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 Phong Điền, thành phố Cần Thơ. Nước biogas sau khi lấy về sẽ tiến hành bố trí thí nghiệm ngay nhằm tránh mất dưỡng chất và chết các VSV. Trong quá trình bố
trí thí nghiệm, nước biogas sẽ được khuấy đều để tạo mẫu đồng nhất. 3.3.2 Tiền xử lý nguyên liệu
Lục bình được tiền xử lý bằng nước đầu ra của túi ủ biogas đang hoạt động. Trộn lục bình với 10 lít nước biogas, ủ hiếu khí trong bình nhựa trong 05 ngày và khuấy trộn hỗn hợp mỗi ngày.
3.3.3 Bố trí thí nghiệm
Bốn nghiệm thức (rễ, thân, lá, rễ - thân – lá lục bình kích cỡ 1cm) được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong bình nhựa thể tích 21L với 3 lần lặp lại. Tổng số bình nhựa 21L sử dụng là 12 bình.
Thí nghiệm được theo dõi liên tục trong 45 ngày. Để tránh tình trạng lượng khí sinh ra đẩy nước lên cao làm nghẹt ống dẫn khí hoặc đẩy nước vào túi chứa khí, thí nghiệm chỉ nạp 17 lít hỗn hợp gồm nguyên liệu và nước ủ, 4 lít mặt thoáng còn lại để chứa khí sinh ra.
Hỗn hợp phân heo và lục bình theo các tỉ lệ phối trộn được xác định dựa vào khối lượng vật chất hữu cơ khô. Theo Eder và Schulz (2007), lượng nạp hằng ngày cho 1 m3 hầm ủ có thể dao động từ 1 ÷ 4 kg VS/ngày. Chọn lượng nạp cho các nghiệm thức là 1 kg VS/ngày/m3, tương đương 1 g VS/ngày/lít. Như vậy, lượng nguyên liệu nạp vào bình ủ có tổng VS = 1x17x20 = 340 g VS/17 lít bình ủ trong 20 ngày.
Bảng 3.1 Tính toán khối lượng nạp cho thí nghiệm ủ theo mẻ
Nghiệm thức
Khối lượng nguyên liệu nạp (g)
Tính theo VS Tính theo TS Tính theo NLK
Lục bình Phân heo Lục bình Phân heo Lục bình Phân heo
Rễ lục bình 170 170 225,4 299,3 498,8 429,8
Thân lục bình 170 170 206,9 299,3 307 429,8
Lá lục bình 170 170 204,8 299,3 265,2 429,8
Rễ - Thân – Lá
lục bình 170 170 218,2 299,3 380,6 429,8
Sơ đồ bố trí thí nghiệm sẽ được tiến hành như sau :
3.3 2.1 1.3 4.1
1.1 1.2 4.2 2.2
4.3 3.1 3.2 2.3
Ghi chú: - 1.1, 1.2, 1.3 lần lượt là lần lặp lại 1, 2, 3 của nghiệm thức rễ lục bình - 2.1, 2.2, 2.3 lần lượt là lần lặp lại 1, 2, 3 của nghiệm thức thân lục bình - 3.1, 3.2, 3.3 lần lượt là lần lặp lại 1, 2, 3 của nghiệm thức lá lục bình
- 4.1, 4.2, 4.3 lần lượt là lần lặp lại 1, 2, 3 của nghiệm thức rễ - thân - lá lục bình
Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Sau 5 ngày tiền xử lý nguyên liệu, tiến hành thêm nước đầu ra của túi ủ biogas đang hoạt động vào bình ủ cho đủ 17 lít để bổ sung hệ vi sinh vật cần thiết cho mẻ ủ, thêm phân heo trực tiếp vào mẻ ủ và đậy kín nắp bình, phủ bao nilông đen và bắt đầu quá trình ủ.
3.3.4 Phương pháp thu mẫu và phân tích a) Phương pháp thu mẫu khí a) Phương pháp thu mẫu khí
- Phương pháp thu mẫu: khí sinh ra được thu và trữ vào các túi nhôm. - Chu kỳ thu mẫu: 2 ngày/lần, bắt đầu từ ngày thứ 2 của thí nghiệm để cho khí sinh ra lấp đầy mặt thoáng trong bình ủ (khóa túi khí của tất cả các bình ủ vào lúc 7h00 sáng).
- Chỉ tiêu đo đạc: thể tích biogas, thành phần khí CH4, CO2, O2, H2S.
b) Phương pháp thu mẫu hỗn hợp mẻ ủ
- Phương pháp thu mẫu: xay nhỏ hỗn hợp thu từ bình ủ, trộn đều và tiến hành thu mẫu để phân tích các chỉ tiêu VS, TS, TN, TP, tổng coliform, fecal coliform và tổng VSV yếm khí.
- Chu kỳ thu mẫu: ngày đầu và ngày 45 (ngày cuối).
c) Theo dõi các chỉ tiêu môi trường mẻ ủ (nhiệt độ, pH, Redox) - Phương pháp thu mẫu: đo trực tiếp từ tâm bình ủ bằng điện cực.
- Chu kỳ thu mẫu: hằng ngày từ 7h00 sáng, bắt đầu từ ngày đầu tiên của thí nghiệm.
Trong quá trình thí nghiệm, các phương pháp phân tích và phương tiện sau được sử dụng:
Bảng 3.2 Phương tiện và phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong thí nghiệm
STT Các thông số Phương pháp phân tích
1 pH, nhiệt độ Đo trực tiếp bằng máy Eutech Instrument pH6+ (Đức) 2 Redox Đo trực tiếp bằng máy Multi 340i - WTW 82362
Weilheim (Đức)
3 Tổng thể tích khí Đo trực tiếp bằng Đồng hồ Ritter (Đức) 4 CH4, CO2, O2 Đo trực tiếp bằng máy Biogas 5000 (Anh)
5 TS Sấy ở 105oC
6 VS Phương pháp trọng lượng
7 TKN Phương pháp Kjeldahl
8 COD Phương pháp Kalidicromat 9 TP Phương pháp axit ascorbic
3.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 3.4.1 Phương pháp tính toán
a) Xác định phần trăm chất rắn bay hơi
Giá trị VS/TS được xác định theo công thức:
Trong đó:
- VS/TS: phần trăm chất rắn bay hơi (%) - M1: trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g)
- M2: trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) - M3: trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 550°C (g)
b) Xác định carbon tổng số (Viện thổ nhưỡng nông hoá, 1998)
Phân tích carbon tổng số dựa trên phương pháp tro hóa. Giá trị carbon tổng số được tính theo công thức sau:
Trong đó: - %C: phần trăm carbon tổng (%) 724 . 1 ) 100 ( % 100 % 2 1 1 3 M M M M C
- M1: trọng lượng của cốc sứ sau sấy (g)
- M2: trọng lượng ban đầu của mẫu và cốc sứ (g) - M3: trọng lượng mẫu và cốc sứ sau khi sấy 550°C (g)
c) Xác định nitrogen tổng số (Viện thổ nhưỡng nông hoá, 1998)
Phân tích nitrogen tổng bằng phương pháp Kjeldahl. Giá trị nitrogen tổng được tính theo công thức sau:
Trong đó:
- %N: phần trăm Nitrogen tổng (%)
- V’: thể tích H2SO4 d ng trong định phân có mẫu (mL) - V: thể tích H2SO4 d ng trong định phân mẫu trắng (mL) - CN: nồng độ đương lượng của H2SO4 d ng trong định phân (N) - M: trọng lượng mẫu (g)
d) Xác định tỉ lệ C/N
Tỉ lệ C/N được tính theo công thức sau:
Trong đó:
- %C: phần trăm carbon tổng (%) - %N: phần trăm Nitrogen tổng (%)
e) Xác định lượng TS nguyên liệu cần nạp
Lượng TS nguyên liệu nạp cần dùng cho từng bình ủ được tính theo công thức sau:
Trong đó:
- TSnạp: lượng TS nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g) - VSnạp: lượng VS nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g)
100 014 . 0 ) ' ( % M C V V N N N C N C % %
- VS/TS: phần trăm chất rắn bay hơi (%)
f) Xác định lượng nguyên liệu khô cần nạp
Lượng nguyên liệu khô cần dùng cho từng bình ủ được tính theo công thức sau:
Trong đó :
- Nguyên liệu nạp: lượng nguyên liệu khô cần nạp (g) - TSnạp: lượng TS nguyên liệu cần nạp cho từng bình ủ (g)
g) Xác định phần trăm khí CO2 và các khí khác
Phần trăm khí CO2 và các khí khác được tính theo công thức:
%CO2 và các khí khác = 100 - %CH4
Trong đó:
- %CO2 và các khí khác: phần trăm khí CO2 và các khí khác có trong hỗn hợp biogas (%)
- %CH4: phần trăm khí CH4 có trong hỗn hợp khí biogas (%)
i) Xác định năng suất sinh khí
Năng suất sinh khí được tính theo công thức sau:
Trong đó:
- H: năng suất sinh khí (lít/kg) - ∑Vkhí: tổng thể tích khí (lít) - VS: chất rắn bay hơi (kg)
3.4.2 Phương pháp xử lý số liệu
Sử dụng phần mềm Microsoft Excel (2003) để tổng hợp số liệu và vẽ đồ thị. Sử dụng kiểm định Duncan ở mức ý nghĩa 5% để đánh giá sự khác biệt lượng khí sinh ra giữa các nghiệm thức.
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU NẠP
Kết quả phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu ủ cho thấy tỉ lệ C/N của lục bình chưa phối trộn phân heo dao động từ 26,9% đến 47,32% (Bảng 4.1). Tỉ lệ C/N của thân lục bình cao nhất (58,8) và rễ lục bình thấp nhất (48,6). Ngoài ra, thì tỉ lệ C/N của lục bình chưa phối trộn phân heo đều cao hơn nhiều so với phân heo.
Theo Monnet (2003), RISE-AT (1998), tỉ lệ C/N tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20/1 đến 30/1. Carbon và nitrogen là hai yếu tố quan trọng nhất cho quá trình phân hủy yếm khí của mẻ ủ và hai nguyên tố này phải hiện diện ở một tỉ lệ nhất định thì quá trình phân hủy yếm khí diễn ra tốt. Khi nguyên liệu có tỉ lệ C/N cao thì vi khuẩn sinh khí methane sẽ tiêu thụ nitrogen nhanh gây ra thiếu đạmvà kết quả là lượng khí sinh ra giảm. Mặc khác, tỉ lệ C/N thấp là nguyên nhân gây ra sự tích lũy NH3 và vi khuẩn sinh khí methane sẽ bị ngộ độc khi giá trị pH lớn hơn 8,5 (Monnet, 2003).
Bảng 4.1 Đặc điểm hóa học của nguyên liệu đầu vào
Nguyên liệu %C %N Tỉ lệ C/N Rễ lục bình 43,8 0,9 48,6 Thân lục bình 47,7 0,81 58,8 Lá lục bình 48,1 0,95 50,9 Rễ - Thân – Lá lục bình 45,2 0,9 50,2 Phân heo 32,9 2,32 14,2
Như vậy, tỉ lệ C/N của lục bình chưa phối trộn phân heo đều lớn hơn khoảng C/N thích hợp. Tuy nhiên có thể phối trộn phân heo và lục bình để làm nguyên liệu cho mẻ ủ yếm khí (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2012).
Qua Bảng 4.2 cho thấy giá trị C/N của các nghiệm thức dao động từ 20,7 – 24,1. Tỉ lệ C/N cao nhất là của nghiệm thức thân lục bình và thấp nhất là nghiệm thức lá lục bình. Khi sử dụng lục bình để làm nguyên liệu phối trộn phân heo thì tỉ lệ C/N của các nghiệm thức thí nghiệm đều nằm trong khoảng thích hợp cho mẻ ủ.
Bảng 4.2 Tỉ lệ C/N đầu vào của từng nghiệm thức sau khi phối trộn
Nghiệm thức %C %N Tỉ lệ C/N
Rễ lục bình 37,6 1,8 20,9
Thân lục bình 39 1,62 24,1
Lá lục bình 39,1 1,89 20,7
4.2 MỘT SỐ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG MẺ Ủ YẾM KHÍ 4.2.1 Nhiệt độ 4.2.1 Nhiệt độ
Kết quả theo dõi nhiệt độ mẻ ủ hằng ngày cho thấy giá trị nhiệt độ của mẻ ủ dao động theo thời gian và nằm trong khoảng 26,70C đến 30,60C, trung bình 28,6
0,90C (Hình 4.1). Giá trị nhiệt độ môi trường dao động từ 27,20C đến 32,70C, trung bình 29,9 1,30C. Sự biến động nhiệt độ giữa các nghiệm thức theo ngày trong suốt thời gian thí nghiệm là do chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì thể tích của mẻ ủ nhỏ chỉ đạt 21 L nên nhiệt độ của hỗn hợp ủ bên trong dễ thay đổi theo nhiệt độ của môi trường. Ngoài ra sự biến động có thể do nhiệt lượng phát sinh từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong mẻ ủ.
Theo Monnet (2003) thì khoảng nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật ưa ấm phát triển là khoảng 200C đến 450C. Theo Lê Hoàng Việt (2005) điều kiện thích hợp cho vi sinh vật ưa ấm phát triển từ 25 ÷ 40oC, vi sinh vật ưa nhiệt từ 50 ÷ 65oC. Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) nhiệt độ tối ưu cho lên men tạo khí methane là khoảng 35oC, thấp hơn nhiệt độ tối ưu này thu mức độ sinh khí giảm dần cho đến gần 10oC. 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 1 3 5 7 9 13 15 18 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
Thời gian (ngày)
N h iệ t đ ộ ( đ ộ C ) rễ lục bình thân lục bình lá lục bình rễ - thân - lá lục bình
Nhiệt độ môi trường
Hình 4.1 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức thí nghiệm trong 45 ngày
Theo Lê Hoàng Việt (2005) nhiệt độ bên trong mẻ ủ ảnh hưởng lớn đến thể tích khí sinh ra ở các nghiệm thức. Nhiệt độ càng cao thì các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ của các VSV diễn ra nhanh, lượng khí sinh ra nhiều. Nhìn chung, giá trị nhiệt độ của mẻ ủ nằm trong khoảng thích cho vi sinh vật ưa ấm phát triển (Lê Hoàng Việt, 2005).
4.2.2 Giá trị pH của mẻ ủ
Hình 4.2 cho thấy giá trị pH của các nghiệm thức dao động từ 6,5- 7,3. Trong 15 ngày đầu của thí nghiệm giá trị pH không ổn định và có sự dao động mạnh giữa các lần đo. Từ ngày 16 thì giá trị pH tăng dần và ổn định đến ngày 45 của thí nghiệm.
Giá trị pH là một trong những yếu tố quan trọng của mẻ ủ yếm khí. Giá trị pH thay đổi theo từng giai đoạn của quá tŕnh mẻ ủ, ở giai đoạn thuỷ phân các hợp chất hữu cơ và giai đoạn sinh acid thì pH giảm xuống, ở giai đoạn sinh methane thì pH tăng dần và bắt đầu ổn định tuỳ thuộc vào nguyên liệu đem ủ (Lê Hoàng Việt, 2005).
Theo Monnet (2003) thì khoảng pH thích hợp cho mẻ ủ yếm khí từ 6,4 – 7,2. Theo Perry L.McCarty (1964) thì khoảng pH thích hợp cho mẻ ủ yếm khí là từ 6,6 – 7,6 và tối ưu là 7,0 – 7,2. nhưng theo Gerardi (2003) và Yadvika et al., (2004) pH