Đặt vấnđề
Ngày nay, thế giới ngày càng phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu hóathạch như xăng, dầu, gas, than đá Quá trình đốt cháy nguồn nhiên liệu này gâyphát thải một lượng lớn các khí nhà kính và là nguyên nhân gây nên tình trạngbiến đổi khí hậu ngày nay (Lương Duy Thànhvà ctv.,2015) Vì vậy, các nướctrên thế giới ngày càng chú trọng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo nhưđiện gió, điện mặt trời, điện sinh khối Ở Việt Nam, nguồn năng lượng tái tạonhư khí sinh học ngày càng được nhiều người dân sử dụng do giá thành thấp vàphù hợp với nông hộ (Nguyễn Hữu Chiếm và Matsubara Eiji, 2012) Tuy nhiên,trongcácgiaiđoạntáiđànhoặcdịchbệnhxuấthiệnthìsựthiếuhụtcủaph ângiasúclàmộttrongnhữnghạnchếchínhcủaviệcpháttriểnkhísinhhọcởđồngbằngsông Cửu Long.
Trong khi đó, rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và có tiềmnăng trong sản xuất năng lượng tái tạo Rơm được xem là một chất thải nôngnghiệp chủ yếu ở châu Á với sản lượng ước tính khoảng 667 triệu tấn/năm(Yoswathanaet al.,2010) Hiện nay, hầu hết các nguồn sinh khối này khôngđược sử dụng và tái sử dụng một cách bền vững Ở một số khu vực, phần lớnrơm được loại bỏ khỏi đồng ruộng bằng cách cày vùi, đốt hoặc được sử dụng đểủ phân (Heet al.,2008; Watiet al.,2007; Vlasenkoet al.,1 9 9 7 ) – Đ â y l à m ộ tsựlãngphínguồnhữucơrấtlớn.Đốtrơmtrênđồngruộnglànguồngâyônhiễmkhông khí và chỉ tái cung cấp rất ít các chất dinh dưỡng cho đất, nhưng cũng cóthể có hại bằng cách thúc đẩy rửa trôi các chất dinh dưỡng vô cơ quan trọng từđất (Nguyễn Thành Hối, 2008). Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) và đồng bằngsông Cửu Long (ĐBSCL) là hai vùng sản xuất lương thực quan trọng của ViệtNam Trong tổng số 44,1 triệu tấn lúa, hai khu vực này chiếm tới 71,9% (56,7%từ ĐBSCL và 15,2% từ ĐBSH) (Tổngcục
Thống kê,2 0 1 4 ) T ư ơ n g ứ n g v ớ i diệnt í c h c a n h táclú a thìl ư ợ n g rơmthải b ỏ hoặcđ ố t hàngnămở đ ồ n g b ằ n g sông Cửu Long là rất lớn.Bên cạnh rơm,l ụ c b ì n h ( L B ) đ ư ợ c b i ế t đ ế n n h ư l à một trong những loài thực vật phát triển nhanh nhất và đã trở thành một trongcác loài gây nhiều vấn đề nhất trên thế giới (Gunnarsson and Petersen, 2007) Ởcác vùng nhiệt đới, lục bình phát triển dày đặc trên sông, hồ và các kênh rạch;gâyhạiđờisốngthủysinh,cản trởgiaothôngđườngthủyvànuôitrồng thủysản(TrầnTrungTínhvàctv.,2009).ỞĐBSCL,lụcbìnhlàmộtloàingoại laicó hại và ít có giá trị sử dụng Tuy nhiên, lục bình có hàm lượng lignin thấp vàcó hàm lượng cao các cacbon hydrate - đây là một lợi thế cho ủ yếm khí để sảnxuất khí sinh học Nhiều
2 nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước đã chothấyrơmvàlụcbìnhcóthểsửdụnglàm nguồnnguyênliệuđểsảnxuấtkhísinh học (Chanakyaet al.,1992; Nguyễn Văn Thu, 2010;NguyễnVõ Châu Ngânvàctv.,2012;Njoguetal.,2015).
Trongủ yếmkhí các chấtt h ả i h ữ u c ơ , t ỷ l ệ C / N c ủ a n g u y ê n l i ệ u l à m ộ t yếu tố rất quan trọng Rơm có tỷ lệ C/N dao động trong khoảng 40,5 – 67,3(Nuntiyaet al., 2009; Nguyễn Văn Thu, 2010;Nganet al.,2 0 1 5 ) , l ụ c b ì n hc ó tỷ lệ C/N từ 21,4 – 35 (Moorhead and Nordstedt, 1993; Ofoefuleet al.,2009;Nguyễn Trần Tuấnvà ctv., 2009; Nguyễn Văn Thu, 2010) và phân heo từ 11,3-22,0 (Huanget al.,2004; Hoàng Thị Thái Hòa và Đỗ Đình Thục, 2010; NguyễnVõ Châu Ngânvà ctv.,2011) Nhiều nghiên cứuv ề ủ y ế m k h í c h o r ằ n g t ỷ l ệ C/Nthích hợplà từ 20–30(KwietniewskaandTys,2014; DeubleinandSteinhauser, 2008; Weiland and Hassan, 2001) Vì vậy, phối trộn các chất thảihữucơkhácnhaunhằmcótỷlệC/
Nphùhợplàrấtcầnthiết.Sựbổsungrơmvà lục bình để cải thiện hiệu suất tạo khí sinh học là một giải pháp ở điều kiệnĐBSCLkhi thiếu hụt nguồn phân gias ú c d o d ị c h b ệ n h , t á i đ à n h a y g i ả m q u y môsảnxuất.Sựbổsungnàyđặcbiệtthíchhợpđểtăngcườngkhả năngsảnxuấtnăng lượng phi tập trung ở các cộng đồng nông thôn, nơi có nhiều túi ủ khí sinhhọcq u i m ôn hỏ đ ã đi vàoh oạ tđ ộn g n h ư n g kémhiệu qu ả d o sựt h i ế u h ụt v ề phân gia súc Với tất cả những lý do trên, luận án “Nghiên cứu sản xuất khísinhhọctừrơmvàlụcbình”đãđượcthựchiện.
Mụctiêu nghiêncứu
Mụctiêutổngquát
Nghiêncứusửdụngcóhiệuquả,bềnvữngcácnguồnsinhkhốirơmvàlụ c bình ở đồng bằng sông Cửu Long thành nguồn năng lượng tái tạo, hạn chếsựphátthảicáckhínhàkính.
Mụctiêucụthể
Xác định lượng rơm dư thừa ở đồng bằng sông Cửu Long nhằm làm cơsởnghiêncứusửdụnglượngrơmnàychosảnxuấtkhísinhhọc;
Xác định khả năng tăng trưởng của lục bình và tiềm năng sử dụng nguồnsinhkhốinàybổsungchosảnxuấtkhísinhhọcởnônghộ;
Tìm(i)phương pháptiềnxửlýsinhhọcđơngiản,(ii)kíchcỡcủanguyênliệu nạp,(iii) tỷ lệ phối trộn rơm/lục bình vớiphân heo phù hợp đểt ạ o khísinhhọctừrơmvàlụcbìnhtrongđiềukiệninvitro;
Thử nghiệm sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên môhìnhtúiủpolyethylene(PE)ởquymônônghộtrongđiềukiệninvivo.
Nộidungnghiêncứu
1 Phỏng vấn nông hộ trồng lúa về lượng dư thừa rơm, các biện pháp xử lýrơmvàthumẫurơm,lúaướctínhlượngrơm phátsinh;
2 Bốtrí thínghiệmtheodõi sựtăngtrưởngcủalụcbìnhởcácthủyvựcphổbiến ởnông hộ;
3 Bốtríthínghiệmtheophươngphápủyếmkhítheomẻtrongđiềukiệnin vitrođể xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý, kích cỡ củarơm và lục bình, tỷ lệ phối trộn lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khísinhhọc;
4 Thựchiện thínghiệm đánhgiá khả năng sản xuấtk h í s i n h h ọ c c ủ a r ơ m vàlụcbìnhtheophươngphápnạpbánliêntụctrongđiềukiệninvitro;
– thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene (PE) ở nông hộ trong điềukiệninvivo.
Giới hạncủađềtài
Nghiêncứuchỉkhảosátlượngrơmvàcácbiệnphápxửlýsauthuhoạchở hai vụ lúa Đông Xuân và Thu Đông ở 04 tỉnh An Giang, Đồng Tháp, KiênGiang và Cần Thơ Nghiên cứu chỉ tập trung đánh giá ảnh hưởng của các biệnpháp tiền xử lý sinh học đơn giản,kích cỡ nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn củarơm/lục bình với phân heo theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ và ủ yếm khíbánliêntụctrongđiềukiệninvitro;thửnghiệmứngdụngtrênủbiogaspolyethylene(PE) ởnônghộtrongđiềukiệninvivo.
Ýnghĩacủaluậnán
Vềkhoahọc
Các số liệu khoa học của luận án có thể được sử dụng tham khảo cho quátrình giảng dạy và nghiên cứu về khí sinh học từ rơm và lục bình Luận án đãcung cấp các số liệu khoa học về năng suất sinh khí của rơm và lục bình trongđiều kiện được tiền xử lý sinh học khác nhau, kích cỡ nguyên liệu và trong điềukiện phối trộn với phân heo ở các tỷ lệ khác nhau Kết quả nghiên cứu của luậnán đã cho thấy quá trình tiền xử lý rơm và lục bình bằng nước thải biogas đẩynhanh quá trình sinh khí, cải thiện năng suất sinh khí của vật liệu Kích cỡ củarơm và lục bình trong nghiên cứu của luận án không ảnh hưởng lớn đến quátrình tạo khí sinh học và năng suất sinh khí của vật liệu Đã xác định được tỷ lệphối trộn của rơm/lục bình và phân heo là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đếnkhảnăngtạokhí sinhhọccủavậtliệu.Kếtquảnghiêncứucũng đãchothấykhả năngsinhkhícủarơmvàlụcbìnhtrongquátrìnhủyếmkhíbánliêntụctrênmô hìnhtúiủbiogasởquymônônghộ.
Vềthựctiễn
Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình để sản xuấtkhí sinh học trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) trong điều kiện thiếu hụtnguồn nguyên liệu nạp Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng được trong điều kiệnthực tế giúp mô hình khí sinh học được duy trì ổn định và tận dụng các nguồnsinhkhốiđểtạoranguồnnănglượngsạch(biogas).
Nhữngluậnđiểmkhoahọcmớicủaluậnán
- Đã xác định được tiền xử lý bằng nước thải sau biogas và bằng nước bùnđáy ao là phương pháp tiền xử lý đơn giản có thể được ứng dụng trong tiềnxử lý rơm và lục bình giúp đẩy nhanh quá trình sinh khí và sản lượng khísinhhọctrongđiềukiệninvitro.
- Nghiên cứu cho thấy kích cỡ của rơm và lục bình từ không cắt giảm đến1cm không ảnh hưởngl ớ n đ ế n k h ả n ă n g s i n h k h í c ủ a v ậ t l i ệ u t r o n g đ i ề u kiệninvitro.
- Đã xác định được tỷ lệ phối trộn 50% - 60% rơm với 50% phân heo có tổnglượngkhítíchdồncaohơncáctỷlệphốitrộnkhác.Đốivớilụcbìnhthìtỷlệph ốitrộnnàylà40%-60%trongđiềukiệninvitro.
- Nghiên cứu cho thấy sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sungvớitỷlệ50%(tínhtheoVS)ởquymônônghộtrêntúiủpolyethylenekhôngảnh hưởng đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thốngnạp hoàn toànbằngphânheo.
Tổngquanvềkhí sinhhọc
Kháiniệm
Khí sinh học(KSH) là một hỗn hợp của nhiều thành phần khí,đ ư ợ c s i n h ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn và quátrình xảy ra trong điều kiện yếm khí (Rajeebet al.,2009) Thành phần KSH chủyếu bao gồm các loại khí CH 4, CO2, NH3, H2S và một số loại khí khác, trong đókhí CH4v à k h í C O 2c h i ế m t h à n h p h ầ n c h ủ y ế u t r o n g K S H T r o n g t h i ê n n h i ê nkhí sinh học được sinh ra từ những nơi nước sâu tù đọng, đầm lầy, dưới đáy ao,hồ, ruộng ngập nước sâu,… và việc sản sinh ra khí sinh học trong thiên nhiên làmột phần quan trọng của chu trình cacbon sinh hóa Hàng năm trên toàn cầukhoảng 590 – 880 triệu tấn CH 4 được giải phóng vào khí quyển thông qua hoạtđộng của các vi khuẩn (Nguyễn Lân Dũngv à c t v ,2009) Trong đó, khoảng90%khímê- tanphátthảiracónguồngốcsinhhọctừsựphânhủycủasinhkhối,phầncònlạicónguồngốct ừhóathạch(NguyễnLânDũngvàctv.,2009)
Trước khủng hoảng năng lượng 1970, khí sinh học không được quan tâmnhiều,tuynhiên sau khủnghoảngn h i ề u n ư ớ c đ ã q u a n t â m đ ế n v i ệ c t ậ n d ụ n g khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí của chất hữu cơ Tại Việt Nam, côngnghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1960, nhưngdonhữnglýdovềmặtkỹthuậtvàquảnlýnêncáccôngtrìnhkhísinhhọckhôngmanglại hiệu quảnhưmong muốn(NguyễnQuangKhảivàNguyễnGiaLượng,2010) Đến những năm
1980, ở Việt Nam nhiều nơi đã xuất hiện các hầm ủ nắpvòm cố định Trung Quốc và nắp trôi nổi Ấn Độ Hiện nay, công nghệ khí sinhhọc đã được áp dụng rộng rãi ở ĐBSCL và bước đầu có những thành công nhưcải thiện thu nhập nông hộ, hạn chế ô nhiễm môi trường nước mặt từ hoạt độngchăn nuôi (Nguyễn Hữu Chiếm và Matsubara Eiji, 2012) Công nghệ khí sinhhọc còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội quan trọng khác như: tạo ra đượcnguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch (than đá, xăng dầu,…), gópphần giảm phát thải khí nhà kính nhờ quá trình thu hồi khí mê-tan Bên cạnh đó,công nghệ khí sinh học còn cung cấp chất đốt phục vụ cho nấu nướng, sưởiấm,… Ở quy mô lớn hơn, khí sinh học còn được dùng để chạy máy phát điện(Nguyễn LânDũngvàctv.,2009).
Thànhphầnkhí sinhhọc
Thành phần của khí sinh học phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu tham giatrongq u á t r ì n h p h â n g i ả i v à c á c đ i ề u k i ệ n b ê n t r o n g c ủ a q u á t r ì n h p h â n h ủ y chẳng hạn như pH, nhiệt độ,… Bên cạnh đó, các giai đoạn của quá trình phânhủy cũng ảnh hưởng đến thành phần của khí sinh học (Nguyễn Quang Khải,2009; Nguyễn Lân Dũngvà ctv.,2009) Một số công trình nghiên cứu cho thấythành phần chủ yếu của khí sinh học bao gồm khí CH 4 , CO2, O2, N2và một phầnítkhíH2S,tỷlệcácsảnphẩmnàyđượcthểhiệntrongBảng2.1.
Cácquátrình lênmenyếmkhí
Quá trình phân hủy yếm khí vật liệu hữu cơ được chia thành 04 giai đoạn:thủy phân (1), sinh a-xít (2), sinh a-xít acetic (3) và sinh khí mê-tan (4) (Appelset al.,2008; Kinyua, 2013; Quet al.,2009) Thông qua quá trình phân hủy cácchấthữucơphứctạpnhưcacbonhydrate,protein,a-xítbéo,cáca-xítaminvàcáca-xít béo chuỗi dài bị phân hủy bởi nhóm vi khuẩn sinh a-xít và tạo ra các chấthữu cơ đơn giản dễ phân hủy, cùng các sản phẩm trung gian như a-xít propionic,a-xítacetic,a-xítbutyric,… sauđócácsảnphẩmnàyđượcchuyểnhóathànhCH4và CO2bởi vi khuẩn sinh khí mê-tan (Boubaker and Ridha, 2010) Các giai đoạnchuyểnhóachấthữucơthànhkhí sinh họcđượcthểhiện quaBảng2.2. liệu CH 4 CO 2 O 2 N 2 H 2 S
Butyrivibrie,C 6 H 12 O 6 =C H 3 CH 2 CH 2 COOH+ 2 C O 2 +2 H 2 (4) Eubacterium, Bifidobacterium,
CH 3 CH 2 OH+ H 2 O= C H 3 COOH+ 2 H 2 (8) Desulfovibrio,Syntrophobacterwolinii,
CH 3 CH 2 CH 2 COOH+ 2 H 2 O= 2 C H 3 COOH+ 2 H 2 (9) Syntrophomonas
Bryantii2CH 3 CH 2 OH+ C O 2 =2 C H 3 COOH+ C H 4 (12) Methanobrevibacter ruminantium,M
200mV)choquátrìnhphânhủydiễnratốt,phụthuộcvàosựhoạtđộngđồngbộvàsựliênkếtgiữa cácvisinhvậtđểchuyểnđổicácchấthữucơthànhCH4vàCO2(Appels et al.,2008), trong mỗi giai đoạn sẽ có các loại vi khuẩn khác nhau tham gia vàoquá trình phân hủy Trong đó giai đoạn sinh a-xít là giai đoạn có khả năng hạnchế quá trình sinh khí và sự tích lũy a-xít sẽ gây ức chế sự hoạt động của vi sinhvật sinh khí mê-tan, có khoảng 72% khí mê-tan được sản sinh từ a-xít acetic(McCarty, 1964), phần còn lại được sản xuất từ CO 2 và
H2(Hình 2.1).Một ít từa-xít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm sốlượngíttrongquátrìnhphânhủyyếmkhí.
Giúp phân hủy các chất hữu cơ không hòa tan và các hợp chất cao phân tửnhư lipid, polysacharide, protein và a-xít nucleic thành các hợp chất hữu cơ dễhòat a n như a - x í t am in o, c á c a- xítbéobay hơi,đ â y l à b ư ớ c đ ầ u tiên c ủ a q uá trìnhphânhủyyếmkhícủacách ợpchấthữucơ.Tuy nhiên,các chấthữucơ như cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản Đây làmột giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì các vi khuẩn ở giai đoạn 1sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3 Các sản phẩm từ quátrình thủy phân sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo (giai đoạn sinh a-xít)(Appelset al.,2008) Các vi sinh vật yếm khí tùy nghi đóng vai trò quan trọngtrong việc tiêu thụ oxy hòa tan trong nước và là nguyên nhân giảm thế oxy hóakhửcầnthiếtchoquátrình phânhủy. b) Giaiđoạnsinha-xít
Trong giai đoạn sinh a-xít các vi sinh vật yếm khí sẽ chuyển hóa các hợpchấthữucơđơngiảnthànhcáca-xítbéobayhơinhưa-xítacetic,a-xítpropionic,a- xítbutyric,a-xítlactic,cáchợpchấthữucơgốcrượucùngvớiamoniac(NH3),CO2, H2S và các sản phẩm phụ khác được hình thành (Appelset al.,2008;Kalyuzhnyiet al.,2000) Trong giai đoạn này nồng độ ion H + được hình thànhlàmảnhhưởngđếncácloạisảnphẩmcủaquátrìnhlênmen,khinồngđộioncủaH + càn gtăngcaothìcáchợpchấthữucơnhưacetatesẽgiảm(Appelsetal.,2008).Nhìnchung,tronggia iđoạnnàycácloạiđườngđơngiản,a-xítbéovàa-xítaminđượcchuyểnđổithành các a- xíthữu cơvàgốcrượu(Gerardi,2003). c) Giaiđoạnsinha-xítacetic
Các sản phẩm từ giai đoạn sinh a-xít sẽ làm chất nền cho các vi khuẩntrong giai đoạn a-xítacetic.Các a-xít hữucơvàh ợ p c h ấ t h ữ u c ơ g ố c r ư ợ u được hìnhthành và thủyphânđể chuyển đổi thành a-xít acetic cũngn h ư C O2và H2(Appelset al.,2008) Các vi khuẩn tham gia trong giai đoạn này có chứcnăng chuyển hóa các hợp chất như VFAs, alcohol,… thành H2,
CO2nhưng chủyếu là a-xít axetic Trong giai đoạn này các a-xít hữu cơ và gốc rượu đượcchuyểnđ ổ i t h à n h a c e t a t e l à c h ấ t n ề n c h o v i k h u ẩ n t r o n g q u á t r ì n h t ạ o t h à n h khí mê-tan Các vi khuẩnacetogenicsẽ phát triển cộng sinh với vi khuẩn hìnhthànhkhímê- tan(Garciaetal.,2000). d) Giaiđoạnsinhkhímê-tan
Trong giai đoạn này khí mê-tan được hình thành bởi hai nhóm vi sinh vậtsinh khí mê-tan (1) tách acetate bên trong thành CH 4 và CO2, (2) sử dụng
H2vàCO2c h oquátrìnhhìnhthànhkhísinhhọc(Appelsetal.,2008).Hầuhếtcácvi khuẩn sinh mê-tan trong bể phân hủy đều được thực hiện qua các phản ứng sau:phản ứng (12) sử dụng chất nền là CH3COO-, phản ứng (11, 13) sử dụng chấtnền là H2, CO2và HCO3 -
(Bảng 2.2) Các phảnứngs i n h h ó a t r o n g q u á t r ì n h sinhkhímê-tancóthểdiễn ranhưsau:
Cácyếutốảnhhưởngđếnquátrìnhsinhkhímê-tan
Nhiệtđộ
Quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện yếm khí nằm trong khoảngnhiệtđộ ưaấm từ20 – 45 o C, tốc độ phân hủyphụthuộcm ộ t c á c h m ạ n h m ẽ vàon h i ệ t đ ộ ( L â m M i n h T r i ế t v à L ê H o à n g V i ệ t , 2 0 0
9 ) C ó 3 d ã y n h i ệ t đ ộ khácnhaubaogồm:ưanhiệtđộthấp(
