ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬDỤNG NƯỚC ÉP LỤC BÌNH ĐỂ SẢN XUẤT BIOGAS

Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NƯỚC ÉP LỤC BÌNH ĐỂ SẢN XUẤT BIOGAS Lê Hoàng Việt1 ABSTRACT The study aims to evaluate the capacity of biogas production from the sap of Water Hyacinth (WH) The five liters fermentation sets were used to determine the volume of Biogas and methane producing from the sap of WH only and from the sap of WH combined with 5% and 10% pig manure respectively Beside the daily gas volume production, the parameters such as: BOD, COD, EC, pH, …of the input and samples after days, 10 days, 15 days, 20 days of fermentation were determined The results showed that the Biogas production from sap of WH only and the sap of WH combined with 5% and 10% pig manure were 0,317 m3 methane/kg COD removed, 0,31 m3 methane/kg COD; 0,317 m3 methanes/kg COD respectively The conclusion of this study is WH sap is quite suitable for producing Biogas, the effluent from biogas digester should be gone to further treatment to remove the remains organic content Keywords:Biosgas, Water Hyacinth Title: The potential to produce biogas from the sap of Water Hyacinth TÓM TẮT Mục tiêu đề tài nhằm đánh giá khả sản xuất biogas từ nước ép Lục Bình Các thí nghiệm lên men yếm khí (5 lít) sử dụng để xác định thể tích biogas methane sinh từ trình lên men yếm khí nước ép Lục Bình, nước ép Lục bình + 5% phân heo nước ép Lục Bình + 10% phân heo Ngoài thể tích khí sinh hàng ngày, ngày ghi nhận tiêu BOD, COD, EC, pH… nước ép Lục Bình lên men yếm khí Các kết cho thấy lượng biogas sinh từ nước ép Lục Bình, nước ép Lục Bình + 5% phân heo nước ép Lục Bình + 10% phân heo 0,317 m3 methane/kg COD bị loại bỏ, 0,31 m3 methane/kg COD bị loại bỏ 0,317 m3 methane/kg COD bị loại bỏ theo thứ tự Như nước ép Lục Bình thích hợp để sản xuất Biogas, nhiên hàm lượng chất hữu nước ép Lục Bình sau trình lên men yếm cao, cần phải xử lý thêm trước thải môi trường Từ khóa: Lên men yếm khí, Biogas, Lục Bình GIỚI THIỆU Nằm hạ lưu sông Mekong, Đồng Bằng Sông Cửu Long tiếng hệ thống sông, rạch chằng chịt Với diện tích mặt nước lớn điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, Lục Bình, loại thủy sinh thực vật có tốc độ tăng trưởng cao, bùng phát gây trở ngại giao thông thủy làm nơi cư trú cho côn trùng gây bệnh Để giải vấn đề này, người áp dụng nhiều biện pháp để kiểm soát phát triển Lục Bình bao gồm: biện pháp sinh học, biện pháp hóa học hay biện pháp học Các biện pháp có số bất lợi như: tốn thời gian chi phí cao, ảnh hưởng đến môi trường sức khỏe người không tận dụng giá trị Lục Bình Nhiều nghiên cứu tiến hành để tận dụng Lục Bình để sản xuất Biogas sợi thực vật Đề tài tiến hành thí nghiệm nhằm đánh giá khả sử dụng nước ép Lục Bình để sản xuất Biogas Bộ Môn Kỹ thuật Môi trường, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ 81 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP Thí nghiệm tiến hành từ 31 tháng 12 năm 2002 đến 31 tháng 01 năm 2003 phòng thí nghiệm Trung Tâm Kỹ Thuật Môi Trường Năng Lượng Mới thuộc Khoa Công nghệ Đại Học Cần Thơ 48 thí nghiệm lên men yếm khí (thể tích lít, xem Hình 1) sử dụng để đánh giá khả sản xuất Biogas methane từ nước ép Lục Bình Do số lượng Lục Bình thay đổi theo mùa, để bảo đảm hệ thống sau hoạt động ổn định mùa Lục Bình tiến hành đánh giá khả sản xuất Biogas hỗn hợp nước ép Lục Bình phân heo (một loại vật liệu dễ tìm) Hình 1: Bộ thí nghiệm lên men yếm khí Thí nghiệm bố trí theo thể thức hoàn toàn ngẫu nhiên với nghiệm thức Bảng1: Bố trí thí nghiệm Số Loại nguyên liệu ủ Nước ép Lục Bình Nước ép Lục Bình + 5% phân heo Nước ép Lục Bình + 10% phân heo Bùn từ hầm ủ Biogas để tạo nguồn vi sinh vật 0.3 L 0.3 L 0.3 L Tổng thể tích đưa vào ủ 3L 3L 3L Số lần lặp lại + 8* + 8* + 8* * dùng để đo Biogas + dùng để đo methane Thể tích khí sinh hàng ngày (biogas methane) đo vào – sáng Mỗi 05 ngày lấy mẫu để phân tích tiêu BOD5(nhu cầu oxy sinh hóa), COD(nhu cầu oxy hóa học), pH, total P, TKN(tổng ni tơ phân tích theo phương pháp Kjeldahl), N-NH4+, NO3-, SS (chất rắn lơ lửng) Thời gian biểu thu mẫu ấn định sau: Bắt đầu thí nghiệm: mẫu đầu vào Ngày Lấy mẫu: nghiệm thức 04 Lấy mẫu: nghiệm thức 02 Lấy mẫu: nghiệm thức 02 10 15 Lấy mẫu: nghiệm thức 02 20 Hình 2: Thời gian thu mẫu Mẫu phân tích phòng thí nghiệm Trung Tâm Kỹ Thuật Môi Trường Năng Lượng Mới theo qui trình phân tích hướng dẫn “Standard Method for the Examination of Water and Wastewater” (AWWA, 1995) 82 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ Để thống kê suất sinh khí sử dụng chuỗi số liệu hoạt động đủ 20 ngày (04 chuỗi cho Biogas, 04 chuỗi cho methane) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các điều kiện môi trường trình tiến hành thí nghiệm Một số đặc điểm vật liệu đưa vào ủ trình bày Bảng Bảng 2: Đặc tính vật liệu đưa vào ủ BOD5 (mg/L) 7140 Nghiệm thức Nghiệm thức Nước ép Lục Bình Nghiệm thức 9180 Nước ép Lục Bình + 5% phân heo Nghiệm thức 13825 Nước ép Lục Bình +10% phân heo Bùn hầm ủ Biogas dùng để 5610 tạo nguồn vi sinh vật COD (mg/L) 13280 pH 6.3 Total P (mg/L) 196 Total N (mg/L) 504 SS (mg/L) 2904 21420 6.2 234 784 4642 34680 6.3 401 1442 19162 18072 7.1 234 1634 - Các yếu tố ảnh hưởng đến trình phát triển vi sinh vật dưỡng chất (N P) and pH Theo tài liệu tham khảo, tỉ lệ BOD:N:P tốt cho vi sinh vật 100:5:1 pH thuận lợi cho trình phát triển vi sinh vật - So sánh với số liệu ghi nhận bảng 3.1, ta kết luận vật liệu ủ tất nghiệm thức có đủ dưỡng chất cho trình tăng trưởng vi sinh vật Kết đo pH mẫu lấy cách khoảng ngày cho thấy pH nằm khoảng - 9, gần mức trung tính Như vậy, pH trình ủ hoàn toàn thuận lợi cho vi sinh vật yếm khí pH 5 NT Giới hạn ngày NT hạn Giới NT Hình 3: pH vật liệu ủ trình thí nghiệm 83 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ 3.2 Năng suất sinh khí Thể tích Biogas methane sinh từ nghiệm thức ghi nhận sau: 14000 Thể tích khí(mL) 12000 10000 8000 Biogas 6000 Methane 4000 2000 Nghiệm thức Hình 4: Tổng thể tích khí sinh 20 ngày thí nghiệm Kết cho thấy tổng thể tích khí sinh từ nghiệm thức nhỏ tổng thể tích khí sinh từ nghiệm thức Điều hoàn toàn hợp lý hàm lượng chất hữu nghiệm thức thấp hàm lượng chất hữu nghiệm thức & Tỉ lệ methane Biogas (hàng ngày) nghiệm thức biến thiên từ 53-88%; khí nghiệm thức 66 – 87% nghiệm thứ 55 – 88 % Thể tích Biogas methane sinh hàng ngày nghiệm thức biểu diễn đồ thị sau: 800 Thể tích khí (mL) 700 600 500 400 300 200 100 11 13 15 17 Ngày Biogas Methane Hình 5: Thể tích khí sinh hàng ngày nghiệm thức 84 19 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ Thể tích khí (mL) 800 600 400 200 11 13 15 17 19 Ngày Biogas Methane Hình 6: Thể tích khí sinh hàng ngày nghiệm thức Thể tích khí (mL) 1200 1000 800 600 400 200 11 13 15 17 19 Ngày Biogas Methane Hình 7: Thể tích khí sinh hàng ngày nghiệm thức Từ đồ thị cho thấy thể tích khí sinh hàng ngày biến động Nguyên nhân biến động thành phần vât liệu ủ phức tạp, thành phần có khả phân hủy sinh học khác Mỗi thành phần tạo nên đỉnh đồ thị đến lượt bị phân hủy sinh học Các kết cho thấy lượng khí sinh hàng ngày nghiệm thức có bổ sung phân heo lớn nghiệm thức có nước ép Lục Bình Ở cuối thí nghiệm khả sinh khí nghiệm thức nghiệm thức cao khả sinh khí nghiệm thức giảm đáng kể (Hình & 9) 85 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ Thể tích Biogas (mL) 1300 1100 900 700 500 300 100 11 13 15 17 19 Ngày Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Hình 8: So sánh lượng Biogas sản sinh hàng ngày nghiệm thức Thể tích Methane (mL) 700 600 500 400 300 200 100 11 13 15 17 19 Ngày Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Hình 9: So sánh lượng methane sản sinh hàng ngày nghiệm thức Hiệu xử lý chất hữu nước thải tính theo BOD5 COD ghi nhận Bảng Bảng 3: Hiệu xử lý chất hữu nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức 86 BOD5 (mg/L) Đầu vào ngày 7140 5355 9180 7677 13825 12768 COD (mg/L) Đầu vào ngày 13280 10385 21420 18030 34680 31110 10 ngày 5068 7492 11475 15 ngày 3825 6528 9690 20 ngày 1403 3570 8670 Phân hủy 5737 (80%) 5610 (61%) 5155 (37%) 10 ngày 8080 15631 28540 15 ngày 7350 14105 26990 20 ngày 6375 12355 24960 Phân hủy 6905 (52%) 9065 (42%) 9720 (28%) Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ 14000 BOD5 (mg/L) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 Ngày Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức 35000 COD (mg/L) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 Ngày Nghiệm thức Nghiệm thức Nghiệm thức Hình 10: Sự thay đổi BOD5 COD nước thải thí nghiệm % COD lại sau xử lý 80 70 60 50 40 30 20 10 Nghiệm thức Hình 11: Phần trăm COD lại sau trình xử lý Lượng chất hữu vật liệu ủ giảm xuống đáng kể trình xử lý (Bảng Hình 10) Tổng lượng COD (số tuyệt đối) bị phân hủy nghiệm thức nghiệm thức cao nghiệm thức 1, đó, lượng khí sinh từ nghiệm thức nghiệm thức cao nghiệm thức Tuy nhiên, cuối đợt thí nghiệm lượng chất hữu nghiệm thức cao (Hình 11) Điều cho thấy thời gian lưu tồn nước chọn cho thí nghiệm chưa đủ dài Trong trình xử lý, có biến đổi dạng đạm vật liệu ủ từ dạng đạm hữu sang đạm amôn ngược lại kết trình thủy phân đồng hóa vi sinh 87 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ vật Tuy nhiên, tổng lượng đạm (TKN + N-NO3-) giảm dần thất thoát chúng chuyển thành khí NH3 Các kết cho thấy tổng lượng đạm thất thoát sau 20 ngày tương đối cao so với số tài liệu 1600 Tổng đạm (mg/L) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 15 20 Ngày NT NT NT Hình 12: Sự thay đổi hàm lượng đạm tổng số trình ủ % đạm tổng số thất thoát 35 30 25 20 15 10 NT Hình 13: Phần trăm đạm tổng số vật liệu ủ thất thoát trình lên men yếm khí KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết cho phép kết luận sau: - Nước ép Lục Bình hoàn toàn thích hợp để sản xuất Biogas - Nước ép Lục Bình kết hợp với phân heo tỉ lệ 5% 10% cho suất sinh khí cao trường hợp sử dụng nước ép Lục Bình - Thời gian tồn lưu nước sử dụng thí nghiệm (20 ngày) ngắn so với thời gian cần thiết để phân hủy vật liệu ủ này, đó, hàm lượng COD nước thải đầu cao - Tổng lượng đạm thất thoát trình ủ biến thiên từ 25.4% (ở NT 1) đến 31.8% (NT 3) Để khai thác thêm lượng chất hữu vật liệu ủ nên thiết kế hầm ủ có thời gian lưu tồn nước lớn 20 ngày (loại giá bám) Trong thời điểm không đủ Lục Bình để vận hành hầm ủ bổ sung phân heo để trì công suất 88 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2004: 82-90 Trường Đại học Cần Thơ hầm ủ Nước thải từ hầm ủ nên xử lý tiếp ao Lục Bình hay ao cá để tận dụng lại chất hữu sót lại đạt tiêu chuẩn để thải vào môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO Bagnall, L.O., T.D.S Furman, J.F Hentges, W.J Nolan and R.L Shirley Feed and Fiber from Effluent-Grown Water Hyacinth Environmental Protection Technology Series: EPA-660/2-74041 Washington, D.C 1974 Chongrak Polprasert Organic Waste Recycling John Willey & Sons 1989 DeBusk, T.A.,L.D Williams, and J.H Ryther Growth and Yields of the Freshwater Weed Eichornia Crassipes (Water Hyacinth), Lemna minor (duckweed) and Hydrilla verticillata In Cultivation of Macroscopic Marine Algae and Freshwater Aquatic Weed (ed by J.H Ryther) US Department of Energy, Washington, D.C 1977 Dingers, R Development of Water Hyacinth Wastewater Treatment Systems in Texas In Agriculture Systems for Wastewater Treatment- Seminar Proceeding and Engineering Assessment Report No EPA 430/9-8—006 US Environmental Protection Agency, Washington, D.C 1979 George Tchobanoglous, Frankin L Burton Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse McGrawhill Inc 1991 Gopal, B And K.P Sharma, K.P Water Hyacinth the most Troublesomes Weed of the World Hindasia Publishers, Delhi 1981 Pescod, M.P Wastewater Treatment and Use in Agriculture FAO Irrigation and Drainage Paper 1992 Wolverton, B.C., R.C McDonald and J Gordon Bioconversion of Water Hyacinth into Methane Gas: Part I NASA Technical Memorandum, TM-X-72725 National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C 1975 Wolverton, B.C and R.C McDonaldWater Hyacinth for Upgrading Sewage Lagoon to Meet Advanced Wastewater Treatment Standards, Part I NASA Technical Memorandum, TM-X-72729 National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C 1975 Wolverton, B.C and R.C McDonald Water Hyacinth for Upgrading Sewage Lagoon to Meet Advanced Wastewater Treatment Standards, Part II NASA Technical Memorandum, TM-X72730 National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C 1976 Wolverton, B.C and R.C McDonald Water Hyacinth (Eichornia Crassipes) Productivity and Harvesting Study Econ Bot., 33, 1-10 1978 89