4.2.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ được đo trực tiếp từ tâm của bình ủ bằng máy đo từ 10h00 đến 11h00 hai ngày một lần. Kết quả theo dõi nhiệt độ ở các mẻ ủ cho thấy nhiệt độ của các nghiệm thức dao động từ 26,920C đến 31, 160C, trung bình là 28,70C và không có sự chênh lệch nhiều giữa các nghiệm thức và giữa nghiệm thức với môi trường (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.
Theo Lê Hoàng Việt (2005) và Fabien (2003) nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ưa ấm phát triển là từ 25 – 400C. Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010) cho rằng ở nhiệt độ cao, tốc độ phát triển của vi khuẩn và nguyên liệu nhanh hơn, tốc độ sinh methane của vi khuẩn tăng theo nhiệt độ, nhưng phản ứng sinh học lại có thể bị ức chế do lượng amon tự do cũng tăng theo nhiệt độ. Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) nhiệt độ tối ưu cho lên men tạo khí methane là khoảng 350C, thấp hơn nhiệt độ tối ưu này thì mức độ sinh khí giảm dần cho đến gần 100C. Nhiệt độ mẻ ủ biến động theo ngày trong suốt quá trình ủ tùy theo nhiệt độ môi trường (Bảng 4.3). Ngoài ra nhiệt độ của các nghiệm thức cũng chịu ảnh hưởng của lượng nhiệt được sinh ra từ các phản ứng sinh hóa trong các mẻ ủ.
Bảng 4.3 Diễn biến nhiệt độ (0C) của các mẻ ủ trong 45 ngày
NT
Giai đoạn (ngày)
1 – 7 8 - 15 16 - 23 24 - 31 32 - 37 37 - 43 LB 0.05 cm 29,25 ± 1,64 29,47 ± 1,18 29,48 ± 0,89 27,59 ± 0,26 28,38 ± 1,33 28,41 ± 0,84 LB 0.2 cm 29,12 ± 1,29 29,19 ± 1,15 29,11 ± 0,76 27,65 ± 0,40 28,27 ± 1,21 28,31 ± 0,70 LB 0.5 cm 29,04 ± 1,61 29,45 ± 1,26 29,50 ± 1,12 27,71 ± 0,42 28,39 ± 1,22 28,41 ± 0,85 LB 1 cm 29,50 ± 1,74 29,57 ± 1,16 29,56 ± 0,88 27,75 ± 0,30 28,46 ± 1,35 28,37 ± 0,92 LB không cắt 29,18 ± 1,48 29,17 ± 1,30 29,30 ± 0,72 27,61 ± 0,27 28,36 ± 1,42 28,23 ± 0,73 Môi trường 30,68 ± 2,41 29,93 ± 1,43 30,10 ± 2,26 29,05 ± 1,74 30,40 ± 2,11 29,33 ± 1,10
Tóm lại nhiệt độ trong các mẻ ủ phù hợp cho VSV ưa ấm phát triển và gần với khoảng nhiệt độ thích hợp cho sự phá triển của vi khuẩn sinh methane. Biến động nhiệt độ của các nghiệm thức trong quá trình bố trí thí nghiệm là do bình ủ có thể tích nhỏ (21 L) nên dễ chịu sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và do lượng nhiệt phát sinh từ các phản ứng sinh hóa trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ.
4.2.2 pH
Biểu đồ diễn biến pH của từng nghiệm thức trong quá trình ủ (Bảng 4.4) cho thấy giá trị pH của mẻ ủ trong 45 ngày nằm trong khoảng từ 6,38 đến 7,2. pH đạt giá trị thấp nhất 6,38 đến 7,1 và không ổn định ở những ngày đầu tiên, do thời gian này là thời gian VSV làm quen với môi trường trong mẻ ủ và là giai đoạn 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 và các acid hữu cơ khác nên làm pH môi trường mẻ ủ giảm. Tuy nhiên khoảng pH này vẫn thuộc khoảng thích hợp cho sự phát triển của VSV.
Bảng 4.4 Diễn biến pH của mẻ ủ trong 45 ngày
NT
Giai đoạn (ngày)
1 – 7 8 - 15 16 - 23 24 - 31 32 - 37 37 - 43 LB 0.05 cm 6,47 ± 0,10 6,78 ± 0,16 6,79 ± 0,15 7,06 ± 0,08 7,10 ± 0,02 6,83 ± 0,03 LB 0.2 cm 6,74 ± 0,14 6,83 ± 0,19 6,82 ± 0,21 7,10 ± 0,07 7,13 ± 0,06 6,81 ± 0,05 LB 0.5 cm 6,69 ± 0,08 6,87 ± 0,25 6,93 ± 0,17 7,12 ± 0,02 7,07 ± 0,04 6,73 ± 0,03 LB 1 cm 6,70 ± 0,10 6,84 ± 0,15 6,95 ± 0,16 7,12 ± 0,03 7,06 ± 0,02 6,79 ± 0,06 LB không cắt 6,93 ± 0,17 6,89 ± 0,16 7,01 ± 0,11 7,11 ± 0,03 7,10 ± 0,03 6,94 ± 0,12
Giá trị pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tốc độ hoạt động của hệ vi sinh trong mẻ ủ (Lê Hoàng Việt, 2013). Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997), pH là nhân tố góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí methane. Giá trị pH thay đổi theo từng giai đoạn diễn ra trong mẻ ủ, ở giai đoạn thủy phân các hợp chất hữu cơ và giai đoạn sinh acid thì pH giảm xuống, ở giai đoạn sinh methane thì pH tăng dần và bắt đầu ổn định tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào. Giá trị pH tăng lên trong tất cả các nghiệm thức ở giai đoạn sinh methane, các vi khuẩn sinh methane bắt đầu phát triển mạnh và gia tăng tốc độ chuyển đổi các acid hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác thành khí methane, carbonic, oxygen, nitrogen và hydrosulfua. Sau tuần thứ hai, giá trị pH ổn định, dao động từ 6,78 – 7,12 và nằm trong khoảng pH thích hợp cho VSV hoạt động từ 6,6 – 7,6 (Lê Hoàng Việt, 2005 và Mc Carty, 1964); 6,50 – 7,50 (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997).
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. Tuy vào những ngày đầu pH có sự chênh lệch với giá trị pH thích hợp nhưng sự chênh lệch không đáng kể và không ảnh hưởng nhiều đến quá trình sinh khí cũng như quá trình hoạt động của VSV.
4.2.3 Điện thế oxy hóa khử
Điện thế oxi hóa khử được đo trực tiếp ở tâm bình ủ từ 7h00 đến 9h00, bắt đầu từ ngày thứ nhất, theo chu kì 2 ngày 1 lần. Kết quả theo dõi điện thế oxi hóa khử ở các mẻ ủ cho thấy điện thế oxi hóa khử của nghiệm thức khá ổn định, có sự dao động không đáng kể, giá trị điện thế oxi hóa khử nằm trong khoảng từ -335,6 mV đến - 212,8 mV, trung bình là -273,7 mV (Hình 4.1).
Hình 4.1 cho thấy điện thế oxi hóa khử của tất cả các nghiệm thức trong suốt thời gian theo dõi đều có giá trị âm và nhỏ hơn -150 mV. Điều này chứng tỏ môi trường của mẻ ủ là môi trường yếm khí, quá trình xảy ra luôn là quá trình khử (không có oxygen, không xảy ra sự oxy hóa). Theo Jurgen Wiese, Ralf Konig (2007) khi môi trường yếm khí thì giá trị điện thế oxi hóa khử đo được thường nhỏ hơn -100 mV.
Hình 4.1 Diễn biến điện thế oxi hóa khử (Redox)
Trong 2 tuần đầu, điện thế oxi hóa khử của tất cả các nghiệm thức đều có giá trị âm và nhỏ luôn nhỏ hơn -250mV (cụ thể: NT1: -264,2 mV; NT2: -259,4mV; NT3: -286,4mV; NT4: -255,4mV; NT5: -248,4mV vào ngày 13 của mẻ ủ). Do trong 2 tuần đầu diễn ra quá trình khử mạnh hay là quá trình thủy phân các chất hữu cơ thành các monomer có phân tủ lượng nhỏ. Các monomer này là nguồn thức ăn cho vi khuẩn sinh acid (acetogenic). Nhóm vi khuẩn này hấp thụ, sinh trưởng, sinh sản và chuyển hóa các chất hữu cơ thành các acid béo bay hơi như acid acetates, acid propynic, acid butyric, acid formandehyd, H2 và CO2.
Ở các tuần tiếp theo, giá trị điện thế oxi hóa khử tăng dần và tương đối ổn định, do thời gian này trong mẻ ủ diễn ra cùng lúc nhiều quá trình: thủy phân, tạo acid, methane hóa. Giá trị điện thế oxi hóa khử có dấu hiệu giảm vào tuần cuối của mẻ ủ, do vào thời điểm này, lượng chất hữu cơ trong môi trường của mẻ ủ giảm, các vi sinh vật yếm khí cũng chết dần do thiếu thức ăn, chất độc tích tụ trong môi trường, pH giảm,… nên quá trình khử cũng diễn ra với tốc độ chậm lại.
Nhìn chung, điện thế oxi hóa khử của các nghiệm thức luôn có giá trị âm trong suốt quá trình ủ chứng tỏ toàn bộ quá trình ủ xảy ra trong điều kiện yếm khí. Điện thế oxi hóa khử là một yếu tố kiểm soát quan trọng cần được quan tâm, kiểm soát quá trình sinh khí sinh học của mẻ ủ, nhằm có biện pháp can thiệp kịp thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy (Jurgen Wiese, Ralf Konig, 2007).
4.3 Ảnh hưởng của kích cỡ lục bình lên khả năng sinh khí biogas
Trong thí nghiệm có nghiệm thức đối chứng nước mồi biogas nhằm mục đích xác định lượng biogas sinh ra từ nước mồi, từ đó có thể xác định được lượng biogas sinh ra từ nguyên liệu thực tế sử dụng cho thí nghiệm. Kết quả đo trong suốt thời gian thấy nghiệm cho thấy rằng không có khí sinh ra từ nước mồi biogas. Như vậy, các kết quả biogas sinh ra của từng nghiệm thức là từ nguyên liệu nạp
-350 -325 -300 -275 -250 -225 -200 -175 -150 -125 -100
Điện thế oxi hóa khử (mV) Thời gian (ngày) LB 0.05cm LB 0.2cm LB 0.5cm LB 1cm LB ko cắt
4.3.1 Xác định thời điểm sinh khí cực đại của mẻ ủ
Xác định thời điểm sinh khí cực đại của mẻ ủ tức là xác định thời điểm mẻ ủ sinh khí cao nhất dựa vào diễn biến thể tích khí sinh ra trong các lần đo.
Kết quả nghiên cứu cho thấy thể tích sinh ra của các nghiệm thức phối trộn lục bình với phân heo đều cho thấy có tính tăng giảm tương đồng, chứng tỏ nguyên liệu nạp vào các mẻ ủ là khá đồng nhất.
Hình 4.2 Thể tích CH4 sinh theo ngày của 5 nghiệm thức trong 45 ngày
Diễn biến thể tích khí CH4 sinh ra theo các lần đo ở Hình 4.2 cho thấy, các nghiệm thức đều sinh khí ở ngày đo thứ nhất (tức là ngày thứ 2 của thí nghiệm), tuy nhiên giai đoạn này phần trăm CH4 so với tổng thể tích còn thấp. Trong đó nghiệm thức lục bình 1 cm có lượng CH4 nhiều nhất (3.81 lít/kgVS). Kế đến là nghiệm thức lục bình không cắt; lục bình 0,5 cm; lục bình 0,05 cm giá trị khí CH4 sinh ra lần lượt là 3,22 lít/kgVS; 2,69 lít/kgVS; 1,61 lít/kgVS và thấp nhất là nghiệm thức lục bình 0,2 cm với 0,90 lít/kgVS.
Trong tuần đầu, thể tích khí CH4 sinh ra đều tăng ở tất cả các nghiệm thức (Nghiệm thức lục bình 0,05 cm ở ngày thứ 2 là 1,61 lít/kgVS đến ngày thứ 10 tăng lên 17,24 lít/kgVS, cùng thời điểm đó nghiệm thức lục bình 0,2 cm từ 0,90 lít/kgVS tăng lên 14,03 lít/kgVS, nghiệm thức lục bình 0,5 cm từ 2,69 lít/kgVS tăng lên 12,59 lít/kgVS, nghiệm thức lục bình 1 cm từ 3,81 lít/kgVS tăng lên 14,70 lít/kgVS, nghiệm thức lục bình không cắt từ 3,22 lít/kgVS tăng lên 10,02 lít/kgVS. CH4 sinh ra có dấu hiệu giảm ở các nghiệm thức vào ngày 12 của thí nghiệm do sơ suất trong việc lắc bình vào ngày trước đó. Đến ngày thứ 14, khí sinh ra ở các nghiệm thức tăng trở lại.
Dựa vào Hình 4.5 có thể thấy nghiệm thức lục bình 1 cm và lục bình không cắt sinh khí CH4 cực đại sớm nhất vào ngày thứ 10. Tiếp đó là nghiệm thức lục bình 0,5 cm sinh ra lượng CH4 cực đại vào ngày thứ 22 của thí nghiệm, nghiệm thức lục bình 0,05 cm và lục bình 0,2 cm sinh khí CH4 cực đại trễ hơn vào ngày
0 5 10 15 20 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 45
Thời gian (ngày)
Thể tích CH4 (lít/kgVS)
26 và 28 của thí nghiệm. Thời điểm các nghiệm thức sinh khí CH4 cao nhất tương ứng với thể tích CH4 sinh ra cực đại của từng nghiệm thức được trình bày trong bảng sau:
Bảng 4.5 Thể tích và thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức
Nghiệm thức Thể tích CH4 cực đại
(lít/kg VS) Thời gian (ngày)
LB 0.05 cm 17,24 10
LB 0.2 cm 14,20 28
LB 0.5 cm 17,35 22
LB 1 cm 14,70 10
LB Không cắt 10,02 10
Trong thí nghiệm này, nghiệm thức lục bình 0,05 cm; 1 cm và không cắt sinh khí CH4 cực đại ở giai đoạn đầu của quá trình phân hủy (khoảng giữa tuần thứ 2) là do việc sử dụng nước mồi Biogas để tiền xử lý vật liệu trước khi ủ, nếu không có công đoạn tiền xử lý, mẻ ủ sẽ tốn nhiều thời gian hơn trong việc khởi động (Lopes và cộng sự, 2004). Nước mồi biogas được lấy trực tiếp từ đầu ra của hệ thống biogas đang hoạt động, các vi sinh vật yếm khí đã tồn tại sẵn trong nước mồi, cung cấp năng lượng và dinh dưỡng cho bình ủ ở giai đoạn đầu của quá trình phân hủy. 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. Nghiệm thức lục bình 0,2 cm và 0,5 cm sinh khí CH4 cực đại vào ngày thứ 28 và 22 của thí nghiệm.
Dựa vào đồ thị có thể thấy mỗi nghiệm thức đều có 2 đỉnh sinh khí, tức là khí sinh ra vẫn còn tăng giảm một vài đợt và đạt giá trị cao sau chu kì tăng cực đại. Đỉnh sinh khí thứ nhất là vào ngày 8 đến ngày 10 của thí nghiệm. Thời gian này các nghiệm thứ đều sinh ra lượng khí CH4 cao, cao nhất là nghiệm thức lục bình 0,05 cm (17,24 lít/kgVS cũng là lượng khí cực đại), nghiệm thức lục bình 0,2 cm và lục bình 1 cm sinh ra lượng CH4 chênh lệch nhau không lớn (14,03 và 14,70 lít/kgVS), tiếp đó là nghiệm thức lục bình 0,5 cm (12,59 lít/kgVS) và cuối cùng là nghiệm thức lục bình không cắt (10,02 lít/kgVS). Sau khi các nghiệm thức đạt đỉnh sinh khí lần thứ nhất, lượng CH4 sinh ra ở các nghiệm thức có xu hướng giảm sau đó bắt đầu tăng lại và đạt đỉnh sinh khí lần thứ 2. Sớm nhất là vào ngày thứ 20 đến 22 đối với nghiệm thức lục bình không cắt, kế đó là nghiệm thức lục bình 0,5 cm và lục bình 1 cm vào ngày 20 đến ngày 24 và nghiệm thức lục bình 0,05 cm; lục bình 0,2 cm là vào ngày 24 đến ngày 28 của thí nghiệm. Điều này có thể là do nguyên liệu ủ là hỗn hợp phối trộn giữa phân heo và lục bình, 2 loại này có thời gian phân hủy khác nhau. Phân heo dễ phân hủy hơn nên thời gian đầu,
phân heo được vi sinh vật sử dụng để đạt đến lượng khí cực đại. Sau đó lượng phân heo còn lại ít, thay vào đó là lục bình có quá trình thủy phân và sinh acid chậm hơn, cần nhiều thời gian phân hủy hơn do đó khi lục bình tiến hành quá trình phân hủy, mẻ ủ đạt đỉnh sinh khí mới. Mặt khác có khả năng trong môi trường mẻ ủ tồn tại một số thành phần hữu cơ khó phân hủy bắt đầu phân hủy vào thời gian này hoặc do quá trình lắc bình thủ công hằng ngày gây ảnh hưởng.
Thời điểm sinh khí cực đại của các nghiệm thức ở thí nghiệm trên có sự khác biệt so với nghiên cứu của một số tác giả. Thí nghiệm của Nguyễn Võ Châu Ngân (2012) được thực hiện với bình ủ 21 lít, nguyên liệu là lục bình kích cỡ 1:2cm phối trộn phân heo, lượng biogas sinh ra cực đại vào ngày thứ 6 của thí nghiệm với 14,1 lít. Thí nghiệm được thực hiện ở cùng điều kiện tuy nhiên có sự khác nhau ở tỉ lệ C/N và lượng nguyên liệu nạp đầu vào (1,25 kg VS/lít/ngày) do đó dẫn đến sự khác biệt về thời gian và lượng khí cực đại của nghiệm thức giữa 2 thí nghiệm. Theo thí nghiệm của Nguyễn Hữu Phong (2009) đối với bình ủ 40 lít, nguyên liệu là lục bình phơi khô, cắt nhỏ 0,5 : 1,5cm. có phối trộn phân heo, lượng khí biogas sinh ra cực đại là 25 lít vào ngày thứ 12 của mẻ ủ. Cùng với lượng nguyên liệu nạp là 1kg VS/lít/ngày nhưng thể tích bình ủ gần gấp đôi nên nguyên liệu được tiếp xúc nhiều hơn với nước ủ. Theo thí nghiệm của Nghiêm Bích Ngọc (2013), điều kiện thí nghiệm giống nhau, nguyên liệu lục bình phơi khô cắt nhỏ 1 : 0,3 cm và không cắt, có phối trộn phân heo. Lượng khí sinh ra cực đại của 2 nghiệm thức lần lượt là 10,4 lít vào ngày 8 và 9,4 lít vào ngày 7. Nguyên