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 IỆ N T H Ế O XY H Ó A - KH Ử NGÀY ẩm độ 25% ẩm độ 50% ẩm độ 70% ẩm độ 90%
42
Nhìn chung, giá trị điện thế oxy hóa – khử của mẻ ủ luôn có giá trị âm (nhỏ hơn - 150 mV), điều này chứng tỏ toàn bộ quá trình xảy ra trong mẻ ủ là quá trình khử hoàn toàn. Đây là một yếu tố kiểm soát rất quan trọng cần được quan tâm, điện thế oxy hóa – khử ảnh hưởng đến thành phần khí và khả năng sinh KSH của mẻ ủ. Cần có sự can thiệp kịp thời trước sự thay đổi của pH, đảm bảo điều kiện thuận lợi (khử hoàn toàn) cho quá trình phân hủy yếm khí.
4.2.4 Tổng vi sinh v t yếm khí
Kết quả phân tích cho thấy, tổng VSV yếm khí đầu vào của các nghiệm thức dao động trong khoảng 1100 ÷ 24000 MPN/100ml. Sau 45 ngày ủ, tổng VSV của các nghiêm thức dao động trong khoảng 2700 ÷ 24000 MPN/100ml (Hình 4.4). Nguồn gốc chủ yếu của các VSV yếm khí đầu vào của các nghiệm thức chủ yếu từ nước mồi biogas từ túi ủ biogas đang hoạt động. Qua quá trình ủ yếm khí, tổng VSV yếm khí của các nghiệm thức ẩm độ 70%, ẩm độ 50% và 90% đều tăng do các VSV yếm khí sử dụng chất hữu cơ từ nguyên liệu nạp vào để sinh trưởng, khí biogas được hình thành từ các phản ứng phân hủy các chất hữu cơ có trong nguyên liệu nạp trong quá trình sinh trưởng của các VSV. Nghiệm thức ẩm độ 25% số lượng các VSV yếm khí giảm do ở nghiệm thức này quá trình sinh khí diễn ra mạnh, các VSV phân giải các chất hữu cơ qua các phản ứng phân hủy, quần thể VSV yếm khí phát triển mạnh nên lượng chất hữu cơ (thức ăn) giảm dẫn đến khí sinh ra giảm. Khi nguồn thức ăn dần cạn kiệt, quần thể VSV yếm khí giảm dần.
Hình 4.4 Tổng vi sinh vật yếm khí của mẻ ủ trong 45 ngày (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 ẩm độ 25% ẩm độ 50% ẩm độ 70% ẩm độ 90% Log 10 (MPN/100mL) nghiệm thức
43
4.3 Ảnh hưởng của ẩm độ lục bình lên khả năng sinh khí biogas 4.3.1 Lượng khí methane tích d n 4.3.1 Lượng khí methane tích d n
Hình 4.4 cho thấy thể tích khí methane tích dồn của các nghiệm thức có độ dốc thấp. Điều này chứng tỏ tốc độ sinh khí hằng ngày của mẻ ủ là không cao. Thể tích khí tích dồn của nghiệm thức ẩm độ 25% là cao nhất 159 L CH4/kg VS, tiếp theo là nghiệm thức ẩm độ 70% 142,78 L CH4/kg VS; nghiệm thức ẩm độ 50% là 139,51 L CH4/kg VS và thấp nhất là nghiệm thức độ ẩm 90% với 104,94 L CH4/kg VS. Kết quả thống kê cho thấy, giữa 2 nghiệm thức 70% và nghiệm thức ẩm độ 50% không có sự khác biệt ở mức ý nghĩa 5% (p>0,05) và nghiệm thức ẩm độ 25% có sự khác biệt ở mức ý nghĩa 5% với các nghiệm thức khác, nghiệm thức ẩm độ 90% khác biệt có ý nghĩa với các nghiệm thức khác (p<0.05) (Hình 4.5) (phụ lục 2.1).
Hình 4.5 Tích dồn thể tích khí methane của các nghiệm thức trong thí nghiệm
Theo Dương Thúy Hoa (2004) và Nguyễn Võ Châu Ngân (2012), lục bình có hàm lượng chất xơ cao, VSV yếm khí cần nhiều thời gian để phân hủy lục bình nếu so với thời gian phân hủy phân heo. Do lục bình có độ xốp cao (nhiều khoảng rỗng trong thân) nên lục bình dễ bị nôi lên trên bề mặt hỗn hợp ủ chứ không hoàn toàn lắng xuống
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 45 L C H4 /kg vs ngày ẩm độ 25% ẩm độ 50% ẩm độ 70% ẩm độ 90% a b b c a
44
đáy bình ủ như phân heo nên VSV không có điều kiện phân hủy toàn bộ lục bình một cách nhanh chóng. Bên cạnh đó, WH có thành phần chất xơ cao (22%) nên khó phân hủy trong thời gian ngắn. Do vậy mà độ dốc của các đường tích dồn methane thường thấp (Hình 4.4). Nhìn chung, tổng sản lượng khí sinh ra sau 45 ngày ủ không có sự chênh lệch lớn giữa các nghiệm thức ẩm độ 25% và nghiệm thức ẩm độ 50%, 70%. Tuy nhiên, sử dụng lục bình tươi (ẩm độ 90%) làm nguyên liệu nạp cho sẽ làm lượng khí methane sinh ra thấp hơn so với các ẩm độ khác. Bên cạnh đó, lục bình tươi sẽ còn làm việc bổ sung nguyên liệu khá khó khăn do chiếm nhiều không gian của túi ủ.
4.3.2 Xác định thời điểm sinh khí cực đại
Xác định thời điểm thể tích khí sinh ra cao nhất của mẻ ủ dựa vào diễn biến thể tích khí sinh ra hằng ngày trong các lần đo nhằm tạo cơ sở để xác định khối lượng nguyên liệu nạp vào mẻ ủ. Diễn biến thể tích khí hằng ngày cho thấy, ở tất các nghiệm thức đều sinh khí ở ngày thứ 2 của thí nghiệm và có xu hướng tăng dần, lượng khí methane sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức dao động từ 0,42 đến 12,09 L/Kg VS (Hình 4.6).
nghiệm thức ẩm độ 25%, sản lượng khí CH4 sinh ra tăng dần và đạt đỉnh ở ngày 12 (10,45 L CH4/kg VS), nguyên liệu sử dụng ở nghiệm thức này là lục bình đã phơi khô, có ẩm độ thấp nhất 26,2%, quá trình phân hủy nguyên liệu xảy ra nhanh nên lượng khí đạt cực đại sớm; sau ngày 12, lượng khí CH4 bắt đầu giảm dần đến ngày 16 (8,81 L CH4/kg ODM) và tăng trở lại, lượng khí CH4 một lần nữa đạt đỉnh ở ngày 24 (12,09 L CH4/kg ODM), sự tăng trở lại của nghiệm thức ở giai đoạn này có thể giải thích do quá trình phân hủy tiếp các chất hữu cơ chưa được phân hủy ở giai đoạn đầu của thí nghiệm, sau đó lượng khí tiếp tục giảm cho đến ngày kết thúc thí nghiệm.
Thể tích khí CH4 ở nghiệm thức ẩm độ 50% cũng tăng dần sau đó đạt đỉnh ở ngày 10 (11,12 L CH4/kg VS). Sau đó, sản lượng khí sinh ra bắt đầu giảm mạnh tới ngày 18 (5,4 L CH4/kg VS) và tăng trở lại đạt đỉnh lần nữa ở ngày 24 (8,2 L CH4/kg VS), sau đó thể tích khí CH4 giảm dần tới ngày kết thúc thí nghiệm. nghiệm thức ẩm độ 90%, sản lượng khí tăng dần từ ngày thứ 2 (0,85 L CH4/kg VS) và đạt đỉnh ở ngày 10 (8,34 L CH4/kg VS) sau đó giảm dần đến ngày 18 (2,29 L CH4/kg VS), lượng khí sau ngày 18 bắt đầu tăng lên lại và đạt đỉnh ở ngày 20 của thí nghiệm (8,31 L CH4/kg VS), sau đó lượng khí sinh ra giảm dần cho đến ngày kết thúc thí nghiệm. Nguyên nhân việc thể tích CH4 lại tăng lên ở giai đoạn sau là do nguyên liệu nạp phối trộn giữa hai loại nguyên liệu là lục bình và phân heo và sự phân hủy các chất hữu cơ chưa được phân hủy hết ở giai đoạn sau.
45
Nghiệm thức ẩm độ 70%, thể tích khí sinh ra tăng dần từ 0, 42 L CH4/kg VS (ngày 2) đến 9,02 L CH4/kg VS (ngày 12 - đỉnh thứ nhất) thì giảm xuống nhưng không đáng kể, từ 9,02 L CH4/kg VS (ngày 12) xuống 6,24 L CH4/kg VS (ngày 1). Sau ngày 16, lượng khí tăng dần trở lại và đạt đỉnh ở ngày 22 (9,94 L CH4/kg VS), sau khi đạt đỉnh, lượng khí giảm dần cho đến hết ngày thí nghiệm. Nghiệm thức ẩm độ 70%, hai lần đạt đỉnh là do sử dụng hai loại nguyên liệu nạp là lục bình và phân heo, phân heo có thời gian phân hủy sớm hơn lục bình nên phân hủy trước, sau đó lục bình mới phân hủy tiếp làm cho khí CH4 một lần nữa đạt đỉnh.
Hình 4.6 Diễn biến thể tích khí methane sinh ra hằng ngày
Trong thí nghiệm này, lượng khí methane sinh ra lớn nhất ở giai đoạn đầu (khoảng từ 10 đến 12 ngày) của quá trình phân hủy là do tác dụng của việc bổ sung nước mồi biogas để tiền xử lý vật liệu trước khi ủ, nếu không mẻ ủ sẽ mất nhiều thời gian hơn để khởi động. Nước mồi biogas được lấy từ đầu ra của hệ thống biogas đang hoạt động, các vi sinh vật yếm khí đã tồn tại sẵn trong dung dịch. Sự gia tăng số lượng vi sinh vật trong giai đoạn đầu là rất cần thiết nhằm rút ngắn thời gian lưu nước của mẻ ủ.
Tuy nhiên việc lượng khí sinh ra vẫn còn tăng giảm một vài đợt sau chu kỳ tăng cực đại có thể là do tồn tại một số thành phần hữu cơ khó phân hủy trong nguyên liệu ủ bắt đầu phân hủy hoặc do quá trình lắc bình thủ công hằng ngày gây ảnh hưởng. Theo RISE-AT (1998); Lê Hoàng Việt (2013), Nguyễn Quang Khải (2002), khuấy trộn là