3.2.1 Dụng cụ bố trí thí nghiệm Bình ủ thể tích V = 20 Lít. Túi nhôm Ống dẫn khí Van khóa khí. Ống nhựa PVC ø27 (1) van khóa khí (2) ống dẫn khí (3) ống đo các thông số hàng ngày 3 Túi nhôm chứa gas 20 lít 1 1 2 17 lít nguyên liệu và nƣớc ủ 4 lít chứa khí 3
3.2.2 Vật liệu thí nghiệm
Rơm (RO): đƣợc thu gom tại Quận Bình Thủy, Thành phố Cần Thơ, giống lúa IR50404. Rơm sau khi lấy về đem đi phơi nắng trên nền xi măng với nhiệt độ ngoài trời trong khoảng 7 ngày. Sau đó cắt nhỏ thành các đoạn ngắn kích cỡ 1 cm, 10 cm, 20 cm bằng máy cắt tay.
Phân heo (PH): đƣợc lấy tại trại heo của chủ hộ Huỳnh Kim Nhẫn, địa chỉ Quốc lộ 1A, Ấp Phú Lợi, xã Tân Phú Thạnh, Huyện Châu Thành A, Tỉnh Hậu Giang. Trại heo có 50 con, sử dụng thức ăn công nghiệp Cargill. Phân heo sau khi thu về sẽ đƣợc phơi khô ở nơi thoáng mát, tránh ánh nắng trực. Tiếp theo, phân heo đã phơi khô đƣợc nghiền nát bằng máy và trộn đều để tạo mẫu đồng nhất và xác định phần trăm vật chất hữu cơ khô.
Nƣớc bùn đen: Lấy bùn từ đáy ao sen thuộc khoa Môi Trƣờng và Tài Nguyên Thiên Nhiên, trƣờng Đại Học Cần Thơ. Bùn lấy lên đƣợc sàng lọc cặn bẩn và rác. Sau đó pha bùn với nƣớc máy với tỷ lệ pha trộn 1 lít bùn đen đổ nƣớc định mức đến 10 lít..
Nƣớc thải Biogas: thu từ đầu ra của túi ủ biogas (dài 12m, đƣờng kính 0,8m) đang hoạt động của hộ ông Nguyễn Hoàng Nam, xã Long Hòa, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ, với số lƣợng heo trong chuồng là 15 con.
Nƣớc máy: Chuẩn bị trƣớc một ngày để loại các chất khử trùng có trong nƣớc.
3.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.3.1 Bố trí thí nghiệm 3.3.1 Bố trí thí nghiệm
Sử dụng bình nhựa 21 lít làm mô hình bố trí thí nghiệm, các nghiệm thức sẽ đƣợc bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên với 5 lần lặp lại. Nguyên liệu nạp đầu vào là phân heo và rơm
Hình 3.2 Sơ đồ các nghiệm thức
Các nghiệm thức trong thí nghiệm
Nghiệm thức 1 50% RO (1 cm) + 50%PH Nghiệm thức 2 50% RO (10 cm) + 50%PH Nghiệm thức 3 50% RO (20 cm) + 50%PH Nghiệm thức 5 100%PH Nghiệm thức 4 50% RO (không cắt) + 50%PH
3.3.2 Phƣơng pháp thực hiện
Rơm đƣợc tiền xử lý bằng 10 lít nƣớc bùn đen, ủ hiếu khí trong bình nhựa trong 5 ngày và đƣợc khuấy trộn hằng ngày. Sau khi tiền xử lý rơm xong cho phân heo đã qua xử lý vào, tiếp đến cho thêm 5,6 lít nƣớc máy vào để đảm bảo đủ 17 lít (gồm nguyên liệu và nƣớc), 4 lít mặt thoáng còn lại để chứa khí. Đậy kín bình trong 2 ngày tiến hành thêm 200 mL nƣớc mồi biogas vào bình. Sau đó bình ủ đƣợc đóng kín nắp, phủ bao nilong đen và bắt đầu quá trình ủ.
3.3.3 Phƣơng pháp thu mẫu và các chỉ tiêu theo dõi
a) Theo dõi các chỉ tiêu môi trường mẻ ủ (nhiệt độ, pH, Redox)
- Đo trực tiếp từ tâm bình ủ bằng điện cực.(TCVN 6492:2011)
- Chu kỳ đo mẫu: Hằng ngày từ 7h00 – 9h00, đo từ ngày đầu tiên của thí nghiệm.
b) Phương pháp thu mẫu
- Phƣơng pháp thu mẫu khí
+ Khí sinh ra đƣợc thu và trữ vào các túi nhôm.
+ Chu kỳ đo mẫu: Hằng ngày, bắt đầu từ ngày thứ 3 của thí nghiệm để cho khí sinh ra lấp đầy mặt thoáng trong bình ủ (khóa túi khí của tất cả các bình ủ vào lúc 7h00 sáng).
+ Chỉ tiêu đo đạc: Tổng thể tích biogas, thành phần khí CH4 và khí CO2 - Phƣơng pháp thu mẫu hỗn hợp mẻ ủ
+ Xay nhỏ hỗn hợp thu từ bình ủ, trộn đều và tiến hành thu mẫu để phân tích các chỉ tiêu DM, ODM, TN, TP, tổng coliform, fecal coliform và tổng VSV yếm khí.
+ Chu kỳ thu mẫu: Ngày 1 và ngày 45 (đầu vào và đầu ra).
Bảng 3.1 Phƣơng tiện và phƣơng pháp phân tích các chỉ tiêu trong thí nghiệm
Chỉ tiêu Phƣơng pháp Phƣơng tiện
Redox Đo trực tiếp Máy đo Multi 340i – WTW 82362
Weilheim (Đức)
pH Đo trực tiếp
(TCVN 6492:2011) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Máy đo pH Orion model 230
Nhiệt độ Đo trực tiếp
(TCVN 6492:2011)
Máy đo pH Orion model 230
Đo tổng thể tích khí Đo trực tiếp Đồng hồ RITTER (Đức) có độ chia nhỏ nhất 10mL
Khí thành phần (CH4, CO2)
Đo trực tiếp Máy đo Biogas 5000, Đức
ODM, Cacbon tổng Phƣơng pháp tro hóa (APHA, 1998)
Tủ sấy Memmert UI 40 (Đức) Lò nung mẫu Lenton 5500
C Cân điện tử 4 số lẻ Santorius (Đức)
TKN
Phƣơng pháp phân hủy và chƣng cất Kjeldhal
(APHA, 1998)
Bếp công phá Tecator (Đức) và máy chƣng cất Gerhart Vapodest 20 (Đức), hóa chất cần thiết.
TP Phƣơng pháp Ascorbic acid
(APHA,1998)
Máy so màu Hitachi U-2008 (Nhật) Nồi autoclave Sturdy SA-300H Các hóa chất và dụng cụ cần thiết
COD Phƣơng pháp chuẩn độ
TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989) H2SO4 (đđ), bếp nung, các hóa chất và dụng cụ cần thiết khác. Fecal Coliforms Tổng Coliforms VSV yếm khí Phƣơng pháp MPN. (TCVN 8775:2011)
Nồi khử trùng Hirayama HVE-50 (Nhật) Buồng cấy Jisico (Hàn Quốc)
Nồi chƣng cất thủy BW 20G Lad.Companion (Hàn Quốc) Tủ ủ Memment (Đức) Các môi trƣờng và dụng cụ khác 3.4 Phƣơng pháp tính toán 3.4.1 Xác định lƣợng DM cần nạp
Lƣợng DM nguyên liệu cần dùng cho từng bình ủ đƣợc tính toán theo công thức sau: DMnạp = ODM ODMnap % (g) Trong đó:
- DMnạp : Lƣợng DM nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - ODMnạp: Lƣợng ODM nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - %ODM: Phần trăm chất hữu cơ khô của từng loại nguyên liệu (%)
3.4.2 Xác định nguyên liệu khô cần nạp
Lƣợng nguyên liệu khô cần dùng cho từng bình ủ đƣợc tính toán theo công thức sau: Nguyênliệunạp = DM DMnap % (g) Trong đó:
- Nguyênliệunạp: Lƣợng nguyên liệu khô cần nạp (g)
- DMnạp: Lƣợng DM nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - %DM: Phần trăm vật chất khô của từng loại nguyên liệu (%)
Hỗn hợp phân heo và rơm theo các tỉ lệ phối trộn đƣợc xác định dựa vào khối lƣợng vật chất hữu cơ khô (ODM). Theo Eder và Schulz (2007) lƣợng nạp hằng ngày cho 1 m3 hầm ủ có thể dao động từ 1 ÷ 4 kg ODM/ngày. Chọn lƣợng nạp cho các nghiệm thức là 1 kg ODM/m3/ngày, tƣơng đƣơng 1 g ODM/lít/ngày. Nhƣ vậy, lƣợng nguyên liệu nạp vào bình ủ có tổng ODM = 1x17x45 = 765 g ODM/17 lít bình ủ trong 45 ngày.
Dựa theo bảng số liệu phân tích nguyên liệu nạp và tỉ lệ phần trăm phối trộn tính đƣợc lƣợng nạp cho các bình ủ.
Bảng 3.2 Khối lƣợng nguyên liệu nạp đầu vào (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên liệu Kích thƣớc ODM (g) DM (g) Nguyên liệu khô (g)
Rơm (R) 1±0,3 cm 382.50 455.63 497.03 10±0,8 cm 382.50 455.63 497.03 20±1,4 cm 382.50 455.63 497.03 Không cắt 382.50 455.63 497.03 Phân heo (PH) - 382.50 537.22 552.81 Tổng 765 g ODM /17 lít/45 ngày
3.4.3 Xác định năng suất sinh khí
Năng suất sinh khí đƣợc tính theo công thức sau: H = ) ( dauvao daura khí ODM ODM V (lít/kg ODM) Trong đó:
- H: Năng suất sinh khí (lít/kg) - ∑Vkhí: Tổng thể tích khí (lít)
- ODM: Vật chất hữu cơ khô (kg)
3.5 Phƣơng pháp xử lý số liệu
Sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2003 để tổng hợp số liệu và vẽ đồ thị.
Sử dụng phần mềm SPSS 13.0, công cụ kiểm định Duncan ở mức ý nghĩa 5% để đánh giá sự khác biệt lƣợng khí sinh ra giữa các nghiệm thức
CHƢƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU NẠP
Nguyên liệu đƣợc sử dụng trong mô hình bố trí thí nghiệm là rơm và phân heo. Rơm đƣợc tiền xử lý bằng nƣớc bùn đen trƣớc, sau đó mới phối trộn với phân heo. Rơm và phân heo đƣợc phân tích các chỉ tiêu đầu vào để kiểm tra sự phù hợp của nguyên liệu dành cho mẻ ủ KSH.
Bảng 4.1 Thành phần hóa học của các nguyên liệu đầu vào
% C %N Tỷ lệ C/N
Phân heo (khô) 41,30 1,99 20,76
Rơm 48,69 0,92 53,18
Qua bảng 4.1 cho thấy tỷ lệ C/N của phân heo trong thí nghiệm (20,76/1) phù hợp với tài liệu của Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng (2003) (bảng 2.15) là 18/1 đến 22/1. Tuy nhiên tỷ lệ C/N của rơm và phân heo không nằm trong khoảng thích hợp 25/1 đến 30/1 cho mẻ ủ yếm khí (Lê Hoàng Việt, 2005). Phối trộn rơm với phân heo đƣa tỷ lệ C/N về khoảng phù hợp cho nguyên liệu nạp vào mẻ ủ. Theo Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv (2012) phối trộn rơm sau ủ nấm với phân heo có thể áp dụng làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ biogas, tỷ lệ nạp có thể lên đến 50% rơm sau ủ nấm, 50% phân heo. Kết quả tính toán tỷ lệ C/N của các nghiệm thức đƣợc thể hiện ở bảng 4.2.
Bảng 4.2 Tỷ lệ C/N đầu vào của từng nghiệm thức
Nghiệm thức %C %N Tỷ lệ C/N NT1 37.412 1.331 28.102 NT2 37.412 1.333 28.056 NT3 37.412 1.309 28.588 NT4 37.412 1.331 28.107 NT5 41.269 1.722 23.959
Qua kết quả bảng 4.2 cho thấy tất cả các nghiệm thức có tỷ lệ C/N nằm trong khoảng thích hợp cho mẻ ủ yếm khí.
NT1 50% RO(1 Cm) + 50% PH NT4 50% RO(không cắt) + 50% PH
NT2 50% RO(10 Cm) + 50% PH NT5 100% PH
4.2 MỘT SỐ YẾU TỐ CỦA MẺ Ủ YẾM KHÍ 4.2.1 Nhiệt độ của mẻ ủ 4.2.1 Nhiệt độ của mẻ ủ
Nhiệt độ trung bình của các nghiệm thức rơm phối trộn với phân heo trong suốt quá trình thí nghiệm dao động trong khoảng từ 26oC đến 30oC (bảng 4.3), thích hợp cho VSV ƣa ấm phát triển 25oC 40oC (Lê Hoàng Việt, 2005).
Bảng 4.3 Nhiệt độ trung bình của mẻ ủ trong 45 ngày
Tỉ lệ phối trộn
(% 50 RO + %50 PH)
Giai đoạn (ngày)
1 – 10 11 – 20 21 – 30 31 – 45 50% RO (1 Cm) + 50% PH 29,,24±0,45a 28,70±0,33a 27,40±0,20a 27,28±0,16a 50% RO (10 Cm) + 50% PH 29,20±0,60a 28,66±0,49a 27,38±0,23a 27,26±0,25a 50% RO (20 Cm) + 50% PH 29,16±0,66a 28,66±0,36a 27,32±0,19a 27,14±0,23a 50% RO (Không cắt) + 50% PH 29,26±0,56a 28,78±0,33a 27,38±0,22a 27,28±0,26a 100% PH 28,68±0,23a 28,00±0,07b 26,90±0,00b 26,62±0,08b Ghi chú: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Số liệu được trình bày ở dạng trung bình ± độ lệch chuẩn
- Trong cùng một cột, các giá trị có kí tự chữ cái khác nhau thì khác biệt có ý nghĩa thống kê (Kiểm định Duncan, mức ý nghĩa 5%.)
Giá trị nhiệt độ trung bình trong 45 ngày làm thí nghiệm giữa các nghiệm thức không chênh lệch nhiều với nhau. Giá trị nhiệt độ trung bình của các nghiệm thức NT1, NT2, NT3, NT4 không có sự khác biệt ý nghĩa ở mức 5%. Yếu tố môi trƣờng của các nghiệm thức là nhƣ nhau. Càng về cuối thí nghiệm nhiệt độ có xu hƣớng giảm, đặc biệt ngày thứ 28 nhiệt độ tất cả các nghiệm thức đạt giá trị thấp nhất, NT1 (25,7), NT2 (25,7), NT3 (25,8), NT4 (25,6), NT5 (25,8) (hình 4.1). Do nhiệt độ môi trƣờng bên ngoài thấp ảnh hƣởng đến nhiệt độ bên trong mẻ ủ. Ngoài ra nhiệt độ của các nghiệm thức có xu hƣớng giảm dần do ảnh hƣởng của nhiệt độ sinh ra từ các phản ứng sinh hóa trong các mẻ ủ.
NT1 50% RO(1 Cm) + 50% PH NT4 50% RO(không cắt) + 50% PH NT2 50% RO(10 Cm) + 50% PH NT5 100% PH
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
Thời gian (ngày)
N h iệ t đ ộ ( o C ) NT1 NT2 NT3 NT4 NT5
Hình 4.1 Nhiệt độ hằng ngày của các nghiệm thức trong 45 ngày làm thí nghiệm
NT1 50% RO(1 Cm) + 50% PH NT4 50% RO(không cắt) + 50% PH
NT2 50% RO(10 Cm) + 50% PH NT5 100% PH
NT3 50% RO(20 Cm) + 50% PH
Nhìn chung giá trị nhiệt độ của các nghiệm thức đều nằm trong khoảng thích hợp để VSV ƣa ấm phát triển, thuận lợi cho quá trình sinh khí sinh học.
4.2.2 Giá trị pH
pH là một trong các yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến quá trình ủ yếm khí theo mẻ. Giá trị pH đƣợc theo dõi hàng ngày và đƣợc trình bày ở hình 4.2
5.40 5.60 5.80 6.00 6.20 6.40 6.60 6.80 7.00 7.20 7.40 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
Thời gian (ngày)
G iá t rị p H NT1 NT2 NT3 NT4 NT5
Hình 4.2 Giá trị pH trong 45 ngày làm thí nghiệm
NT1 50% RO(1 Cm) + 50% PH NT4 50% RO(không cắt) + 50% PH
Bảng 4.4 Giá trị pH trung bình của từng nghiệm thức
Tỉ lệ phối trộn
(% 50 RO + %50 PH)
Giai đoạn (ngày)
1 – 10 11 – 20 21 – 30 31 – 45 50% RO (1 Cm) + 50% PH 6,33±0,04b 6,63±0,07ab 6,74±0,07a 6,82±0,10a 50% RO (10 Cm) + 50% PH 6,39±0,06b 6,55±0,04c 6,70±0,07a 6,86±0,07a 50% RO (20 Cm) + 50% PH 6,36±0,08b 6,59±0,04bc 6,73±0,17a 6,80±0,09a 50% RO (Không cắt) + 50% PH 6,36±0,07b 6,55±0,04c 6,72±0,06a 6,84±0,08a 100% PH 6,76±0,05a 6,67±0,03a 6,69±0,01a 6,76±0,03a Ghi chú
- Số liệu được trình bày ở dạng trung bình ± độ lệch chuẩn
- Trong cùng một cột, các giá trị có kí tự chữ cái khác nhau thì khác biệt có ý nghĩa thống kê (Kiểm định Duncan, mức ý nghĩa 5%.)
Qua hình 4.2 cho thấy giai đoạn đầu của mẻ ủ pH các nghiệm thức NT1, NT2, NT3, NT4 có sự dao động nhiều và thấp hơn khoảng pH thích hợp lên men sinh khí mêtan trong khoảng 6,67,6 (Mc Carty, 1964). pH đạt giá trị thấp nhất từ 6,03 ÷ 6,50 ở những ngày đầu do thời gian này trong mẻ ủ xảy ra quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các acid amin cho VSV dễ phân hủy tạo acid acetic nên pH giảm, sau giai đoạn này VSV sinh khí mêtan phát triển mạnh pH trở lại trong khoảng pH thích hợp. Kết quả thống kê cho thấy pH giữa các nghiệm thức NT1, NT2, NT3, NT4 không có sự khác biệt có ý nghĩa với nhau. Riêng giá trị pH của NT5 (100% PH) trong các giai đoạn thí nghiệm luôn nằm trong khoảng pH thích hợp cho VSV yếm khí phát triển.
4.2.3 Hiệu điện thế oxy hóa khử
Thế oxy hóa khử thể hiện quá trình khử hay quá trình oxy hóa diễn ra trong mẻ ủ yếm khí. Để sản xuất khí sinh ra hiệu quả thì mẻ ủ phải đảm bảo yếm khí, và thế oxy hóa khử phải đảm bảo âm. Vì vậy, giá trị độ oxy hóa khử đƣợc theo dõi hàng ngày và cho kết quả ở hình 4.3. Kết quả đo độ oxy hóa khử (redox) của các nghiệm
thức cho thấy redox các nghiệm thức dao động trong khoảng từ -316mV đến -126mV. Càng về cuối mẻ ủ, redox có xu hƣớng tăng dần do mẻ ủ diễn ra cùng lúc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nhiều quá trình: thủy phân, tạo acid, mêtan hóa, đồng thời lƣợng chất hữu cơ trong mẻ ủ giảm dần nên các quá trình khử cũng diễn ra với tốc độ chậm lại. Qua hình 4.3 cho thấy giá trị độ oxy hóa khử của tất cả các nghiệm thức đều lớn hơn -330 tuy nhiên đều mang giá trị âm chứng tỏ bên trong mẻ ủ xảy ra quá trình khử.
NT1 50% RO(1 Cm) + 50% PH NT4 50% RO(không cắt) + 50% PH NT2 50% RO(10 Cm) + 50% PH NT5 100% PH
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
Thời gian (ngày)
Redo
x
(mV)
NT1 NT2 NT3 NT4 NT5
Hình 4.3 Giá trị độ oxy hóa khử
NT1 50% RO(1 Cm) + 50% PH NT4 50% RO(không cắt) + 50% PH
NT2 50% RO(10 Cm) + 50% PH NT5 100% PH
NT3 50% RO(20 Cm) + 50% PH
Nhìn chung, giá trị redox trong 45 ngày làm thí nghiệm đều âm, đây là yếu tố thuận lợi cho VSV sinh khí mêtan hoạt động.
4.2.4 Độ kiềm
Kết quả phân tích độ kiềm nguyên liệu đầu vào của các nghiệm thức dao động trong khoảng 1230 ÷ 2146,67 mg/L CaCO3. Sau 45 ngày ủ yếm khí độ kiềm của các nghiệm thức đều tăng (hình 4.3) dao động trong khoảng từ 1923,33 ÷ 2410 mg/L CaCO3. . Độ kiềm của mẻ ủ thấp ở giai đoạn đầu, sau đó có xu hƣớng tăng dần ở các giai đoạn tiếp theo. Nguyên nhân là do ở giai đoạn đầu quá trình thủy phân và sinh acid trong mẻ ủ yếm khí, do đó ở các thời điểm này độ kiềm thấp. Ở các giai đoạn tiếp theo quá trình thủy phân và sinh acid giảm, quá trình sinh khí mêtan là chủ đạo, độ kiềm tăng lên.
Hình 4.4 Diễn biến hàm lƣợng độ kiềm của 5 nghiệm thức
NT1 50% RO(1 Cm) + 50% PH NT4 50% RO(không cắt) + 50% PH
NT2 50% RO(10 Cm) + 50% PH NT5 100% PH
NT3 50% RO(20 Cm) + 50% PH
So với nghiên cứu của Lê Hoàng Việt (2003) trong suốt thời gian thí nghiệm các