Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình

Nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu bổ sung cho hầm ủ khí sinh học là một giải pháp giúp duy trì ổn định quá trình sinh khí của mô hình trong trường hợp th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TNTN

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGs Ts NGUYỄN HỮU CHIẾM Prof Dr KJELD INGVORSEN

2016

i

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin được chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến người hướng dẫn khoa học Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hữu Chiếm - Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ; Tiến sĩ Kjeld Ingvorsen – Trường Đại học Aarhus – Đan Mạch đã tận tình hướng dẫn, động viên và góp ý về chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án tiến sĩ

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả quí thầy cô đã giảng dạy, hướng dẫn học thuật cho tôi trong suốt quá trình học tập ở bậc đại học, bậc cao học và nghiên cứu sinh

Chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, cùng tất cả các thầy cô trường Đại học Cần Thơ đã cung cấp kiến thức chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Khoa học Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành tốt luận án tiến sĩ Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn sinh viên, học viên đã hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực hiện các nghiên cứu

Cảm ơn cha mẹ, gia đình đã hết lòng thương yêu và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính của dự án SubProM – tài trợ bởi

tổ chức DANIDA – Đan Mạch để tôi có thể hoàn thành tốt luận án tiến sĩ

từ không cắt đến 1cm không ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu Phối trộn rơm và phân heo với tỷ lệ 50% cho năng suất sinh khí mê-tan cao hơn các tỷ lệ phối trộn khác Trong khi đó đối với lục bình thì tỷ lệ phối trộn này là

từ 40% đến 60%

Nghiên cứu trên mô hình ủ yếm khí bán liên tục cho thấy không có sự tích lũy các a-xít béo bay hơi (VFAs), thành phần của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric, succinic, acrylic, fumaric, formic, malic, glucose và ethanol trong đó thành phần chính của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric Vai trò của khuấy trộn nguyên liệu chỉ thể hiện rõ khi lượng nguyên liệu nạp trong bình ủ tăng, khuấy trộn làm gia tăng lượng khí tích dồn nhưng lượng tăng không lớn Không có sự khác biệt về năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức có và không có khuấy trộn khi sử dụng rơm và phân heo làm nguyên liệu nạp nhưng khác biệt rõ ở các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp Nghiên cứu ứng dụng trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) cho thấy có thể sử dụng rơm

và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mô nông hộ mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi

so với túi ủ truyền thống nạp hoàn toàn bằng phân heo Tỷ lệ nạp 100% rơm và 100% lục bình cho thấy túi ủ chỉ có thể tiếp nhận nguyên liệu nạp trong thời gian ngắn, túi mau đầy, khối lượng nạp không cao, nguyên liệu dễ bị nổi Ngoài

ra, pH giảm thấp, sự tích lũy VFAs cao cũng là một trong các hạn chế ảnh hưởng đến thời gian vận hành, khả năng sinh khí của các túi ủ này

Nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu bổ sung cho hầm ủ khí sinh học là một giải pháp giúp duy trì ổn định quá trình sinh khí của mô hình trong trường hợp thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp, đồng thời nâng cao hiệu suất sinh khí Cần nghiên cứu cải tiến túi ủ biogas cho phù hợp với nguyên liệu nạp là rơm và lục bình, khắc phục hiện tượng vật liệu bị nổi trong túi ủ

Từ khóa: ủ yếm khí, khí sinh học, rơm, lục bình, a-xít béo bay hơi, túi ủ PE

iii

ABSTRACT

The results showed the estimated quantity of rice straw in the Mekong Delta annually was very large; however, the rice straw was not use effectively and most of them were burned directly on the fields This action caused wasting the abundant agricultural biomass and emitted large amount of CO2, CO, NOx

into the atmosphere On the other hand, water hyacinth grows well in fish pond, small irrigation canals or irrigation ponds Water hyacinth is a potential biomass with the increasing dried weight after 6 weeks was 634, 804 and 603 gDM/m2in fish ponds, small irrigation canals or irrigation ponds, respectively

In case, using water hyacinth for biogas production, the increasing of water hyacinth from 62 – 156 m2 can produce 300 – 500 L biogas.day-1 The results showed that pre-treated rice straw and water hyacinth by dark anoxic sediment and biogas digester effluent was the methods that can be apply before loading into the digesters Rice straw and water hyacinth in size from 1cm to un-cut not strongly affected on biogas production Mixing 50% of rice straw with pig manure resulted in higher methane yield in comparison with other ratio, while the ratio for water hyacinth ranged from 40% to 60%

The semi-continuous anaerobic co-digestion experiment showed that the volatile fatty acids (VFAs) were not cumulated during the fermentation process, the components of VFAs were acetic acid, propionic acid, butyric acid, succinic acid, acrylic acid, fumaric acid, formic acid, malic acid; whereas acetic acid, propionic acid and butyric acid were the main component The role of mixing was clearly express when the reactors content high concentration of substrate, mixing increased just a litter of the cumulative biogas While the biogas yields of rice straw reactors were not significant difference, the water hyacinth reactors were significant difference between mixing and non-mixings The experiment which was carried out in polyethylene (PE) digesters 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; and there was no significant different with biogas production of pig manure The results showed that 100%RS and 100%WH digesters had loaded in short time and low loading capacity, substrate floating In addition, pH drop and cumulative VFAs were one of the factors that influence operation time and biogas production of these digesters

The study proved that rice straw and water hyacinth can be used as the supplementing substrate for biogas production as a solution that can help stabilizing biogas production in case of lacking input substrates and enhance biogas yield It is highly recommended that research on improving the digester comply with rice straw and water hyacinth, reducing floating into the digesters Keywords: anaerobic digestion, biogas, rice straw, water hyacinth, volatile fatty acids, PE digester

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết luận án này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận

án cùng cấp nào khác

Cần Thơ, ngày tháng năm 20

Nghiên cứu sinh

Trần Sỹ Nam

v

MỤC LỤC

Tóm lược ii

Abstract iii

Chương 1: Giới thiệu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu tổng quát 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Giới hạn của đề tài 3

1.5 Ý nghĩa của luận án 3

1.5.1 Về khoa học 3

1.5.2 Về thực tiễn 4

1.6 Những luận điểm khoa học mới của luận án 4

Chương 2: Tổng quan về nghiên cứu 5

2.1 Tổng quan về khí sinh học 5

2.1.1 Khái niệm 5

2.1.2 Thành phần khí sinh học 5

2.1.3 Các quá trình lên men yếm khí 6

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan 9

2.2.1 Nhiệt độ 9

2.2.2 Ẩm độ 10

2.2.3 Kích cỡ nguyên liệu ủ yếm khí 11

2.2.4 Khuấy trộn 12

2.2.5 Thế oxy hóa khử 12

2.2.6 pH 13

2.2.7 Hàm lượng các a-xít béo bay hơi 14

2.2.8 Độ kiềm 15

2.2.9 Độ mặn 15

2.2.10 Ammonia 15

2.2.11 Tỷ lệ cacbon và nitơ 16

2.2.12 Mật độ vi sinh vật 16

2.2.13 Tỷ lệ nạp 17

2.2.14 Thời gian lưu 17

2.2.15 Tiền xử lý nguyên liệu nạp 18

2.2.16 Điều kiện tối ưu và một số chất gây trở ngại 19

vi

2.3 Các nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình ủ yếm khí 20

2.3.1 Nguyên liệu từ chất thải chăn nuôi 20

2.3.2 Nguyên liệu từ phụ phẩm trong nông nghiệp 22

2.4 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ các phụ phẩm nông nghiệp 23

2.4.1 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ rơm 23

2.4.2 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ lục bình 26

2.5 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước 28

2.5.1 Tổng quan nghiên cứu về tiền xử lý nguyên liệu trong ủ yếm khí 29

Thảo luận chung: 31

2.5.2 Tổng quan nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu trong ủ yếm khí 32

Thảo luận chung: 32

2.5.3 Tổng quan nghiên cứu về phối trộn nguyên liệu trong ủ yếm khí 33

Thảo luận chung: 36

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu 37

3.1 Cơ sở lý thuyết 37

3.2 Khảo sát lượng dư thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long 38

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu 38

3.2.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 40

3.3 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau 41

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu 41

3.3.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 42

3.4 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý và kích cỡ của rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học bằng phương pháp ủ theo mẻ 43

3.4.1 Cơ sở lý thuyết 43

3.4.2 Vật liệu nghiên cứu 44

3.4.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 45

3.4.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 48

3.5 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của phân heo, rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ 49

3.5.1 Cơ sở lý thuyết 49

3.5.2 Vật liệu nghiên cứu 50

3.5.3 Nước thải biogas 50

vii

3.5.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 50

3.5.5 Các thông số theo dõi 51

3.5.6 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 51

3.6 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ theo phương pháp bán liên tục 52

3.6.1 Vật liệu nghiên cứu 52

3.6.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 53

3.6.3 Các chỉ tiêu theo dõi 54

3.6.4 Các phương pháp tính toán và xử lý số liệu 54

3.7 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 mô nông hộ 54

3.7.1 Vật liệu nghiên cứu 54

3.7.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 55

3.7.3 Các chỉ tiêu theo dõi 56

3.7.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 57

3.8 Phương pháp phân tích mẫu 57

Chương 4: Kết quả và thảo luận 58

4.1 Ước tính lượng rơm dư thừa và một số biện pháp xử lý rơm ở đồng bằng sông Cửu Long 58

4.1.1 Các hình thức xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long 58 4.1.2 Khuynh hướng xử lý rơm của người dân ở đồng bằng sông Cửu Long 59

4.1.3 Ước tính lượng rơm phát sinh sau thu hoạch 61

4.1.4 Uớc tính lượng khí nhà kính phát thải khi đốt rơm 62

Thảo luận chung: 64

4.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau 64

4.2.1 Đặc điểm môi trường nước trong các thủy vực 64

4.2.2 Sự tăng trưởng của lục bình ở các loại hình thủy vực khác nhau 65

4.2.3 Tiềm năng sử dụng lục bình để sản xuất khí sinh học 70

Thảo luận chung: 70

4.3 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học và kích thước vật liệu rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ 71

4.3.1 Ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học 71

4.3.2 Ảnh hưởng của kích cỡ rơm và lục bình đến khả năng sinh khí sinh học 84

Thảo luận chung: 92

viii

4.4 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo

lên hiệu suất sinh khí biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ 93

4.4.1 Các yếu tố môi trường trong mẻ ủ 93

4.4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn rơm và phân heo lên thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí tích dồn 97

4.4.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lục bình và phân heo lên thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí mê-tan tích dồn 100

4.4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên nồng độ khí mê-tan 102

4.4.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên năng suất khí mê-tan 104

4.4.6 Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ 106 Thảo luận chung: 107

4.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ yếm khí bán liên tục 108

4.5.1 Giá trị pH trong quá trình ủ 108

4.5.2 Nồng độ các a-xít béo bay hơi 108

4.5.3 Thành phần các a-xít béo bay hơi trong hỗn hợp ủ 109

4.5.4 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích mê-tan tích dồn của các nghiệm thức rơm 111

4.5.5 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng mê-tan tích dồn của các nghiệm thức lục bình 112

4.5.6 Nồng độ khí CH4 của các nghiệm thức 113

4.5.7 Năng suất sinh khí mê-tan 115

Thảo luận chung: 117

4.6 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene với quy mô nông hộ 118 4.6.1 Thời gian vận hành túi ủ 118

4.6.2 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng khí mê-tan tích dồn 118

4.6.3 Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức 121

4.6.4 Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức 121

4.6.5 pH và tổng hàm lượng các a-xít béo bay hơi (VFAs) 122

Thảo luận chung: 124

Chương 5: Kết luận và kiến nghị 125

5.1 Kết luận 125

5.2 Kiến nghị 126

Tài liệu tham khảo 127

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sự chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học 7

Hình 2.2: Các giai đoạn trong quá trình hình thành khí sinh học 9

Hình 2.3: Sự phân lớp trong dịch ủ yếm khí 12

Hình 2.4: Sơ đồ tiền xử lý sinh khối ligniocellulosic 18

Hình 3.1: Bản đồ vùng nghiên cứu của các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long 39

Hình 3.2: Mô hình ủ yếm khí theo mẻ 46

Hình 3.3 Mô hình ủ yếm khí bán liên tục không khuấy (a) và khuấy trộn (b) 53

Hình 3.4 Mô hình ủ yếm khí ứng dụng thực tế trên túi ủ PE 56

Hình 4.1: Sự tăng trưởng chiều dài thân của lục bình trên các loại hình thủy vực .66

Hình 4.2: Sự tăng trưởng chiều dài rễ của lục bình trên các loại hình thủy vực 66

Hình 4.3: Sự tăng trưởng số lượng lá của lục bình trên các loại hình thủy vực 67

Hình 4.4: Sự tăng trưởng số chồi của lục bình trên các loại hình thủy vực 68

Hình 4.5: Sự tăng trưởng trọng lượng tươi của lục bình trên các loại hình thủy vực 68

Hình 4.6: Sự tăng trưởng trọng lượng khô của lục bình trên các loại hình thủy vực 69

Hình 4.7: Thời gian nhân đôi của lục bình trên các loại hình thủy vực 69

Hình 4.8 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học 72

rơm (a) và lục bình (b) 72

Hình 4.9: Diễn biến pH của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học 72

rơm (a) và lục bình (b) 72

Hình 4.10: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm (a) và lục bình (b) 73

Hình 4.11: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học 74

rơm (a) và lục bình (b) 74

Hình 4.12: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm sau 60 ngày 75

Hình 4.13: Lượng khí sinh học hàng ngày của các nghiệm thức tiền xử lý rơm 76 Hình 4.14: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn sau 60 ngày của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học lục bình 77

x

Hình 4.15: Lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức 78

tiền xử lý lục bình 78

Hình 4.16: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức tiền xử lý 79

rơm (a) và lục bình (b) 79

Hình 4.17: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b) 81

ở các phương pháp tiền xử lý khác nhau 81

Hình 4.18: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra sau 60 ngày ủ .84

Hình 4.19: Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) 85

với các kích cỡ khác nhau 85

Hình 4.20: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) 85

với các kích cỡ khác nhau 85

Hình 4.21: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức rơm (a) và 86

lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau 86

Hình 4.22: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) 86

với các kích cỡ khác nhau 86

Hình 4.23: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của rơm ở các kích cỡ 87

khác nhau trong 60 ngày 87

Hình 4.24: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ rơm 88

Hình 4.25: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các kích cỡ lục bình 89

Hình 4.26: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các kích cỡ lục bình khác nhau 89

Hình 4.27: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức kích cỡ rơm 91

và lục bình khác nhau 91

Hình 4.28: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b) 92

với các kích cỡ khác nhau 92

Hình 4.29: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các 97

nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo trong 60 ngày 97

Hình 4.30: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo trong 60 ngày 99

Hình 4.31: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các 101

nghiệm thức tỷ lệ lục bình phối trộn với phân heo 101

Hình 4.32: Tổng lượng khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ lục bình 102

xi

phối trộn với phân heo 102

Hình 4.33: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức rơm phối trộn phân heo (a) và lục bình phối trộn phân heo (b) 103

Hình 4.34: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn 105

rơm (a), lục bình (b) với phân heo 105

Hình 4.35: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ của các tỷ lệ rơm, lục bình phối trộn với phân heo 107

Hình 4.36: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) 108

Hình 4.37: Nồng độ VFAs tromg mẻ ủ bán liên tục sử dụng rơm (a) và lục bình (b) 109

Hình 4.38: Diễn biến nồng độ các a-xít béo bay hơi của các nghiệp thức 110

nạp rơm (a) và nạp lục bình (b) 110

Hình 4.39: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp rơm 111

Hình 4.40: Tổng thể tích khí mê-tan của các nghiệm thức nạp rơm 112

Hình 4.41: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp lục bình 113

Hình 4.42: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình 113

Hình 4.43: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng rơm 114

làm nguyên liệu nạp 114

Hình 4.44: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng lục bình 115

làm nguyên liệu nạp 115

Hình 4.45: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng rơm 116

làm nguyên liệu nạp 116

Hình 4.46: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp 117

Hình 4.47: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức 119

Hình 4.48: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức 120

Hình 4.49: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức 121

Hình 4.50: Thành phần khí biogas của các nghiệm thức 122

Hình 4.51: Diễn biến pH của các túi ủ ở đầu vào (A) và đầu ra (B) 123

Hình 4.52: Diễn biến hàm lượng VFAs của các túi ủ 123

xii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần khí biogas được sản xuất từ các nguồn khác nhau 6

Bảng 2.2: Các phản ứng sinh hóa và vi khuẩn tham gia vào quá trình lên men yếm khí 7

Bảng 2.3: Khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của một số vi khuẩn sinh khí mê-tan 10

Bảng 2.4: Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu nạp được tập hợp từ các nguồn khác nhau 16

Bảng 2.5: Các yếu tố môi trường tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan 19

Bảng 2.6: Nồng độ gây ức chế của các chất lên quá trình sinh khí mê-tan 20

Bảng 2.7: Thành phần hóa học của một số loại chất thải chăn nuôi khác nhau .21

Bảng 2.8: Năng suất sinh khí của một số nguồn chất thải khác nhau 21

Bảng 2.9: Khả năng sinh khí của hỗn hợp nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật với chất thải từ các hoạt động chăn nuôi 22

Bảng 2.10: Năng suất sinh khí từ một số sinh khối thực vật 22

Bảng 2.11: Một số đặc điểm hóa học của rơm 24

Bảng 2.12: Tính chất hóa học của rơm (tính trên trọng lượng khô) của 53 giống lúa khác nhau 25

Bảng 2.13 : Sản lượng khí mê-tan của các nguồn chất thải rắn hữu cơ .26

Bảng 2.14: Thành phần hóa học của lục bình 27

Bảng 2.15: Tính chất hóa học của lục bình từ các nguồn khác nhau 27

Bảng 2.16: Tổng hợp các báo cáo về sản lượng khí biogas từ lục bình 28

Bảng 3.1: Đặc điểm các loại hình thủy vực khác nhau 41

Bảng 3.2: Phương pháp chuẩn bị các vật liệu nghiên cứu 44

Bảng 3.3: Đặc tính hóa học của nguyên liệu nạp trong thí nghiệm ủ theo mẻ 45

Bảng 3.4: Các phương pháp chuẩn bị các loại nước tiền xử lý rơm và lục bình 45 Bảng 3.5: Tính chất hóa học các loại nước sử dụng để tiền xử lý vật liệu 46

Bảng 3.6: Lượng nguyên liệu nạp và tỷ lệ phối trộn của các nghiệm thức 47

Bảng 3.7: Lượng nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn và kích cỡ vật liệu nạp 48

Bảng 3.8: Đặc tính hóa học của rơm, lục bình và phân heo sử dụng trong thí nghiệm 50

xiii

Bảng 3.9: Các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo theo các tỷ

lệ khác nhau 51

Bảng 3.10: Đặc điểm hóa học của nguyên liệu nạp – ủ yếm khí bán liên tục 52

Bảng 3.11: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi 52

Bảng 3.12: Các nghiệm thức phối trộn rơm, lục bình với phân heo trong mẻ ủ bán liên tục 53

Bảng 3.13: Thành phần hóa học của nguyên liệu 55

Bảng 3.14: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi sử dụng trong thí nghiệm túi ủ PE trong điều kiện nông hộ 55

Bảng 3.15: Các nghiệm thức bố trí thí nghiệm ứng dụng thử nghiệm trên túi ủ PE trong điều kiện nông hộ 56

Bảng 3.16: Phương pháp phân tích và các thiết bị chính được sử dụng 57

Bảng 4.1: Các hình thức xử lý rơm phổ biến qua các mùa vụ 58

Bảng 4.2: Tỉ lệ hộ dân sử đốt rơm trên đồng ruộng sau thu hoạch 59

Bảng 4.3: Xu hướng xử lý rơm trong những năm tiếp theo 60

Bảng 4.4: Tỉ lệ rơm: lúa vụ Thu Đông và vụ Đông Xuân 61

Bảng 4.5: Sản lượng lúa và ước tính lượng rơm phát sinh 62

Bảng 4.6: Lượng rơm đốt ngoài đồng của các tỉnh và ĐBSCL 63

Bảng 4.7: Lượng phát thải khí nhà kính sau khi đốt rơm của các tỉnh và ĐBSCL 63

Bảng 4.8 Đặc điểm lý – hóa học môi trường sống của lục bình ở các thủy vực khác nhau 65

Bảng 4.9: Mật độ vi sinh vật của mẻ ủ với các loại vật liệu và phương pháp tiền xử lý sau 60 ngày ủ 82

Bảng 4.10: Nhiệt độ trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo 93

Bảng 4.11: Giá trị pH trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo 94

Bảng 4.12: Thế oxy hóa khử trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo 95

Bảng 4.13: Độ kiềm của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo 96

Bảng 4.14: Khả năng vận hành của túi ủ biogas với các nguyên liệu nạp khác nhau 118

xiv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Trong khi đó, rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và có tiềm năng trong sản xuất năng lượng tái tạo Rơm được xem là một chất thải nông nghiệp chủ yếu ở châu Á với sản lượng ước tính khoảng 667 triệu tấn/năm (Yoswathana et al., 2010) Hiện nay, hầu hết các nguồn sinh khối này không được sử dụng và tái sử dụng một cách bền vững Ở một số khu vực, phần lớn rơm được loại bỏ khỏi đồng ruộng bằng cách cày vùi, đốt hoặc được sử dụng để

ủ phân (He et al., 2008; Wati et al., 2007; Vlasenko et al., 1997) – Đây là một

sự lãng phí nguồn hữu cơ rất lớn Đốt rơm trên đồng ruộng là nguồn gây ô nhiễm không khí và chỉ tái cung cấp rất ít các chất dinh dưỡng cho đất, nhưng cũng có thể có hại bằng cách thúc đẩy rửa trôi các chất dinh dưỡng vô cơ quan trọng từ đất (Nguyễn Thành Hối, 2008) Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) và đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là hai vùng sản xuất lương thực quan trọng của Việt Nam 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) (Tổng cục Thống kê, 2014) Tương ứng với diện tích canh tác lúa thì lượng rơm thải bỏ hoặc đốt hàng năm ở đồng bằng sông Cửu Long là rất lớn Bên cạnh rơm, lục bình (LB) được biết đến như là một trong những loài thực vật phát triển nhanh nhất và đã trở thành một trong các loài gây nhiều vấn đề nhất trên thế giới (Gunnarsson and Petersen, 2007) Ở các vùng nhiệt đới, lục bình phát triển dày đặc trên sông, hồ và các kênh rạch; gây hại đời sống thủy sinh, cản trở giao thông đường thủy và nuôi trồng thủy sản (Trần Trung Tính và ctv., 2009) Ở ĐBSCL, lục bình là một loài ngoại lai

có hại và ít có giá trị sử dụng Tuy nhiên, lục bình có hàm lượng lignin thấp và

có hàm lượng cao các cacbon hydrate - đây là một lợi thế cho ủ yếm khí để sản xuất khí sinh học Nhiều nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước đã cho thấy rơm và lục bình có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh

tỷ lệ C/N từ 21,4 – 35 (Moorhead and Nordstedt, 1993; Ofoefule et al.,2009; Nguyễn Trần Tuấn và ctv., 2009; Nguyễn Văn Thu, 2010) và phân heo từ 11,3-22,0 (Huang et al., 2004; Hoàng Thị Thái Hòa và Đỗ Đình Thục, 2010; Nguyễn

Võ Châu Ngân và ctv., 2011) Nhiều nghiên cứu về ủ yếm khí cho rằng tỷ lệ C/N thích hợp là từ 20 – 30 (Kwietniewska and Tys, 2014; Deublein and Steinhauser, 2008; Weiland and Hassan, 2001) Vì vậy, phối trộn các chất thải hữu cơ khác nhau nhằm có tỷ lệ C/N phù hợp là rất cần thiết Sự bổ sung rơm

và lục bình để cải thiện hiệu suất tạo khí sinh học là một giải pháp ở điều kiện ĐBSCL khi thiếu hụt nguồn phân gia súc do dịch bệnh, tái đàn hay giảm quy

mô sản xuất Sự bổ sung này đặc biệt thích hợp để tăng cường khả năng sản xuất năng lượng phi tập trung ở các cộng đồng nông thôn, nơi có nhiều túi ủ khí sinh học qui mô nhỏ đã đi vào hoạt động nhưng kém hiệu quả do sự thiếu hụt về phân gia súc Với tất cả những lý do trên, luận án “Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình” đã được thực hiện

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

 Xác định lượng rơm dư thừa ở đồng bằng sông Cửu Long nhằm làm cơ

sở nghiên cứu sử dụng lượng rơm này cho sản xuất khí sinh học;

 Xác định khả năng tăng trưởng của lục bình và tiềm năng sử dụng nguồn sinh khối này bổ sung cho sản xuất khí sinh học ở nông hộ;

 Tìm (i) phương pháp tiền xử lý sinh học đơn giản, (ii) kích cỡ của nguyên liệu nạp, (iii) tỷ lệ phối trộn rơm/lục bình với phân heo phù hợp để tạo khí sinh học từ rơm và lục bình trong điều kiện in vitro;

 Thử nghiệm sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) ở quy mô nông hộ trong điều kiện in vivo

3

1.3 Nội dung nghiên cứu

1 Phỏng vấn nông hộ trồng lúa về lượng dư thừa rơm, các biện pháp xử lý rơm và thu mẫu rơm, lúa ước tính lượng rơm phát sinh;

2 Bố trí thí nghiệm theo dõi sự tăng trưởng của lục bình ở các thủy vực phổ biến ở nông hộ;

3 Bố trí thí nghiệm theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ trong điều kiện

in vitro để xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý, kích cỡ của rơm và lục bình, tỷ lệ phối trộn lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học;

4 Thực hiện thí nghiệm đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm

và lục bình theo phương pháp nạp bán liên tục trong điều kiện in vitro;

5 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene (PE) ở nông hộ trong điều kiện in vivo

1.4 Giới hạn của đề tài

Nghiên cứu chỉ khảo sát lượng rơm và các biện pháp xử lý sau thu hoạch

ở hai vụ lúa Đông Xuân và Thu Đông ở 04 tỉnh An Giang, Đồng Tháp, Kiên Giang và Cần Thơ Nghiên cứu chỉ tập trung đánh giá ảnh hưởng của các biện pháp tiền xử lý sinh học đơn giản, kích cỡ nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn của rơm/lục bình với phân heo theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ và ủ yếm khí bán liên tục trong điều kiện in vitro; thử nghiệm ứng dụng trên ủ biogas polyethylene (PE) ở nông hộ trong điều kiện in vivo

1.5 Ý nghĩa của luận án

1.5.1 Về khoa học

Các số liệu khoa học của luận án có thể được sử dụng tham khảo cho quá trình giảng dạy và nghiên cứu về khí sinh học từ rơm và lục bình Luận án đã cung cấp các số liệu khoa học về năng suất sinh khí của rơm và lục bình trong điều kiện được tiền xử lý sinh học khác nhau, kích cỡ nguyên liệu và trong điều kiện phối trộn với phân heo ở các tỷ lệ khác nhau Kết quả nghiên cứu của luận

án đã cho thấy quá trình tiền xử lý rơm và lục bình bằng nước thải biogas đẩy nhanh quá trình sinh khí, cải thiện năng suất sinh khí của vật liệu Kích cỡ của rơm và lục bình trong nghiên cứu của luận án không ảnh hưởng lớn đến quá trình tạo khí sinh học và năng suất sinh khí của vật liệu Đã xác định được tỷ lệ phối trộn của rơm/lục bình và phân heo là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tạo khí sinh học của vật liệu Kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy khả

4

năng sinh khí của rơm và lục bình trong quá trình ủ yếm khí bán liên tục trên

mô hình túi ủ biogas ở quy mô nông hộ

1.5.2 Về thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng được trong điều kiện thực tế giúp mô hình khí sinh học được duy trì ổn định và tận dụng các nguồn sinh khối để tạo ra nguồn năng lượng sạch (biogas)

1.6 Những luận điểm khoa học mới của luận án

­ Đã xác định được tiền xử lý bằng nước thải sau biogas và bằng nước bùn đáy ao là phương pháp tiền xử lý đơn giản có thể được ứng dụng trong tiền

xử lý rơm và lục bình giúp đẩy nhanh quá trình sinh khí và sản lượng khí sinh học trong điều kiện in vitro

­ Nghiên cứu cho thấy kích cỡ của rơm và lục bình từ không cắt giảm đến 1cm không ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu trong điều kiện in vitro

­ Đã xác định được tỷ lệ phối trộn 50% - 60% rơm với 50% phân heo có tổng lượng khí tích dồn cao hơn các tỷ lệ phối trộn khác Đối với lục bình thì tỷ

lệ phối trộn này là 40% - 60% trong điều kiện in vitro

­ Nghiên cứu cho thấy sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mô nông hộ trên túi ủ polyethylene không ảnh hưởng đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống nạp hoàn toàn bằng phân heo

5

2.1 Tổng quan về khí sinh học

2.1.1 Khái niệm

Khí sinh học (KSH) là một hỗn hợp của nhiều thành phần khí, được sinh

ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn và quá trình xảy ra trong điều kiện yếm khí (Rajeeb et al., 2009) Thành phần KSH chủ yếu bao gồm các loại khí CH4, CO2, NH3, H2S và một số loại khí khác, trong đó khí CH4 và khí CO2 chiếm thành phần chủ yếu trong KSH Trong thiên nhiên khí 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 là một phần quan trọng của chu trình cacbon sinh hóa Hàng năm trên toàn cầu khoảng 590 – 880 triệu tấn CH4 được giải phóng vào khí quyển thông qua hoạt động của các vi khuẩn (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009) Trong đó, khoảng 90% khí mê-tan phát thải ra có nguồn gốc sinh học từ sự phân hủy của sinh khối, phần còn lại có nguồn gốc từ hóa thạch (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009) Trước khủng hoảng năng lượng 1970, khí sinh học không được quan tâm nhiều, tuy nhiên sau khủng hoảng nhiều nước đã quan tâm đến việc tận dụng khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí của chất hữu cơ Tại Việt Nam, công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1960, nhưng

do những lý do về mặt kỹ thuật và quản lý nên các công trình khí sinh học không mang lại hiệu quả như mong muốn (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010) Đến những năm 1980, ở Việt Nam nhiều nơi đã xuất hiện các hầm ủ nắp vòm cố định Trung Quốc và nắp trôi nổi Ấn Độ Hiện nay, công nghệ khí sinh học đã được áp dụng rộng rãi ở ĐBSCL và bước đầu có những thành công như cải thiện thu nhập nông hộ, hạn chế ô nhiễm môi trường nước mặt từ hoạt động chăn nuôi (Nguyễn Hữu Chiếm và Matsubara Eiji, 2012) Công nghệ khí sinh học còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội quan trọng khác như: tạo ra được nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch (than đá, xăng dầu,…), góp phần 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, sưởi ấm,… Ở quy mô lớn hơn, khí sinh học còn được dùng để chạy máy phát điện (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009)

2.1.2 Thành phần khí sinh học

Thành phần của khí sinh học phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu tham gia trong quá trình phân giải và các điều kiện bên trong của quá trình phân hủy

6

chẳng hạn như pH, nhiệt độ,… Bên cạnh đó, các giai đoạn của quá trình phân hủy cũng ảnh hưởng đến thành phần của khí sinh học (Nguyễn Quang Khải, 2009; Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009) Một số công trình nghiên cứu cho thấy thành phần chủ yếu của khí sinh học bao gồm khí CH4, CO2, O2, N2 và một phần

ít khí H2S, tỷ lệ các sản phẩm này được thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Thành phần khí biogas được sản xuất từ các nguồn khác nhau Nguyên

liệu CH4 Thành phần khí sinh học (%) CO 2 O 2 N 2 H 2 S Tài liệu tham khảo Rác thải

0,5 Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010)

2.1.3 Các quá trình lên men yếm khí

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) (Appels

et al., 2008; Kinyua, 2013; Qu et al., 2009) Thông qua quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp như cacbonhydrate, protein, a-xít béo, các a-xít amin và các a-xít béo chuỗi dài bị phân hủy bởi nhóm vi khuẩn sinh a-xít và tạo ra các chất hữu cơ đơn giản dễ phân hủy, cùng các sản phẩm trung gian như a-xít propionic, a-xít acetic, a-xít butyric,…sau đó các sản phẩm này được chuyển hóa thành CH4

và CO2 bởi vi khuẩn sinh khí mê-tan (Boubaker and Ridha, 2010) Các giai đoạn chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học được thể hiện qua Bảng 2.2

7

Bảng 2.2: Các phản ứng sinh hóa và vi khuẩn tham gia vào quá trình lên men yếm khí

Giai đoạn thủy phân

(C 6 H 10 O 5 )n + nH 2 O = n(C 6 H 12 O 6 ) (1)

Giai đoạn sinh a-xít

C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O = 2CH 3 COOH + 4H 2 + CO 2 (2)

C 6 H 12 O 6 + 2H 2 = 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O (3) Bacteriodes, Clostridium, Butyrivibrie,

C 6 H 12 O 6 = CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 (4) Eubacterium, Bifidobacterium, Lactobacillus

C 6 H 12 O 6 = 2CH 3 CH 2 OHCOOH (5)

C 6 H 12 O 6 = 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 (6)

Giai đoạn a-xít acetic

CH 3 CH 2 OHCOOH + H 2 O = CH 3 COOH + CO 2 + 2H 2 (7)

CH 3 CH 2 OH + H 2 O = CH 3 COOH + 2H 2 (8) Desulfovibrio, Syntrophobacter wolinii,

CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 O = 2CH 3 COOH + 2H 2 (9) Syntrophomonas

CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O = CH 3 COOH + CO 2 + 3H 2 (10)

Giai đoạn sinh khí mê-tan

4H 2 + CO 2 = CH 4 + 2H 2 O (11) Methanobacterium formicicum, M Bryantii 2CH 3 CH 2 OH + CO 2 = 2CH 3 COOH + CH 4 (12) Methanobrevibacter ruminantium, M Arboriphilus

CH 3 COOH = CH 4 + CO 2 (13) Methanosarcina barkeri, Methanospirilum hungatei

(Abbasi et al., 2012)

Quá trình phân hủy chất hữu cơ là một quá trình tương đối phức tạp yêu cầu

về các điều kiện yếm khí tương đối cao như hiệu thế oxy hóa khử thấp (< -200mV) cho quá trình phân hủy diễn ra tốt, phụ thuộc vào sự hoạt động đồng bộ và sự liên kết giữa các vi sinh vật để chuyển đổi các chất hữu cơ thành CH4 và CO2 (Appels

et al., 2008), trong mỗi giai đoạn sẽ có các loại vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình phân hủy Trong đó giai đoạn sinh a-xít là giai đoạn có khả năng hạn chế quá trình sinh khí và sự tích lũy a-xít sẽ gây ức chế sự hoạt động của vi sinh vật 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 CO2 và H2 (Hình 2.1) Một ít từ a-xít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình phân hủy yếm khí

Hình 2.1: Sự chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học (McCarty, 1964)

8

a) Giai đoạn thủy phân

Giúp phân hủy các chất hữu cơ không hòa tan và các hợp chất cao phân tử như lipid, polysacharide, protein và a-xít nucleic thành các hợp chất hữu cơ dễ hòa tan như a-xít amino, các a-xít béo bay hơi, đây là bước đầu tiên của quá trình phân hủy yếm khí của các hợp chất hữu cơ Tuy nhiên, các chất hữu cơ như cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản Đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì các vi khuẩn ở giai đoạn 1

sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3 Các sản phẩm từ quá trình thủy phân sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo (giai đoạn sinh a-xít) (Appels et al., 2008) Các vi sinh vật yếm khí tùy nghi đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thụ oxy hòa tan trong nước và là nguyên nhân giảm thế oxy hóa khử cần thiết cho quá trình phân hủy

b) Giai đoạn sinh a-xít

Trong giai đoạn sinh a-xít các vi sinh vật yếm khí sẽ chuyển hóa các hợp chất hữu cơ đơn giản thành các a-xít béo bay hơi như a-xít acetic, a-xít propionic, a-xít butyric, a-xít lactic, các hợp chất hữu cơ gốc rượu cùng với amoniac (NH3),

CO2, H2S và các sản phẩm phụ khác được hình thành (Appels et al., 2008; Kalyuzhnyi et al., 2000) Trong giai đoạn này nồng độ ion H+ được hình thành làm ảnh hưởng đến các loại sản phẩm của quá trình lên men, khi nồng độ ion của

H+ càng tăng cao thì các hợp chất hữu cơ như acetate sẽ giảm (Appels et al., 2008) Nhìn chung, trong giai đoạn này các loại đường đơn giản, a-xít béo và a-xít amin được chuyển đổi thành các a-xít hữu cơ và gốc rượu (Gerardi, 2003)

c) Giai đoạn sinh a-xít acetic

Các sản phẩm từ giai đoạn sinh a-xít sẽ làm chất nền cho các vi khuẩn trong giai đoạn a-xít acetic Các a-xít hữu cơ và hợp chất hữu cơ gốc rượu được hình thành và thủy phân để chuyển đổi thành a-xít acetic cũng như CO2

và H2 (Appels et al., 2008) Các vi khuẩn tham gia trong giai đoạn này có chức năng chuyển hóa các hợp chất như VFAs, alcohol,… thành H2, CO2 nhưng chủ yếu là a-xít axetic Trong giai đoạn này các a-xít hữu cơ và gốc rượu được chuyển đổi thành acetate là chất nền cho vi khuẩn trong quá trình tạo thành khí mê-tan Các vi khuẩn acetogenic sẽ phát triển cộng sinh với vi khuẩn hình thành khí mê-tan (Garcia et al., 2000)

d) Giai đoạn sinh khí mê-tan

Trong giai đoạn này khí mê-tan được hình thành bởi hai nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan (1) tách acetate bên trong thành CH4 và CO2, (2) sử dụng H2 và

CO2 cho quá trình hình thành khí sinh học (Appels et al., 2008) Hầu hết các vi

9

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 chất nền là H2, CO2 và HCO3- (Bảng 2.2) Các phản ứng sinh hóa trong quá trình sinh khí mê-tan có thể diễn ra như sau:

Hình 2.2: Các giai đoạn trong quá trình hình thành khí sinh học (Kinyua, 2013)2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan

2.2.1 Nhiệt độ

Quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện yếm khí nằm trong khoảng nhiệt độ ưa ấm từ 20 – 45oC, tốc độ phân hủy phụ thuộc một cách mạnh mẽ vào nhiệt độ (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009) Có 3 dãy nhiệt độ khác nhau bao gồm: ưa nhiệt độ thấp (<20oC), ưa ấm (20 – 45oC) và ưa nhiệt (45 – 60oC) (Raposo et al., 2011), trong thực tế sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí của các túi ủ và hầm ủ (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009)

10

Quá trình phân hủy của các vi sinh vật có thể diễn ra chậm ở nhiệt độ

<20oC, nhưng các phản ứng xảy ra tốt nhất ở 35oC đối với các vi sinh vật ưa ấm

và ở 55oC đối với vi sinh vật ưa nhiệt Tuy nhiên, sự hoạt động của quần thể vi sinh vật ở hai dãy nhiệt độ ưa ấm và ưa nhiệt không giống nhau, sự thay đổi nhiệt độ từ dãy ưa ấm đến ưa nhiệt có thể làm giảm lượng khí sinh ra cho đến khi số lượng quần thể vi sinh vật gia tăng đủ số lượng (Chae et al., 2008) Bảng 2.3: Khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của một số vi khuẩn sinh khí mê-tan

Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật từ 31 – 36oC (Lâm Minh Triết

và Lê Hoàng Việt, 2009), nhiệt độ tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan không nhất thiết là dãy nhiệt độ tối ưu cho các quá trình khác trong quá trình phân hủy yếm khí (Ward et al., 2008) Trong điều kiện nước ta, nhiệt độ trung bình dao động từ 20 – 32oC, với nhiệt độ này sẽ thích hợp cho sự phát triển của nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan ưa ấm (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009) 2.2.2 Ẩm độ

Ủ yếm khí ướt được áp dụng phổ biến để xử lý chất thải từ phân động vật

Ẩm độ của vật liệu là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan trong mẻ ủ cũng như các yếu tố môi trường khác Đối với

mẻ ủ vận hành ở nồng độ chất rắn thấp, hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho mẻ ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 - 10%, còn lại 90 - 95% là nước (Fabien, 2003) Sự hoạt động bình thường của vi khuẩn mê-tan cần khoảng 90% nước để ủ vật liệu thải và 8 - 10% chất khô (Nguyễn Duy Thiện, 2001) Độ ẩm

Nguyên liệu có thể sử dụng cho quá trình tạo khí sinh học theo phương pháp ủ yếm khí khô thường là thân cây vải, thân bắp, rơm, lục bình (Radwan

et al., 1993) Bên cạnh ảnh hưởng của ẩm độ đến khả năng sinh khí biogas theo phương pháp ủ yếm khí khô thì các yếu tố sau cần được quan tâm bao gồm chất rắn, nhiệt độ, thời điểm bắt đầu, dung dịch đệm cho quá trình ủ yếm khí khô lên

tỷ lệ và sản lượng khí biogas (Radwan et al., 1993) Theo Li et al (2011), ủ yếm khí khô hàm lượng chất rắn trong quá trình ủ >15%, ủ yếm khí ướt thì nồng độ chất rắn <15% Ủ yếm khí khô sẽ hiệu quả hơn khi áp dụng xử lý thực vật trong khi ủ yếm khí ướt sẽ hiệu quả hơn khi áp dụng xử lý các chất bài tiết, chất thải của động vật (Liu et al., 1987) Tuy nhiên, đối với các nguồn chất thải từ hoạt động chăn nuôi chủ yếu tập trung nghiên cứu ủ yếm khí ướt với lý do hiệu quả

xử lý cao và dễ áp dụng

2.2.3 Kích cỡ nguyên liệu ủ yếm khí

Kích cỡ của vật liệu trong quá trình ủ ảnh hưởng đến tỷ lệ phân hủy của vật liệu, quá trình thủy phân, kích cỡ vật liệu nhỏ và phù hợp cho quá trình phân hủy nếu không sẽ dẫn đến sự tắt nghẽn của túi ủ và vi sinh vật sẽ rất khó phân hủy Kích cỡ vật liệu nhỏ sẽ làm tăng quá trình phân hủy sinh học (Sanders et al., 2000), kích cỡ càng nhỏ thì càng tốt vì quá trình phân hủy sẽ gặp rất nhiều khó khăn đối với những vật liệu khó phân hủy sinh học Tuy nhiên, mối quan hệ giữa kích cỡ vật liệu và khả năng phân hủy sinh học vẫn chưa nghiên cứu một cách cụ thể Trong một số nghiên cứu kích cỡ của nguyên liệu ủ quá nhỏ ngược lại sẽ gây giảm năng suất sinh khí, do quá trình thủy phân xảy ra nhanh hơn, lượng a-xít hữu cơ sinh ra nhiều gây ức chế nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan (Sharma et al., 1988)

Việc giảm kích cỡ vật liệu sẽ làm tăng quá trình phân hủy sinh học, kích

cỡ vật liệu là một yếu tố giới hạn cho quá trình phân hủy yếm khí Thông thường kích cỡ vật liệu nhỏ quá trình phân hủy diễn ra dễ dàng hơn do vi sinh vật có thể tiếp xúc tốt với bề mặt vật liệu và tăng hiệu suất sinh khí sinh học (Mshandete et al., 2006) Kích cỡ vật liệu ủ thường được đề nghị <10mm, nếu vật liệu sử dụng khó đạt được kích cỡ trên thì nên cắt vật liệu nhỏ (Hansen et al., 2004) Theo Mshandete et al (2006), khi kích thước vật liệu giảm xuống từ 100 mm xuống 2 mm thì lượng khí sinh ra tăng lên 16%

12

Nghiên cứu của Sharma et al (1988) về ảnh hưởng của kích cỡ rơm đến khả năng sinh biogas ở các kích thước 0,4, 1,0, 6,0 và 300 mm có sản lượng khí sinh ra tăng dần khi kích thước giảm dần, tuy nhiên kích thước 0,088 thì lượng khí sinh ra thấp hơn kích thước 0,4mm Như vậy, việc cắt nhỏ vật liệu sẽ giúp quá trình phân hủy được thực hiện tốt hơn nhưng kích cỡ vật liệu quá nhỏ có thể làm giảm năng suất sinh khí

2.2.4 Khuấy trộn

Khuấy trộn tạo điều kiện cho các vi sinh vật tiếp xúc với chất thải làm gia tăng quá trình sinh khí, khuấy trộn làm giảm sự lắng tụ của chất rắn và tránh việc hình thành váng trên bề mặt Khuấy trộn trong quá trình ủ có thể được thực hiện bằng một số phương pháp: lắc, khuấy từ,… yếu tố chính ảnh hưởng đến khuấy trộn là cường độ và thời gian khuấy trộn (Raposo et al., 2011)

Hình 2.3: Sự phân lớp trong dịch ủ yếm khí Trong quá trình phân hủy nguyên liệu thường phân thành 3 lớp: lớp trên cùng là lớp váng, lớp giữa lỏng và lớp đáy là lớp cặn lắng (Hình 2.3) Khuấy đảo là điều cần thiết khi hỗn hợp ủ bên trong hệ thống có xu hướng phân lớp gây cản trở đến quá trình sinh khí (Nguyễn Lân Dũng, 2009; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.2.5 Thế oxy hóa khử

Thế oxy hóa khử là thông số hữu ích cho việc kiểm soát môi trường ủ yếm khí, KSH được sản xuất hiệu quả nhất trong môi trường yếm khí hoàn toàn tức là thế oxy hóa khử dưới -100mV, giá trị thế oxy hóa khử tối ưu cho quá trình ủ yếm khí dao động từ -350 đến -300mV (Nguyễn Quang Khải và

13

Nguyễn Gia Lượng, 2010) Trong môi trường yếm khí hoàn toàn, hiệu thế oxy hóa khử luôn đạt giá trị (< -100 mV) (Wiese and König, 2007) Thời gian đầu của quá trình sẽ tồn tại một hàm lượng oxy và vi khuẩn hiếu khí không bắt buộc, các

vi khuẩn này sẽ tiêu thụ oxy và là nguyên nhân làm giảm mạnh thế oxy hóa trong hỗn hợp ủ Sự thay đổi giá trị thế oxy hóa khử trong hỗn hợp mẻ ủ dẫn đến sự tồn tại một số chất trong môi trường ủ, khi giá trị thế oxy hóa khử dưới -150mV, pH trong môi trường ủ khoảng 5 thì a-xít propionnic được hình thành (Lee, 2008) Tùy thuộc vào giá trị pH trong môi trường ủ mà a-xít propionic và a-xít butyric cao hay thấp, khi giá trị thế oxy hóa khử trong môi trường ủ yếm khí lớn hơn -150mV thì không có lợi cho giai đoạn thủy phân tạo a-xít propionic (Lee, 2008) Trong giai đoạn thủy phân giá trị tối đa của hiệu thế oxy hóa khử

là -50 mV và tối thiểu là -452 mV (Kumar et al., 2010) Khí mê-tan được bắt đầu hình thành khi giá trị hiệu thế oxy hóa khử nhỏ hơn -250 mV (Kadlec and Knight, 1996); hoặc nhỏ hơn -200 mV (Mitsch and Gosselink, 2007) Khi đó, các chất nền như CO2 và khí H2 sẽ được biến đổi thành CH4 và H2O Sự thay đổi giá trị hiệu thế oxy hóa khử cũng làm ảnh hưởng đến sự chuyển hóa cũng như sự xuất hiện một số chất trong môi trường Do đó, việc theo dõi thông số thế oxy hóa khử trong quá trình ủ sẽ giúp kiểm soát quá trình ủ, nâng cao năng suất sinh khí mê-tan và cải thiện hiệu quả hoạt động của vi sinh vật (Lee, 2008) 2.2.6 pH

Trong quá trình ủ yếm khí, nếu pH cao hoặc thấp đều ảnh hưởng đến sự hình thành khí mê-tan (Raposo et al., 2011) Hầu hết các vi sinh vật sinh khí mê-tan hoạt động tốt nhất khi pH nằm trong khoảng 6,7 – 7,5 (Chandra et al., 2012), trong khi đó các vi khuẩn sinh a-xít có pH tối ưu nằm trong khoảng 5,5 – 6,5 (Ward et al., 2008) Tuy nhiên, nếu pH thấp - thuận lợi cho nhóm vi sinh vật sinh a-xít thì có khả năng gây ức chế nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan và kết quả là sản lượng khí thấp Nếu pH dưới 5,5 thì vi sinh vật sinh khí mê-tan sẽ bị

ức chế làm cho quá trình sinh khí bị kiềm hãm và sản lượng khí mê-tan sẽ giảm 75% (Jain and Mattiasson, 1998) Mỗi giai đoạn trong quá trình hình thành KSH

sẽ có ngưỡng pH thích hợp khác nhau, trong giai đoạn sinh a-xít pH có thể giảm thấp đến mức 4,5 – 5,0 (Chandra et al., 2012), quá trình sinh khí mê-tan thì khoảng pH từ 6,7 – 7,5

Ngoài ra, pH của dung dịch ủ xuống thấp còn là một chỉ thị cho thấy lượng nguyên liệu nạp quá tải hoặc sự tích tụ quá nhiều a-xít làm cho vi sinh vật sinh khí mê-tan không sử dụng hết hoặc vi sinh vật sinh khí mê-tan bị ức chế, trong trường hợp này có thể tạm ngừng nạp hoặc lấy bớt dung dịch lên men, bổ sung thêm nước và nguyên liệu mới vào để pha loãng a-xít tăng giá trị pH của hỗn

14

hợp ủ đồng thời làm gia tăng hiệu quả của quá trình phân hủy (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009)

2.2.7 Hàm lượng các a-xít béo bay hơi

A-xít béo bay hơi (VFAs) là các a-xít có chuỗi mạch cacbon dưới 6 nguyên

tử, thường được gọi là các a-xít béo chuỗi ngắn như là a-xít acetic, a-xít propionic và a-xít butyric Các loại a-xít béo bay hơi chuỗi ngắn thì không độc với nhóm vi sinh vật sinh mê-tan Nhóm a-xít béo này được tạo ra và sử dụng bởi các vi sinh vật như nguồn dinh dưỡng bình thường trong các hầm ủ Tuy nhiên, các a-xít béo này có thể ảnh hưởng gián tiếp đến các vi sinh vật thông qua việc làm pH của mẻ ủ giảm thấp (Golueke et al., 1957) Khi nhóm vi sinh vật sinh mê-tan chưa phát triển đủ số lượng thì khả năng chuyển hóa các a-xit béo thành mê-tan không diễn ra nhanh dẫn đến sự tích lũy các a-xit này và làm

pH giảm thấp Điều này có thể thấy rõ qua pH của mẻ ủ khi nguồn nguyên liệu

bị thủy phân nhanh (Ward et al., 2008)

Theo Ehimen et al (2011) cũng cho rằng sự gia tăng nồng độ VFAs có thể

ức chế hoạt động của nhóm vi sinh vật sinh mê-tan Tỷ lệ a-xit propionic/acetic lớn hơn 1,4 và a-xít acetic lớn hơn 800 mg/L là một tín hiệu cho thấy hoạt động của túi ủ không hiệu quả Sự tích lũy các a-xit bultyric và valeric cũng gây ra sự

ức chế nếu nồng độ đạt mức lớn hơn 6.500 mg/L Tỷ lệ VFA/độ kiềm cũng thể hiện đặc điểm của quá trình phân hủy Tỷ lệ này càng thấp thì năng suất sinh khí mê-tan càng cao (Ehimen et al., 2011) Các a-xit béo mạch dài cũng có thể ức chế quá trình lên men yếm khí (Kwietniewska and Tys, 2014) Trong quá trình ủ yếm khí, nồng độ các VFAs thấp trong thời gian đầu, sau đó VFAs tăng thông qua quá trình phân hủy chất hữu cơ, sự tích lũy các VFAs trong hệ thống sẽ làm giảm pH Thông thường, nước thải đầu ra của các hầm ủ hay túi ủ có nồng độ VFAs rất thấp do đã được vi sinh vật chuyển hóa thành khí mê-tan (Pound et al., 1981) Hàm lượng VFAs phụ thuộc vào từng loại chất nền, tính chất môi trường, các thông số lý học như thời gian lưu, pH và nhiệt độ (Lee, 2008)

Đối với nguyên liệu khó phân hủy thì VFAs được sản xuất ra có thể tăng gấp đôi so với những chất thải từ chăn nuôi do hàm lượng dinh dưỡng cao và cacbonhydrate dễ phân hủy chuyển thành các a-xít béo và protein Kết quả này dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trong giai đoạn thủy phân và sinh a-xít bởi vì hầu hết các phản ứng tạo a-xít là phản ứng tỏa nhiệt Khoảng pH tối ưu cho quá trình sản xuất VFAs dao động từ 5,7 – 6,0 (Raposo et al., 2011) Tuy nhiên, khi pH trong môi trường ủ xuống dưới 5,5 và VFAs hơn 66,7 mmol/L sẽ ức chế sự hoạt động của vi sinh vật (Siegert and Banks, 2005; Ward et al., 2008) Trong ủ yếm khí, thành phần thì a-xít acetic đóng vai trò quan trọng hình thành khí mê-tan

15

nồng độ a-xít acetic và nên giữ ở mức dưới 33,3 mmoL/L (Yadvika et al., 2004)

Ở cùng nồng độ, a-xít propionic và a-xít butyric có khả năng gây ức chế vi sinh vật sinh khí mê-tan mạnh hơn a-xít acetic (Ward et al., 2008) Tương tự như

pH, sự gia tăng VFAs nhanh chóng trong hỗn hợp ủ có thể là dấu hiệu cho thấy tình trạng dư thừa các a-xít hữu cơ được tạo ra trong giai đoạn sinh a-xít 2.2.8 Độ kiềm

Độ kiềm của mẻ ủ được xem như là khả năng cung cấp hệ đệm cho vi sinh vật trong quá trình ủ, thành phần của hệ đệm chủ yếu bao gồm bicacbonate, cacbonate và hydroxides (Raposo et al., 2011) Độ kiềm từ 2.500 – 5.000 mgCaCO3/L sẽ cung cấp khả năng đệm tốt hơn (Ren and Wang, 2004), nếu chất thải có hệ đệm cao có thể phối trộn với chất thải có pH thấp để tạo khả năng đệm tốt hơn Khoảng độ kiềm thích hợp cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 1.000 - 5.000 mgCaCO3/L và tối ưu cho quá trình ủ yếm khí là 2.500 mgCaCO3/L (Ren and Wang, 2004; Mahvi et al., 2004)

pH tăng làm độc tính tăng do NH4+ chuyển sang một tỷ lệ cao hơn ammonia (NH3) Nồng độ ammonia trong môi trường ủ dưới 200mg/L thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí bởi vì nitơ là dinh dưỡng cần thiết cho sự hoạt động của vi sinh vật (Appels et al., 2008) Nồng độ N-NH3 từ 560 đến 568 mg/L có thể giảm khả năng sinh khí 50% tại pH bằng 7,6 trong điều kiện ưa nhiệt (Sung and Liu, 2003)

16

2.2.11 Tỷ lệ cacbon và nitơ

Các chất dinh dưỡng có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, liên quan mật thiết đến quá trình phân hủy các chất hữu cơ chứa trong chất thải Do đó việc cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cho quá trình sản xuất KSH là rất cần thiết (Lương Đức Phẩm, 2009) Tỉ số C/N có trong thành phần nguyên liệu là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của các hợp chất hữu cơ và mức cân bằng dinh dưỡng của mẻ ủ (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Trong quá trình phân hủy yếm khí thì các vi khuẩn cần một tỉ lệ C/N phù hợp để cho quá trình trao đổi chất và sự phát triển của các vi sinh vật Tỷ số C/N thích hợp cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 20 – 30, tối ưu nhất cho quá trình sinh khí mê-tan là 25:1 (Chandra et al., 2012) Nếu C/N quá cao sẽ dẫn đến sự tiêu thụ nitơ nhanh chóng dẫn đến thiếu hụt nguồn nitơ cho vi sinh vật hoạt động

và kết quả lượng khí sinh ra sẽ thấp Nếu C/N quá thấp nitơ sẽ được giải phóng

và tích lũy dưới dạng ion amonia (NH3) làm gia tăng pH trong quá trình phân hủy sinh học, pH cao hơn 8.5 sẽ gây độc cho quần thể vi sinh vật sinh khí mê-tan (Chandra et al., 2012; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010), tỷ số C/N sẽ phụ thuộc vào từng loại vật liệu khác nhau

Bảng 2.4: Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu nạp được tập hợp từ các nguồn khác nhau

47,7 2,23 21,4 Nguyễn Trần Tuấn và ctv (2009)

Những vật liệu có C/N cao có thể phối trộn với những vật liệu có C/N thấp tạo nên một tỷ lệ phù hợp cho quá trình ủ (Chandra et al., 2012) Chất nền có C/N quá thấp sẽ dẫn đến sự tích lũy ammonia và kiềm chế sản lượng khí mê-tan, C/N quá cao sẽ dẫn đến thiếu nitơ không thuận lợi cho quá trình hình thành protein, năng lượng và các quá trình trao đổi chất cho vi sinh vật sinh khí mê-tan (Chandra et al., 2012) Do đó, sự cân bằng C/N của vật liệu nạp hoặc trong quá trình ủ là điều rất cần thiết

2.2.12 Mật độ vi sinh vật

Khi mới bắt đầu vận hành hầm ủ, vào khoảng 7 ngày đầu lượng khí sinh

ra rất ít và không cháy được do thành phần khí lúc đó chủ yếu là CO2 (Lê Hoàng

17

Việt, 2005) Hầm ủ chỉ hoạt động ổn định sau khi đưa vào vận hành khoảng 14 ngày Để quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng, có thể cho chất thải của một hầm ủ đang hoạt động vào một hầm ủ mới

để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ) Nếu không có hầm ủ đang hoạt động ở khu vực hoạt động thì hầm ủ bắt đầu xây dựng có thể lấy phân heo ủ kín lại, trong điều kiện không có oxy, các vi khuẩn yếm khí sẽ phát triển, sau khi hầm ủ hoàn thành chúng ta sẽ cho lượng phân này vào hầm ủ để tạo quần thể sinh vật ban đầu cho mẻ ủ Trong trường hợp này, khoảng 3 ngày thì khí sinh ra đốt cháy được Hầm ủ sẽ hoạt động ổn định sau 7-14 ngày kể từ lúc bắt đầu vận hành (phụ thuộc nhiệt độ, thể tích hầm ủ, nguyên liệu và lượng chất mồi) (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2015)

2.2.13 Tỷ lệ nạp

Lượng nguyên liệu nạp được tính toán dựa trên cơ sở VS (khối lượng chất rắn bay hơi) Theo Eder and Schulz (2007) tỷ lệ nạp cho hầm ủ từ 1 - 4 kgVS.m-3.ngày-1, tỷ lệ nạp phổ biến từ 2 – 3kg VS.m-3.ngày-1 (Rajendran et al., 2012), đối với nguyên liệu nạp là chất thải rắn hoặc những vật liệu khó phân hủy thông thường lượng nạp từ 0,64 – 1,6 kg VS.m-3.ngày-1 (Appels et al., 2008)

Hàm lượng chất rắn bên trong hỗn hợp ủ chiếm từ 5 - 10% (Rajendran

et al., 2012), hàm lượng chất rắn tăng hơn 19% sẽ làm giảm quá trình sinh khí mê-tan (Shyam and Sharma, 1994) Tỷ lệ nạp nguyên liệu cao dẫn đến sự tích lũy chất hữu cơ, lượng nạp quá thấp dẫn đến sản lượng khí sinh ra thấp Nghiên cứu của Babaee et al (2013) cho rằng tỷ lệ nạp nguyên liệu dao động từ 1 hoặc lớn hơn 4kg VS.m-3.ngày-1, tùy thuộc vào từng vật liệu là phù hợp cho quá trình ủ yếm khí

2.2.14 Thời gian lưu

Thời gian lưu là thời gian trung bình nước được lưu giữ trong hệ thống, trong khi thời gian lưu chất rắn là thời gian trung bình chất rắn được sử dụng trong hệ thống (Appels et al., 2008) Thời gian lưu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố chủ yếu là nhiệt độ và đặc điểm của nguyên liệu nạp Đối với chất thải động vật thời gian lưu thông thường từ 30 – 60 ngày, thời gian lưu có thể lên đến

100 ngày đối với nguyên liệu thực vật (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997) Quá trình phân hủy yếm khí thường liên quan trực tiếp tới thời gian lưu chất rắn, đây là yếu tố quyết định đến năng suất sinh khí sinh học Thời gian lưu thấp (<5 ngày) không đủ cho quá trình phân hủy, các a-xít béo bay hơi (VFAs)

sẽ tăng lên nhưng vi sinh vật sinh khí mê-tan chưa kịp sử dụng để chuyển hóa thành khí mê-tan Thời gian lưu chất rắn từ 8–10 ngày lúc này nồng độ VFAs trong hỗn hợp vẫn còn ở mức khá cao, quá trình phân cắt các hợp chất vẫn chưa

18

hoàn thành, đặc biệt là chất béo Thời gian lưu chất rắn lớn hơn 10 ngày quá trình phân hủy chất béo bắt đầu, nồng độ VFAs trong hỗn hợp ủ giảm và các hợp chất đều giảm có ý nghĩa, quá trình phân hủy bắt đầu (Appels et al., 2008)

Thời gian lưu là cơ sở chính để thiết kế và vận hành quá trình ủ yếm khí Trong thực tế, thời gian lưu càng lớn thì khí thu được từ một đơn vị nguyên liệu càng nhiều nhưng đòi hỏi phải có thể tích phân hủy lớn kéo theo vốn đầu tư xây dựng cao Do vậy, trong thực tế người ta không chọn thời gian lưu để nguyên liệu phân hủy hoàn toàn, mà chọn thời gian lưu sao cho trong thời gian này tốc

độ sinh khí mạnh nhất (Nguyễn Quang Khải, 2009)

2.2.15 Tiền xử lý nguyên liệu nạp

Tiền xử lý là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi sinh hóa của sinh khối lignocellulose Tiền xử lý sẽ làm thay đổi cấu trúc của sinh khối cellulose để cho các enzym dễ tiếp cận với cellulose chuyển đổi các đa phân tử như cacbohydrat thành các loại đường đơn và có thể lên men được (Moisier et al., 2005) Đối với các nguyên liệu thực vật thông thường hàm lượng lignin hiện diện ở mức khá cao, sự có mặt của lignin trong sinh khối hemicellulose sẽ bảo

vệ sinh khối, chống lại một vài quá trình phân hủy sinh học và hóa học như nấm,

vi khuẩn và các enzyme Quá trình chuyển đổi sinh khối thành KSH cần phải phân cắt lignin và hemicellulose thành các đường đa phân tử, sau đó vi sinh vật

có thể sử dụng để chuyển hóa thành năng lượng sinh học (Chandra et al., 2012) Quá trình tiền xử lý có thể làm tăng sản lượng khí sinh học và làm giảm hàm lượng chất rắn bay hơi Quá trình tiền xử lý phân cắt vật liệu lignocellulose được thể hiện qua Hình 2.4

Hình 2.4: Sơ đồ tiền xử lý sinh khối ligniocellulosic (Chandra et al., 2012)Tiền xử lý nguyên liệu có thể làm tăng sản lượng khí sinh học hoặc giảm hàm lượng các chất rắn bay hơi Tiền xử lý nguyên liệu có hàm lượng cellulose

và lignin cao là biện pháp hữu hiệu trong quá trình phân hủy yếm khí của nguyên liệu thực vật Có thể chia thành các phương pháp tiền xử lý như sau: vật lý (nhiệt,

19

cơ khí, siêu âm, vi sóng), hóa học (kiềm, oxy hóa, ozone) và sinh học (enzyme) hoặc kết hợp bất kỳ hai trong số các phương pháp tiền xử lý (Hui et al., 2013) Trong 3 phương pháp tiền xử lý thì tiền xử lý sinh học là một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường do lignin loại bỏ từ ligincellulose Ưu điểm của tiền xử lý sinh học là nhu cầu năng lượng thấp và điều kiện hoạt động không khắc khe, khả năng ứng dụng vào điều kiện nông hộ cao Tuy nhiên, tỉ lệ thủy phân sinh học thường là rất thấp, vì vậy trước quá trình tiền xử lý sinh học đòi hỏi phải có thời gian dài hơn (Sun and Cheng, 2002) Các yếu tố tiền xử lý

về lý học và hóa học thường gặp phải một số khó khăn như chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành, khả năng mở rộng quy mô, khấu hao thiết bị là rất quan trọng

và đòi hỏi nhiều kỹ thuật Trong khi tiền xử lý bằng phương pháp sinh học thì không đòi hỏi kỹ thuật và chi phí cao nên hiện tại phương pháp tiền xử lý sinh học vẫn được sử dụng phổ biến hơn các phương pháp tiền xử lý còn lại

2.2.16 Điều kiện tối ưu và một số chất gây trở ngại

Để quá trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra hoàn toàn thì môi trường tối

ưu là yếu tố cần thiết cho quá trình thủy phân và sinh khí mê-tan Theo Deublein and Steinhauser (2008); Weiland and Hassan (2001) đã nghiên cứu và cung cấp một số các thông số tối ưu cho các giai đoạn trong quá trình sinh khí mê-tan (Bảng 2.5) như sau:

Bảng 2.5: Các yếu tố môi trường tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan

Thông số Giai đoạn thủy phân và sinh a-xít

Giai đoạn hình thành khí mê-tan Deublein and

Steinhauser (2008) Weiland and

Hassan (2001)

Ưa nhiệt (50 – 58°C) Ưa nhiệt (52 – 57 0 C)

Quá trình sinh khí mê-tan là quá trình lên men yếm khí do đó sự có mặt của oxy thường gây ức chế toàn bộ quá trình chuyển hóa Trong trường hợp này, oxy được xem như là độc chất đối với những loài vi khuẩn yếm khí Ngoài ra, những chất độc còn có thể có trong dịch lên men là các yếu tố giới hạn cho quá trình sinh khí mê-tan

2.3 Các nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình ủ yếm khí

2.3.1 Nguyên liệu từ chất thải chăn nuôi

Nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ chăn nuôi được sử dụng phổ biến hiện nay như là phân gia súc, gia cầm và các bộ phận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, các cơ sở chế biến thủy, hải sản (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009) Bên cạnh đó, phân động vật có hàm lượng chất hữu cơ cao cũng được xem là nguồn nguyên liệu phong phú cho quá trình sản xuất khí sinh học, do đã được xử lý sơ bộ trong bộ máy tiêu hóa nên phân dễ dàng phân hủy và thời gian sinh khí diễn ra nhanh hơn (Chambers et al., 2000) Tuy nhiên, thời gian phân hủy của phân gia súc là tương đối ngắn và tổng sản lượng khí thu được từ 1 kg phân cũng không lớn

Thời gian phân hủy của phân trâu, bò, lợn nhanh hơn so với phân người và phân gà, vịt nhưng năng suất sinh khí lại thấp hơn (Nguyễn Quang Khải, 2009) Lượng khí sinh ra trong quá trình phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như loại con giống, loài, giai đoạn tăng trưởng, số lượng, thức ăn và điều kiện trong quá trình sinh khí (Alastair et al., 2008) Bên cạnh đó, sản lượng khí sinh ra từ hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu, loại nguyên liệu ủ, điều kiện ủ (Nguyễn Văn Thu, 2010) Phân gia súc có hàm lượng ammonia cao sẽ dễ dàng phân hủy hơn (Angelidaki and Ahring, 2000) Tuy nhiên, hàm lượng ammonia lớn hơn nhu cầu cần thiết là yếu tố gây độc đối với

(Hoàng Thị Thái Hòa và Đỗ Đình Thục, 2010)

Phân gia súc là nguồn nguyên liệu nạp hữu cơ hữu ích cho quá trình sản xuất khí sinh học (Ward et al., 2008), thời gian phân hủy của phân gia súc không dài, tổng sản lượng khí thu được từ 1kg phân thường không lớn Thời gian phân hủy đối với phân trâu, bò lợn nhanh hơn so với phân người, phân gà, vịt nhưng năng suất sinh khí lại thấp hơn (Nguyễn Quang Khải, 2009) Một vài kết quả thử nghiệm khả năng sinh khí của phân được thể hiện trong Bảng 2.8

Bảng 2.8: Năng suất sinh khí của một số nguồn chất thải khác nhau

Nguyên liệu Sản lượng khí (m3/kg) Thành phần CH

4 (%) Thời gian lên men (ngày)

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003; Lương Đức Phẩm, 2009)

Yếu tố tác động vào khả năng sinh khí mê-tan của phân phụ thuộc vào loài động vật, cách cho ăn, số lượng, vật chất dùng để lót nền chuồng và quá trình phân hủy diễn ra trong thời gian trữ phân (Ward et al., 2008) Phân chứa hàm lượng ammonia cao, điều này có lợi cho sự phát triển của vi sinh vật, nếu hàm lượng đạm quá thấp sẽ gây bất lợi cho quá trình sinh khí mê-tan (Ward et al., 2008)

(Lương Đức Phẩm, 2009)

Nồng độ ammonia cao sẽ thuận lợi khi phối trộn với vật liệu có chứa hàm lượng nitơ thấp cho quá trình ủ yếm khí Đối với những chất thải chứa hàm lượng chất xơ cao, tiền xử lý có thể giúp cải thiện quá trình sinh khí mê-tan lên tới 20% (Hartmann et al., 2000) Trong trường hợp thiếu nguồn nguyên liệu nạp thì có thể phối trộn với nguồn phế thải có nguồn gốc thực vật làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ biogas

2.3.2 Nguyên liệu từ phụ phẩm trong nông nghiệp

Sinh khối thực vật là nguồn nguyên liệu nạp đầy hứa hẹn cho quá trình sản xuất khí sinh học trong tương lai, nguồn nguyên liệu này rất đa dạng bao gồm

cỏ, rơm, thân lá ngô, khoai, đậu, lục bình, bèo và sinh khối thực vật khác chiếm

số lượng lớn và là nguồn nguyên liệu nạp hữu ích cho quá trình sản xuất khí sinh học (Ward et al., 2008) một vài kết quả thử nghiệm về năng suất sinh khí của các sinh khối thực vật khác nhau được thể hiện qua Bảng 2.10

Bảng 2.10: Năng suất sinh khí từ một số sinh khối thực vật

Sinh khối Năng suất sinh khí (m3.kgVS-1) Tác giả

Thân lúa mì

Hoa hướng dương

Thân bắp

0,189 0,300 0,390

Ward et al (2008) Ward et al (2008) Ward et al (2008) Rơm

Rơm 0,149 – 0,296 0,348 Nguyễn Văn Thu (2010) Lương Đức Phẩm và ctv (2009) Việc sử dụng sinh khối thực vật cho sản xuất khí sinh học cần phải được tiền xử lý bằng các hình thức lý, hóa và sinh học để phá vỡ lớp vỏ cứng, tăng diện tích tiếp xúc cho vi sinh vật trước khi thực hiện ủ yếm khí (Ward et al.,

23

2008; Mishima et al., 2006) Thời gian phân hủy của thực vật thường dài hơn

so với chất thải của động vật, có thể kéo dài 20 đến 100 ngày, phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và các điều kiện cho quá trình ủ (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009) Thực vật càng già thì khó phân hủy nhưng cho năng suất sinh khí càng cao (Amon et al., 2007) Do vậy, đối với nguyên liệu nạp là thực vật thông thường nên được nạp theo mẻ mỗi mẻ có thể kéo dài từ 3 – 6 tháng (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009)

2.4 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ các phụ phẩm nông nghiệp 2.4.1 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ rơm

a) Hiện trạng sử dụng rơm đồng bằng sông Cửu Long

Rơm là nguồn phế thải trong nông nghiệp, bao gồm phần thân và cành lá của cây lúa Rơm chiếm khoảng một nửa sản lượng của cây ngũ cốc, như lúa mạch, lúa mì và lúa gạo Theo số liệu của báo cáo hiện trạng môi trường Việt Nam năm

2014, tổng lượng phụ phẩm nông nghiệp trong canh tác lúa ở Việt Nam vào khoảng 76 triệu tấn/năm, trong đó lượng rơm phát sinh khoảng 38,9-44 triệu tấn (Lim et al., 2012; Ko et al., 2016) ĐBSCL có sản lượng lúa lớn nhất cả nước, do

đó lượng rơm phát sinh là rất lớn dao động khoảng 20-24 triệu tấn/năm (Nguyễn Thành Hối, 2014; Van et al., 2014; Arai et al., 2015) Hiện nay, canh tác lúa có mức độ thâm canh rất cao, hầu hết diện tích lúa đều canh tác 3 vụ trong năm, một

số vùng 2 năm lên đến 7 vụ (Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn, 2006) Sau khi thu hoạch lúa, để rút ngắn thời gian chuẩn bị kịp cho vụ gieo sạ tiếp theo, nông dân thường chọn phương pháp đốt rơm để vệ sinh nhanh đồng ruộng và có thể bắt đầu vụ lúa mới Tuy nhiên, đốt rơm gây ra những bất lợi vô cùng to lớn như mất

N, giảm vi sinh vật có lợi cho đất, giảm từ 70 – 80% lượng C và N trong rơm (Nguyễn Thành Hối và ctv., 2015) Cày vùi các phụ phẩm trong nông nghiệp sau thu hoạch có thể gây ngộ độc hữu cơ và sản sinh ra các độc tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây lúa (Trần Thị Ngọc Sơn và ctv., 2009) Cho đến nay, đốt rơm vẫn

là cách sử dụng giải quyết lượng rơm dư thừa trên đồng ruộng được người dân sử dụng phổ biến nhất ở ĐBSCL do tập quán canh tác lâu đời, nhận thức hạn chế, mong muốn tăng số vụ trong năm

Mặc dù, các nguồn phụ phẩm nông nghiệp có nhiều tiềm năng sử dụng có thể mang lại các lợi ích cho xã hội, song giá trị thực của nó thường bị bỏ qua do chi phí quá lớn cho các công đoạn thu thập, vận chuyển và các công nghệ xử lý

để có thể sử dụng một cách hữu ích Việc đốt ngoài trời nguồn phế thải này đang gây ra các vấn đề môi trường, làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đồng thời cũng là một sự thất thoát nguồn tài nguyên Nếu nguồn phế thải này có thể tận dụng để tăng cường cho sản xuất lương thực hay sản xuất nhiên liệu sinh

24

học thì chúng sẽ không còn là nguồn phế thải nữa mà trở thành nguồn nguyên liệu mới – nguồn năng lượng tái tạo Cùng với xu thế phát triển nông nghiệp bền vững của thế giới, việc giúp người dân sử dụng lượng rơm dư thừa đúng phương pháp, hạn chế sử dụng phân thuốc hóa học mà vẫn trả lại một lượng chất dinh dưỡng cho đất là rất cần thiết

Hiện nay biện pháp sử dụng rơm chính ở ĐBSCL bao gồm: chăn nuôi, làm giá thể trồng nấm, đốt rơm, vùi rơm trên ruộng, làm phân hữu cơ, sử dụng làm chất đốt, làm vật liệu xây dựng và đồ thủ công mỹ nghệ (Ngô Thị Thanh Trúc, 2005) Tuy nhiên, các biện pháp sử dụng trên vẫn chưa thật sự mang lại hiệu quả kinh tế cao và tận dụng hết các nguồn nguyên liệu sẵn có ở địa phương và gây nên sự lãng phí các nguồn tài nguyên, đồng thời góp phần làm gia tăng ô nhiễm môi trường b) Đặc điểm và tính chất hóa học của rơm

Giá trị dinh dưỡng của rơm thấp, chủ yếu là xơ thô (34%), tỷ lệ tiêu hoá kém (<45%) và nghèo dinh dưỡng (protein: 2-3%) đặc biệt là rơm tươi (rơm mới thu hoạch) lại dễ bị nấm mốc Thành phần chính của rơm là những hydratcacbon gồm: lignoxenlulozơ (37,4%); hemixenlulozơ (44,9%); lignin (4,9%) và hàm lượng tro (oxit silic) cao từ 9 -14% (Ponnamperuma, 1984) Lignoxenlulozơ trong rơm là chất khó phân hủy gây cản trở đến việc sử dụng rơm và làm giảm hiệu quả kinh tế Ngoài ra, rơm lại rất cồng kềnh khó vận chuyển và bảo quản (Phạm Hồ Hải và ctv., 2008)

Bảng 2.11: Một số đặc điểm hóa học của rơm

Tính chất Nuntiya et al (2009) Lim et al (2012) Plöchl et al (2008)