Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Mơi trƣờng đất và nƣớc Mã ngành: 62440303 TRẦN SỸ NAM NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH Cần Thơ, 2016
2. CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Hữu Chiếm Người hướng dẫn phụ: Prof. Dr. Kjeld Ingvorsen Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường Họp tại: Vào lúc giờ ngày tháng năm Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:
3. CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Trần Sỹ Nam, Nguyễn Thị Huỳnh Như, Nguyễn Hữu Chiếm, Nguyễn Võ Châu Ngân, Lê Hồng Việt và Kjeld Ingvorsen, 2014. Ước tính lượng và các biện pháp xử lý rơm rạ ở một số tỉnh Đồng bằng sơng Cửu Long. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ phần A: Khoa học Tự nhiên, Cơng nghệ và Mơi trường, số 32. 87-93. Trần Sỹ Nam, Nguyễn Phương Chi và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014. Khảo sát sinh trưởng của cây lục bình (Eichhornia crassipes) trên các thủy vực khác nhau. Vai trị Khoa học – Cơng Nghệ trong sự phát triển kinh tế - xã hội. NXB Nơng nghiệp. 15-20. ISBN 978- 604-60-1858-2 Trần Sỹ Nam, Võ Thị Vịnh, Nguyễn Hữu Chiếm, Nguyễn Võ Châu Ngân, Lê Hồng Việt và Kjeld Ingvorsen, 2014. Sử dụng rơm làm nguyên liệu bổ sung nâng cao năng suất sản xuất khí sinh học. Tạp chí Nơng nghiệp và Phát triển Nơng thơn - Bộ nơng nghiệp và phát triển nơng thơn số 15. 65-73. Trần Sỹ Nam, Nguyễn Phương Chi, Nguyễn Hữu Chiếm, Lê Hồng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân và Kjeld Ingvorsen, 2015. Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý sinh học lục bình (Eichhornia crassipes) lên khả năng sinh khí biogas trong ủ yếm khí theo mẻ cĩ phối trộn phân heo. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Mơi trường và Biến đổi khí hậu (2015)102-110. Tran Sy Nam, Huynh Cong Khanh, Huynh Van Thao, Nguyen Vo Chau Ngan, Le Hoang Viet, Nguyen Huu Chiem and Kjeld Ingvorsen, 2015. Biogas production from rice straw and water hyacinth – the effect of mixing in semi-continuous reactors. Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol 53(3A): 217-222. Tran Sy Nam, Huynh Van Thao, Huynh Cong Khanh, Nguyen Vo Chau Ngan, Le Hoang Viet, Nguyen Huu Chiem and Kjeld Ingvorsen, 2015. The components of volatile fatty acids in semi- continuous anaerobic co-digestion of rice straw and water hyacinth and pig manure. Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol 53 (3A): 229-234 Trần Sỹ Nam, Huỳnh Văn Thảo, Huỳnh Cơng Khánh, Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn Hữu Chiếm, Lê Hồng Việt và Kjeld Ingvorsen, 2015. Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – ứng dụng trên túi ủ biogas polyethylene với quy mơ nơng hộ. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ phần A: Khoa học Tự nhiên, Cơng nghệ và Mơi trường, số 36. 27-35. Nguyen Vo Chau Ngan, Tran Sy Nam, Nguyen Huu Chiem, Le Hoang Viet and Kjeld Ingvorsen, 2015. Effects of C/N rations on anaerobic co-digestion of pig manure and local biomass in the Mekong delta. Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol 53(3A): 223-228. Nguyen Vo Chau Ngan, Tran Sy Nam, Nguyen Huu Chiem, Le Hoang Viet, Nguyen Thi Thuy, Kjeld Ingvorsen, 2015. Paddy straw application for energy production to reduce in situ straw burning in the Mekong delta of Vietnam. In International conference on Solid Wastes 2015: Knowledge transfer for Sustainable resource management in at Hong Kong Baptist University, Hong Kong SAR, P.R. China, ISBN 978-988-19988-9-7.
4. Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của luận án Rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và cĩ tiềm năng ở đồng bằng sơng Cửu Long nhưng khơng được sử dụng hiệu quả. Phần lớn rơm được loại bỏ khỏi đồng ruộng bằng cách đốt bỏ, cày vùi hoặc được sử dụng để ủ phân. Lục bình phát triển nhanh, dày đặc trên sơng, hồ và các kênh rạch; gây hại đời sống thủy sinh, cản trở giao thơng đường thủy và nuơi trồng thủy sản. Đây là nguồn sinh khối tiềm năng để tạo khí sinh học và tăng cường khả năng sản xuất năng lượng phi tập trung ở các cộng đồng nơng thơn, nơi cĩ nhiều túi ủ khí sinh học qui mơ nhỏ đã đi vào hoạt động nhưng kém hiệu quả do sự thiếu hụt về phân gia súc. Trong các giai đoạn tái đàn gia súc hoặc dịch bệnh xuất hiện thì sự thiếu hụt của phân gia súc là một trong những hạn chế chính của việc phát triển biogas ở đồng bằng sơng Cửu Long. Trong khi đĩ, như đã trình bày ở trên, rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và cĩ tiềm năng ở đồng bằng sơng Cửu Long nhưng khơng được sử dụng hiệu quả. Sự bổ sung rơm và lục bình đặc biệt thích hợp để tăng cường khả năng sản xuất năng lượng phi tập trung ở các cộng đồng nơng thơn, nơi cĩ nhiều túi ủ khí sinh học qui mơ nhỏ đã đi vào hoạt động nhưng kém hiệu quả do sự thiếu hụt về phân gia súc. Do vậy, luận án đã được thực hiện với mong muốn tìm ra phương pháp đơn giản, cĩ khả năng áp dụng ở điều kiện nơng hộ để chuyển đổi rơm và lục bình thành khí sinh học ở đồng bằng sơng Cửu Long. 1.2. Mục tiêu luận án • Xác định lượng rơm dư thừa ở đồng bằng sơng Cửu Long nhằm làm cơ sở nghiên cứu sử dụng lượng rơm này cho sản xuất khí sinh học; • Xác định khả năng tăng trưởng của lục bình và tiềm năng sử dụng nguồn sinh khối này bổ sung cho sản xuất khí sinh học ở nơng hộ; • Tìm (i) phương pháp tiền xử lý sinh học đơn giản, (ii) kích cỡ của nguyên liệu nạp, (iii) tỷ lệ phối trộn rơm/lục bình với phân heo phù hợp để tạo khí sinh học từ rơm và lục bình trong điều kiện in vitro; • Thử nghiệm sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên mơ hình túi ủ polyethylene (PE) ở quy mơ nơng hộ trong điều kiện in vivo. 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu chỉ khảo sát lượng rơm và các biện pháp xử lý sau thu hoạch ở hai vụ lúa Đơng Xuân và Thu Đơng ở 04 tỉnh An Giang, Đồng Tháp, Kiên Giang và Cần Thơ. Nghiên cứu chỉ tập trung đánh giá ảnh hưởng của các biện pháp tiền xử lý sinh học đơn giản, kích cỡ nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn của rơm/lục bình - 1 -
5. với phân heo theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ và ủ yếm khí bán liên tục trong điều kiện in vitro; thử nghiệm ứng dụng trên ủ biogas polyethylene (PE) ở nơng hộ trong điều kiện in vivo. 1.4 Những đĩng gĩp mới của luận án • Đã xác định được tiền xử lý bằng nước thải sau biogas và bằng nước bùn đáy ao là phương pháp tiền xử lý đơn giản cĩ thể được ứng dụng trong tiền xử lý rơm và lục bình giúp đẩy nhanh quá trình sinh khí và sản lượng khí sinh học trong điều kiện in vitro. • Nghiên cứu cho thấy kích cỡ của rơm và lục bình từ khơng cắt giảm đến 1cm khơng ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu trong điều kiện in vitro. • Đã xác định được tỷ lệ phối trộn 50% - 60% rơm với 50% phân heo cĩ tổng lượng khí tích dồn cao hơn các tỷ lệ phối trộn khác. Đối với lục bình thì tỷ lệ phối trộn này là 40% - 60% trong điều kiện in vitro. • Nghiên cứu cho thấy sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mơ nơng hộ trên túi ủ polyethylene khơng ảnh hưởng đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống nạp hồn tồn bằng phân heo. 1.5 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu cho thấy cĩ thể sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên mơ hình túi ủ polyethylene (PE) trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp. Kết quả nghiên cứu cĩ thể áp dụng được trong điều kiện thực tế giúp mơ hình khí sinh học được duy trì ổn định và tận dụng các nguồn sinh khối để tạo ra nguồn năng lượng sạch (biogas). - 2 -
6. Chƣơng 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu - Phỏng vấn nơng hộ trồng lúa về lượng dư thừa rơm, các biện pháp xử lý rơm và thu mẫu rơm, lúa ước tính lượng rơm phát sinh; - Bố trí thí nghiệm theo dõi sự tăng trưởng của lục bình ở các thủy vực phổ biến ở nơng hộ; - Bố trí thí nghiệm theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ trong điều kiện in vitro để xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý, kích cỡ của rơm và lục bình, tỷ lệ phối trộn lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học; - Thực hiện thí nghiệm đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình theo phương pháp nạp bán liên tục trong điều kiện in vitro; - Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene (PE) ở nơng hộ trong điều kiện in vivo. 2.2 Phƣơng pháp thực hiện 2.2.1. Khảo sát lƣợng dƣ thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sơng Cửu Long: Phỏng vấn 400 hộ trồng lúa tại An Giang, Kiên Giang, Đồng Tháp và thành phố Cần Thơ bằng phiếu phỏng vấn soạn sẵn. Thu mẫu xác định tỷ lệ rơm lúa được thực hiện ở 4 tỉnh/thành phố, mỗi địa điểm tiến hành thu 25 mẫu rơm, hạt (rơm trong nghiên cứu này là phần sinh khối của cây lúa từ gốc trở lên, khơng bao gồm phần rễ). Sau khi xác định trọng lượng tươi, tồn bộ mẫu được đưa về phịng thí nghiệm Khoa Mơi trường và Tài nguyên Thiên nhiên để xác định trọng lượng khơ. 2.2.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau Thí nghiệm khảo sát sự tăng trưởng của lục bình được thực hiện trên bốn thủy vực khác nhau gồm sơng, kênh dẫn nước, ao nuơi cá và mương vườn tại ấp Mỹ Phụng, xã Mỹ Khánh, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ. Mỗi thủy vực bố trí 3 ơ thí nghiệm với diện tích 2m x 2m, mỗi ơ bố trí 10 cây lục bình. Trọng lượng tươi của lục bình được xác định theo chu kỳ 7 ngày/lần và thu liên tục trong 6 tuần. Sau khi kết thúc thí nghiệm lục bình được thu mẫu để xác định trọng lượng khơ. - 3 -
7. 2.2.3 Xác định ảnh hƣởng của phƣơng pháp tiền xử lý và kích cỡ của rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí và chất lƣợng khí sinh học a) Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình Dựa vào điều kiện thực tế tại các nơng hộ vùng đồng bằng sơng Cửu Long, nghiên cứu đã chọn 04 loại nước để tiền xử lý vật liệu gồm nước máy (1); nước thải biogas (2); nước bùn đáy ao (3) và nước ao (4). Đây là các nguồn nước sẵn cĩ trong điều kiện nơng hộ và cĩ thể được sử dụng để tiền xử lý vật liệu nhằm đẩy nhanh quá trình thủy phân đồng thời bổ sung nguồn vi sinh vật ban đầu cho quá trình phân hủy yếm khí. Thí nghiệm được bố trí hồn tồn ngẫu nhiên với 9 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức được bố trí 5 lần lặp lại với tỷ lệ phối trộn rơm với phân heo và lục bình với phân heo là 50:50 (%), với kích cỡ vật liệu nạp là 10 cm. Thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ với thể tích ủ là 17 L. Nguyên liệu nạp cho mỗi bình ủ được tính tốn dựa trên hàm lượng chất rắn bay hơi (VS), tỷ lệ nguyên liệu nạp được tính tốn cho thí nghiệm là 1g VS.L-1.ngày-1. b) Xác định ảnh hưởng của các kích cỡ rơm và lục bình Thí nghiệm được bố trí hồn tồn ngẫu nhiên trong điều kiện phịng thí nghiệm với 9 nghiệm thức mỗi nghiệm thức được lặp lại 5 lần với 3 loại vật liệu bao gồm rơm (gồm 4 kích thước 1 cm, 10 cm, 20 cm và khơng cắt), lục bình (gồm 4 kích thước 1 cm, 10 cm, 20 cm và khơng cắt) và phân heo. Thí nghiệm được bố trí hồn tồn ngẫu nhiên trong bình ủ 21 lít. Rơm và lục bình được phối trộn với phân heo theo tỷ lệ 50:50 (%VS) theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ. Lượng khí sinh ra hàng ngày của mỗi mẻ ủ được trữ trong túi nhơm để xác định tổng thể tích khí và nồng độ khí CH4. 2.2.4 Xác định ảnh hƣởng của tỷ lệ phối trộn của phân heo, rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lƣợng biogas Thí nghiệm được bố trí hồn tồn ngẫu nhiên với 13 nghiệm thức ở các tỷ lệ nạp nguyên liệu rơm và lục bình phối trộn với phân heo khác nhau. Nguyên liệu nạp được tính tốn trên cơ sở VS cho 45 ngày nạp, lượng VS chứa trong mỗi bình là 765 g VS và theo dõi liên tục trong 60 ngày. Trước khi tiến hành ủ yếm khí, rơm và lục bình được tiền xử lý bằng nước thải biogas trong 5 ngày, mỗi ngày nguyên liệu được trộn đều. Các yếu tố mơi trường trong mẻ ủ gồm pH, nhiệt độ và thế oxy hĩa khử được đo trực tiếp trong các bình ủ vào mỗi ngày. Tổng thể tích khí và thành phần khí sinh học được tiến hành đo đạc và ghi nhận hàng ngày. - 4 -
8. 2.2.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ theo phƣơng pháp bán liên tục Thí nghiệm được bố trí hồn tồn ngẫu nhiên với 10 nghiệm thức rơm phối trộn với phân heo (100%; 50% + 50%), lục bình phối trộn phân heo (100%; 50% + 50%) và 100% PH khuấy trộn và khơng khuấy trộn. Mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần trên bộ ủ yếm khí bán liên tục với thể tích ủ là 50 L. Nguyên liệu nạp được tính tốn trên cơ sở VS với 1 gVS.m-3.ngày-1, lượng VS nạp vào hệ thống mỗi ngày là 50 g, với thời gian lưu tồn 30 ngày. Khuấy trộn được thực hiện 1 lần trong ngày với thời gian khuấy trộn 1 phút. Rơm và lục bình được tiền xử lý trước 5 ngày trong nước thải biogas trước khi nạp vào trong hệ thống. Các yếu tố mơi trường trong mẻ ủ gồm pH, nhiệt độ và thế oxy hĩa khử được đo đạc hàng ngày. Hàm lượng a-xít béo bay hơi (VFAs) được thu và đo đạc theo chu kỳ 5 ngày/lần. Tổng thể tích khí và thành phần khí sinh học được tiến hành đo đạc mỗi ngày. 2.2.6 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục - ứng dụng trên túi ủ biogas polyethylene với quy mơ nơng hộ Nghiên cứu được bố trí hồn tồn ngẫu nhiên với 5 nghiệm thức trong túi nhựa PE - là một trong những túi biogas phổ biến ở đồng bằng sơng Cửu Long, với đường kính 0,86 m, chiều dài 10 m. Nguyên liệu nạp được tính tốn trên cơ sở VS với 1 kgVS.m-3.ngày-1, hàng ngày lượng VS nạp vào trong hệ thống là 4,24 kg. Thời gian lưu nước cho hệ thống là 30 ngày. Nguyên liệu được tiền xử lý bằng nước thải sau túi ủ biogas trong 5 ngày trước khi tiến hành ủ yếm khí. pH của mỗi túi ủ được đo đạc hàng ngày tại đầu vào và đầu ra của hệ thống. Hàm lượng VFAs được thu ở đầu vào và đầu ra của hệ thống theo chu kỳ 2 ngày/lần. Thể tích khí sinh ra và thành phần khí được đo đạc theo chu kỳ 2 ngày/lần. - 5 -
9. Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ƣớc tính lƣợng rơm dƣ thừa và một số biện pháp xử lý rơm ở đồng bằng sơng Cửu Long Kết quả khảo sát được trình bày ở Bảng 3.1 cho thấy cĩ 6 biện pháp xử lý rơm được người dân lựa chọn là: đốt rơm trên đồng, vùi trong đất, trồng nấm, bán, chăn nuơi và cho rơm. Ở vụ Đơng Xuân cĩ 4 hình thức xử lý rơm là đốt rơm, trồng nấm, bán và cho rơm. Trong đĩ, cĩ 98,23% số hộ khảo sát là đốt rơm sau thu hoạch, 0,99% là trồng nấm, 0,73% hộ bán rơm và 0,06% hộ là cho rơm. Kết quả nghiên cứu cho thấy đốt rơm là biện pháp được sử dụng phổ biến nhất ở vụ Đơng Xuân. Bảng 3.1: Các hình thức xử lý rơm phổ biến qua các mùa vụ Đơng xuân Hè Thu Thu Đơng Hình thức Diện tích Tỷ lệ Diện tích Tỷ lệ Diện tích Tỷ lệ xử lý (ha) (%) (ha) (%) (ha) (%) Bán 6,24 0,73 10,92 1,27 25,03 2,92 Đốt 842,31 98,23 768,98 89,67 463,89 54,1 Trồng nấm 8,45 0,99 10,79 1,26 69,81 8,14 Vùi trên ruộng - - 57,01 6,65 223,78 26,1 Cho 0,52 0,06 9,69 1,13 14,11 1,65 Chăn nuơi - - 0,13 0,02 3,12 0,36 Bỏ trên ruộng - - - - 57,78 6,74 Kết quả ước tính lượng rơm dư thừa trên đồng ruộng cần phải xử lý ở đồng bằng sơng Cửu Long năm 2011 vào khoảng 26,23 triệu tấn/năm, trong đĩ khoảng 20,9 triệu tấn/năm là người dân đốt. Kết quả điều tra cho thấy đa số nơng dân đều cĩ khuynh hướng giữ nguyên tập quán đốt rơm trong những năm tiếp theo. Bảng 3.2: Sản lượng lúa và ước tính lượng rơm phát sinh Vụ Thu Đơng Vụ Đơng Xuân Năm 2011 Địa điểm Sản lượng Lượng Sản lượng Lượng Sản lượng Lượng lúa* rơm lúa* rơm lúa* rơm Kiên Giang 0,20 0,20 1,99 1,96 3,94 3,94 Đồng Tháp - - 1,48 1,36 3,10 2,86 Cần Thơ - - 0,64 0,82 1,29 1,68 An Giang 0,02 0,03 1,77 2,26 3,84 4,78 ĐBSCL 1,62 1,88 10,48 11,70 23,19 26,23 Ghi chú: Đơn vị tính: triệu tấn; (*) Sản lượng lúa dựa theo Tổng cục Thống kê. Bên cạnh lượng rơm dư thừa ở đồng bằng sơng Cửu Long thì lục bình là một nguồn sinh khối dồi dào. Nếu rơm chỉ cĩ tập trung vào thời gian thu hoạch lúa thì lục bình là vật liệu sẵn cĩ ở hầu hết các nơng hộ vùng đồng bằng sơng Cửu Long. Do đĩ, lục bình là một nguồn sinh khối tiềm năng cĩ khả năng ứng dụng để sản xuất khí sinh học. Trong trường hợp thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp thì lục bình cĩ thể được sử dụng để bổ sung cho túi ủ/hầm ủ nhằm duy trì tính ổn định của mơ hình khí sinh học. Do đĩ, cần cĩ những nghiên cứu tận dụng được sự tăng trưởng sinh khối nhanh của - 6 -
10. lục bình để bổ sung cho túi ủ trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp mà khơng cần phải tốn nhiều nhân cơng trong việc thu gom. 3.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy trọng lượng tươi của LB khi bố trí thí nghiệm dao động trong khoảng từ 0,41 – 0,44 kg/m2 và đạt 1,3 – 6,9 kg/m2 sau 6 tuần. Sự gia tăng trọng lượng của LB sau 6 tuần ở kênh dẫn nước, ao nuơi cá và mương vườn là cao nhất với trọng lượng vật chất khơ lần lượt là 634, 804 và 603 gDM/m2. Trong khi đĩ lục bình trên sơng chỉ đạt 162 gDM/m2 (Hình 3.1). ) 2 1000 Sông a Kênh 800 ab Ao nuôi cá b Mương 600 400 200 c ns Khối lượng vật chất khô (gDM/m vật chất khô Khối lượng 0 TL ban đầu TL kết thúc Hình 3.1: Sự tăng trưởng trọng lượng của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Qua kết quả nghiên cứu sự tăng trưởng của lục bình cho thấy, trung bình lượng DM của lục bình gia tăng 19,1 g.m-2.ngày-1 đối với thủy vực ao, trong đĩ thành phần VS của lục bình chiếm 83,6 % TS (Carina and Cecilia, 2006), trung bình lượng VS gia tăng từ 16 g.m-2.ngày-1. Với năng suất sinh khí của lục bình dao động từ 200 – 300 L.kgVS-1 (O’Sullivan et al., 2010; Rajendran et al., 2012) thì sự tăng trưởng của lục bình cĩ thể cung cấp từ 3,2 – 4,8 L khí sinh học.m-2.ngày-1. Nếu hộ gia đình 4 người với nhu cầu đun nấu từ khí sinh học 300 – 500 L.ngày-1, thì với diện tích từ 62 – 156 m2 lục bình cĩ thể cung cấp lượng khí sinh học đủ dùng cho hộ gia đình. 3.3 Xác định ảnh hƣởng của phƣơng pháp tiền xử lý sinh học và kích thƣớc vật liệu rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas 3.3.1 Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình a. Thể tích khí mê-tan tích dồn Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng thể tích khí mê-tan tích dồn trong 60 ngày của các nghiệm thức rơm dao động từ 63,1 đến 111,3 lít (Hình 3.2). Trong đĩ nghiệm thức 100% phân heo cho tổng lượng khí tích dồn thấp nhất (63,1 lít). Tất - 7 -
11. cả các nghiệm thức tiền xử lý đều cĩ tổng thể tích khí tích dồn cao hơn nghiệm thức 100% phân heo (p 0,05) nhưng khác biệt với các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước máy (Hình 3.2). Kết quả cho thấy tiền xử lý bằng nước thải biogas và bùn đáy ao là hai phương pháp cĩ thể được ứng dụng trong tiền xử lý rơm tốt hơn các phương pháp tiền xử lý cịn lại. Phối trộn rơm với phân heo theo tỷ lệ 50%/50% nâng cao được tổng lượng khí sinh ra so với việc chỉ sử dụng phân heo 100% (p<0,05). 140 Nước máy a 120 ab a Nước thải biogas b Nước ao a 100 a Nước bùn đáy ao b b Phân heo 80 ab a a c b 60 c a c b ab b 40 Tổng khí mê-tan khí (L) tích dồn Tổng c 20 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thời gian Hình 3.2: Thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức tiền xử lý rơm sau 60 ngày Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Kết quả nghiên cứu cho thấy các nghiệm thức cĩ vật liệu được tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao và nước thải biogas đều cĩ khả năng sinh khí nhanh hơn các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước ao và nước máy. Cả hai phương pháp tiền xử lý bằng nước thải biogas và nước bùn đáy ao đều sinh khí mê-tan từ các ngày đầu của quá trình ủ, nhờ hệ vi sinh vật sẵn cĩ trong nước thải biogas và nước bùn đáy ao thúc đẩy nhanh quá trình sinh khí. Giai đoạn sinh khí tập trung của các nghiệm thức chủ yếu từ ngày thứ 7 đến ngày thứ 20. - 8 -
12. Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng lượng khí mê-tan tích dồn trong 60 ngày giữa các nghiệm thức lục bình dao động từ 63,1 – 136,1 L (Hình 3.3). Trong đĩ, tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đáy ao cho tổng thể tích khí cao nhất với 136,1 L, nghiệm thức ủ 100% phân heo cho thể tích sinh ra thấp nhất (63,1 L). Các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước thải biogas, nước máy và nước ao cĩ các giá trị tổng khí tích dồn lần lượt là 124,2, 127,6 và 114,7 L. Ở thời điểm 30 ngày, thể tích khí mê-tan tích dồn của các bình ủ tiền xử lý bằng bùn đáy ao là cao nhất, khác biệt so với các nghiệm thức khác (p<0,05). Điều này cho thấy lục bình được tiền xử lý bằng bùn đáy ao giúp đẩy nhanh quá trình tạo khí hơn so với các phương pháp tiền xử lý khác. Kết quả thống kê tại thời điểm kết thúc thí nghiệm (60 ngày) cho thấy tổng thể tích khí tích dồn của nghiệm thức tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đáy ao cao hơn so với tiền xử lý bằng nước thải biogas, nước máy, nước ao và 100% phân heo (p<0,05). Việc phối trộn lục bình với phân heo trong ủ yếm khí đã làm gia tăng thể tích khí sinh ra so với chỉ ủ một loại nguyên liệu là 100% PH (p<0,05). Ở giai đoạn đầu của quá trình ủ yếm khí, do mật độ vi sinh vật yếm khí hiện diện trong nước bùn đáy ao cao hơn so với các dung dịch tiền xử lý khác nên tốc độ phân hủy và tạo khí mê-tan nhanh hơn so với các nghiệm thức khác. Kết quả nghiên cứu cho thấy ở tất cả các thời điểm, tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đáy ao là phương pháp cho kết quả tổng lượng khí mê-tan tích dồn cao hơn các nghiệm thức cịn lại. 160 a 140 Nước máy b Nước thải biogas a b c 120 Nước ao b b Nước bùn đáy ao 100 Phân heo a c b 80 c d d 60 d a e b 40 c c Tổng khí mê-tan khí (L) tíchTổng dồn d 20 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thời gian Hình 3.3: Thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức tiền xử lý lục bình sau 60 ngày Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan b) Năng suất sinh khí mê-tan Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức rơm phối trộn với phân heo -1 dao động trong khoảng từ 234 – 370 L CH4.kgVS phân hủy, trong đĩ cao nhất là tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao và thấp nhất là nghiệm thức 100% phân heo. Các nghiệm thức rơm tiền xử lý bằng nước máy, nước thải biogas và nước ao với các - 9 -
13. -1 giá trị lần lượt là 316; 354 và 344 L CH4.kgVS phân hủy (Hình 3.4a). Tiền xử lý rơm bằng nước bùn đáy ao cho năng suất cao hơn so với các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước máy và nước ao (p 0,05). Tiền xử lý rơm bằng nước thải biogas và nước ao khơng khác biệt (p>0,05) nhưng cao hơn tiền xử lý bằng nước máy (p 0,05) với các giá trị lần lượt là 368; 357 -1 và 365 L CH4.kgVS phân hủy. Lục bình được tiền xử lý phối trộn với phân heo gĩp phần cải thiện năng suất sinh khí mê-tan từ 52,8 – 73,7% so với chỉ ủ đơn thuần 100% phân heo. Tương tự như thí nghiệm trên rơm, kết quả nghiên cứu trên lục bình cho thấy nguồn nước tiền xử lý giàu vi sinh vật yếm khí như nước bùn đáy ao giúp lục bình phân hủy tốt hơn so với các nghiệm thức khác. - 10 -
14. 3.3.2 Ảnh hƣởng của kích cỡ rơm và lục bình đến khả năng sinh khí mê-tan a. Thể tích khí mê-tan tích dồn Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ rơm phối trộn với phân heo dao động từ 63,1 – 114,6 L, trong đĩ nghiệm thức rơm khơng cắt, nghiệm thức 1 cm, nghiệm thức 10 cm và nghiệm thức 20 cm cho tổng lượng khí mê-tan lần lượt là 114,2 L, 113,3 L, 111,5 L và 114,6 L và thấp nhất là 100% phân heo (63,1 L). Hình 3.5 cho thấy sản lượng khí sinh ra giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm khơng khác biệt (p>0,05). Phối trộn rơm với phân heo giúp gia tăng sản lượng khí sinh ra từ 76,7 – 81,6% so với chỉ ủ đơn thuần 100% phân heo. Do rơm cĩ dạng sợi, khi cắt ngắn khơng làm gia tăng đáng kể diện tích bề mặt của rơm nên khơng làm tăng diện tích tiếp xúc và tăng khả năng phân hủy của rơm. 140 160 Không cắt Không cắt a 120 a a a a 140 a a 1 cm 1 cm a 10 cm a a a 120 10 cm 100 a a a a a 20 cm 20 cm Phân heo 100 Phân heo 80 a a a a ab a b b b 80 60 b b b c 60 a a a a c 40 b ab bc 40 c Tổng khí mê-tan (L) tíchTổng dồn c khí mê-tan (L) tíchTổng dồn d 20 20 0 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thời gian Thời gian Hình 3.5: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của rơm (trái) và lục bình (phải) với các kích cỡ khác nhau Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức lục bình dao động từ 63,1 – 129,1 L. Trong đĩ cao nhất là nghiệm thức lục bình ở khơng cắt (129,1 L) thấp nhất là nghiệm thức 100% phân heo (63,1 L), các nghiệm thức lục bình 1 cm, 10 cm và 20 cm lần lượt là 126,8 L, 124,3 L và 128 L (Hình 3.5). Tổng lượng khí tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ lục bình dao động khơng lớn (p>0,05). Thơng thường, khi kích cỡ vật liệu nhỏ sẽ làm tăng quá trình phân hủy sinh học (Sanders et al., 2000). Khi kích cỡ vật liệu nhỏ, quá trình phân hủy diễn ra dễ dàng hơn do vi sinh vật cĩ thể tiếp xúc tốt với bề mặt vật liệu và tăng hiệu suất sinh khí sinh học (Mshandete et al., 2006). Theo Mshandete et al. (2006) khi kích thước vật liệu giảm xuống từ 100 mm xuống 2 mm thì lượng khí sinh ra tăng lên 16%. Nghiên cứu của Sharma et al. (1988) về ảnh hưởng của kích cỡ vật liệu đến khả năng sinh biogas thực hiện trên rơm cho thấy nếu kích cỡ quá nhỏ cũng ảnh hưởng khơng tốt đến quá trình phân hủy. Các kết quả trong nghiên cứu này cho thấy, kích cỡ của rơm và lục bình từ khơng cắt giảm đến 1cm khơng ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu. - 11 -
15. b) Năng suất sinh khí mê-tan Kết quả về năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức kích thước rơm -1 khơng cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm lần lượt là 348; 364; 354 và 357 L CH4.kgVS phân hủy. Năng suất sinh khí của các nghiệm thức kích thước lục bình khơng cắt, 1 cm, 10 cm và -1 20 cm lần lượt là là 361; 350; 357 và 359 L CH4.kgVS phân hủy. Nghiệm thức 100% -1 phân heo cho năng suất sinh khí là 234 L CH4.kgVS phân hủy. Kết quả phân tích thống kê cho thấy năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức rơm và lục bình khơng khác biệt (p>0,05) nhưng cao hơn so với chỉ ủ đơn thuần 100% phân heo. 400 a a a (a) a ) 300 b phân hủy 200 -1 .kgVS 100 4 0 Không cắt 1 cm 10 cm 20 cm Phân heo 400 a a (b) a a 300 b Năng suất sinh khí (L-CH 200 100 0 Không cắt 1 cm 10 cm 20 cm Phân heo Kích cỡ vật liệu Hình 3.6: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Các nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ vật liệu đến quá trình sinh khí biogas cho thấy kích thước càng nhỏ thì tốc độ sinh khí diễn ra nhanh hơn (Sanders et al., 2000; Sharma et al., 1998). Tuy nhiên, ở các kích thước rơm, lục bình khơng cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm chưa tạo nên sự khác biệt về thể tích khí sinh ra giữa các kích cỡ. 3.4 Xác định ảnh hƣởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo lên hiệu suất sinh khí mê-tan trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ 3.4.1 Ảnh hƣởng của tỉ lệ phối trộn rơm và phân heo lên tổng thể tích khí mê- tan tích dồn Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng khí mê-tan tích dồn trong 60 ngày của nghiệm thức phối trộn 50% rơm và 50% phân heo cĩ tổng lượng khí tích dồn cao nhất (169,4 L), khác biệt cĩ ý nghĩa (p 0,05) với nghiệm thức 60% rơm + 40% phân heo (166,6 L) và 80% rơm + 20% phân heo (163,5 L) (Hình 3.7). Hai nghiệm thức - 12 -
16. 100% phân heo và 100% rơm cĩ kết quả tổng lượng khí tích dồn đến ngày 60 thấp hơn (p 0,05). Nghiệm thức phối trộn 20% lục bình (151,7 L) và nghiệm thức phối trộn 80% lục bình (151,6 L) cĩ tổng lượng khí tích dồn thấp hơn các nghiệm thức cĩ tỷ lệ phối trộn 40%, 50% và 60% nhưng cao hơn các nghiệm thức 100% phân heo (99 L) và 100% lục bình (29,8 L) (p<0,05). 250 100%PH 200 20%LB + 80%PH a a a 40%LB + 60%PH a a a 50%LB + 50%PH b b b 150 60%LB + 40%PH b 80%LB + 20%PH a a a 100%LB b c 100 c c d a 50 b b b Tổng khí mê-tan khí (L) tíchTổng dồn c d d d 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thời gian Hình 3.8: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức tỷ lệ lục bình phối trộn với phân heo Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan - 13 -
17. Kết quả phân tích cho thấy khi tỷ lệ phối trộn của lục bình gia tăng từ 40% đến 60%, tổng lượng khí mê-tan tích dồn của hỗn hợp mẻ ủ khác biệt khơng cĩ ý nghĩa (p>0,05). Tuy nhiên, khi tỷ lệ phối trộn của lục bình lớn hơn 60% hoặc nhỏ hơn 40% thì tổng lượng khí mê-tan tích dồn giảm (Hình 3.8). Nghiệm thức 100% lục bình cĩ tổng lượng khí mê-tan tích dồn thấp nhất do pH của mẻ ủ thấp, dao động từ 5,2 - 5,4 ở giai đoạn đầu. Các vi khuẩn sinh mê-tan bị ức chế ở khoảng pH này, do vậy sự hình thành khí của mẻ ủ bị ức chế làm tổng lượng khí giảm. 3.4.3 Ảnh hƣởng của tỉ lệ phối trộn lên năng suất khí mê-tan Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức -1 phối trộn rơm với phân heo dao động từ 316 - 518 L CH4.kgVS phân hủy trong đĩ - năng suất cao nhất là nghiệm thức phối rơm với phân heo 50:50 (518 L CH4.kgVS 1 -1 phân hủy) thấp nhất là nghiệm thức 100% phân heo (316 L CH4.kgVS phân hủy), rơm phối trộn với phân heo ở các tỷ lệ 20:80; 40:60; 50:50; 60:40; 80:20 cho năng suất sinh khí cao hơn so với chỉ ủ đơn thuần 100% phân heo và 100% rơm (p<0,05), trong đĩ ủ yếm khí rơm với phân heo tỷ lệ 50:50 cho năng suất sinh khí cao nhất (p<0,05). Ủ yếm khí 100% rơm cho năng suất sinh khí cao hơn so với nghiệm thức 100% phân heo (p<0,05). 600 ) 500 (a) a (b) a a a b b 500 c b b 400 phân hủy phân d 400 e -1 f 300 c 300 .kgVS 4 200 200 d 100 100 NSSK (L-CH 0 0 0:100 20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0 0:100 20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0 Tỷ lệ phối trộn (rơm:phân heo) Tỷ lệ phối trộn (lục bình :phân heo) Hình 3.9: Năng suất sinh khí của các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn rơm (a), lục bình (b) với phân heo Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Các nghiệm thức lục bình phối trộn với phân heo cĩ năng suất sinh khí mê-tan -1 dao động từ 86,3 – 448 L CH4.kgVS phân hủy, trong đĩ năng suất cao nhất là nghiệm -1 thức phối trộn lục bình với phân heo theo tỷ lệ 60:40 (448 L CH4.kgVS phân hủy), thấp -1 nhất là nghiệm thức 100% lục bình (86,3 L CH4.kgVS phân hủy) và nghiệm thức 100% -1 phân heo (260 L CH4. kgVS phân hủy) (Hình 3.9b). Lục bình phối trộn với phân heo ở tỷ lệ từ 40:60; 50:50; 60:40 cho năng suất sinh khí cao hơn so với các nghiệm thức -1 khác (p<0,05) với các giá trị lần lượt là 425, 436 và 448 L CH4. kgVS phân hủy. - 14 -
18. 3.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ yếm khí bán liên tục 3.5.1 Nồng độ và thành phần các a-xít béo bay hơi Nồng độ VFAs của các nghiệm thức rơm, lục bình và phân heo được thể hiện qua Hình 3.10. Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ VFAs tăng dần trong khoảng thời gian 30 ngày sau đĩ cĩ xu hướng giảm dần cho đến cuối quá trình ủ. Riêng đối với nghiệm thức 100%RO và 100%ROKT nồng độ VFAs vẫn duy trì ổn định trong suốt thời gian ủ. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ, các chất hữu cơ được thủy phân tạo ra các a-xít, sự tích lũy các a-xít này trong hệ thống ủ là nguyên nhân dẫn đến VFAs tăng dần, sau giai đoạn sinh a-xít thì giai đoạn sinh khí mê-tan chiếm vai trị chủ đạo trong hệ thống ủ sự chuyển hĩa các a-xít này thành khí mê-tan dẫn đến VFAs trong hệ thống ủ giảm. 40 40 (a) (b) 30 30 20 20 10 10 Nồng độ VFAs (mM/L) VFAs độ Nồng 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 100%RO 50%RO+50%PH 100%LB KT 50%LB+50%PHKT 100%RO 100%LB KT 100%PH KT 100%PH 100%PH 50%RO+50%PH 100%PHKT 50%LB+50%PH KT Hình 3.10: Nồng độ VFAs trong mẻ ủ bán liên tục sử dụng rơm (a) và lục bình (b) Trong nghiên cứu này, khi phối trộn rơm càng nhiều thì cho VFAs tích lũy cao hơn và thời gian sinh a-xít được kéo dài hơn, nghiệm thức 100%RO cĩ hàm lượng VFAs cao kéo dài đến ngày 50 của quá trình ủ. Trong khi đĩ, hàm lượng VFAs của các nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo và 100%PH giảm dần sau 30 ngày. Giá trị VFAs thích hợp cho sự hoạt động của vi sinh vật sinh khí mê-tan dưới 4000 mg/L (tương đương 66,7 mM/L) (Siegert et al., 2005; Ward et al., 2008). Sự tích lũy nhiều VFAs trong hỗn hợp ủ và giá trị pH trong hỗn hợp ủ giảm thấp cĩ thể cho thấy tình trạng nạp quá tải chất hữu cơ. Trong nghiên cứu này giá trị VFAs nằm trong khoảng thích hợp cho quá trình hoạt động của vi khuẩn sinh khí mê-tan. - 15 -
19. 25 25 (d) 20 (a) 20 15 15 10 10 5 5 A-xít acetic (mmol/L) acetic A-xít 0 0 25 25 (e) (b) 20 20 15 15 10 10 5 5 A-xít propionic A-xít (mmol/L) 0 0 14 14 (c) (f) 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 A-xít butyric(mmol/L) A-xít 2 2 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 100%RO 50%RO+50%PH 100%PH 100%LB 50%LB+50%PH 100%PH 100%RO KT 50%RO+50%PHKT 100%PH 100%LBKT 50%LB+50%PH 100%PH KT KT KT Hình 3.11: Diễn biến nồng độ các a-xít béo bay hơi của các nghiệp thức rơm (a,b,c) và lục bình (d,e,f) Kết quả nghiên cứu cho thấy thành phần của các VFAs trong quá trình ủ yếm khí rơm, lục bình phối trộn với phân heo là a-xít acetic, propionic, butyric, succinic, acrylic, fumaric, formic, malic, glucose và ethanol trong đĩ thành phần chính của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric chiếm hơn 80% trong tổng VFAs. Kết quả nghiên cứu cho thấy a-xít acetic, a-xít propionic và a-xít butyric là thành phần chính trong VFAs, đặc biệt là a-xít acetic và a-xít propionic chiếm thành phần lớn trong VFAs. 3.5.2 Thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức sử dụng rơm làm nguyên liệu nạp Tổng thể tích mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp rơm được trình bày ở Hình 3.12. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức sau 60 ngày lần lượt là 257, 242, 214, 215, 57,6 và 53,6 lít khí tương ứng với các nghiệm thức 100%ROKT, 100%RO, 50%RO+50%PHKT, 50%RO+50%PH, 100%PHKT và 100%PH. Tổng lượng khí mê-tan tích dồn sau 60 ngày của các nghiệm thức cho thấy, khuấy trộn làm gia tăng lượng khí tích dồn nhưng lượng tăng khơng lớn. - 16 -
20. 300 a 100%RO a 250 100%ROKT 50%RO+50%PH b b 200 50%RO+50%PHKT 100%PH a 150 100%PHKT ab ab b 100 c a a a c Tổng khí mê-tan (L) tíchTổng dồn a 50 c c b b a a b b c c 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thời gian Hình 3.12: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp rơm Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan 3.5.3 Tổng lƣợng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp Vai trị của khuấy đảo chỉ thể hiện rõ khi lượng nguyên liệu nạp trong bình ủ cao. Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình cao hơn hẳn nghiệm thức rơm với các giá trị lần lượt là 416, 322, 294, 241, 57,6 và 53,6 lít khí, tương ứng với các nghiệm thức 100%LBKT, 100%LB, 50%LB+50%PHKT, 50%LB+50%PH, 100%PHKT và 100%PH. 500 100%LB a 400 100%LBKT 50%LB+50%PH b 50%LB+50%PH KT c 300 100%PH a 100%PHKT d b 200 b c a 100 b Tổng khí mê-tan khí (L) tích dồn Tổng c d e e d d e e b a b b c c 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thời gian Hình 3.13: Tổng thể tích khí tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình Ghi chú: các cột cĩ mẫu tự giống nhau thì khơng khác biệt cĩ ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan 3.6 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene với quy mơ nơng hộ 3.6.1 Thời gian vận hành túi ủ Kết quả nghiên cứu cho thấy túi ủ nạp 100%RO và 100%LB cĩ thời gian vận hành thấp hơn so với nghiệm thức khác. Với lượng nạp 1kg/VS/ngày thì túi ủ nạp 100%RO chỉ cĩ thể vận hành đến ngày 23, đối với nghiệm thức 100%LB là 27 ngày (Bảng 3.3). Trong khi đĩ các túi ủ 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH và 100%PH đã vận hành được liên tục cho đến ngày thứ 60 mà khơng gặp bất kỳ trở - 17 -
21. ngại nào. Do rơm và lục bình là các loại nguyên liệu cĩ độ xốp cao, chiếm thể tích rất lớn nên khi nạp vào túi dễ gây hiện tượng đầy túi, khơng thể nạp tiếp tục. Đây là nguyên nhân chính gây hạn chế cho việc tạo khí sinh học từ nguyên liệu sinh khối mà đặc biệt là từ rơm và lục bình. Bảng 3.3: Khả năng vận hành của túi ủ biogas với các nguyên liệu nạp khác nhau Lượng VS nạp Thời gian vận hành Nghiệm thức (kg) (ngày) 100%LB 115 27 50%LB+50%PH 254 60 100%RO 98 23 50%RO+50%PH 254 60 100%PH 254 60 3.6.2 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lƣợng khí mê-tan tích dồn Kết quả nghiên cứu cho thấy thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức cĩ xu hướng tăng dần và ổn định sau 30 ngày đầu của thí nghiệm. Qua biểu đồ sinh khí hàng ngày của các nghiệm thức 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH và túi nạp 100%PH cĩ thể thấy rõ 3 giai đoạn sinh khí của các nghiệm thức này. Giai đoạn đầu (từ ngày 1 đến ngày 13) các nghiệm thức này sinh khí chậm, sau đĩ lượng khí sinh ra hàng ngày tăng nhanh đến ngày thứ 30, từ ngày 30 đến khi kết thúc thì lượng khí sinh ra hàng ngày giữ ở mức cao và ổn định (Hình 3.14). 1.6 100%PH /ngày) 3 1.4 100%RO 50%RO+50%PH 1.2 100%LB 50%LB+50%PH 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Thể tích khí sinh học sinh ra hằng ngày (m 0.0 10 20 30 40 50 60 Thời gian (ngày) Hình 3.14: Thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức Kết quả về tổng lượng khí mê-tan tích dồn tính đến 60 ngày được trình bày ở Hình 3.15 cho thấy lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức 100%LB và 100%RO (lần lượt là 7,7 và 8,7 m3) thấp hơn so với lượng khí mê-tan tích dồn ở các nghiệm thức 50%LB+50%PH, 50%RO+50%PH và 100%PH (lần lượt là 27,8; 26,5 và 29,2 m3). Kết quả cho thấy túi ủ được nạp với nguyên liệu phối trộn (rơm/lục bình với phân heo) cĩ lượng khí sinh ra tương đương với túi ủ được nạp - 18 -
22. 100%PH. Trong khi đĩ, các túi ủ nạp với 100%RO và 100%LB cĩ tổng lượng khí mê-tan sinh ra thấp (Hình 3.15). 35 100% PH ) 30 100% RO 3 50% RO+ 50% PH 25 100% LB 50% LB + 50% PH 20 15 10 Tổng khí mê-tan (m tíchTổng dồn 5 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thời gian Hình 3.15: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức Nghiên cứu cho thấy việc phối trộn rơm hoặc lục bình với phân heo ở tỷ lệ nạp 50:50 (tính theo VS) đã kéo dài được thời gian vận hành của túi ủ, cung cấp tổng thể tích khí nhiều hơn so với việc nạp 100%LB hoặc 100%RO và gần tương đồng với tổng thể tích khí sau 60 ngày của nghiệm thức 100%PH. Điều này cho thấy trong thời gian thiếu hụt nguồn nguyên liệu từ phân heo như trong giai đoạn tái đàn, ngưng sản xuất do dịch bệnh hoặc giá thị trường xuống thấp thì việc bổ sung rơm hoặc lục bình cĩ thể giúp cho nguồn biogas được duy trì ổn định. 3.6.3 Năng suất sinh khí mê-tan Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất sinh khí mê-tan giữa các nghiệm thức -1 sau 60 ngày thí nghiệm dao động trong khoảng từ 66,6 – 114,8 L CH4.KgVSnạp (Hình 3.16). Trong đĩ, nghiệm thức nạp 100%LB và 100%RO cho năng suất sinh -1 khí mê-tan lần lượt là 66,6 và 88,8 L CH4.KgVSnạp . Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức 50%LB+50%PH, 50%RO+50%PH và 100%PH lần lượt là 109,6; -1 104,5 và 114,8 L CH4.KgVSnạp , chênh lệch giữa các nghiệm thức dưới 10%. 140 ) -1 120 nạp 100 .KgVS 4 80 60 40 20 Năng suất sinh khí (LCH 0 100%LB 50%LB+50%PH 100%RO 50%RO+50%PH 100%PH Nghiệm thức Hình 3.16: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức - 19 -
23. Chƣơng 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Lượng rơm phát sinh hàng năm ở ĐBSCL là rất lớn và chủ yếu được đốt bỏ trên đồng ruộng. Việc này gây lãng phí nguồn sinh khối dồi dào từ nơng nghiệp và phát thải một lượng lớn khí CO2, CO, NOx vào khí quyển. Lục bình sinh trưởng tốt ở thủy vực ao nuơi cá, kênh dẫn nước và mương vườn. Sự gia tăng trọng lượng vật chất khơ của LB sau 6 tuần ở kênh dẫn nước, ao nuơi cá và mương vườn lần lượt là 634, 804 và 603 gDM/m2. Nếu sử dụng lục bình để sản xuất khí sinh học với mức tăng trưởng trong nghiên cứu này từ 62 – 156 m2 lục bình cĩ thể cung cấp 300 – 500 L biogas.ngày-1. Rơm và lục bình là nguồn sinh khối dồi dào cĩ thể cung cấp cho quá trình sản xuất khí sinh học. Tiền xử lý bằng nước thải biogas và nước bùn đáy ao là hai phương pháp cĩ thể được ứng dụng trong tiền xử lý rơm và lục bình để tạo khí sinh học. Rơm được tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao và nước thải biogas cho năng suất sinh khí -1 mê-tan lần lượt là 370 và 354 LCH4.kgVS phân hủy cao hơn các nghiệm thức cịn lại. Tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đáy ao cho năng suất sinh khí cao nhất đạt -1 406 LCH4.kgVS phân hủy. Các kích cỡ của rơm và lục bình từ khơng cắt giảm đến 1cm khơng ảnh hưởng lớn đến năng suất sinh khí mê-tan của vật liệu. Rơm phối trộn phân heo ở tỷ lệ 50% (C/N=32,1) cho năng suất sinh khí mê- -1 tan cao nhất (518 LCH4.kgVS phân hủy). Phối trộn lục bình từ 40 đến 60% (C/N từ -1 27,0 - 29,3) cho năng suất sinh khí mê-tan (425 – 448 LCH4.kgVS phân hủy) cao hơn các nghiệm thức cịn lại. Phối trộn rơm, lục bình với phân heo cải thiện năng suất sinh khí mê-tan so với tỷ lệ 100% rơm, 100% lục bình và 100% phân heo. Vai trị của khuấy trộn nguyên liệu chỉ thể hiện rõ khi lượng nguyên liệu nạp trong bình ủ tăng, khuấy trộn làm gia tăng lượng khí tích dồn nhưng lượng tăng khơng lớn. Khơng cĩ sự khác biệt về năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức cĩ và khơng cĩ khuấy trộn khi sử dụng rơm và phân heo làm nguyên liệu nạp nhưng khác biệt rõ ở các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp. Nghiên cứu thử nghiệm trên mơ hình túi ủ polyethylene (PE) cho thấy cĩ thể sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mơ nơng hộ khi thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp mà khơng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống nạp hồn tồn bằng phân heo. Tỷ lệ nạp 100% rơm và 100% lục bình cho thấy túi ủ cĩ thời gian tiếp nhận nguyên liệu nạp thấp, dễ đầy do tích lũy nhiều chất xơ. - 20 -
24. 4.2 Kiến nghị Sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu bổ sung cho túi ủ/hầm ủ khí sinh học là một giải pháp cải thiện mơi trường thơng qua việc tái sử dụng phụ phẩm nơng nghiệp, nâng cao hiệu suất sinh khí, đồng thời tăng tính ổn định của mơ hình trong giai đoạn thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp. Cần nghiên cứu cải tiến túi ủ biogas cho phù hợp với nguyên liệu nạp là rơm và lục bình, khắc phục hiện tượng vật liệu bị nổi, tạo váng trong mẻ ủ và sử dụng bả thải sau quá trình ủ yếm khí như một nguồn phân hữu cơ. . - 21 -