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 trong hầm ủ tối ưu nên ở mức 6,8 - 7,2.
6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 1 3 5 7 9 13 15 18 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
Thời gian (ngày)
G iá tr ị p H rễ lục bình thân lục bình lá lục bình rễ - thân - lá lục bình
Hình 4.2 Diễn biến pH của các nghiệm thức thí nghiệm trong 45 ngày
Theo Monnet (2003) thì giá trị pH của các nghiệm thức trong 45 ngày theo dõi đều nằm trong khoảng pH cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển. Điều đó chứng tỏ hệ vi sinh vật yếm khí của mẻ ủ phát triển tốt.
4.2.3 Điện thế oxy hóa khử
Qua Hình 4.3 cho thấy điện thế oxy hóa khử của các nghiệm thức dao động từ -311 mV đến -155 mV. Giá trị điện thế oxy hóa khử càng mang giá trị âm cho thấy
môi trường trong mẻ ủ có trạng thái khử càng cao, quá trình khử sẽ thuận lợi cho sự phát triển của VSV sinh khí methane.
Trong mẻ ủ yếm khí thì điện thế oxy hóa khử là giá trị quan trọng cần được quan tâm, điện thế oxy hóa khử ảnh hưởng lên lượng khí methane sinh ra hàng ngày. Thế oxy hóa khử thể hiện quá trình khử hay quá trình oxy hóa diễn ra trong mẻ ủ yếm khí. Trong môi trường yếm khí hoàn toàn, điện thế oxy hóa khử luôn đạt giá trị âm (nhỏ hơn -100mV) (Jürgen Wiese, Ralf König, 2007).
-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 1 3 5 7 9 13 15 18 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
Thời gian (ngày)
Đ iệ n t h ế o x y h ó a k h ử ( m V ) rễ lục bình thân lục bình lá lục bình rễ - thân - lá lục bình
Hình 4.3 Diễn biến điện thế oxy hóa khử
Nhìn chung, giá trị điện thế oxy hóa khử của mẻ ủ luôn có giá trị âm (nhỏ hơn -100 mV) trong suốt quá trình thí nghiệm chứng tỏ toàn bộ quá trình phân hủy xảy ra trong mẻ ủ là quá trình khử (không có hiện diện của oxy, không xảy ra sự oxy hóa), đây cũng là yếu tố thuận lợi cho VSV sinh khí methane hoạt động. Điện thế oxy hóa khử là một yếu tố kiểm soát quan trọng cần được quan tâm nhằm kiểm soát quá trình sinh khí sinh học của mẻ ủ kịp thời trước cả sự thay đổi của pH để có biện pháp can thiệp, đảm bảo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy yếm khí (Jürgen Wiese, Ralf König, 2007).
4.3 KHẢ NĂNG SINH KHÍ CỦA MẺ Ủ 4.3.1 Lượng khí CH4 sinh ra trong 45 ngày 4.3.1 Lượng khí CH4 sinh ra trong 45 ngày
Hình 4.4 cho thấy thể tích khí CH4 sinh ra của các nghiệm thức dao động từ 0,57 L – 14,4 L/Kg VS. Thể tích khí CH4 trung bình cao nhất là nghiệm thức thân (6,93 L/Kg VS), thấp nhất là nghiệm thức rễ (3,05 L/Kg VS). Ngoài ra, thể tích khí CH4 lớn nhất của nghiệm thức rễ (9,04 L/Kg VS) và nghiệm thức rễ - thân – lá (10,58 L/Kg VS) đạt được vào ngày 8 của thí nghiệm, nghiệm thức thân lục bình đạt được vào ngày 26 thí nghiệm (14,03 L/Kg VS), lá lục bình đạt được vào ngày 24 thí nghiệm (14,04 L/Kg VS).
Theo Lâm Minh Triết (2009) thì thời gian hoạt động ổn định và sinh khí tốt nhất từ ngày 7 đến ngày 14 của thí nghiệm. Nghiên cứu của Nguyễn Hữu Phong (2009) thí nghiệm với túi ủ 40 L, nguyện liệu là 100% lục bình phơi khô cắt nhỏ 0,5 - 1,5 cm, với lượng nạp hàng ngày là 1g VS/L*ngày, nguyên liệu được nạp cho 28 ngày, thể tích biogas sinh ra cực đại vào ngày thứ 9 của thí nghiệm (khoảng 19 L).
Khí sinh học là một hỗn hợp của nhiều chất khí, với tỉ lệ và thành phần của các chất khí có trong hỗn hợp tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu và các điều kiện của quá trình phân hủy như nhiệt độ, pH, hàm lượng nước... Biogas cũng tuỳ thuộc cả vào các giai đoạn diễn biến của quá trình phân hủy sinh học (Nguyễn Quang Khải, 2009; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Theo Dirar và El- Amin (1988), hàm lượng khí methane trên tổng thể tích biogas tăng dần trong giai đoạn đầu (cao nhất là 76%) và phần trăm CH4 giảm dần ở giai đoạn sau.
Do nguyên liệu sử dụng là sinh khối lục bình khô phối trộn với phân heo khô nên trong suốt quá trình thí nghiệm các bình ủ được lắc hằng ngày (1 lần/ngày) để nguyên liệu được trộn lẫn với nhau nhằm tạo mẫu tương đối đồng nhất và tăng khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Khuấy đảo hằng ngày còn để đảm bảo ẩm độ cần thiết cho hệ thống lên men ướt (90 ± 95% theo Fabient, 2003). Ngoài ra, theo Monnet (2003) thì trong quá trình phân hủy của mẻ ủ cần trộn đều nguyên vật liệu trong mẻ ủ, đặc biệt là các thành phần có nguồn gốc thực vật do sự nổi lên của vật liệu. Khi trộn đều nguyên vật liệu sẽ làm tăng sự tiếp xúc của vi khuẩn với chất nền và cải thiện được số lượng vi khuẩn để tiêu hủy chất dinh dưỡng.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 45
Thời gian (ngày)
T h ể t íc h C H 4 ( L C H 4 /k g O D M ) Nghiệm thức rễ lục bình Nghiệm thức thân lục bình Nghiệm thức lá lục bình Nghiệm thức rễ - thân - lá lục bình
Hình 4.4 Thể tích CH4 sinh ra trong 45 ngày thí nghiệm
4.3.2 Lượng khí methane tích dồn
Hình 4.5 cho thấy thể tích khí methane tích dồn của các nghiệm thức có độ dốc thấp. Điều này chứng tỏ tốc độ sinh khí hằng ngày của mẻ ủ là không cao. Thể tích khí CH4 tích dồn của nghiệm thức thân là cao nhất 159,29 L CH4/kg VS, tiếp theo là nghiệm thức lá 138,36 L CH4/kg VS; nghiệm thức rễ - thân – lá là 125,14 L CH4/kg VS và thấp nhất là nghiệm thức rễ với 70,19 L CH4/kg VS.