3.2.1 Dụng cụ, thiết bị
-Nhiệt kế, máy đo pH
-Máy đo độ oxi hóa – khử (Redox)
-Máy đo màu quang phổ UV – Vis Hitachi U2800 (Nhật) -Máy chưng cất Kjendahl tự động Vapodest 40 (Đức) -Tủ sấy Memmert (Đức)
-Cân điện tử 4 số lẻ Sartorius (Đức) -Đồng hồ đo thể tích khí Ritter – Đức
-Máy đo khí biogas chuyện dụng Biogas 5000 (Geotechnical Instrument - Anh)
-Bộ bình ủ yếm khí theo mẻ gồm: thùng nhựa tròn có thể tích 21 lít dùng để chứa nguyên liệu thí nghiệm, được gắn với túi nhôm dùng để chứa khí sinh ra qua ống dẫn khí, trên ống dẫn khí có 2 van khí dùng để khóa và mở van theo ý muốn. Toàn bộ các liên kết đều sử dụng khớp nối mềm đảm bảo hệ thống kín nước và kín khí trong suốt quá trình thí nghiệm (Hình 3.1)
Hình 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm theo mẻ.
3.2.2 Nguyên vật liệu nghiên cứu a. Lục bình a. Lục bình
Lục bình thu từ khu vực phường Ba Láng, quận Cái Răng, được loại bỏ rễ, phơi khô trong 5 ngày bằng ánh nắng mặt trời. Sau khi phơi khô phần thân lá sẽ được cắt nhỏ theo từng kích thước. Lục bình được cắt nhỏ bằng tay và dùng máy nghiền để nghiền nhỏ. Sau khi nghiền, lục bình được sàng để thu được các kích thước 0,05 cm, 0,2 cm, 0,5 cm và 1 cm.
b. Phân heo
Phân heo lấy 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. Sau khi lấy về, phân heo được phơi ở nơi thoáng mát, tránh tiếp xúc với ánh nắng mặt trời sẽ mất đi nguồn dưỡng chất, sau đó nghiền nhỏ bằng máy nghiền, cuối cùng được trộn đều tạo mẫu đồng nhất.
c. Nước sau túi ủ biogas.
Nước sau túi ủ biogas được lấy từ đầu ra túi ủ biogas của hộ ông Nguyễn Văn Nam tại xã Long Hòa, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ vào ngày 16/06/2013 (làm nước sử dụng cho quá trình tiền xử lý) và vào ngày 20/06/2013 (nạp thêm vào mẻ ủ nhằm bổ sung lượng vi sinh vật ban đầu cho tất cả các nghiệm thức). Túi ủ có chiều dài 12 m và đường kính là 0,8 m. Lúc lấy nước mồi hệ thống ủ biogas vẫn đang hoạt động bình thường. Số lượng heo trong chuồng lúc đó là 34 con, gồm 4 heo mẹ và 30 heo con.
3.3 Phương pháp nghiên cứu 3.3.1 Bố trí thí nghiệm 3.3.1 Bố trí thí nghiệm
a. Tính toán lượng nguyên liệu cần 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) và khối lượng tổng chất rắn (TS).
Theo Eder và Schulz (2007), lượng nạp 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 1kgVS/ngày/m3, tương đương 1 g VS/ngày/lít. Như vậy, lượng nguyên liệu nạp vào bình có thể tích ủ là 17 lít sẽ có tổng lượng VS= 1x17x20 = 340 g VS/17 lít bình ủ trong 20 ngày. Từ lượng VS nguyên liệu cần nạp có thể tính được lượng TS cũng như nguyên liệu cần sử dụng để nạp cho các thí nghiệm dựa theo các công thức sau:
Lượng TS cần nạp = lượng VS cần nạp/VS(%)
Lượng nguyên liệu cần nạp = lượng TS cần nạp/TS(%)
Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (LB), kích thước nguyên liệu nạp được bố trí theo Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Tỷ lệ phối trộn giữa phân heo (PH) ÷ lục bình (LB)
Nghiệm thức Khối lượng nạp tính theo VS (g) Khối lượng nạp tính theo TS(g) LB PH Tổng LB PH Tổng Lục bình 0.05 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 0.2 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 0.5 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 1 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6 Lục bình 39.4 cm 170 170 340 206,3 299,3 505,6
(Ghi chú: phân heo (PH), lục bình (LB))
b. Tiền xử lý nguyên liệu nạp
Tiền xử lý bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt và sự kết hợp giữa chúng. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, và phá vỡ lignin, giúp quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn và đạt hiệu suất cao hơn. Đây được xem là một trong những bước quan trọng xử lý các bước trong việc chuyển đổi đường cellulose để lên men (Mosier et al, 2005).
Lục bình được tiền xử lý bằng nước sau túi ủ biogas nhằm mục đích làm mềm nguyên liệu, cung cấp nguồn vi sinh vật và thúc đẩy quá trình thủy phân trước khi nạp vào bình ủ. Lục bình sau khi phơi khô nghiền nhỏ theo từng kích thước sẽ được tiền xử lý bằng nước sau túi ủ biogas trong 5 ngày, hỗn hợp được khuấy trộn mỗi ngày một lần.
c. Bố trí thí nghiệm
Các nghiệm thức sẽ được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong bình nhựa 21 lít, mỗi nghiệm thức được lặp lại 5 lần. Nhằm tránh tình trạng bình ủ nạp nguyên liệu quá đầy, sau khi sinh khí có thể bị tràn. Thí nghiệm chỉ nạp nguyên liệu vào bình là 17 lít, 4 lít còn lại dùng để chứa phần khí sinh ra. Các bình nhựa được bao kín bằng bao nilon đen, hạn chế sự phát triển của tảo trong suốt quá trình làm thí nghiệm.
Thí nghiệm được bố trí theo mẻ: nguyên liệu ủ được tính toán cho khoảng 20 ngày và nạp một lần ngay từ đầu, sau đó theo dõi trong 45 ngày, tỉ lệ phối trộn giữa phân heo và lục bình là 50% : 50%. Tiến hành tiền xử lí bằng nước mồi biogas trong 5 ngày, các nghiệm thức khác nhau về kích thước gồm: 0,05 cm; 0,2 cm; 0,5 cm; 1 cm và không cắt.
3.4 Phương pháp thu mẫu và phân tích
3.4.1 Phương pháp thu mẫu và các thông số đo đạc a. Các chỉ tiêu môi trường mẻ ủ a. Các chỉ tiêu môi trường mẻ ủ
Theo dõi các chỉ tiêu môi trường của mẻ ủ (nhiệt độ, pH, điện thế oxi hóa – khử). Phương pháp thực hiện: đo trực tiếp từ tâm bình ủ bằng điện cực với chu kì 2 ngày 1 lần bắt đầu từ ngày đầu tiên của thí nghiệm vào 7h00 sáng, nhiệt độ được tiến hành đo vào 9h00.
b. Các mẫu khí biogas
Thu mẫu khí: khí sinh ra từ các nghiệm thức được thu và trữ vào các túi nhôm. Tiến hành đo vào 7h00 sáng, theo chu kì 2 ngày/lần và theo dõi liên tục trong 45 ngày. Theo dõi, đo đạc tổng lượng khí thu được bằng đồng hồ đo thể tích Ritter và phân tích thành phần khí (% CH4, %CO2, %O2 và % H2S) bằng máy Biogas 5000. Sau khi nạp nguyên liệu vào bình ủ chưa thu khí ngay mà để một ngày cho khí sinh ra lấp đầy phần mặt thoáng trong bình, công tác thu khí đo đạc bắt đầu từ ngày thứ hai.
(A) (B)
Hình 3.2 Thiết bị đo các khí thành phần (A) và đồng hồ đo thể tích khí (B)
c. Các mẫu hỗn hợp mẻ ủ
Hỗn hợp mẻ ủ được xay nhỏ, trộn đều tạo mẫu đồng nhất và tiến hành thu mẫu để phân tích các chỉ tiêu VS, TS, TN, TP, vi sinh (vi sinh vật yếm khí, tổng coliform và faecal coliform) của các mẻ ủ tương ứng với các ngày lấy mẫu là ngày đầu, ngày 20, 45.
Sau 20 ngày thí nghiệm tiến hành lấy 1 bình ủ của mỗi nghiệm thức để phân tích các chỉ tiêu TS, VS, tỉ lệ C/N, độ kiềm và pH nhằm xác định khả năng phân hủy của các vật liệu, cuối cùng sau 45 ngày phân tích các bình còn lại.
3.4.2 Phương pháp phân tích mẫu
Tất cả các chỉ tiêu phân tích được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên. Theo các phương pháp thể hiện trong Bảng 3.2
Bảng 3.2: Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu
Chỉ tiêu Phương pháp phân tích Phương tiện
pH Đo trực tiếp bằng điện cực (TCVN 6492:2011)
Máy đo pH hiệu Orion Model 230A
Ntổng Phân hủy đạm và chưng cất Kjeldahl
(TCVN 6638:2000)
- Máy công phá đạm đạm Kjeldahl KB 20S
- Máy chưng cất Gerhardt Vapodest
- Ống Kjeldahl Đo thể tích khí Đo trực tiếp bằng máy đo
khí.
- Đồng hồ đo khí RITTER - Túi trữ khí
Đo thành phần khí Đo trực tiếp bằng máy đo. - Máy đo khí Biogas 5000
Vi sinh vật yếm khí
Phương pháp MPN (TCVN 8775:2011)
- Ống nghiệm - Pipette
- Buồng cấy (Clean Bench – Jisico):
- Nồi chưng cất thủy (BW 20G Lab. Companion) - Nồi khử trùng nhiệt ướt (Hirayama Autoclave HVE-50)
Tổng Coliform
Faecal coliform
TS Sấy 105oC đến trọng lượng
không đổi Tủ sấy Memmert UI40 Cân điện tử Sartorius VS Nung 550oC đến trọng lượng
không đổi
Cân điện tử Sartorius Tủ nung Lenton 550oC
Ptổng Phương pháp ASCORBIC
ACID METHOD
Máy so màu U-2008 Máy Autoclave
3.4.3 Phương pháp tính toán a) Xác định phần trăm ẩm độ a) Xác định phần trăm ẩm độ
Phân tích TS bằng phương pháp sấy khô ở 105°C. Giá trị TS được xác định theo công thức:
100 % 1 3 1 2 M M M M TS Trong đó: - %TS: Phần trăm tổng chất rắn (%) - 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) %Ẩm độ được tính bằng công thức:
%Ẩm độ = 100% - %TS
b) Xác định phần trăm chất rắn bay hơi (VS)
Phân tích phần trăm vật chất hữu cơ khô bằng phương pháp tro hóa. Giá trị VS được xác định theo công thức:
) 100 ( % 100 % 1 2 1 3 M M M M VS Trong đó:
- %VS: 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 nhưỡng 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:
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)
724 . 1 ) 100 ( % 100 % 2 1 1 3 M M M M C
- M3: Trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 550°C (g)
d) Xác định nitrogen tổng số (Viện thổ nhưỡng 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 dùng trong định phân có mẫu (mL) - V: thể tích H2SO4 dùng 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
Lượng TS nguyên liệu nạp cần dùng cho từng bình ủ được tính theo công thức sau: (%) VS VS TSnap nap Trong đó:
- TSnạp: tổng lượng chất rắn nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - VSnạp: lượng chất rắn bay hơi nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g)
100 014 . 0 ) ' ( % M C V V N N N C N C % %
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: TS NguyenLieunap % TSnap Trong đó :
- Nguyên liệu nạp: lượng nguyên liệu khô cần nạp (g)
- TSnạp: tổng lượng chất rắn nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - %TS: phần trăm tổng chất rắn của từng loại nguyên liệu (%)
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:
ra vao khi VS VS V H Trong đó:
- H: Năng suất sinh khí (lít/kg) - ∑Vkhí: Tổng thể tích khí (lít) - VS: lượng chất rắn bay hơi (kg)
3.4.4 Phương pháp xử lý số liệu
Các kết quả của đề tài sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2013 để tính kết quả và vẽ đồ thị. Số liệu về các chỉ tiêu phân tích sẽ được kiểm tra phân phối chuẩn, tính đồng nhất của phương sai trước khi thực hiện so sánh trung bình giữa các nghiệm thức bằng phần mềm SPSS 13.0
CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THẢO LUẬN
4.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu
Theo nhiều nhà nghiên cứu hai yếu tố quan trọng nhất cho quá trình phân hủy yếm khí là carbon và nitrogen. Hai nguyên tố này phải hiện diện ở một tỉ lệ thích hợp nhất định thì quá trình phan hủy yếm khí mới diễn ra tốt, tỉ lệ này gọi là tỉ số C/N. Theo RISE-AT (1998) và Fabien (2003), tỉ lệ C/N tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20/1 đến 30/1.
Nguyên liệu dùng trong thí nghiệm được phân tích các chỉ tiêu hóa học nhằm kiểm tra sự phù hợp của nguyên liệu đối với quá trình biogas. Kết quả phân tích về đặc điểm hóa học của nguyên liệu đầu vào được thể hiện trong Bảng 4.1.
Bảng 4.1 Đặc điểm hóa học của nguyên liệu đầu vào
Vật liệu %C %N C/N
Lục bình 45.2 1.14 39.65/1
Phân heo 32.9 2.32 14.18/1
Dựa vào bảng 4.1 ta có thể thấy tỉ lệ C/N của lục bình là 39,65/1 là thấp hơn so với thí nghiệm của Nghiêm Bích Ngọc (2013) là 42,87/1 nhưng cao hơn nhìu so với trình bày của Nguyễn Văn Thu (2010) là 25/1, Nguyễn Võ Châu Ngân và cộng sự (2011) là 30/1. Tỉ lệ C/N của phân heo là 14,18/1. So với nghiên cứu của Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003) là 18/1 ÷ 22/1, Lê Trần Thanh Liêm (2010) là 17/1 ÷ 21/1 thì kết quả này là không phù hợp. Tỉ lệ C/N đầu vào của nguyên liệu có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như giống cây trồng, hệ thống canh tác, điều kiện đất đai, khí hậu, … Đối với quá trình phân hủy yếm khí, tỉ lệ C/N càng cao thì nồng độ khí methane trong khí sinh học càng giảm (Hill, 1979).
Một trong những lí do phối trộn lục bình với phân heo trong mẻ ủ yếm khí là để ổn định tỉ lệ C/N ở mức thích hợp nhằm tăng khả năng sinh khí methane. Tỉ lệ C/N của phân heo thường thấp nên việc phối trộn với lục bình có tỉ lệ C/N cao là hợp lí nhằm tạo C/N tối ưu. Trong nghiên cứu này sau khi phối trộn C/N đầu vào của các nghiệm thức có giá trị từ 20,1 – 21,7 (Bảng 4.2) thuộc khoảng tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20 – 30 (Bardiya and Gaur, 1997; Malik et al, 1987; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010).
Bảng 4.2 Đặc điểm hóa học của hỗn hợp nguyên liệu sau khi được phối trộn Nghiệm thức % C % N C/N Lục bình 0,05 cm 39,0 1,93 20,2 Lục bình 0,2 cm 39,0 1,94 20,1 Lục bình 0,5 cm 39,0 1,92 20,3 Lục bình 1 cm 39,0 1,92 20,4 Lục bình không cắt 39,0 1,80 21,7
Nhìn chung cả 2 tỉ lệ C/N của phân heo và lục bình đều không thích hợp cho quá trình ủ yếm khí. Tuy nhiên sau khi phối trộn lục bình với phân heo ở tỉ lệ 50% – 50% đã góp phần điều chỉnh tỉ lệ C/N của hỗn hợp ủ cao hơn tỉ lệ C/N của phân heo, thấp hơn tỉ lệ C/N của lục bình và càng tiến gần về khoảng giá trị thích hợp nhất cho quá trình ủ yếm khí.
4.2 Các thông số kiểm soát quá trình ủ yếm khí 4.2.1 Nhiệt độ 4.2.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ được đo trực tiếp từ tâm của bình ủ bằng máy đo từ 10h00 đến