2.3.1 Phân loại
Lục bình thuộc họ Lục bình (Pontederiaceae), có tên khoa học là Eichhornia crassipes (Maret) Solms. Lục bình còn được gọi là bèo tây, bèo Nhật Bản, bèo sen và là loài cỏ đa niên, thuộc nhóm thực vật thủy sinh sống trôi nổi, sinh sản rất nhanh (Phạm Hoàng Hộ, 2000).
Hình 2.6 Cây Lục bình (Eichhornia crassipes) 2.3.2 Nguồn gốc
Lục bình (Eichhornia crassipes) có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của Nam Mỹ, nó đã du nhập vào nhiều vùng ôn đới trên thế giới như Trung Mỹ, Bắc Mỹ. Ở Việt Nam, lục bình du nhập vào nước ta từ năm 1905 và nhanh chóng lan ra khắp các nơi có nước bị tù đọng hoặc nơi nước ngọt chảy chậm như ao, hồ, giếng, đầm, mương, ven sông và làm cản trở lưu thông (Phạm Hoàng Hộ, 2000). Theo Trần Đỗ Ái Nhi (2005) trích Nguyễn Đăng Khôi (1985), lục bình hấp thu dưỡng chất trực tiếp từ nước và thường được sử dụng làm công cụ xử lư nước thải. Chúng thích hợp và phát triển mạnh mẽ trong nguồn nước giàu dưỡng chất.
2.3.3 Đặc điểm hình thái
Lục bình là cây thân thảo sống lâu năm trôi nổi trên mặt nước hoặc bám nơi đất bùn có các đặc điểm hình dáng:
- Rễ dạng sợi, bất định, không phân nhánh, mọc thành chùm dài và rậm ở dưới chiếm 20 ÷ 50% trọng lượng toàn cây tùy thuộc vào môi trường sống nhiều hay ít dinh dưỡng (Phạm Hoàng Hộ, 2000). Rễ gồm 2 phần, ngoài là vùng vỏ và bên trong là trụ trung tâm (Nguyễn Thị Thu Thủy, 1988).
- Thân dạng củ nhỏ nổi trên mặt nước, mang nhiều rể và bẹ lá. Các bẹ lá cuốn lại tạo thành thân giả, khi cây già thân thật vươn khỏi mặt nước và mang phát hoa. Cây lục bình sống trôi dạt hoàn toàn trên mặt nước, với nhiều chồi liên kết nhau tạo thành mảng, cao khoảng 30 ÷ 90 cm (Hồ Đình Hải, 2013). Trên thân có những đốt có mô phân sinh tạo ra rễ, lá căn hành và cụm hoa. Lát cắt ngang qua thân cho thấy điểm phát sinh của cơ quan mới. Những tế bào của mô phân sinh này nhỏ và xếp khít nhau, xung quanh vùng ngoại biên của mô phân sinh là một vùng có vô số những khoảng trống giữa các tế bào. Mô khuyết này rất cần cho sự hấp thu oxygen và chuyển oxygen đến hệ thống rễ (Nguyễn Thị Thu Thủy, 1988).
thị, phiến tròn 4 ÷ 8 cm, bìa nguyên, gân hình cung, mịn, cuống lá rất xốp thường phù to tạo thành phao nổi hình lọ thường ngắn và to ở cây con, kéo dài đến 30 cm ở cây già. Lá có chiều dài khoảng 20 cm, rộng 15 cm. Lá lục bình phần trên mặt nước tương tự như những lá cây đơn tử điệp sống trên đất (Nguyễn Thị Thu Thủy, 1988).
- Hoa xanh nhạt hoặc xanh tím tạo thành chùm đứng, cao 10 ÷ 20 cm, không đều, đài và tràng cùng màu đính ở gốc, cánh hoa trên có đốm vàng, 3 tâm bì nhưng chỉ có một tâm bì thụ, 6 tiểu nhị với 3 dài 3 ngắn (Phạm Hoàng Hộ, 2000).
2.3.4 Thành phần hóa học của lục bình
a) Hàm lượng nước
Lục bình chứa một hàm lượng nước khá cao từ 90 ÷ 95% trọng lượng cơ thể. Theo Lê Hoàng Việt (2005) thì dạng sống của các nhóm thuỷ sinh thực vật (sống chìm, sống nổi và sống trôi nổi) có liên quan với lượng xơ chứa trong cơ thể của chúng. Theo đó, lục bình là loài sống trôi nổi nên cần có thành phần xơ để tạo bộ khung của cơ thể do đó hàm lượng cao hơn loại sống ngầm nhưng vẫn không bằng các thực vật cạn.
Bảng 2.13 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của lục bình
STT Thành phần hóa học Tỉ lệ (%) 1 Nước 92,6 2 Protid 2,9 3 Glucid 0,9 4 Xơ 22,0 5 Tro 1,4 6 Calcium 40,8 7 Phospho 0,8 8 Caroten 0,66
(Trần Đỗ Ái Nhi, 2005 trích từ Võ Văn Chi, 1997)
Hàm lượng vật chất khô thấp là giới hạn chính cho việc thu hoạch, chế biến và sử dụng thủy sinh thực vật. Ví dụ như đối với lục bình để có được 1 tấn vật chất khô thì cần phải thu hoạch khoảng 20 tấn lục bình tươi.
b) Hàm lượng protein
Đối với các thủy sinh thực vật, 80% đạm tổng số dưới dạng protein. Thủy sinh thực vật chứa từ 8 ÷ 30% protein thô (trọng lượng khô) tương đương với thực vật cạn. Hàm lượng protein của thủy sinh thực vật này biến động tùy theo hàm lượng chất dinh dưỡng của môi trường sống và mùa. Theo Wolverton và Mc Donald (1976), hàm lượng đạm thô trong lá lục bình khoảng 32,9% (trọng lượng khô) tương đương với hàm lượng đạm thô của đậu nành.
c) Hàm lượng khoáng
Hàm lượng khoáng của lục bình biến thiên từ 8 ÷ 60% (trọng lượng khô) tùy theo hàm lượng khoáng trong nguồn nước. Hàm lượng khoáng cũng biến thiên tuỳ theo địa phương và mùa.
Bảng 2.14 So sánh đặc tính hóa học cơ bản của lục bình và các loại thực vật khác
Loại nguyên liệu %N % P2O5 % K2O
Rơm rạ 0,35 - 0,5 0,137 3,26
Rơm rạ 1,5 0,35 0,5
Lục bình 0,79 - -
Thân cây bắp 0,75 0,3 1,64
Bã mía 0,43 0,15 0,12
(Nguyễn Quang Khải, 2001)
2.3.5 Đặc điểm sinh trưởng và sinh sản
a) Sinh trưởng và phát triển
Lục bình sinh trưởng và phát triển ở nhiệt độ 10 ÷ 40oC, nhưng mạnh nhất ở 20 ÷ 30oC. Vì vậy, lục bình phát triển khắp mọi nơi. Lục bình có thể sống ở bất kỳ ao hồ nào. Tuy nhiên, ở các ao, đầm nước tĩnh nhiều chất dinh dưỡng thì lục bình sinh trưởng với tốc độ rất nhanh. Do đó lục bình được xem là một cây lấn chiếm.
Theo Kha Mỹ Khanh (1990) trích từ O.P. Chawla, trong môi trường và khí hậu thích hợp thu năng suất lục bình có thể đạt 175 tấn lục bình khô/ha/năm. Trong thời gian trồng 60 ngày với mật độ ban đầu là 2 cây/0,36 m2 thì sinh khối của lục bình tỉ lệ thuận với thời gian và sinh khối cao nhất lục bình có thể đạt được trong khoảng thời gian này là 62 ÷ 65 kg khô/ha/ngày. Lục bình nuôi trong khoảng 60 ngày trở lại ở hai môi trường nước thông và nước tù có tỉ lệ C/N tương đối thích hợp cho việc sinh khí (Kha Mỹ Khanh, 1990 trích từ Nguyễn Thị Thu Thủy, 1988).
b) Sinh sản
Lục bình sinh sản bằng con đường vô tính, từ các nách lá đâm ra những thân bò, cho ra những cây mới và sớm tách ra cây mẹ để trở thành cá thể độc lập (Mai Văn Trưởng, 2009).
2.3.6 Khả năng sử dụng lục bình cho sản xuất khí sinh học
Việc chăn nuôi tại ĐBSCL chủ yếu là ở quy mô nhỏ, khi số lượng đàn heo giảm xuống do dịch bệnh, giá cả…làm thiếu nguồn phân heo cung cấp nguyên liệu cho các hầm/túi ủ biogas sẽ không thể duy trì vận hành, làm giảm hiệu quả kinh tế. Lục bình là loài thủy sinh thực vật rất phổ biến, có quanh năm trên hệ thống kênh rạch dày đặc ở ĐBSCL. Lục bình có thể sử dụng để làm nguyên liệu
bổ sung và có khả năng thay thế cho phân heo để nạp vào hầm ủ biogas trong điều kiện thực tế luôn thiếu nguyên liệu phân cung cấp cho hầm ủ ở ĐBSCL.
2.4 Sơ lược về phân heo
Phân heo là chất thải của heo sau quá trình tiêu hóa thức ăn. Thành phần các chất trong phân heo rất phong phú bao gồm các dạng chủ yếu sau:
- Những dưỡng chất không tiêu hóa được hoặc những dưỡng chất thoát khỏi sự tiêu hóa vi sinh hay các men tiêu hóa ( chất xơ,protein không tiêu hóa được, acid amin…) được thải qua nước tiểu (urea),các chất khoáng dư thừa cơ thể không sử dụng được như P2O5 , K2O, CaO, MgO…phần lớ xuất hiện trong phân.
- Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa (trypsin, pepsin…). - Vật chất dính vào thức ăn: bụi, tro...
- Cácloài vi sinh vật bị nhiễm trong thức ăn bị tống ra ngoài. - Các mô và chất nhờn: tróc ra từ niêm mạc đường tiêu hóa vật nuôi.
Lượng phân thải ra một ngày đêm tùy thuộc vào giống , loài , tuổi, khẩu phần thức ăn và thể trọng. Lượng phân tùy thuộc lớn vào lượng thức ăn, lượng phân cũng thay đổi theo những chất kết hợp với nước tiểu, chất lót chuồng (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003).
Bảng 2.15 Lượng phân thải trung bình của heo trong 24 giờ
Loại gia súc Phân nguyên (kg) Nước tiểu (kg)
Heo < 10 Kg 0,5 ÷ 1,0 0,3 ÷ 0,7
Heo 15 - 45 Kg 1,0 ÷ 3,0 0,7 ÷ 2,0
Heo 45 - 100 Kg 3,0 ÷ 5,0 2,0 ÷ 4,0
(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)
Thành phần dưỡng chất của phân heo là 0,5% nitrogen và 0,3% phosphat. Thành phần này thay đổi theo lượng dưỡng chất của thức ăn và nước uống; thay đổi theo nhu cầu của cá thể, nếu nhu cầu của cá thể cao thì sử dụng dưỡng chất nhiều, phân sẽ ít và ngược lại; thay đổi theo có lót chuồng hay không.
Bảng 2.16 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 ÷ 100 kg Đặc tính Giá trị (g/kg) Vật chất khô 213 ÷ 342 TP 7,99 ÷ 9,32 Chất xơ 151 ÷ 261 Carbonat 0,23 ÷ 0,41 Các acid mạch ngắn 3,83 ÷ 4,47 pH 6,47 ÷ 6,95 (Trương Thanh Cảnh, 2010)
2.5 Một số nghiên cứu về khả năng sinh khí của lục bình (Eichhornia crassipes) Thí nghiệm: “Đánh giá một số phương pháp xử lý lục bình để làm nguyên Thí nghiệm: “Đánh giá một số phương pháp xử lý lục bình để làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ biogas” của Kha Mỹ Khanh (1990) đã sử dụng các phương pháp tiền xử lý lục bình như phương pháp lý học (cắt nhỏ từ 2 - 3 cm), hóa học (dùng hỗn hợp Na2CO3 hoặc Ca(OH)2 để xử lý kiềm) và sinh học (dùng nước thải hầm ủ đang hoạt động để ủ chua hiếu khí lục bình). Kết quả cho thấy với cùng lượng nạp phân heo và lục bình (ủ chua 6 ngày) thu lượng khí sinh ra ở lục bình đã ủ chua cho ra lượng khí cao hơn. Với cùng trọng lượng nạp (tỉ lệ 1 phân heo : 2 lục bình) nhưng với 3 nghiệm thức khác nhau gồm lục bình không xử lý, có xử lý ủ chua (6 ngày) và có xử lý kiềm thu nghiệm thức kiềm cho ra lượng khí cao hơn so với 2 nghiệm thức còn lại. Nhưng về hiệu quả kinh tế thu việc xử lý lục bình bằng kiềm sẽ không kinh tế so với lục bình chỉ xử lý ủ chua. Và với cùng trọng lượng nạp (tỉ lệ 1 phân heo : 2 lục bình), lục bình sau khi ủ hiếu khí 8 ngày đem ủ chua từ 4 ÷ 6 ngày cho lượng khí tốt nhất.
Thí nghiệm “Nghiên cứu khả năng sản xuất điện từ bèo lục bình” (Trần Trung Tính và cộng sự, 2009): Bèo lục bình được cắt thành các mẫu nhỏ kích thước từ 0,5 · 1,5 cm, sau đó được thủy phân trong 48 giờ. Tỉ lệ pha trộn phân heo và lục bình [%PH + %LB] lần lượt là: 100 + 0; 75 + 25, 50 + 50, 25 + 75, 0 + 100. Một trong những kết quả đă chỉ ra rằng khả năng sinh khí biogas của bèo lục bình cao hơn phân heo. Tuy nhiên, thời gian sinh biogas của bèo lục bình lại kéo dài hơn phân heo. Tỉ lệ pha trộn giữa phân heo và lục bình tốt nhất để sản xuất biogas là 50%PH + 50%LB.
Thí nghiệm: “Sử dụng phân heo và phân heo trộn lục bình sau ủ làm nguyên liệu sinh khí sinh học tại Mỹ Khánh - Phong Điền - Cần Thơ” (Lê Trần Thanh Liêm, 2010), lục bình trước thí nghiệm được cắt nhỏ kích thước từ 1 - 2 cm và được thủy phân trong 10 ngày với 20% nước thải biogas. Thí nghiệm được thực hiện trên 2 túi ủ biogas lắp mới hoàn toàn (1 túi sử dụng phân heo làm nguyên liệu nạp, 1 túi sử dụng phân heo trộn lục bình sau ủ (2 phân heo : 1 lục bình) làm
nguyên liệu nạp). Kết quả sau 30 ngày thí nghiệm cho thấy việc phối trộn thêm lục bình sau ủ với phân heo đã làm gia tăng khả năng sinh khí và thu được lượng khí methane nhiều hơn việc sử dụng đơn thuần phân heo làm nguyên liệu sinh khí biogas.
Nghiên cứu “Khả năng sử dụng lục bình và rơm làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ biogas” do Nguyễn Võ Châu Ngân và cộng sự (2012) thực hiện. Lục bình sử dụng trong thí nghiệm được cắt nhỏ 0,5 · 1,5 cm (loại bỏ rễ), sau khi phơi khô và thủy phân 2 ngày thu nạp cả nước và bã lục bình vào các hầm ủ. Thí nghiệm ủ theo mẻ và ủ bán liên tục được tiến hành trong 28 ngày. Kết quả cho thấy năng suất sinh biogas tăng khi tăng tỉ lệ nạp lục bình và nghiên cứu cũng đă khẳng định lục bình hoàn toàn có thể được sử dụng làm nguyên liệu nạp bổ sung hoặc thay thế cho phân heo để nạp vào hầm ủ biogas.
Nhiều kết quả nghiên cứu về khả năng sinh khí biogas của lục bình đều cho thấy việc phối trộn lục bình với phân heo để làm nguyên liệu nạp cho hầm/túi ủ biogas sẽ tạo ra hỗn hợp có khả năng sinh khí tốt hơn. Bên cạnh đó, việc tìm ra phương pháp tiền xử lý lục bình thích hợp và mang lại hiệu quả kinh tế là việc làm cần thiết và mang tính cấp bách.
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Thời gian nghiên cứu sẽ được thực hiện từ tháng 08/2013 đến tháng 12/2013. Đề tài được thực hiện tại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên - Trường Đại học Cần Thơ.
3.2 Phương tiện nghiên cứu 3.2.1 Dụng cụ bố trí thí nghiệm 3.2.1 Dụng cụ bố trí thí nghiệm
- Thùng plastic trụ tròn (21 lít). - Túi nhôm (20 lít).
- Van khí. - Ống dẫn khí.
Hình 3.1 Mô hình bình ủ theo mẻ của thí nghiệm
Bộ bình ủ yếm khí: mỗi bình đều được bố trí ống thu khí và túi nhôm chứa khí riêng biệt, lượng khí sinh ra từ quá trình ủ được giữ lại ở túi nhôm. Trên nắp mỗi bình khoan lỗ để bố trí ống nhựa dẫn khí sinh ra vào túi nhôm chứa khí. Bên cạnh đó hệ thống được gắn 2 van ở giữa đường ống nối bình thí nghiệm và túi thu khí. Hai van này có tác dụng ngăn chặn khí thoát ra ngoài khi tháo túi khí mang đi đo. Trên thân bình khoan lỗ để đặt ống nhựa sâu đến tâm của mẻ ủ, dùng để đo đạc các thông số môi trường hằng ngày của mẻ ủ. Các bình nhựa được phủ kín bằng túi nilông đen hạn chế quá trình tạo oxy từ quang hợp của các loại tảo làm ảnh hưởng đến sự yếm khí của mẻ ủ.
3.2.2 Thiết bị sử dụng trong phân tích
- Máy đo pH và nhiệt độ Eutech Instrument pH6+ (Đức). - Máy đo redox Multi 340i - WTW 82362 Weilheim (Đức). - Máy đo Geotechnical Instruments 0 - 100/100 GA94 (Anh). - Đồng hồ đo thể tích khí Ritter (Đức).
- Bếp công phá Tecator (Đức).
- Máy chưng cất Gerhart Vapodest 30 (Đức). - Tủ sấy Memmert UI 40 (Đức).
- Cân điện tử 3 số lẻ Sartorius BP410S (Đức). - Tủ nung Lenton 5500C EF 11/8B (Anh) - Máy so màu Hitachi U-2008 (Nhật) - Nồi autoclave Sturdy SA-300H (Nhật) - Nồi khử trùng Hirayama HVE-50 (Nhật) - Buồng cấy Jisico (Hàn Quốc)
- Nồi chưng cất thủy BW 20G Lab. Companion (Hàn Quốc) - Tủ sấy Memmert (Đức)
3.3 Phương pháp nghiên cứu 3.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu 3.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu
- Lục bình: được thu gom từ các kênh rạch tại khu vực phường Ba Láng, quận Cái Răng. Lục bình được lấy nguyên thân, rễ, lá phơi khô ngoài nắng cho đến khô, tiếp theo cắt riêng thân, rễ, lá thành đoạn ngắn kích cỡ 1 cm, sau đó trộn đều để tạo mẫu đồng nhất. Riêng đối với nghiệm thức rễ - thân – lá, lấy 10kg lục bình tươi phơi khô sau đó cắt riêng rễ, thân, lá lục bình thành những đoạn có kích cỡ 1 cm , tiếp sau đó trộn đều rễ, thân, lá lục bình lại với nhau.
- Phân heo: được thu gom từ trại heo của ông Huỳnh Kim Nhẫn, ấp Phú Lợi, xã Tân Phú Thạnh, huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang. Phân heo sẽ được phơi khô trong mát, sau đó nghiền mịn và trộn đều để tạo mẫu đồng nhất.
- Nước mồi biogas: được thu từ đầu ra của túi ủ biogas (dài 12m, đường kính 0,8m) đang hoạt động của hộ ông Nguyễn Hoàng Nam, xã Long Hòa, huyện