3.2.1 Túi ủ khí sinh học
Túi ủ khí sinh học gồm có 2 phần: túi ủ và túi chứa khí. Túi ủ làm bằng ni - lông, có 3 lớp, dài 10m, đường kính 0,8m. Túi chứa khí làm bằng ni - lông, có 2 lớp, dài 6m , đường kính 0,8m.
Hình 3.1: Hệ thống túi ủ khí sinh học dùng trong thí nghiệm
Chú thích:
1. Túi ủ khí sinh học 2. Lối nạp nguyên liệu 3. Lối thoát nước thải 4. Lối thoát khí 5. Ống dẫn khí
6. Co chữ T 7. Túi thu mẫu khí 8. Túi trữ khí
16
3.2.2 Vật liệu nạp cho túi ủ
Phân heo
Phân heo lấy tại hộ ông Lê Hoàng Thanh tổ 13, ấp Mỹ Thuận, xã Mỹ Khánh, huyện Phong Điền, TP Cần Thơ khoảng 7 giờ hằng ngày. Tổng số heo của nông hộ 19 con (11 heo lứa, 6 con heo thịt, 2 heo nái). Phân heo lấy trực tiếp tại chuồng và nạp vào túi ủ.
Rơm
Được thu gom của các hộ dân sau khi đã ủ nấm tại khu vực Tân Lợi 1, phường Tân Hưng, quận Thốt Nốt, không qua xử lý làm nguyên liệu nạp cho túi ủ trong thí nghiệm.
Nước mồi
Nước mồi gồm thể tích nước thải túi ủ khí sinh học và nước ao lấy tại nhà ông Lê Hoàng Thanh tổ 13, ấp Mỹ Thuận, xã Mỹ Khánh, huyện Phong Điền, TP Cần Thơ, pha với nhau theo tỉ lệ 1:2. Nước mồi được nạp lượng giống nhau là 30 lít/ngày cho 2 túi ủ: phân heo và rơm sau ủ nấm.
3.2.3 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất thí nghiệm
Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
+Nhiệt kế + Máy đo pH
+ Máy đo khí Geotechnical 0-100/100GA94 (Anh) với độ sai số từ 0 10% + Đồng hồ đo thể tích khí Ritter (Đức)
+ Tủ sấy Memmert UI 40 (Đức)
+ Cân điện tử 3 số lẻ Sartorius BP410S (Đức) + Máy chưng cất Gerhart Vapodest 30 (Đức)
+ Bếp công phá Tecator (Đức)
+ Tủ nung Lenton 5500C EF 11/8B (Anh)
Hóa chất dùng trong thí nghiệm
+ Hydrogen peroxide 30% (H2O2) + Axit boric (H3BO3) + Dung dich H2SO4 đđ + H2SO4 chuẩn 0,1N + Dung dịch NaOH + Axit salicilic (bột) + Bromocresol green + Methyred
17
3.3 Phương pháp nghiên cứu 3.3.1 Phương pháp thu mẫu 3.3.1 Phương pháp thu mẫu
Phương pháp thu mẫu phân heo
Phân heo thu về không lẫn với nước tiểu, để ở nơi thoáng mát, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời để tránh mất đi dưỡng chất. Mẫu phân được lấy ngẫu nhiên nhiều mẫu. Sau đó, trộn đều rồi lấy một khối lượng vừa đủ đem về phân tích các chỉ tiêu ẩm độ và C/N tại phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên, Trường Đại Học Cần Thơ.
Phương pháp thu mẫu rơm
Mẫu rơm để ở nơi thoáng mát, tránh tiếp xúc với ánh nắng trực tiếp. Mẫu vật được phân tích ẩm độ, tỷ lệ C/N tại phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên, Trường Đại Học Cần Thơ. Lượng rơm dùng trong thí nghiệm được lấy một lần sử dụng cho suốt quá trình thí nghiệm.
Phương pháp xác định tổng khí
Tổng lượng khí sinh ra sẽ được máy bơm Resun (ACO – 001, hiệu điện thế 220V, tần số 50hz, công suất 18W, áp suất 0,02 Mpa, bơm được 38L/phút) hút toàn bộ khí trong túi ủ qua đồng hồ đo khí Ritter để xác định thể tích khí sinh ra.
Đối với mẫu xác định thành phần khí
Nối túi bạc vào ống dẫn khí ngay co chữ T đồng thời khóa van túi chứa khí để cho lượng khí sinh ra từ lúc này sẽ trực tiếp đi vào túi bạc. Thể tích mẫu khí thu khoảng 3 – 4 lít để xác định CH4, CO2 và các khí khác (H2S, NH3, H2,…).
Hình 3.2: Đồng hồ đo tổng lượng khí (Ritter)
18
3.3.2 Phương pháp phân tích
Phương pháp phân tích vật liệu nạp Phương pháp phân tích ẩm độ
Cho mẫu vào bọc giấy (có cân trước) sấy ở nhiệt độ 1050C đến khi trọng lượng không đổi. Sau đó đem cân xác định trọng lượng và tính phần trăm ẩm độ theo công thức sau:
Trong đó: M: Ẩm độ (%)
a: Trọng lượng ban đầu của mẫu (g) b: Trọng lượng mẫu sau khi sấy (g)
Phương pháp phân tích C/N (Tổng Carbon/Tổng Nitơ)
Phương pháp phân tích Tổng Carbon
Tráng cốc sành bằng nước cất, cho vào tủ sấy ở 105oC trong một giờ. Sau đó, lấy cốc ra để nguội trong bình hút ẩm 30 phút, cân cốc ta được trọng lượng P1. Cho mẫu đã sấy vào cốc, cân được trọng lượng P. Đem mẫu nung ở 550oC trong 3 giờ. Sau đó, cho vào bình hút ẩm 30 phút, đem cân được trọng lượng P2. % tro được tính theo công thức: W P P tro 2 1 % Trong đó: W = P – P1 (Trọng lượng mẫu, g)
P: Trọng lượng mẫu và cốc trước khi nung (g) P1: Trọng lượng cốc nung (g)
P2: Trọng lượng mẫu và cốc sau khi nung (g)
Với khoảng sai số từ 2% – 10% thì công thức sau đây có thể được áp dụng để tính %C của nguyên liệu:
8 , 1 % 100 %C tro Phương pháp xác định Tổng Nitơ - Vô cơ hóa mẫu
Cân 0,3 g mẫu thực vật vào bình tam giác 100ml chịu nhiệt. Thêm 3,3 ml hỗn hợp oxy hóa mẫu, lắc nhẹ cho đến khi mẫu cây thấm đều, dùng giấy bạc đậy lại để mẫu qua đêm.
a - b
a * 100 M =
19
Đốt nóng mẫu trên bếp điện ở nhiệt độ 180oC trong khoảng 1 giờ, để nguội và thêm 5 giọt H2O2 và tiếp tụ đun nóng từ 5 - 10 phút nữa cho đến khi xuất hiện khói trắng. Lập lại tiến trình này đến khi mẫu trắng hoàn toàn.
Lấy bình ra khỏi bếp và để nguội bằng nhiệt độ trong phòng. Thêm vào khoảng 10 ml nước cất, lắc nhẹ cho tan mẫu, chuyển mẫu vào bình định mức 50ml, dùng nước cất tráng bình nhiều lần để tất cả mẫu đều đực chuyển vào bình định mức. Thêm nước cất đến vạch, đậy nắp và trộn đều. Lọc mẫu qua giấy lọc. Mẫu này dùng để phân tích các chỉ tiêu N, Ca, K , Mg, Mn, Na, P, Zn.
- Chưng cất mẫu chuẩn
Lấy 10 ml H3BO3 với 10 giọt thuốc thử vào bình tam giác 250ml. Gắn bình tam giác vào dàn chưng đạm.
Pipet 5ml dung dịch chuẩn vào trong bình Kjeldahl. Thêm 2ml NaOH và nước cất đến thể tích khoảng 20ml. mở khóa cho hơi nóng vào dàn Kjeldahl, tiến hành chưng cất N.
Hứng NH4OH vào bình tam giác đến khi đạt khoảng 100ml.
Lấy bình ra khỏi dàn chưng N, dùng H2SO4 0,1N chuẩn độ đến khi xuất hiện màu tím đỏ nhạt. Thực hiện như trên với mẫu thử không có N.
- Chưng cất mẫu cây
Pipet 5 ml dung dịch đã vô cơ hóa vào bình Kjeldahl.
Thêm 2ml NaOH và nước cất đến khi đạt thể tích khoảng 20ml.
Tiến hành chưng cất và chuẩn độ như với mẫu chuẩn và mẫu thử không. Phần trăm Nitơ tổng được tình theo công thức sau:
%N = [(V – V’) * CN * 0,014/W]*100 Trong đó:
- %N: Phần trăm Nitơ tổng (%)
- V’: Thể tích H2SO4 dùng trong định phân mẫu trắng (mL) - V: Thể tích H2SO4 dùng trong định phân có mẫu (mL)
- CN: Nồng độ đương lượng của H2SO4 dùng trong định phân (N) - W: Trọng lượng mẫu (g)
Phương pháp phân tích thành phần khí
Mẫu khí sinh ra được thu và trữ trong túi bạc. Sau đó sẽ đem về phòng thí nghiệm xác định thành phần khí bằng máy đo GA94, máy khởi động sau thời gian 120 giây ổn định ở áp suất 1005Mpa thì bắt đầu hiển thị các giá trị trên máy.
Chu kì thu mẫu khí: cách nhau 5 ngày tính từ ngày túi ủ bắt đầu căng phồng lần đầu tiên.
20
3.3.3 Bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên, với túi ủ phân heo và túi ủ rơm sau ủ nấm. Để đạt quá trình sinh khí diễn ra nhanh và thuận lợi trước khi bắt đầu nạp nguyên liệu, cần thêm vào túi ủ khoảng 2.500 lít nước mồi cho ngập miệng ống đầu vào và đầu ra của túi ủ rồi sau đó mới tiến hành nạp nguyên liệu.
Nguyên liệu và nước mồi được nạp liên tục mỗi ngày, trong vòng 30 ngày và sau đó ngừng nạp để theo dõi diễn biến lượng khí sinh ra cho đến khi kết thúc thí nghiệm.
Dựa trên kết quả phân tích ẩm độ của phân heo, rơm sẽ chọn lượng nguyên liệu nạp cho 2 túi ủ như sau:
Túi ủ 1: Nạp 10kg phân heo tươi mỗi ngày, tương đương với 3,28kg trọng lượng khô của phân heo.
Túi ủ 2: Nạp 11kg rơm sau ủ nấm tươi mỗi ngày, tương đương với 3,28kg vật chất khô của phân heo.
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình 3.4: Máy GA 94 Túi ủ Rơm sau ủ 11kg/ngày (vật chất khô: 3,28kg/ngày) Thí nghiệm Túi ủ Phân heo 10kg/ngày (vật chất khô: 3,28kg/ngày)
21
Nguyên liệu được nạp vào túi ủ từ lúc 7 giờ 30 đến 8 giờ hàng ngày. Sau khi nạp nguyên liệu, nạp thêm 30 lít nước ao cho mỗi túi ủ để đẩy nguyên liệu vào dễ dàng.
3.3.4 Phương pháp xử lý số liệu
22
CHƯƠNG IV
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Đặc điểm của nguyên liệu nạp cho túi ủ biogas
Nguyên liệu sử dụng nạp cho túi ủ được phân tích các chỉ tiêu hóa lý nhằm kiểm tra sự phù hợp của nguyên liệu đối với quá trình sinh khí sinh học.
4.1.1 Ẩm độ của nguyên liệu nạp
Để xác định được lượng nguyên liệu nạp của nghiệm thức phân heo và nghiệm thức rơm sau ủ nấm, cần quy chúng về cùng một trọng lượng khô nhất định. Vì vậy, đề tài cần phải xác định ẩm độ của hai nghiệm thức.
Bảng 4.1 Kết quả phân tích ẩm độ và tỷ lệ C/N của nguyên liệu ủ
Mẫu Ẩm độ %C %N C/N
Phân heo 67,2 ± 1,4 39 ± 0,03 2,0 ± 0,03 19,5 ± 0,2 Rơm sau ủ 70,9 ± 1,1 42 ± 0,02 1,5 ± 0,01 28,6 ± 0,1
Ẩm độ của nguyên liệu là một trong những nhân tố quan trọng trong việc xác định giá trị dinh dưỡng và chất lượng của nguyên liệu. Ẩm độ càng cao chất lượng của nguyên liệu càng thấp và ngược lại.
Trong thí nghiệm này, ẩm độ của phân heo là 67,2%, giá trị này thấp hơn 6,08% so với kết quả nghiên cứu của Lê Hoàng Tới (2013) (73,3%) và thấp hơn 3,76% so với nghiên cứu của Trịnh Hoài Nam (2012) (71%). Sự chênh lệch ẩm độ phân heo trong các thí nghiệm trên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giống heo, tháng tuổi, chế độ dinh dưỡng, điều kiện chuồng trại, thời gian thu mẫu…. Mẫu được thu vào lúc 14 giờ, thời tiết nắng nóng, trong khi thí nghiệm của Lê Hoàng Tới thu vào lúc 9 giờ sáng. Do nền chuồng khô ráo, mái che bằng tấm lộp tôn nên nhiệt độ trong chuồng khá cao làm bốc hơi một phần lượng nước có trong nguyên liệu. Bên cạnh đó, đàn heo được nông hộ cho ăn thức ăn công nghiệp dạng viên hiệu Anco không có phối trộn thêm bất cứ loại thức ăn khác như: chất xơ, cám,…nên lượng nước trong thức ăn rất thấp. Do đó, nguyên liệu nạp sử dụng cho thí nghiệm có giá trị dinh dưỡng cao hơn so với của Lê Hoàng Tới (2012).
4.1.2 Tỷ lệ C/N của nguyên liệu nạp
Trong quá trình ủ yếm khí cacbon và nitơ là nhân tố chính tham gia vào quá trình tạo sinh khối của vi khuẩn yếm khí. Mối quan hệ giữa hàm lượng cabon và nitơ được thể hiện thông qua vật chất hữu cơ đại diện cho tỷ lệ cacbon trên nitơ (C/N). Tỷ lệ C/N ảnh hưởng đến sự hoạt động của vi khuẩn yếm khí: C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm, C/N quá thấp thì quá trình phân hủy bị ngừng trệ vì tích lũy nhiều amoniac là một độc tố đối với vi sinh vật ở nồng độ cao.
23
Kết quả phân tích C/N trong thí nghiệm của phân heo là 19,5, giá trị này thấp hơn rất nhiều so với giá trị trong nghiên cứu của Lê Hoàng Tới (2013) (35,66). Tuy nhiên, so với nghiên cứu của Trịnh Hoài Nam (2012), C/N của phân heo là (15,17) thì kết quả chênh lệch không cao. Kết quả thể hiện tại bảng 4.1 cho thấy phần trăm đạm của thí nghiệm cao hơn 1,67 lần so với nghiên cứu trước của Lê Hoàng Tới (2013) nên đạm là nguyên nhân làm cho tỷ lệ C/N trong phân heo của đề tài thấp. Tuy nhiên, tỷ lệ này khá phù hợp cho sự phân hủy yếm khí của vi sinh vật là từ 20 -
30 (Monnet, 2003).
Tỷ lệ C/N của rơm sau ủ nấm trong nghiên cứu là 28,57. Theo nhiều nghiên cứu trước đây, tỷ lệ C/N của rơm rạ tương đối cao khoảng 48 – 117 (Nguyễn Quang Khải, 2001). Tuy nhiên, tỷ lệ C/N của rơm sau ủ nấm đã giảm đi rất nhiều do lượng cacbon và nitơ được nấm sử dụng một phần trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Do đó, tỷ lệ này vẫn còn thích hợp cho sự phân hủy yếm khí là 20 – 30. Mặc khác, khi nguyên liệu có tỷ lệ C/N cao chỉ ra rằng vi khuẩn sinh khí methane sẽ tiêu thụ nitơ nhanh chóng gây ra thiếu đạm và kết quả là lượng khí sinh ra sẽ giảm (Monnet, 2003).
4.1.3 pH của nước mồi
Lượng nước mồi sử dụng cho 2 túi ủ khoảng 2.500 lít, với lượng nước này đủ để ngập miệng ống đầu vào và đầu ra, đồng thời thúc đẩy tốc độ sinh khí của túi ủ. Tiến hành đo pH nước mồi để kiểm tra sự phù hợp trong quá trình ủ yếm khí. Nước mồi trong thí nghiệm này được pha từ nước thải đầu ra của túi ủ biogas phân heo và nước ao của nông hộ theo tỷ lệ 1:2. Kết quả đo pH được thể hiện tại bảng 4.2
Bảng 4.2 pH của nước mồi
Mẫu pH
Nước ao 6,96
Nước thải biogas 6,83
Nước mồi 6,91
pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí, pH quá thấp hoặc quá cao điều không tốt cho vi khuẩn hoạt động. Khi pH giảm mạnh sẽ làm giảm quá trình sinh khí CH4 và khi pH nhỏ hơn 6,4 có thể gây độc cho vi khuẩn sinh methane (Lê Hoàng Việt, 2003). Vì vậy, cung cấp nước mồi cho túi ủ khí sinh học giúp cho việc sinh khí nhanh hơn do trong nước mồi có sẵn vi khuẩn lên men yếm khí. Kết quả thể hiện tại bảng 4.2 cho thấy giá trị pH của nước ao và nước thải biogas có sự chênh lệch nên chính sự chênh lệch của hai thành phần này đã dẫn đến sự khác biệt pH của nước mồi. Giá trị pH của nước mồi trong thí nghiệm là 6,91. Giá trị này vẫn nằm trong khoảng pH thích hợp 6,6 – 7,6 và nằm gần trong khoảng tối ưu 7 – 7,2 nên rất phù hợp cho vi khuẩn sinh methane sinh trưởng (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009).
24
4.2 Nhiệt độ môi trường
Khả năng sinh khí của túi ủ biogas phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các yếu tố tác động qua lại ảnh hưởng đến khả năng sinh khí cũng như chất lượng khí sinh ra.
Hình 4.1 Sự biến động nhiệt độ (oC) của môi trường trong thí nghiệm
Nhiệt độ môi trường không khí (ghi nhận bằng nhiệt kế thủy ngân 50oC, lúc 9 giờ sáng trong bóng râm) của hai túi ủ dao động từ 25 – 32oC (trung bình là 29,04oC ± 1,3). So với thí nghiệm lặp lại lần thứ hai của Lê Hoàng Tới (2013), nhiệt độ của thí nghiệm khác biệt không nhiều (27 – 31oC), nhưng so với thí nghiệm lần thứ nhất của Lê Hoàng Tới (2013) nhiệt độ dao động (23 – 28oC) thì nhiệt độ của thí nghiệm cao hơn. Sự dao động biên độ nhiệt trong các thí nghiệm là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt nhiệt độ trung bình.
Theo F. Monnet (2003), sự phân hủy yếm khí có thể xảy ra trong hai khoảng nhiệt độ chính sau:
- Khoảng nhiệt độ hoạt động của vi khuẩn ưa ấm từ 20 đến 450C, tối ưu là 350C.
- Khoảng nhiệt độ hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt từ 50 đến 650C, tối ưu là 550C.
Theo Nguyễn Quang Khải (2009), hoạt động của vi khuẩn sinh CH4 chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi trường. Trong điều kiên tự nhiên nhiệt độ thích hợp của chúng từ 30 – 40oC. Như vậy, nhiệt độ của thí nghiệm nằm trong khoảng