3.2 .1Túi ủ khí sinh học
3.5 Bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm có hai nghiệm thức, mỗi nghiệm thức lặp lại 2 lần. Nguyên liệu đƣợc nạp liên tục mỗi ngày trong 30 ngày đầu và sau đó ngừng nạp để theo dõi diễn biến lƣợng khí sinh ra đến ngày thứ 53 thì kết thúc và bố trí lại lần tiếp theo.
Nghiệm thức 1: Phân heo (đối chứng) nạp 10 kg tƣơi/ngày (tƣơng đƣơng khoảng 2,7 kg khô).
Nghiệm thức 2: Cỏ vƣờn (gồm năm loại cỏ vƣờn theo tỉ lệ 30% cỏ lúa ma, 30% cỏ lông tây, 20% cỏ lá tre, 10% rau trai, 10% cỏ lá gừng) 10 kg tƣơi/ngày (tƣơng
27
đƣơng khoảng 2,7 kg khơ). Đây là 5 loại cỏ này có tần suất xuất hiện nhiều nhất, do đó 5 loại cỏ vƣờn này đƣợc chọn làm vật liệu thí nghiệm.
Để đạt đƣợc thể tích nƣớc trong túi ủ phù hợp cho q trình sinh khí, khi bắt đầu nạp nguyên liệu, hai túi ủ đƣợc cung cấp nƣớc mồi sao cho ngập miệng ống đầu vào và đầu ra của túi ủ, sau đó tiến hành nạp nguyên liệu.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Nguyên liệu đƣợc nạp vào túi ủ từ lúc 7 giờ 30 đến 8 giờ hàng ngày. Phân heo vừa lấy xong đƣợc nạp trực tiếp vào túi, sau đó nạp thêm 30 lít nƣớc ao để pha lỗng nguyên liệu. Còn cỏ vƣờn sau khi phơi héo và cắt đoạn ngắn khoảng 20 – 30 cm thì nạp trực tiếp vào túi, sau đó cũng nạp thêm 30 lít nƣớc ao để pha loãng và đẩy nguyên liệu vào hết trong túi ủ.
3.5 Xử lý số liệu
Sử dụng phần mềm Microsoft Excel để tổng hợp số liệu và vẽ đồ thị.
Thí nghiệm
Nghiệm thức 1
Phân heo10 kg tƣơi/ngày (tƣơng đƣơng khoảng 2,7
kg khô
Nghiệm thức 2
Cỏ vƣờn (năm loại cỏ vƣờn) 10 kg tƣơi/ngày (tƣơng đƣơng khoảng 2,7 kg khô)
28
CHƢƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Đặc điểm các yếu tố đầu vào của thí nghiệm
4.1.1 Đặc điểm hóa học của phân heo và cỏ vƣờn dùng trong thí nghiệm
Đối với các nguồn nguyên liệu dùng sản xuất khí sinh học khác nhau thƣờng có giá trị dinh dƣỡng khác nhau (Nguyễn Đức Lƣợng - Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003). Vì vậy, biết đƣợc đặc điểm thành phần dinh dƣỡng của các nguyên liệu sẽ giúp chúng ta có có cơ sở để lựa chọn loại nguyên liệu cũng nhƣ có đƣợc đánh giá ban đầu về khả năng sinh khí của nguyên liệu nạp.
Bảng 4.1. Đặc điểm hóa học của phân heo và cỏ vƣờn
Mẫu Ẩm độ(%) %C %N C/N
Phân heo 73,3 42,6 1,2 36
Cỏ vƣờn 73,7 48,3 1,4 35
Ẩm độ
Ẩm độ của nguyên liệu giúp chúng ta đánh giá đƣợc giá trị dinh dƣỡng của các loại nguyên liệu. Nguyên liệu có giá trị dinh dƣỡng càng cao khi ẩm độ của nguyên liệu càng thấp và ngƣợc lại. Bảng 4.1 cho thấy kết quả phân tích ẩm độ của phân heo trong thí nghiệm này là 73,3% cao hơn 2,3% so với kết quả nghiên cứu của Nguyễn Văn Kha (2012). Sự khác biệt này hồn tồn có thể lý giải vì ẩm độ phân heo phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhƣ: loại giống, tháng tuổi, chế độ dinh dƣỡng, điều kiện chuồng trại, và thời điểm thu mẫu, … (Nguyễn Đức Lƣợng – Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003; Ngô Kế Sƣơng – Nguyễn Lân Dũng, 1997). Do nền chuồng có độ nghiêng, mái lợp tôn nên khi trời nắng làm lƣợng nƣớc trong phân dễ bị thất thoát. Hơn nữa, thời điểm thu mẫu của đề tài vào lúc 9 giờ trời chƣa nắng nhiều nên sự thất thoát lƣợng nƣớc trong phân cũng hạn chế hơn so với thời điểm thu mẫu của Nguyễn Văn Kha (2012) vào lúc 14 giờ. Vì vậy sự chênh lệch này hồn tồn phù hợp.
Đối với cỏ vƣờn, kết quả phân tích ẩm độ là 73,7% không chênh lệch nhiều so với ẩm độ của phân heo. Tuy nhiên, so với kết quả nghiên cứu trƣớc của Nguyễn Văn Kha (2012) thì ẩm độ cỏ vƣờn của đề tài thấp hơn từ 7,3 – 10,3%. Sự khác biệt này có thể giải thích là do cỏ vƣờn của đề tài so với cỏ vƣờn của nghiên cứu trƣớc có sự khác nhau về số lƣợng và tỉ lệ các loại cỏ. Cỏ vƣờn của đề tài sử dụng 5 loại cỏ, còn cỏ vƣờn của Nguyễn Văn Kha (2012) nghiên cứu sử dụng 3 loại và 7 loại cỏ nên kết quả phân tích tất nhiên sẽ có sự chênh lệch. Mặt khác, nghiên cứu của Nguyễn Văn Kha (2012) sử dụng tỉ lệ các loại cỏ có hàm lƣợng nƣớc cao (rau trai, khổ hoa đất, cỏ lá gừng) khá nhiều so với tỉ lệ các loại còn lại. Còn cỏ vƣờn của đề tài nghiên cứu sử dụng tỉ lệ các loại cỏ chứa hàm lƣợng nƣớc ít (cỏ lá tre, cỏ lơng tây, lúa ma) khá nhiều
29
trong khi tỉ lệ rau trai, cỏ lá gừng khá thấp. Chính vì lý do đó mà ẩm độ cỏ vƣờn của đề tài thấp hơn khá nhiều so với nghiên cứu trƣớc là hoàn toàn hợp lý.
Tỉ lệ C/N
Tỉ lệ cacbon/nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của nguyên liệu. Tỉ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm. Ngƣợc lại, tỉ lệ C/N quá thấp thì quá trình phân hủy bị ngừng trệ do tích lũy nhiều amơniac là một độc tố cho vi khuẩn ở nồng độ cao. Tỉ lệ C/N trong phân heo của đề tài là 36/1 cao gấp 2,4 lần so với kết quả nghiên cứu trƣớc của Nguyễn Văn Kha (2012) (C/N là 15/1). Sự chênh lệch này là do phần trăm nitơ trong phân heo của đề tài là 1,2% rất thấp so vơi nghiên cứu trƣớc của Nguyễn Văn Kha là 2,8% nên làm cho tỉ lệ C/N của đề tài cao hơn rất nhiều. Tuy nhiên, tỉ lệ C/N chịu ảnh hƣởng rất lớn bởi yếu tố nhƣ: thành phần thức ăn, chế độ cho ăn và thể trạng của heo trong từng giai đoạn. Thành phần thức ăn cho heo trong giai đoạn nghiên cứu của Nguyễn Văn Kha (2012) gồm hỗn hợp bã bia và thức ăn công nghiệp dạng bột hiệu Cargill (hàm lƣợng đạm tối thiểu 36%). Còn trong giai đoạn đề tài thực hiện thì thành phần thức ăn cho heo gồm hỗn hợp bột cám to, cám mịn, bã bia, thức ăn công nghiệp dạng viên hiệu Anco (hàm lƣợng đạm tối thiểu 16,5%). Do hàm lƣợng thức ăn chứa ít đạm hơn nên hàm lƣợng đạm trong phân heo của đề tài thấp dẫn đến tỉ lệ C/N trong phân heo của đề tài cao hơn nghiên cứu trƣớc là hoàn toàn hợp lý.
Tỉ lệ C/N trong cỏ vƣờn của đề tài là 35/1 cao hơn so với nghiên cứu của Nguyễn Văn Kha (2012) từ 4 – 7. Điều này cũng phù hợp vì tỉ lệ và loại cỏ vƣờn sử dụng trong đề tài khác với tỉ lệ và loại cỏ vƣờn sử dụng trong nghiên cứu trƣớc của Nguyễn Văn Kha. Trong đó, đề tài sử dụng tỉ lệ các loại cỏ có xơ cao nhƣ cỏ lá tre, cỏ lông tây, lúa ma khá nhiều và tỉ lệ cỏ thân mềm nhƣ rau trai, cỏ lá gừng lại ít nên hàm lƣợng cacbon sẽ cao, hàm lƣợng nitơ sẽ thấp dẫn đến tỉ lệ C/N trong cỏ vƣờn của đề tài cao hơn so với nghiên cứu trƣớc là phù hợp.
Qua kết quả phân tích ở trên, ta thấy đặc điểm hóa học của phân heo và cỏ vƣờn là gần giống nhau, vừa có khá nhiều dinh dƣỡng và có tỉ lệ C/N gần khoảng tối ƣu (30/1) để sử dụng làm nguyên liệu ủ khí sinh học. Do đó, đây cũng là điều kiện thuận lợi để nghiên cứu và so sánh khả năng sinh khí của hai loại nguyên liệu này. Tuy nhiên, về tính chất vật lý, cơ học thì phân heo mềm và nhuyễn hơn rất nhiều so với cỏ vƣờn nên đây cũng là một mặt hạn chế trong điều kiện so sánh khả năng sinh khí của hai loại nguyên liệu.
4.1.2 Đặc điểm của mẫu nƣớc dùng trong thí nghiệm
Đặc điểm lý, hóa, sinh trong mẫu nguồn nƣớc sử dụng bố trí thí nghiệm ảnh hƣởng rất lớn đến tốc độ và hiệu quả sinh khí của ngun liệu ủ. Do đó phân tích đặc điểm, tính chất của mẫu nƣớc này sẽ tạo điều kiện tốt và thuận lợi cho q trình sinh khí của ngun liệu thí nghiệm.
30
Bảng 4.2 Kết quả phân tích mẫu nƣớc dùng trong thí nghiệm
Mẫu Thí nghiệm lần 1 Thí nghiệm lần 2
pH Tổng VSV(CFU/mL) pH Tổng VSV(CFU/mL)
Nƣớc ao 6,73 1,9 x 104 7,15 1,8 x 104
Nƣớc biogas 6,78 1,04 x 107 7,24 2,7 x 105
Nƣớc mồi 6,77 3,6 x 106 7,19 9,1 x 104
(Nguồn: Phan Thị Yến Phi, 2013) Giá trị pH của nƣớc trong túi ủ cũng là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy kỵ khí, pH quá cao hoặc quá thấp đều có thể gây ức chế hoạt động của vi khuẩn sinh khí. Theo kết quả phân tích ở bảng 4.2 thì giá trị pH của nƣớc ao, nƣớc biogas, nƣớc mồi trong hai lần thí nghiệm đều nằm trong khoảng thích hợp (6,6 – 7,6) cho vi khuẩn sinh khí hoạt động. Tổng VSV trong nƣớc ao, nƣớc biogas, nƣớc mồi trong hai lần khá lớn, điều này rất thuận lợi vì cung cấp cho túi ủ một lƣợng lớn vi khuẩn ban đầu nhằm thúc q trình sinh khí xảy ra nhanh hơn. Trong mẫu nƣớc mồi lần 2 thì tổng VSV thấp hơn khá nhiều so với nƣớc mồi lần 1. Lý do là lần 2 số lƣợng heo giảm so với lần 1 nên lƣợng phân vào túi biogas của nơng hộ ít đi dẫn đến lƣợng nƣớc biogas đầu ra không đậm đặc nhƣ lần 1. Tuy nhiên, sự chênh lệch này không ảnh hƣởng lớn vì với mật độ VSV trong nƣớc mồi lần 2 (9,1 x 10^4 CFU/mL) cũng đã đủ nhiều để thúc đẩy q trình sinh khí xảy ra nhanh trong thời gian đầu của thí nghiệm.
4.1.3 Sự biến động nhiệt độ (lúc 9 giờ hằng ngày) trong hai lần thí nghiệm
0 5 10 15 20 25 30 35 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 Ngày thứ N hi ệt độ ( o C) Đợt 1 Đợt 2
Hình 4.1 Biến động nhiệt độ trong hai lần thí nghiệm
Nhiệt độ là yếu tố có ảnh hƣởng quan trọng đến khả năng phân hủy của nguyên liệu của VSV. Hoạt động của vi khuẩn sinh mêtan chịu ảnh hƣởng rất mạnh của nhiệt
31
độ môi trƣờng. Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30 – 40oC. Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh mêtan yếu đi. Nhiệt độ môi trƣờng xuống dƣới 10oC thì quá trình phân hủy gần nhƣ ngừng lại (Nguyễn Quang Khải, 2002). Hình 4.1 cho thấy nhiệt độ mơi trƣờng trong hai lần thí nghiệm có sự chênh lệch khá lớn. Trong thời điểm bố trí thí nghiệm lần 1, do ảnh hƣởng của mƣa bão và khơng khí lạnh nên làm cho nhiệt độ môi trƣờng khơng khí xuống khá thấp (23- 28,5oC, trung bình 26,5oC). Đến thời điểm bố trí thí nghiệm lần 2 thì thời tiết đã diễn biến bình thƣờng (khơng cịn mƣa bão và khơng khí lạnh) nên nhiệt độ mơi trƣờng khơng khí khá cao và ổn định (25,5 – 31oC, trung bình 29,6oC). Sự chênh lệch nhiệt độ mơi trƣờng giữa hai lần thí nghiệm khá cao nên tốc độ phân hủy của nguyên liệu thí nghiệm trong hai lần lặp lại tất yếu sẽ có sự chênh lệch đáng kể.
4.2 Tổng lƣợng khí sinh ra trong hai lần thí nghiệm
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 28 33 38 43 48 53 Ngày thứ T h ể tí ch ( lít ) Phân heo 2 Cỏ vườn 2 Phân heo 1 Cỏ vườn 1
Hình 4.2 Biến động lƣợng khí sinh ra trong hai lần thí nghiệm
Nhìn vào hình 4.2 ta thấy lƣợng khí sinh ra ở hai nghiệm thức phân heo và cỏ vƣờn trong thí nghiệm lần 1 có sự chênh lệnh rất lớn trong 38 ngày đầu. Do phân heo là nguyên liệu dễ bị phân hủy nên đến ngày thứ 18 của thí nghiệm đã sinh khí căng trịn túi ủ. Trong khi đó, cỏ vƣờn khó bị phân hủy nên đến ngày thứ 38 thì cỏ vƣờn mới sinh khí đủ làm căng trịn túi ủ. Do đó mà lƣợng lƣợng khí sinh ra trong 38 ngày đầu của phân heo (6.235 lít) và cỏ vƣờn (1.522 lít) có sự chênh lệch rất cao (4.713 lít). Tuy nhiên, trong 10 ngày tiếp theo từ ngày thứ 38 - 48, khi cỏ vƣờn đã bắt đầu phân hủy tốt thì lƣợng khí sinh ra của nghiệm thức cỏ vƣờn và nghiệm thức phân heo khơng có sự chênh lệch lớn (phân heo 1.134 lít, cỏ vƣờn 1.057 lít). Trong 5 ngày sau đó, từ ngày thứ 48 - 53 thì lƣợng khí sinh ra của nghiệm thức phân heo lại có xu hƣớng giảm mạnh (từ 597 lít xuống 238 lít), trong khi lƣợng khí sinh ra ở nghiệm thức cỏ vƣờn có xu hƣớng tăng lên (từ 486 lít lên 518 lít) và cao hơn lƣợng khí sinh ra của nghiệm thức phân heo 280 lít (bảng 4.3). Điều này có thể là do bản thân phân heo đã đƣợc nghiền nhuyễn trong q trình tiêu hóa của vật ni và đã chứa nhiều VSV nên khi ủ thì quá
32
trình phân hủy cũng dễ dàng và nhanh chóng nên càng về sau nguồn nguyên liệu trong phân heo bị giảm xuống nhanh chóng do đã bị VSV sử dụng nhiều trong thời gian đầu. Do đó lƣợng khí sinh ra ở nghiệm thức phân heo tăng rất nhanh trong giai đoạn đầu và cũng bị giảm rất nhanh trong giai đoạn sau khi ngun liệu cịn lại rất ít (từ ngày thứ 48). Cịn cỏ vƣờn làm thí nghiệm là loại ngun liệu có nhiều chất hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt là xenlullôzơ và lignin là những hợp chất cao phân tử có nhiều trong thực vật, khơng tan trong nƣớc và rất khó phân hủy (Lê Hồng Việt, 2005). Mặt khác, trong thời điểm làm thí nghiệm, thời tiết bị ảnh hƣởng của mƣa bão, khơng khí lạnh làm nhiệt độ xuống khá thấp (23 – 28,5oC, trung bình 26,5oC) khơng thuận lợi cho vi khuẩn ƣa ấm hoạt động nên làm cho cỏ vƣờn càng khó bị phân hủy hơn bình thƣờng. Đến ngày thứ 38 thì cỏ vƣờn mới bắt đầu phân hủy nhanh, cộng thêm nguồn nguyên liệu cỏ vƣờn còn khá dồi dào do chƣa phân hủy nhiều nên giai đoạn càng về sau (khoảng từ ngày thứ 48 trở đi) thì cỏ vƣờn có xu hƣớng sinh khí nhanh trong khi phân heo đã phân hủy gần hết nguyên liệu và đang có xu hƣớng sinh khí giảm.
Bảng 4.3 Biến động lƣợng khí sinh ra theo thời gian trong hai lần thí nghiệm Ngày thứ Ngày thứ
Lƣợng khí sinh ra ở 26,5oC, 20 Kpa (lít) Thí nghiệm lần 1 Thí nghiệm lần 2 Phân heo 1 Cỏ vƣờn 1 Phân heo 2 Cỏ vƣờn 2
28 3956 3045 33 1317 1179 38 6235 1522 726 1426 43 537 571 238 741 48 597 486 194 686 53 238 518 172 612
Gần giống với thí nghiệm lần 1, ở thí nghiệm lần 2, lƣợng khí xuất phát điểm (ngày thứ 28) của nghiệm thức phân heo vẫn cao hơn so với cỏ vƣờn (hình 4.2). Do phân heo dễ bị phân hủy cộng thêm nhiệt độ trong thời điểm thí nghiệm đợt 2 khá cao (25,5 – 31oC, trung bình 29,6oC) nên phân heo phân hủy nhanh và đến ngày thứ 16 thì đã sinh khí căng trịn túi ủ. Cỏ vƣờn thì sinh khí chậm hơn phân heo nhƣng đến ngày thứ 28 thì cỏ vƣờn cũng đã sinh khí căng trịn túi ủ. So với kết quả lần 1 thì cỏ vƣờn ở lần 2 có tốc độ phân hủy nhanh hơn rất nhiều (nhanh hơn 10 ngày). Điều này hoàn tồn phù hợp vì ở thí nghiệm lần 2, nhiệt độ cao hơn nên quá trình phân hủy cỏ vƣờn diễn ra mạnh mẽ. Càng về sau (khoảng từ ngày thứ 43) thì lƣợng khí sinh ra của nghiệm thức cỏ vƣờn đã vƣợt qua và chiếm ƣu thế so với nghiệm thức phân heo. Tuy nhiên, tổng lƣợng khí sinh ra ở nghiệm thức phân heo và nghiệm thức cỏ vƣờn trong thí nghiệm lần 2 có sự chênh lệch khơng lớn (hình 4.3).
Trong 28 ngày đầu, lƣợng khí sinh ra của nghiệm thức cỏ vƣờn là 3.045 lít, lƣợng khí sinh ra của nghiệm thức phân heo là 3.956 lít, cao hơn so với cỏ vƣờn 911
33
lít. Trong 5 ngày tiếp theo từ ngày thứ 28 đến ngày thứ 33, lƣợng khí của nghiệm thức phân heo và cỏ vƣờn sinh ra khá nhanh và khơng có sự chênh lệch lớn (phân heo 1.317 lít, cỏ vƣờn 1.179 lít, chênh lệch 138 lít). Trong 5 ngày tiếp theo, từ ngày thứ 33 – 38 thì lƣợng khí sinh ra ở nghiệm thức cỏ vƣờn vẫn tiếp tục tăng nhanh từ 1.179 lít lên 1.426 lít (tăng 247 lít). Trong khi đó, nghiệm thức phân heo thì lại sinh khí giảm mạnh từ 1.317 lít xuống cịn 726 lít (giảm 591 lít). Từ ngày thứ 38 – 43, cả hai nghiệm thức cỏ vƣờn và phân heo đều bị giảm mạnh ( phân heo từ 726 lít xuống cịn 238 lít, giảm