Tải trọng 0,2 gVSS/gVSI

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

3.2 Kết quả nghiên cứu Tải trọng và tỷ lệ phối trộn tối ưu

3.2.1 Tải trọng 0,2 gVSS/gVSI

3.2.1.1 Kết quả lượng khí CH4 sinh ra ở các tỷ lệ phối trộn

❖ Lượng khí CH4 sinh ra ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau: Dựa vào hình 3.1 cho thấy:

Tỷ lệ phối trộn 100%PM (A0-AT) có hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS cơ chất cao nhất là 522 LCH4/KgVSS. Kết quả này cao hơn nhiều đối với một số nghiên cứu của các tác giả khác: Jianzheng Li et al. (2014) [33], S.Xie et al. (2012) [48], Giovanni

41

Esposito et al. (2012) [3], Yue-gan Liang et al. (2017) [34],...Ở nghiên cứu của Jianzheng Li et al., hiệu quả sinh khí của phân heo là 0,35 LCH4/KgVSS trong điều kiện nhiệt độ được giữ ấm ổn định 35±1oC [33].

Tỷ lệ phối trộn 2/3PM + 1/3WH (A1-AT) có hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS cơ chất tương đương với tỷ lệ phối trộn 100%PM là 520 LCH4/KgVSS. Nhưng xét hiệu quả sinh khí trên hàm lượng chất hữu cơ của tồn bộ hỗn hợp thì tỷ lệ phối trộn 100%WH (A0-AT) có hiệu quả sinh khí tốt hơn nhiều so với tỷ lệ phối trộn 2/3PM + 1/3WH (A1-AT) - gấp 1,57 lần; có giá trí lần lượt là 86986 mLCH4/KgVS (A0- AT), 55252 mLCH4/KgVS (A1-AT). Hiệu quả sinh khí khi sử dụng cơ chất bèo tây ở nghiên cứu này có kết quả tương đương với nghiên cứu của D.P Chynoweth et al. (1982). Hiệu quả sinh khí của bùn sơ cấp trong xử lý nước thải phối trộn bèo tây của D.P Chynoweth et al. (1982) có giá trị 0,19 -0,52 LCH4/KgVSS. [42]. Sugumaran Pachaiyappan et al. (2014) nghiên cứu khả năng sinh khí của bèo tây kết hợp với phân bò diễn ra ở nhiệt độ 35oC trong thời gian 30 ngày thu được hiệu quả sinh khí thấp hơn là 200 – 300 Lbiogas/KgVSS và 140 – 200 LCH4/KgVSS [23]. Bên cạnh, nghiên cứu của Sihuang Xie (2012) thực hiện kết hợp phân heo với một loài cỏ cho gia súc cũng thu được hiệu quả cao là 304,2 LCH4/KgVSS [49]. Ở tỷ lệ phối trộn này: Lượng khí sinh nhiều nhất trong ngày là 81 LCH4/ KgVSS ở ngày thứ 2. Đây giá trị lớn nhất ở tất cả các tải trọng và tỷ lệ phối trộn khi thực hiện phản ứng ở điều kiện nhiệt độ phòng trong nghiên cứu này.

Nhìn chung, khi tăng lượng cơ chất bèo tây trong hỗn hợp phản ứng thì hiệu quả sinh khí giảm dần ở các tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (A1-AT), 1/2PM + 1/2WH (A2-AT), 1/3PM + 2/3WH (A3-AT) là 520 LCH4/KgVSS, 490 LCH4/KgVSS, 420 LCH4/KgVSS. Nhưng không thấp hơn nhiều khi thành phần cơ chất chỉ có phân heo ở tải trọng 0,2 gVSS/gVSI.

Tỷ lệ phối trộn 100% WH (A4-AT) có hiệu quả sinh khí thấp nhất. Tổng lượng khí thu được sau 40 ngày phân hủy là 49561 mLCH4/300g. Hiệu suất sinh là 297 LCH4/KgVSS. Nguyên nhân: Thành phần cấu tạo của bèo tây có sự hiện diện của

42

những thành phần khó xử lý và cấu trúc trúc phức tạp như: lignin, cellulose, mạng lưới hemicellulose... [16], [43].

A0-AT A1-AT A2-AT A3-AT A4-AT

m L C H4 /K g V S 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 LCH 4 /K g V Ss 0 100 200 300 400 500 600 86896 55252 49856 44601 49561 522 520 490 420 297

Hình 3.1 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra ❖ Diễn biến q trình sinh khí ❖ Diễn biến q trình sinh khí

Thời gian sinh khí có sự tương đồng giữa các tỷ lệ phối trộn: Ở tải trọng 0,2 gVSS/gVSI, hầu hết các tỷ lệ phối trộn có lượng khí sinh ra nhiều từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 7, tương tự với nghiên cứu của Bùi Diệu Linh (2011) [27]. Dựa vào hình 3.2 cho thấy:

Đối với tỷ lệ phối trộn 100%WH (A0-AT), hiệu quả sinh khí kéo dài hơn so với các tỷ lệ phối trộn khác. Ở tỷ lệ phối trộn này, lượng khí sinh ra nhiều nhất vào ngày thứ 7 là 49 LCH4/KgVSS và kéo dài đến ngày thứ 10 vẫn còn nhiều là 30 LCH4/KgVSS.ngày. Ngày thứ 11, lượng khí giảm mạnh chỉ cịn 14 LCH4/KgVSS và sau đó tiếp tục giảm ở những ngày tiếp theo. Đối với nghiên cứu của Giovanni Esposito et al. (2012) [3] thì khoảng thời gian sinh khí hiệu quả kéo hơn dài từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 13. Tỷ lệ phối trộn 2/3PM + 1/3WH (A1-AT) ở ngày thứ 2 đã cho lượng khí tối đa trong ngày là 81 LCH4/KgVSS. Đây là tỷ lệ có hiệu quả sinh khí trên ngày tốt nhất trong tất cả các tải trọng, tỷ lệ nghiên cứu.

Ở tỷ lệ phối trộn 1/2PM + 1/2WH (A2-AT), ngày thứ 4 thu được lượng khí sinh ra tối đa trong ngày là 69 LCH4/KgVSS. Thời gian sinh khí nhiều xuất hiện sớm hơn khi bèo tây kết hợp với phân bị ở thí nghiệm của Sugumaran Pachaiyappan et al.

43

(2014) [23]. Đối với nghiên cứu của Sugumaran Pachaiyappan et al. thì khi kết hợp phân heo và bèo tây theo tỷ lệ 1/2WH + 1/2CD thì ở ngày thứ 7 mới thu được lượng khí nhiều nhất sinh ra trong ngày.

Thời gian (Ngày)

0 5 10 15 20 25 30 35 LCH 4/ K gV S s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 o C 20 25 30 35 40 A0-AT A1-AT A2-AT A3-AT A4-AT Nhiệt độ Trung bình nhiệt độ

Hình 3.2 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày

3.2.1.2 Kết quả giá trị hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (VS)

Hàm lượng chất hữu cơ trong hỗn hợp phản ứng ở tất cả các tỷ lệ phối trộn đều giảm sau quá trình phân hủy. Ngun nhân trong q trình kỵ khí, chất hữu cơ bị vi sinh vật kỵ khí phân hủy thành các sản phẩm khí và thốt ra mơi trường bên ngồi như: CH4, CO2,...

Ở tất cả các tỷ lệ phối trộn đều diễn ra quá trình phân hủy nội bào. Nguyên nhân: Cơ chất hữu cơ không đủ cung cấp để cho vi sinh vật tiêu thụ và sinh trưởng; thời gian phân hủy 40 ngày là dư đối với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI.

Dựa vào hình 3.3 thấy rằng:

Đối với tỷ lệ phối trộn 100%WH (A0-AT): hệ số phân hủy nội bào là – 0,7%. Bên cạnh đó, hiệu quả loại bỏ hàm lượng hữu có bay hơi thấp là 23,6%. Ở nghiên cứu của P.Panichnamsin et al. (2012) đạt được kết quả tốt hơn là 46±3% [36] và S.Xie et al. (2011) cũng có hiệu quả rất cao là 60,5% [48]. Hai tác giả này cũng nghiên cứu khả năng sinh khí của phân heo.

44

Đối với tỷ lệ phối trộn 2/3PM + 1/3WH (A1-AT) có hệ số phân hủy nội bào tương tự tỷ lệ phối trộn 100%WH (A0-AT) là -0,7%. Tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ là thấp nhất ở tải trọng 0,2 gVSS/gVSI (17,7%). Kết quả này thấp hơn nhiều so với một số nghiên cứu trước đây: Bùi Diệu Linh (2011) là 27,06% [27], Anil Kuruvilla Mathew et al. (2014) là 27% [16]. Nguyên nhân: Thành phần hỗn hợp phản ứng có nguồn cơ chất thấp mà chủ yếu là VS của bùn mồi nên vi sinh vật không phân hủy nhiều thành phần chất hữu cơ khác.

Đối với nghiệm thức tỷ lệ phối trộn 1/2PM + 1/2WH (A2-AT) và 1/3PM + 2/3WH (A3-AT) có hàm lượng chất hữu cơ giảm nhiều nhất là từ 8,9% xuống còn 5,4% - giảm 3,5% và 8,9% xuống còn 5,4% - giảm 3,5%. Với kết quả trên cho thấy : Khả năng loại bỏ VS tốt hơn so với nghiên cứu của Bùi Diệu Linh (2011). Tác giả Bùi Diệu Linh cũng nghiên cứu trên vật liệu bèo tây, nhưng chỉ 27,06% VS được loại bỏ [27]. Tương tự ở nghiên cứu của Anil Kuruvilla Mathew et al. (2014) cũng chỉ giảm được 27%VS [45].

Đối với tỷ lệ phối trộn 100%WH (A4-AT) có hàm lượng chất hữu cơ giảm ít nhất: Từ 6,5% xuống cịn 5,0% - giảm 2,5% và khả năng loại bỏ chất hữu cơ bay hơi thấp (23,2%). Nguyên nhân: Đây là tỷ lệ phối trộn có hàm lượng bèo tây cao nhất – là cơ chất có nhiều thành phần khó phân hủy như cellulose, ligin, hemicellulose...[45], [50], [43] nên thời gian phân hủy cần lâu hơn các tỷ lệ phối trộn khác.

10,7

A0-AT A1-AT A2-AT A3-AT A4-AT

% -20 -10 0 10 20 30 40 Đầu vào

Đầu ra Hiệu suất Hệ số phân hủy nội bào

8,2 23,6 -0,7 9,4 7,7 17,7 -0,7 -2,6 -2,4 -0,4 8,9 5,4 39,5 8,4 5,1 39,3 6,55,0 23,2

45

3.2.1.3 Kết quả tổng vi sinh vật kỵ khí

Dựa vào hình 3.4 cho thấy tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn có mật độ cao. Điều này cho thấy: Thí nghiệm đã tạo mơi trường kín tốt; cơ chất thích hợp cho vi sinh vật phát triển. Nhưng có sự chệnh lệch giữa các tỷ lệ phối trộn.

Đối với tỷ lệ phối trộn 100%WH (A0-AT), tổng vi sinh vật kỵ khí có mật độ rất cao là 130.106 CFU/mL. Nguyên nhân: Phân heo là mơi trường có nguồn cơ chất dễ phân hủy; bùn mồi cũng được lấy tử bể ủ kỵ khí phân heo nên có sự tương đồng về điều kiện phát triển của vi sinh vật. Vì vậy, vi sinh vật dễ dàng sinh trưởng và phát triển mạnh ở tỷ lệ này.

Các tỷ lệ phối trộn còn lại: 2/3PM + 1/3WH (A1-AT), 1/2PM + 1/2WH (A2-AT), 1/3PM + 2/3WH (A3-AT), 100%WH (A4-AT) có mật độ vi sinh thấp hơn và giá trị tường đồng lần lượt là 4,3.106 CFU/mL, 2,5.106 CFU/mL, 2,8.106 CFU/mL và 3,7.106 CFU/mL.

130

A0-AT A1-AT A2-AT A3-AT A4-AT

10 6 CF U /m L 0 20 40 60 80 100 120 140 2,5 4,3 2,8 3,7

Hình 3.4 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn

3.2.1.4 Kết quả giá trị pH

Dựa vào bảng 3.2 cho thấy: Giá trị pH đầu vào được điều chỉnh về giá trị trung tính có khoảng dao động từ 6,9-7,1. Giá trị pH nằm trong khoảng 6,5-8,5. Giá trị pH trong nghiên cứu là phù hợp cho q trình phân hủy kỵ khí. Giá trị pH trung bình 3 mẫu đầu ra của mỗi nghiệm thức nằm trong khoảng 7,0-7,2. Điều này cho thấy: Hỗn hợp phản ứng đã chuyển sang giai đoạn methane hóa.

46

Bảng 3.2 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn

STT Tỷ lệ phối trộn Giá trị đầu vào Giá trị đầu ra

1 100%WH (A0-AT) 6,9 7,2 2 2/3PM + 1/3WH (A1-AT) 7,0 7,2 3 1/2PM + 1/2WH (A2-AT) 7,0 7,0 4 1/3PM + 2/3WH (A3-AT) 7,1 7,0 5 100%WH (A4-AT) 7,1 7,0 3.2.2 Tải trọng 0,4 gVSS/gVSI

3.2.2.1 Kết quả lượng khí CH4 sinh ra ở các tỷ lệ phối trộn

Ở tải trọng 0,4 gVSS/gVSI, hiệu quả sinh khí được tính trên hàm lượng cơ chất hữu cơ khơng tính bùn mồi thấp hơn so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI. Nhưng xét trên khối lượng chất hữu cơ của hỗn hợp hay khối lượng hỗn hợp thì tất cả các tỷ lệ phối trộn đều tăng lên.

− Tỷ lệ 100%PM (B0-AT): Hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS cơ chất là 399 LCH4/KgVSS - giảm 123 LCH4/KgVSS so với Tải trọng 0,2 gVSS/gVSI; hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS hỗn hợp là 114008 mLCH4/KgVS – tăng 27022 LCH4/KgVS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI.

− Tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (B1-AT): Hiệu quả sinh khí CH4 tính trên 1 kgVS cơ chất là 418 LCH4/KgVSS - giảm 102 LCH4/KgVSS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI; hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS hỗn hợp là 81183 mLCH4/KgVS – tăng 25931 LCH4/KgVS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI.

− Tỷ lệ 1/2PM + 1/2WH (B2-AT): Hiệu quả sinh khí CH4 tính trên 1 kgVS cơ chất là 384 LCH4/KgVSS - giảm 106 LCH4/KgVSS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI; hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS hỗn hợp là 72218 mLCH4/KgVS – tăng 22362 LCH4/KgVS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI.

− Tỷ lệ 1/3PM + 2/3WH (B3-AT): Hiệu quả sinh khí CH4 tính trên 1 kgVS cơ chất là 319 LCH4/KgVSS - giảm 101 LCH4/KgVSS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI; hiệu

47

quả sinh khí trên 1 kgVS hỗn hợp là 63186 mLCH4/KgVS – tăng 18585 LCH4/KgVS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI.

Tỷ lệ 100%PM (B4-AT): Hiệu quả sinh khí CH4 tính trên 1 kgVS cơ chất là 223 LCH4/KgVSS - giảm 74 LCH4/KgVSS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI; hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS hỗn hợp là 67481 mLCH4/KgVS – tăng 17920 LCH4/KgVS so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI. Tuy hiệu quả sinh khí xét trên khối lượng cơ chất thấp hơn so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI nhưng kết quả này vẫn cao so với các nghiên cứu của những tác giả khác.

− Đối với cơ chất là phân heo thì nghiên cứu của Yue-gan Liang et al. (2017) [34] đạt hiệu quả sinh khí thấp hơn từ 246,9 đến 334,5 LCH4/KgVSS. Nguyên nhân: Trong nghiên cứu trên có tỷ lệ C/N là 14,2 - đây là điều kiện chưa thực sự tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí sinh khi methane. Nghiên cứu của Giovanni Esposito et al. (2012) [3] nghiên cứu trên vật liệu phân heo cũng cho kết quả thấp hơn nhiều là 7,25.10-3 molCH4/gVS, tương đương với 162,6 mLCH4/gVSS. Ngoài ra, Giovanni Esposito et al. tiến hành thí nghiệm trên nguồn cơ chất phân bò cũng cho kết quả thấp là 165,8 mLCH4/gVSS. Tuy nhiên, tác giả Bani Kheiredine nghiên cứu trên nguồn cơ chất là nước thải từ hoạt động sản xuất sữa cho hiệu quả sinh khí lớn hơn. Bani Kheiredine tiến hành thí nghiệm cùng tải trọng 0,4 gVSS/gVSI cho kết quả là 424,4 mLCH4/gVSS [25]. Nghiên cứu được thực hiện ở 55oC nên hiệu quả sinh khí sẽ tối ưu hơn.Vì khoảng nhiệt độ thermophilic thường cho hiệu suất phản ứng cao hơn và tạo ra nhiều khí methane hơn [22]. Khoảng nhiệt độ thermophilic (55oC) cho phản ứng gần như hồn tồn, và lượng khí methane sinh ra cao gấp 2 đến 3 lần so với nhiệt độ mesophilic (37oC) [22].

48

B0-AT B1-AT B2-AT B3-AT B4-AT

m L C H4 /K g V S 0 20x103 40x103 60x103 80x103 100x103 120x103 140x103 LCH 4 /K g V Ss 0 100 200 300 400 500 114008 81183 72218 63186 67481 399 418 384 319 223

Hình 3.5 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra ❖ Diễn biến q trình sinh khí ❖ Diễn biến q trình sinh khí

Thời gian sinh khí có diễn biến thay đổi so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI và có sự khác nhau giữa các tỷ lệ phối trộn. Hầu các tải trọng có thời gian sinh khí kéo dài nhưng lượng khí sinh ra tối đa trong ngày lại thấp hơn so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI.

Dựa vào hình 3.6 cho thấy:

Thời gian sinh khí nhiều ở tải trọng 0,4 gVSS/gVSI kéo dài hơn so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 10. Nguyên nhân: Ở tải trọng này khối lượng cơ chất hữu cơ cần phân hủy trên một đơn vị vi sinh vật trong 300g hỗn hợp phản ứng nhiều hơn so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI. Nên tốc độ phân hủy kỵ khí sẽ diễn ra chậm hơn và q trình sinh khí sẽ kéo dài.

Lượng khí sinh ra trên ngày cực đại ở hầu hết các tỷ lệ phối tỷ trộn diễn ra chậm hơn so với tải trọng 0,2 gVSS/gVSI:

− Tỷ lệ 100%PM (B0-AT): Ngày thứ 9 thu được lượng khí lớn nhất là 44 LCH4/KgVSS (ở tải trọng 0,2 gVSS/gVSI ngày thứ 7 có lượng khí sinh ra trong ngày lớn nhất). Tương tự như nghiên cứu của Giovanni Esposito et al. (2012) với nguồn cơ chất là phân heo trong điều kiện nhiệt độ 35 ± 1oC [3], khoảng thời gian sinh khí cực đại từ ngày thứ 08 - 12. Tuy nhiên, nghiên cứu của Jianzheng Li et al. (2014)

49

[33] cũng thực hiện trên vật liệu phân heo thì sau 25 ngày phân hủy mới thu được lượng khí tối đa.

− Tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (B1-AT): Ngày thứ 8 thu được lượng khí lớn nhất là 49 LCH4/KgVSS (ở tải trọng 0,2 gVSS/gVSI ngày thứ 2 có lượng khí sinh ra trong ngày lớn nhất). Theo kết quả nghiên cứu của Patil J.H et al. (2013) [38] và Fadairo A.A. et al. (2014) [51] có nguồn cơ chất của bèo tây kết hợp với phân bị thì khoảng thời gian sinh khí hiệu quả xảy ra chậm hơn. Thời gian mà lượng khí sinh ra nhiều theo nghiên cứu [38] từ ngày thứ 15 đến ngày thứ 35 và nghiên cứu [51] từ ngày thứ 18 đến ngày thứ 22.

− Tỷ lệ 1/2PM + 1/2WH (B2-AT): Hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS cơ chất trong