3.3.1 Nguyên liệu đầu vào
Nguyên liệu đầu vào cho quá trình ủ yếm khí sẽ được chuẩn bị như sau:
- Phân heo: được thu gom về từ trang trại của ông Huỳnh Kim Nhẫn, ấp Phú Lợi, xã Tân Phú Thạnh, huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang. Trại heo có số lượng 50 con, sẽ được phơi khô trong mát, sau đó nghiền nát và trộn lẫn với nhau để tạo thành mẫu đồng nhất.
- Lục bình được lấy về từ các kênh rạch tại khu vực phường Ba Láng, quận Cái Răng. Lục bình được loại bỏ rễ, chỉ lấy thân và lá phơi khô ở nhiệt độ theo từng ẩm độ thích hợp.
- Nước mồi biogas: để rút ngắn thời gian thí nghiệm, nước thải từ hầm ủ biogas sẽ được bổ sung vào các bình ủ làm chất mồi. Nước biogas được thu từ đầu ra của túi ủ biogas (dài 12m, đường kính 0,8m) đang hoạt động của hộ ông Nguyễn Hoàng Nam, xã Long Hòa, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ, với số lượng heo trong chuồng là 4 heo nái và 30 heo con. Sau đó tiến hành bố trí thí nghiệm ngay nhằm tránh mất dưỡng chất và chết các VSV. Trong quá trình bố trí thí nghiệm, nước biogas sẽ được khuấy đều để tạo mẫu đồng nhất.
3.3.2 Bố trí thí nghiệm
Lục bình nguyên liệu sẽ được trộn đều với 10 lít nước thải từ túi ủ biogas đang hoạt động, ủ yếm khí trong bình nhựa trong 5 ngày và khuấy trộn hỗn hợp mỗi ngày.
Thí nghiệm sẽ được tiến hành liên tục trong 45 ngày trên mô hình bình nhựa thể tích 21L, trên nắp bình lắp một ống nhựa mềm có bố trí 2 van khóa, một ống nhựa khác trên thân bình, túi nhôm và túi nilon đen.
Các nghiệm thức sẽ được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên, mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần để tăng độ tin cậy của thí nghiệm. Để tránh tình trạng lượng khí sinh ra đẩy nước lên cao làm nghẹt ống dẫn khí hoặc đẩy nước vào túi chứa khí, thí nghiệm chỉ nạp 17 lít hỗn hợp gồm nguyên liệu và nước ủ, 4 lít mặt thoáng còn lại để chứa khí sinh ra.
Tỉ lệ phối trộn phân heo và rơm dựa vào hàm lượng chất rắn bay hơi (VS) của nguyên liệu nạp. Hỗn hợp phân heo và lục bình theo các tỉ lệ phối trộn được xác định dựa vào khối lượng chất rắn bay hơi (VS). Theo Eder và Schulz (2007), lượng nạp
30 hằng ngày cho 1 m3
hầm ủ có thể dao động từ 1 ÷ 4 kg VS/ngày. Chọn lượng nạp cho các nghiệm thức là 1 kg VS/ngày/m3, tương đương 1 g VS/ngày/lít. Như vậy, lượng nguyên liệu nạp vào bình ủ có tổng VS = 1x17x20 = 340 g VS/17 lít bình ủ trong 20 ngày. Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (WH), kích thước nguyên liệu và phương pháp tiền xử lý được bố trí theo bảng sau:
Bảng 3.1 Tỷ lệ nguyên liệu đầu vào cho thí nghiệm
Nghiệm
thức Thành phần Tỷ lệ nguyên liệu nạp tính theo VS
Khối lượng thực nguyên liệu nạp vào Phân heo (PH) Lục bình (WH) Ẩm độ 25% PH + WH (ẩm độ thực tế 26,2%) 170 g PH + 170g WH 429,8 g 305,8 g Ẩm độ 50% PH + WH (ẩm độ thực tế 50% ) 170 g PH + 170g WH 429,8 g 511,9 Ẩm độ 70% PH + WH (ẩm độ thực tế 70% ) 170 g PH + 170g WH 429,8 g 1047,3 g Ẩm độ 90% PH + WH (ẩm độ thực tế 90% ) 170 g PH + 170g WH 429,8 g 1896,2 g
Sau 5 ngày tiền xử lý nguyên liệu, sẽ tiến hành thêm phân heo và nước mồi biogas mới thu trực tiếp từ túi ủ biogas đang hoạt động vào bình ủ cho đủ 17 lít để bổ sung hệ vi sinh vật cần thiết cho mẻ ủ. Sau đó, bình ủ được đóng kín nắp, phủ bao nilông đen giúp hạn chế quá trình tạo oxy từ quang hợp của các loại tảo làm ảnh hưởng đến sự yếm khí của mẻ ủ và nối vào ống thu khí và bắt đầu quá trình ủ.
31
Hình 3.1 Mô hình bình ủ theo mẻ của thí nghiệm
3.3.3 Phương pháp thu mẫu và phân tích
a) Phương pháp thu mẫu khí
- Phương pháp thu mẫu: khí sinh ra được thu và trữ vào các túi nhôm.
- Chu kỳ thu mẫu: 2 ngày/lần, bắt đầu từ ngày thứ 2 của thí nghiệm để cho khí sinh ra lấp đầy mặt thoáng trong bình ủ
- Chỉ tiêu đo đạc: tổng thể tích biogas, thành phần khí CH4 và khí CO2. b) Phương pháp thu mẫu hỗn hợp mẻ ủ
- Phương pháp thu mẫu: xay nhỏ hỗn hợp thu từ bình ủ, trộn đều và tiến hành thu mẫu để phân tích các chỉ tiêu VS, TN, TP, tổng coliform, Fecal coliform và tổng vi sinh vật yếm khí.
- Chu kỳ thu mẫu: ngày bắt đầu, ngày 20 và ngày thứ 45
c) Theo dõi các chỉ tiêu môi trường mẻ ủ (nhiệt độ, pH, điện thế oxy hóa – khử) - Phương pháp thu mẫu: đo trực tiếp từ tâm bình ủ bằng điện cực.
- Chu kỳ thu mẫu: 2 ngày đo 1 lần từ 7h00 - 11h00, bắt đầu từ ngày thứ 1 sau khi bố trí thí nghiệm.
32
Bảng 3.2 Phương tiện và phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong thí nghiệm
Chỉ tiêu Phương pháp Phương tiện Tài liệu tham khảo
pH, nhiệt độ Đo trực tiếp Eutech Instrument pH6+ (Đức) TCVN 6492:2011
Redox Đo trực tiếp
Multi 340i - WTW 82362 Weilheim
(Đức)
Tổng biogas Đo trực tiếp Đồng hồ Ritter (Đức)
CH4
CO2 Đo trực tiếp Máy đo Geotechnical Instruments
Biogas 5000 (Anh) TS VS Carbon Phương pháp tro hóa Tủ sấy Memmert UI 40 (Đức) Tủ nung Lenton 5500 C EF 11/8B (Anh)
Cân điện tử 3 số lẻ Sartorius BP410S (Đức) Viện thổ nhưỡng nông hoá, 1998 TKN Phương pháp phân hủy và chưng cất Kjeldhal Bếp công phá Tecator (Đức) Máy chưng cất Gerhart Vapodest 20 (Đức) Viện thổ nhưỡng nông hoá, 1998 TP Phương pháp Ascorbic acid
Máy so màu Hitachi U-2008 (Nhật)
Nồi autoclave Sturdy SA-300H (Nhật) Viện thổ nhưỡng nông hoá, 1998 Tổng coliform Phương pháp MPN
Nồi khử trùng Hirayama HVE-50 (Nhật)
TCVN 8775:2011
33
Fecal coliform VSV yếm khí
Buồng cấy Jisico (Hàn Quốc) Nồi chưng cất thủy BW 20G Lab. Companion (Hàn Quốc)
Tủ ủ Memmert (Đức)
3.4 Phương pháp tính toán và ử lý số liệu 3.4.1 Phương pháp tính toán
a)Xác định ẩm độ nguyên liệu
Phân tích ẩm độ bằng phương pháp sấy khô ở 105°C. Giá trị ẩm độ được xác định theo công thức:
Trong đó:
- % ẩm độ: Phần trăm ẩm độ (%)
- M1: trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g)
- M2: trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) - M3: trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 105°C (g)
b) Xác định phần trăm chất rắn bay hơi
. Giá trị VS/TS được xác định theo công thức:
Trong đó:
- VS/TS: phần trăm chất rắn bay hơi (%) - M1: trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g)
- M2: trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) - M3: trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 550°C (g)
c) Xác định carbon tổng số (Viện thổ như ng nông hoá, 1998)
Phân tích carbon tổng số dựa trên phương pháp tro hóa. Giá trị carbon tổng số được tính theo công thức sau:
34 Trong đó:
- %C: phần trăm carbon tổng (%)
- M1: trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g)
- M2: trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) - M3: trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 550°C (g)
d) Xác định nitrogen tổng số (Viện thổ như ng nông hoá, 1998)
Phân tích nitrogen tổng bằng phương pháp Kjeldahl. Giá trị nitrogen tổng được tính theo công thức sau:
Trong đó:
- %N: phần trăm Nitrogen tổng (%)
- V’: thể tích H2SO4 d ng trong định phân có mẫu (mL) - V: thể tích H2SO4 d ng trong định phân mẫu trắng (mL) - CN: nồng độ đương lượng của H2SO4 d ng trong định phân (N) - M: trọng lượng mẫu (g)
e) Xác định tỉ lệ C/N
Tỉ lệ C/N được tính theo công thức sau:
Trong đó:
- %C: phần trăm carbon tổng (%) - %N: phần trăm Nitrogen tổng (%)
f) Xác định lượng TS nguyên liệu cần nạp
724 . 1 ) 100 ( % 100 % 2 1 1 3 M M M M C 100 014 . 0 ) ' ( % M C V V N N N C N C % %
35
Lượng TS nguyên liệu nạp cần dùng cho từng bình ủ được tính theo công thức sau:
Trong đó:
- TSnạp: lượng TS nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - VSnạp: lượng VS nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - VS/TS: phần trăm chất rắn bay hơi (%)
g) Xác định lượng nguyên liệu khô cần nạp
Lượng nguyên liệu khô cần dùng cho từng bình ủ được tính theo công thức sau:
Trong đó :
- Nguyên liệu nạp: lượng nguyên liệu khô cần nạp (g) - TSnạp: lượng TS nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g)
h) Xác định phần trăm khí CO2 và các khí khác
Phần trăm khí CO2 và các khí khác được tính theo công thức: %CO2 và các khí khác = 100 - %CH4
Trong đó:
- %CO2 và các khí khác: phần trăm khí CO2 và các khí khác có trong hỗn hợp biogas (%)
- %CH4: phần trăm khí CH4 có trong hỗn hợp khí biogas (%) i) Xác định năng suất sinh khí
Năng suất sinh khí được tính theo công thức sau:
∑
36 Trong đó:
- H: năng suất sinh khí (lít/kg) - ∑Vkhí: tổng thể tích khí (lít) - VS: chất rắn bay hơi (kg)
3.4.2 Phương pháp ử lý số liệu
Sử dụng phần mềm Microsoft Excel để tổng hợp số liệu và vẽ đồ thị. Sử dụng kiểm định Duncan ở mức ý nghĩa 5% để đánh giá sự khác biệt lượng khí sinh ra giữa các nghiệm thức.
37
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu nạp
Nguyên liệu dùng trong thí nghiệm phải được phân tích các chỉ tiêu hóa học nhằm kiểm tra, đánh giá sự phù hợp của nguyên liệu đó đối với quá trình ủ biogas. Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu sử dụng để bố trí thí nghiệm được trình bày ở Bảng 4.1.
Bảng 4.1 Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu ủ yếm khí
Nguyên liệu %C %N C/N
Lục bình 47,7 1,14 41,9/1
Phân heo 32,9 2,32 14,18/1
Bảng 4.1 cho thấy tỉ lệ C:N của phân heo là 14,2/1, thấp hơn so với nghiên cứu của Lê Trần Thanh Liêm (2010) là 17/1 ÷ 21/1, nghiên cứu của Kha Mỹ Khanh (1990) từ 18,3:1 ÷ 24,1:1, Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương là 18/1 ÷ 22/1 (2003). Kết quả C:N của lục bình là 41,9/1 cao hơn so với nghiên cứu của Kha Mỹ Khanh (1990) là 23,2 ÷ 28,8, Nguyễn Gia Lượng (1989) là 25,7/1, Nguyễn Thị Thu Thủy và Phan Quốc Nam (1989) là 18,2 ÷ 30,7. Tỷ lệ C:N đầu vào của nguyên liệu có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như giống cây trồng, nơi sinh sống, hệ thống canh tác, điều kiện đất đai, phân bón sử dụng, tỉ lệ C/N cao, nồng độ khí methane trong khí sinh học giảm (Hill, 1979). Theo RISE-AT (1998), Fabien Monnet (2003), Nguyễn Duy Thiện (2001), Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010), Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) tỉ lệ C/N tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20/1 ÷ 30/1. Theo Fabien Monnet (2003), tỉ lệ C:N càng cao thì nồng độ khí methane trong khí sinh học càng giảm. Ngược lại, nếu tỉ lệ C:N thấp sẽ tích tụ amoniac làm pH vượt quá 8.5, gây độc với vi khuẩn sinh methane.
Sau khi phối trộn, tỉ lệ C:N đầu vào của các nghiệm thức dao động trong khoảng 21,7/1 ÷ 22,6/1,nằm trong khoảng tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí. Phân heo có tỉ lệ C/N thấp , trong khi đó tỉ lệ C/N của lục bình thì lại cao, việc phối trộn phân heo và lục bình làm ổn định tỉ lệ C/N ở mức thích hợp nhằm tăng khả năng sinh khí methane.
Theo nhiều tài liệu nghiên cứu cho thấy hai yếu tố quan trọng nhất cho quá trình phân hủy yếm khí là carbon (C) và nitrogen (N). Hai nguyên tố này phải hiện diện ở một tỉ lệ nhất định thì quá trình phân hủy yếm khí mới diễn ra tốt.
38
Nhìn chung, tỉ lệ C/N của phân heo thì thấp hơn so với khoảng tối ưu, trong khi đó, tỉ lệ C/N của lục bình lại cao hơn. Việc phối trộn lục bình với phân heo sẽ làm tỉ lệ C/N nằm trong khoảng tối ưu làm cho vi khuẩn sinh methane hoạt động tốt hơn, sản lượng khí methane sinh ra cao hơn.
4.2 Các thông số kiểm soát quá trình ủ yếm khí 4.2.1 Nhiệt độ 4.2.1 Nhiệt độ
Các nghiệm thức thí nghiệm được đặt ngẫu nhiên trong nhà thí nghiệm, diện tích nơi bố trí nhỏ, xung quanh được che chắn tránh gió lùa và ánh nắng mặt trời trực tiếp chiếu vào các mẻ ủ. Nhiệt độ được đo trực tiếp ở tâm bình ủ từ 10h00 đến 11h00 theo chu kì 2 ngày đo 1 lần. Kết quả đo đạc cho thấy, nhiệt độ của mẻ ủ dao động từ 26,8 o
C ÷ 31,1oC, trung bình là 28,6±1,1oC (Hình 4.1). Đây là khoảng nhiệt độ phù hợp cho các VSV ưa ấm phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí.
Nghiệm thức ẩm độ 70% có nhiệt độ cao nhất là 31,1oC (trung bình 28,6±1,2 o
C), kế tiếp là nghiệm thức ẩm độ 25% có nhiệt độ là 30,5oC (trung bình 28.7±1.1oC) và nghiệm thức ẩm độ 50% với nhiệt độ là 30,5oC (trung bình 28,5±1,1oC). Thấp nhất là nghiệm thức ẩm độ 90%, nhiệt độ là 30,3oC (trung bình 28,6±1,1oC). Nhiệt độ môi trường dao động trong khoảng 27,2 ÷ 32,7oC. Trong quá trình ủ yếm khí theo mẻ, nhiệt độ là yếu tố rất quan trọng cần được quan tâm, nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn yếm khí sinh methane. Tốc độ sinh metan của vi khuẩn tăng theo nhiệt độ (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Theo Lê Hoàng Việt (2005) nhiệt độ môi trường ủ ảnh hưởng lớn đến thể tích khí sinh ra ở các nghiệm thức. Nhiệt độ càng cao thì các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ của các VSV diễn ra nhanh, lượng khí sinh ra nhiều.
Điều kiện thích hợp cho vi sinh vật ưa ấm phát triển từ 25 ÷ 40oC (Lê Hoàng Việt, 2009), 20 ÷ 40 oC (Nguyễn Quang Khải, 2002). Trong khoảng 20 – 28 0C, năng suất sinh khí tăng mạnh. Khi nhiệt độ nguyên liệu dưới 15 0C, năng suất khí giảm (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) nhiệt độ tối ưu cho lên men tạo khí methane là khoảng 35oC, thấp hơn nhiệt độ tối ưu này thì mức độ sinh khí giảm dần cho đến gần 10o
C. nhiệt độ dưới 100C thể tích khí sản xuất được giảm mạnh (Lê Hoàng Việt, 2005).
39
Hình 4.1 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức trong 45 ngày
Nhiệt độ của mẻ ủ có xu hướng giảm và biến động theo ngày tùy theo nhiệt độ môi trường (Hình 4.1). Trong các ngày đầu nhiệt độ của mẻ ủ cao, cao nhất vào ngày thứ 5 (31,1oC) và giảm dần do nhiệt độ sinh ra từ các phản ứng sinh hóa của vi khuẩn yếm khí có trong mẻ ủ. Trong các ngày đầu, các VSV hoạt động mạnh và các quá trình sinh hóa diễn ra nhiều làm nhiệt độ của mẻ ủ tương đối cao. Các ngày về sau của thí nghiệm, nhiệt độ của mẻ ủ giảm dần do hàm lượng chất hữu cơ giảm sau quá trình phân hủy dưới tác động của các VSV, các VSV hoạt động chậm lại và các quá trình sinh hóa cũng giảm dần làm cho nhiệt độ của các nghiệm thức giảm.
Nhìn chung, nhiệt độ môi trường nơi bố trí thí nghiệm phù hợp cho các VSV ưa ấm phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Trong 45 ngày ủ, nhiệt độ trong các bình ủ có xu hướng giảm và biến động theo ngày tùy theo nhiệt độ môi trường và các phản ứng sinh hóa xảy ra trong mẻ ủ.
4.2.2 pH
Kết quả theo dõi diễn biến của pH trong quá trình thí nghiệm cho thấy pH của mẻ ủ dao động từ 6,70 ÷ 7,63 (trung bình 7,0±0,15). Các nghiệm thức ẩm độ 25%, 50%, 70% và 90% pH có giá trị lần lượt là 7,01±0,11, 6,99±0,14, 6,96±0,17 và 7,03±0,18 (Hình 4.2). 26 27 28 29 30 31 32 33 1 3 5 7 9 1 3 1 5 1 8 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 3 3 3 5 3 7 3 9 4 1 4 3 N H IỆ T Đ Ộ ( OC NGÀY ẩm độ 25% ẩm độ 50% ẩm độ 70% ẩm độ 90% Môi trường