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
40
Hình 4.2 Diễn biến pH của mẻ ủ trong 45 ngày
Vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với pH của môi trường, chúng chỉ sinh trưởng tốt trong khoảng pH 6,8 ÷ 8,5 và bị ức chế khi pH < 6,2, vì thế pH có ảnh hưởng rất quan trọng đến khả năng sinh khí methane của KSH (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Theo Lê Hoàng Việt (2013) giá trị pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tốc độ hoạt động của hệ vi sinh trong hầm ủ. Tùy theo sự thay đổi của các giai đoạn trong quá trình ủ yếm khí mà giá trị pH thay đổi theo. Trong giai đoạn lên men ban đầu, axit hữu cơ được tạo ra, làm pH môi trường giảm, khi pH < 5, sản lượng khí bị ảnh hưởng nghiêm trọng (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010 trích Sahota và Ajit Singh). Theo Fabien Monnet (2003), khoảng giá trị tối ưu cho vi khuẩn sinh methane là 6,6 ÷ 7, khoảng tối ưu cho mẻ ủ 6,4 ÷ 7,2. Theo Nguyễn Văn Phước (2010), khoảng pH tối ưu cho phân hủy yếm khí dao động trong khoảng hẹp 6,5 ÷ 8,5.
Trong giai đoạn đầu, pH đạt cực đại 7,63 ở ngày thứ 9 nghiệm thức ẩm độ 90%, do nguyên liệu sử dụng ở nghiệm thức này là WH ẩm độ 90% (tươi) nên khó phân hủy. Sau khi nguyên liệu bắt đầu phân hủy, pH của các nghiệm thức giảm do thời gian này trong mẻ ủ xảy ra quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các axit amin cho vi sinh vật dễ phân hủy tạo axit acetic. pH của các nghiệm thức tăng và ổn định ở giai đọan sinh metan, pH nằm trong khoảng pH thích hợp cho VSV hoạt động từ 6,6 ÷ 7,6 (Mc Carty, 1964), 6,6 ÷ 7,2 (Lê Hoàng Việt, 2005). Trong giai đoạn sinh methane, pH ổn định trung bình 7,05±0,1, thấp hơn tài liệu của Nguyễn Quang Khải và
6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 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 NGÀY ẩm độ 25% ẩm độ 50% ẩm độ 70% ẩm độ 90%
41
Nguyễn Gia Lượng 7,2 ÷ 8,2. Nhìn chung, giá trị pH của tất cả các nghiệm thức tương đối đồng đều và thuộc khoảng giá trị thích hợp cho quá trình phân hủy của các VSV.
4.2.3 Điện thế o y hóa – khử
Trong quá trình ủ yếm khí theo mẻ, điện thế oxy hóa – khử là một trong những yếu tố rất quan trọng, ảnh hưởng đến sự sinh khí methane.
Hình 4.3 Diễn biến điện thế oxy hóa – khử của mẻ ủ trong 45 ngày
Thông số điện thế oxy hóa – khử của mẻ ủ dao động từ -334.7 ÷ -150 mV, trung bình là -256±40,05 mV (Hình 4.3). Trong đó, giá trị điện thế oxy hóa – khử củanghiệm thức ẩm độ 25% là cao nhất -150,0 mV (trung bình -235,8±47,22 mV), kế tiếp là nghiệm thức ẩm độ 50% có giá trị là -176,7 mV (trung bình -253,6±32,87 mV), nghiệm thức ẩm độ 70% có giá trị là -185,3 mV (trung bình là -256,2±40,08 mV), thấp nhất là nghiệm thức ẩm độ 90% là -334,7 mV (trung bình là -278,4±28,1 mV). Theo Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010), vi khuẩn metan đòi hỏi thế oxy hoá khử từ –300 đến –350 mV. Khí methane bắt đầu được hình thành khi giá trị điện thế oxy hóa – khử nhỏ hơn -250mV (Trương Thị Nga, 2013).
Điện thế oxy hóa – khử đạt giá trị thấp nhất vào những ngày đầu của thí nghiệm do trong nguyên liệu nạp lúc đầu có một ít O2, và vi khuẩn hiếu khí, các vi khuẩn này sẽ sử dụng oxy làm giảm mạnh thế oxy khử, sau đó tăng dần và hầu hết dao động trong khoảng -275 ÷ -175 mV. Do trong thời gian này, mẻ ủ diễn ra nhiều quá trình thủy phân, sinh acid và sinh metan, hàm lượng chất hữu cơ giảm dần do VSV sử dụng trong các quá trình trên nên các qua trình khử diễn ra chậm lại.
-400.0 -350.0 -300.0 -250.0 -200.0 -150.0 -100.0 -50.0 0.0 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 Đ