Đặc tính hóa lý của Bùn bể phốt, BHTD đƣợc tiến hành kiểm tra bao gồm các nguyên tố: tổng chất rắn, tổng chất rắn bay hơi, nitơ tổng, phốt pho tổng đƣợc đƣa đi kiểm tra ngay sau khi thu mẫu về phòng thực nghiệm đã cho kết quả nhƣ Bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1. Một số đặc điểm hóa lý của BBP và BHTD Thông số
Loại bùn
Tổng chất rắn (%)
Tổng chất rắn bay hơi (%)
Phốt pho tổng (%TS)
Ni tơ tổng (%TS)
BBP 6,15 89,72 1,67 1,8
BHTD 2,42 81 4,5 2,92
Với các đặc điểm hóa lý TVS, TN, TP tương đối cao so với tổng chất rắn có trong bùn thải. Với đặc điểm này ta có thể thấy thành phần chất dinh dƣỡng có trong 02 loại bùn thải này khá cao, có thể thấy có tiềm năng sử dụng làm phân bón, cải tạo đất nông nghiệp tuy nhiên để có thể sử dụng vào mục đích nông nghiệp thì cần có những đánh giá về các thành phần ảnh hưởng đến chất lượng môi trường đất
Với kết quả phân tích các đặc điểm hóa lý nhƣ TS, TVS, TN, TP của bùn bể phốt và BHTD thu được so với kết quả của bùn thải sông Kim Ngưu [10] ở Bảng 3.2 thì có thể thấy rằng đặc điểm TS của BBP, BHTD thấp hơn rất nhiều so với bùn thải sông, nhƣng ở các đặc điểm TVS, TN, TP thì BBP, BHTD ngƣợc lại có kết quả cao hơn đáng kể so với bùn sông Kim Ngưu.
Bảng 3.2.Các đặc điểm hóa lý này so với bùn thải sông kim ngưu [9].
Thông số Loại bùn
Tổng chất rắn (%)
Chất rắn bay hơi (%TS)
Phốt pho tổng (%TS)
Ni tơ tổng (%TS)
Bùn sông Kim ngưu 13,2 31,5 0,95 1,39
45
Nhƣ vậy có thể thấy trong bùn bể phốt và bùn hoạt tính dƣ có đặc điểm giàu hợp chất hữu cơ, đây là một đặc điểm có sự ảnh hưởng lớn đến tiềm năng sinh khí metan.
3.2. Kết quả đồng phân hủy sinh học kỳ khí giữa Bùn bể phốt và Bùn hoạt tính dƣ.
Nghiên cứu khả năng đồng phân hủy sinh học kỵ khí của sự kết hợp giữa 2 loại bùn nguyên liệu là BBP và Bùn hoạt tính dƣ với các tỷ lệ phối trộn nhƣ trình bày ở Bảng 2.1, kết thúc ở thời gian là 30 ngày khi ở các nghiệm thức của thí nghiệm gần nhƣ không sinh khí biogas.
Nhƣ đã trình bày ở phần thực nghiệm mẫu bùn ở từng nghiệm thức của thí nghiệm sẽ đƣợc lấy để phân tích các chỉ tiêu hóa lý nhƣ hàm lƣợng tổng chất rắn (TS), tổng chất rắn bay hơi (TVS), photpho tổng số (TP), Nitơ tổng số (TN) ở mẫu bùn đầu vào và bùn sau phân hủy để có thêm thông tin về quá trình phân hủy của hỗn hợp bùn thải sau khi phối trộn.
Đặc điểm hóa lý của các nghiệm thức sau khi phối trộn để đƣa vào hệ thống phân hủy kỵ khí, đƣợc tiến hành lấy mẫu và phân tích cho kết quả đƣợc trình bày nhƣ Bảng 3.3 sau.
Bảng 3.3. Đặc điểm hóa lý nguyên liệu sau phối trộn của các nghiệm thức TN1 Nghiệm thức TS (%) TVS (%TS) TP (%TS) TN (%TS)
NT1 6,14 89,72 1,67 1,78
NT2 5,48 87,97 2,23 2,01
NT3 5,02 87,11 2,52 2,09
NT4 4,21 85,32 2,55 2,28
NT5 3,5 83,61 3,62 2,56
a. Sự thay đổi tổng chất rắn
Sau 30 ngày phân hủy, hàm lƣợng tổng chất rắn có trong bùn phân hủy ở đầu vào và đầu ra của thí nghiệm đều giảm đi đáng kể. Hệ số loại bỏ đƣợc thể hiện nhƣ Bảng 3.4 sau.
46
Bảng 3.4. Kết quả phân tích TS trước và sau phân hủy các NT Thí Nghiệm 1 BBP+BHTD
(tỷ lệ phối trộn)
TS (%)
Hiệu suất loại bỏ (%) Đầu vào Đầu ra
NT1 (100:0) 6,14 5,21 15,3
NT2 (80:20) 5,48 3,95 27,9
NT3 (70:30) 5,02 3,86 23,1
NT4 (50:50) 4,21 3,21 22,6
NT5 (30:70) 3,56 2,76 22,4
Từ kết quả nhƣ ở Bảng 3.4 trên ta thấy ở các nghiệm thức 2, NT3, NT4 và NT5 là khá đồng đều về khả năng loại bỏ TS và đều cao hơn ở NT1. Trong tất cả các nghiệm thức thí nghiệm thì khả năng loại bỏ TS đạt hiệu quả cao nhất diễn ra ở NT2(27,9%) với tỷ lệ phối trộn giữa BBP và BHTD là 80:20 điều này cho thấy ở tỷ lệ phối trộn này đã tạo ra những điều kiện thuận lợi để mang lại khả năng phân hủy các các hợp chất hữu cơ tốt nhất trong 5 nghiệm thức đã phối trộn. Riêng nghiệm thức 1 với tỷ lệ 100% BBP, cho khả năng loại bỏ TS thấp nhất chỉ đạt 15,3%. Mức loại bỏ TS ở nghiệm thức này đều thấp hơn các nghiệm thức còn lại khoảng 10%.
Từ đây ta có thể thấy ở các nghiệm thức của thí nghiệm 1 này có sự phối trộn của các 2 loại bùn đã tạo nên điều kiện thuận lợi hơn cho việc loại bỏ TS. Sự kết hợp giữa 2 loại bùn bể phốt và bùn hoạt tính dƣ đã cho hệ số loại bỏ TS tốt hơn thể hiện theo hệ số tăng dần ở các NT lần lƣợt là các NT5, NT4, NT3, NT2 và thấp nhất là ở NT1(100%).
b. Sự thay đổi tổng chất rắn bay hơi
Sau 30 ngày phân hủy, hàm lƣợng tổng chất rắn bay hơi đều giảm đi nhiều và khá là tương đồng ở mức cao bằng chứng là ở tất cả các nghiệm thức đều giảm ở mức trên 30% thể hiện nhƣ Bảng 3.5 sau:
47
Bảng 3.5. Kết quả TVS trước và sau phân hủy của các NT ở thí nghiệm 1 BBP : BHTD
(tỷ lệ phối trộn)
TVS(%TS) Hiệu suất loại bỏ (%)
Đầu vào Đầu ra TVS
NT1 (100:0) 89,72 57,5 35,9
NT2 (80:20) 87,97 52,5 40,3
NT3 (70:30) 87,12 54,1 37,9
NT4 (50:50) 85,35 52,6 38,4
NT5 (30:70) 83,61 51,9 37,9
Hình 3.1. Sự thay đổi giá trị TVS được loại bỏ của các NT ở TN1
Từ bảng 3.5 và Hình 3.1 trên ta thấy hệ số loại bỏ TVS thấp nhất một lần nữa lại là ở nghiệm thức 1 đạt 35,9%, hệ số giảm hàm lƣợng TVS cao nhất là ở nghiệm thức 2(40,3%), sau đó giảm dần lần lƣợt là ở các nghiệm thức 4(38,4%), nghiệm thức 3(37,9%) và nghiệm thức 5(37,9%). Ở nghiệm thức 2 với tỷ lệ đồng phân hủy
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
NT1 (100:0) NT2 (80:20) NT3 (70:30) NT4 (50:50) NT5(30:70)
Đầu vào Đầu ra
%TS
51,9 83,61
52,6 85,35
54,1 87,1
52,5 87,97
57,5 89,72
Nghiệm thức
48
giữa bùn bể phốt và bùn hoạt tính dƣ (80:20) cho khả năng loại bỏ TVS cao nhất có sự khác biệt rõ nét so với các nghiệm thức còn lại với sự phối trộn này chứng tỏ đã tạo nên những điều kiện thuận lợi để mang lại khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ tốt nhất trong 5 tỷ lệ phối trộn.
Từ kết quả phân tích đặc điểm TS, TVS trước và sau quá trình phân hủy kỵ khí thể hiện ở Bảng 3.3 và Bảng 3.4 trên, ta thấy rằng ở tỷ lệ phối trộn giữa bùn bể phốt và bùn hoạt tính dƣ là (80:20)% đã cho khả năng loại bỏ chung TS, TVS là tốt nhất.
c. Sự thay đổi tổng Phốt pho
Khi tiến hành phối trộn BBP và BHTD để phân hủy yếm khí, khả năng ổn định đƣợc các yếu tố dinh dƣỡng nhƣ P và N cũng đƣợc tiến hành theo dõi để đánh giá sự phân hủy diễn ra trong hỗn hợp bùn thải. Kết quả phân tích TP của các nghiệm thức được trình bày trong Bảng 3.6 dưới đây:
Bảng 3.6. Kết quả phân tích TP trước và sau phân hủy của TN1 BBP:BHTD
(tỷ lệ phối trộn)
TP (%TS)
Tỷ lệ giảm (%) Đầu vào Đầu ra
NT1 (100:0) 1,67 1,32 21
NT2 (80:20) 2,23 1,67 25,1
NT3 (70:30) 2,52 1,71 32,1
NT4 (50:50) 3,05 2,58 15,3
NT5 (30:70) 3,62 2,54 29,8
Từ Bảng 3.6 trên thấy rằng giá trị photpho tổng ở các nghiệm thức đều giảm theo thời gian phân hủy. Kết quả phân tích TP sau 30 ngày phân hủy của tổ hợp mẫu bùn cũng cho thấy, trong khoảng thời gian này giá trị TP cũng đều giảm xuống tương đối nhiều từ 15-32%, tùy vào từng nghiệm thức ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau có sự khác biệt rõ rệt.
49
Với giá trị TP này thì ở nghiệm thức 3 cho khả năng loại bỏ cao nhất (32,1%) tiếp đến là nghiệm thức 5(29,8%), nghiệm thƣc 2(25,1%), nghiệm thức 1 (21%) và thấp nhất là ở nhiệm thức 4(15,3%). Ở các giá trị TS, TVS của các nghiệm thức thì nghiệm thức 4 luôn cho khả năng loại bỏ cao nhất nhƣng ở giá trị TP thì ngƣợc lại, nghiệm thức 4 khả năng loại bỏ lại thấp nhất.
Hình 3.2. Sự thay đổi giá trị TP của các NT-TN1 trước và sau phân hủy kỵ khí Sự giảm giá trị TP ở mẫu bùn đầu ra có thể đƣợc giải thích là do trong quá trình diễn ra sự phân hủy yếm khí, lƣợng P ở dạng dễ tiêu, dễ phân hủy không chỉ được VSV sử dụng vào hoạt động sinh trưởng và phát triển, mà một phần bị chuyển hóa thành P ở dạng khó phân hủy, ví dụ nhƣ P trong muối PO43- ở dạng không tan với các kim loại nặng, hoặc P ở các dạng trong các hợp chất phức tạp, rất khó để vi sinh vật có thể tiêu thụ và chuyển hóa; đồng thời trơ trong các phản ứng hóa học của phương pháp phân tích xác định P tổng số. Do đó, giá trị TP của tổ hợp mẫu bùn đầu ra giảm so với bùn đầu vào.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
NT1 (100:0) NT2 (80:20) NT3 (70:30) NT4 (50:50) NT5 (30:70) Đầu vào (%TS)
Đầu ra (%TS)
%TS
1,32
1,67 1,71
2,58
2,54
NNghiệm thức
3,62
2,52 3,05 2,23
1,67
50 d. Sự thay đổi tổng Nitơ
Cùng với photpho, nitơ cũng là yếu tố dinh dƣỡng quan trọng đối với sự sinh trưởng và phát triển trong hoạt động sống của tổ hợp các nhóm vi sinh vật trong quá trình phân hủy yếm khí. Nitơ tồn tại trong thiết bị phân hủy yếm khí ở cả ba trạng thái: rắn lỏng và khí; trong đó N tồn tại trong các hợp chất hữu cơ nhƣ protein, amino axit, peptit... là thành phần N dinh dƣỡng chính mà vi sinh vật sẽ sử dụng trong quá trình phân hủy. Phân tích hàm lƣợng nitơ tổng số trong tổ hợp mẫu bùn rắn trước và sau phân hủy để phần nào đánh giá được hoạt động sống của các nhóm vi sinh vật, từ đó đƣa ra kết luận về quá trình phân hủy yếm khí diễn ra trên mẫu bùn đầu vào. Mẫu bùn đƣợc lấy và đem về phòng đƣợc sấy khô ở 105oC, sau đó xác định hàm lƣợng N có trong mẫu rắn sau sấy. Các kết quả phân tích TN trong mẫu rắn TS của các nghiệm thức trước và sau phân hủy được trình bày trong Bảng 3.7
Bảng 3.7. Kết quả phân tích TN của các NT-TN1 trước và sau phân hủy BBP+BHTD
(tỷ lệ phối trộn)
TN (%TS)
Tăng (%) Đầu vào Đầu ra
NT1 (100:0) 1,78 2,75 54,5
NT2 (80:20) 2,02 3,48 72
NT3 (70:30) 2,13 4,11 92,6
NT4 (50:50) 2,36 4,07 72,6
NT5 (30:70) 2,58 3,75 45,3
Từ kết quả thể hiện ở Bảng 3.7 trên, thấy rằng sau thời gian 30 ngày phân hủy, TN của tổ hợp bùn đầu ra ở tất cả các nghiệm thức đều tăng. Tại các NT1; NT2;
NT3; NT4; NT5 mẫu đầu ra ở các nghiệm thức tăng tương ứng là 54,5%; 72%;
92,6%; 72,6% và 45,3%. Các VSV sinh trưởng và phát triển, chuyển hóa N ở các dạng khác nhau thành N hữu cơ trong sinh khối, do vậy giá trị TN của bùn sau phân hủy tăng lên so với TN của bùn đầu vào. Một lý do khác nữa là có thể do giá trị TS giảm đi nhiều vì vậy mà giá trị TN ta thấy là tăng lên. Tại NT3 với tỷ lệ BBP:
BHTD đầu vào là 70:30 thì TN của hỗn hợp đầu ra tăng lên nhiều nhất, sự phân hủy
51
yếm khí đạt hiệu quả cao nhất trong 5 tỷ lệ đƣợc khảo sát, độ tăng của TN của hỗn hợp bùn ở NT3 là 92,6% lớn hơn nhiều so với độ tăng của các NT còn lại cho thấy việc phối trộn BBP và BHTT ở tỷ lệ (70:30) thực sự đem lại hiệu quả phân hủy yếm khí tốt hơn. Với kết quả TN sau quá trình đồng phân hủy này tăng lên đây là một điểm nhấn để đánh giá giá trị dinh dƣỡng trong bùn sau phân hủy để phục vụ trong nông nghiệp.
Hình 3.3. Sự thay đổi giá trị TN của các NT- TN1 trước và sau phân hủy yếm khí e. Diễn biến sinh khí trong quá trình đồng phân hủy sinh học kỳ khí giữa Bùn bể phốt và Bùn hoạt tính dƣ (thí nghiệm 1).
Thời gian tiến hành nghiên cứu trong 30 ngày, trong thời gian này với điều kiện nhiệt độ phòng dao động trong khoảng 24-320c. Đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho nhóm vi sinh vật ƣu ấm trong phân hủy yếm khí.
Giữa các nghiệm thức của thí nghiệm 1, thể tích khí biogas sinh ra có sự khác biệt rõ dệt, tỷ lệ phối trộn đồng phân hủy giữa BBP và BHTD ở NT2 với tỷ tương ứng 80:20 thể tích khí biogas sinh ra lớn nhất, tiếp đến lần lƣợt là NT3, NT4, NT1 và NT5 có tỷ lệ phối trộn giữa BBP:BHTD là 30:70 có thể tích khí biogas sinh ra ít nhất. Vì BBP có khả năng phân hủy yếm khí tốt hơn BHTD nên lƣợng khí biogas
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
NT1 (100:0) NT2 (80:20) NT3 (70:30) NT4 (50:50) NT5(30:70) Đầu vào
Đầu ra
Nghiệm thức
4,11 4,07
3,48
2,58 3,75
2,02 2,13
2,75
1,78
%TS
2,36
52
sinh ra tăng lên khi hàm lƣợng BBP có trong hỗn hợp bùn đầu vào tăng lên, khí biogas sinh ra phụ thuộc vào lƣợng BBP có trong hỗn hợp bùn thải, BBP càng nhiều lƣợng khí biogas sinh ra càng lớn. Tuy nhiên ở NT1 có 100% BBP nhƣng lƣợng khí biogas sinh ra vẫn ít hơn ở NT2, NT3 và NT4, có thể nhận thấy rằng ít nhiều ở sự phối trộn hỗn hợp 2 loại bùn đã tạo ra những điều kiện thuận lợi cho quá trình đồng phân hủy sinh khí biogas.
Thể tích khí ở NT2 cao gấp gần 5 lần so với NT5, gấp 2 lần so với NT1. Có thể thấy rằng thể tích khí biogas ở nghiệm thức 2 là tương đối lớn, trung bình lượng khí sinh ra ở NT2 này đạt 251 lít/ngày.
Thể tích khí của các nghiệm thức sinh ra ở thí nghiệm 1 đƣợc thể hiện nhƣ Bảng 3.8 sau:
Bảng 3.8. Thể tích khí biogas sinh ra ở các NT của Thí Nghiệm 1 Nghiệm thức Thể tích khí sinh ra (lít) Thể tích khí TB/ngày (lít)
NT1 3790 126
NT2 7523 251
NT3 6998 233
NT4 5334 178
NT5 1564 52
Lƣợng khí sinh học sinh ra là một yếu tố quan trọng để so sánh và đánh giá sự phân hủy yếm khí diễn ra tại các tỷ lệ phối trộn BHTD và BBP khác nhau. Với cùng một thể tích bùn đầu vào đƣợc nạp nhƣ nhau, lƣợng khí sinh học sinh ra phụ thuộc vào tỷ lệ các thành phần bùn thải có trong hỗn hợp bùn đƣợc nạp vào thiết bị phân hủy.
53
Hình 3.4. Thể tích khí sinh ra ở các NT thí nghiệm 1
Diễn biến sinh khí nhiều ngay từ những ngày đầu nạp mẫu. Nhƣ đã trình bày ở các phần trên, BHTD và BBP đã được lưu giữ ở điều kiện yếm khí một thời gian khá dài, quá trình phân hủy yếm khí đã đƣợc hình thành trên cả hai loại bùn nguyên liệu, vì vậy rất nhanh sau khi nạp bùn vào thiết bị, khí biogas đã đƣợc sản sinh. Sự phối trộn hỗn hợp hai loại bùn thải để đồng phân hủy kỵ khí làm cho diễn biến thể tích khí sinh ra hàng ngày có sự thay đổi. Lƣợng khí sinh ra tăng rất nhanh, khí sinh ra nhiều nhất và chủ yếu trong khoảng 15 ngày đầu, sau đó lƣợng khí sinh ra hàng ngày giảm dần và ổn định từ ngày thứ 18 đến hết thí nghiệm ở ngày thứ 30. Kết quả từ các nghiệm thức cho thấy luôn xuất hiện đỉnh cực đại sinh khí. Hiện tƣợng này chứng tỏ khả năng sinh khí liên quan đến quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nguyên liệu đầu vào của các nghiệm thức, các điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH …. Thời điểm cực đại sinh khí xuất hiện ở các NT cũng ở 15 ngày đầu.
Tổng lƣợng khí biogas sinh ra ở các NT xếp thứ tự từ cao thấp là NT2 - NT3 - NT4 - NT1 và NT5, hỗn hợp BBP và BHTD với tỷ lệ tương ứng (80:20) cho lượng khí biogas sinh ra nhiều nhất, thể tích khí biogas sinh ra ít nhất là ở NT5 với tỷ lệ hỗn hợp giữa BBP và BHTD là 30:70. Bởi với đặc điểm là ở bùn bể phốt có khả
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
NT1 NT2 NT3 NT4 NT5
Lít
3794
7523
6998
5334
1564
Nghiệm thức
54
năng phân hủy yếm khí tốt hơn bùn hoạt tính dƣ nên lƣợng khí biogas sinh ra nhiều khi hàm lƣợng BBP có trong bùn đầu vào nhiều hơn. Khí biogas sinh ra phụ thuộc nhiều vào lƣợng BBP có trong hỗn hợp bùn đầu vào, BBP càng nhiều lƣợng khí biogas càng lớn. Tuy nhiên ở nghiệm thức 1 với 100% bùn bể phốt lại cho khả năng sinh khí biogas thấp hơn ở các nghiệm thức 2, NT3, NT4 từ đây có thể nhận thấy ở sự phối trộn có cả 2 thành phần BBP và BHTD ở tỷ lệ phù hợp đã có những điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học kỵ khí sinh khí biogas. Qúa trình sinh khí biogas đượcthể hiện như Hình 3.6 dưới đây.
Hình 3.5. Diễn biến sinh khí trong quá trình phân hủy yếm khí các NT - TN1 f. Thành phần khí biogas của các nghiệm thức
Khí sinh học đƣợc sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí các hợp chất hữu cơ với thành phần chính gồm: CH4, CO2. Ngoài ra còn một số khí khác với tỷ lệ hạn chế có trong thành phần khí sinh học nhƣ: H2S, N2, N2O, H2…Trong nghiên cứu,
0 100 200 300 400 500 600 700
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5
Lít
Ngày
55
một số thành phần khí chính trong khí sinh học phân tích đƣợc bao gồm CH4, CO2 và N2O. Thành phần trung bình các loại khí của các nghiệm thức sau 10 đợt thu mẫu và phân tích. Nhìn chung với các tỷ lệ phối trộn của các nghiệm thức thí nghiệm 1 đồng phân hủy sinh học kỵ khí bùn bể phốt và bùn hoạt tính dƣ để sinh khí metan thì ta thấy thành phần khí metan sinh ra ở các nghiệm thức đa số đều nằm trong khoảng từ 38-52%. Kết quả tỷ lệ thành phần các khí có trong khí biogas đƣợc thể hiện nhƣ Bảng 3.9 sau đây.
Bảng 3.9: Tỷ lệ thành phần của các khí sinh ra ở các NT Thí Nghiệm 1 Nghiệm thức Khí biogas (lít/ngày) CH4 (%) CO2 (%) N2O và khí
khác (%)
NT1 ≈ 126 ≈ 48 ≈ 50 ≈ 2
NT2 ≈ 251 ≈ 51 ≈ 47 ≈ 2
NT3 ≈ 233 ≈ 48,5 ≈ 50 ≈ 2
NT4 ≈ 178 ≈ 43 ≈ 55 ≈ 2
NT5 ≈ 52 ≈ 38 ≈ 60 ≈ 2
Hình 3.6. Biểu đồ thể hiện thành phần các loại khí trung bình của các nghiệm thức
0 20 40 60 80 100 120
NT1 NT2 NT3 NT4 NT5
CO2 (%) CH4 (%) khí khác (%)
%
Nghiệm thức