đánh giá ảnh hưởng của các kích cỡ rơm nghiền nhỏ phối trộn phân heo lên khả năng sinh khí sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN -------- PHẠM VĂN THUẬN Luận văn tốt nghiệp Đại học Chuyên ngành Khoa học môi trường ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KÍCH CỠ RƠM NGHIỀN NHỎ PHỐI TRỘN PHÂN HEO LÊN KHẢ NĂNG SINH KHÍ SINH HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TRẦN SỸ NAM 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN -------- PHẠM VĂN THUẬN Luận văn tốt nghiệp Đại học Chuyên ngành Khoa học môi trường ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KÍCH CỠ RƠM NGHIỀN NHỎ PHỐI TRỘN PHÂN HEO LÊN KHẢ NĂNG SINH KHÍ SINH HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: THS. TRẦN SỸ NAM 2013 CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Luận văn kèm theo đây, với tựa đề “Đánh giá ảnh hưởng kích cỡ rơm nghiền nhỏ phối trộn phân heo lên khả sinh khí sinh học”, Phạm Văn Thuận thực báo cáo hội đồng chấm luận văn thông qua. Cần Thơ, ngày GS. TS. Bùi Thị Nga tháng năm 2013 PGS. TS. Nguyễn Hữu Chiếm TS. Nguyễn Xuân Lộc i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người giúp đỡ tác giả tận tình trình làm luận văn tốt nghiệp. Tác giả xin gởi lời tri ân sâu sắc đến thầy Trần Sỹ Nam, thầy Nguyễn Võ Châu Ngân cung cấp kinh nghiệm kiến thức chuyên môn tận tình hướng dẫn, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian thực đề tài tốt nghiệp. Nhân xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy, cô Bộ môn Khoa học môi trường; quý thấy, cô khoa Môi trường Tài nguyên thiên nhiên – Trường Đại học Cần Thơ tận tình giảng dạy, giúp đỡ trình thực đề tài. Gởi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cán trường Đại học Cần Thơ truyền đạt kiến thức quý báu suốt trình đào tạo đại học để tác giả hoàn thành tốt công việc học tập. Xin gửi lời cảm ơn tới chị Nguyễn Thị Thùy học viên Cao học ngành Khoa học môi trường K18, bạn Lê Quang Thạnh, Văn Thị Mỹ Linh, Nguyễn Văn Quốc lớp Kỹ Thuật môi trường K36. Xin gửi lời cảm ơn thân đến bạn lớp Khoa học môi trường K36 giúp đỡ, ủng hộ, động viên suốt thời gian học tập thời gian thực luận văn. Sau tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến gia đình giúp đỡ động viên tinh thần cho tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Chân thành! Cần Thơ, ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn PHẠM VĂN THUẬN ii TÓM TẮT Đề tài “Đánh giá ảnh hưởng kích cỡ rơm nghiền nhỏ phối trộn phân heo lên khả sinh khí sinh học” thực nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng kích cỡ rơm nghiền nhỏ lên khả sinh khí biogas. Thí nghiệm bố trí theo mẻ hoàn toàn ngẫu nhiên với nghiệm thức gồm rơm 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; cm rơm không cắt; nghiệm thức 100% nước thải biogas thực nghiệm thức đối chứng phụ. Thí nghiệm theo dõi liên tục 45 ngày, nghiệm thức bố trí với lần lặp lại với bình ủ 21 lít điều kiện phòng thí nghiệm. Các thông số thể tích biogas sinh ra, thành phần biogas yếu tố môi trường mẻ ủ pH, nhiệt độ, điện oxy hóa khử theo dõi hàng ngày; thông số VS, C/N, TKN, TP, Fecal Coliform, tổng vi sinh vật yếm khí phân tích bắt đầu kết thúc trình ủ. Kết nghiên cứu cho thấy, tổng thể tích khí methane tích dồn sau 45 ngày cao nghiệm rơm cm (146,2 L/Kg VS); rơm 0,5 cm (125,95 L/Kg VS); rơm 0,2 cm (138,75 L/Kg VS) khác biệt với nghiệm thức rơm 0,05 cm (125,95 L/Kg VS) rơm không cắt (123,2 L/Kg VS), riêng nghiệm thức 100% nước thải biogas không sinh khí suốt trình thí nghiệm. Thành phần khí methane mẻ ủ có giá trị lần lượt: rơm 0,05 cm 42,9 %; rơm 0,2 cm 41,0%: rơm 0,5 cm 41,6%; rơm cm 48,0% rơm không cắt 41,4%. Năng suất sinh khí methane cao nghiệm thức rơm cm không khác biệt với nghiệm thức rơm 0,2 cm rơm 0,5 cm khác biệt có ý nghĩa so với nghiệm thức lại. Năng suất sinh khí methane cao nghiệm thức rơm 1cm rơm 0,5 cm với giá trị 304,8 302,0 L/kg VSphân hủy. Rơm kích cỡ 1cm có khả ứng dụng để nạp bổ sung cho hầm ủ để có suất sinh khí cao nhất. Từ khóa: biogas, metan, kích cỡ rơm, ủ yếm khí, suất sinh khí iii MỤC LỤC CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT . iii MỤC LỤC . iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH HÌNH vii DANH SÁCH BẢNG viii CHƯƠNG MỞ ĐẦU . CHƯƠNG LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU . 2.1 Tổng quan khí sinh học (KSH) . 2.1.1 Định nghĩa 2.1.2 Thành phần khí sinh học 2.1.3 Tính chất khí sinh học . 2.1.4 Nguyên liệu sản xuất khí sinh học . 2.1.5 Các phản ứng sinh hóa trình lên men yếm khí . 2.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men yếm khí 2.2 Sơ lược phân heo . 16 2.3 Rơm rạ khả sản xuất khí sinh học 18 CHƯƠNG PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 22 3.1 Thời gian địa điểm nghiên cứu . 22 3.2 Phương tiện nghiên cứu 22 3.2.1 Dụng cụ bố trí thí nghiệm . 22 3.2.2 Thiết bị sử dụng phân tích . 22 3.3 Phương pháp nghiên cứu 23 3.3.1 Nguyên liệu đầu vào . 23 3.3.2 Tiền xử lý nguyên liệu 23 3.3.3 Bố trí thí nghiệm . 24 3.3.5 Phương pháp thu mẫu phân tích . 26 3.4.1 Phương pháp tính toán . 27 3.4.2 Phương pháp xử lý số liệu . 29 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 4.1 Các yếu tố môi trường mẻ ủ yếm khí 30 iv 4.1.1 Nhiệt độ 30 4.1.2 pH 31 4.1.3 Điện oxy hóa khử 32 4.2 Ảnh hưởng kích cỡ rơm đến khả sinh khí biogas 33 4.2.1 Ước tính thời điểm sinh khí methane cực đại mẻ ủ . 33 4.2.2 Lượng khí CH4 tích dồn theo thời gian . 35 4.2.3 Thành phần khí biogas . 36 4.2.4 Năng suất sinh khí methane vật liệu 39 4.3 Hàm lượng TKN, TP, COD đầu vào đầu mẻ ủ . 41 4.3.1 Hàm lượng tổng nitơ Kjeldahl . 41 4.3.2 Hàm lượng tổng photpho . 42 4.3.3 Nhu cầu oxy hóa học . 43 4.4 Vi sinh vật mẻ ủ 44 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 5.1 Kết luận 47 5.2 Kiến nghị . 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 48 PHỤ LỤC v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học C/N Carbon/Nitrogen Tỉ lệ Cacbon/Nitơ ODM Organic Dry Matter Vật chất hữu khô HRT Hydraulic Retention Time Thời gian tồn lưu Khí sinh học KSH TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng nitơ kjeldahl TP Total Phosphorus Tổng photpho TS Total Solids Tổng chất rắn Vườn – ao – chuồng – biogas VACB VS Chất rắn bay Volatile Solid Vi sinh vật VSV vi DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Ba giai đoạn trình phân hủy yếm khí hợp chất hữu Hình 2.2 Ba giai đoạn trình phân hủy yếm khí Hình 2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên khả sinh khí hầm ủ 11 Hình 3.1 Mô hình bình ủ theo mẻ thí nghiệm 22 o Hình 4.1 Diễn biến nhiệt độ nghiệm thức theo thời gian ( C) 30 Hình 4.2 Diễn biến pH mẻ ủ theo thời gian 31 Hình 4.3 Diễn biến hiệu điện oxy hóa khử mẻ ủ theo thời gian 32 Hình 4.4 Diễn biến thể tích khí methane sinh 45 ngày 33 Hình 4.5 Thể tích khí CH4 tích lũy theo thời gian 35 Hình 4.6 Thành phần khí biogas nghiệm thức 37 Hình 4.7 Năng suất sinh methane nghiệm thức 40 Hình 4.8 Hàm lượng nitơ đầu vào đầu nghiệm thức 42 Hình 4.9 Hàm lượng photpho đầu vào đầu nghiệm thức 43 Hình 4.10 Hàm lượng COD đầu vào đầu nghiệm thức 44 Hình 4.11 Fecal coliform đầu vào đầu nghiệm thức 44 Hình 4.12 Tổng VSV yếm khí đầu vào đầu nghiệm thức 55 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Thành phần khí sinh học Bảng 2.2 Hiệu suất sinh khí loại nguyên liệu (L/Kg/ngày) Bảng 2.3 Tỷ lệ C/N số loại nguyên liệu 12 Bảng 2.4 Hàm lượng chất khô số nguyên liệu 13 Bảng 2.5 Khả gây độc số chất 15 Bảng 2.6 Thành phần hóa học phân heo có trọng lượng từ 70-100 kg 17 Bảng 2.7 Thành phần hóa học phân số loại gia súc, gia cầm 18 Bảng 2.8 Lượng phân thải trung bình heo 24h 18 Bảng 2.9 Thành phần hóa học rơm rạ loại thực vật khác 20 Bảng 3.1 Các nghiệm thức bố trí thí nghiệm 24 Bảng 3.2 Kết phân tích TS, VS C/N nguyên liệu nạp 25 Bảng 3.3 Tính toán khối lượng nguyên liệu nạp cho thí nghiệm 25 Bảng 3.4 Phương tiện phương pháp phân tích tiêu thí nghiệm 26 Bảng 4.1 Trung bình khí thành phần nghiệm thức 39 viii 30000 Đầu vào Đầu COD (mg/L) 25000 20000 15000 10000 5000 Rơm 0,05 cm Rơm 0,2 cm Rơm 0,5 cm Rơm cm Rơm không cắt Nghiệm thức Hình 4.10 Hàm lượng COD đầu vào đầu nghiệm thức Sau thời gian ủ 45 ngày, hàm lượng COD giảm mạnh nguyên nhân trình phân hủy yếm khí hàm lượng chất hữu VSV sử dụng để chuyển hóa thành CH4 CO2. Trong đó, COD số biểu thị giàu hữu có chất thải, lượng COD giảm dần theo lượng chất hữu mà vi khuẩn sử dụng. Hiệu suất xử lý COD cao nghiệm thức có kích thước nhỏ, từ cho thấy nguyên liệu phân hủy tốt kích thước nhỏ. Tuy nhiên hàm lượng COD đầu cao so với đo cần phải có biện pháp xử lý trước thải môi trường. 4.4 Vi sinh vật mẻ ủ Kết phân tích cho thấy mật độ Fecal coliform đầu vào mẻ ủ dao động khoảng 7x102 đến 1,6x105 MPN/100ml (Hình 4.11) Mật độ Fecal coliform mẻ ủ giảm dần theo thời gian, sau 45 ngày ủ không phát Fecal coliform tất nghiệm thức rơm (chỉ phát Fecal coliform nghiệm thức rơm cm với mật độ thấp MPN/100ml). 44 Mật độ Fecal coliform (Log10 (MPN/100ml) Ngày Ngày 20 Ngày 45 Rơm 0,05 cm Rơm 0,2 cm Rơm 0,5 cm Rơm cm Rơm không cắt Nghiệm thức Hình 4.11 Fecal coliform đầu vào đầu nghiệm thức Fecal coliform (coliform phân) xử lý nước coliform phát triển 44°C hay 44,5°C lên men lactose để sinh acid khí đốt (Bartram and Pedley, 1996). Theo Đỗ Hồng Lan Chi Lâm Minh Triết (2005), diện fecal coliform thị diện phân động vật máu nóng. Như vậy, hiệu xử lý Fecal coliform mẻ ủ (có nguồn gốc chủ yếu từ nguyên liệu phân heo nước mồi biogas), sau 45 ngày ủ yếm khí nghiệm thức cao. Qua Hình 4.12 cho thấy mật độ VSV yếm khí đầu vào nghiệm thức dao động từ 240 đến 5x105 MPN/100ml. Mật độ VSV yếm khí tăng lên vào ngày thứ 20 dao động từ 1,6x104 đến 2,2x106 MPN/100ml, sau 45 ngày ủ mật độ giảm xuống khoảng 3x103 đến 1,6x105 MPN/100ml (Hình 4.14). Mật độ VSV yếm khí cao nghiệm thức rơm 0,05 cm. 45 Mật độ VSV yếm khí (Log10 (MPN/100ml) Ngày Ngày 20 Ngày 45 Rơm 0,05 cm Rơm 0,2 cm Rơm 0,5 cm Rơm cm Rơm không cắt Nghiệm thức Hình 4.12 Tổng VSV yếm khí đầu vào đầu nghiệm thức Tổng VSV yếm khí đầu vào mẻ ủ có nguồn gốc chủ yếu từ nước mồi biogas, mật độ tăng lên vào ngày 20 giai đoạn VSV yếm khí mẻ ủ hoạt động mạnh lượng khí sinh nhiều. Tuy nhiên sau ủ 45 ngày, lượng chất hữu mẻ ủ lại không nhiều, chủ yếu chất hữu khó phân hủy lignin, dẫn đến thiếu thức ăn cho VSV yếm khí nên số lượng VSV yếm khí mẻ ủ giảm, lượng khí sinh ngày thấp. Tóm lại hỗn hợp mẻ ủ yếm khí sau 45 ngày có nồng độ chất ô nhiễm cao, vượt tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải công nghiệp nhiều lần, đặc biệt chất dinh dưỡng. Với nồng độ chất ô nhiễm cao, nước thải góp phần làm suy giảm chất lượng môi trường nguồn tiếp nhận. Do vậy, nguồn dinh dưỡng cần sử dụng cho trông nguồn phân hữu có. 46 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH, điện oxy hóa khử) mẻ ủ nằm khoảng thích hợp cho trình ủ yếm khí. Tổng khí methane tích dồn cao nghiệm thức rơm cm (146,2 L/Kg VS); rơm 0,5 cm (125,95 L/Kg VS); rơm 0,2 cm (138,75 L/Kg VS) khác biệt với nghiệm thức rơm 0,05 cm (125,95 L/Kg VS) rơm không cắt (123,2 L/Kg VS). Nồng độ khí CH4 nghiệm thức thấp tuần đầu (dao động từ 10,20 đến 42,6%) sau tăng dần (dao động từ 31,75 đến 59,02%). Nồng độ khí CH4 cao ghi nhận nghiệm thức rơm cm với giá trị trung bình 48%; thấp nghiệm thức rơm 0,2 cm với giá trị trung bình 41%. Năng suất sinh methane nghiệm thức dao động khoảng 244,6 đến 304,8 L/kg VSphân hủy; cao nghiệm thức rơm cm không khác biệt với nghiệm thức rơm 0,5 cm rơm 0,2 cm khác biệt so với nghiệm thức rơm 0,05 cm rơm không cắt (p[...]... phần trăm khí CH4 sau 45 ngày cao nhất - Xác định kích cỡ rơm cho năng suất sinh khí CH4 (L/Kg VSphân nhất hủy) cao Nội dung nghiên cứu: - Bố trí thí nghiệm theo mẻ để đánh giá ảnh hưởng của các kích cỡ rơm nghiền nhỏ phối trộn phân heo lên khả năng sinh khí biogas - Theo dõi diễn biến các yếu tố môi trường của mẻ ủ (nhiệt độ, pH, điện thế oxy hóa khử) - Xác định tổng lượng khí và thành phần khí (CH4,... tài Đánh giá ảnh hưởng của các kích cỡ rơm nghiền nhỏ phối trộn phân heo lên khả năng sinh khí sinh học đã được thực hiện với mục tiêu sau: Mục tiêu tổng quát: tận dụng nguồn sinh khối rơm rạ - phế phẩm từ sản xuất nông nghiệp làm nguồn nguyên liệu bổ sung cho sản xuất biogas bên cạnh phân heo ` Mục tiêu cụ thể: - Xác định kích cỡ rơm cho tổng lượng khí CH4 sau 45 ngày cao nhất - Xác định kích cỡ rơm. .. sẽ có chiều hướng sinh khí tốt hơn so với các kích cỡ lớn Việc cắt nhỏ rơm rạ giúp rơm rạ tiếp xúc tốt hơn với vi sinh vật từ đó thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy kỵ khí và tăng khả năng sản xuất khí methane (Hill và Roberts, 1981; Zhang and Zhang, 1999) Tuy nhiên, việc nghiên cứu về kích cỡ rơm nghiền nhỏ như thế nào thì có khả năng sinh khí sinh khí sinh học tốt nhất trong điều kiện thực tế ở đồng... trích dẫn bởi Zhang and Zhang (1999) cho rằng việc cắt nhỏ rơm rạ giúp thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy kỵ khí và tăng khả năng sản xuất khí methane Nghiên cứu của Zhang và Zhang (1999) cho thấy khả năng sinh khí sinh học của rơm rạ tăng 17,5% khi nghiền rơm ở kích thước 10 mm so với rơm không nghiền 2.2 Sơ lược về phân heo Theo số liệu thống kê của Cục Chăn nuôi thì tại thời điểm 01/4/2010, cả nước... lại để chứa khí sinh ra (Hình 3.1 Mô hình bình ủ theo mẻ của thí nghiệm) Nguyên liệu ủ được tính toán trong khoảng 20 ngày và nạp một lần ngay từ đầu, sau đó theo dõi trong khoảng 45 ngày Thực hiện trên 5 loại kích cỡ rơm lần lượt là: kích cỡ  0,05 cm; 0,05< kích cỡ  0,2 cm; 0,2 .  41  42  43  44  KT LUN NGH 47  47  47 U THAM KHO 48 .  42  4. 9  43  4. 10  44  4. 11 Fecal coliform . 33  4. 5  4  35  4. 6  37  4. 7  40  4. 8 