nghiên cứu ảnh hưởng của các kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí sinh học

... 2013 Sinh viên Phạm Lệ Ngọc ii TÓM TẮT Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả sinh khí biogas” thực nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả. .. đến khả sinh khí biogas Kích thước nguyên liệu ủ nhỏ cho khả sinh khí biogas tốt (Sharma, 1988; Anthony Mshandete et al., 2006) Cho đến nay, nghiên cứu ảnh hưởng kích cỡ lục bình lên khả sinh khí. .. biogas ủ yếm khí kết hợp với phân heo chưa nghiên cứu đầy đủ điều kiện điều kiện thực tế ĐBSCL Vì thế, đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả sinh khí sinh học thực 1.2

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

Cán bộ hướng dẫn: TRẦN SỸ NAM

Cần Thơ, 2013

Luận văn kèm theo đây với tựa đề là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các kích cỡ

lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí sinh học”, do Phạm Lệ Ngọc thực

hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm đề cương thông qua

TS Nguyễn Xuân Lộc

LỜI CẢM TẠ

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người đã giúp đỡ tác giả

tận tình trong thời gian qua

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Sỹ Nam, thầy Nguyễn Võ

Châu Ngân đã chia sẻ những kinh nghiệm cũng như truyền đạt kiến thức chuyên

môn và tận tình hướng dẫn, luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác

giả trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp

Nhân đây cũng xin gửi lời cám ơn đến tất cả quý thầy, cô Bộ môn Khoa học

Môi trường; quý thầy, cô Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên – Trường

Đại học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ trong quá trình theo học và thực

hiện đề tài tốt nghiệp

Xin gửi lời cảm ơn tới chị Nguyễn Thị Thùy học viên Cao học ngành Khoa

học Môi trường K18, các bạn Nguyễn Quốc Tú, Cao Văn Hiệp, Phạm Văn Thuận

sinh viên ngành Khoa học Môi trường K36, Văn Mỹ Linh, Nguyễn Văn Quốc, Lê

Quang Thạnh, Trần Trung Trí lớp Kĩ thuật Môi trường K36

Xin gửi lời cảm ơn thân ái nhất đến các bạn lớp Khoa học Môi trường K36

đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Sau cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã giúp đỡ và

động viên tinh thần giúp tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp

Chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2013

Phạm Lệ Ngọc

TÓM TẮT

Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng các kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí biogas” đã được thực hiện nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí biogas Thí nghiệm được bố trí theo mẻ hoàn toàn ngẫu nhiên với các kích cỡ lục bình khác nhau gồm 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; 1 cm và không cắt có phối trộn phân heo với tỉ lệ 50% – 50% Nhằm tăng độ tin cậy cho thí nghiệm, các nghiệm thức được bố trí lặp lại 5 lần với bình ủ 21 lít trong điều kiện phòng thí nghiệm và được theo dõi trong 45 ngày Các thông số thể tích biogas sinh ra, thành phần biogas và các yếu tố môi trường

mẻ ủ như pH, nhiệt độ, hiệu điện thế oxi hóa khử được theo dõi với chu kì 2

ngày/lần Các chỉ tiêu VS, C/N, TKN, TP, tổng coliform, feacal coliform, tổng vi

sinh vật yếm khí cũng được phân tích vào ngày đầu, ngày 20 và ngày 45 của thí nghiệm Kết quả nghiên cứu cho thấy lục bình có kích thước nhỏ cho lượng khí methane tích dồn cao hơn Kết quả phân tích thống kê cho thấy nghiệm thức lục bình không cắt có lượng khí methane tích dồn thấp hơn và khác biệt có ý nghĩa so với các nghiệm thức lục bình 0,05 cm; 0,2 cm và 0,5 cm nhưng lại không có sự khác biệt với nghiệm thức lục bình 1cm Nghiệm thức có kích cỡ lục bình nhỏ sẽ sinh ra lượng khí cực đại cao hơn nghiệm thức có kích cỡ lục bình lớn hơn (LB 0,05 cm: 17,24 lít/kgVS; LB 0,2 cm: 14,20 lít/kgVS; LB 1cm: 14,70 lít/kgVS và

LB không cắt: 10,25 lít/kgVS) Thành phần khí methane của mẻ ủ khá cao, đạt giá trị 38,54% - 42,97% ) Năng suất sinh khí methane lần lượt là 276,91 lít/kgVS; 311,84 lít/kgVS; 348,98 lít/kgVS; 280,36 lít/kgVS (tương ứng với các nghiệm thức 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; 1 cm và không cắt)

MỤC LỤC

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM LƯỢC iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH vi

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT viii

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu tổng quát 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 Quá trình sinh học yếm khí 3

2.1.1 Giới thiệu về khí sinh học 3

2.1.2 Cơ chế quá trình lên men yếm khí 4

2.1.3 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí 7

2.2 Đặc tính hóa học cơ bản và năng suất sinh khí biogas của một số 122

2.2.1 Đặc tính hóa học 122

2.2.2 Năng suất sinh biogas 133

2.3 Sơ lược về các nguyên liệu ủ 133

2.3.1 Lục bình 133

2.3.2 Phân heo 166

CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP 18

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 18

3.2 Phương tiện nghiên cứu 18

3.2.1 Dụng cụ, thiết bị 18

3.2.2 Nguyên vật liệu nghiên cứu 19

3.3 Phương pháp nghiên cứu 200

3.3.1 Bố trí thí nghiệm 200

3.4 Phương pháp thu mẫu và phân tích 211

3.4.1 Phương pháp thu mẫu và các thông số đo đạc 211

3.4.2 Phương pháp phân tích mẫu 222

3.4.3 Phương pháp tính toán 233

3.4.4 Phương pháp xử lý số liệu 266

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THẢO LUẬN 277

4.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu 277

4.2 Các thông số kiểm soát quá trình ủ yếm khí 28

4.2.1 Nhiệt độ 28

4.2.2 pH 29

4.2.3 Điện thế oxi hóa khử 300

4.3 Ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí biogas 311

4.3.1 Xác định thời điểm sinh khí cực đại của mẻ ủ 322

4.3.2 Tổng khí CH4 tích dồn của các nghiệm thức trong 45 ngày 344

4.4 Ảnh hưởng của kích cỡ đến thành phần biogas 36

4.5 Ảnh hưởng của kích cỡ đến năng suất sinh khí methane 39

4.6 Tiềm năng sử dụng bã thải sau ủ làm phân bón 411

4.6.1 TKN (Total Kjeldahl Nitrogen) 411

4.6.2 TP (Tổng photpho) 411

4.6.3 COD 422

4.6.4 Vi sinh vật trong mẻ ủ 433

CHƯƠNG V KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 46

5.1 Kết luận 46

5.2 Kiến nghị 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 511

DANH SÁCH HÌNH

3.2 Thiết bị đo các khí thành phần (A) và đồng hồ đo thể tích khí (B) 22

4.4 Diễn biến giá trị phần trăm khí CH4 của các nghiệm thức qua các tuần 37 4.5 Phần trăm thành phần khí biogas của các nghiệm thức trong 45 ngày 39

DANH SÁCH BẢNG

2.2 Tỷ lệ C/N của một số loại nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật 9

4.2 Đặc điểm hóa học của hỗn hợp nguyên liệu sau khi được phối trộn 28

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học

TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng nitơ Kjeldahl

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) thuộc hạ lưu châu thổ sông Mekong có diện tích 39.743 km2 gồm 12 tỉnh và 1 thành phố (Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, 2011) Với điều kiện tự nhiên thuận lợi, ĐBSCL có nền nông nghiệp phát triển mạnh so với nhiều địa phương khác trong nước Ngoài thế mạnh về cây lúa nước và cây lương thực, chăn nuôi cũng là một trong những ngành đem lại hiệu quả kinh tế cao Đặc biệt là chăn nuôi heo với số đàn heo lên đến 3,77 triệu con (Tổng cục Thống kê, 2012) Tuy nhiên nếu xét về khía cạnh môi trường, chất thải

từ ngành chăn nuôi lại là một nguồn gây ô nhiễm lớn Nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ chăn nuôi thì sử dụng hầm ủ hay túi ủ biogas là một trong những lựa chọn hàng đầu Từ khi được đưa vào sử dụng cho đến nay, các hầm ủ và túi ủ biogas phát triển khá tốt với nhiều dự án đã được triển khai Hiện nay biogas đã trở thành một phần rất quan trọng trong mô hình V-A-C-B (vườn – ao – chuồng - biogas) – một mô hình đang được khuyến cáo áp dụng cho vùng nông thôn ĐBSCL Đây là mô hình khép kín, giúp giảm rủi ro trong sản xuất, không gây ô nhiễm môi trường và giúp người nông dân cải thiện thu nhập Tuy nhiên do tập quán chăn nuôi nhỏ lẻ, giá cả bấp bênh, dịch bệnh nên số lượng đàn heo diễn biến phức tạp dẫn đến sự không ổn định và thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp cho túi ủ biogas Điều này đã dẫn đến việc sử dụng và khai thác hầm ủ biogas không đạt hiệu quả cao

Trong khi đó, lục bình (Eichornia crassipes) là loài cây thủy sinh rất phổ

biến ở ĐBSCL Trong điều kiện môi trường và khí hậu thích hợp, năng suất lục bình có thể đạt 175 tấn lục bình khô/ha/năm (Kha Mỹ Khanh, 1990 trích từ O.P Chawla) Sự phát triển nhanh chóng của lục bình đang gây nhiều vấn đề cho môi trường như gây tắc nghẽn giao thông, giảm tốc độ dòng chảy, gây bồi lắng sông rạch, phân hủy làm ô nhiễm nguồn nước Nhiều vùng nông thôn đồng bằng sông Cửu Long, lục bình phát triển mạnh đến mức người dân phải sử dụng thuốc khai hoang để diệt lục bình trên sông rạch

Các nghiên cứu về biogas trên thế giới và trong nước đã cho thấy việc ủ yếm khí đơn thuần một loại nguyên liệu ủ có tỷ lệ C/N quá cao hoặc quá thấp sẽ cho hiệu suất sinh khí kém hơn là sử dụng thêm các chất độn (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003) Nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân (2012)

đã cho thấy lục bình có khả năng phân hủy và sinh khí biogas khá tốt, đáp ứng được yêu cầu nguyên liệu thay thế cho quá trình ủ yếm khí Tuy nhiên, kích cỡ của lục bình khá lớn có thể gây trở ngại cho quá trình ủ yếm khí như làm túi ủ dễ

bị ngẹt, mau chóng đầy và khả năng phân hủy kém so với phân heo Do vậy, kích

cỡ của lục bình sẽ là một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến khả năng sinh khí biogas Kích thước nguyên liệu ủ càng nhỏ thì cho khả năng sinh khí biogas càng

tốt (Sharma, 1988; Anthony Mshandete et al., 2006) Cho đến nay, các nghiên cứu

về ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí biogas trong ủ yếm khí kết hợp với phân heo vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ trong điều kiện trong điều kiện thực tế ở ĐBSCL Vì thế, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng các kích cỡ lục bình nghiền nhỏ lên khả năng sinh khí sinh học” đã được thực hiện

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu tổng quát: tận dụng nguồn sinh khối lục bình làm nguồn nguyên liệu bổ sung ch biogas bên cạnh phân heo

1.2.2 Mục tiêu cụ thể: đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ lục bình có phối trộn

phân heo lên: lượng khí methane tích dồn, năng suất sinh khí biogas và hàm lượng khí CH4

1.3 Nội dung nghiên cứu

 Bố trí thí nghiệm ủ yếm khí theo mẻ để đánh giá ảnh hưởng của kích

cỡ lục bình nghiền nhỏ có phối trộn phân heo ở tỉ lệ 50 – 50 lên tổng lượng khí biogas, năng suất sinh khí biogas và hàm lượng khí CH4

 Phân tích và đánh giá hổn hợp mẻ ủ qua các thông số: tổng vi sinh vật

yếm khí, tổng coliform, faecal coliform, TKN, TP, VS, TS, tỉ lệ C/N vào các ngày

đầu, ngày 20, 45 của mẻ ủ

 Phân tích và đánh giá diễn biến các thông số môi trường mẻ ủ như pH, nhiệt độ, điện thế ôxi hóa – khử, độ kiềm

 Phân tích và đánh giá lượng khí biogas sinh ra trong mẻ ủ và các khí thành phần như CH4, CO2, O2 và H2S

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 Quá trình sinh học yếm khí

2.1.1 Giới thiệu về khí sinh học

a Khí sinh học là gì?

Quá trình phân hủy nếu xảy ra trong môi trường không có oxi thì được gọi là quá trình phân hủy kị khí hoặc yếm khí và sản phẩm của quá trình này được gọi là khí sinh học (KSH) Thành phần chủ yếu của KSH là khí methane (CH4) chiếm khoảng 55% – 65% tổng lượng khí (Nguyễn Quang Khải, 2009; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010) Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) thì KSH là sản phẩm bay hơi của quá trình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp

Theo RISE – AT, 1998 trích dẫn bởi Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm,

2013 nhiệt trị của biogas từ 4.500 ÷ 6.000 kcal/m3 tùy thuộc vào phần trăm CH4 hiện diện trong hỗn hợp khí (nhiệt trị của khí CH4 gần 9.000 kcal/m3) Chính vì vậy, lượng khí methane đo được càng nhiều thì sản phẩm khí sinh ra có chất lượng càng tốt

Nguồn: (1) Chongpak Polpaset, 1989

(2) RISE-AT, 1998 trích dẫn bởi Nguyễn Hữu Chiếm và Lê Hoàng Việt, 2013

Thành phần chính của biogas chủ yếu là khí methane (CH4), là một thành phần quan trọng giúp biogas cháy được và có thể sử dụng chủ yếu vào việc nấu

ăn, thắp sáng và sấy khô nông sản, ở những nơi có điều kiện hơn có thể chạy máy,

bơm nước hoặc phát điện

2.1.2 Cơ chế quá trình lên men yếm khí

Quá trình lên men yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng

bằng phương trình sau:

{CHONS} → CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Q

a Quá trình phát triển của vi khuẩn yếm khí

Vi sinh vật (VSV) hấp thu thức ăn trong môi trường để tăng trưởng Như vậy, sự tăng trưởng của một tế bào VSV là sự gia tăng về số lượng các cấu tử trong tế bào gia tăng kích thước và trọng lượng Đến cuối giai đoạn tăng trưởng thì tế bào phân cắt cho ra tế bào con Quá trình sinh học xảy ra trong lên men methane là quá trình phát triển của VSV yếm khí và các quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ thành các chất khí, trong đó khí methane chiếm tỷ lệ rất lớn

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

(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008)

Quá trình này được chia làm hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: Là sự phát triển hỗn hợp rất nhiều loài VSV có trong chất thải,

pha này kéo dài khoảng hai ngày Trong dịch lên men ta thấy có sự phát triển của

vi khuẩn yếm khí, vi khuẩn hiếu khí và cả vi khuẩn yếm khí tùy nghi

Sở dĩ trong thời gian đầu có phát triển cả vi khuẩn hiếu khí vì trong dịch lên men chất thải còn tồn tại một lượng oxy hòa tan nhất định, các loài vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy hòa tan này để tăng số lượng Khi lượng oxy hết dần, lượng vi khuẩn hiếu khí giảm dần và chết hết khi quá trình tạo methane xuất hiện

Giai đoạn 2: Trong giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn thủy phân các chất hữu cơ và các vi khuẩn tạo acid Giữa hai giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn sinh methane Đây là loài vi khuẩn chiếm số lượng nhiều nhất và đóng vai trò quan trọng nhất của quá trình lên men methane

Toàn bộ các loài vi khuẩn tham gia quá trình lên men methane từ giai đoạn đầu cho đến giai đoạn cuối được phân lập và định dạng gồm 4 nhóm chính: nhóm

vi khuẩn lên men và thủy phân, nhóm vi khuẩn tạo acid, nhóm vi khuẩn sử dụng H2 tạo methane, nhóm vi khuẩn sử dụng acid acetic tạo methane

Các vi khuẩn yếm khí tham gia vào quá trình chuyển hóa chất hữu cơ gồm

Clostridium spp, Peptoccocus anerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovidrio spp, Corynebactorium spp, Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus

Các vi khuẩn sinh methane trong mẻ phản ứng bao gồm: Nhóm vi khuẩn hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), nhóm vi khuẩn hình cầu (Methanoccocus, Methanosarcina) (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008)

b Quá trình phản ứng sinh hóa

Hình 2.2: Cơ chế tạo khí methane từ chất thải hữu cơ

(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008 trích từ Brown và Taga, 1985)

Toàn bộ quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ xảy ra trong quá trình lên men yếm

khí được thể hiện theo sơ đồ sau (Hình 2.2)

Quá trình khử hydro của nhóm aceton

Acid hữu cơ, rượi và các hợp chất trung

tính khác

Hydro hóa nhóm aceton

Quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ được chia làm 3 giai đoạn:

- Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử

- Tạo nên các axit

- Tạo methane

Giai đoạn I Giai đoạn II Giai đoạn III

Thủy phân Tạo acid Tạo methane

Hình 2.3: Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí

(Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2005 trích từ Mc Carty, 1981)

- Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân

Các chất hữu cơ trong nước thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như chất béo, carbohydrates, cellulose, lignin Một vài loại ở dạng không hòa tan Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzyme ngoại bào (sản sinh bởi các vi khuẩn) Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn 2

Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi các protein thành các amino acid, carbohydrates thành các đường đơn, chất béo thành các acid béo chuỗi dài Tuy nhiên, các chất hữu cơ như là cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí Bởi vì, lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn I sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2

và 3 Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm

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

- Giai đoạn 2: giai đoạn sinh acid

Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hóa thành acid acetic, H2 và CO2 bởi vi khuẩn Acetogenic Tỉ lệ của các sản phẩm này tùy thuộc vào hệ VSV trong hầm ủ và các điều kiện môi trường

- Giai đoạn 3: giai đoạn tạo thành khí methane

Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển đổi thành methane và các sản phẩm khác bởi nhóm vi khuẩn methane Vi khuẩn methane là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn

2 Các vi khuẩn methane sử dụng acid acetic, methanol, CO2 và H2 để sản xuất methane trong đó acid acetic là nguyên liệu chính với từ 70% methane được sản

sinh ra từ nó Phần methane còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ acid formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí

Các phản ứng có thể được biểu diễn qua các phương trình sau:

2.1.3 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí

Quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa

vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ) Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở 510%, 9095% còn lại là nước

a Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến

tốc độ sinh khí Theo Yadvika et al (2004), trong quá trình sản xuất khí sinh học

VSV yếm khí hoạt động mạnh ở vùng ưa ấm và ưa nhiệt Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình sản xuất biogas (Fabien, 2003)

- 2540oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các VSV ưa ấm

- 5065oC: nhiệt độ thích hợp cho các VSV ưa nhiệt

Nói chung, khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 4050oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kìm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65oC trở lên Việc sản xuất khí sinh học đạt tới mức tối đa khi nhiệt độ của mẻ ủ được duy trì ở 35oC (R Chandra et al.,

2012)

Hoạt động của vi khuẩn sinh methane chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi trường Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30

- 40oC Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh methane

yếu đi (Nozhevnikova et a.l, 1999 trích từ Yadvika et al., 2004)

CO2 + H2+ acetate

Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ

(Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2003 trích từ Price and Cheremisinoff, 1981)

b Ảnh hưởng của pH và độ kiềm

Giá trị pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,67,6 tối ưu trong khoảng từ 77,2 (Mc Carty, 1964) Nhưng theo Gerardi (2003); Yadvika et al

(2004) pH trong hầm ủ tối ưu nên ở mức 6,8 - 7,2 Tuy vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH này

pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc là do các độc tố trong nguyên liệu nạp đã ức chế hoạt động của vi khuẩn methane Trong trường hợp này lập tức ngưng nạp cho hầm ủ

để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại thì mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định Ngoài ra, có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ (Nguyễn Quang Khải

và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

Độ kiềm là điều cần thiết để kiểm soát độ pH thích hợp Độ kiềm phục vụ như một bộ đệm ngăn chặn các thay đổi nhanh chóng trong pH Sự ổn định của phân hủy được tăng cường bởi một độ kiềm cao nồng độ của giá trị tối ưu 1500 -

3000 mgCaCO3/L (Gerardi, 2003) Theo Nguyễn Hữu Chiếm và Lê Hoàng Việt (2013), độ kiềm của hầm ủ cần phải được giữ ở khoảng 1000 - 5000 mgCaCO3/L

để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp

c Ảnh hưởng của độ mặn

Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu nạp là nước Với phân heo cứ một

xô phân cần hai xô nước Tại nhiều vùng ở ĐBSCL, vào mùa khô nước ngọt không phải lúc nào cũng có nên Trung tâm năng lượng mới đã tìm hiểu khả năng sinh biogas của hầm ủ tùy thuộc vào độ muối trong nước Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước Với nồng độ dưới 3%, khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể Như vậy, việc phát triển hầm ủ biogas tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 2005)

d Tỷ lệ cacbon và nitơ (C/N)

KSH sinh ra do quá trình phân hủy các CHC được quyết định bởi quần hệ vi khuẩn Môi trường dinh dưỡng tối ưu cho vi khuẩn sinh tổng hợp cấu trúc tế bào khi nguyên liệu phân hủy có tỷ lệ C/N trong khoảng 20 - 30, bởi vi khuẩn sử dụng

C nhiều hơn sử dụng N từ 20 đến 30 lần (Bardiya and Gaur, 1997; Malik et al,

1987; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010) Tỷ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân

hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn

Thực tế người ta thường cố gắng đảm bảo tỉ lệ C/N khoảng 20 - 40 Vì thế phân trâu, bò, lợn có tỷ lệ C/N gần khoảng thích hợp Phân người và phân gia cầm

có tỷ lệ C/N thấp, các nguyên liệu thực vật thường có tỷ lệ C/N cao Để đảm bảo

tỷ lệ C/N thích hợp ta nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu, chẳng hạn dùng phân người, phân gia súc, gia cầm với rơm rạ (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008); phân heo với lục bình (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2012)

Bảng 2.2: Tỷ lệ C/N của một số loại nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật

Rơm Lục bình Nguyễn Quang Khải (2001) 48 – 117 12 - 25 Nguyễn Hữu Phong (2009) - 30 Nguyễn Văn Thu (2010) 40,5 25,2 Nghiêm Bích Ngọc (2013) - 42,87

e Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp

Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:

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

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

Lượng CHC nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn

3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane Lượng CHC nạp thấp sẽ làm cho lượng khí sinh ra không đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng và hầm ủ không mang lại hiệu quả kinh tế vì nó được xây dựng lớn hơn thể tích cần thiết (Lê Hoàng Việt, 2005)

Lượng chất hữu cơ tối ưu để nạp cho các hầm ủ không có giá bám cho vi khuẩn là 14 VS/m3/ngày (Eder and Schulz, 2007); đối với hầm ủ có giá bám cho

vi khuẩn là 115 kg VS/m3/ngày

f Ảnh hưởng của các độc tố

Đây là quá trình lên men yếm khí, do đó sự có mặt của oxy thường gây ức chế toàn bộ quá trình chuyển hóa Trong trường hợp này, oxy được xem như là chất tạo độc đối với những loài vi khuẩn yếm khí

Ngoài ra, còn có một số các chất khác có khả năng gây độc cho VSV Các chất độc và liều lượng gây độc của chúng được trình bày trong Bảng 2.3

Bảng 2.3: Khả năng gây độc của một số chất

STT Các chất Liều lượng gây độc cho vi khuẩn (mg/L)

1 Acid bay hơi > 200 (tính theo acid axetic)

(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương)

g Tỉ lệ chất khô và độ pha loãng của nguyên liệu

Tỉ lệ pha loãng ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí và loại bỏ nguyên liệu đã phân huỷ ra khỏi bể Tỉ lệ chất khô khoảng 9 - 10% là thích hợp cho khả năng sinh khí

và loại bỏ nguyên liệu Nồng độ chất khô lên 20% thì tiết kiệm được 50% thể tích

bể, nhưng rất dễ bị thừa axit và giảm khả năng tạo khí Tỉ lệ nước/phân đưa vào bể thường dao động từ 1/1 đến 7/1 Tỉ lệ pha loãng 1/1 đối với phân bò và 2/1 đối với phân heo là phổ biến (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997)

Sự hoạt động bình thường của vi khuẩn methane cần khoảng 90% nước để ủ vật liệu thải và 8 - 10% chất khô (Nguyễn Duy Thiện, 2001) Đối với mẻ ủ vận

hành ở nồng độ chất rắn thấp thì hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho

mẻ ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 - 10%, còn lại 90 - 95% là nước (Fabien, 2003)

Khống chế độ ẩm để kích thích VSV hoạt động, độ ẩm cao hơn 96% thì tốc

độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo ra ít, nhưng độ ẩm nhỏ hơn 20% cũng sẽ cản trở quá trình phát triển của vi sinh vật Ẩm độ thích hợp nhất cho hoạt động của vi sinh vật là 91,5 - 96,0% Độ ẩm trung bình thích hợp của nguyên liệu

là 60% (Lê Hoàng Việt, 2005)

Đối với các loại phân, hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7 - 9% Đối với bèo tây, hàm lượng là 4 - 5%, rơm rạ là 5 - 8% Nguyên liệu ban đầu có hàm lượng chất khô cao nên cần phải pha thêm nước Tỉ lệ pha loãng thích hợp là 1 - 3 lít nước cho 1 kg phân (Nguyễn Quang Khải, 2009)

h Khuấy trộn

Trong bể lên men tĩnh, khối dịch lên men phân ra làm ba lớp rất rõ Ba lớp này được trình bày trong Hình 2.5

Hình 2.5: Sự phân lớp trong dịch lên men methane

(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2008)

Khi không khuấy đảo, nguyên liệu trong bể phân hủy thường phân tầng thành 3 lớp: lớp trên là lớp váng, lớp giữa là lỏng và lớp đáy là cặn lắng (hình 2.5) Vi khuẩn khó phân bố đều trong môi trường lên men, kết quả là vi khuẩn khó tiếp xúc được với nguyên liệu mới để hấp thụ các chất dinh dưỡng, trong bể có nhiều vùng chết ở đó mật độ vi khuẩn thấp, sự phân hủy xảy ra yếu, nguyên liệu

có thể tích tụ và đọng lại ở đó Nếu khuấy đảo có thể khắc phục được nhược điểm

Dung dịch chưa nhiều chất hữu cơ phân hủy

Lớp bùn cặn chứa nhiều

VSV

trên, quá trình phân hủy xảy ra nhanh hơn, đồng đều hơn (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

Trong quá trình phân hủy của mẻ ủ, cần trộn đều nguyên vật liệu trong mẻ ủ, đặc biệt là đối với các thành phần có nguồn gốc thực vật, do gặp phải hiện tượng nổi vật liệu Khi trộn đều vật liệu là làm tăng sự tiếp xúc giữa vi khuẩn với chất nền và cải thiện được số lượng vi khuẩn để tiêu hủy chất dinh dưỡng Trộn vật liệu cũng có thể ngăn chặn quá trình hình thành bọt khí và tạo sự đồng đều nhiệt

độ trong mẻ ủ Tuy nhiên khi trộn quá mức, quá nhanh sẽ phá vỡ quần thể vi sinh vật trong vật liệu ủ, vì thế, tốt nhất là nên khuấy trộn đều và nhẹ nhàng (Fabien, 2003)

i Tiền xử lý nguyên liệu

Các vật liệu sợi, đặc biệt là rơm rạ, cỏ, cỏ dại và thân cây phải xử lý trước khi ủ vì chúng có lớp vỏ bên ngoài rất khó phân hủy nên cần có thời gian làm chúng mục nát Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzyme để chuyển đổi polymer carbohydrate thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn và với sản lượng lớn hơn Tiền xử lý bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học, sinh học

và sự kết hợp giữa chúng (Alvira et al., 2009)

j Kích cỡ nguyên liệu

Kích cỡ nguyên liệu là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến khả năng sản xuất biogas, kích cỡ nguyên liệu không nên quá lớn nó sẽ dẫn đến tắc nghẽn hầm ủ và cũng gây khó khăn cho vi khuẩn thực hiện quá trình phân hủy Các nguyên liệu có kích cỡ nhỏ sẽ có bề mặt tiếp xúc lớn, gia tăng hoạt động của VSV,

tăng quá trình sinh khí diễn ra nhanh hơn Theo nghiên cứu của Sharma et al

,(1988) ở 5 kích cỡ hạt (0,088; 0,40; 1,0; 6,0 và 30,0 mm), lượng KSH sinh ra tối

ưu ở các kích cỡ 0,088 và 0,40 mm Một số nghiên cứu khác cũng cho rằng một phương pháp tiền xử lý vật lý như nghiền có thể làm giảm đáng kể khối lượng phân hủy yêu cầu mà không làm giảm khả năng sản xuất khí sinh học (Gollakota and Meher, 1988; Moorhead and Nordstedt, 1993)

2.2 Đặc tính hóa học cơ bản và năng suất sinh khí biogas của một số 2.2.1 Đặc tính hóa học

Thực vật được dùng để làm thức ăn thêm cho động vật và dùng làm nguyên liệu lót chuồng như: rơm rạ, cây họ đậu, lục bình, thân cây bắp, bã mía, cũng tùy thuộc vào loài thực vật mà có các đặc điểm hóa học khác nhau

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

(Nguồn: Nguyễn Quang Khải, 2001)

2.2.2 Năng suất sinh biogas

Sản lượng khí sinh ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu, loại nguyên liệu, điều kiện ủ

Bảng 2.5: Năng suất sinh biogas của một số loại nguyên liệu thực vật

Nguyên liệu Hàm lượng chất khô

(%) Tỷ lệ C/N Sản lượng khí hàng

ngày (L/kg)

(Nguồn: Nguyễn Quang Khải, 2001)

Theo Bảng 2.5 trong thời gian 1 ngày với khoảng 1 kg bèo tây tươi sẽ có khả năng sinh ra khoảng 0,3 - 0,5 L biogas, với 1kg rơm rạ khô biogas có khả năng sinh ra khoảng 1,5 - 2,0 L biogas, nhiều hơn bèo tây tươi Kết quả này là do hàm lượng chất khô trong rơm rạ chiếm phần trăm cao hơn bèo tây tươi khoảng 15 - 20 lần

2.3 Sơ lược về các nguyên liệu ủ

2.3.1 Lục bình

Lục bình (Eichhornia Crassipes) còn gọi là bèo tây, bèo Nhật Bản, bèo sen

Là loài cỏ đa niên, thuộc nhóm thực vật thủy sinh sống trôi nổi, sinh sản rất nhanh

Hình 2.6: Cây lục bình (Eichhornia crassipes)

a Nguồn gốc

Lục bình có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của Nam Mỹ nó đã du nhập vào nhiều vùng ôn đới trên thế giới như Trung Mỹ, Bắc Mỹ (California, các bang miền Bắc nước Mỹ), Châu Phi, Ấn Độ, Châu Á, Úc, NewZealand

Ở Việt Nam, lục bình xâm nhập vào nước ta từ năm 1905 và nhanh chóng lan ra khắp các chỗ có nước tù hãm hoặc nơi nước ngọt chảy chậm như ao, hồ, giếng, mương, ven sông (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi Dương Thúy Hoa, 2004)

b Nơi sống

Lục bình phát triển nhanh chóng ở những chổ ngập nước như hồ, suối, sông, mương và các vùng nước tù đọng Lục bình hấp thu dưỡng chất trực tiếp từ nước

và thường được sử dụng làm công cụ xử lý nước thải Chúng thích hợp và phát

triển mạnh mẽ trong nguồn nước giàu dưỡng chất

- Hoa: xanh nhạt hoặc xanh tím tạo thành chùm đứng, cao 10 - 20 cm, không đều, đài và tràng cùng màu đính ở gốc, cánh hoa trên có đốm vàng, 3 tâm bì nhưng chỉ có 1 tâm bì thụ, 6 tiểu nhị với 3 tiểu nhị dài và 3 tiểu nhị ngắn

- Rễ: dạng sợi, bất định, không phân nhánh, mọc thành chùm dài và rậm ở dưới chiếm 20 - 50% trọng lượng toàn cây tùy thuộc vào môi trường sống nhiều

hay ít dinh dưỡng (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi Nguyễn Văn Tùng, 2004)

(Nguồn: Võ Văn Chi, 1997 trích dẫn bởi Dương Thúy Hoa, 2004)

e Đặc điểm sinh trưởng và phát triển của lục bình

Lục bình có thể sinh trưởng và phát triển ở nhiệt độ 10 - 40oC nhưng mạnh nhất ở 20 - 30oC Vì vậy, điều kiện nhiệt độ ở ĐBSCL rất thích hợp cho sự phát triển của lục bình Tuy nhiên, ở phía Bắc do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, gió mùa đông khá lạnh nên lục bình chỉ phát triển mạnh từ tháng 4 đến tháng 10

và ra hoa vào khoảng tháng 10, tháng 11 (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi

Nguyễn Văn Tùng, 2010)

Lục bình có thể sống ở bất kì ao hồ nào Tuy nhiên ở các ao, đầm nước tĩnh nhiều chất dinh dưỡng thì lục bình sinh trưởng với tốc độ rất nhanh Do đó lục

bình được xem là một cây lấn chiếm

Trong môi trường và khí hậu thích hợp thì năng suất lục bình có thể đạt 175 tấn sinh khối khô/ha/năm (Nguyễn Đăng Khôi, 1985 trích dẫn bởi Nguyễn Văn

95%) thì lục bình sẽ tăng trưởng với tốc độ 6 cây con trong 1 tuần Giá trị này rất cao nhưng trong điều kiện tương đối thuận lợi ngoài tự nhiên có sự kết hợp giữa nhiệt độ và ẩm độ tương đối, tốc độ sinh trưởng của lục bình chỉ đạt 3 - 3,5 cây con trong mỗi tuần Hệ số tăng trưởng trong 2 tuần thấp hơn trong 1 tuần và ảnh hưởng của ẩm độ lớn hơn nhiệt độ

2.3.2 Phân heo

Phân heo là những thành phần từ thức ăn nước uống mà cơ thể gia súc, gia cầm không hấp thu được và thải ra ngoài cơ thể sau quá trình tiêu hóa Thành phần các chất trong phân rất phong phú bao gồm các dạng chủ yếu sau:

- Các chất hữu cơ: phân có thành phần hữu cơ rất đa dạng như các hợp chất protein, carbohydrate, chất béo và các sản phẩm trao đổi của chúng

- Các chất vô cơ: chủ yếu là các hợp chất khoáng đa lượng chứa Calcium (Ca), Phosphorus (P) và các nguyên tố vi lượng

- Dư lượng của thức ăn bổ sung cho gia súc, gia cầm: bao gồm các thuốc kích thích tăng trưởng, các hormone hay dư lượng kháng sinh

- Các men tiêu hóa của bản thân gia súc: chủ yếu là các enzyme đường tiêu hóa bị mất hoạt tính sau khi sử dụng

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

- Các thành phần tạp: đất, đá, cát, bụi thâm nhập từ môi trường ngoài

- Ngoài ra còn có các yếu tố gây bệnh sinh học như: các vi khuẩn hay ký sinh trùng bị nhiễm trong đường tiêu hóa hay trong thức ăn của gia súc

Thành phần dưỡng chất của phân heo là 0,5% nitrogen và 0,3% phosphat Thành phần này thay đổi theo lượng dưỡng chất của thức ăn và nước uống; thay đổi theo nhu cầu của cá thể, nếu nhu cầu của cá thể cao thì sử dụng dưỡng chất nhiều, phân sẽ ít và ngược lại; thay đổi theo có lót chuồng hay không

Tỉ lệ C/N là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng sinh khí biogas của nguyện liệu Bảng 2.8 cho thấy giữa các loại phân động vật, phân heo có tỉ lệ C/N cao nhất dao động từ 20 – 22 Điều này chứng tỏ phân heo

có khả năng dùng làm nguyên liệu ủ biogas tốt hơn các loại phân động vật khác

Bảng 2.7 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 ÷ 100 kg

Trâu Tối đa

Tối thiểu

0,358 0,246

0,205 0,115

1,600 1,129

20

18 Trung

Bò Tối đa

Tối thiểu 0,380 0,302

0,249 0,164

0,992 0,424

19

17 Trung

Heo Tối đa

Tối thiểu

1,200 0,450

0,900 0,450

0,600 0,350

22

20 Trung

Gà Tối đa

Tối thiểu

2,0 1,8

0,950 0,450

1,72 1,21

17

15 Trung

(Nguyễn Đức Lượng, Nguyễn Thị Thùy Dương 2003)

CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 6 năm 2013 đến tháng 9 năm 2013 Thí nghiệm được bố trí tại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên – Trường Đại học Cần Thơ Các phân tích, đo đạc được thực hiện tại các phòng thí nghiệm Độc học Môi trường và phòng thí nghiệm Khí sinh học

3.2 Phương tiện nghiên cứu

3.2.1 Dụng cụ, thiết bị

- Nhiệt kế, máy đo pH

- Máy đo độ oxi hóa – khử (Redox)

- Máy đo màu quang phổ UV – Vis Hitachi U2800 (Nhật)

- Máy chưng cất Kjendahl tự động Vapodest 40 (Đức)

Hình 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm theo mẻ

3.2.2 Nguyên vật liệu nghiên cứu

a Lục bình

Lục bình thu từ khu vực phường Ba Láng, quận Cái Răng, được loại bỏ rễ, phơi khô trong 5 ngày bằng ánh nắng mặt trời Sau khi phơi khô phần thân lá sẽ được cắt nhỏ theo từng kích thước Lục bình được cắt nhỏ bằng tay và dùng máy nghiền để nghiền nhỏ Sau khi nghiền, lục bình được sàng để thu được các kích thước 0,05 cm, 0,2 cm, 0,5 cm và 1 cm

b Phân heo

Phân heo lấy từ trang trại của ông Huỳnh Kim Nhẫn, ấp Phú Lợi, xã Tân Phú Thạnh, huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang Trại heo có số lượng 50 con Sau khi lấy về, phân heo được phơi ở nơi thoáng mát, tránh tiếp xúc với ánh nắng mặt trời sẽ mất đi nguồn dưỡng chất, sau đó nghiền nhỏ bằng máy nghiền, cuối cùng được trộn đều tạo mẫu đồng nhất

c Nước sau túi ủ biogas

Nước sau túi ủ biogas được lấy từ đầu ra túi ủ biogas của hộ ông Nguyễn Văn Nam tại xã Long Hòa, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ vào ngày 16/06/2013 (làm nước sử dụng cho quá trình tiền xử lý) và vào ngày 20/06/2013 (nạp thêm vào mẻ ủ nhằm bổ sung lượng vi sinh vật ban đầu cho tất cả các nghiệm thức) Túi ủ có chiều dài 12 m và đường kính là 0,8 m Lúc lấy nước mồi

hệ thống ủ biogas vẫn đang hoạt động bình thường Số lượng heo trong chuồng lúc đó là 34 con, gồm 4 heo mẹ và 30 heo con

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Bố trí thí nghiệm

a Tính toán lượng nguyên liệu cần nạp

Hỗn hợp phân heo và lục bình theo các tỉ lệ phối trộn được xác định dựa vào khối lượng chất rắn bay hơi (VS) và khối lượng tổng chất rắn (TS)

Theo Eder và Schulz (2007), lượng nạp hằng ngày cho 1 m3 hầm ủ có thể dao động từ 1 – 4 kg VS/ngày Chọn lượng nạp cho các nghiệm thức là 1kgVS/ngày/m3, tương đương 1 g VS/ngày/lít Như vậy, lượng nguyên liệu nạp vào bình có thể tích ủ là 17 lít sẽ có tổng lượng VS= 1x17x20 = 340 g VS/17 lít bình ủ trong 20 ngày Từ lượng VS nguyên liệu cần nạp có thể tính được lượng

TS cũng như nguyên liệu cần sử dụng để nạp cho các thí nghiệm dựa theo các công thức sau:

Lượng TS cần nạp = lượng VS cần nạp/VS(%)

Lượng nguyên liệu cần nạp = lượng TS cần nạp/TS(%)

Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (LB), kích thước nguyên liệu nạp được bố trí theo Bảng 3.1

Bảng 3.1: Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (LB)

Nghiệm thức

Khối lượng nạp tính theo VS (g)

Khối lượng nạp tính theo TS(g)

Lục bình 0.05 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 0.2 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 0.5 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 1 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 39.4 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6

(Ghi chú: phân heo (PH), lục bình (LB))

b Tiền xử lý nguyên liệu nạp

Tiền xử lý bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt và sự kết hợp giữa chúng Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích

bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, và phá vỡ lignin, giúp quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn và đạt hiệu suất cao hơn Đây được xem là một trong những bước quan trọng xử lý các bước trong việc chuyển đổi đường cellulose để lên men

(Mosier et al, 2005)

Lục bình được tiền xử lý bằng nước sau túi ủ biogas nhằm mục đích làm mềm nguyên liệu, cung cấp nguồn vi sinh vật và thúc đẩy quá trình thủy phân trước khi nạp vào bình ủ Lục bình sau khi phơi khô nghiền nhỏ theo từng kích thước sẽ được tiền xử lý bằng nước sau túi ủ biogas trong 5 ngày, hỗn hợp được khuấy trộn mỗi ngày một lần

c Bố trí thí nghiệm

Các nghiệm thức sẽ được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong bình nhựa 21 lít, mỗi nghiệm thức được lặp lại 5 lần Nhằm tránh tình trạng bình ủ nạp nguyên liệu quá đầy, sau khi sinh khí có thể bị tràn Thí nghiệm chỉ nạp nguyên liệu vào bình

là 17 lít, 4 lít còn lại dùng để chứa phần khí sinh ra Các bình nhựa được bao kín bằng bao nilon đen, hạn chế sự phát triển của tảo trong suốt quá trình làm thí nghiệm

Thí nghiệm được bố trí theo mẻ: nguyên liệu ủ được tính toán cho khoảng 20 ngày và nạp một lần ngay từ đầu, sau đó theo dõi trong 45 ngày, tỉ lệ phối trộn giữa phân heo và lục bình là 50% : 50% Tiến hành tiền xử lí bằng nước mồi biogas trong 5 ngày, các nghiệm thức khác nhau về kích thước gồm: 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; 1 cm và không cắt

3.4 Phương pháp thu mẫu và phân tích

3.4.1 Phương pháp thu mẫu và các thông số đo đạc

a Các chỉ tiêu môi trường mẻ ủ

Theo dõi các chỉ tiêu môi trường của mẻ ủ (nhiệt độ, pH, điện thế oxi hóa – khử) Phương pháp thực hiện: đo trực tiếp từ tâm bình ủ bằng điện cực với chu kì

2 ngày 1 lần bắt đầu từ ngày đầu tiên của thí nghiệm vào 7h00 sáng, nhiệt độ được tiến hành đo vào 9h00

b Các mẫu khí biogas

Thu mẫu khí: khí sinh ra từ các nghiệm thức được thu và trữ vào các túi nhôm Tiến hành đo vào 7h00 sáng, theo chu kì 2 ngày/lần và theo dõi liên tục trong 45 ngày Theo dõi, đo đạc tổng lượng khí thu được bằng đồng hồ đo thể tích Ritter và phân tích thành phần khí (% CH4, %CO2, %O2 và % H2S) bằng máy Biogas 5000 Sau khi nạp nguyên liệu vào bình ủ chưa thu khí ngay mà để một ngày cho khí sinh ra lấp đầy phần mặt thoáng trong bình, công tác thu khí đo đạc bắt đầu từ ngày thứ hai

(A) (B) Hình 3.2 Thiết bị đo các khí thành phần (A) và đồng hồ đo thể tích khí (B)

3.4.2 Phương pháp phân tích mẫu

Tất cả các chỉ tiêu phân tích được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên Theo các phương pháp thể hiện trong Bảng 3.2

Bảng 3.2: Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu

Chỉ tiêu Phương pháp phân tích Phương tiện

pH Đo trực tiếp bằng điện cực

- Máy công phá đạm đạm Kjeldahl KB 20S

- Máy chưng cất Gerhardt Vapodest