Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình để xử lý phế thải và phát triển năng lượng tái tạo
MỤC LỤC
Mụctiêunghiêncứu .1 Mụctiêutổngquát
Mụctiêucụthể
Tìm(i)phương pháptiềnxửlýsinhhọcđơngiản,(ii)kíchcỡcủanguyênliệu nạp,(iii) tỷ lệ phối trộn rơm/lục bình vớiphân heo phù hợp đểt ạ o khísinhhọctừrơmvàlụcbìnhtrongđiềukiệninvitro;. Thử nghiệm sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên môhìnhtúiủpolyethylene(PE)ởquymônônghộtrongđiềukiệninvivo.
Ýnghĩacủaluậnán .1 Vềkhoahọc
Vềthựctiễn
- Đã xác định được tiền xử lý bằng nước thải sau biogas và bằng nước bùnđáy ao là phương pháp tiền xử lý đơn giản có thể được ứng dụng trong tiềnxử lý rơm và lục bình giúp đẩy nhanh quá trình sinh khí và sản lượng khísinhhọctrongđiềukiệninvitro. - Nghiên cứu cho thấy sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sungvớitỷlệ50%(tínhtheoVS)ởquymônônghộtrêntúiủpolyethylenekhôngảnh hưởng đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thốngnạp hoàn toànbằngphânheo.
Tổngquanvềkhísinhhọc .1 Kháiniệm
Thànhphầnkhísinhhọc
Một số công trình nghiên cứu cho thấythành phần chủ yếu của khí sinh học bao gồm khí CH4, CO2, O2, N2và một phầnítkhíH2S,tỷlệcácsảnphẩmnàyđượcthểhiệntrongBảng2.1.
Cácquátrìnhlênmenyếmkhí
ArboriphilusCH3COOH= C H4+C O2(13) Methanosarcinabarkeri,Methanospirilumhungatei (Abbasietal.,2012). 200mV)choquátrìnhphânhủydiễnratốt,phụthuộcvàosựhoạtđộngđồngbộvàsựliênkếtgiữa cácvisinhvậtđểchuyểnđổicácchấthữucơthànhCH4vàCO2(Appelset al.,2008), trong mỗi giai đoạn sẽ có các loại vi khuẩn khác nhau tham gia vàoquá trình phân hủy. Trong đó giai đoạn sinh a-xít là giai đoạn có khả năng hạnchế quá trình sinh khí và sự tích lũy a-xít sẽ gây ức chế sự hoạt động của vi sinhvật 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 CO2và H2(Hình 2.1).Một ít từa-xít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm sốlượngíttrongquátrìnhphânhủyyếmkhí.
Nhiệtđộ
Tuy nhiên, sự hoạt động của quần thể visinh vật ở hai dãy nhiệt độ ưa ấm và ưa nhiệt không giống nhau, sự thay đổinhiệt độ từ dãy ưa ấm đến ưa nhiệt có thể làm giảm lượng khí sinh ra cho đếnkhisốlượngquầnthểvisinhvậtgiatăngđủsốlượng(Chaeetal.,2008). Nhiệtđộtốiưuchohoạtđộngcủavisinhvậttừ31–36oC(LâmMinhTriếtvà Lê Hoàng Việt, 2009), nhiệt độ tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan khôngnhất thiết là dãy nhiệt độ tối ưu cho các quá trình khác trong quá trình phân hủyyếm khí (Wardet al.,2008).
Ẩmđộ
Trong điều kiện nước ta, nhiệt độ trung bình daođộng từ 20 – 32oC, với nhiệt độ này sẽ thích hợp cho sự phát triển của nhóm visinhvậtsinhkhímê-tanưa ấm(LâmMinhTriếtvà LêHoàngViệt,2009). Bên cạnh ảnh hưởng của ẩm độ đến khả năng sinh khí biogas theophương pháp ủ yếm khí khô thì các yếu tố sau cần được quan tâm bao gồm chấtrắn, nhiệt độ, thời điểm bắt đầu, dung dịch đệm cho quá trình ủ yếm khí khô lêntỷlệvàsảnlượngkhíbiogas(Radwanetal.,1993).TheoLietal.
Kíchcỡnguyênliệuủyếmkhí
Ủ yếm khí khô sẽ hiệu quả hơn khi áp dụng xử lý thực vật trongkhi ủ yếm khí ướt sẽ hiệu quả hơn khi áp dụng xử lý các chất bài tiết, chất thảicủa động vật (Liuet al.,1987). Tuy nhiên, đối với các nguồn chất thải từ hoạtđộng chăn nuôi chủ yếu tập trung nghiên cứu ủ yếm khí ướt với lý do hiệu quảxửlý caovàdễáp dụng.
Thếoxyhóakhử
Trong môi trường yếm khí hoàn toàn, hiệu thế oxyhúakhửluụnđạtgiỏtrị(<-100mV)(WieseandKửnig,2007).Thờigianđầucủaquỏ trỡnh sẽ tồn tại một hàm lượng oxy và vi khuẩn hiếu khí không bắt buộc, cácvikhuẩnnàysẽtiêuthụoxyvàlànguyênnhânlàmgiảmmạnhthếoxyhóatronghỗnhợpủ.S ựthayđổigiátrịthếoxyhóakhửtronghỗnhợpmẻủdẫnđếnsựtồntại một số chất trong môi trường ủ, khi giá trị thế oxy hóa khử dưới -150mV, pHtrongmôitrườngủkhoảng5thìa-xítpropionnicđượchình thành(Lee,2008). Ngoài ra, pH của dung dịch ủ xuống thấp còn là một chỉ thị cho thấy lượngnguyên liệu nạp quá tải hoặc sự tích tụ quá nhiều a-xít làm cho vi sinh vật sinhkhí mê-tan không sử dụng hết hoặc vi sinh vật sinh khí mê-tan bị ức chế, trongtrường hợp này có thể tạm ngừng nạp hoặc lấy bớt dung dịch lên men, bổ sungthêmnướcvànguyênliệumớivàođểphaloãnga-.
Mậtđộvisinhvật
Để quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanhchóng, có thể cho chất thải của một hầm ủ đang hoạt động vào một hầm ủ mớiđể làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ). Hầm ủ sẽ hoạt động ổn định sau 7-14 ngày kể từ lúcbắt đầu vận hành (phụ thuộc nhiệt độ, thể tích hầm ủ, nguyên liệu và lượng chấtmồi)(LờHoàngViệtvàNguyễnVừChõuNgõn,2015).
Thờigianlưu
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 liệucàng nhiều nhưng đòi hỏi phải có thể tích phân hủy lớn kéo theo vốn đầu tư xâydựng cao. Do vậy, trong thực tế người ta không chọn thời gian lưu để nguyênliệu phân hủy hoàn toàn, mà chọn thời gian lưu sao cho trong thời gian này tốcđộsinhkhímạnhnhất(NguyễnQuangKhải,2009).
Tiềnxửlýnguyênliệunạp
Hiện nay biện pháp sử dụng rơm chính ở ĐBSCL bao gồm: chăn nuôi, làmgiáthểtrồngnấm,đốtrơm,vùirơmtrênruộng,làmphânhữucơ,sửdụnglàmchấtđốt,là mvậtliệuxâydựng vàđồthủcôngmỹ nghệ(NgôThịThanhTrúc, 2005).Tuynhiên, cácbiệnphápsửdụngtrênvẫnchưathậtsựmanglạihiệuquảkinhtếcaovàtậndụnghếtcácn guồnnguyênliệusẵncóởđịaphươngvàgâynênsựlãngphícácnguồntàinguyên,đồngthờigó pphầnlàmgiatăngônhiễmmôitrường. 3%)đặcbiệtlàrơmtươi(rơmmớithuhoạch)lạidễbịnấmmốc.Thànhphầnchínhcủarơmlà nhữnghydratcacbongồm: lignoxenlulozơ (37,4%); hemixenlulozơ (44,9%); lignin (4,9%) và hàmlượng tro (oxit silic) cao từ 9 -14% (Ponnamperuma, 1984).Lignoxenlulozơtrong rơm là chất khó phân hủy gây cản trở đến việc sử dụng rơm và làm giảmhiệu quả kinh tế. Phát triển nhanh chóng của lục bình đang gây ra nhiều vấn đề cho môitrường nước như gây tắc nghẽn giao thông, giảm tốc độ dòng chảy gây bồi lắngsôngrạch,phânhủylàmônhiễmnguồnnước…cùngvớiviệcchănnuôitạiđồngbằng sông Cửu Long chủ yếu là ở quy mô nhỏ, nên khi thiếu nguồn phân heocác hầm/túi ủbiogas sẽ không thể vận hành, làm giảm hiệu quả kinhtế.L ụ c bình có thể sử dụng để làm nguyên liệu bổ sung, hoặc thậm chí thay thế chophân heo để nạp vào hầm ủ biogas trong điều kiện thực tế ở một số hầm ủ, túi ủbiogas bị gián đoạn nguyên liệu nạp do dịch bệnh hay giá cả thị trường biếnđộngnênsốlượngheocó thểbị giảm.
Cơsởlýthuyết
(ii)kíchcỡ nguyên liệu nạp, (iii) tỷ lệ phối trộn lên khả năng sinh khí sinh học của rơmvàlục bình theophương.
Khảo sát lượng dư thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biếnở đồngbằngsôngCửuLong
Phươngphápnghiêncứu a) Thuthậpsốliệuthứcấp
Trong quá trình phỏng vấn và khảo sát, tiến hành chọn năm ruộngcanhtácgiốnglúaphổbiếnnhấttrongvùng.Mỗiruộngchọn05ô(1mx1 m)để tiến hành thu toàn bộ rơm, hạt (rơm trong nghiên cứu này là phần sinh khốicủa cây lúa từ gốc trở lên, không bao gồm phần rễ). - Fco:tỷlệchuyểnđổithànhkhíthảikhiđốtrơm.Fco=0,8(Aaldeetal., 2006;Gaddeetal.,2009). 3.3 Khảosátsựpháttriểncủalụcbìnhởcácthủyvựckhácnhau 3.3.1 Phươngphápnghiêncứu. Thí nghiệm khảo sát sự tăng trưởng của lục bình được thực hiện trên bốnthủy vực khác nhau gồm sông, kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương vườn tại ấpMỹPhụng, xãMỹKhánh,huyệnPhong Điền,thànhphốCần Thơ. STT Thủyvực Đặcđiểmthủyvực. Trước khi tiến hành thí nghiệm lục bình được tập hợp từ các thủy vực gầnđịa điểm bố trí thí nghiệm sau đó thuần dưỡng trong 20 ngày nhằm tạo điều kiệncho lục bình sinh trưởng đồng đều. 8).TheoAbdelhamid andGabr.(1991)trong.
Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của phân heo, rơm và lụcbìnhlên hiệusuất sinhkhí biogas vàchất lượng biogas trong
Các số liệu sau khi đo đạc và phân tích được tổng hợp và xử lý bằng phầnmềm Microsoft Excel 2010, kiểm tra tính đồng nhất của phương sai trước khithực hiện thống kê, so sánh tổng thể tích khí tích dồn và năng suất sinh khí củacác nghiệm thức bằng phương pháp phân tích phương sai ANOVA với phép thửDuncan ở độ tin cậy 95% bằng phần mềm IBM SPSS 20.0. Các số liệu sau khi đo đạc và phân tích được tổng hợp và xử lý bằng phầnmềm Microsoft Excel 2010, kiểm tra tính đồng nhất của phương sai trước khithực hiện thống kê, so sánh tổng khí tích dồn và năng suất sinh khí của cácnghiệm thức được thực hiện theo phương pháp phân tích phương sai ANOVAvớiphépthửDuncanởđộtincậy95%bằngphầnmềmIBMSPSS20.0. Nước thải sau túi ủ biogas đang hoạt động được thu tại phường LongTuyền, quận Bình Thủy, thành phố Cần Thơ để tiền xử lý vật liệu và ủ yếm khí.Mỗi bìnhủ được bổ sung 200mLtừ phần cặn lắngtrongtúi ủ biogas( n ư ớ c mồi)nhằmbổsunglượngvisinhvậtsinhkhímê-tanbanđầu.
Phươngphápphântíchmẫu
Vụ Hè Thu và Thu Đông do thời tiết không đượcthuận lợi như vụ Đông Xuân thường có mưa nhiều nên tỷ lệ các hộ đốt rơmgiảm, các hộ nông dân thường đốt rơm khi trời nắng và cày vùi rơm khi trờimưa.Theotậpquáncanhtác,ngườidânđốtrơmđểvệsinhđồngruộngchuẩn bị sản xuất vụ tiếp theo, đồng thời lượng tro sau khi đốt được làm phân để bónchoruộng. Trong nghiên cứunày cho thấy các thủy vực ao, kênh và mương thì lục bình phát triển rất nhanhchukỳnhânđôingắn(11ngày),đốivới sôngthìchukỳnhânđôilà23ngày. Ngoài ra, dù được sử dụng cho thủ côngmỹ nghệ thì phần lá và rễ - chiếm tỷ lệ khá lớn trong trọng lượng của lục bìnhcũngkhông đượcsử dụng.Điều này cho thấy,lục bình nếu đượcsử dụng cóhiệu quả thì sẽ là một nguồn sinh khối dồi dào có thể cung cấp cho quá trình sảnxuấtnănglượngtáitạotrongđóđơngiảnnhấtlàkhísinhhọc. Với năng suấtsinh khí của lục bình. al.,2010;Rajendranetal.,2012)thìsựtăngtrưởngcủalụcbìnhcóthểcungcấp từ3,2. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của kích cỡnguyên liệu nạp và các phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình để tăng hiệu quảcủa quá trình sản xuất khí sinh học là một vấn đề cần được nghiên cứu tiếp theotrong luận án.Căn cứ vào điềukiện thực tế tạicác nông hộvùngđ ồ n g b ằ n g sông Cửu Long, nghiên cứu đã chọn 04 loại nước để tiền xử lý vật liệu gồm (1)nước máy;(2) nướcthải biogas ; (3) nước bùn đáy ao và( 4 ) n ư ớ c a o.
Kiếnnghị
Nguyễn Thành Hối, Mai Vũ Duy, Lê Vĩnh Thúc và Nguyễn Thị Diễm Hương,2015.Ảnhhưởngcủaphânủtừrơm(phếthảicủaviệcsảnxuấtnấmrơm)cóxửlí trichodermađếnsinhtrưởngvànăngsuấtcủa2giốnglúaMTL560vàIR50404.Tạpchík hoahọcĐạihọcsưphạmTPHCM.Số2(67).177-184. NguyễnVănThu,2010.Kếtquảbướcđầukhảosátsửdụngcácloạithựcvậtđể sảnxuấtkhísinh học(biogas).Kỷyếukhoahọc:Khépkíncácquátrìnhtuần hoàn dinh dưỡng về chất cơ bản vô hại đến vệ sinh từ các hệ thốngthủy lợi phi tập trung ở đồng bằng sông Mêkông (SANSED II). Trần Sương Ngọc, Vũ Ngọc Út, Lê Hữu Nhân, Trần Thị Thủy và Huỳnh ThịNgọcHiền,2009b.SửdụngnướcthảihầmủBiogasgâytrứngnước(Moinasp).Kếtq uảnghiêncứukhoahọcDựánVIE/020–BèoLụcBình.Sảnxuấtnông thủy sản bền vững và năng lượng tái tạo từ lục bình và chất thải.