỗi nghiệm thức đều được bố trí với 3 lần lặp lại với bình ủ

21 lít trong điều kiện phòng thí nghiệm Các thông số thể tích biogas sinh ra, thành phần biogas và các yếu tố môi trường mẻ ủ như pH, nhiệt độ, redox được theo dõi hằng ngày; các thông số VS, TS, C/N, TKN, TP, fecal coliform, tổng vi sinh vật yếm khí được phân tích khi bắt đầu và kết thúc quá trình ủ Kết quả nghiên cứu cho thấy tỉ lệ C/N của hỗn hợp ủ trong thí nghiệm dao động trong khoảng 20,7/1 ÷ 24,1/1 thích hợp cho quá trình lên men yếm khí Các thông số môi trường kiểm soát quá trình ủ đều nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình sinh khí: nhiệt độ dao động từ 26,7 oC ÷ 30,6oC, pH dao động từ 6,5 ÷ 7,3, thế oxy hóa khử dao động từ

311 ÷ -155 mV Nghiệm thức thân là nghiệm thức cho tổng thể tích tích dồn khí

CH4 cao nhất, kế đến là nghiệm thức lá, rễ - thân - lá và thấp nhất là nghiệm thức rễ Hàm lượng khí methane của các nghiệm thức dao động từ 4,3% đến 50,7% Hàm lượng khí methane ở giai đoạn đầu khá thấp sau đó tăng dần và ổn định kể từ tuần thứ 2 trở đi ở mức trên 40% Năng suất sinh khí methane của nghiệm thức thân là cao nhất (257,41 L CH4/kg VSphân hủy), kế tiếp là nghiệm thức lá (228,81 L CH4/kg

VSphân hủy), nghiệm thức rễ - thân – lá (224,22 L CH4/kg VSphân hủy) và thấp nhất là nghiệm thức rễ (145,96 L CH4/kg VSphân hủy), không có sự khác biệt giữa hai nghiệm thức lá và nghiệm thức rễ - thân – lá, nhưng khác biệt với nghiệm thức rễ và thân Hàm lượng dinh dưỡng của mẻ ủ sau thí nghiệm vẫn còn cao: TKN từ 762,53 ÷ 999,6 mg/L, TP từ 678,5 ÷ 983,1 mg/L

Từ khóa: biogas,metan, lục bình, phân heo, ủ yếm khí theo mẻ

MỤC LỤC

Trang

PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM LƯỢC iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH HÌNH viii

DANH SÁCH BẢNG ix

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 TỔNG QUAN VỀ BIOGAS 3

2.1.1 Khái niệm biogas 3

2.1.2 Thành phần khí biogas 3

2.1.3 Vai trò của biogas trong đời sống 4

2.1.4 Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học 5

2.2 QUÁ TRÌNH LÊN MEN YẾM KHÍ CÁC CHẤT HỮU CƠ 7

2.2.1 Cơ chế của quá trình lên men yếm khí 7

2.2.2 Quá trình phát triển của vi khuẩn yếm khí 7

2.2.3 Các phản ứng sinh hóa của quá trình lên men yếm khí 9

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí 11

2.3 Sơ lược về cây lục bình (Eichhornia crassipes) 18

2.3.1 Phân loại 18

2.3.2 Nguồn gốc 19

2.3.3 Đặc điểm hình thái 19

2.3.4 Thành phần hóa học của lục bình 20

2.3.5 Đặc điểm sinh trưởng và sinh sản 21

2.3.6 Khả năng sử dụng lục bình cho sản xuất khí sinh học 21

2.4 Sơ lược về phân heo 22

2.5 Một số nghiên cứu về khả năng sinh khí của lục bình (Eichhornia crassipes) 23 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 25

3.2 Phương tiện nghiên cứu 25

3.2.1 Dụng cụ bố trí thí nghiệm 25

3.2.2 Thiết bị sử dụng trong phân tích 26

3.3 Phương pháp nghiên cứu 26

3.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu 26

3.3.2 Tiền xử lý nguyên liệu 27

3.3.3 Bố trí thí nghiệm 27

3.3.4 Phương pháp thu mẫu và phân tích 28

3.4 Phương pháp tính toán và xử lư số liệu 29

3.4.1 Phương pháp tính toán 29

3.4.2 Phương pháp xử lý số liệu 31

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU NẠP 32

4.2 MỘT SỐ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG MẺ Ủ YẾM KHÍ 33

4.2.1 Nhiệt độ 33

4.2.2 Giá trị pH của mẻ ủ 34

4.2.3 Hiệu điện thế oxy hóa khử (redox) 34

4.3 KHẢ NĂNG SINH KHÍ CỦA MẺ Ủ 36

4.3.1 Lượng khí CH4 sinh ra trong 45 ngày 36

4.3.2 Tổng thể tích khí CH4 tích dồn 37

4.4 Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức 38

4.4.1 Phần trăm khí methane 38

4.4.2 Nồng độ khí CO2 40

4.4.3 Năng suất sinh khí metan của các nghiệm thức 41

4.5 Chất lượng đầu ra của mẻ 41

4.5.1 TP (Tổng photpho) 41

4.5.2 Hàm lượng tổng nitơ Kjeldahl 42

4.5.3 Nhu cầu oxy hóa học (COD) 43

4.6 Vi sinh vật trong mẻ ủ 44

4.6.1 Tổng coliform và Fecal coliform 44

4.6.2 Tổng vi sinh vật yếm khí 46

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VẢ KIẾN NGHỊ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

DANH SÁCH HÌNH Hình Tên hình

Trang

2.1 Sự phát triển của vi sinh vật trong lên men methane 8 2.2 Ba giai đoạn của quá tình phân hủy yếm khí hợp chất hữu cơ 9 2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ 12 2.4 Mối quan hệ giữa các chất và các điện tử được thể hiện qua giá trị redox 13

4.1 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức thí nghiệm trong 45 ngày 33 4.2 Diễn biến pH của các nghiệm thức thí nghiệm trong 45 ngày 34

4.5 Tích dồn thể tích khí methane của các nghiệm thức trong thí nghiệm 48 4.6 Phần trăm khí methane của các nghiệm thức trong thí nghiệm 39 4.7 Phần trăm CH4 sinh ra từ ngày 1 – 10, 11 – 20, 21 -30, 31 - 45 40

của thí nghiệm

4.8 Phần trăm khí CO2 sinh ra hằng ngày ở các nghiệm thức 40

4.10 Hàm lượng tổng photpho đầu vào và đầu ra của của các nghiệm thức 42 4.11 Hàm lượng nitơ đầu vào và đầu ra của của các nghiệm thức 43

4.13 Tổng coliform đầu vào, ngày 20 và đầu ra của các nghiệm thức 45 4.14 Fecal Coliform đầu vào, ngày 20 và đầu ra của các nghiệm thức 46 4.15 Tổng vi sinh vật yếm khí đầu vào, ngày 20 và đầu ra của mẻ ủ 47

DANH SÁCH BẢNG

2.4 Đặc tính hoá học cơ bản của các nguyên liệu thực vật 6

2.6 Thành phần CH4 và sản lượng biogas một số nguyên liệu thường gặp 7 2.7 Sản phẩm tạo thành và một số vi khuẩn trong giai đoạn acid hóa 10 2.8 Sản phẩm và một số vi khuẩn trong giai đoạn methane hóa 11 2.9 Tỉ lệ C/N của một số loại chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật 15 2.10 Tỉ lệ C/N của một số loại chất thải hữu cơ có nguồn gốc thực vật 16 2.11 Các cation cộng hưởng, đối kháng của quá trình lên men yếm khí 16

2.13 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của lục bình 20 2.14 So sánh đặc tính hóa học cơ bản của lục bình và các loại thực vật khác 21

2.16 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 ÷ 100 kg 23

3.2 Phương tiện và phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong thí nghiệm 29

4.2 Tỉ lệ C/N đầu vào của từng nghiệm thức sau khi phối trộn 32

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nằm ở hạ lưu sông Mê Kông, với diện tích tự nhiên khoảng 3,94 triệu ha và là vùng sản xuất lương thực và thực phẩm quan trọng của cả nước Với thế mạnh là sản xuất gạo, trồng cây ăn quả, chăn nuôi

và đánh bắt thuỷ sản Trong thời gian qua, ĐBSCL đã đạt được những thành tựu đáng kể, hàng năm, đã cung cấp hơn 50% sản lượng lương thực và gần 80% lượng gạo xuất khẩu của cả nước (Tổng cục Thống kê, 2013) Chăn nuôi là một ngành có vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế của ĐBSCL và xoá đói giảm nghèo, đặc biệt là chăn nuôi heo Tuy nhiên, chất thải phát sinh từ chăn nuôi heo chưa được quan tâm đúng mức gây ô nhiễm môi trường và chất lượng đời sống sinh hoạt của người dân Từ nhu cầu thực tế, việc tìm ra những mô hình sản xuất sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên sẵn có của địa phương, thân thiện với môi trường, là việc làm rất cần thiết Những năm gần đây, các nghiên cứu về mô hình vườn – ao - chuồng - biogas (V-A-C-B) được nghiên cứu và phát triển V-A-C-B được xem là mô hình sản xuất tổng hợp, mang tính liên hoàn giữa cây trồng, vật nuôi và thuỷ sản, mô hình này có ý nghĩa rất quan trọng đối với người dân ở ĐBSCL: góp phần tăng thu nhập, giải quyết công ăn việc làm cho người dân trong những lúc nông nhàn và đặc biệt góp phần giảm ô nhiễm môi trường từ chất thải chăn nuôi Hầm ủ biogas không chỉ xử lý chất thải chăn nuôi một cách vệ sinh, an toàn mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu thay thế chất đốt hỗ trợ nấu ăn, thắp sáng, cung cấp một phần thức ăn cho cá và phân bón cho cây trồng Nhưng do việc chăn nuôi heo nhỏ lẻ (4 – 6 con), giá cả bấp bênh, thời gian nuôi không liên tục và có thể chấm dứt khi thấy nuôi không có lợi nhuận cao (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2012) và đặc biệt tình hình dịch bệnh trên heo như tiêu chảy heo con, bệnh viêm phổi, lở mồm long móng (FMD), rối loạn hô hấp

và sinh sản (PRRS) … ngày càng diễn biến phức tạp và tác động mạnh đến số

lượng đàn heo (Lưu Hữu Mãnh et al., 2012) Do vậy, nguyên liệu nạp cho hầm ủ

biogas thường thiếu hụt và không ổn định, dẫn đến hiệu quả sử dụng và khai thác hầm ủ biogas không cao

Bên cạnh đó, lục bình (Eichhornia crassipes) là loài cây thuỷ sinh sống hiện

diện trên khắp hệ thống sông ngòi chằng chịt của ĐBSCL, trong điều kiện môi trường và khí hậu thích hợp năng suất sinh khối lục bình có thể đạt 175 tấn lục bình khô/ha/năm (Kha Mỹ Khanh,1990 trích từ O.P Chawla) Việc tắc nghẽn giao thông thuỷ, giảm tốc độ dòng chảy, gây bồi lắng sông rạch, phân huỷ làm ô nhiễm nguồn nước… do sự phát triển nhanh chóng của lục bình gây ra Trong những năm gần đây, việc sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ biogas để sinh khí đang

là đề tài thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học Theo những tài liệu trước đây (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2012), đã cho thấy lục bình khi phân huỷ có khả

năng sinh khí khá tốt đáp ứng được yêu cầu nguyên liệu thay thế cho phân heo trong quá trình ủ yếm khí của hầm ủ biogas Tuy nhiên, các nghiên cứu về sản xuất biogas bằng lục bình chỉ tập trung nghiên cứu phần thân và lá Trong khi đó phần rễ của lục bình chiếm tỷ trọng khá cao lại chưa có các nghiên cứu sử dụng

Xuất phát từ những vấn đề trên, đề tài “Đánh giá khả năng sinh khí biogas

của rễ, thân và lá lục bình (Eichhornia crassipes) phối trộn phân heo trong điều

kiện phòng thí nghiệm” đã được thực hiện với mục tiêu sau:

Mục tiêu tổng quát: sử dụng nguồn sinh khối của lục bình ở ĐBSCL bổ sung

cho sản xuất biogas bên cạnh phân heo

Mục tiêu cụ thể: Đánh giá khả năng sinh khí, tổng lượng khí sinh ra, thành

phần khí metan và hiệu suất sinh khí metan của rễ, thân, lá lục bình phối trộn phân heo trong quá trình ủ biogas ở điều kiện phòng thí nghiệm

Nội dung nghiên cứu:

- Bố trí thí nghiệm theo mẻ để đánh giá khả năng sinh khí biogas của rễ, thân,

lá lục bình phối trộn phân heo

- Theo dõi diễn biến nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử của mẻ ủ, xác định tổng lượng khí và thành phần khí (CH4, CO2, O2, H2S), hiệu suất sinh khí metan của các nghiệm thức

- Phân tích vật liệu đầu vào và đầu ra thông qua các thông số: tổng cacbon,

TKN, C/N, VS, TP, COD, tổng coliform, Fecal coliform và tổng vi sinh vật

yếm khí

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 TỔNG QUAN VỀ BIOGAS

2.1.1 Khái niệm biogas

Biogas là một hỗn hợp khí được sản sinh trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Sản phẩm của quá trình này là các khí

CH4(methane), CO2, H2S, H2…trong đó thành phần chủ yếu là khí methane (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.1.2 Thành phần khí biogas

Khí biogas là một hỗn hợp của nhiều chất khí, với tỉ lệ và thành phần của các chất khí có trong hỗn hợp tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu và các điều kiện của quá trình phân hủy như nhiệt độ, pH, hàm lượng nước Nó cũng tuỳ thuộc cả vào các giai đoạn diễn biến của quá tŕnh phân hủy sinh học (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010) Thành phần khí sinh học thay đổi khác nhau nhưng thành phần chính luôn là CH4 và CO2

Bảng 2.1 Thành phần khí sinh học theo các tài liệu khác nhau

Tài liệu tham khảo Tỉ lệ phần trăm thể tích khí biogas (%)

CH4 CO2 N2 H2 NH3 H

2S

Lê Hoàng Việt (2005) 55 ÷ 65 35 ÷ 45 0 ÷ 3 0 ÷ 1 - 0 ÷ 1 Chongrak Polprasert (2007) 55 ÷ 65 35 ÷ 45 0 ÷ 3 0 ÷ 1 0 ÷ 1 - Nguyễn Quang Khải (2009) 50 ÷ 70 35 ÷ 45 0 ÷ 3 0 ÷ 3 - 0 ÷ 3 Nguyễn Quang Khải và

Nguyễn Gia Lượng (2010) 50 ÷ 70 30 ÷ 40 0 ÷ 9 0 ÷ 7 - 0 ÷ 0,5

a) Đặc tính khí sinh học biogas

Khí biogas có trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94 Kg/ m3

trọng lượng riêng này thay đổi do tỉ lệ CH4so với các khí khác trong hỗn hợp lượng H2S chiếm 1 lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nước gây độc cho người và làm hư dụng cụ đun nấu Khí biogas có tính dễ cháy nếu được hòa lẫn nó với tỉ lệ từ 6 đến 25% trong không khí Nếu hỗn hợp khí mà CH4 chỉ chiếm 60% thì 1 m3

cần 8 m3

không khí Trong thực tế, khí biogas cháy tốt trong không khí khi được hòa lẫn ở tỉ lệ là 1/9 – 1/10

b) Đặc tính của khí CH 4

Khí CH4 là 1 chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí Khí CH4 ở

2000C, 1atm, 1 m3 khí CH4có trọng lượng 0,716 kg Khí đốt hoàn toàn 1 m3 khí

CH4cho ra khoảng 9000 kcal

Thành phần khí biogas tham khảo một số nước như sau:

Bảng 2.2 Thành phần biogas ở một số nước khác nhau

Nước sản xuất Tỉ lệ phần trăm thể tích khí biogas (%)

CH4 CO2 N2 H2

2.1.3 Vai trò của biogas trong đời sống

a) Cung cấp năng lượng

Khí biogas là nguồn năng lượng sạch, bổ sung một phần vào các nguồn năng lượng hoá thạch đang dần cạn kiệt Ở Vịêt Nam, khí biogas là nguồn chất đốt mới - nguồn chất đốt không truyền thống - phục vụ nhu cầu nấu nướng, thắp sáng của người dân Bên cạnh đó, cũng có nhiều nghiên cứu sử dụng khí biogas để chạy động cơ, nén khí biogas vào bình đang thực hiện

Bảng 2.3 Khoảng nhiệt trị của một số nguyên liệu

Loại nguyên liệu Đơn vị Khoảng nhiệt trị

b) Bảo vệ môi trường

Sự phát triển của ngành chăn nuôi đã làm gia tăng các sản phẩm thải, việc tận dụng nguồn chất thải từ chăn nuôi làm nguyên liệu cho hầm ủ biogas là phương án xử lý hiệu quả vừa xử lý chất thải vừa tạo ra khí biogas để sử dụng nấu

2.1.4 Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học

Theo Lê Hoàng Việt (2005) nguyên liệu sử dụng để ủ biogas rất đa dạng, thường là tận dụng phân người, phân gia súc, bùn, phế phẩm trong nông nghiệp Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu nạp cho các hầm ủ biogas Các nguyên liệu này có thể được chia thành hai loại gồm nguyên liệu có nguồn gốc thực vật và nguyên liệu có nguồn gốc động vật

a Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật

Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật thường có lớp vỏ cứng rất khó bị phân hủy Để quá trình phân hủy yếm khí diễn ra được thuận lợi, người ta thường phải cắt nhỏ và xử lý sơ bộ trước khi đưa vào mẻ ủ nhằm mục đích phá vỡ lớp vỏ cứng của nguyên liệu và làm tăng diện tích bề mặt cho vi khuẩn tiếp xúc phân hủy Vì vậy, kích cỡ nguyên liệu càng nhỏ thì quá trình phân hủy sinh khí diễn ra thuận lợi Theo Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010) thì thời gian phân hủy của nguyên liệu thực vật dài hơn so với các loại phân, thời gian phân hủy nguyên liệu có nguồn gốc thực vật kéo dài từ 3 ÷ 6 tháng nên được sử dụng theo cách nạp từng mẻ

Gỗ và thân cây già rất khó phân hủy nên không dùng làm nguyên liệu được Nên các nguyên liệu thực vật có thể là lá cây, cây thân thảo (rơm, rạ, thân lá ngô, khoai, đậu, các loài cỏ vườn…), các loại cây thủy sinh (rong, bèo, lục bình ) và rác sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi )

Bảng 2.4 Đặc tính hoá học cơ bản của các nguyên liệu thực vật

Loại nguyên liệu %N %P2O5 %K2O

(Nguồn: Nguyễn Quang Khải, 2010)

b Nguyên liệu có nguồn gốc động vật

Theo Lê Hoàng Việt (2005) các loại phân tươi có hàm lượng chất khô khoảng 20%, còn lại là nước Các loại phân thường chứa nhiều nitrogen, năng suất sinh khí các loại phân tính cho vật chất khô nằm trong khoảng từ 0,2 ÷ 1,11 m3/kg

và hàm lượng khí methane của biogas sản xuất từ phân chiếm khoảng 57 ÷ 69% Nguyên liệu có nguồn gốc động vật có thể là phân người, phân gia súc, gia cầm, phân bắc, các bộ phận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sở chế biến thủy, hải sản… Các loại phân dễ phân hủy và nhanh chóng tạo biogas do đã được xử lý trong bộ máy tiêu hóa của động vật

Bảng 2.5 Khả năng sinh khí của một số loại chất thải

Loại chất thải Năng suất biogas

(m3/kg) Nhiệt độ ( 0 C) % CH 4 Thời gian ủ

ngày

(a) tính trên tổng các chất rắn

(b) tính trên chất rắn bay hơi

(NAS, 1997 trích bởi Lê Hoàng Việt, 2005)

c Sản lượng biogas của các loại nguyên liệu

Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương (2003) nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ có giá trị dinh dưỡng khác nhau và lượng khí thu được phụ thuộc nhiều vào khả năng lên men và phân hủy các vật chất hữu cơ có trong nguyên liệu Trong thực tế sản lượng khí thu được khi lên men nguyên liệu trong các mẻ ủ thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng được phân hủy trong một thời gian nhất định và chưa phân hủy hoàn toàn

Bảng 2.6 Thành phần CH4 và sản lượng biogas một số nguyên liệu thường gặp

Loại nguyên liệu CH 4 (%) Thời gian lên men

(ngày)

Sản lượng khí (m 3 /kg chất khô)

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương, 2003)

2.2 QUÁ TRÌNH LÊN MEN YẾM KHÍ CÁC CHẤT HỮU CƠ

2.2.1 Cơ chế của quá trình lên men yếm khí

Theo Lê Hoàng Việt (2005) các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện yếm khí không có oxy Quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ diễn ra rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian và mỗi phản ứng sẽ được xúc tác bởi một loại enzyme Phương trình chuyển hóa chất hữu cơ đã được đơn giản hóa như sau:

Chất hữu cơ -> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Q

2.2.2 Quá trình phát triển của vi khuẩn yếm khí

Các VSV hấp thu các dưỡng chất trong môi trường để tăng trưởng và phát triển Vì vậy, sự tăng trưởng của tế bào VSV là sự tăng trưởng về số lượng của các cấu tử trong tế bào, gia tăng kích thước và trọng lượng của tế bào Đến cuối giai đoạn tăng trưởng thì tế bào phân cắt ra thành tế bào con Quá trình sinh học xảy ra trong lên men methane là quá trình phát triển các VSV yếm khí và quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ thành chất khí, trong đó methane chiếm tỷ trọng lớn nhất (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

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 hiếu khí và vi khuẩn yếm khí tùy nghi

Nguyên nhân trong thời gian đầu có sự phát triển của cả vi khuẩn hiếu khí là

do trong dịch lên men chất thải tồn tại một lượng oxygen hòa tan nhất định, các loài vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxygen hòa tan này để tăng số lượng Khi lượng oxy hết dần, thì số lượng vi khuẩn hiếu khí giảm dần và chết khi quá trình tạo

lên men yếm khí

methane xuất hiện

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương, 2003)

Hình 2.1 Sự phát triển của vi sinh vật trong lên men methane

+ Giai đoạn 2:

Trong giai đoạn này, sự phát triển rất mạnh của các 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 của các loài vi khuẩn sinh khí methane Đây là loài vi khuẩn chiếm số lượng nhiều nhất và đóng vai trò quan trọng nhất của quá trình lên men methane

Theo Lê Hoàng Việt (2005) trong bộ 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:

(1) Nhóm vi khuẩn thủy phân và lên men

(2) Nhóm vi khuẩn tạo acid acetate và khí hydro

(3) Nhóm vi khuẩn sử dụng khí hydro để tạo khí methane

(4) Nhóm vi khuẩn sử dụng acid acetate tạo khí 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 và Staphylococcus

Các vi khuẩn sinh methane trong mẻ phản ứng bao gồm:

(1) Nhóm vi khuẩn hình que (Methanobacterium, Methanobacillus)

(2) Nhóm vi khuẩn hình cầu (Methanoccocus, Methanosarcina)

2.2.3 Các phản ứng sinh hóa của quá trình lên men yếm khí

Theo Lê Hoàng Việt quá trình phân huỷ yếm khí được chia ra làm ba giai

đoạn chính như sau:

- Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử (thuỷ phân và lên men)

- Tạo nên các acid và khí hydrogen

- Tạo methane rừ acid acetic và khí hydrogen

(Uri Marchaim, 1992; Mc Carty, 1981 trích bởi Lê Hoàng Việt, 2005)

Hình 2.2 Ba giai đoạn của quá tình phân hủy yếm khí hợp chất hữu cơ

+ Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân

Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997), Lê Hoàng Việt (2005) thì các chất hữu cơ có trong nguyên liệu phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrates, cellulose, lignin, một vài ở dạng không hòa tan

bị phân hủy thành các hợp chất hữu cơ đơn giản dễ hoà tan trong nước như đường đơn, peptit, glycerin, acid béo, acid amin 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, carbohydrate thành các đường đơn, chất béo thành acid béo chuỗi dài Tuy nhiên các chất hữu cơ như 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 1 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

ủ và các yếu tố môi trường như pH và nhiệt độ

+ Giai đoạn 2: giai đoạn acid hóa

Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hóa thành các acid hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn như acid acetates, acid propionic, acid butyric, một ít khí H2, CO2 và N2 Tỉ lệ của các sản phẩm này phụ thuộc vào hệ vi sinh vật trong hầm ủ và các điều kiện môi trường (Lê Hoàng Việt, 2005) Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) pH của môi trường có thể giảm mạnh

do vi sinh vật sinh nhiều acid

Bảng 2.7 Sản phẩm tạo thành và một số vi khuẩn trong giai đoạn acid hóa

Vi khuẩn pH Nhiệt độ

( o C) Sản phẩm tạo thành

Bacillus cereus 5,2 25 ÷ 35 A acetates, A.Lactic

Bacillus knolkampi 5,2 ÷ 8,0 25 ÷ 35 A acetates, A.Lactic

Bacillus megaterium 5,2 ÷ 7,5 28 ÷ 35 A acetates, A.Lactic

Bacterodies succigense 5,2 ÷ 7,5 25 ÷ 35 A acetates, A succinic

Clostridium carnefectium 5,0 ÷ 8,5 25 ÷ 37 A acetates, A formic

Clostridium cellobinharus 5,0 ÷ 8,5 36 ÷ 38 A.Lactic, Ethanol, CO2

Clostridium dissolves 5,0 ÷ 8,5 35 ÷ 51 A acetates, A formic

(Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997) Trong giai đoạn 2 có sự phát triển mạnh mẽ của các loài vi khuẩn thuỷ phân các chất hữu cơ và các vi khuẩn tạo acid Giữa giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn sinh methane Một số loài vi khuẩn acetogenic chuyển hoá các acid béo bay hơi thành acetate, từ acetate sẽ chuyển tiếp thành CH4 và CO2

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương, 2003)

+ Giai đoạn 3: Giai đoạn methane hóa

Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển đổi thành CH4 và các sản phẩm khác bởi nhóm vi khuẩn methane Tốc độ phát triển của vi khuẩn methane chậm hơn các loài vi khuẩn ở giai đoạn thủy phân và acid hóa Các vi khuẩn này sử dụng acid acetate, methanol, CO2 và H2 để sản xuất methane Trong đó acid acetate

là chất nền sản sinh CH4 quan trọng nhất, khoảng 70% CH4 được sinh ra từ acid acetate Lượng CH4 còn lại được tạo ra từ CO2 và H2 Một vài chất nền khác cũng được sử dụng cho việc tạo khí CH4 như acid formic, methanol… nhưng những chất này không quan trọng vì chúng không thường xuất hiện trong quá trình lên men yếm khí (Lê Hoàng Việt, 2005)

Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương (2003) thì ở giai đoạn này chuyển hoá các hợp chất hữu cơ hình thành ở giai đoạn 2 thành CH4 là do

nhóm vi khuẩn methanogens Các loài vi khuẩn này phát triển trong điều kiện hoàn toàn yếm khí và chúng thường phát triển chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1

Methanosarcina barkerli 7,0 30 CO2, H2, A acetate, Methanol

Methanococcus vanirielli 1,4 ÷ 9,0 - H2, A.formic

Methanococcus mazei - 30 ÷ 37 Acid (acetate, butyric)

Methanosarcina methanica - 35 ÷ 37 Acid (acetate, butyric)

(Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997)

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí

Để sinh trưởng và phát triển, vi sinh vật cần có những nhu cầu chung: nước, nguồn dinh dưỡng, nguồn C, nguồn N và các chất khoáng Đây là những yếu tố cơ bản cần cho sự sinh trưởng mà chúng không tự tổng hợp được, ta gọi chung đó là các nhân tố tăng trưởng Ngoài ra, các nhân tố vật lý có thể ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng, chúng có thể thuận lợi hay cản trở, ức chế cho sự tăng trưởng của vi sinh vật như: nhiệt độ, pH, oxy, áp suất, độ ẩm, ánh sáng…

a) Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hoạt động của vi sinh vật trong mẻ ủ chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi trường bên ngoài Sự biến đổi của nhiệt độ môi trường trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ, quá trình lên men yếm khí (Lê Hoàng Việt, 2005) Có hai khoảng nhiệt thích hợp cho vi khuẩn ưa ấm và ưa nhiệt hoạt động:

- Nhiệt độ 25 ÷ 40oC là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các VSV ưa ấm hoạt động, tối ưu là 35oC

- Nhiệt độ 50 ÷ 65oC thích hợp cho các VSV ưa nhiệt hoạt động, tối ưu là 55oC Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng

40 ÷ 45oC thì tốc độ sinh khí chậm lại 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 kiềm hãm hoàn toàn ở 65oC trở lên (Lê Hoàng Việt, 2005)

(Price and Cheremisinoff, 1981, trích dẫn bởi Chongrak, 2007)

Hình 2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ

b) Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity)

Theo Lê Hoàng Việt (2005) thì pH trong lên men methane là từ 6,6 ÷ 7,6 và tối ưu trong khoảng 7,0 ÷ 7,2, một số loài vi khuẩn tạo acid có khả năng phát triển ở

pH 5,5, nhưng vi khuẩn sinh methane bị ức chế 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 do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane

sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ

Độ kiềm của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 ÷ 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp (Lê Hoàng Việt, 2003)

c) Ảnh hưởng của điện thế oxi hóa khử (redox)

Điện thế oxy hóa khử của một mẻ ủ là thước đo khả năng oxy hóa hoặc khả năng khử của hỗn hợp ủ Khí sinh học được sản xuất một cách hiệu quả trong môi trường yếm khí, tức là thế oxy hóa khử phải nhỏ hơn 330mV Trong môi trường yếm khí hoàn toàn, điện thế oxy hóa khử luôn đạt giá trị âm (nhỏ hơn -100mV) (Jürgen Wiese, Ralf König)

(Sebastian Wulf, 2005)

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa các chất và các điện tử được thể hiện qua giá trị redox

Nói chung, việc sử dụng các chất nền bao gồm oxygen, nitrat, sunfat để đẩy mạnh quá trình oxy hóa có thể thay đổi một cách đáng kể tiềm năng oxy hóa khử

và cũng là nguyên nhân gây ra sự thay đổi của pH Ví dụ như sự thay đổi của chất nền có thể dẫn đến quá trình lên men bị vô hiệu hóa Đo điện thế oxy hóa khử liên tục để nhận được những cảnh báo sớm về tình trạng của mẻ ủ trước cả khi xảy ra sự thay đổi pH (Jürgen Wiese, Ralf König)

Khí methane bắt đầu được hình thành khi giá trị điện thế oxy hóa khử nhỏ hơn -250mV Khi đó, các chất nền như CO2 và khí H2 sẽ được biến đổi thành CH4

và H2O (Laanbroek, 1990 trích bởi Trương Thị Nga, 2013) Khí H2S xuất hiện khi giá trị điện thế oxy hóa khử nhỏ hơn -150mV Giá trị điện thế oxy hóa khử nhỏ hơn -100mV thể hiện môi trường đang ở tình trạng yếm khí hoàn toàn (Trương Thị Nga, 2013)

Theo Kumar và cộng sự (2010), trong giai đoạn thủy phân, giá trị tối đa của điện thế oxy hóa khử là -50mV và tối thiểu là -350mV trong 24h Trong phân hủy yếm khí, điện thế oxy hóa khử đạt giá trị tối đa là -387 mV và tối đa là -452 mV trong 80h

d) Ảnh hưởng của độ mặn

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 (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013) Với nồng độ nhỏ hơn 3‰ khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể, đôi khi khả năng sinh khí lại tăng, do vi khuẩn được cung cấp thêm khoáng vi lượng cần thiết trong muối Như vậy, việc phát triển hầm ủ biogas tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều

e) Ảnh hưởng kích cỡ và ẩm độ nguyên liệu nạp

Kích thước của nguyên liệu nạp càng nhỏ thì càng thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí Kích cỡ nguyên liệu càng nhỏ thì hiệu suất của quá trình sinh khí sẽ tăng lên và nguyên liệu dễ bị phân hủy bởi các hệ vi sinh vật (Lê Hoàng Việt, 2005)

f) Quần thể sinh vật ban đầu

Vào khoảng 7 ngày đầu khi mới bắt đầu vận hành hầm ủ, lượng khí sinh ra rất ít và không cháy được do thành phần khí lúc đó chủ yếu là CO2 Hầm ủ chỉ hoạt động ổn định sau khi đưa vào vận hành khoảng 14 ngày.Để quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng để có thể cho chất thải của một hầm ủ đang hoạt động vào một hầm ủ mới để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ) Nếu không có hầm ủ đang hoạt động ở khu vực đang hoạt động thì hầm ủ bắt đầu xây dựng có thể được lấy phân heo ủ kín lại, trong điều kiện không có oxygen, các vi khuẩn yếm khí sẽ phát triển, sau khi hầm ủ hoàn thành chúng ta sẽ cho lượng phân này vào hầm ủ để tạo quần thể sinh vật ban đầu cho mẻ ủ Trong trường hợp này, khoảng 3 ngày thì khí sinh ra đốt cháy được

và hầm ủ sẽ hoạt động ổn định sau 7 ÷ 14 ngày kể từ lúc bắt đầu vận hành phụ thuộc nhiệt độ, thể tích hầm ủ, nguyên liệu và lượng chất mồi (Lê Hoàng Việt, 2005)

g) Khuấy trộn

Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá tŕnh sinh khí Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ (Lê Hoàng Việt, 2005) 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 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

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Hình 2.5 Sự phân lớp trong dịch ủ methane

h) Các chất dinh dưỡng

Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 ÷ 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng C nhanh hơn sử dụng

N từ 25 ÷ 30 lần (Lê Hoàng Việt, 2005) Theo RISE-AT (1998) và Fabien (2003), tỉ

lệ C/N tối ưu cho quá tŕnh phân hủy yếm khí là từ 20/1 đến 30/1 Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá tŕnh sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định

Bảng 2.9 Tỉ lệ C/N của một số loại chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Tỉ lệ carbon và nitrogen trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó Vi khuẩn tiêu thụ carbon nhiều hơn nitrogen khoảng

30 lần Vìvậy tỉ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30 là tối ưu Tỉ lệ C/N quá cao thì quá

trình phân huỷ xảy ra chậm, ngược lại thì quá trình bị ngừng trệ vì tích luỹ nhiều ammoniac là một độc tố đối với vi khuẩn khi nồng độ cao (Lê Hoàng Việt, 2005) Các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn thường có C/N không thích hợp như phân người và phân gia cầm có tỉ lệ C/N thấp, các nguyên liệu thực vật thường

có tỉ lệ C/N cao Để đảm bảo tỉ 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, 2003)

Bảng 2.10 Tỉ lệ C/N của một số loại chất thải hữu cơ có nguồn gốc thực vật

Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng hai nhân tố sau:

- Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày

- Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT

Lượng chất hữu cơ nạp cao 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 chất hữu cơ 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 vu nó được xây dựng lớn hơn thể tích cần thiết (Lê Hoàng Việt, 2005)

j) Ảnh hưởng của các chất khoáng trong nguyên liệu nạp

Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane

Bảng 2.11 Các cation cộng hưởng, đối kháng của quá trình lên men yếm khí

Cations gây độc Cations cộng hưởng Cations đối kháng

k) Ảnh hưởng của thời gian lưu trữ (HRT)

Thời gian lưu trữ là thời gian nguyên liệu bị phân huỷ yếm khí và sinh khí sinh học, phụ thuộc vào loại nguyên liệu và điều kiện môi trường mẻ ủ (Lê Hoàng Việt, 2005)

Thời gian lưu trữ phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nguyên liệu, thời gian lưu trữ thường 30 ÷ 60 ngày Nói chung thời gian lưu trữ 30 ngày là điển hình đối với bể không khuấy đảo, bể có tốc độ phân huỷ cao có thể giảm còn 10 ÷ 20 ngày (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997) Thời gian tồn lưu của hỗn hợp phụ thuộc vào lượng nạp, tối ưu biến thiên từ 10 - 60 ngày đối với hầm ủ không có giá bám cho vi khuẩn (Brown & Tata, 1985 trích dẫn bởi Chongrak, 1989)

l) Ảnh hưởng của tỉ lệ pha loãng

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 acid 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 loăng 1/1 đối với phân ḅ 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 hành ở nồng độ chất rắn thấp thu 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% thu tốc

độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo ra ít, nhưng độ ẩm <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 lục bình, 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)

m) Mức độ yếm khí

Khí sinh học được sinh ra do hoạt động của nhiều vi sinh vật, trong đó các vi khuẩn sinh methane là quan trọng nhất Những vi khuẩn này chỉ sống trong môi trường tuyệt đối không có oxy (yếm khí bắt buộc) Vì vậy, đảm bảo cho môi trường phân hủy tuyệt đối yếm khí là một yếu tố quan trọng đầu tiên (Nguyễn

Quang Khải, 2009)

n) 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 Khi đưa vào ủ, nó sẽ nổi lên mặt lớp dung dịch ủ và gây khó khăn cho quá trình sinh khí Khi đưa vào ủ để dễ trộn đều, vật liệu cần phải cắt thành những đoạn ngắn Việc cắt nhỏ vật liệu cũng làm tăng mặt tiếp xúc của vật liệu với các vi khuẩn, thúc đẩy quá trình ủ nhanh hơn

o) Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men yếm khí

Các độc chất gây ức chế vi khuẩn yếm khí làm ảnh hưởng đến sự sinh khí của

mẻ Quá trình sinh khí methane là quá trình lên men yếm khí do đó sự có mặt của oxy gây ức chế toàn bộ quá trình chuyển hóa Trong trường hợp này oxy là độc chất đối với loài vi khuẩn yếm khí Ngoài ra, còn có những độc chất ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí như sau:

Bảng 2.12 Một số nhân tố ức chế quá trình sinh khí methane

Hình 2.6 Cây Lục bình (Eichhornia crassipes)

2.3.2 Nguồn gốc

Lục bình (Eichhornia crassipes) 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 Ở Việt Nam, lục bình du nhập vào nước ta từ năm 1905 và nhanh chóng lan ra khắp các nơi có nước bị tù đọng hoặc nơi nước ngọt chảy chậm như ao, hồ, giếng, đầm, mương, ven sông và làm cản trở lưu thông (Phạm Hoàng Hộ, 2000) Theo Trần

Đỗ Ái Nhi (2005) trích Nguyễn Đăng Khôi (1985), lục bình hấp thu dưỡng chất trực tiếp từ nước và thường được sử dụng làm công cụ xử lư nước thải Chúng thích hợp và phát triển mạnh mẽ trong nguồn nước giàu dưỡng chất

- Thân dạng củ nhỏ nổi trên mặt nước, mang nhiều rể và bẹ lá Các bẹ lá cuốn lại tạo thành thân giả, khi cây già thân thật vươn khỏi mặt nước và mang phát hoa Cây lục bình sống trôi dạt hoàn toàn trên mặt nước, với nhiều chồi liên kết nhau tạo thành mảng, cao khoảng 30 ÷ 90 cm (Hồ Đình Hải, 2013) Trên thân có những đốt có mô phân sinh tạo ra rễ, lá căn hành và cụm hoa Lát cắt ngang qua thân cho thấy điểm phát sinh của cơ quan mới Những tế bào của mô phân sinh này nhỏ và xếp khít nhau, xung quanh vùng ngoại biên của mô phân sinh là một vùng có vô số những khoảng trống giữa các tế bào Mô khuyết này rất cần cho sự hấp thu oxygen và chuyển oxygen đến hệ thống rễ (Nguyễn Thị Thu Thủy, 1988)

- Lá đơn, rộng, dày, bóng và có hình trứng, mọc thành chùm tạo thành hoa

thị, phiến tròn 4 ÷ 8 cm, bìa nguyên, gân hình cung, mịn, cuống lá rất xốp thường phù to tạo thành phao nổi hình lọ thường ngắn và to ở cây con, kéo dài đến 30 cm ở cây già Lá có chiều dài khoảng 20 cm, rộng 15 cm Lá lục bình phần trên mặt nước tương tự như những lá cây đơn tử điệp sống trên đất (Nguyễn Thị Thu Thủy, 1988)

- 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 một tâm bì thụ, 6 tiểu nhị với 3 dài 3 ngắn (Phạm Hoàng Hộ, 2000) 2.3.4 Thành phần hóa học của lục bình

a) Hàm lượng nước

Lục bình chứa một hàm lượng nước khá cao từ 90 ÷ 95% trọng lượng cơ thể Theo Lê Hoàng Việt (2005) thì dạng sống của các nhóm thuỷ sinh thực vật (sống chìm, sống nổi và sống trôi nổi) có liên quan với lượng xơ chứa trong cơ thể của chúng Theo đó, lục bình là loài sống trôi nổi nên cần có thành phần xơ để tạo bộ khung của cơ thể do đó hàm lượng cao hơn loại sống ngầm nhưng vẫn không bằng các thực vật cạn

Bảng 2.13 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của lục bình

Mc Donald (1976), hàm lượng đạm thô trong lá lục bình khoảng 32,9% (trọng lượng khô) tương đương với hàm lượng đạm thô của đậu nành

c) Hàm lượng khoáng

Hàm lượng khoáng của lục bình biến thiên từ 8 ÷ 60% (trọng lượng khô) tùy theo hàm lượng khoáng trong nguồn nước Hàm lượng khoáng cũng biến thiên tuỳ theo địa phương và mùa

Bảng 2.14 So sánh đặc tính hóa học cơ bản của lục bình và các loại thực vật khác

Loại nguyên liệu %N % P 2 O 5 % K 2 O

a) Sinh trưởng và phát triển

Lục bình sinh trưởng và phát triển ở nhiệt độ 10 ÷ 40oC, nhưng mạnh nhất ở

20 ÷ 30oC Vì vậy, lục bình phát triển khắp mọi nơi Lục bình có thể sống ở bất kỳ

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 Theo Kha Mỹ Khanh (1990) trích từ O.P Chawla, trong môi trường và khí hậu thích hợp thu năng suất lục bình có thể đạt 175 tấn lục bình khô/ha/năm Trong thời gian trồng 60 ngày với mật độ ban đầu là 2 cây/0,36 m2 thì sinh khối của lục bình tỉ lệ thuận với thời gian và sinh khối cao nhất lục bình có thể đạt được trong khoảng thời gian này là 62 ÷ 65 kg khô/ha/ngày Lục bình nuôi trong khoảng 60 ngày trở lại ở hai môi trường nước thông và nước tù có tỉ lệ C/N tương đối thích hợp cho việc sinh khí (Kha Mỹ Khanh, 1990 trích từ Nguyễn Thị Thu Thủy, 1988)

b) Sinh sản

Lục bình sinh sản bằng con đường vô tính, từ các nách lá đâm ra những thân

bò, cho ra những cây mới và sớm tách ra cây mẹ để trở thành cá thể độc lập (Mai Văn Trưởng, 2009)

2.3.6 Khả năng sử dụng lục bình cho sản xuất khí sinh học

Việc chăn nuôi tại ĐBSCL chủ yếu là ở quy mô nhỏ, khi số lượng đàn heo giảm xuống do dịch bệnh, giá cả…làm thiếu nguồn phân heo cung cấp nguyên liệu cho các hầm/túi ủ biogas sẽ không thể duy trì vận hành, làm giảm hiệu quả kinh tế Lục bình là loài thủy sinh thực vật rất phổ biến, có quanh năm trên hệ thống kênh rạch dày đặc ở ĐBSCL Lục bình có thể sử dụng để làm nguyên liệu

bổ sung và có khả năng thay thế cho phân heo để nạp vào hầm ủ biogas trong điều kiện thực tế luôn thiếu nguyên liệu phân cung cấp cho hầm ủ ở ĐBSCL 2.4 Sơ lược về phân heo

Phân heo là chất thải của heo sau quá trình tiêu hóa thức ăn Thành phần các chất trong phân heo rất phong phú bao gồm các dạng chủ yếu sau:

- Những dưỡng chất không tiêu hóa được hoặc những dưỡng chất thoát khỏi sự tiêu hóa vi sinh hay các men tiêu hóa ( chất xơ,protein không tiêu hóa được, acid amin…) được thải qua nước tiểu (urea),các chất khoáng dư thừa cơ thể không sử dụng được như P2O5 , K2O, CaO, MgO…phần lớ xuất hiện trong phân

- Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa (trypsin, pepsin…)

- Vật chất dính vào thức ăn: bụi, tro

- Cácloài vi sinh vật bị nhiễm trong thức ăn bị tống ra ngoài

- Các mô và chất nhờn: tróc ra từ niêm mạc đường tiêu hóa vật nuôi

Lượng phân thải ra một ngày đêm tùy thuộc vào giống , loài , tuổi, khẩu phần thức ăn và thể trọng Lượng phân tùy thuộc lớn vào lượng thức ăn, lượng phân cũng thay đổi theo những chất kết hợp với nước tiểu, chất lót chuồng (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Bảng 2.15 Lượng phân thải trung bình của heo trong 24 giờ

Loại gia súc Phân nguyên (kg) Nước tiểu (kg)