Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Cơng nghệ Mơi trường: 36 (2015): 27-35 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG RƠM VÀ LỤC BÌNH TRONG Ủ YẾM KHÍ BÁN LIÊN TỤC - ỨNG DỤNG TRÊN TÚI Ủ BIOGAS POLYETHYLENE VỚI QUY MƠ NƠNG HỘ Trần Sỹ Nam1, Huỳnh Văn Thảo1, Huỳnh Cơng Khánh1, Nguyễn Võ Châu Ngân1, Nguyễn Hữu Chiếm1, Lê Hồng Việt1 Kjeld Ingvorsen2 Khoa Mơi trường & Tài ngun Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ Department of Bioscience, Aarhus University, Denmark Thơng tin chung: Ngày nhận: 29/11/2014 Ngày chấp nhận: 26/02/2015 Title: Evaluation the possibility of using rice straw and water hyacinth in semi continuous anaerobic fermentation the application on farm scale polyethylene biogas digesters Từ khóa: Ủ yếm khí, ứng dụng biogas, lục bình, rơm, túi ủ biogas polyethylene Keywords: Anaerobic fermentaion, biogas application, water hyacinth, rice straw, polyethylene biogas digester ABSTRACT The experiment was carried out in five polyethylene (PE) digesters each of them either contains 100% pig manure (100%PH), 100% water hyacinth (100%LB), 100% rice straw (100%RO), 50%LB+50%PH, or 50%RO+50%PH with anaerobic fermentation volume of 4.24 m3 and monitoring period of 60 days The results showed that 100%RO and 100%LB digesters had short operation time (23 and 27 days, respectively) in comparison with 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH and 100%PH digesters (60 days) In term of total cumulative biogas volume, the study illustrated that there was no difference between 50%LB+50%PH; 50%RO+50%PH and 100%PH digesters (cumulative biogas volume of 55.3; 56.0 and 59.8 m3, respectively) However, it was higher than 100%LB and 100%RO digesters (cumulative biogas volume of 19.0 and 21.0 m3, respectively) Digesters that used completely water hyacinth and rice straw as the input substrates had the problems of short duration, cumulative total volatile fatty acids (TVFAs), pH drop, floating of rice straw and water hyacinth in the digester The study proved that pig manure could be replaced by rice straw and water hyacinth in the level of 50% (base on VS) in case of lacking input substrates It is highly recommended that pH, cumulative TVFAs, floating of rice straw and water hyacinth in the digester need to be studied in the research of using rice straw and water hyacinth for biogas production TĨM TẮT Thí nghiệm thực với năm túi ủ polyethylene (PE) bao gồm 100% phân heo (100%PH); 100% lục bình (100%LB); 100% rơm (100%RO), 50%LB+50%PH; 50%RO+50%PH với thể tích ủ yếm khí 4,24 m3, theo dõi 60 ngày Kết nghiên cứu cho thấy túi ủ nạp 100%RO 100%LB có thời gian vận hành thấp (lần lượt 23 27 ngày) so với có phối trộn 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH túi nạp 100%PH (60 ngày) Về tổng lượng khí tích dồn 60 ngày, nghiên cứu cho thấy khơng có khác biệt lớn tổng thể tích khí biogas sinh túi 50%LB+50%PH; 50%RO+50%PH 100%PH (với giá trị 55,3; 56,0 59,8 m3), cao so với 100%LB 100%RO (lần lượt 19,0 21,0 m3) Các túi ủ sử dụng hồn tồn rơm lục bình gặp trở ngại thời gian sử dụng ngắn, tích tụ tổng axit béo bay (TVFAs), pH giảm, rơm lục bình dễ bị mẻ ủ Nghiên cứu cho thấy sử dụng nguồn ngun liệu rơm lục bình để nạp vào túi ủ mức thay 50% (theo VS) giai đoạn thiếu nguồn chất thải Sự giảm pH, tích lũy TVFAs, rơm lục bình túi ủ yếu tố cần theo dõi nghiên cứu ứng dụng rơm lục bình để sản xuất khí sinh học 27 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Cơng nghệ Mơi trường: 36 (2015): 27-35 khả sinh khí rơm, lục bình phân heo ủ yếm khí bán liên tục túi ủ polyethylene (PE) thực nhằm ứng dụng việc bổ sung rơm, lục bình để sản xuất khí sinh học điều kiện thực tế nơng hộ GIỚI THIỆU Ở Việt Nam, cơng nghệ khí sinh học nghiên cứu từ năm 1960 đến ứng dụng phát triển rộng rãi (Nguyễn Quang Khải Nguyễn Gia Lượng, 2010) Trong năm gần đây, hiệu hầm/túi ủ biogas ngày khẳng định khơng việc xử lý an tồn chất thải chăn ni, mà tạo nguồn lượng thay lượng hóa thạch, cung cấp chất đốt phục vụ cho nhu cầu đun nấu, thắp sáng,… Tuy nhiên, nơng dân chăn ni Đồng sơng Cửu Long (ĐBSCL) tình trạng tự phát, thường ni khơng liên tục ngừng ni khơng có lợi nhuận, điều gây bất lợi đến mơ hình biogas hoạt động Đối với hộ chăn ni với quy mơ nhỏ mơ hình túi ủ biogas áp dụng phổ biến giá thành thấp, vận hành bảo trì đơn giản Những nghiên cứu gần cho thấy rơm lục bình sử dụng làm nguồn ngun liệu bổ sung cho q trình sản xuất khí sinh học (Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012; Trần Sỹ Nam et al., 2014) Mặc dù vậy, đa số nghiên cứu thực theo phương pháp ủ theo mẻ điều kiện phòng thí nghiệm Nghiên cứu đánh giá Bảng 1: Thành phần hóa học ngun liệu Loại ngun liệu Rơm Lục bình Phân heo 2.2 Bố trí thí nghiệm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chuẩn bị vật liệu nghiên cứu Rơm thu từ nơng hộ trồng lúa quận Bình Thủy – Tp Cần Thơ với giống lúa IR50404 trồng vụ Đơng Xn Rơm sau thu hoạch phơi khơ ánh nắng mặt trời sau cắt ngắn thành đoạn khoảng 10 cm Lục bình sử dụng thí nghiệm thu kênh, rạch khu vực ấp Mỹ Phụng – xã Mỹ Khánh – huyện Phong Điền – Tp Cần Thơ Lục bình loại bỏ phần rễ, sau cắt ngắn thành đoạn khoảng 10 cm Phân heo thu gom từ hộ chăn ni heo, mẫu phối trộn đồng trước nạp vào túi ủ Tất ngun liệu thu mẫu đại diện để phân tích số đặc điểm hóa học (Bảng 1) Chất rắn bay (VS) / tổng chất rắn (TS) (%) 88,50 84,70 79,68 Thí nghiệm bố trí điều kiện thực tế nơng hộ, túi ủ biogas sử dụng loại polyethylene (PE) (Hình 1), túi ủ bố trí với nghiệm thức: (1) nạp hồn tồn 100% phân heo (100%PH), (2) nạp hồn tồn 100% lục bình (100%LB), (3) nạp hồn tồn 100% rơm (100%RO), (4) nạp 50% lục bình 50% phân heo (50%LB+50%PH) (5) nạp 50% rơm 50% phân heo (50%RO+50%PH) Tỷ lệ %C %N C/N 51,33 0,58 88,50 49,13 1,81 27,14 46,22 1,94 23,82 ngun vật liệu tính dựa hàm lượng chất rắn bay (VS), thường xem hàm lượng chất hữu có vật liệu Thí nghiệm bố trí theo phương pháp nạp bán liên tục, lượng nạp ngày kgVS.m-3 túi ủ PE (Hình 1) 60 ngày Nước thải từ túi ủ biogas sử dụng để ngâm rơm lục bình trước nạp Phương pháp phân tích mẫu thiết bị sử dụng thí nghiệm trình bày Bảng 28 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Cơng nghệ Mơi trường: 36 (2015): 27-35 Hình 1: Mơ hình ủ yếm khí bán liên tục túi ủ PE Bảng 2: Phương pháp phân tích thiết bị sử dụng phân tích Chỉ tiêu pH Tổng hàm lượng axit béo bay (TVFAs) TS (g/L) VS (%) Tổng thể tích khí (lít) Thành phần khí (%) Phương pháp phân tích Đo trực tiếp máy đo pH Thiết bị Máy đo pH HM-3IP – DKK TOA (Nhật) HPLC – Thermo Scientific Dionex – Model: Ultimate 3000 với đầu dò UV RI Cột phân tích: Bio-rad HPX- 87H Sắc ký lỏng cao áp (HPLC) Sấy khơ đến trọng lượng khơng đổi 105oC (APHA, 1998) Nung 550oC (APHA, 1998) Tủ sấy mẫu ISUZU (Nhật) Cân điện tử Sartorius CP 324 lò vơ hóa Lenton 550oC Xác định máy đo thể tích khí Đồng hồ đo khí RITTER - TG 02, Đức Đo máy xác định thành phần khí Biogas 5000, Geo-technology, Anh 2.3 Phương pháp tính tốn xử lý số liệu 2.3.1 Phương pháp tính tốn Kết nghiên cứu cho thấy túi ủ nạp 100%RO 100%LB có thời gian vận hành thấp nhiều so với nghiệm thức có phối trộn 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH túi nạp 100%PH (Bảng 3) Với lượng nạp 1KgVS ngày-1 túi ủ nạp 100%RO vận hành đến ngày 23 khơng thể nạp ngun liệu tiếp tục Tương tự túi ủ nạp 100%LB vận hành đến ngày 27 Trong đó, túi ủ 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH 100%PH vận hành liên tục ngày thứ 60 mà khơng gặp trở ngại Do rơm lục bình loại ngun liệu có độ xốp cao, chiếm thể tích lớn nên nạp vào túi dễ gây tượng đầy túi, khơng thể nạp tiếp tục Đây ngun nhân gây hạn chế cho việc tạo khí sinh học từ ngun liệu sinh khối mà đặc biệt từ rơm lục bình Khi kết thúc thí nghiệm nghiệm thức 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH 100%PH nạp 254 KgVS khả tiếp nhận thêm vật liệu mới, đó, túi 100%RO 100%LB nạp 98 115KgVS Năng suất sinh khí tính dựa cơng thức: H = ∑Vt / (W x D) Trong đó: + H: suất sinh khí (Lít.KgVSnạp-1.ngày -1) + ∑Vt: tổng thể tích khí sinh thời điểm t (Lít) + W: trọng lượng ngun liệu nạp tính VS (Kg) + D: tổng thời gian nạp ngun liệu (ngày) 2.3.2 Phương pháp xử lý số liệu Số liệu tính tốn xử lý phần mềm Microsoft Excel 2013 Vẽ đồ thị phần mềm Sigmaplot 10.0 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thời gian vận hành túi ủ 29 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Cơng nghệ Mơi trường: 36 (2015): 27-35 Kết nghiên cứu cho thấy thể tích khí biogas sinh ngày nghiệm thức có xu hướng tăng dần ổn định sau 30 ngày đầu thí nghiệm Qua biểu đồ sinh khí ngày nghiệm thức 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH túi nạp 100%PH thấy rõ giai đoạn sinh khí nghiệm thức Giai đoạn đầu (từ ngày đến ngày 13) nghiệm thức sinh khí chậm, sau lượng khí sinh ngày tăng nhanh đến ngày thứ 30, từ ngày 30 đến kết thúc lượng khí sinh ngày giữ mức cao ổn định (Hình 2) Bảng 3: Khả vận hành túi ủ biogas với ngun liệu nạp khác Nghiệm thức 100%LB 50%LB+50%PH 100%RO 50%RO+50%PH 100%PH Lượng VS nạp (Kg) 115 254 98 254 254 Thời gian vận hành (ngày) 27 60 23 60 60 3.2 Thể tích khí sinh ngày tổng lượng khí tích dồn 100%PH 100%RO 50%RO+50%PH 100%LB 50%LB+50%PH Thể tích khí biogas sinh ngày (m ) 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 10 20 30 40 Thời gian (ngày) 50 60 Hình 2: Thể tích khí biogas sinh ngày nghiệm thức 5,39) ngun nhân làm giảm khả sinh khí túi ủ Theo Ward et al., (2008), pH thấp gây ảnh hưởng bất lợi cho q trình sinh khí pH thấp 5,5 hạn chế q trình sinh khí mêtan sản lượng khí mêtan bị giảm khoảng 75% (Ward et al., 2008; Jain Mattiasson, 1998) Bên cạnh đó, q trình vận hành túi ủ cho thấy, rơm lục bình dễ bị lên lớp mặt hỗn hợp ủ làm vật liệu bị khơ, ảnh hưởng đến q trình phân hủy vật liệu Trong đó, hai nghiệm thức 100%RO 100%LB có lượng khí biogas sinh ngày thấp nhiều so với nghiệm thức lại Điều lý giải thời gian vận hành nạp ngun liệu nghiệm thức thấp (Bảng 3) nên lượng khí biogas sinh ngày thấp Trong thời gian đầu, nghiệm thức có lượng nạp thấy rõ hai nghiệm thức 100%RO 100%LB có lượng khí biogas sinh ngày thấp Giá trị pH túi ủ hai nghiệm thức thấp (lần lượt 4,88 30 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Cơng nghệ Mơi trường: 36 (2015): 27-35 100%PH 100%RO 50%RO+50%PH 100%LB 50%LB+50%PH 50 Tổng lượng khí tích dồn (m ) 60 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 Thời gian (ngày) Hình 3: Tổng lượng khí biogas tích dồn nghiệm thức Kết tổng lượng khí biogas tích dồn tính đến 60 ngày trình bày Hình cho thấy lượng khí biogas tích dồn nghiệm thức 100%LB 100%RO (lần lượt 19,0 21,0 m3) thấp so lượng khí tích dồn nghiệm thức 50%LB+50%PH, 50%RO+50%PH 100%PH (lần lượt 55,3; 56,0 59,8 m3) Kết cho thấy túi ủ nạp với ngun liệu phối trộn (rơm/lục bình với phân heo) có lượng khí sinh tương đương với túi ủ nạp 100%PH Trong đó, túi ủ nạp với 100%RO 100%LB có tổng lượng khí sinh thấp (Hình 3) Kết nghiên cứu cho thấy, giai đoạn từ ngày 30 đến ngày 60 giai đoạn sinh khí chủ yếu túi ủ với 2/3 lượng khí túi ủ sinh giai đoạn Ye et al (2013) nghiên cứu phối hợp chất thải nhà bếp phân heo để sản xuất khí sinh học cho thấy việc phối trộn làm gia tăng suất sinh khí 71,67% 10,41% so với sử dụng 100% chất thải nhà bếp 100% phân heo Chandra et al (2012) Raposo et al (2011) tổng hợp nhiều nghiên cứu sản xuất khí sinh học khuyến cáo nên phối trộn nguồn ngun liệu nạp khác để có hiệu suất sinh khí biogas tốt Nghiên cứu cho thấy việc phối trộn rơm lục bình với phân heo tỷ lệ nạp 50:50 (tính theo VS) kéo dài thời gian vận hành túi ủ, cung cấp tổng thể tích khí nhiều so với việc nạp 100%LB 100%RO gần tương đồng với tổng thể tích khí sau 60 ngày nghiệm thức 100%PH Điều cho thấy thời gian thiếu hụt nguồn ngun liệu từ phân heo giai đoạn tái đàn, ngưng sản xuất dịch bệnh giá thị trường xuống thấp việc bổ sung rơm lục bình giúp cho nguồn biogas trì ổn định 3.3 Năng suất sinh khí nghiệm thức Kết nghiên cứu cho thấy suất sinh khí (NSSK) nghiệm thức sau 60 ngày thí nghiệm dao động khoảng từ 166 – 232 lít.KgVSnạp-1 Trong đó, nghiệm thức nạp 100%LB 100%RO cho suất sinh khí 166 215,4 lít.KgVSnạp-1 Mặc dù, có thời gian vận hành thấp (23 ngày) tính suất sinh khí ngun liệu nạp nghiệm thức 100%RO, 50%LB+50%PH, 50%RO+50%PH 100%PH (với suất sinh khí 215, 220, 217, 232 lít.KgVSnạp-1), chênh lệch khơng lớn (