Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí sinh biogas từ phụ phẩm lá dứa

Mục đích của nghiên cứu nhằm xác định được điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí sinh biogas nguồn phụ phẩm lá dứa. Các thí nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm trong bình 1 lít, quá trình phân hủy yếm khí ở điều kiện ấm với nhiệt độ duy trì 37±1o C. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sinh khí biogas như nguồn vi sinh vật (VSV), tỷ lệ cacbon so với nitơ cũng như tải trọng hữu cơ đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy, nguồn phụ phẩm lá dứa có thể sinh khí metan đạt năng suất 410±7,5 ml/gCOD sau 28 ngày bằng nguồn VSV từ bể biogas của Thanh Hóa, tải trọng hữu cơ là 15 gCOD/l/ngày với tỷ lệ dinh dưỡng COD/TN là 70:1, hiệu quả xử lý COD đạt 69,5±4,7%.

Khoa học Tự nhiên Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho q trình phân hủy yếm khí sinh biogas từ phụ phẩm dứa Phan Thị Tuyết Mai* Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Ngày nhận 13/9/2019; ngày chuyển phản biện 18/9/2019; ngày nhận phản biện 6/12/2019; ngày chấp nhận đăng 16/12/2019 Tóm tắt: Mục đích nghiên cứu nhằm xác định điều kiện thích hợp cho trình phân hủy yếm khí sinh biogas nguồn phụ phẩm dứa Các thí nghiệm thực quy mơ phòng thí nghiệm bình lít, q trình phân hủy yếm khí điều kiện ấm với nhiệt độ trì 37±1oC Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu sinh khí biogas nguồn vi sinh vật (VSV), tỷ lệ cacbon so với nitơ tải trọng hữu nghiên cứu Kết cho thấy, nguồn phụ phẩm dứa sinh khí metan đạt suất 410±7,5 ml/gCOD sau 28 ngày nguồn VSV từ bể biogas Thanh Hóa, tải trọng hữu 15 gCOD/l/ngày với tỷ lệ dinh dưỡng COD/TN 70:1, hiệu xử lý COD đạt 69,5±4,7% Từ khóa: khí sinh học, phân hủy yếm khí mesophilic, phụ phẩm dứa, tải trọng hữu cơ, tỷ lệ cacbon với nitơ Chỉ số phân loại: 1.5 Đặt vấn đề Dứa loại thơm ngon, giàu dinh dưỡng đặc sản Việt Nam Nhu cầu tiêu thụ dứa tươi sản phẩm chế biến từ dứa không ngừng tăng thị trường nước xuất Điều đồng nghĩa với việc hàng năm có lượng khổng lồ phụ phẩm dứa sau thu hoạch thải môi trường, gây nhiều khó khăn cho người nơng dân Hiện nay, để xử lý dứa người nông dân phải tốn 4-5 triệu đồng để thuê máy băm nhỏ cày xới Lá dứa sau băm nhỏ thải cánh đồng để phân hủy tự nhiên, gây mùi hôi thối, làm ô nhiễm môi trường Đồng thời, nhằm giảm thời gian xử lý nhanh chóng có diện tích canh tác vụ mới, người dân phun thuốc diệt cỏ cho dứa nhanh nỏ để đốt, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến mơi trường sức khỏe người Việc tìm giải pháp phù hợp để xử lý nguồn phụ phẩm nhu cầu cấp bách để phát triển bền vững dứa, đảm bảo sức khỏe cho người dân giảm thiểu ô nhiễm môi trường Cho đến có số nghiên cứu thu hồi xenlulozơ từ dứa để sản xuất vải [1], nhiên hiệu kinh tế chưa cao nên giải pháp chưa triển khai ứng dụng Trên giới, có nhiều nghiên cứu tập trung vào khả phân hủy yếm khí phụ phẩm dứa nhà máy chế biến [2-4], phối trộn bã dứa với bột giấy số vỏ loại khác, kết hợp phụ phẩm dứa với phân bò Nhằm tăng suất sinh khí q trình phân hủy yếm khí phụ phẩm dứa, Gopinathan cộng bổ sung 2% ure Kết nghiên cứu cho thấy, suất sinh khí tăng thêm 19% [2] Trong cơng trình trước, tác giả xác định tiềm sinh biogas phụ phẩm vỏ lõi dứa cao, với điều kiện nguồn VSV từ bể biogas Thanh Hóa, tỷ lệ dinh dưỡng C/N 30; tải trọng nguyên liệu nạp 10 gVS/l đạt suất sinh khí biogas 477±15,1 ml biogas/gVS (60-66% CH4), hiệu xử lý COD lên đến 92,3477±3,5% Mặc dù, công nghệ biogas xử lý hiệu nguồn phụ phẩm dứa sau chế biến (như vỏ, lõi bã ép), việc ứng dụng công nghệ để xử lý phụ phẩm dứa sau thu hoạch chưa cơng bố cơng trình Lá dứa có hàm lượng dinh dưỡng cao, chứa khoảng 6-7% đường 19-20% protein (tính theo phần khơ), thích hợp cho q trình phân hủy kỵ khí sinh biogas [2-4] Tuy nhiên, dứa với hàm lượng xenlulozơ tương đối lớn (chiếm đến 55-60% tính theo phần khơ) lại thách thức lớn để áp dụng công nghệ biogas để xử lý Để tăng tính khả thi cho cơng nghệ này, việc tăng suất, chất lượng sản phẩm khí biogas giảm thời gian xử lý nhằm giảm thể tích bể chứa cần thiết Q trình phân hủy yếm khí xảy với tham gia nhiều nhóm VSV khác hiệu xử lý bị ảnh hưởng yếu tố điều kiện kỵ khí, loại VSV, pH mơi trường, tỷ lệ dinh dưỡng, tải trọng nguyên liệu nạp vào bể, độc tố [5-7] Trong nghiên cứu này, tiến hành lựa chọn nguồn VSV hoạt tính sinh metan (CH4) từ bể biogas hoạt động nhằm tìm nguồn *Email: maimophong@gmail.com 62(3) 3.2020 20 Khoa học Tự nhiên Study on the optimum conditions for anaerobic digestion based biogas production from pineapple leaves Thi Tuyet Mai Phan* Faculty of Chemistry, University of Science, Vietnam National University, Hanoi Received 13 September 2019; Accepted 16 December 2019 Abstract: The objective of this research was to find the optimum conditions for maximal biogas production from pineapple leaves using the anaerobic digestion method The experiments were performed in one-litre bottles at the lab-scale; the mesophilic anaerobic digestion process took place at the constant temperature 37±10C The factor that affected the biogas production efficiency such as type of microorganism, carbon to nitrogen ratio, as well as organic load were investigated The results showed that pineapple leaves could generate methane with the productivity of 410±7.5 ml/gCOD after 28 days with the following conditions the microorganism source from the Thanh Hoa biogas tank, the organic load of 15 gCOD/l/day at the COD/TN ratio of 70:1, and the COD removal efficiency of 69.5±4.7% Keywords: biogas, carbon to nitrogen ratio, mesophilic anerobic digestion, organic load, pineapple leaves Classification number: 1.5 VSV thích nghi với chất dứa Tỷ lệ dinh dưỡng COD:N:P nguyên liệu tiêu quan trọng để đánh giá khả phân hủy chúng [8-10] Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon nhiều nitơ khoảng 2040 lần tùy thuộc vào loại chất [11-13] Theo kết phân tích tổng C tổng N [14], dứa có tỷ lệ C/N 109, cao nhiều giá trị tối ưu Vì vậy, nghiên cứu tiến hành điều chỉnh tỷ lệ COD/TN cách bổ sung nguồn nitơ từ urê Tải trọng nguyên liệu nạp (g COD/l) có ảnh hưởng lớn đến hiệu hoạt động bể phân hủy yếm khí Đối với bể biogas với thời gian lưu xác định, tốc độ nạp ngun liệu cao suất sinh khí biogas lớn, nhiên hiệu xử lý lại giảm [6, 9, 10] Do vậy, tìm điều kiện vận hành vừa đạt suất sinh khí lớn vừa đảm bảo hiệu xử lý cao yếu tố định đến khả ứng dụng công nghệ quy mô công nghiệp Mục tiêu cơng trình xác định điều kiện thích hợp cho q trình phân hủy kỵ khí phụ phẩm dứa sinh biogas hiệu Vật liệu phương pháp Nguyên liệu hóa chất Phụ phẩm dứa lấy từ Nông trường Đồng Giao, tỉnh Ninh Bình Dạ cỏ bò lấy từ lò mổ 75 Tam Trinh, Hoàng Mai, Hà Nội Các nguồn VSV cho q trình phân hủy kỵ khí lấy bể biogas Nhà máy sữa Thanh Hóa, Nhà máy bia Việt Hà, pilot biogas Trường Đại học Xây dựng, bể biogas trang trại chăn ni bò Nghệ An trang trại chăn ni lợn Bình Phước Nguyên liệu nguồn VSV sử dụng bảo quản tủ lạnh 4oC Hóa chất sử dụng phân tích tiêu: COD, hàm lượng axit dễ bay (VFA), tổng nitơ TN, tổng phospho TP (Merck) NaOH, KOH, KH2PO4, K2HPO4, Na2CO3 NaHCO3 (Trung Quốc); urê (Việt Nam) Chuẩn bị hệ thí nghiệm Chuẩn bị mẫu: dịch nguyên liệu dứa sau q trình thủy phân axit hóa sử dụng làm chất cho trình phân hủy kỵ khí sinh biogas Điều chỉnh tỷ lệ dinh dưỡng COD/TN nguyên liệu đạt 70:1 Bổ sung môi trường đệm hỗn hợp KH2PO4 0,07 g/l K2HPO4 0,10 g/l Điều chỉnh pH 6,8-7,2 hỗn hợp Na2CO3 M NaHCO3 M theo tỷ lệ 1:1 Bổ sung bùn hoạt tính từ bể biogas hoạt động tốt với tỷ lệ thể tích nguyên liệu: bùn 9:1 Mỗi thí nghiệm tiến hành lặp lại lần Mơ hình phân hủy kỵ khí: thí nghiệm tiến hành bình l với dung tích hoạt động 0,7 l Tạo mơi trường kỵ khí khí N2 trì nhiệt độ ổn định 37±1oC bể điều nhiệt Duy trì độ kỵ khí hệ với nồng độ O20,1 g/l gây ức chế cho hệ lên men kỵ khí nồng độ >1 g/l làm hệ thống dừng hoạt động [5, 10] Điều cho thấy, q trình phân hủy kỵ khí chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, đặc biệt pH, độ kỵ khí, nhiệt độ thành phần nguyên liệu, việc tiến hành lặp lại nhiều thí nghiệm vơ cần thiết Trong nghiên cứu này, thí nghiệm tiến hành lặp lại lần Sự tăng nhẹ suất sinh khí biogas trường hợp sau khả kiểm sốt trì ổn định yếu tố tốt Đồng thời, theo liệu phân tích hiệu suất xử lý COD mẫu (bảng 2) thấy, theo chiều tăng tải trọng nguyên liệu nạp hiệu hoạt động hệ phân hủy kỵ khí giảm Kết hồn tồn phù hợp với cơng bố Sajeena cộng [12] 62(3) 3.2020 Như vậy, từ hình bảng thấy, với tải trọng nguyên liệu nạp 15 g COD/l/ngày suất sinh khí biogas cao đáng kể so với 10 g COD/l/ngày tỷ lệ khí CH4 hiệu xử lý COD lại thấp Hệ xử lý yếm khí sinh CH4 hoạt động với tải trọng nguyên liệu lớn thể tích bể chứa giảm, tiết kiệm chi phí đầu tư vận hành [9, 16, 17] Do vậy, xét hiệu kinh tế với tải trọng nguyên liệu 15 g COD/l/ngày tốt Ảnh hưởng tải trọng hữu đến khả tích lũy TN, TP: nghiên cứu tiến hành phân tích khả tích lũy TN, TP hệ thống lên men yếm khí sinh biogas từ chất phụ phẩm dứa với giá trị tải trọng hữu khác nhau: 5; 10; 15 20 g COD/l/ngày Kết phân tích hàm lượng tổng TN tổng TP mẫu thể bảng Bảng Các thơng số q trình phân hủy sinh biogas với tải trọng hữu khác pH TN (mg/l) TP (mg/l) Trước 7,5 365 75 Sau 7,3 472 111 Trước 7,2 736 165 Sau 7,1 826 181 Trước 7,5 1115 231 Sau 7,0 1210 271 Trước 7,5 1510 335 Sau 6,8 1655 381 Tải trọng (g COD/l/ngày) 10 15 20 24 Khoa học Tự nhiên Từ kết ban đầu thể bảng thấy, với tải trọng hữu tăng hàm lượng TN, TP cao Đồng thời, hàm lượng TN TP tất mẫu tăng lên sau trình xử lý, điều q trình yếm khí thường kèm theo giải phóng PO43- NH4+ [8, 10] Như biết, NH4+ thành phần dinh dưỡng quan trọng q trình phân hủy kỵ khí cao lại ức chế hoạt động VSV, đặc biệt VSVSMT, nồng độ NH4+ 1500 mg/l tiêu chí kiểm sốt hệ thống lên men biogas Kết lý giải thêm cho giảm hiệu chuyển hóa COD hệ phân hủy kỵ khí tăng tải trọng hữu Kết luận Các kết thực nghiệm cho thấy rằng, phân hủy yếm khí phương pháp hiệu để xử lý nguồn chất thải dứa sau thu hoạch bị bỏ ngồi mơi trường, khơng tiết kiệm lượng tài nguyên thứ cấp mà tạo nguồn lượng có giá trị khí CH4 Từ kết nghiên cứu, rút kết luận sau: nguồn VSV từ bể biogas Nhà máy sữa Thanh Hóa thích nghi tốt với nguồn chất dứa; trình phân hủy yếm khí dứa đạt hiệu tốt với điều kiện: tỷ lệ COD/TN 70; tải trọng nguyên liệu nạp 15 g COD/l/ngày đạt suất sinh khí 680±14 ml biogas/g COD (58-61% CH4), tương ứng 410±7,5 ml CH4/g COD, hiệu xử lý COD đạt 69,5±4,7% LỜI CẢM ƠN Cơng trình hỗ trợ kinh phí từ đề tài đặt hàng tỉnh Ninh Bình, mã số: 16/HĐ-KHCN Tác giả trân trọng cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I.M Fareez, N.A Ibrahim, W.M.H.W Yaacob, N.A.M Razali, A.H. Jasni, F.A Aziz (2018), “Characteristics of cellulose extracted from Josapine pineapple leaf fibre after alkali treatment followed by extensive bleaching”, Cellulose, 25(8), pp.4407-4421 [2] C Gopinathan, S Prajapati, H Rohira (2015), “Supplementing pineapple pulp waste with urea and metal ions enhances biogas production”, Journal of Environment Science Toxic Food Technology, 9(10), pp.53-57 [3] C Khamdan, H Pratikno (2015), “Pineapple waste valorization through biogas production: effect of substrate concentration and microwave pretreatment”, International Journal of Energy Power Engineering, 2(11), pp.702-707 62(3) 3.2020 [4] C Suphang, S Nusara, C Warawut (2012), “Bioconversion of pineapple solid waste under anaerobic condition through biogas production”, KKU Res Journal, 17(5), pp.734-742 [5] C Li, C Moertelmaier, J Winter, C Gallert (2015), “Microbial community shifts during biogas production from biowaste and/or propionate”, Bioengineering, 2, pp.35-53 [6] J.L Waish, C Charles, P.E Michael, S Smith, S.R Harper, W.A Wilkins (1998), Handbook on biogas utilization [7] H Ingrid, W Franke, W Andreas, E Christian, I Heribert (2014), “Investigation into the effect of high concentrations of volatile fatty aicds in anaerobic digestion on methanogenic communities”, Waste Management, 34, pp.2080-2089 [8] P Dobre, F Nicolae, F Matei (2014), “Main factors affecting biogas production-an overview”, Romanian Biotechnology Letter, 19(3), pp.9283-9296 [9] P Namsreea, W Suvajittanontb, C Puttanlekc, D Uttapapd, V Rungsardthong (2012), “Anaerobic digestion of pineapple pulp and peel in a plug-flow reactor”, J Environ Manage., 110, pp.40-47 [10] Manh Hung Thai (2011), Research to optimize the process of mixing sludge and organic waste by anaerobic at high temperature to recover energy, Master thesis, Hanoi University of Science and Technology [11] A Das, M Chanchal (2016), “Biogas production from codigestion of substractes”, A Reviewable International Research Journal of Enviroment Sciences, pp.49-57 [12] B.B Sajeena, P.P Jose, D.G Madhu (2013), “Effect of total solid concentration on anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste”, International Journal of Science Research Public, 3(8), pp.402-406 [13] M.I Tanimu, T.I.M Ghazi, R.M Harun, A Idris (2014), “Effect of carbon to nitrogen ratio of food waste on biogas methane production in a batch mesophilic anaerobic digester”, Inter J Innova Manage Techno., 5(2), pp.116-119 [14] M.T.T Phan, H.L Trinh, T.M.T Bui, H.T Pham, T.M Ngo (2017), “Potential biogas production from pineapple peel and pulp waste”, Vietnam Journal of Chemistry, 55(5E1,2), pp.256-261 [15] M.T.T Phan, H.L Trinh, H.T Luu (2018), “Study on operation conditions for biogas production from pineapple peel and pulp waste”, Vietnam J Chem., 56(6E1), pp.212-216 [16] M Tanticharoen, S Bhumiratana, S Tientanacom and L Pengsobha (1995), “The study of basic requirement for biogas production from solid pineapple waste”, Renewable Energy Sources, 15, pp.31-40 [17] B Velmurugan, R Alwar Ramanujam (2011), “Anaerobic digestion of vegetable wastes for biogas production in a fed-batch reactor”, Int J Emerg Sci., 1(3), pp.478-486 25 ... nguồn phụ phẩm dứa thấp nhiều so với phụ phẩm vỏ lõi dứa 180 [15], cho thấy tiềm xử lý dứa trình phân hủy kỵ khí sinh biogas Nghiên cứu lựa chọn nguồn VSV Chúng tơi tiến hành phân hủy kỵ khí sinh. .. suất sinh khí lớn vừa đảm bảo hiệu xử lý cao yếu tố định đến khả ứng dụng công nghệ quy mô cơng nghiệp Mục tiêu cơng trình xác định điều kiện thích hợp cho q trình phân hủy kỵ khí phụ phẩm dứa sinh. .. giá trị khí CH4 Từ kết nghiên cứu, rút kết luận sau: nguồn VSV từ bể biogas Nhà máy sữa Thanh Hóa thích nghi tốt với nguồn chất dứa; q trình phân hủy yếm khí dứa đạt hiệu tốt với điều kiện: tỷ