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

1 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 2 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 3 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 4 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 o C ÷ 30,6 o C, 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 CH 4 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 CH 4 /kg VS phân hủy ), kế tiếp là nghiệm thức lá (228,81 L CH 4 /kg VS phân hủy ), nghiệm thức rễ - thân – lá (224,22 L CH 4 /kg VS phân hủy ) và thấp nhất là nghiệm thức rễ (145,96 L CH 4 /kg VS phân 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. 5 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 6 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 CH 4 sinh ra trong 45 ngày 36 4.3.2 Tổng thể tích khí CH 4 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 CO 2 40 4.4.3 Năng suất sinh khí metan của các nghiệm thức 41 4.5 Chất lượng đầu ra của mẻ 41 7 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 8 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt C Carbon Cacbon C/N Carbon/Nitrogen Tỉ lệ cacbon/nitơ Ca Canxi CH 4 Khí methane ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long HRT Hydraulic Retention Time Thời gian tồn lưu K Kali KSH Khí sinh học Mg Magie N Nitơ N 2 Khí nitơ Na Natri NT Nghiệm thức O 2 Khí oxy VS Volatile Solids Chất rắn dễ bay hơi TS Total Solids Tổng chất rắn P Photpho TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng nitơ Kjeldahl TP Total Phosphorus Tổng photpho VACB Vườn - ao - chuồng - biogas VSV Vi sinh vật FMD Lở mồm long móng PRRS Rối loạn hô hấp và sinh sản NXB Nhà xuất bản 9 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 2.5 Sự phân lớp trong dịch ủ methane 15 2.6 Cây Lục bình (Eichhornia crassiper) 19 3.1 Mô hình bình ủ theo mẻ của thí nghiệm 25 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 28 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 4.3 Diễn biến hiệu điện thế oxy hóa khử (redox) 35 4.4 Thể tích CH 4 sinh ra trong 45 ngày thí nghiệm 37 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 CH 4 sinh ra từ ngày 1 – 10, 11 – 20, 21 -30, 31 - 45 40 của thí nghiệm 4.8 Phần trăm khí CO 2 sinh ra hằng ngày ở các nghiệm thức 40 4.9 Năng suất sinh khí của các nghiệm thức 41 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 4.12 COD đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức 44 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 10 DANH SÁCH BẢNG Bảng Tên bảng Trang 2.1 Thành phần biogas theo các tài liệu khác nhau 3 2.2 Thành phần biogas ở một số nước khác nhau 4 2.3 Khoảng nhiệt trị của một số nguyên liệu 4 2.4 Đặc tính hoá học cơ bản của các nguyên liệu thực vật 6 2.5 Khả năng sinh khí của một số loại chất thải 6 2.6 Thành phần CH 4 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 2.12 Một số nhân tố ức chế quá trình sinh khí methane 18 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 2.15 Lượng phân thải trung bình của heo trong 24 giờ 22 2.16 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 ÷ 100 kg 23 3.1 Tính toán khối lượng nạp cho thí nghiệm ủ theo mẻ 27 3.2 Phương tiện và phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong thí nghiệm 29 4.1 Đặc điểm hóa học của nguyên liệu đầu vào 32 4.2 Tỉ lệ C/N đầu vào của từng nghiệm thức sau khi phối trộn 32 [...]... 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... heo và lục bình [%PH + %LB] lần lượt là: 100 + 0; 75 + 25, 50 + 50, 25 + 75, 0 + 100 Một trong những kết quả đă chỉ ra rằng khả năng sinh khí biogas của bèo lục bình cao hơn phân heo Tuy nhiên, thời gian sinh biogas của bèo lục bình lại kéo dài hơn phân heo Tỉ lệ pha trộn giữa phân heo và lục bình tốt nhất để sản xuất biogas là 50%PH + 50%LB Thí nghiệm: “Sử dụng phân heo và phân heo trộn lục bình sau... 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. .. quả sau 30 ngày thí nghiệm cho thấy việc phối trộn thêm lục bình sau ủ với phân heo đã làm gia tăng khả năng sinh khí và thu được lượng khí methane nhiều hơn việc sử dụng đơn thuần phân heo làm nguyên liệu sinh khí biogas Nghiên cứu Khả năng sử dụng lục bình và rơm làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ biogas do Nguyễn Võ Châu Ngân và cộng sự (2012) thực hiện Lục bình sử dụng trong thí nghiệm được cắt... làm nguyên liệu sinh khí sinh học tại Mỹ Khánh - Phong Điền - Cần Thơ” (Lê Trần Thanh Liêm, 2010), lục bình trước thí nghiệm được cắt nhỏ kích thước từ 1 - 2 cm và được thủy phân trong 10 ngày với 20% nước thải biogas Thí nghiệm được thực hiện trên 2 túi ủ biogas lắp mới hoàn toàn (1 túi sử dụng phân heo làm nguyên liệu nạp, 1 túi sử dụng phân heo trộn lục bình sau ủ (2 phân heo : 1 lục bình) làm 33 nguyên... với lục bình chỉ xử lý ủ chua Và với cùng trọng lượng nạp (tỉ lệ 1 phân heo : 2 lục bình) , lục bình sau khi ủ hiếu khí 8 ngày đem ủ chua từ 4 ÷ 6 ngày cho lượng khí tốt nhất Thí nghiệm “Nghiên cứu khả năng sản xuất điện từ bèo lục bình (Trần Trung Tính và cộng sự, 2009): Bèo lục bình được cắt thành các mẫu nhỏ kích thước từ 0,5 · 1,5 cm, sau đó được thủy phân trong 48 giờ Tỉ lệ pha trộn phân heo và lục. .. Chuẩn bị nguyên liệu - Lục bình: được thu gom từ các kênh rạch tại khu vực phường Ba Láng, quận Cái Răng Lục bình được lấy nguyên thân, rễ, lá phơi khô ngoài nắng cho đến khô, tiếp theo cắt riêng thân, rễ, lá thành đoạn ngắn kích cỡ 1 cm, sau đó trộn đều để tạo mẫu đồng nhất Riêng đối với nghiệm thức rễ - thân – lá, lấy 10kg lục bình tươi phơi khô sau đó cắt riêng rễ, thân, lá lục bình thành những đoạn... lượng nạp phân heo và lục bình (ủ chua 6 ngày) thu lượng khí sinh ra ở lục bình đã ủ chua cho ra lượng khí cao hơn Với cùng trọng lượng nạp (tỉ lệ 1 phân heo : 2 lục bình) nhưng với 3 nghiệm thức khác nhau gồm lục bình không xử lý, có xử lý ủ chua (6 ngày) và có xử lý kiềm thu nghiệm thức kiềm cho ra lượng khí cao hơn so với 2 nghiệm thức còn lại Nhưng về hiệu quả kinh tế thu việc xử lý lục bình bằng... 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 11 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. .. sung hoặc thay thế cho phân heo để nạp vào hầm ủ biogas Nhiều kết quả nghiên cứu về khả năng sinh khí biogas của lục bình đều cho thấy việc phối trộn lục bình với phân heo để làm nguyên liệu nạp cho hầm/túi ủ biogas sẽ tạo ra hỗn hợp có khả năng sinh khí tốt hơn Bên cạnh đó, việc tìm ra phương pháp tiền xử lý lục bình thích hợp và mang lại hiệu quả kinh tế là việc làm cần thiết và mang tính cấp bách . 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. 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, . 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