Luận án Tiến sĩ Môi trường đất và nước: Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TNTN

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGs. Ts. NGUYỄN HỮU CHIẾM

Prof. Dr. KJELD INGVORSEN

2016

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin được chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến người hướng dẫn khoa học Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hữu Chiếm - Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ; Tiến sĩ Kjeld Ingvorsen – Trường Đại học Aarhus – Đan Mạch đã tận tình hướng dẫn, động viên và góp ý về chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án tiến sĩ.

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả quí thầy cô đã giảng dạy, hướng dẫn học thuật cho tôi trong suốt quá trình học tập ở bậc đại học, bậc cao học và nghiên cứu sinh.

Chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, cùng tất cả các thầy cô trường Đại học Cần Thơ đã cung cấp kiến thức chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Khoa học Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành tốt luận án tiến sĩ. Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn sinh viên, học viên đã hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực hiện các nghiên cứu.

Cảm ơn cha mẹ, gia đình đã hết lòng thương yêu và giúp đỡ tôi trong suốt

quá trình học tập và thực hiện đề tài.

Chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính của dự án SubProM – tài trợ bởi

tổ chức DANIDA – Đan Mạch để tôi có thể hoàn thành tốt luận án tiến sĩ.

Trần Sỹ Nam

TÓM LƯỢC

Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng rơm phát sinh hàng năm ở ĐBSCL hàng năm là rất lớn, trong khi lượng rơm này không được sử dụng có hiệu quả mà chủ yếu được đốt bỏ. Việc này gây lãng phí nguồn sinh khối dồi dào từ nông nghiệp và phát thải một lượng lớn khí CO2, CO, NOx vào bầu khí quyển. Bên cạnh đó, lục bình sinh trưởng tốt ở thủy vực ao nuôi cá, kênh dẫn nước và mương vườn. Lục bình là một nguồn sinh khối dồi dào với sự gia tăng trọng lượng vật chất khô của LB sau 6 tuần ở kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương vườn lần lượt là 634, 804 và 603 gDM/m2. Nếu sử dụng lục bình để sản xuất khí sinh học thì với mức tăng trưởng trong nghiên cứu này thì từ 62 – 156 m2 lục bình có thể cung cấp 300 – 500 L biogas.ngày-1. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình cho thấy tiền xử lý bằng nước thải sau biogas và bùn đáy ao là hai phương pháp có thể được ứng dụng trong tiền xử lý trước khi nạp vào túi ủ/hầm ủ. Rơm và lục bình với các kích cỡ từ không cắt đến 1cm không ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu. Phối trộn rơm và phân heo với tỷ lệ 50% cho năng suất sinh khí mê-tan cao hơn các tỷ lệ phối trộn khác. Trong khi đó đối với lục bình thì tỷ lệ phối trộn này là từ 40% đến 60%.

Nghiên cứu trên mô hình ủ yếm khí bán liên tục cho thấy không có sự tích lũy các a-xít béo bay hơi (VFAs), thành phần của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric, succinic, acrylic, fumaric, formic, malic, glucose và ethanol trong đó thành phần chính của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric. Vai trò 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 không lớn. Không có sự khác biệt về năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức có và không có 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 ứng dụng trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mô nông hộ mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống nạp hoàn toàn bằng phân heo. Tỷ lệ nạp 100% rơm và 100% lục bình cho thấy túi ủ chỉ có thể tiếp nhận nguyên liệu nạp trong thời gian ngắn, túi mau đầy, khối lượng nạp không cao, nguyên liệu dễ bị nổi. Ngoài ra, pH giảm thấp, sự tích lũy VFAs cao cũng là một trong các hạn chế ảnh hưởng đến thời gian vận hành, khả năng sinh khí của các túi ủ này.

Từ khóa: ủ yếm khí, khí sinh học, rơm, lục bình, a-xít béo bay hơi, túi ủ PE

Nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu bổ sung cho hầm ủ khí sinh học là một giải pháp giúp duy trì ổn định quá trình sinh khí của mô hình trong trường hợp thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp, đồng thời nâng cao hiệu suất sinh khí. 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 trong túi ủ.

ABSTRACT

The results showed the estimated quantity of rice straw in the Mekong Delta annually was very large; however, the rice straw was not use effectively and most of them were burned directly on the fields. This action caused wasting the abundant agricultural biomass and emitted large amount of CO2, CO, NOx into the atmosphere. On the other hand, water hyacinth grows well in fish pond, small irrigation canals or irrigation ponds. Water hyacinth is a potential biomass with the increasing dried weight after 6 weeks was 634, 804 and 603 gDM/m2in fish ponds, small irrigation canals or irrigation ponds, respectively. In case, using water hyacinth for biogas production, the increasing of water hyacinth from 62 – 156 m2 can produce 300 – 500 L biogas.day-1. The results showed that pre-treated rice straw and water hyacinth by dark anoxic sediment and biogas digester effluent was the methods that can be apply before loading into the digesters. Rice straw and water hyacinth in size from 1cm to un-cut not strongly affected on biogas production. Mixing 50% of rice straw with pig manure resulted in higher methane yield in comparison with other ratio, while the ratio for water hyacinth ranged from 40% to 60%.

The semi-continuous anaerobic co-digestion experiment showed that the volatile fatty acids (VFAs) were not cumulated during the fermentation process, the components of VFAs were acetic acid, propionic acid, butyric acid, succinic acid, acrylic acid, fumaric acid, formic acid, malic acid; whereas acetic acid, propionic acid and butyric acid were the main component. The role of mixing was clearly express when the reactors content high concentration of substrate, mixing increased just a litter of the cumulative biogas. While the biogas yields of rice straw reactors were not significant difference, the water hyacinth reactors were significant difference between mixing and non-mixings. The experiment which was carried out in polyethylene (PE) digesters proved that pig manure could be replaced by rice straw and water hyacinth in the level of 50% (base on VS) in case of lacking input substrates; and there was no significant different with biogas production of pig manure. The results showed that 100%RS and 100%WH digesters had loaded in short time and low loading capacity, substrate floating. In addition, pH drop and cumulative VFAs were one of the factors that influence operation time and biogas production of these digesters.

iii

The study proved that rice straw and water hyacinth can be used as the supplementing substrate for biogas production as a solution that can help stabilizing biogas production in case of lacking input substrates and enhance biogas yield. It is highly recommended that research on improving the digester comply with rice straw and water hyacinth, reducing floating into the digesters. Keywords: anaerobic digestion, biogas, rice straw, water hyacinth, volatile fatty acids, PE digester

LỜI CAM ĐOAN

Cần Thơ, ngày tháng năm 20 Nghiên cứu sinh

Trần Sỹ Nam

Tôi xin cam kết luận án này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận án cùng cấp nào khác.

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Tóm lược ................................................................................................................ ii

Abstract ................................................................................................................. iii

Chương 1: Giới thiệu .............................................................................................. 1 1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................... 2 1.2.1 Mục tiêu tổng quát ...................................................................... 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể ........................................................................... 2 1.3 Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 3 1.4 Giới hạn của đề tài ............................................................................ 3 1.5 Ý nghĩa của luận án........................................................................... 3 1.5.1 Về khoa học ................................................................................ 3 1.5.2 Về thực tiễn ................................................................................ 4 1.6 Những luận điểm khoa học mới của luận án ..................................... 4

Chương 2: Tổng quan về nghiên cứu ..................................................................... 5 2.1 Tổng quan về khí sinh học ................................................................ 5 2.1.1 Khái niệm ................................................................................... 5 2.1.2 Thành phần khí sinh học ............................................................. 5 2.1.3 Các quá trình lên men yếm khí ................................................... 6 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan ........................ 9 2.2.1 Nhiệt độ ...................................................................................... 9 2.2.2 Ẩm độ ....................................................................................... 10 2.2.3 Kích cỡ nguyên liệu ủ yếm khí ................................................. 11 2.2.4 Khuấy trộn ................................................................................ 12 2.2.5 Thế oxy hóa khử ....................................................................... 12 2.2.6 pH ............................................................................................. 13 2.2.7 Hàm lượng các a-xít béo bay hơi .............................................. 14 2.2.8 Độ kiềm .................................................................................... 15 2.2.9 Độ mặn ..................................................................................... 15 2.2.10 Ammonia ................................................................................ 15 2.2.11 Tỷ lệ cacbon và nitơ ................................................................ 16 2.2.12 Mật độ vi sinh vật ................................................................... 16 2.2.13 Tỷ lệ nạp ................................................................................. 17 2.2.14 Thời gian lưu .......................................................................... 17 2.2.15 Tiền xử lý nguyên liệu nạp...................................................... 18 2.2.16 Điều kiện tối ưu và một số chất gây trở ngại ........................... 19

2.3 Các nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình ủ yếm khí ................ 20 2.3.1 Nguyên liệu từ chất thải chăn nuôi ............................................ 20 2.3.2 Nguyên liệu từ phụ phẩm trong nông nghiệp ............................ 22 2.4 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ các phụ phẩm nông nghiệp ........ 23 2.4.1 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ rơm ..................................... 23 2.4.2 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ lục bình ............................... 26 2.5 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước .............................. 28 2.5.1 Tổng quan nghiên cứu về tiền xử lý nguyên liệu trong ủ yếm khí ........................................................................................................... 29 Thảo luận chung: .................................................................................. 31 2.5.2 Tổng quan nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu trong ủ yếm khí ........................................................................................... 32 Thảo luận chung: .................................................................................. 32 2.5.3 Tổng quan nghiên cứu về phối trộn nguyên liệu trong ủ yếm khí ........................................................................................................... 33 Thảo luận chung: .................................................................................. 36

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu ....................................................................37 3.1 Cơ sở lý thuyết ................................................................................ 37 3.2 Khảo sát lượng dư thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long .................................................................... 38 3.2.1 Phương pháp nghiên cứu .......................................................... 38 3.2.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 40 3.3 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau ........ 41 3.3.1 Phương pháp nghiên cứu .......................................................... 41 3.3.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 42 3.4 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý và kích cỡ của rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học bằng phương pháp ủ theo mẻ ...................................................................................... 43 3.4.1 Cơ sở lý thuyết .......................................................................... 43 3.4.2 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 44 3.4.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 45 3.4.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 48 3.5 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của phân heo, rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ ...................................................................................... 49 3.5.1 Cơ sở lý thuyết .......................................................................... 49 3.5.2 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 50 3.5.3 Nước thải biogas ....................................................................... 50

3.5.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 50 3.5.5 Các thông số theo dõi ................................................................ 51 3.5.6 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 51 3.6 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ theo phương pháp bán liên tục .............................................. 52 3.6.1 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 52 3.6.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 53 3.6.3 Các chỉ tiêu theo dõi ................................................................. 54 3.6.4 Các phương pháp tính toán và xử lý số liệu .............................. 54 3.7 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 mô nông hộ....... 54 3.7.1 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 54 3.7.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 55 3.7.3 Các chỉ tiêu theo dõi ................................................................. 56 3.7.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 57 3.8 Phương pháp phân tích mẫu ............................................................ 57

Chương 4: Kết quả và thảo luận ...........................................................................58 4.1 Ước tính lượng rơm dư thừa và một số biện pháp xử lý rơm ở đồng bằng sông Cửu Long ............................................................................. 58 4.1.1 Các hình thức xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long 58 4.1.2 Khuynh hướng xử lý rơm của người dân ở đồng bằng sông Cửu Long .................................................................................................. 59 4.1.3 Ước tính lượng rơm phát sinh sau thu hoạch ............................ 61 4.1.4 Uớc tính lượng khí nhà kính phát thải khi đốt rơm ................... 62 Thảo luận chung: .................................................................................. 64 4.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau ........ 64 4.2.1 Đặc điểm môi trường nước trong các thủy vực ......................... 64 4.2.2 Sự tăng trưởng của lục bình ở các loại hình thủy vực khác nhau ........................................................................................................... 65 4.2.3 Tiềm năng sử dụng lục bình để sản xuất khí sinh học ............... 70 Thảo luận chung: .................................................................................. 70 4.3 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học và kích thước vật liệu rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ ........................................................ 71 4.3.1 Ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học ...................... 71 4.3.2 Ảnh hưởng của kích cỡ rơm và lục bình đến khả năng sinh khí sinh học ..................................................................................................... 84 Thảo luận chung: .................................................................................. 92

vii

4.4 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo lên hiệu suất sinh khí biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ .......... 93 4.4.1 Các yếu tố môi trường trong mẻ ủ ............................................ 93 4.4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn rơm và phân heo lên thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí tích dồn .................................. 97 4.4.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lục bình và phân heo lên thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí mê-tan tích dồn .................... 100 4.4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên nồng độ khí mê-tan ............ 102 4.4.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên năng suất khí mê-tan .......... 104 4.4.6 Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ 106 Thảo luận chung: ................................................................................ 107 4.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ yếm khí bán liên tục ............................................................ 108 4.5.1 Giá trị pH trong quá trình ủ ..................................................... 108 4.5.2 Nồng độ các a-xít béo bay hơi ................................................ 108 4.5.3 Thành phần các a-xít béo bay hơi trong hỗn hợp ủ ................. 109 4.5.4 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích mê-tan tích dồn của các nghiệm thức rơm ....................................................................... 111 4.5.5 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng mê-tan tích dồn của các nghiệm thức lục bình ................................................................. 112 4.5.6 Nồng độ khí CH4 của các nghiệm thức ................................... 113 4.5.7 Năng suất sinh khí mê-tan ....................................................... 115 Thảo luận chung: ................................................................................ 117 4.6 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 mô nông hộ . 118 4.6.1 Thời gian vận hành túi ủ ......................................................... 118 4.6.2 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng khí mê-tan tích dồn ......................................................................................................... 118 4.6.3 Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức ..................... 121 4.6.4 Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức .............................. 121 4.6.5 pH và tổng hàm lượng các a-xít béo bay hơi (VFAs) .............. 122 Thảo luận chung: ................................................................................ 124

Chương 5: Kết luận và kiến nghị ...................................................................... 125 5.1 Kết luận ..................................................................................... 125 5.2 Kiến nghị ...................................................................................... 126

Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 127

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sự chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học ...................................... 7

Hình 2.2: Các giai đoạn trong quá trình hình thành khí sinh học .......................... 9

Hình 2.3: Sự phân lớp trong dịch ủ yếm khí ........................................................12

Hình 2.4: Sơ đồ tiền xử lý sinh khối ligniocellulosic ...........................................18

Hình 3.1: Bản đồ vùng nghiên cứu của các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long ......39

Hình 3.2: Mô hình ủ yếm khí theo mẻ .................................................................46

Hình 3.3 Mô hình ủ yếm khí bán liên tục không khuấy (a) và khuấy trộn (b) ....53

Hình 3.4 Mô hình ủ yếm khí ứng dụng thực tế trên túi ủ PE ...............................56

Hình 4.1: Sự tăng trưởng chiều dài thân của lục bình trên các loại hình thủy vực ...............................................................................................................................66

Hình 4.2: Sự tăng trưởng chiều dài rễ của lục bình trên các loại hình thủy vực..66

Hình 4.3: Sự tăng trưởng số lượng lá của lục bình trên các loại hình thủy vực ..67

Hình 4.4: Sự tăng trưởng số chồi của lục bình trên các loại hình thủy vực .........68

Hình 4.5: Sự tăng trưởng trọng lượng tươi của lục bình trên các loại hình thủy vực .........................................................................................................................68

Hình 4.6: Sự tăng trưởng trọng lượng khô của lục bình trên các loại hình thủy vực .........................................................................................................................69

Hình 4.7: Thời gian nhân đôi của lục bình trên các loại hình thủy vực ...............69

Hình 4.8 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học ................72

rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................72

Hình 4.9: Diễn biến pH của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học .......................72

rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................72

Hình 4.10: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................73

Hình 4.11: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học .............74

rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................74

Hình 4.12: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm sau 60 ngày .............................................................................................75

Hình 4.13: Lượng khí sinh học hàng ngày của các nghiệm thức tiền xử lý rơm 76

Hình 4.14: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn sau 60 ngày của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học lục bình ..........................................................................................77

Hình Tên hình Trang

Hình 4.15: Lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức .............78

tiền xử lý lục bình ..................................................................................................78

Hình 4.16: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức tiền xử lý .........................79

rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................79

Hình 4.17: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b)......................81

ở các phương pháp tiền xử lý khác nhau ..............................................................81

Hình 4.18: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra sau 60 ngày ủ ...............................................................................................................................84

Hình 4.19: Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ......85

với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................85

Hình 4.20: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ..............85

với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................85

Hình 4.21: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức rơm (a) và .............86

lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau .................................................................86

Hình 4.22: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ......86

với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................86

Hình 4.23: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của rơm ở các kích cỡ ........87

khác nhau trong 60 ngày .......................................................................................87

Hình 4.24: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ rơm ..88

Hình 4.25: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các kích cỡ lục bình .....89

Hình 4.26: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các kích cỡ lục bình khác nhau .......................................................................................................................89

Hình 4.27: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức kích cỡ rơm .....................91

và lục bình khác nhau ...........................................................................................91

Hình 4.28: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b)......................92

với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................92

Hình 4.29: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các ...................97

nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo trong 60 ngày .....................................97

Hình 4.30: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo trong 60 ngày ..................................................................................99

Hình 4.31: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các ................ 101

nghiệm thức tỷ lệ lục bình phối trộn với phân heo ............................................ 101

Hình 4.32: Tổng lượng khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ lục bình ........... 102

phối trộn với phân heo ....................................................................................... 102

Hình 4.33: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức rơm phối trộn phân heo (a) và lục bình phối trộn phân heo (b) ............................................................ 103

Hình 4.34: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn ..... 105

rơm (a), lục bình (b) với phân heo ..................................................................... 105

Hình 4.35: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ của các tỷ lệ rơm, lục bình phối trộn với phân heo ........................................................ 107

Hình 4.36: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ........... 108

Hình 4.37: Nồng độ VFAs tromg mẻ ủ bán liên tục sử dụng rơm (a) và lục bình (b) ....................................................................................................................... 109

Hình 4.38: Diễn biến nồng độ các a-xít béo bay hơi của các nghiệp thức ....... 110

nạp rơm (a) và nạp lục bình (b) ......................................................................... 110

Hình 4.39: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp rơm ..................................................................................................................... 111

Hình 4.40: Tổng thể tích khí mê-tan của các nghiệm thức nạp rơm ................ 112

Hình 4.41: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp lục bình ..................................................................................................................... 113

Hình 4.42: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình ............................................................................................................................ 113

Hình 4.43: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng rơm ......... 114

làm nguyên liệu nạp ........................................................................................... 114

Hình 4.44: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng lục bình ... 115

làm nguyên liệu nạp ........................................................................................... 115

Hình 4.45: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng rơm ....... 116

làm nguyên liệu nạp ........................................................................................... 116

Hình 4.46: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp .................................................................................................. 117

Hình 4.47: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức ....... 119

Hình 4.48: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức ................... 120

Hình 4.49: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức ............................ 121

Hình 4.50: Thành phần khí biogas của các nghiệm thức .................................. 122

Hình 4.51: Diễn biến pH của các túi ủ ở đầu vào (A) và đầu ra (B) ................. 123

Hình 4.52: Diễn biến hàm lượng VFAs của các túi ủ ....................................... 123

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần khí biogas được sản xuất từ các nguồn khác nhau ..... 6

Bảng 2.2: Các phản ứng sinh hóa và vi khuẩn tham gia vào quá trình lên men yếm khí ................................................................................................................... 7

Bảng 2.3: Khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của một số vi khuẩn sinh khí mê-tan .............................................................................................................10

Bảng 2.4: Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu nạp được tập hợp từ các nguồn khác nhau .......................................................................................................................16

Bảng 2.5: Các yếu tố môi trường tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan ........19

Bảng 2.6: Nồng độ gây ức chế của các chất lên quá trình sinh khí mê-tan ..20

Bảng 2.7: Thành phần hóa học của một số loại chất thải chăn nuôi khác nhau ...............................................................................................................................21

Bảng 2.8: Năng suất sinh khí của một số nguồn chất thải khác nhau ...........21

Bảng 2.9: Khả năng sinh khí của hỗn hợp nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật với chất thải từ các hoạt động chăn nuôi ....................................................22

Bảng 2.10: Năng suất sinh khí từ một số sinh khối thực vật ..........................22

Bảng 2.11: Một số đặc điểm hóa học của rơm .................................................24

Bảng 2.12: Tính chất hóa học của rơm (tính trên trọng lượng khô) của 53 giống lúa khác nhau ............................................................................................25

Bảng 2.13 : Sản lượng khí mê-tan của các nguồn chất thải rắn hữu cơ .......26

Bảng 2.14: Thành phần hóa học của lục bình ..................................................27

Bảng 2.15: Tính chất hóa học của lục bình từ các nguồn khác nhau ............27

Bảng 2.16: Tổng hợp các báo cáo về sản lượng khí biogas từ lục bình ........28

Bảng 3.1: Đặc điểm các loại hình thủy vực khác nhau ...................................41

Bảng 3.2: Phương pháp chuẩn bị các vật liệu nghiên cứu ..............................44

Bảng 3.3: Đặc tính hóa học của nguyên liệu nạp trong thí nghiệm ủ theo mẻ ..45

Bảng 3.4: Các phương pháp chuẩn bị các loại nước tiền xử lý rơm và lục bình 45

Bảng 3.5: Tính chất hóa học các loại nước sử dụng để tiền xử lý vật liệu .......46

Bảng 3.6: Lượng nguyên liệu nạp và tỷ lệ phối trộn của các nghiệm thức ..47

Bảng 3.7: Lượng nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn và kích cỡ vật liệu nạp ...48

Bảng 3.8: Đặc tính hóa học của rơm, lục bình và phân heo sử dụng trong thí nghiệm ..................................................................................................................50

xii

Bảng Tên bảng Trang

Bảng 3.9: Các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo theo các tỷ lệ khác nhau .........................................................................................................51

Bảng 3.10: Đặc điểm hóa học của nguyên liệu nạp – ủ yếm khí bán liên tục ...52

Bảng 3.11: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi ......................52

Bảng 3.12: Các nghiệm thức phối trộn rơm, lục bình với phân heo trong mẻ ủ bán liên tục ........................................................................................................53

Bảng 3.13: Thành phần hóa học của nguyên liệu ............................................55

Bảng 3.14: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi sử dụng trong thí nghiệm túi ủ PE trong điều kiện nông hộ ....................................................55

Bảng 3.15: Các nghiệm thức bố trí thí nghiệm ứng dụng thử nghiệm trên túi ủ PE trong điều kiện nông hộ .............................................................................56

Bảng 3.16: Phương pháp phân tích và các thiết bị chính được sử dụng .......57

Bảng 4.1: Các hình thức xử lý rơm phổ biến qua các mùa vụ .......................58

Bảng 4.2: Tỉ lệ hộ dân sử đốt rơm trên đồng ruộng sau thu hoạch ................59

Bảng 4.3: Xu hướng xử lý rơm trong những năm tiếp theo ...........................60

Bảng 4.4: Tỉ lệ rơm: lúa vụ Thu Đông và vụ Đông Xuân ..............................61

Bảng 4.5: Sản lượng lúa và ước tính lượng rơm phát sinh .............................62

Bảng 4.6: Lượng rơm đốt ngoài đồng của các tỉnh và ĐBSCL .....................63

Bảng 4.7: Lượng phát thải khí nhà kính sau khi đốt rơm của các tỉnh và ĐBSCL .................................................................................................................63

Bảng 4.8 Đặc điểm lý – hóa học môi trường sống của lục bình ở các thủy vực khác nhau ..............................................................................................................65

Bảng 4.9: Mật độ vi sinh vật của mẻ ủ với các loại vật liệu và phương pháp tiền xử lý sau 60 ngày ủ ......................................................................................82

Bảng 4.10: Nhiệt độ trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo .........................................................................................................93

Bảng 4.11: Giá trị pH trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo .........................................................................................................94

Bảng 4.12: Thế oxy hóa khử trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo ........................................................................................95

Bảng 4.13: Độ kiềm của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo .........................................................................................................................96

Bảng 4.14: Khả năng vận hành của túi ủ biogas với các nguyên liệu nạp khác nhau .................................................................................................................... 118

xiii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Diễn giải các từ viết tắt

Chemical oxygen demand

Carbon/Nitrogen Tỷ số cacbon trên nitơ C/N

Nhu cầu oxy hóa học COD

Đồng bằng sông Cửu Long ĐBSCL

Đồng bằng sông Hồng ĐBSH

Dry matter Vật chất khô DM

Hydraulic retention time Thời gian lưu thủy lực HRT

Khí sinh học KSH

Khuấy trộn KT

Lục bình LB

Hàm lượng lignin LIG

Hàm lượng chất xơ NDF

Organic loading rate Lượng nguyên liệu nạp hữu cơ OLR

Chất hữu cơ Organic matter OM

Phân heo PH

Quy chuẩn Việt Nam QCVN

Rơm RO

Solid retention time Thời gian lưu chất rắn SRT

Total Kjeldahl Nitrogen Tổng nitơ Kjeldahl TKN

Total phosphorus Tổng lân TP

Total solids Tổng hàm lượng chất rắn TS

Volatile fatty acids Các a-xít béo bay hơi VFAS

Volatile solids Chất rắn bay hơi VS

xiv

Vi sinh vật VSV

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, thế giới ngày càng phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu, gas, than đá. Quá trình đốt cháy nguồn nhiên liệu này gây phát thải một lượng lớn các khí nhà kính và là nguyên nhân gây nên tình trạng biến đổi khí hậu ngày nay (Lương Duy Thành và ctv., 2015). Vì vậy, các nước trên thế giới ngày càng chú trọng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối. Ở Việt Nam, nguồn năng lượng tái tạo như khí sinh học ngày càng được nhiều người dân sử dụng do giá thành thấp và phù hợp với nông hộ (Nguyễn Hữu Chiếm và Matsubara Eiji, 2012). Tuy nhiên, trong các giai đoạn tái đàn hoặc dịch bệnh xuất hiện thì sự thiếu hụt của phân gia súc là một trong những hạn chế chính của việc phát triển khí sinh học ở đồng bằng sông Cửu Long.

Trong khi đó, rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và có tiềm năng trong sản xuất năng lượng tái tạo. Rơm được xem là một chất thải nông nghiệp chủ yếu ở châu Á với sản lượng ước tính khoảng 667 triệu tấn/năm (Yoswathana et al., 2010). Hiện nay, hầu hết các nguồn sinh khối này không được sử dụng và tái sử dụng một cách bền vững. Ở một số khu vực, phần lớn rơm được loại bỏ khỏi đồng ruộng bằng cách cày vùi, đốt hoặc được sử dụng để ủ phân (He et al., 2008; Wati et al., 2007; Vlasenko et al., 1997) – Đây là một sự lãng phí nguồn hữu cơ rất lớn. Đốt rơm trên đồng ruộng là nguồn gây ô nhiễm không khí và chỉ tái cung cấp rất ít các chất dinh dưỡng cho đất, nhưng cũng có thể có hại bằng cách thúc đẩy rửa trôi các chất dinh dưỡng vô cơ quan trọng từ đất (Nguyễn Thành Hối, 2008). Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) và đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là hai vùng sản xuất lương thực quan trọng của Việt Nam. Trong tổng số 44,1 triệu tấn lúa, hai khu vực này chiếm tới 71,9% (56,7% từ ĐBSCL và 15,2% từ ĐBSH) (Tổng cục Thống kê, 2014). Tương ứng với diện tích canh tác lúa thì lượng rơm thải bỏ hoặc đốt hàng năm ở đồng bằng sông Cửu Long là rất lớn. Bên cạnh rơm, lục bình (LB) được biết đến như là một trong những loài thực vật phát triển nhanh nhất và đã trở thành một trong các loài gây nhiều vấn đề nhất trên thế giới (Gunnarsson and Petersen, 2007). Ở các vùng nhiệt đới, lục bình phát triển dày đặc trên sông, hồ và các kênh rạch; gây hại đời sống thủy sinh, cản trở giao thông đường thủy và nuôi trồng thủy sản (Trần Trung Tính và ctv., 2009). Ở ĐBSCL, lục bình là một loài ngoại lai có hại và ít có giá trị sử dụng. Tuy nhiên, lục bình có hàm lượng lignin thấp và có hàm lượng cao các cacbon hydrate - đây là một lợi thế cho ủ yếm khí để sản xuất khí sinh học. Nhiều nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước đã cho thấy rơm và lục bình có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh

học (Chanakya et al., 1992; Nguyễn Văn Thu, 2010; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012; Njogu et al., 2015).

Trong ủ yếm khí các chất thải hữu cơ, tỷ lệ C/N của nguyên liệu là một yếu tố rất quan trọng. Rơm có tỷ lệ C/N dao động trong khoảng 40,5 – 67,3 (Nuntiya et al., 2009; Nguyễn Văn Thu, 2010; Ngan et al., 2015), lục bình có tỷ lệ C/N từ 21,4 – 35 (Moorhead and Nordstedt, 1993; Ofoefule et al.,2009; Nguyễn Trần Tuấn và ctv., 2009; Nguyễn Văn Thu, 2010) và phân heo từ 11,3- 22,0 (Huang et al., 2004; Hoàng Thị Thái Hòa và Đỗ Đình Thục, 2010; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2011). Nhiều nghiên cứu về ủ yếm khí cho rằng tỷ lệ C/N thích hợp là từ 20 – 30 (Kwietniewska and Tys, 2014; Deublein and Steinhauser, 2008; Weiland and Hassan, 2001). Vì vậy, phối trộn các chất thải hữu cơ khác nhau nhằm có tỷ lệ C/N phù hợp là rất cần thiết. Sự bổ sung rơm và lục bình để cải thiện hiệu suất tạo khí sinh học là một giải pháp ở điều kiện ĐBSCL khi thiếu hụt nguồn phân gia súc do dịch bệnh, tái đàn hay giảm quy mô sản xuất. Sự bổ sung này đặc biệt thích hợp để tăng cường khả năng sản xuất năng lượng phi tập trung ở các cộng đồng nông thôn, nơi có nhiều túi ủ khí sinh học qui mô nhỏ đã đi vào hoạt động nhưng kém hiệu quả do sự thiếu hụt về phân gia súc. Với tất cả những lý do trên, luận án “Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình” đã được thực hiện.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu sử dụng có hiệu quả, bền vững các nguồn sinh khối rơm và lục bình ở đồng bằng sông Cửu Long thành nguồn năng lượng tái tạo, hạn chế sự phát thải các khí nhà kính.

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

 Xác định lượng rơm dư thừa ở đồng bằng sông 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 nông 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 mô hình túi ủ polyethylene (PE) ở quy mô nông hộ trong điều kiện in vivo.

1.3 Nội dung nghiên cứu

1. Phỏng vấn nông 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;

2. Bố trí thí nghiệm theo dõi sự tăng trưởng của lục bình ở các thủy vực phổ

biến ở nông hộ;

3. 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;

4. 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;

5. 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 nông hộ trong điều kiện in vivo.

1.4 Giới hạn của đề tài

Nghiên cứu chỉ khảo sát lượng rơm và các biện pháp xử lý sau thu hoạch ở hai vụ lúa Đông Xuân và Thu Đông 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 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 nông hộ trong điều kiện in vivo.

1.5 Ý nghĩa của luận án

1.5.1 Về khoa học

Các số liệu khoa học của luận án có thể được sử dụng tham khảo cho quá trình giảng dạy và nghiên cứu về khí sinh học từ rơm và lục bình. Luận án đã cung cấp các số liệu khoa học về năng suất sinh khí của rơm và lục bình trong điều kiện được tiền xử lý sinh học khác nhau, kích cỡ nguyên liệu và trong điều kiện phối trộn với phân heo ở các tỷ lệ khác nhau. Kết quả nghiên cứu của luận án đã cho thấy quá trình tiền xử lý rơm và lục bình bằng nước thải biogas đẩy nhanh quá trình sinh khí, cải thiện năng suất sinh khí của vật liệu. Kích cỡ của rơm và lục bình trong nghiên cứu của luận án không ảnh hưởng lớn đến quá trình tạo khí sinh học và năng suất sinh khí của vật liệu. Đã xác định được tỷ lệ phối trộn của rơm/lục bình và phân heo là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tạo khí sinh học của vật liệu. Kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy khả

năng sinh khí của rơm và lục bình trong quá trình ủ yếm khí bán liên tục trên mô hình túi ủ biogas ở quy mô nông hộ.

1.5.2 Về thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng được trong điều kiện thực tế giúp mô hình khí sinh học được duy trì ổn định và tận dụng các nguồn sinh khối để tạo ra nguồn năng lượng sạch (biogas).

1.6 Những luận điểm khoa học 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 có 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 không cắt giảm đến 1cm không 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 có 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 mô nông hộ trên túi ủ polyethylene không ảnh hưởng đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống nạp hoàn toàn bằng phân heo.

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Tổng quan về khí sinh học

2.1.1 Khái niệm

Khí sinh học (KSH) là một hỗn hợp của nhiều thành phần khí, được sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn và quá trình xảy ra trong điều kiện yếm khí (Rajeeb et al., 2009). Thành phần KSH chủ yếu bao gồm các loại khí CH4, CO2, NH3, H2S và một số loại khí khác, trong đó khí CH4 và khí CO2 chiếm thành phần chủ yếu trong KSH. Trong thiên nhiên khí sinh học được sinh ra từ những nơi nước sâu tù đọng, đầm lầy, dưới đáy ao, hồ, ruộng ngập nước sâu,… và việc sản sinh ra khí sinh học trong thiên nhiên là một phần quan trọng của chu trình cacbon sinh hóa. Hàng năm trên toàn cầu khoảng 590 – 880 triệu tấn CH4 được giải phóng vào khí quyển thông qua hoạt động của các vi khuẩn (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009). Trong đó, khoảng 90% khí mê-tan phát thải ra có nguồn gốc sinh học từ sự phân hủy của sinh khối, phần còn lại có nguồn gốc từ hóa thạch (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009)

Trước khủng hoảng năng lượng 1970, khí sinh học không được quan tâm nhiều, tuy nhiên sau khủng hoảng nhiều nước đã quan tâm đến việc tận dụng khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí của chất hữu cơ. Tại Việt Nam, công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1960, nhưng do những lý do về mặt kỹ thuật và quản lý nên các công trình khí sinh học không mang lại hiệu quả như mong muốn (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Đến những năm 1980, ở Việt Nam nhiều nơi đã xuất hiện các hầm ủ nắp vòm cố định Trung Quốc và nắp trôi nổi Ấn Độ. Hiện nay, công nghệ khí sinh học đã được áp dụng rộng rãi ở ĐBSCL và bước đầu có những thành công như cải thiện thu nhập nông hộ, hạn chế ô nhiễm môi trường nước mặt từ hoạt động chăn nuôi (Nguyễn Hữu Chiếm và Matsubara Eiji, 2012). Công nghệ khí sinh học còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội quan trọng khác như: tạo ra được nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch (than đá, xăng dầu,…), góp phần giảm phát thải khí nhà kính nhờ quá trình thu hồi khí mê-tan. Bên cạnh đó, công nghệ khí sinh học còn cung cấp chất đốt phục vụ cho nấu nướng, sưởi ấm,… Ở quy mô lớn hơn, khí sinh học còn được dùng để chạy máy phát điện (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009).

2.1.2 Thành phần khí sinh học

Thành phần của khí sinh học phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu tham gia trong quá trình phân giải và các điều kiện bên trong của quá trình phân hủy

Thành phần khí sinh học (%)

Tài liệu tham khảo

CH4

CO2

Rác thải Rác thải Rác thải

47 - 57 24 - 29 37 - 62 24 - 29 45 - 55 30 - 40

O2 <1 <1 -

N2 1÷17 - 5 -15

H2S <0,1 Rasi et al. (2007) Allen et al. (1997) Jonsson et al. (2003)

- -

Thực vật Thực vật

55 - 58 37 - 38 48 - 65 36 - 41

<1 <1

<1 -2 <17

Rasi et al. (2007) <0,1 Rasi et al. (2007)

55 - 65 35 - 45

Bùn thải Bùn thải

57,8

38,6

- 0

<1 3.7

Jonsson et al. (2003) <0,1 Spiegel et al. (2003)

Phân heo

50 - 70 30 - 40

0 - 7

0 - 0,5

Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010)

Phân heo Phân heo Phân bò

55 - 65 35 - 45 54-55 52-67

- -

- - -

0 -3 - -

- - -

Chongrak (2007) An and Preston (1999) Poud et al. (1981)

Phân bò

46-49

29-39

Nguyễn Lệ Phương và ctv., 2015

chẳng hạn như pH, nhiệt độ,… Bên cạnh đó, các giai đoạn của quá trình phân hủy cũng ảnh hưởng đến thành phần của khí sinh học (Nguyễn Quang Khải, 2009; Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009). Một số công trình nghiên cứu cho thấy thành phần chủ yếu của khí sinh học bao gồm khí CH4, CO2, O2, N2 và một phần ít khí H2S, tỷ lệ các sản phẩm này được thể hiện trong Bảng 2.1. Bảng 2.1: Thành phần khí biogas được sản xuất từ các nguồn khác nhau Nguyên liệu

2.1.3 Các quá trình lên men yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí vật liệu hữu cơ được chia thành 04 giai đoạn: thủy phân (1), sinh a-xít (2), sinh a-xít acetic (3) và sinh khí mê-tan (4) (Appels et al., 2008; Kinyua, 2013; Qu et al., 2009). Thông qua quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp như cacbonhydrate, protein, a-xít béo, các a-xít amin và các a-xít béo chuỗi dài bị phân hủy bởi nhóm vi khuẩn sinh a-xít và tạo ra các chất hữu cơ đơn giản dễ phân hủy, cùng các sản phẩm trung gian như a-xít propionic, a-xít acetic, a-xít butyric,…sau đó các sản phẩm này được chuyển hóa thành CH4 và CO2 bởi vi khuẩn sinh khí mê-tan (Boubaker and Ridha, 2010). Các giai đoạn chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học được thể hiện qua Bảng 2.2.

Nhóm vi khuẩn

(C6H10O5)n + nH2O = n(C6H12O6) (1)

Giai đoạn sinh a-xít C6H12O6 + 2H2O = 2CH3COOH + 4H2 + CO2 (2)

C6H12O6 + 2H2 = 2CH3CH2COOH + 2H2O (3)

Bacteriodes, Clostridium, Butyrivibrie,

C6H12O6 = CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2 (4)

Eubacterium, Biﬁdobacterium, Lactobacillus

C6H12O6 = 2CH3CH2OHCOOH (5)

C6H12O6 = 2CH3CH2OH + 2CO2 (6)

Giai đoạn a-xít acetic CH3CH2OHCOOH + H2O = CH3COOH + CO2 + 2H2 (7)

CH3CH2OH + H2O = CH3COOH + 2H2 (8)

Desulfovibrio, Syntrophobacter wolinii,

CH3CH2CH2COOH + 2H2O = 2CH3COOH + 2H2 (9)

Syntrophomonas

CH3CH2COOH + 2H2O = CH3COOH + CO2 + 3H2 (10)

Giai đoạn sinh khí mê-tan 4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O (11) 2CH3CH2OH + CO2 = 2CH3COOH + CH4 (12) CH3COOH = CH4 + CO2 (13)

Methanobacterium formicicum, M. Bryantii Methanobrevibacter ruminantium, M. Arboriphilus Methanosarcina barkeri, Methanospirilum hungatei

(Abbasi et al., 2012)

Bảng 2.2: Các phản ứng sinh hóa và vi khuẩn tham gia vào quá trình lên men yếm khí Giai đoạn Giai đoạn thủy phân

Quá trình phân hủy chất hữu cơ là một quá trình tương đối phức tạp yêu cầu về các điều kiện yếm khí tương đối cao như hiệu thế oxy hóa khử thấp (< -200mV) cho quá trình phân hủy diễn ra tốt, phụ thuộc vào sự hoạt động đồng bộ và sự liên kết giữa các vi sinh vật để chuyển đổi các chất hữu cơ thành CH4 và CO2 (Appels et al., 2008), trong mỗi giai đoạn sẽ có các loại vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình phân hủy. Trong đó giai đoạn sinh a-xít là giai đoạn có khả năng hạn chế quá trình sinh khí và sự tích lũy a-xít sẽ gây ức chế sự hoạt động của vi sinh vật sinh khí mê-tan, có khoảng 72% khí mê-tan được sản sinh từ a-xít acetic (McCarty, 1964), phần còn lại được sản xuất từ CO2 và H2 (Hình 2.1). Một ít từ a-xít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình phân hủy yếm khí.

Hình 2.1: Sự chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học (McCarty, 1964)

a) Giai đoạn thủy phân

Giúp phân hủy các chất hữu cơ không hòa tan và các hợp chất cao phân tử như lipid, polysacharide, protein và a-xít nucleic thành các hợp chất hữu cơ dễ hòa tan như a-xít amino, các a-xít béo bay hơi, đây là bước đầu tiên của quá trình phân hủy yếm khí của các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, các chất hữu cơ như cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản. Đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì các vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3. Các sản phẩm từ quá trình thủy phân sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo (giai đoạn sinh a-xít) (Appels et al., 2008). Các vi sinh vật yếm khí tùy nghi đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thụ oxy hòa tan trong nước và là nguyên nhân giảm thế oxy hóa khử cần thiết cho quá trình phân hủy.

b) Giai đoạn sinh a-xít

Trong giai đoạn sinh a-xít các vi sinh vật yếm khí sẽ chuyển hóa các hợp chất hữu cơ đơn giản thành các a-xít béo bay hơi như a-xít acetic, a-xít propionic, a-xít butyric, a-xít lactic, các hợp chất hữu cơ gốc rượu cùng với amoniac (NH3), CO2, H2S và các sản phẩm phụ khác được hình thành (Appels et al., 2008; Kalyuzhnyi et al., 2000). Trong giai đoạn này nồng độ ion H+ được hình thành làm ảnh hưởng đến các loại sản phẩm của quá trình lên men, khi nồng độ ion của H+ càng tăng cao thì các hợp chất hữu cơ như acetate sẽ giảm (Appels et al., 2008). Nhìn chung, trong giai đoạn này các loại đường đơn giản, a-xít béo và a-xít amin được chuyển đổi thành các a-xít hữu cơ và gốc rượu (Gerardi, 2003).

c) Giai đoạn sinh a-xít acetic

Các sản phẩm từ giai đoạn sinh a-xít sẽ làm chất nền cho các vi khuẩn trong giai đoạn a-xít acetic. Các a-xít hữu cơ và hợp chất hữu cơ gốc rượu được hình thành và thủy phân để chuyển đổi thành a-xít acetic cũng như CO2 (Appels et al., 2008). Các vi khuẩn tham gia trong giai đoạn này có chức và H2 năng chuyển hóa các hợp chất như VFAs, alcohol,… thành H2, CO2 nhưng chủ yếu là a-xít axetic. Trong giai đoạn này các a-xít hữu cơ và gốc rượu được chuyển đổi thành acetate là chất nền cho vi khuẩn trong quá trình tạo thành khí mê-tan. Các vi khuẩn acetogenic sẽ phát triển cộng sinh với vi khuẩn hình thành khí mê-tan (Garcia et al., 2000).

d) Giai đoạn sinh khí mê-tan

Trong giai đoạn này khí mê-tan được hình thành bởi hai nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan (1) tách acetate bên trong thành CH4 và CO2, (2) sử dụng H2 và CO2 cho quá trình hình thành khí sinh học (Appels et al., 2008). Hầu hết các vi

khuẩn sinh mê-tan trong bể phân hủy đều được thực hiện qua các phản ứng sau: phản ứng (12) sử dụng chất nền là CH3COO-, phản ứng (11, 13) sử dụng chất - (Bảng 2.2). Các phản ứng sinh hóa trong quá trình nền là H2, CO2 và HCO3 sinh khí mê-tan có thể diễn ra như sau:

Hình 2.2: Các giai đoạn trong quá trình hình thành khí sinh học (Kinyua, 2013)

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan

2.2.1 Nhiệt độ

Quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện yếm khí nằm trong khoảng nhiệt độ ưa ấm từ 20 – 45oC, tốc độ phân hủy phụ thuộc một cách mạnh mẽ vào nhiệt độ (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009). Có 3 dãy nhiệt độ khác nhau bao gồm: ưa nhiệt độ thấp (<20oC), ưa ấm (20 – 45oC) và ưa nhiệt (45 – 60oC) (Raposo et al., 2011), trong thực tế sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí của các túi ủ và hầm ủ (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009).

Giống vi khuẩn Methanobacterium Methanobrevibacter Methanosphaere Methanolo bus Methanococcus Methanosarcina Methanocorpusculum Methanoculleus Methanogenium Methanoplanus Methanospirillum Methanococcoides Methanohalophilus

Nhiệt độ tối ưu (oC) 37-45 37-40 35-40 35-40 35-40 30-40 30-40 35-40 20-40 30-40 35-40 30-35 35-45

45 – 60

Methanohalobium Methanosarcina

50-55 50-55 (Gerardi, 2003)

Quá trình phân hủy của các vi sinh vật có thể diễn ra chậm ở nhiệt độ <20oC, nhưng các phản ứng xảy ra tốt nhất ở 35oC đối với các vi sinh vật ưa ấm và ở 55oC đối với vi sinh vật ưa nhiệt. Tuy nhiên, sự hoạt động của quần thể vi sinh vật ở hai dãy nhiệt độ ưa ấm và ưa nhiệt không giống nhau, sự thay đổi nhiệt độ từ dãy ưa ấm đến ưa nhiệt có thể làm giảm lượng khí sinh ra cho đến khi số lượng quần thể vi sinh vật gia tăng đủ số lượng (Chae et al., 2008). Bảng 2.3: Khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của một số vi khuẩn sinh khí mê-tan Khoảng nhiệt độ 20 – 45

Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật từ 31 – 36oC (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009), nhiệt độ tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan không nhất thiết là dãy nhiệt độ tối ưu cho các quá trình khác trong quá trình phân hủy yếm khí (Ward et al., 2008). Trong điều kiện nước ta, nhiệt độ trung bình dao động từ 20 – 32oC, với nhiệt độ này sẽ thích hợp cho sự phát triển của nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan ưa ấm (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009).

2.2.2 Ẩm độ

Ủ yếm khí ướt được áp dụng phổ biến để xử lý chất thải từ phân động vật. Ẩm độ của vật liệu là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan trong mẻ ủ cũng như các yếu tố môi trường khác. Đối với mẻ ủ vận hành ở nồng độ chất rắn thấp, hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho mẻ ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 - 10%, còn lại 90 - 95% là nước (Fabien, 2003). Sự hoạt động bình thường của vi khuẩn mê-tan cần khoảng 90% nước để ủ vật liệu thải và 8 - 10% chất khô (Nguyễn Duy Thiện, 2001). Độ ẩm

cao hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lượng khí tạo ra ít, nhưng độ ẩm <20% cũng sẽ cản trở quá trình phát triển của vi sinh vật (Chandra et al., 2012). Ẩm độ thích hợp nhất cho hoạt động của vi sinh vật là 91,5 - 96,0% (Chandra et al., 2012). Bên cạnh ủ yếm khí ướt thì ủ yếm khí khô giữ vai trò quan trọng trong sản xuất năng lượng và phân hữu cơ.

Nguyên liệu có thể sử dụng cho quá trình tạo khí sinh học theo phương pháp ủ yếm khí khô thường là thân cây vải, thân bắp, rơm, lục bình (Radwan et al., 1993). Bên cạnh ảnh hưởng của ẩm độ đến khả năng sinh khí biogas theo phương pháp ủ yếm khí khô thì các yếu tố sau cần được quan tâm bao gồm chất rắn, nhiệt độ, thời điểm bắt đầu, dung dịch đệm cho quá trình ủ yếm khí khô lên tỷ lệ và sản lượng khí biogas (Radwan et al., 1993). Theo Li et al. (2011), ủ yếm khí khô hàm lượng chất rắn trong quá trình ủ >15%, ủ yếm khí ướt thì nồng độ chất rắn <15%. Ủ yếm khí khô sẽ hiệu quả hơn khi áp dụng xử lý thực vật trong khi ủ yếm khí ướt sẽ hiệu quả hơn khi áp dụng xử lý các chất bài tiết, chất thải của động vật (Liu et al., 1987). Tuy nhiên, đối với các nguồn chất thải từ hoạt động chăn nuôi chủ yếu tập trung nghiên cứu ủ yếm khí ướt với lý do hiệu quả xử lý cao và dễ áp dụng.

2.2.3 Kích cỡ nguyên liệu ủ yếm khí

Kích cỡ của vật liệu trong quá trình ủ ảnh hưởng đến tỷ lệ phân hủy của vật liệu, quá trình thủy phân, kích cỡ vật liệu nhỏ và phù hợp cho quá trình phân hủy nếu không sẽ dẫn đến sự tắt nghẽn của túi ủ và vi sinh vật sẽ rất khó phân hủy. Kích cỡ vật liệu nhỏ sẽ làm tăng quá trình phân hủy sinh học (Sanders et al., 2000), kích cỡ càng nhỏ thì càng tốt vì quá trình phân hủy sẽ gặp rất nhiều khó khăn đối với những vật liệu khó phân hủy sinh học. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa kích cỡ vật liệu và khả năng phân hủy sinh học vẫn chưa nghiên cứu một cách cụ thể. Trong một số nghiên cứu kích cỡ của nguyên liệu ủ quá nhỏ ngược lại sẽ gây giảm năng suất sinh khí, do quá trình thủy phân xảy ra nhanh hơn, lượng a-xít hữu cơ sinh ra nhiều gây ức chế nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan (Sharma et al., 1988).

Việc giảm kích cỡ vật liệu sẽ làm tăng quá trình phân hủy sinh học, kích cỡ vật liệu là một yếu tố giới hạn cho quá trình phân hủy yếm khí. Thông thường kích cỡ vật liệu nhỏ quá trình phân hủy diễn ra dễ dàng hơn do vi sinh vật có thể tiếp xúc tốt với bề mặt vật liệu và tăng hiệu suất sinh khí sinh học (Mshandete et al., 2006). Kích cỡ vật liệu ủ thường được đề nghị <10mm, nếu vật liệu sử dụng khó đạt được kích cỡ trên thì nên cắt vật liệu nhỏ (Hansen et al., 2004). 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 rơm đến khả năng sinh biogas ở các kích thước 0,4, 1,0, 6,0 và 300 mm có sản lượng khí sinh ra tăng dần khi kích thước giảm dần, tuy nhiên kích thước 0,088 thì lượng khí sinh ra thấp hơn kích thước 0,4mm. Như vậy, việc cắt nhỏ vật liệu sẽ giúp quá trình phân hủy được thực hiện tốt hơn nhưng kích cỡ vật liệu quá nhỏ có thể làm giảm năng suất sinh khí.

2.2.4 Khuấy trộn

Hỗn hợp các loại khí CH4, CO2, và khí khác trong đó CH4 chiếm >50%

Lớp váng nổi

Dung dịch chứa nhiều chất hữu cơ phân hủy

Lớp bùn cặn chứa nhiều VSV

Khuấy trộn tạo điều kiện cho các vi sinh vật tiếp xúc với chất thải làm gia tăng quá trình sinh khí, khuấy trộn làm giảm sự lắng tụ của chất rắn và tránh việc hình thành váng trên bề mặt. Khuấy trộn trong quá trình ủ có thể được thực hiện bằng một số phương pháp: lắc, khuấy từ,… yếu tố chính ảnh hưởng đến khuấy trộn là cường độ và thời gian khuấy trộn (Raposo et al., 2011).

Hình 2.3: Sự phân lớp trong dịch ủ yếm khí

Trong quá trình phân hủy nguyên liệu thường phân thành 3 lớp: lớp trên cùng là lớp váng, lớp giữa lỏng và lớp đáy là lớp cặn lắng (Hình 2.3). Khuấy đảo là điều cần thiết khi hỗn hợp ủ bên trong hệ thống có xu hướng phân lớp gây cản trở đến quá trình sinh khí (Nguyễn Lân Dũng, 2009; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010).

2.2.5 Thế oxy hóa khử

Thế oxy hóa khử là thông số hữu ích cho việc kiểm soát môi trường ủ yếm khí, KSH được sản xuất hiệu quả nhất trong môi trường yếm khí hoàn toàn tức là thế oxy hóa khử dưới -100mV, giá trị thế oxy hóa khử tối ưu cho quá trình ủ yếm khí dao động từ -350 đến -300mV (Nguyễn Quang Khải và

Nguyễn Gia Lượng, 2010). Trong môi trường yếm khí hoàn toàn, hiệu thế oxy hóa khử luôn đạt giá trị (< -100 mV) (Wiese and König, 2007). Thời gian đầu của quá trình sẽ tồn tại một hàm lượng oxy và vi khuẩn hiếu khí không bắt buộc, các vi khuẩn này sẽ tiêu thụ oxy và là nguyên nhân làm giảm mạnh thế oxy hóa trong hỗn hợp ủ. Sự thay đổi giá trị thế oxy hóa khử trong hỗn hợp mẻ ủ dẫn đến sự tồn tại một số chất trong môi trường ủ, khi giá trị thế oxy hóa khử dưới -150mV, pH trong môi trường ủ khoảng 5 thì a-xít propionnic được hình thành (Lee, 2008).

Tùy thuộc vào giá trị pH trong môi trường ủ mà a-xít propionic và a-xít butyric cao hay thấp, khi giá trị thế oxy hóa khử trong môi trường ủ yếm khí lớn hơn -150mV thì không có lợi cho giai đoạn thủy phân tạo a-xít propionic (Lee, 2008). Trong giai đoạn thủy phân giá trị tối đa của hiệu thế oxy hóa khử là -50 mV và tối thiểu là -452 mV (Kumar et al., 2010). Khí mê-tan được bắt đầu hình thành khi giá trị hiệu thế oxy hóa khử nhỏ hơn -250 mV (Kadlec and Knight, 1996); hoặc nhỏ hơn -200 mV (Mitsch and Gosselink, 2007). Khi đó, các chất nền như CO2 và khí H2 sẽ được biến đổi thành CH4 và H2O. Sự thay đổi giá trị hiệu thế oxy hóa khử cũng làm ảnh hưởng đến sự chuyển hóa cũng như sự xuất hiện một số chất trong môi trường. Do đó, việc theo dõi thông số thế oxy hóa khử trong quá trình ủ sẽ giúp kiểm soát quá trình ủ, nâng cao năng suất sinh khí mê-tan và cải thiện hiệu quả hoạt động của vi sinh vật (Lee, 2008).

2.2.6 pH

Trong quá trình ủ yếm khí, nếu pH cao hoặc thấp đều ảnh hưởng đến sự hình thành khí mê-tan (Raposo et al., 2011). Hầu hết các vi sinh vật sinh khí mê- tan hoạt động tốt nhất khi pH nằm trong khoảng 6,7 – 7,5 (Chandra et al., 2012), trong khi đó các vi khuẩn sinh a-xít có pH tối ưu nằm trong khoảng 5,5 – 6,5 (Ward et al., 2008). Tuy nhiên, nếu pH thấp - thuận lợi cho nhóm vi sinh vật sinh a-xít thì có khả năng gây ức chế nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan và kết quả là sản lượng khí thấp. Nếu pH dưới 5,5 thì vi sinh vật sinh khí mê-tan sẽ bị ức chế làm cho quá trình sinh khí bị kiềm hãm và sản lượng khí mê-tan sẽ giảm 75% (Jain and Mattiasson, 1998). Mỗi giai đoạn trong quá trình hình thành KSH sẽ có ngưỡng pH thích hợp khác nhau, trong giai đoạn sinh a-xít pH có thể giảm thấp đến mức 4,5 – 5,0 (Chandra et al., 2012), quá trình sinh khí mê-tan thì khoảng pH từ 6,7 – 7,5.

Ngoài ra, pH của dung dịch ủ xuống thấp còn là một chỉ thị cho thấy lượng nguyên liệu nạp quá tải hoặc sự tích tụ quá nhiều a-xít làm cho vi sinh vật sinh khí mê-tan không sử dụng hết hoặc vi sinh vật sinh khí mê-tan bị ức chế, trong trường hợp này có thể tạm ngừng nạp hoặc lấy bớt dung dịch lên men, bổ sung thêm nước và nguyên liệu mới vào để pha loãng a-xít tăng giá trị pH của hỗn

hợp ủ đồng thời làm gia tăng hiệu quả của quá trình phân hủy (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009).

2.2.7 Hàm lượng các a-xít béo bay hơi

A-xít béo bay hơi (VFAs) là các a-xít có chuỗi mạch cacbon dưới 6 nguyên tử, thường được gọi là các a-xít béo chuỗi ngắn như là a-xít acetic, a-xít propionic và a-xít butyric. Các loại a-xít béo bay hơi chuỗi ngắn thì không độc với nhóm vi sinh vật sinh mê-tan. Nhóm a-xít béo này được tạo ra và sử dụng bởi các vi sinh vật như nguồn dinh dưỡng bình thường trong các hầm ủ. Tuy nhiên, các a-xít béo này có thể ảnh hưởng gián tiếp đến các vi sinh vật thông qua việc làm pH của mẻ ủ giảm thấp (Golueke et al., 1957). Khi nhóm vi sinh vật sinh mê-tan chưa phát triển đủ số lượng thì khả năng chuyển hóa các a-xit béo thành mê-tan không diễn ra nhanh dẫn đến sự tích lũy các a-xit này và làm pH giảm thấp. Điều này có thể thấy rõ qua pH của mẻ ủ khi nguồn nguyên liệu bị thủy phân nhanh (Ward et al., 2008).

Theo Ehimen et al. (2011) cũng cho rằng sự gia tăng nồng độ VFAs có thể ức chế hoạt động của nhóm vi sinh vật sinh mê-tan. Tỷ lệ a-xit propionic/acetic lớn hơn 1,4 và a-xít acetic lớn hơn 800 mg/L là một tín hiệu cho thấy hoạt động của túi ủ không hiệu quả. Sự tích lũy các a-xit bultyric và valeric cũng gây ra sự ức chế nếu nồng độ đạt mức lớn hơn 6.500 mg/L. Tỷ lệ VFA/độ kiềm cũng thể hiện đặc điểm của quá trình phân hủy. Tỷ lệ này càng thấp thì năng suất sinh khí mê-tan càng cao (Ehimen et al., 2011). Các a-xit béo mạch dài cũng có thể ức chế quá trình lên men yếm khí (Kwietniewska and Tys, 2014). Trong quá trình ủ yếm khí, nồng độ các VFAs thấp trong thời gian đầu, sau đó VFAs tăng thông qua quá trình phân hủy chất hữu cơ, sự tích lũy các VFAs trong hệ thống sẽ làm giảm pH. Thông thường, nước thải đầu ra của các hầm ủ hay túi ủ có nồng độ VFAs rất thấp do đã được vi sinh vật chuyển hóa thành khí mê-tan (Pound et al., 1981). Hàm lượng VFAs phụ thuộc vào từng loại chất nền, tính chất môi trường, các thông số lý học như thời gian lưu, pH và nhiệt độ (Lee, 2008).

Đối với nguyên liệu khó phân hủy thì VFAs được sản xuất ra có thể tăng gấp đôi so với những chất thải từ chăn nuôi do hàm lượng dinh dưỡng cao và cacbonhydrate dễ phân hủy chuyển thành các a-xít béo và protein. Kết quả này dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trong giai đoạn thủy phân và sinh a-xít bởi vì hầu hết các phản ứng tạo a-xít là phản ứng tỏa nhiệt. Khoảng pH tối ưu cho quá trình sản xuất VFAs dao động từ 5,7 – 6,0 (Raposo et al., 2011). Tuy nhiên, khi pH trong môi trường ủ xuống dưới 5,5 và VFAs hơn 66,7 mmol/L sẽ ức chế sự hoạt động của vi sinh vật (Siegert and Banks, 2005; Ward et al., 2008). Trong ủ yếm khí, thành phần thì a-xít acetic đóng vai trò quan trọng hình thành khí mê-tan

nồng độ a-xít acetic và nên giữ ở mức dưới 33,3 mmoL/L (Yadvika et al., 2004). Ở cùng nồng độ, a-xít propionic và a-xít butyric có khả năng gây ức chế vi sinh vật sinh khí mê-tan mạnh hơn a-xít acetic (Ward et al., 2008). Tương tự như pH, sự gia tăng VFAs nhanh chóng trong hỗn hợp ủ có thể là dấu hiệu cho thấy tình trạng dư thừa các a-xít hữu cơ được tạo ra trong giai đoạn sinh a-xít.

2.2.8 Độ kiềm

Độ kiềm của mẻ ủ được xem như là khả năng cung cấp hệ đệm cho vi sinh vật trong quá trình ủ, thành phần của hệ đệm chủ yếu bao gồm bicacbonate, cacbonate và hydroxides (Raposo et al., 2011). Độ kiềm từ 2.500 – 5.000 mgCaCO3/L sẽ cung cấp khả năng đệm tốt hơn (Ren and Wang, 2004), nếu chất thải có hệ đệm cao có thể phối trộn với chất thải có pH thấp để tạo khả năng đệm tốt hơn. Khoảng độ kiềm thích hợp cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 1.000 - 5.000 mgCaCO3/L và tối ưu cho quá trình ủ yếm khí là 2.500 mgCaCO3/L (Ren and Wang, 2004; Mahvi et al., 2004).

2.2.9 Độ mặn

Hệ vi sinh vật trong hệ thống hầm/túi ủ biogas có khả năng thích nghi dần với độ mặn trong nước (Lê Hoàng Việt, 2005). Nồng độ muối ở mức dưới 3o/oo không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sinh khí biogas của hầm/túi ủ (Lê Hoàng Việt, 2005). Do đó, việc phát triển hầm ủ biogas tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp nhiều trở ngại.

2.2.10 Ammonia

Ammonia được tạo ra trong quá trình phân hủy vật chất hữu cơ chứa nitơ nói chung mà thành phần chủ yếu là các protein và urê. Ammonium +) và amonia (NH3) tự do là hai dạng tồn tại chính trong quá trình phân (NH4 hủy vật chất nitơ hữu cơ (Appels et al., 2008), cả hai dạng đạm này đều gây độc cho vi sinh vật thông qua màng tế bào do không cân bằng proton và sự thiếu hụt kali (Chen et al., 2008). Dạng tồn tại của ammonia và ammonium trong môi trường phụ thuộc vào giá trị pH, nhiệt độ và tổng ammonia (Francis- Floyd et al., 2010). Nhiệt độ tăng lên sẽ ảnh hưởng một cách tích cực đến sự hoạt động của vi sinh vật, kết quả làm cho nồng độ ammonia trong môi trường cao. + chuyển sang một tỷ lệ cao hơn ammonia pH tăng làm độc tính tăng do NH4 (NH3). Nồng độ ammonia trong môi trường ủ dưới 200mg/L thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí bởi vì nitơ là dinh dưỡng cần thiết cho sự hoạt động của vi sinh vật (Appels et al., 2008). Nồng độ N-NH3 từ 560 đến 568 mg/L có thể giảm khả năng sinh khí 50% tại pH bằng 7,6 trong điều kiện ưa nhiệt (Sung and Liu, 2003).

2.2.11 Tỷ lệ cacbon và nitơ

Tác giả

Các chất dinh dưỡng có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, liên quan mật thiết đến quá trình phân hủy các chất hữu cơ chứa trong chất thải. Do đó việc cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cho quá trình sản xuất KSH là rất cần thiết (Lương Đức Phẩm, 2009). Tỉ số C/N có trong thành phần nguyên liệu là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của các hợp chất hữu cơ và mức cân bằng dinh dưỡng của mẻ ủ (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003).

Nguyễn Văn Thu (2010) Zhang and Zhang (1999) Nuntiya et al. (2009) Nguyễn Hữu Phong (2009) Nguyễn Trần Tuấn và ctv. (2009) Nguyễn Văn Thu (2010) Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv. (2011)

Tỷ lệ C:N 40,5 75,7 67,3 30 21,4 25 22

%N 1,18 0,46 0,6 1,45 2,23 2 1,71

Lục bình Phân heo

Trong quá trình phân hủy yếm khí thì các vi khuẩn cần một tỉ lệ C/N phù hợp để cho quá trình trao đổi chất và sự phát triển của các vi sinh vật. Tỷ số C/N thích hợp cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 20 – 30, tối ưu nhất cho quá trình sinh khí mê-tan là 25:1 (Chandra et al., 2012). Nếu C/N quá cao sẽ dẫn đến sự tiêu thụ nitơ nhanh chóng dẫn đến thiếu hụt nguồn nitơ cho vi sinh vật hoạt động và kết quả lượng khí sinh ra sẽ thấp. Nếu C/N quá thấp nitơ sẽ được giải phóng và tích lũy dưới dạng ion amonia (NH3) làm gia tăng pH trong quá trình phân hủy sinh học, pH cao hơn 8.5 sẽ gây độc cho quần thể vi sinh vật sinh khí mê-tan (Chandra et al., 2012; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010), tỷ số C/N sẽ phụ thuộc vào từng loại vật liệu khác nhau. Bảng 2.4: Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu nạp được tập hợp từ các nguồn khác nhau Nguyên liệu %C 48 Rơm 34 40,4 43,08 47,7 50 37

Những vật liệu có C/N cao có thể phối trộn với những vật liệu có C/N thấp tạo nên một tỷ lệ phù hợp cho quá trình ủ (Chandra et al., 2012). Chất nền có C/N quá thấp sẽ dẫn đến sự tích lũy ammonia và kiềm chế sản lượng khí mê-tan, C/N quá cao sẽ dẫn đến thiếu nitơ không thuận lợi cho quá trình hình thành protein, năng lượng và các quá trình trao đổi chất cho vi sinh vật sinh khí mê-tan (Chandra et al., 2012). Do đó, sự cân bằng C/N của vật liệu nạp hoặc trong quá trình ủ là điều rất cần thiết.

2.2.12 Mật độ vi sinh vật

Khi mới bắt đầu vận hành hầm ủ, vào khoảng 7 ngày đầu lượng khí sinh ra rất ít và không cháy được do thành phần khí lúc đó chủ yếu là CO2 (Lê Hoàng

Việt, 2005). Hầm ủ chỉ hoạt động ổn định sau khi đưa vào vận hành khoảng 14 ngày. Để quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng, có thể cho chất thải của một hầm ủ đang hoạt động vào một hầm ủ mới để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ). Nếu không có hầm ủ đang hoạt động ở khu vực hoạt động thì hầm ủ bắt đầu xây dựng có thể lấy phân heo ủ kín lại, trong điều kiện không có oxy, các vi khuẩn yếm khí sẽ phát triển, sau khi hầm ủ hoàn thành chúng ta sẽ cho lượng phân này vào hầm ủ để tạo quần thể sinh vật ban đầu cho mẻ ủ. Trong trường hợp này, khoảng 3 ngày thì khí sinh ra đốt cháy được. Hầm ủ sẽ hoạt động ổn định sau 7-14 ngày kể từ lúc bắt đầu vận hành (phụ thuộc nhiệt độ, thể tích hầm ủ, nguyên liệu và lượng chất mồi) (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2015).

2.2.13 Tỷ lệ nạp

Lượng nguyên liệu nạp được tính toán dựa trên cơ sở VS (khối lượng chất rắn bay hơi). Theo Eder and Schulz (2007) tỷ lệ nạp cho hầm ủ từ 1 - 4 kgVS.m-3.ngày-1, tỷ lệ nạp phổ biến từ 2 – 3kg VS.m-3.ngày-1 (Rajendran et al., 2012), đối với nguyên liệu nạp là chất thải rắn hoặc những vật liệu khó phân hủy thông thường lượng nạp từ 0,64 – 1,6 kg VS.m-3.ngày-1 (Appels et al., 2008).

Hàm lượng chất rắn bên trong hỗn hợp ủ chiếm từ 5 - 10% (Rajendran et al., 2012), hàm lượng chất rắn tăng hơn 19% sẽ làm giảm quá trình sinh khí mê-tan (Shyam and Sharma, 1994). Tỷ lệ nạp nguyên liệu cao dẫn đến sự tích lũy chất hữu cơ, lượng nạp quá thấp dẫn đến sản lượng khí sinh ra thấp. Nghiên cứu của Babaee et al. (2013) cho rằng tỷ lệ nạp nguyên liệu dao động từ 1 hoặc lớn hơn 4kg VS.m-3.ngày-1, tùy thuộc vào từng vật liệu là phù hợp cho quá trình ủ yếm khí.

2.2.14 Thời gian lưu

Thời gian lưu là thời gian trung bình nước được lưu giữ trong hệ thống, trong khi thời gian lưu chất rắn là thời gian trung bình chất rắn được sử dụng trong hệ thống (Appels et al., 2008). Thời gian lưu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố chủ yếu là nhiệt độ và đặc điểm của nguyên liệu nạp. Đối với chất thải động vật thời gian lưu thông thường từ 30 – 60 ngày, thời gian lưu có thể lên đến 100 ngày đối với nguyên liệu thực vật (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Quá trình phân hủy yếm khí thường liên quan trực tiếp tới thời gian lưu chất rắn, đây là yếu tố quyết định đến năng suất sinh khí sinh học. Thời gian lưu thấp (<5 ngày) không đủ cho quá trình phân hủy, các a-xít béo bay hơi (VFAs) sẽ tăng lên nhưng vi sinh vật sinh khí mê-tan chưa kịp sử dụng để chuyển hóa thành khí mê-tan. Thời gian lưu chất rắn từ 8–10 ngày lúc này nồng độ VFAs trong hỗn hợp vẫn còn ở mức khá cao, quá trình phân cắt các hợp chất vẫn chưa

hoàn thành, đặc biệt là chất béo. Thời gian lưu chất rắn lớn hơn 10 ngày quá trình phân hủy chất béo bắt đầu, nồng độ VFAs trong hỗn hợp ủ giảm và các hợp chất đều giảm có ý nghĩa, quá trình phân hủy bắt đầu (Appels et al., 2008).

Thời gian lưu là cơ sở chính để thiết kế và vận hành quá trình ủ yếm khí. Trong thực tế, thời gian lưu càng lớn thì khí thu được từ một đơn vị nguyên liệu càng nhiều nhưng đòi hỏi phải có thể tích phân hủy lớn kéo theo vốn đầu tư xây dựng cao. Do vậy, trong thực tế người ta không chọn thời gian lưu để nguyên liệu phân hủy hoàn toàn, mà chọn thời gian lưu sao cho trong thời gian này tốc độ sinh khí mạnh nhất (Nguyễn Quang Khải, 2009).

2.2.15 Tiền xử lý nguyên liệu nạp

Tiền xử lý là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi sinh hóa của sinh khối lignocellulose. Tiền xử lý sẽ làm thay đổi cấu trúc của sinh khối cellulose để cho các enzym dễ tiếp cận với cellulose chuyển đổi các đa phân tử như cacbohydrat thành các loại đường đơn và có thể lên men được (Moisier et al., 2005). Đối với các nguyên liệu thực vật thông thường hàm lượng lignin hiện diện ở mức khá cao, sự có mặt của lignin trong sinh khối hemicellulose sẽ bảo vệ sinh khối, chống lại một vài quá trình phân hủy sinh học và hóa học như nấm, vi khuẩn và các enzyme. Quá trình chuyển đổi sinh khối thành KSH cần phải phân cắt lignin và hemicellulose thành các đường đa phân tử, sau đó vi sinh vật có thể sử dụng để chuyển hóa thành năng lượng sinh học (Chandra et al., 2012). Quá trình tiền xử lý có thể làm tăng sản lượng khí sinh học và làm giảm hàm lượng chất rắn bay hơi. Quá trình tiền xử lý phân cắt vật liệu lignocellulose được thể hiện qua Hình 2.4.

Hình 2.4: Sơ đồ tiền xử lý sinh khối ligniocellulosic (Chandra et al., 2012)

Tiền xử lý nguyên liệu có thể làm tăng sản lượng khí sinh học hoặc giảm hàm lượng các chất rắn bay hơi. Tiền xử lý nguyên liệu có hàm lượng cellulose và lignin cao là biện pháp hữu hiệu trong quá trình phân hủy yếm khí của nguyên liệu thực vật. Có thể chia thành các phương pháp tiền xử lý như sau: vật lý (nhiệt,

cơ khí, siêu âm, vi sóng), hóa học (kiềm, oxy hóa, ozone) và sinh học (enzyme) hoặc kết hợp bất kỳ hai trong số các phương pháp tiền xử lý (Hui et al., 2013).

Trong 3 phương pháp tiền xử lý thì tiền xử lý sinh học là một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường do lignin loại bỏ từ ligincellulose. Ưu điểm của tiền xử lý sinh học là nhu cầu năng lượng thấp và điều kiện hoạt động không khắc khe, khả năng ứng dụng vào điều kiện nông hộ cao. Tuy nhiên, tỉ lệ thủy phân sinh học thường là rất thấp, vì vậy trước quá trình tiền xử lý sinh học đòi hỏi phải có thời gian dài hơn (Sun and Cheng, 2002). Các yếu tố tiền xử lý về lý học và hóa học thường gặp phải một số khó khăn như chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành, khả năng mở rộng quy mô, khấu hao thiết bị là rất quan trọng và đòi hỏi nhiều kỹ thuật. Trong khi tiền xử lý bằng phương pháp sinh học thì không đòi hỏi kỹ thuật và chi phí cao nên hiện tại phương pháp tiền xử lý sinh học vẫn được sử dụng phổ biến hơn các phương pháp tiền xử lý còn lại.

2.2.16 Điều kiện tối ưu và một số chất gây trở ngại

Giai đoạn hình thành khí mê-tan

Thông số

Giai đoạn thủy phân và sinh a-xít

Deublein and Steinhauser (2008)

Nhiệt độ

25 – 35°C

Weiland and Hassan (2001) Ưa ấm (35 – 400C) Ưa ấm (32 – 42°C) Ưa nhiệt (50 – 58°C) Ưa nhiệt (52 – 570C)

5,2 – 6,3 10:1 – 45:1 <40% DM +400 đến -300 mV

6,7 – 7,5 20:1 – 30:1 <30% DM <-250 mV

6,7 – 8,2 20:1 – 30:1 <30% DM <-250mV

Giá trị pH Tỉ lệ C/N DM Thế oxy hóa khử

Để quá trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra hoàn toàn thì môi trường tối ưu là yếu tố cần thiết cho quá trình thủy phân và sinh khí mê-tan. Theo Deublein and Steinhauser (2008); Weiland and Hassan (2001) đã nghiên cứu và cung cấp một số các thông số tối ưu cho các giai đoạn trong quá trình sinh khí mê-tan (Bảng 2.5) như sau: Bảng 2.5: Các yếu tố môi trường tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan

Các độc chất trong mẻ ủ thường ức chế sự phát triển của vi khuẩn yếm khí làm ảnh hưởng đến sự sinh khí của quá trình ủ (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013). Vi khuẩn sinh mê-tan dễ bị ảnh hưởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ, ngăn cản quá trình sinh khí và tăng nồng độ a-xít dễ bay hơi. Một số các tác nhân gây ức chế quá trình sinh khí mê-tan được thể hiện trong Bảng 2.6.

Nồng độ gây ức chế 5,000 ppm 40,000 ppm 0,05 mg/mL 100 mg/L 200 mg/L 200 – 500 mg/L 3,500 – 5,500 mg/L 2,500 – 4,500 mg/L 2,500 – 4,500 mg/L 1,000 – 1,500 mg/L

(Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

Bảng 2.6: Nồng độ gây ức chế của các chất lên quá trình sinh khí mê-tan Chất gây ức chế 2- SO4 NaCl N_NO3 Cu2+ Cr3+ Ni3+ Na+ K+ Ca2+ Mg

Quá trình sinh khí mê-tan là quá trình lên men yếm khí do đó sự có mặt của oxy thường gây ức chế toàn bộ quá trình chuyển hóa. Trong trường hợp này, oxy được xem như là độc chất đối với những loài vi khuẩn yếm khí. Ngoài ra, những chất độc còn có thể có trong dịch lên men là các yếu tố giới hạn cho quá trình sinh khí mê-tan.

2.3 Các nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình ủ yếm khí

2.3.1 Nguyên liệu từ chất thải chăn nuôi

Nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ chăn nuôi được sử dụng phổ biến hiện nay như là phân gia súc, gia cầm và các bộ phận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, các cơ sở chế biến thủy, hải sản (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009). Bên cạnh đó, phân động vật có hàm lượng chất hữu cơ cao cũng được xem là nguồn nguyên liệu phong phú cho quá trình sản xuất khí sinh học, do đã được xử lý sơ bộ trong bộ máy tiêu hóa nên phân dễ dàng phân hủy và thời gian sinh khí diễn ra nhanh hơn (Chambers et al., 2000). Tuy nhiên, thời gian phân hủy của phân gia súc là tương đối ngắn và tổng sản lượng khí thu được từ 1 kg phân cũng không lớn.

Thời gian phân hủy của phân trâu, bò, lợn nhanh hơn so với phân người và phân gà, vịt nhưng năng suất sinh khí lại thấp hơn (Nguyễn Quang Khải, 2009). Lượng khí sinh ra trong quá trình phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như loại con giống, loài, giai đoạn tăng trưởng, số lượng, thức ăn và điều kiện trong quá trình sinh khí (Alastair et al., 2008). Bên cạnh đó, sản lượng khí sinh ra từ hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu, loại nguyên liệu ủ, điều kiện ủ (Nguyễn Văn Thu, 2010). Phân gia súc có hàm lượng ammonia cao sẽ dễ dàng phân hủy hơn (Angelidaki and Ahring, 2000). Tuy nhiên, hàm lượng ammonia lớn hơn nhu cầu cần thiết là yếu tố gây độc đối với

DM 57,57 55,29 54,33 56,09 58,07

C 11,69 17,83 19,15 14,18 10,86

C/N 20,01 25,35 20,55 11,74 26,75

Ca 0,41 0,53 1,01 0,84 1,09

N 0,64 0,95 1,23 1,36 0,51

Mg 0,17 0,37 0,38 0,35 0,28

P 0,16 0,24 0,38 0,60 0,24

K 0,33 0,62 0,54 0,40 0,41

(Hoàng Thị Thái Hòa và Đỗ Đình Thục, 2010)

nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan (Sung and Liu, 2003). Thành phần dinh dưỡng của một số loại phân được thể hiện trong Bảng 2.7. Bảng 2.7: Thành phần hóa học của một số loại chất thải chăn nuôi khác nhau Loại phân Phân trâu Phân bò Phân heo Phân gà Phân vịt

Nguyên liệu

Sản lượng khí (m3/kg)

Thành phần CH4 (%)

Thời gian lên men (ngày)

Phân bò Phân trâu Phân gia cầm Phân gà Phân lợn Phân lợn nhỏ Phân lợn lớn

0,86 1,11 0,46-0,54 0,31 0,69-0,76 0,49 1,02

58 57 58 60 58-60 61 63

10 20 10-15 30 10-15 10 20

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003; Lương Đức Phẩm, 2009)

Phân gia súc là nguồn nguyên liệu nạp hữu cơ hữu ích cho quá trình sản xuất khí sinh học (Ward et al., 2008), thời gian phân hủy của phân gia súc không dài, tổng sản lượng khí thu được từ 1kg phân thường không lớn. Thời gian phân hủy đối với phân trâu, bò lợn nhanh hơn so với phân người, phân gà, vịt nhưng năng suất sinh khí lại thấp hơn (Nguyễn Quang Khải, 2009). Một vài kết quả thử nghiệm khả năng sinh khí của phân được thể hiện trong Bảng 2.8. Bảng 2.8: Năng suất sinh khí của một số nguồn chất thải khác nhau

Yếu tố tác động vào khả năng sinh khí mê-tan của phân phụ thuộc vào loài động vật, cách cho ăn, số lượng, vật chất dùng để lót nền chuồng và quá trình phân hủy diễn ra trong thời gian trữ phân (Ward et al., 2008). Phân chứa hàm lượng ammonia cao, điều này có lợi cho sự phát triển của vi sinh vật, nếu hàm lượng đạm quá thấp sẽ gây bất lợi cho quá trình sinh khí mê-tan (Ward et al., 2008).

Thành phần khí (%) sau 21 ngày

Nguyên liệu

Sản lượng khí (m3/kg nguyên liệu) 30 ngày 24 ngày

CH4

CO2

Phân bò Phân bò + 0,4% bã mía Phân bò + 2,4% lá đậu Phân bò + 1% tro bếp Phân bò + 1% xenlulozo Phân bò + 1% bã mía + 1% urê

0,063 0,071 0,063 0,061 0,084 0,081

0,21 0,21 0,20 0,19 0,21 0,26

60,0 57,6 61,6 50,4 52,8 68,0

1,1 2,1 4,0 2,9 - -

34,3 38,4 32,0 34,4 44,0 30,6

Phân bò + 1% bã mía + 1% CaCO3 Phân bò + lá tạp (1,7%)

0,091 0,081

0,24 0,22

70,0 68,0

- -

28,0 28,0

(Lương Đức Phẩm, 2009)

Bảng 2.9: Khả năng sinh khí của hỗn hợp nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật với chất thải từ các hoạt động chăn nuôi

Nồng độ ammonia cao sẽ thuận lợi khi phối trộn với vật liệu có chứa hàm lượng nitơ thấp cho quá trình ủ yếm khí. Đối với những chất thải chứa hàm lượng chất xơ cao, tiền xử lý có thể giúp cải thiện quá trình sinh khí mê-tan lên tới 20% (Hartmann et al., 2000). Trong trường hợp thiếu nguồn nguyên liệu nạp thì có thể phối trộn với nguồn phế thải có nguồn gốc thực vật làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ biogas.

Sinh khối

Tác giả

2.3.2 Nguyên liệu từ phụ phẩm trong nông nghiệp

Ward et al. (2008) Ward et al. (2008) Ward et al. (2008) Nguyễn Văn Thu (2010) Lương Đức Phẩm và ctv. (2009)

Thân lúa mì Hoa hướng dương Thân bắp Rơm Rơm

Sinh khối thực vật là nguồn nguyên liệu nạp đầy hứa hẹn cho quá trình sản xuất khí sinh học trong tương lai, nguồn nguyên liệu này rất đa dạng bao gồm cỏ, rơm, thân lá ngô, khoai, đậu, lục bình, bèo và sinh khối thực vật khác chiếm số lượng lớn và là nguồn nguyên liệu nạp hữu ích cho quá trình sản xuất khí sinh học (Ward et al., 2008) một vài kết quả thử nghiệm về năng suất sinh khí của các sinh khối thực vật khác nhau được thể hiện qua Bảng 2.10. Bảng 2.10: Năng suất sinh khí từ một số sinh khối thực vật Năng suất sinh khí (m3.kgVS-1) 0,189 0,300 0,390 0,149 – 0,296 0,348

Việc sử dụng sinh khối thực vật cho sản xuất khí sinh học cần phải được tiền xử lý bằng các hình thức lý, hóa và sinh học để phá vỡ lớp vỏ cứng, tăng diện tích tiếp xúc cho vi sinh vật trước khi thực hiện ủ yếm khí (Ward et al.,

2008; Mishima et al., 2006). Thời gian phân hủy của thực vật thường dài hơn so với chất thải của động vật, có thể kéo dài 20 đến 100 ngày, phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và các điều kiện cho quá trình ủ (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009). Thực vật càng già thì khó phân hủy nhưng cho năng suất sinh khí càng cao (Amon et al., 2007). Do vậy, đối với nguyên liệu nạp là thực vật thông thường nên được nạp theo mẻ mỗi mẻ có thể kéo dài từ 3 – 6 tháng (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009).

2.4 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ các phụ phẩm nông nghiệp

2.4.1 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ rơm

a) Hiện trạng sử dụng rơm đồng bằng sông Cửu Long

Rơm là nguồn phế thải trong nông nghiệp, bao gồm phần thân và cành lá của cây lúa. Rơm chiếm khoảng một nửa sản lượng của cây ngũ cốc, như lúa mạch, lúa mì và lúa gạo. Theo số liệu của báo cáo hiện trạng môi trường Việt Nam năm 2014, tổng lượng phụ phẩm nông nghiệp trong canh tác lúa ở Việt Nam vào khoảng 76 triệu tấn/năm, trong đó lượng rơm phát sinh khoảng 38,9-44 triệu tấn (Lim et al., 2012; Ko et al., 2016). ĐBSCL có sản lượng lúa lớn nhất cả nước, do đó lượng rơm phát sinh là rất lớn dao động khoảng 20-24 triệu tấn/năm (Nguyễn Thành Hối, 2014; Van et al., 2014; Arai et al., 2015). Hiện nay, canh tác lúa có mức độ thâm canh rất cao, hầu hết diện tích lúa đều canh tác 3 vụ trong năm, một số vùng 2 năm lên đến 7 vụ (Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn, 2006). Sau khi thu hoạch lúa, để rút ngắn thời gian chuẩn bị kịp cho vụ gieo sạ tiếp theo, nông dân thường chọn phương pháp đốt rơm để vệ sinh nhanh đồng ruộng và có thể bắt đầu vụ lúa mới. Tuy nhiên, đốt rơm gây ra những bất lợi vô cùng to lớn như mất N, giảm vi sinh vật có lợi cho đất, giảm từ 70 – 80% lượng C và N trong rơm (Nguyễn Thành Hối và ctv., 2015). Cày vùi các phụ phẩm trong nông nghiệp sau thu hoạch có thể gây ngộ độc hữu cơ và sản sinh ra các độc tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây lúa (Trần Thị Ngọc Sơn và ctv., 2009). Cho đến nay, đốt rơm vẫn là cách sử dụng giải quyết lượng rơm dư thừa trên đồng ruộng được người dân sử dụng phổ biến nhất ở ĐBSCL do tập quán canh tác lâu đời, nhận thức hạn chế, mong muốn tăng số vụ trong năm.

Mặc dù, các nguồn phụ phẩm nông nghiệp có nhiều tiềm năng sử dụng có thể mang lại các lợi ích cho xã hội, song giá trị thực của nó thường bị bỏ qua do chi phí quá lớn cho các công đoạn thu thập, vận chuyển và các công nghệ xử lý để có thể sử dụng một cách hữu ích. Việc đốt ngoài trời nguồn phế thải này đang gây ra các vấn đề môi trường, làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đồng thời cũng là một sự thất thoát nguồn tài nguyên. Nếu nguồn phế thải này có thể tận dụng để tăng cường cho sản xuất lương thực hay sản xuất nhiên liệu sinh

học thì chúng sẽ không còn là nguồn phế thải nữa mà trở thành nguồn nguyên liệu mới – nguồn năng lượng tái tạo. Cùng với xu thế phát triển nông nghiệp bền vững của thế giới, việc giúp người dân sử dụng lượng rơm dư thừa đúng phương pháp, hạn chế sử dụng phân thuốc hóa học mà vẫn trả lại một lượng chất dinh dưỡng cho đất là rất cần thiết.

Hiện nay biện pháp sử dụng rơm chính ở ĐBSCL bao gồm: chăn nuôi, làm giá thể trồng nấm, đốt rơm, vùi rơm trên ruộng, làm phân hữu cơ, sử dụng làm chất đốt, làm vật liệu xây dựng và đồ thủ công mỹ nghệ (Ngô Thị Thanh Trúc, 2005). Tuy nhiên, các biện pháp sử dụng trên vẫn chưa thật sự mang lại hiệu quả kinh tế cao và tận dụng hết các nguồn nguyên liệu sẵn có ở địa phương và gây nên sự lãng phí các nguồn tài nguyên, đồng thời góp phần làm gia tăng ô nhiễm môi trường.

b) Đặc điểm và tính chất hóa học của rơm

Nuntiya et al. (2009)

Plöchl et al. (2008)

Lim et al. (2012)

13,3

Ẩm độ (%)

8,7

74,7

Chất rắn bay hơi (%)

65,47

86,53

41,5

Cacbon (%)

38,83

40,4

Hydro (%)

4,75

5,6

1.17

Nitơ (%)

0,52

0,6

Oxy (%)

35,47

39,6

Lưu huỳnh (%)

0,05

0,43

Cellulose (%)

37,34

Lignin (%)

5,7

11.7

TKN (g/kg)

7,35

NH3-N (g/kg)

0,07

35,4

C:N

74,6

67,3

Giá trị dinh dưỡng của rơm thấp, chủ yếu là xơ thô (34%), tỷ lệ tiêu hoá kém (<45%) và nghèo dinh dưỡng (protein: 2-3%) đặc biệt là rơm tươi (rơm mới thu hoạch) lại dễ bị nấm mốc. Thành phần chính của rơm là những hydratcacbon gồm: lignoxenlulozơ (37,4%); hemixenlulozơ (44,9%); lignin (4,9%) và hàm lượng tro (oxit silic) cao từ 9 -14% (Ponnamperuma, 1984). Lignoxenlulozơ trong rơm là chất khó phân hủy gây cản trở đến việc sử dụng rơm và làm giảm hiệu quả kinh tế. Ngoài ra, rơm lại rất cồng kềnh khó vận chuyển và bảo quản (Phạm Hồ Hải và ctv., 2008). Bảng 2.11: Một số đặc điểm hóa học của rơm Tính chất

Theo Ponnamperuma (1984) thì rơm chứa khoảng 0,6% N là nguồn cung cấp đạm quan trọng nếu trả lại cho đất. Abou-El-Enin et al. (1999), đã thu thập và phân tích thành phần hóa học của 53 giống lúa trên thế giới (Bảng 2.12).

Giá trị

NDF (%) LIG (%) N (%) Tro (%) Silica (%) Ca (%) Mg (%) K (%) P (%)

Trung bình Nhỏ nhất

62,7 56,6

4,1 3,2

0,53 0,46

18,6 15,3

13,5 10,3

0,17 0,14

0,32 0,23

1,89 1,06

0,05 0,00

Lớn nhất

68,6

4,9

0,86

23,8

17,7

0,23

0,4

2,49

0,12

2,86

0,34

0,07

1,61

1,43

0,02

0,05

0,29

0,03

(Abou-El-Enin et al., 1999)

Ghi chú: NDF hàm lượng chất xơ, LIG là hàm lượng lignin

Bảng 2.12: Tính chất hóa học của rơm (tính trên trọng lượng khô) của 53 giống lúa khác nhau

c) Sản xuất khí sinh học từ rơm

Công nghệ biogas đã có từ rất lâu đời, tuy nhiên ở ĐBSCL công nghệ này chỉ được áp dụng trên một số địa phương nhất định và chưa được phổ biến và nhân rộng cho từng vùng, từng khu vực. Việc kết hợp giữa rơm sau thu hoạch và chất thải chăn nuôi góp phần giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường từ các hoạt động chăn nuôi và cải thiện chất lượng khí sinh học từ hầm ủ, túi ủ trong điều kiện nông hộ chăn nuôi không tập trung với quy mô nhỏ, lẻ. Tuy nhiên, việc áp dụng mô hình biogas kết hợp với chăn nuôi còn rất hạn chế do tốn chi phí đầu tư, thời gian. Việc nhân rộng mô hình xây hầm ủ biogas nếu được thực hiện rộng rãi sẽ không chỉ giúp giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường từ chăn nuôi, mà còn là phương án tiết kiệm năng lượng (cho xã hội), chi phí sử dụng năng lượng (cho từng gia đình) trong bối cảnh tiết kiệm năng lượng và giải quyết lượng rơm dư thừa đang trở nên bức thiết hiện nay. Rơm được bổ sung các hầm khí sinh học, qua sự phân giải và tổng hợp của các vi sinh vật thì các chất hữu cơ trong rơm sẽ chuyển đổi thành khí đốt dùng để đun nấu, thắp sáng,… Phần dịch trong bể là nguồn phân bón rất tốt và sạch, có thể dùng để đưa vào các ao nuôi thủy sản để tăng năng suất vật nuôi (Trần Sương Ngọc và ctv., 2009a,b ; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012).

Nguyên liệu Kích cỡ (mm)

Tác giả

Năng suất sinh khí (mL CH4/gVS)

Rơm

347-367 Zeikus (1997)

195 Fan et al. (1987) 215 Chen and Sheen (2011)

270-290 Lei et al. (2010)

340 Paepatung et al. (2009)

- 50 - 100 - - - 1,6-12,7

130-180 Mital (1996)

Lục bình

- - -

244 Chen and Sheen (2011) 60-190 O'sullivan et al. (2010) 350 Paepatung et al. (2009)

Phân heo

230-620 Ha et al. (1998)

(Raposo et al., 2011)

Bảng 2.13 : Sản lượng khí mê-tan của các nguồn chất thải rắn hữu cơ

2.4.2 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ lục bình

a) Hiện trạng sử dụng lục bình

Lục bình là loài thực vật ngoại lai phát triển nhanh chóng có thể gia tăng số lượng hơn gấp đôi chỉ trong vòng 7 ngày trong môi trường có điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thích hợp (Tag El-Din, 1992) và sản lượng có thể lên tới 140 tấn DM/ha/năm (Abdelhamid and Gabr, 1991), sự phát triển nhanh chóng của lục bình đang gây ra những thách thức lớn cho toàn cầu. Lục bình thích nghi tốt và phát triển nhanh chóng đối với hầu hết các loại hình thủy vực, lục bình thích hợp trong các thủy vực có độ mặn thấp, độ mặn cao là một trong những yếu tố giới hạn cho sự phát triển của lục bình, độ mặn lớn hơn 6‰ sẽ gây chết lục bình, do đó lục bình là một trong những thực vật chỉ thị môi trường có độ mặn (Olivares and Colonnello, 2000; Muramoto et al., 1991). Đồng bằng sông Cửu Long có hệ thống sông ngòi dày đặc đây là một trong những yếu tố thuận lợi cho sự phát triển và phân bố của lục bình. Hiện nay lục bình được sử dụng cho sản xuất các đồ thủ công mỹ nghệ, một số nông hộ sử dụng lục bình cho việc chăn nuôi, tuy nhiên thu nhập từ mô hình này vẫn chưa mang lại hiệu quả kinh tế cao và phụ thuộc vào thị trường (Trần Trung Tính và ctv., 2009). Ngoài ra, lục bình còn được ứng dụng trong xử lý nước thải và hấp thu kim loại nặng (Chu Thị Thu Hà, 2011). Cho đến nay, hầu hết lục bình đều không được sử dụng một cách có hiệu quả, nhiều nơi lục bình phát triển dày đặc gây ảnh hưởng đến giao thông thủy và ảnh hưởng đến đời sống của các thủy sinh vật. Tuy nhiên, với nguồn sinh khối lớn, lục bình sẽ là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc sản xuất nguồn năng lượng tái tạo nếu có phương pháp chuyển đổi hiệu quả.

b) Đặc điểm và tính chất hóa học của lục bình

Gunnarsson and Peterse (2007) 33,4 19,5 9,27

Hemicellulose (%) Cellulose (%) Lignin (%)

Nigam (2002) 48,7 18,2 3,5

Mishima et al., (2008) 27,1 19,7 - (Harun et al., 2011) Hàm lượng vật chất khô thấp là giới hạn chính cho việc thu hoạch, chế biến và sử dụng nguồn sinh khối thực vật. Hàm lượng protein (đạm hữu cơ) 2,9%, hydrat cacbon (đường bột) 0,9%, cellulose (chất xơ) 22%, khoáng tổng số 1,4% (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Một vài đặc điểm và tính chất hóa học của rơm, lục bình được thể hiện trong Bảng 2.15: Bảng 2.15: Tính chất hóa học của lục bình từ các nguồn khác nhau

Thông số (Tính trên %DM)

Abdelhamid and Gabr (1991)

Bolenz et al. (1990)

Chanakya et al. (1993)

Patel et al. (1993a)

Poddar et al. (1991)

Polprasert et al. (1980)

DM (%) Chất hữu cơ Protein Chất xơ Tro Tỉ lệ C/N Hemicellulose Cellulose Lignin Lân Cacbon Đạm Magie Canxi Kali

9,5 74,3 20,0 18,9 25,7 - 29,0 33,4 19,5 - 0,53 - 0,17 0,58 -

6,2 - - - 15,0 - - 22,0 31,0 - - - - - -

Gunnarsson and Mattsson (1997) Tươi Khô 35,6 23,5 0,26 27,6 1,18 4,53

52,07 25,1 0,32 18,54 0,74 2,27

- - - - - 15,8 - - - - 0,5 2,9 - - -

- - 11.9 - 20,2 - - 43,4 17,8 - - - - - -

- 83,61 16,25 16,34 16,39 - 37,72 18,42 25,61 - 0,53 2,76 - 2,29 2,44

9,4 83,65 - - - - - 33,97 18,0 21,68 - - - - -

(Carina and Cecilia, 2007)

Lục bình có khả năng hấp thu mạnh mẽ các chất dinh dưỡng và các chất hóa học khác từ môi trường của nó và thành phần hóa học của LB phụ thuộc vào đặc điểm môi trường sống (Carina and Cecilia, 2007). Lục bình chứa hàm lượng nước khá cao từ 90 – 95% trọng lượng cơ thể. Hàm lượng vật chất khô thấp dao động từ 5 – 9%. Trong đó hàm lượng lignin trong thân thấp chiếm khoảng 10%, hàm lượng cellulose chiếm khoảng 20% và hemicellulose là 30%. Do hàm lượng lignin trong thân thấp đó là một lợi thế cho quá trình sản xuất khí sinh học. Bảng 2.14: Thành phần hóa học của lục bình Thành phần

c) Sản xuất khí sinh học từ lục bình

Năng suất sinh khí

Nguồn

Chất nền

HRT (ngày)

CH4 (%)

(L/g DM)

(L/g VS)

Chanakya et al. (1993) Chanakya et al. (1993)

0.291 0.245

0.348 0.292

300 300

60 W (tươi) 60 W (khô)

- - -

Chynoweth et al. (1983) Ellegard et al. (1983) Hanisak (1980) Moorhead and Nordstedt (1993) Patel et al. (1993a) Patel et al. (1993b) Madamwar et al. (1991)

0.19 - 0.4 - - 0.24 - 0.20 - 0.28 0.293 0.286 0.4

0.19 0.143 0.19

- - - 15 - 60 63 - 67 8 62 - 66 8 - 8

W W W W W W 65 WC

(Carina and Cecilia, 2007)

Ghi chú: W - chất nền là lục bình, WC - phối trộn lục bình với phân gia súc, HRT - thời gian lưu tồn

Phát triển nhanh chóng của lục bình đang gây ra nhiều vấn đề cho môi trường nước như gây tắc nghẽn giao thông, giảm tốc độ dòng chảy gây bồi lắng sông rạch, phân hủy làm ô nhiễm nguồn nước…cùng với việc chăn nuôi tại đồng bằng sông Cửu Long chủ yếu là ở quy mô nhỏ, nên khi thiếu nguồn phân heo các hầm/túi ủ biogas sẽ không thể vận hành, làm giảm hiệu quả kinh tế. Lục bình có thể sử dụng để làm nguyên liệu bổ sung, hoặc thậm chí thay thế cho phân heo để nạp vào hầm ủ biogas trong điều kiện thực tế ở một số hầm ủ, túi ủ biogas bị gián đoạn nguyên liệu nạp do dịch bệnh hay giá cả thị trường biến động nên số lượng heo có thể bị giảm. Bảng 2.16: Tổng hợp các báo cáo về sản lượng khí biogas từ lục bình

Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã xác định lục bình là cây sinh khối có khả năng sử dụng làm nguyên liệu nạp cho quá trình lên men yếm khí (Philipp et al., 1983; Malik et al., 1990; Chanakya et al., 1992; Kivaisi and Mtila, 1998; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012). Do vậy, nghiên cứu lục bình bổ sung vào hầm ủ, túi ủ nhằm đóng góp vào thực tiễn sản xuất khí sinh học một cách bền vững ở đồng bằng sông Cửu Long là rất cần thiết. Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu chứng minh hiệu quả và tìm ra phương pháp tiền xử lý thích hợp cho lục bình. Nhiều nghiên cứu sử dụng lục bình để sản xuất khí sinh học cho thấy hoàn toàn có khả năng tạo ra mê-tan với nồng độ từ 60 - 67%, năng suất sinh khí từ 0,19 – 0,4 lít CH4/g VS (Bảng 2.16).

2.5 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước

Như đã tổng hợp và trình bày ở phần 2.2, đã có nhiều tác giả nghiên cứu về sản xuất khí sinh học cả trong và ngoài nước. Các tác giả ngoài nước chủ yếu nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình sinh khí của vật liệu như

nhiệt độ (Babaee et al., 2013; Boubaker and Ridha, 2010; Chae et al., 2008), pH (Lee, 2008; Moisier et al., 2005, Chandra et al., 2012; Jain et al., 1998), thời gian lưu (Kinyua, 2013, Chandra et al., 2012), hàm lượng các VFAs (Chandra et al., 2012; Raposo et al., 2011; Lee et al., 2008; Siegert and Banks, 2005), thế oxy hóa khử (Chandra et al., 2012; Lee et al., 2008). Các kết quả nghiên cứu đã tìm ra một số yếu tố môi trường tối ưu để sản xuất khí sinh học (Chandra et al., 2012; Raposo et al., 2011; Ward et al., 2008. Kết quả của các nghiên cứu trên là cơ sở lý thuyết quan trọng nhằm kiểm soát các yếu tố môi trường, gia tăng hiệu quả sinh khí.

2.5.1 Tổng quan nghiên cứu về tiền xử lý nguyên liệu trong ủ yếm khí Bên cạnh nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình ủ yếm khí các chất thải hữu cơ, nhiều nghiên cứu phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình để tạo khí sinh học cũng được các tác giả trong và ngoài nước thực hiện. Tổng hợp nhiều công trình nghiên cứu về các biện pháp tiền xử lý thực vật, Behera et al. (2014) đã khẳng định các biện pháp tiền xử lý hóa học như sử dụng a-xít, vôi, hơi nước, CO2, ammoniac, chất lỏng ion, oxi hóa ướt, ozon có thể làm giảm hàm lượng lignocellulose đến mức 90%. Ofoefule et al. (2009) nghiên cứu biện pháp tiền xử lý lục bình bằng KOH để tạo khí sinh học. Tác giả đã chứng minh KOH làm giảm lượng lignin trong thân lục bình, cải thiện giá trị pH giúp vi sinh vật sinh khí mê-tan hoạt động mạnh hơn so với không tiền xử lý. Chất lượng khí sinh học cũng được cải thiện với nồng độ CH4 đạt đến 71%. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng, tiền xử lý bằng KOH góp phần gia tăng tốc độ sinh khí mê-tan nhanh hơn so với lục bình không tiền xử lý. Tuy nhiên, năng suất sinh khí không khác biệt lớn so với lục bình không được tiền xử lý. Nghiên cứu của He et al. (2008) sử dụng NaOH để tiền xử lý rơm cho thấy NaOH làm thay đổi cấu trúc vật lý và đặc điểm hóa học của lignin, hemicellulose và cellulose. Qua đó làm năng suất sinh khí của rơm tăng đáng kể so với không tiền xử lý. Kết quả cho thấy tiền xử lý rơm bằng NaOH nồng độ 6% làm năng suất sinh khí của rơm tăng từ 27,3 - 64,5%. Tiền xử lý bằng NaOH đã làm giảm hàm lượng cellulose, hemicellulose và lignin với các giá trị lần lượt là 16,4, 36,8 và 28,4%. He et al. (2008) cũng cho rằng, dưới tác động của NaOH, thành phần, cấu trúc hóa học và tính chất vật lý của rơm thay đổi và làm cho rơm dễ phân hủy hơn. Song et al. (2012) cho rằng rơm được tiền xử lý bằng H2O2 nồng độ 2,68 % ở nhiệt độ môi trường (25 ± 2)°C trong 6 ngày có năng suất sinh khí mê-tan là 288 ml/gVS. Tiền xử lý bằng H2O2 làm giảm lượng cellulose, hemicellulose và lignin tương ứng 22,0 %, 60,3 % và 12,5%. Zhu et al. (2005) đã sử dụng lò vi sóng (700W) và NaOH nồng độ 1% tiền xử lý rơm trong 30 phút. Kết quả cho thấy rơm giảm trọng lượng tới 44,6%. Hàm lượng cellulose,

lignin và hemicellulose giảm tương ứng 69,2%, 4,9% và 10,2%. Bên cạnh các nghiên cứu trên, Chandra et al. (2012) đã sử dụng biện pháp nhiệt ướt (hydrothermal) để tiền xử lý rơm ở 2000C trong 10 phút và thêm 5% NaOH để ổn định pH. Kết quả cho thấy năng suất khí sinh học và năng suất khí mê-tan tương ứng là 315,9 L/kg VS và 132,7 L/kg VS, tăng lần lượt là 2,3 và 2,2 lần so với rơm không tiền xử lý. Ngoài ra, Chang et al. (2011) nghiên cứu lượng enzyme thủy phân trong rơm được đóng băng ở -20⁰C trong 2 giờ, sau đó rơm được rã đông trong 1 giờ. Kết quả cho thấy phương pháp này đã làm tăng sản lượng enzyme lên khoảng 84%. Nghiên cứu của Gao et al. (2013) cũng cho thấy khi tiền xử lý bằng hỗn hợp dung dịch có chứa ionic đã cải thiện được năng suất sinh khí của lục bình và loại bỏ được 27,1 – 60,4% hàm lượng lignin so với không tiền xử lý.

Một số nhà khoa học của Trường Đại học Cần Thơ cũng đã nghiên cứu về khí sinh học; sử dụng rơm, lục bình tạo khí sinh học trong các dự án như dự án SANSED 1 (Closing Nutrient Cycles with Hygienically Safe Substrates of Decentralized Water Management Systems in the Mekong-Delta project), dự án SANSED 2 và dự án bèo lục bình (VIE/020 - bèo lục bình). Dự án SANSED 1 có một số nghiên cứu về các ưu điểm của hệ thống biogas ở nông hộ, khả năng chấp nhận của nông hộ đối với mô hình biogas, sử dụng nguồn chất thải từ biogas cho sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên dự án SANSED 1 không đề cập đến các nghiên cứu sử dụng rơm, lục bình để tạo khí sinh học mà chỉ tập trung nghiên cứu trong lĩnh vực vệ sinh môi trường và sự chấp nhận của người dân trong áp dụng các mô hình khí sinh học. Kế thừa các nghiên cứu của dự án SANSED 1, dự án SANSED 2 cũng đã tiến hành xây dựng hệ thống biogas 2 giai đoạn tại Hòa An – tỉnh Hậu Giang với mục tiêu xử lý chất thải của khoảng 200 con heo và có khả năng xử lý kết hợp một số loại thực vật khác như rơm và lục bình. Hệ thống biogas của dự án gồm bể chính (bể kỵ khí) với thể tích 50m3, bể thủy phân chất thải nhiều xơ (như rơm, lục bình) với thể tích 10m3 và bể chứa khí 50m3 (Plöchl et al., 2009). Dung dịch thủy phân rơm, lục bình sẽ được chuyển về bể kỵ khí 50m3 để tạo khí sinh học. Trên thực tế hệ thống này chỉ vận hành với chất thải chủ yếu là phân heo. Nghiên cứu không đề cập đến quá trình tiền xử lý rơm và lục bình, cũng như không có các kết luận chính thức về việc tiền xử lý các nguyên liệu này. Dự án SANSED 2 cũng có một số kết quả đánh giá bước đầu tiềm năng tạo khí sinh học của các nguyên liệu như rơm, lục bình, phân bò và phân heo nhưng chỉ ở mô hình nhỏ ở điều kiện in vitro (Plöchl and Nuber, 2009). Dự án SANSED 2 cũng có nghiên cứu khả năng thay thế phân heo của rơm, lục bình và cỏ lông tây (Trung et al., 2009) nhưng không đề cập đến quá trình tiền xử lý nguyên liệu nạp. Ngoài ra, trong dự án bèo lục bình, tác

giả Nguyễn Hữu Phong (2009), Trần Trung Tính và ctv. (2009) đã thực hiện tiền xử lý sơ bộ lục bình (2 ngày) và rơm sau ủ nấm bằng nước thải hầm ủ biogas (10 ngày). Sau đó rơm sau ủ nấm và lục bình được phối trộn với phân heo trên các tỷ lệ phối trộn khác nhau. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng tỷ lệ pha trộn tốt nhất để sản xuất khí sinh học là 50% phân heo kết hợp 50% lục bình. Trong khi đó đối với hỗn hợp phân heo và rơm có tỉ lệ pha trộn tốt nhất để tạo khí sinh học là 75% phân heo phối hợp 25% rơm sau ủ nấm. Dự án bèo lục bình cũng có các nghiên cứu áp dụng hầm ủ mới EQ1 và EQ2 có bộ cánh khuấy cho các nông hộ áp dụng các nguồn nguyên liệu nạp là phân gia súc và rơm/lục bình.

Thảo luận chung: Các kết quả nghiên cứu đã được thực hiện bởi những tác giả ở trên cho thấy các biện pháp tiền xử lý rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học khá đa dạng và phong phú. Các phương pháp tiền xử lý này có thể chia thành vật lý (nhiệt, cơ khí, siêu âm, vi sóng,…), hóa học (kiềm, oxy hóa, ozone,…) và sinh học (enzyme, vi sinh vật,…) hoặc kết hợp (Frigon et al. 2012; Rafique et al. 2010; Zhang et al. 2011; Uma Rani et al. 2012). Tuy nhiên các phương pháp này khó ứng dụng ở quy mô nông hộ, thường yêu cầu trình độ kỹ thuật và chi phí đầu tư cao (Rafique et al., 2010; Sun and Cheng, 2002). Do đó, các kết quả này khó ứng dụng trong điều kiện thực tế, đặc biệt là ở ĐBSCL. Do nước thải từ hầm ủ biogas có sẵn một lượng lớn các vi sinh vật phân hủy kỵ khí nên một số nghiên cứu đã sử dụng nguồn nước này như là một dung dịch để tiền xử lý lục bình (Nguyễn Hữu Phong, 2009; Trần Trung Tính và ctv, 2009) và rơm sau ủ nấm (Nguyễn Hữu Phong, 2009; Trần Trung Tính và ctv, 2009). Mặc dù các nghiên cứu này có sử dụng nước thải biogas để tiền xử lý lục bình và rơm sau ủ nấm để tạo khí sinh học, nhưng không có các so sánh với các phương pháp khác và không tập trung đánh giá tác động của tiền xử lý đến khả năng sinh khí của nguyên liệu. Cho đến nay, vẫn còn khá ít các nghiên cứu chứng minh nguồn nước thải từ hầm ủ biogas tăng tốc độ tạo khí sinh học hay cải thiện chất lượng khí so với các nguồn nước khác. Bên cạnh nước thải biogas, bùn đáy ao cũng chứa nhiều vi sinh vật yếm khí và sẵn có ở điều kiện nông hộ, nhưng hiện vẫn chưa có nghiên cứu nào sử dụng bùn đáy ao để tiền xử lý rơm và lục bình. Do vậy, trong điều kiện của luận án, các phương pháp tiền xử lý hóa học như sử dụng kiềm, H2O2, a-xít,… và vật lý như vi sóng, nhiệt, đóng băng,… khó áp dụng trong điều kiện nông hộ ở ĐBSCL sẽ không được luận án nghiên cứu. Luận án chỉ tập trung nghiên cứu các nguồn nước sẵn có trong điều kiện nông hộ ở ĐBSCL và có thể được sử dụng để tiền xử lý rơm và lục bình với mục tiêu đẩy nhanh quá trình thủy phân, đồng thời bổ sung nguồn vi sinh vật ban đầu cho quá trình phân hủy yếm khí như nước thải biogas, nước bùn đáy ao, nước ao và nước máy.

2.5.2 Tổng quan nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu trong ủ yếm khí Nghiên cứu của Sharma et al. (1988) về ảnh hưởng của kích cỡ vật liệu đến khả năng sinh khí biogas thực hiện trên rơm ở các kích thước 0,088; 0,4; 1,0; 6,0 và 300 mm. Kết quả cho thấy sản lượng khí sinh ra tăng dần khi kích thước giảm dần từ 300mm xuống 0,4 mm. Tuy nhiên kích thước 0,088 mm thì lượng khí sinh ra thấp hơn kích thước 0,4 mm do quá trình thủy phân diễn ra nhanh, tích lũy tức thời VFAs làm giá trị pH giảm thấp. Như vậy, việc cắt nhỏ vật liệu sẽ giúp quá trình phân hủy được thực hiện tốt hơn nhưng kích cỡ vật liệu quá nhỏ có thể làm giảm năng suất sinh khí. Nghiên cứu của Katima (2001) trên các kích cỡ lục bình khác nhau (<1 mm, 1-2 mm và 2-3 mm). Kết quả cho thấy, kích cỡ lục bình ảnh hưởng đến nồng độ khí mê-tan. Lục bình có kích thước <1mm nồng độ khí mê-tan cao hơn 10,5% -15,3% so với lục bình kích thước 2-3 mm. Moorhead and Nordstedt (1993) đã cho thấy năng suất sinh khí mê-tan nằm trong khoảng 0,14 – 0,18 m3/kg VS khi kích cỡ của lục bình dao động từ 1,6 – 12,7 mm. Một nghiên cứu trước đó cho thấy sản lượng khí mê- tan dao động trong khoảng từ 0,255 – 0,327 m3 cho cỏ khô và rơm với kích cỡ nguyên liệu từ 0,5 – 20 mm (Badger et al., 1979). Lê Hoàng Việt (2004) đánh giá khả năng sản xuất biogas từ nước ép lục bình (nước ép lục bình, nước ép lục bình + 5% phân heo và nước ép lục bình + 10% phân heo). Kết quả cho thấy lượng biogas sinh ra từ nước ép lục bình, nước ép lục bình + 5% phân heo và nước ép lục bình + 10% phân heo là 0,317 m3 mê-tan/kg COD bị loại bỏ, 0,31 m3 mê-tan/kg COD bị loại bỏ và 0,317 m3 mê-tan/kg COD bị loại bỏ theo thứ tự. Như vậy nước ép lục bình thích hợp để sản xuất biogas, tuy nhiên hàm lượng chất hữu cơ của nước ép lục bình sau quá trình lên men yếm khí vẫn còn khá cao, cần phải được xử lý thêm trước khi thải ra môi trường. Như vậy, các nghiên cứu đã chỉ rõ kích cỡ vật liệu có ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng khí sinh học với nguyên liệu nạp rơm và lục bình.

Thảo luận chung:

Kích cỡ nguyên liệu cũng là một yếu tố hết sức quan trọng trong quá trình ủ yếm khí. Hầu hết các nghiên cứu đều chứng minh rằng kích cỡ nguyên liệu càng nhỏ thì khả năng phân hủy càng tăng, đồng thời cải thiện tốc độ và chất lượng khí sinh học (Sharma et al., 1988; Katima, 2001; Sanders et al., 2000; Mshandete et al., 2006). Tuy vậy, một số nghiên cứu cũng cho thấy nếu kích cỡ quá nhỏ sẽ làm quá trình thủy phân diễn ra nhanh chóng tạo nhiều a-xit làm giảm pH và có thể ức chế quá trình tạo khí. Các nghiên cứu sử dụng lục bình để tạo khí sinh học trước đây thường cắt nhỏ lục bình ở kích thước <1 mm, 1-2 mm hay 2-3 mm hoặc sử dụng dung dịch ép từ lục bình. Đối với rơm các kích cỡ vật

liệu như 0,088; 0,4; 1,0; 6,0 và 300 mm cũng được sử dụng. Việc cắt nhỏ nguyên liệu thường đòi hỏi chi phí và công lao động, do đó rất khó ứng dụng trong điều kiện nông hộ. Các nghiên cứu ảnh hưởng của kích cỡ rơm và lục bình lên khả năng tạo khí sinh học chủ yếu được thực hiện đơn nguyên liệu mà chưa được nghiên cứu trong điều kiện phối trộn với phân heo. Do vậy cần có những nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ rơm và lục bình trong điều kiện phối trộn phân heo lên khả năng tạo khí sinh học. Nếu kích cỡ rơm và lục bình không ảnh hưởng đến năng suất sinh khí thì sẽ giảm được công lao động rất lớn trong việc cắt nhỏ nguyên liệu.

2.5.3 Tổng quan nghiên cứu về phối trộn nguyên liệu trong ủ yếm khí

Ở Việt Nam, có nhiều tác giả nghiên cứu về khí sinh học nhưng tập trung chủ yếu vào các nguồn nguyên liệu từ chăn nuôi (An and Preston, 1999; Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003; Lương Đức Phẩm, 2009; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010). Một số dự án phát triển khí sinh học đã được thực hiện ở ĐBSCL như dự án SANSED 1, SANSED 2 và dự án bèo lục bình (VIE/020 - bèo lục bình). Các tác giả đã nghiên cứu cụ thể như sau:

- Nghiên cứu của Phạm Tấn Hùng và Nguyễn Văn Thu (2010) vận hành hầm ủ biogas 50m3 của dự án SANSED để sản xuất điện năng tại xã Hòa An, huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang. Nghiên cứu nạp các mức phân heo khác nhau (40, 60 và 80 kg tươi/ngày). Kết quả bước đầu cho thấy hầm ủ 50m3 được xây dựng bởi dự án SANSED có sự vận hành tốt cho kết quả năng suất sinh khí mê-tan dao động (0,2-0,3 m3CH4/kg OM) và chất lượng khí mê-tan là 61,2% CH4.

- Nghiên cứu của Plöchl et al. (2008) tạo khí sinh học trên các loại vật liệu là phân heo, phân gia súc, rơm, lục bình thuộc dự án SANSED cho năng suất sinh khí mê-tan tương ứng là 311; 260; 239 và 462 L/kg ODM. Nồng độ khí mê-tan dao động từ 53 – 63%. Nồng độ mê-tan thấp nhất là nghiệm thức rơm, cao nhất là nghiệm thức phân heo. Nghiên cứu cũng cho thấy lục bình có pH thấp hơn các nguyên liệu khác, giá trị ghi nhận 4.8. Trong nghiên cứu, tác giả đã khẳng định lục bình và rơm có thể ứng dụng để sản xuất khí sinh học. Đối với nghiệm thức lục bình giá trị pH là một thông số cần quan tâm trong suốt giai đoạn sinh a-xít.

- Trong dự án SANSED 2, Nguyễn Văn Thu (2010) đã báo cáo những kết quả bước đầu sử dụng rơm và lục bình tạo khí sinh học. Tác giả đã nghiên cứu các tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa rơm, lục bình với phân heo. Kết quả bước đầu cho thấy năng suất sinh khí được cải thiện khi tăng mức độ thay thế của rơm, lục bình cho phân heo và kết quả năng suất sinh khí

đạt cao nhất ở mức độ thay thế là 50%. Tuy nhiên nghiên cứu chỉ khảo sát bước đầu với 1 lần lặp lại.

- Các tác giả trong dự án bèo lục bình như Nguyễn Hữu Phong (2009); Trần Trung Tính và ctv. (2009) đã thực hiện phối trộn lục bình, rơm sau ủ nấm với phân heo. Kết quả cho thấy việc phối trộn lục bình và phân heo làm gia tăng năng suất sinh khí mê-tan từ 20%-40%. Năng suất sinh khí mê-tan cao nhất ở tỷ lệ phối trộn lục bình và phân heo là 50:50. Bên cạnh đó, phối trộn lục bình và phân heo còn cải thiện hàm lượng khí mê- tan trong khí sinh học, trung bình các nghiệm thức phối trộn có hàm lượng khí mê-tan lớn hơn 55%. Trong khi đó, năng suất sinh khí mê-tan cao nhất là tỷ lệ 75%PH:25%RO. Nếu nạp với tỷ lệ phối trộn rơm trên 25% năng suất sinh khí mê-tan giảm dần so với chỉ nạp 100%PH. Nồng độ khí mê-tan trong thí nghiệm sử dụng rơm sau ủ nấm làm nguyên liệu nạp, hàm lượng khí mê-tan trung bình lớn hơn 60%.

- Bên cạnh các dự án ở ĐBSCL, một số nghiên cứu khác cũng cho thấy phối trộn là một phương pháp hiệu quả trong việc cải thiện quá trình sản xuất khí sinh học (Pound et al., 1981; Kwietniewska and Tys, 2014). Theo Shinnawi et al. (1989) nghiên cứu rơm, thân cây bông phối trộn phân gia cầm trên chất nền là mùn cưa và lúa mì với C/N = 30 và tỷ lệ chất rắn là 10%. Kết quả cho thấy năng suất sinh khí mê-tan cao nhất (14 L/Lít dung dịch ủ) ở nghiệm thức rơm + lúa mì + phân gia cầm. Năng suất sinh khí mê-tan thấp nhất ở nghiệm thức thân cây bông + phân gia cầm + mùn cưa. Nghiệm thức rơm+ mùn cưa+ phân gia cầm cho năng suất sinh khí trung bình là 8L/L dung dịch ủ. Như vậy rơm có khả năng cải thiện năng suất sinh khí cao hơn so với thân cây bông. Tương tự nghiên cứu của Patil et al. (2011) so sánh khả năng sinh khí của lục bình với phân gia súc và lục bình với phân bò ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau. Kết quả khẳng định, phối trộn lục bình với phân gia cầm có sản lượng sinh khí cao hơn so với phối trộn lục bình với phân bò. Kết quả còn cho thấy phối trộn lục bình với phân gia cầm cải thiện đáng kể năng suất sinh khí sinh học.

- Nghiên cứu Somayaji and Khanna (1994) cho rằng rơm và lúa mì khi phối trộn phân gia súc làm tăng năng suất sinh khí mê-tan từ 10-80%. Nghiên cứu không tập trung về kích thước của rơm và lúa mì, tuy nhiên nghiên cứu cũng ghi nhận hiện tượng giảm hàm lượng chất xơ trong nguyên liệu. Trong quá trình ủ biogas kết hợp giữa rơm và phân gia súc, phân gia súc có tác dụng cung cấp khả năng đệm và một loạt các chất dinh dưỡng, trong khi việc bổ sung các nguyên liệu thực vật với hàm

lượng carbon cao giúp cân bằng tỷ lệ carbon với nitơ (C/N) của nguyên liệu, qua đó làm giảm nguy cơ ức chế vi sinh vật mê-tan từ amoniac (Hashimoto, 1983).

- Nghiên cứu của Ye et al. (2013) đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn trong sản xuất khí sinh học với nguồn nguyên liệu rơm, chất thải nhà bếp và phân heo với lượng chất nạp 54 gVS/L. Kết quả cho thấy tỷ lệ tối ưu của các chất thải nhà bếp, phân lợn và rơm là 0,4:1,6:1, trong đó tỷ lệ C/N là 21,7. Kết quả cho thấy phối trộn rơm, chất thải nhà bếp và phân heo theo tỷ lệ 0,4:1,6:1 năng suất sinh khí sinh học là 674,4 L/kg VS cao hơn 71,67% và 10,41% so với các nghiệm thức 100%RO và 100% PH. Tuy nhiên, sự ức chế sản xuất khí sinh học của a-xít béo bay hơi (VFAs) đã xảy ra khi việc bổ sung các chất thải nhà bếp hơn 26%. Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức dao động từ 45,9-70,0%. Nghiên cứu cũng ghi nhận thành phần VFAs chiếm ưu thế là a-xít propionic và acetate.

- Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv. (2012) cho rằng hầm ủ biogas được triển khai ở đồng bằng sông Cửu Long khá chậm do phân heo - nguồn nguyên liệu chính để nạp cho hầm ủ - cung cấp không ổn định bởi các yếu tố như dịch bệnh, giá cả. Vì vậy nghiên cứu này đã tìm kiếm một số loại nguyên liệu có thể dùng làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ biogas bên cạnh nguồn nguyên liệu chính là phân heo (PH) để giải quyết vấn đề này. Hai loại nguyên liệu địa phương phổ biến là lục bình (LB) và rơm sau ủ nấm (RO) được sử dụng trong nghiên cứu. Nghiên cứu trên các mô hình bể phản ứng yếm khí theo mẻ để phân hủy các hỗn hợp phân heo và lục bình (PH+LB); phân heo và rơm sau ủ nấm (PH+RO) trong 28 ngày. Kết quả thí nghiệm đã khẳng định có thể sử dụng lục bình và rơm sau ủ nấm làm nguyên liệu phối trộn với phân heo để nạp vào hầm ủ biogas trong trường hợp thiếu hoặc thậm chí không có nguồn phân heo.

- Nghiên cứu của Ngan et al. (2015) về ảnh hưởng của tỷ lệ C/N của phân heo phối trộn với lục bình và rơm ở ĐBSCL cho thấy ở các nghiệm thức phân heo có phối trộn lục bình và rơm cho năng suất sinh khí cao hơn, đồng thời gia tăng nồng độ khí mê-tan. Tuy nhiên nghiên cứu chỉ đánh giá các nghiệm thức phối trộn có năng suất sinh khí cao hơn nghiệm thức 100% phân heo, chưa đánh giá với các nghiệm thức nạp 100% RO và nghiệm thức nạp 100% LB.

- Nghiên cứu của An et al. (1997) đánh giá hiệu quả từ mô hình túi ủ Polyethylene tại Việt Nam. Nghiên cứu cung cấp các thông số thiết kế và sản xuất khí sinh học của túi ủ, các lợi ích kinh tế, sự tham gia của

nông dân, các vấn đề kỹ thuật và phương pháp phát triển khí sinh học. Kết quả cho thấy mô hình đáp ứng nhu cầu của người dân vùng nông thôn vì chi phí thấp, hoàn vốn nhanh chóng, đơn giản và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Thảo luận chung:

Tổng quan các nghiên cứu cho thấy phân heo, rơm và lục bình là 3 nguồn nguyên liệu có khả năng sản xuất khí mê-tan. Trong đó, phân heo đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu từ trong điều kiện in vitro đến in vivo để sản xuất khí sinh học. Đồng bằng sông Cửu Long cũng đã ứng dụng hàng loạt các mô hình sản xuất khí sinh học với nguyên liệu là phân heo ra ngoài thực tế và được người dân chấp nhận. Tuy nhiên, một thực tế khó khăn khi ứng dụng phân heo làm nguyên liệu nạp ở ĐBSCL là khi tình trạng dịch bệnh, tái đàn hay giảm quy mô sản xuất thì nguồn phân heo bị giảm sút, không đủ cung cấp khí mê-tan cho nông hộ sử dụng. Trong khi đó, nhiều tác giả đã khẳng định phối trộn là một biện pháp hữu hiệu để cải thiện hiệu quả sử dụng khí sinh học, đặc biệt khi kết hợp thực vật với phân gia súc hay gia cầm. Do đó, trong điều kiện ĐBSCL, phối trộn là biện pháp hữu hiệu để giải quyết tình trạng thiếu hụt nguồn phân heo. Một số dự án khí sinh học đã được triển khai để tìm kiếm nguồn thực vật làm nguyên liệu tạo khí sinh học. Kết quả đã bước đầu cho thấy lục bình và rơm là hai nguồn nguyên liệu phổ biến và có thể ứng dụng ở ĐBSCL. Các tác giả cũng bước đầu nghiên cứu sự thay thế phân heo bằng lục bình và rơm ở các mức độ khác nhau và khẳng định thay thế có thể cải thiện số lượng và chất lượng khí mê-tan. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ dừng ở thí nghiệm đánh giá đơn lẻ một yếu tố tác động đến quá trình sinh khí trong điều kiện in vitro hay in vivo. Nghiên cứu trên rơm chủ yếu là sử dụng nguồn rơm sau khi đã ủ nấm. Các tỷ lệ phối trộn giữa các nghiệm thức có khoảng cách khá lớn. Luận án đã cải thiện được những hạn chế trên bằng cách đánh giá toàn bộ các giai đoạn trong quy trình sản xuất khí sinh học với nguyên liệu rơm và lục bình với nhiều tỷ lệ khác nhau, thực hiện theo mẻ và bán liên tục, thí nghiệm từ in vitro đến in vivo. Nghiên cứu thực hiện nhằm tìm tỷ lệ phối trộn tốt nhất trong điều kiện ủ yếm khí theo mẻ, sử dụng kết quả cho ủ yếm khí bán liên tục và thử nghiệm trên mô hình túi ủ PE nhằm đánh giá khả năng thay thế nguyên liệu nạp trong điều kiện thiếu hụt nguồn phân heo.

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Cơ sở lý thuyết

Đồng bằng sông Cửu Long có hệ thống sông ngòi chằng chịt nên lục bình phát triển ở hầu hết các loại hình thủy vực và gây ra nhiều vấn đề cho môi trường nước như gây tắc nghẽn giao thông, giảm tốc độ dòng chảy, gây bồi lắng sông rạch. Ngoài ra, khi lục bình chết sự phân hủy sẽ làm ô nhiễm nguồn nước. Do lục bình sinh trưởng và phát triển nhanh, thích nghi tốt với hầu hết các loại hình thủy vực, vì vậy đây là nguồn sinh khối có tiềm năng để sử dụng cho sản xuất khí sinh học. Trong khi nguồn sinh khối từ rơm chỉ có khi thu hoạch lúa thì lục bình là một nguồn sinh khối dồi dào, và hầu như sẵn có ở các thủy vực xung quanh nông hộ. Đây là nguồn sinh khối có thể được sử dụng để bổ sung cho quá trình sản xuất khí sinh học trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp. Tuy nhiên, để thu gom lục bình sẽ mất nhiều thời gian và nhân lực của nông hộ. Do đó, cần có những nghiên cứu tận dụng được sự tăng trưởng sinh khối nhanh của lục bình để bổ sung cho túi ủ trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp mà không cần phải tốn nhiều nhân công trong việc thu gom. Nghiên cứu khảo sát sự tăng trưởng của lục bình ở các thủy vực khác

Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực trọng điểm trong cả nước về sản xuất lúa gạo. Song song với quá trình canh tác lúa thì lượng rơm rạ thải bỏ hàng năm là rất lớn. Tuy nhiên, lượng rơm rạ trên đồng ruộng rất ít được người dân sử dụng, phần lớn đốt bỏ hoặc cày vùi trên đồng ruộng, đây là biện pháp được người dân sử dụng để giải quyết lượng rơm rạ lớn trên đồng ruộng trong thời gian ngắn. Quá trình đốt rơm trực tiếp trên đồng ruộng làm phát thải một lượng lớn các khí thải gây hiệu ứng nhà kính, đồng thời gây lãng phí nguồn tài nguyên sinh khối này. Một số ít nông hộ tận dụng nguồn rơm rạ cho nhiều hoạt động khác nhau trong nông nghiệp như: trồng nấm, chăn nuôi, canh tác hoa màu nhưng với số lượng không nhiều. Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu vẫn chưa đánh giá được lượng rơm phát sinh hàng năm ở đồng bằng sông Cửu Long, các biện pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch và tổng lượng khí thải (CO2, CO và NOx) phát sinh từ quá trình đốt rơm trên đồng ruộng trong điều kiện ĐBSCL. Rơm là nguồn sinh khối rất có tiềm năng để sản xuất khí sinh học, hiệu quả sinh khí từ rơm được chứng minh bởi một số tác giả trong và ngoài nước. Do đó, để có cơ sở cho việc nghiên cứu sử dụng rơm để sản xuất khí sinh học ở ĐBSCL, nghiên cứu về lượng rơm phát sinh và các biện pháp sử dụng cần được thực hiện. Đây là cơ sở khoa học để nghiên cứu khảo sát lượng dư thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long được triển khai.

nhau đã được thực hiện nhằm tính toán khả năng sử dụng sự tăng trưởng nhanh của lục bình để sản xuất khí sinh học trong điều kiện nông hộ.

Trên cơ sở xác định tiềm năng sinh khối của rơm và lục bình đã cho thấy rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối tiềm năng cho quá trình sản xuất khí sinh học. Tuy nhiên, quá trình sinh khí mê-tan là một quá trình xảy ra phức tạp và liên quan đến rất nhiều các phản ứng sinh hóa khác nhau. Các nghiên cứu về khí sinh học cho thấy khả năng sinh khí của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: pH, nhiệt độ, tỷ lệ C/N, thế oxy hóa khử, mật độ vi sinh vật, phương pháp tiền xử lý vật liệu và các yếu tố khác. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, các thí nghiệm chỉ tập trung đánh giá một số yếu tố chính tác động lên quá trình sinh khí của rơm và lục bình như phương pháp tiền xử lý sinh học, kích cỡ nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn. Luận án đã triển khai các thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của (i) phương pháp tiền xử lý sinh học, (ii) kích cỡ nguyên liệu nạp, (iii) tỷ lệ phối trộn lên khả năng sinh khí sinh học của rơm và lục bình theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ. Bên cạnh đó, thí nghiệm đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình theo phương pháp ủ bán liên tục cũng được thực hiện trên cơ sở kế thừa các kết quả có được của thí nghiệm ủ yếm khí theo mẻ. Nghiên cứu ứng dụng ủ yếm khí bán liên tục rơm và lục bình trên mô hình túi ủ biogas polyethylene ở quy mô nông hộ cũng được thực hiện nhằm đánh giá khả năng ứng dụng trong điều kiện thực tế.

3.2 Khảo sát lượng dư thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu

a) Thu thập số liệu thứ cấp

Số liệu thứ cấp về diện tích lúa, sản lượng lúa được tổng hợp từ Tổng cục Thống kê Việt Nam, Niên giám thống kê các tỉnh Kiên Giang, An Giang, Đồng Tháp, Cần Thơ và các đề tài nghiên cứu có liên quan. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến 2013 tại 4 tỉnh Kiên Giang, An Giang, Đồng Tháp và Cần Thơ.

Hình 3.1: Bản đồ vùng nghiên cứu của các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (http://www.lbcc.edu/Fulbright/documents/CTU.pdf)

b) Phỏng vấn nông hộ

Căn cứ trên số liệu thứ cấp thu thập được, các địa điểm gồm: huyện Châu Thành - An Giang, huyện Giồng Riềng - Kiên Giang, huyện Tháp Mười - Đồng Tháp, Thới Lai - Cần Thơ được lựa chọn để phỏng vấn. Đây là các địa phương có diện tích trồng lúa thâm canh lớn trong vùng ĐBSCL. Mỗi địa điểm tiến hành phỏng vấn 100 hộ. Nông hộ được chọn ngẫu nhiên và phỏng vấn trực tiếp thông qua phiếu phỏng vấn soạn sẵn (Phụ lục 1) với các nội dung chính về diện tích đất trồng lúa, các hình thức sử dụng rơm, biện pháp xử lý rơm sau thu hoạch, số vụ lúa sản xuất trong năm, hình thức thu hoạch, giống lúa sử dụng, năng suất,...

Quá trình phỏng vấn được tiến hành qua các bước:

- Bước 1: Soạn phiếu phỏng vấn

- Bước 2: Tiến hành phỏng vấn thử 05 hộ dân trồng lúa để kiểm tra tính

phù hợp của phiếu phỏng vấn

- Bước 3: Hiệu chỉnh phiếu phỏng vấn cho phù hợp và tập huấn cho phỏng

vấn viên

- Bước 4: Tiến hành phỏng vấn tại khu vực được lựa chọn

c) Thu mẫu sinh khối và xác định trọng lượng tươi

Nghiên cứu được thực hiện trong 2 vụ lúa gồm Đông Xuân và Thu Đông năm 2013. Trong quá trình phỏng vấn và khảo sát, tiến hành chọn năm ruộng canh tác giống lúa phổ biến nhất trong vùng. Mỗi ruộng chọn 05 ô (1m x 1m) để tiến hành thu toàn bộ rơm, hạt (rơm trong nghiên cứu này là phần sinh khối của cây lúa từ gốc trở lên, không bao gồm phần rễ). Sau khi xác định trọng lượng tươi, toàn bộ mẫu được đưa về phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên để xác định trọng lượng khô.

3.2.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

a) Phương pháp tính toán

 Tỷ lệ rơm:lúa

(3.1)

R =

(cid:3024)(cid:3293) (cid:3024)(cid:3283)

Tỷ lệ rơm : lúa được tính theo công thức:

 Lượng rơm phát sinh sau thu hoạch

R: Tỷ lệ rơm:lúa Wr: trọng lượng khô của rơm (kg) Wh: trọng lượng lúa (ẩm độ 14%) (kg)

Lượng rơm phát sinh của mỗi vụ được tính dựa công thức sau:

Lượng rơm phát sinh = Sản lượng lúa x Tỷ lệ rơm : lúa (3.2)

 Ước lượng rơm đốt ngoài đồng

Lượng rơm đốt ngoài đồng ruộng được ước tính theo công thức (Gadde et al., 2009):

Qst = Qp x R x k (3.3)

Trong đó:

Qst: Lượng rơm đốt ngoài đồng ruộng (tấn); Qp: sản lượng lúa (tấn); R: tỷ lệ rơm so với sản lượng lúa; k: tỷ lệ rơm đốt ngoài đồng ruộng so với tổng lượng rơm (căn cứ kết

quả khảo sát thực tế theo mùa vụ).  Ước tính lượng khí phát thải từ việc đốt rơm

(3.4)

Ei = Qst x EFi x Fco

Trong đó:

Ei: lượng khí thải i phát thải vào môi trường do đốt rơm ngoài đồng ruộng (kg);

EFi: hệ số phát thải khí thải i từ việc đốt rơm ngoài đồng ruộng (kg/tấn) (căn cứ trên kết quả nghiên cứu của Gadde et al. (2009) với ECO2 = 1464; ECO = 34,7; ENOx = 3,1);

Fco: tỷ lệ chuyển đổi thành khí thải khi đốt rơm. Fco = 0,8 (Aalde et al., 2006; Gadde et al., 2009)

b) Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu sau khi phỏng vấn được tổng hợp, mã hóa, xử lý các thông tin

bằng phần mềm Microsoft Excel 2010.

3.3 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau

Đặc điểm thủy vực

Thủy vực

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu

Sông

- Thủy triều lên xuống 2 lần trong ngày - Biên độ triều dao động khoảng 2 m - Tần suất đi lại của các phương tiện giao thông

thủy khá cao

Kênh dẫn nước

- Môi trường nước thường xuyên bị xáo trộn - Kênh cấp nước giữa ao và sông - Mực nước thường ổn định trong khoảng 0,7m

Ao nuôi cá

- Diện tích 180 m2, nuôi cá sặc rằn với mật độ 23

con/m2

- Đây là thủy vực tiếp nhận nước thải sau túi ủ biogas (chất thải từ phân heo và nhà vệ sinh qua xử lý bằng túi ủ PE 0,8 x 0,8 x 10 m)

- Mực nước ổn định trong khoảng 1,2 – 1,4 m - Độ sâu trung bình 1,2 m, rộng 3 m, mực nước dao

Mương vườn

động trong khoảng từ 0,8 – 1 m

- Thủy vực dạng nước tỉnh, không trao đổi nước

Thí nghiệm khảo sát sự tăng trưởng của lục bình được thực hiện trên bốn thủy vực khác nhau gồm sông, kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương vườn tại ấp Mỹ Phụng, xã Mỹ Khánh, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ. Mỗi thủy vực bố trí 3 ô thí nghiệm với diện tích 2m x 2m, mỗi ô bố trí 10 cây lục bình. Bảng 3.1: Đặc điểm các loại hình thủy vực khác nhau STT 1

Trước khi tiến hành thí nghiệm lục bình được tập hợp từ các thủy vực gần địa điểm bố trí thí nghiệm sau đó thuần dưỡng trong 20 ngày nhằm tạo điều kiện cho lục bình sinh trưởng đồng đều. Lục bình chọn bố trí cho các lô thí nghiệm phải tương đồng nhau về trọng lượng (170 – 200 g), chiều dài cuống lá (25-30 cm), rễ (17-19 cm) và số lá (7-8). Theo Abdelhamid and Gabr. (1991) trong điều kiện môi trường thích hợp lục bình có thể gia tăng số lượng gấp đôi chỉ trong

3-, TP và COD mỗi tuần.

vòng 7 ngày. Do đó 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 đại diện để xác định trọng lượng khô. Đặc điểm lý hóa học môi trường - +, N-NO3 nước của các thủy vực được thu và đo đạc các thông số pH, N-NH4 TKN, P-PO4

Chiều dài thân được đo từ gốc cho đến điểm cao nhất của phiến lá;

Chiều dài rễ: được đo từ gốc cho đến điểm dài nhất của rễ;

Số lá và số chồi: dùng phương pháp đếm và ghi nhận lại số chồi và số lá

của tất cả các cây lục bình trong ô thí nghiệm.

3.3.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

 Lượng vật chất khô của lục bình được xác định theo công thức sau:

× 100

a) Phương pháp tính toán số liệu

(cid:2907)(cid:3177) (cid:2907)(cid:3178)

DM (%) = (3.5)

Trong đó:

DM: phần trăm vật chất khô trên trọng lượng tươi (%)

Wt: trọng lượng của mẫu trước khi sấy (g)

Ws: trọng lượng của mẫu còn lại sau khi sấy 105oC (g)

 Xác định thời gian nhân đôi của lục bình

DT =

ln2 (lnW(cid:2930) − lnW(cid:2925))/t

Thời gian nhân đôi của lục bình được tính theo công thức sau:

(3.6) Trong đó:

DT: thời gian nhân đôi của lục bình (ngày) Wt: trọng lượng ở thời điểm t (g) Wo: trọng lượng thời điểm ban đầu (g) t: khoảng thời gian từ thời điểm ban đầu đến thời điểm t (ngày)

 Công thức tính toán tiềm năng sản xuất khí sinh học từ lục bình

(3.7) V = Wtươi x TS x VS x R

Trong đó:

V: thể tích khí sinh ra trên một đơn vị diện tích (L.m-2.ngày-1) Wtươi: trọng lượng tươi của lục bình trên một đơn vị diện tích (kg) TS: phần trăm chất rắn trên trọng lượng tươi (%) VS: phần trăm chất rắn bay hơi trên lượng trọng lượng khô (%) R: tỷ lệ sinh khí của từng vật liệu (L.kgVS-1)

b) Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu bố trí thí nghiệm được thu thập và phân tích sẽ được thống kê mô tả và kiểm tra tính đồng nhất của phương sai. So sánh trung bình (one-way ANOVA, kiểm định Duncan ở độ tin cậy 95%) bằng phần mềm IBM SPSS 20.0, vẽ đồ thị bằng phần mềm SigmaPlot 10.

3.4 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý và kích cỡ của rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học bằng phương pháp ủ theo mẻ

3.4.1 Cơ sở lý thuyết Các kết quả nghiên cứu về khí sinh học trước đây đã cho thấy hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, kích cỡ nguyên liệu, khuấy trộn, thế oxy hóa khử, pH, VFAs, độ kiềm, tỷ lệ C/N của nguyên liệu, mật độ vi sinh vật, tỷ lệ nạp, thời gian lưu, tiền xử lý, phối trộn. Kế thừa những nghiên cứu trước đây, các yếu tố quan trọng của quá trình ủ yếm khí như tiền xử lý vật liệu, kích cỡ nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn được lựa chọn nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này lên quá trình sinh khí. Đây cũng là các yếu tố mà trong điều kiện thực tế áp dụng, nông hộ có thể ứng dụng được. Do vậy, luận án chỉ tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của tiền xử lý, kích cỡ, tỷ lệ phối trộn rơm, lục bình lên khả năng tạo khí sinh học. Tiền xử lý là bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi sinh hóa của sinh khối và là một bước quan trọng trong quá trình sinh khí mê-tan (Alvira et al., 2009; Carvalheiro et al., 2008; Hendriks and Zeeman, 2008; Taherzadeh and Karimi, 2008). Tiền xử lý bao gồm phương pháp vật lý, hóa học sinh học và sự kết hợp của các phương pháp tiền xử lý lý-hóa-sinh học. Các yếu tố tiền xử lý về lý học và hóa học thường gặp phải một số khó khăn như chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành, khả năng mở rộng quy mô, khấu hao thiết bị là rất quan trọng và đòi hỏi nhiều kỹ thuật. Trong khi tiền xử lý bằng phương pháp sinh học thì đòi hỏi những kỹ thuật và chi phí cao. Tiền xử lý sinh học được xem là một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường. Cơ sở của phương pháp này là dùng vi sinh vật hoặc enzym để phân giải các vách tế bào thực vật. Ưu điểm của tiền xử lý sinh học là nhu cầu năng lượng thấp và điều kiện hoạt động không khắc khe. Tuy nhiên, tỷ lệ thủy phân sinh học thường là rất thấp, vì vậy trước quá trình xử lý sinh học đòi hỏi phải có thời gian xử lý dài (Cardona and Sanchez, 2007; Sun and Cheng, 2002; Tengerdy and Szakacs, 2003).

Trong nghiên cứu của luận án này chỉ tập trung nghiên cứu sử dụng các nguồn nước sẵn có trong điều kiện nông hộ và có thể được sử dụng để tiền xử lý vật liệu với mục tiêu đẩy nhanh quá trình thủy phân, đồng thời bổ sung nguồn vi sinh vật ban đầu cho quá trình phân hủy yếm khí. Dựa vào điều kiện thực tế tại các nông hộ vùng đồng bằng sông Cửu Long, nghiên cứu đã chọn 04 loại nước để tiền xử lý vật liệu gồm (1) nước máy; (2) nước thải biogas; (3) nước bùn đáy ao và (4) nước ao.

Việc giảm kích cỡ vật liệu sẽ làm tăng quá trình phân hủy sinh học, kích cỡ vật liệu là một yếu tố giới hạn cho quá trình phân hủy yếm khí. Kích cỡ vật liệu nhỏ sẽ làm tăng quá trình phân hủy sinh học (Sanders et al., 2000), kích cỡ càng nhỏ thì càng tốt. Thông thường kích cỡ vật liệu nhỏ quá trình phân hủy diễn ra dễ dàng hơn do vi sinh vật có thể tiếp xúc tốt với bề mặt vật liệu và tăng hiệu suất sinh khí sinh học (Mshandete et al., 2006). Kích cỡ vật liệu ủ thường được đề nghị <10mm, nếu vật liệu sử dụng khó đạt được kích cỡ trên thì nên cắt vật liệu nhỏ (Hansen et al., 2004). Nhằm đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu nạp, các kích cỡ nguyên liệu từ nguyên trạng (không cắt nhỏ) đến cắt nhỏ ở mức 1cm đã được lựa chọn để nghiên cứu. Bốn nhóm kích cỡ nguyên liệu đã được lựa chọn cho thí nghiệm gồm (1) không cắt, (2) cắt nhỏ đoạn 20cm, (3) cắt nhỏ đoạn 10cm và (4) cắt nhỏ đoạn 1cm. Mặc dù, trong điều kiện thực tế, việc cắt nhỏ rơm và lục bình đến 1cm rất khó thực hiện và tốn nhiều công sức nhưng để có thể đánh giá tổng quát mức ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu đến quá trình sinh khí thì kích cỡ 1cm cũng được lựa chọn để thí nghiệm.

3.4.2 Vật liệu nghiên cứu

Phương pháp thực hiện

Các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm rơm, lục bình và phân heo.

Phơi khô trong mát khoảng 10 ngày Cắt ngắn thành từng đoạn với kích thước 1cm, 10cm, 20cm và không cắt trộn đều.

2 Lục bình

Nguồn Thu gom từ các nông hộ trồng lúa sau khi thu hoạch trong khu vực Tp. Cần Thơ Thu từ các kênh rạch tại phường Ba nhỏ Láng, Tp. Cần Thơ

Phân heo

Thu gom từ trại chăn nuôi heo quy mô nhỏ ở phường Tân Phú Thạnh – huyện Châu Thành – Hậu Giang.

Lục bình sau khi thu được loại bỏ rễ Phơi khô trong 10 ngày. Cắt ngắn thành từng đoạn với kích thước 1cm, 10cm, 20 cm và không cắt trộn đều. Phân heo tươi được thu gom tại trại chăn nuôi Phơi khô trong mát khoảng 10 ngày Nghiền nhỏ và trộn đều.

Phương pháp chuẩn bị các vật liệu được thể hiện trong Bảng 3.2. Bảng 3.2: Phương pháp chuẩn bị các vật liệu nghiên cứu TT Nguyên liệu 1 Rơm

VS (%) 83,95 84,3 71,2

N (%) 0,92 1,73 1,99

C:N 53,2 28,3 20,8

Trước khi tiến hành thí nghiệm, các nguyên liệu: rơm, lục bình và phân heo được thu mẫu để xác định các thành phần TS (%), VS (%), C (%), N (%) và C/N của từng vật liệu. Đặc tính hóa học của từng nguyên liệu nạp được thể hiện qua Bảng 3.3. Bảng 3.3: Đặc tính hóa học của nguyên liệu nạp trong thí nghiệm ủ theo mẻ C (%) Vật liệu nạp 48,7 Rơm 48,9 Lục bình 41,3 Phân heo

3.4.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm

 Các phương pháp tiền xử lý

Phương pháp thực hiện

Nguồn

a) Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình lên khả năng sinh khí sinh học

2 Nước thải biogas

Lấy từ nguồn nước cấp Nước máy sau khi thu được để thoáng tự nhiên có sục khí để loại bỏ chlorine trong nước Lấy trực tiếp từ đầu ra của túi ủ Trữ trong điều kiện kín khí Trộn đều nước thải trước thí nghiệm

3 Nước bùn đáy ao

Thu từ túi ủ biogas đang hoạt động ở xã Long Hòa, huyện Phong Điền, TP. Cần Thơ Bùn đáy ao tại khoa MT & TNTN - ĐHCT

4 Nước ao

Lấy phần bùn ở đáy ao, trộn đều với nước máy với tỷ lệ bùn : nước (1:9 theo trọng lượng) Trộn đều trước thí nghiệm Lấy nước mặt trực tiếp ao, trộn đều nguồn nước trước khi thí nghiệm

Nước ao tại Khoa MT & TNTN - ĐHCT

Dựa vào điều kiện thực tế tại các nông hộ vùng đồng bằng sông Cửu Long, nghiên cứu đã chọn 04 loại nước để tiền xử lý vật liệu gồm (1) nước máy; (2) nước thải biogas; (3) nước bùn đáy ao và (4) nước ao. Đây là các nguồn nước sẵn có trong điều kiện nông hộ và có 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. Bảng 3.4: Các phương pháp chuẩn bị các loại nước tiền xử lý rơm và lục bình TT Nguyên liệu 1 Nước máy

Một số đặc điểm lý hóa học của các loại nước sử dụng cho tiền xử lý các

nguyên liệu nạp được thể hiện trong Bảng 3.5.

Bảng 3.5: Tính chất hóa học các loại nước sử dụng để tiền xử lý vật liệu

Thông số

Đơn vị

Nước máy

Nước ao Bùn đáy ao

Nước thải biogas

7,28 KPH 1,13 65

7,96 250,1 55,72 938

7,22 15,4 1,12 138

7,37 52,0 10,87 350

pH TN TP Độ kiềm

- mg/L mg/L mgCaCO3/L

KPH

COD

mg/L

KPH

1.122 3,5×104

25,6 5,4×103

1.511 1,6×105

Tổng VSV yếm khí MPN/100mL

Ghi chú: KPH = không phát hiện

 Phương pháp bố trí

Thí nghiệm được bố trí hoàn toàn 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. Trên thân bình ủ được thiết kế một ống đo đạc các yếu tố môi trường và ống dẫn khí (Hình 3.2). Tất cả các điểm nối trong hệ thống điều được sử dụng lớp đệm bằng cao su để đảm bảo hệ thống kín nước và kín khí hoàn toàn.

Túi nhôm chứa khí

Van

Ống thu mẫu

Phần chứa dịch ủ

Hình 3.2: Mô hình ủ yếm khí theo mẻ

Nguyên liệu nạp cho mỗi bình ủ được tính toán dựa trên hàm lượng chất rắn bay hơi (VS), tỷ lệ nguyên liệu nạp được tính toán cho thí nghiệm là 1g VS.L-1.ngày-1. Lượng VS tính toán để nạp cho mẻ ủ là 45 ngày, như vậy lượng VS chứa trong mỗi bình ủ là 1g VS.L-.ngày-1 × 17L × 45 ngày = 765g VS. Tỷ lệ phối trộn giữa rơm, lục bình, phân heo và lượng nguyên liệu nạp cho mỗi nghiệm thức được thể hiện trong Bảng 3.6.

Vật liệu

Lượng VS nạp cho mỗi bình ủ (g) Phân heo Rơm Lục bình Tổng cộng

Tỉ lệ Phương pháp LB : PH tiền xử lý 50 : 50 Nước máy Nước thải biogas 50 : 50 Nước bùn đáy ao 50 : 50 50 : 50 Nước ao 50 : 50 Nước thải biogas 50 : 50 Nước bùn đáy ao 50 : 50 50 : 50 Nước ao 100 : 0

Rơm Lục bình Nước máy Phân heo -

382,5 382,5 382,5 382,5 382,5 382,5 382,5 382,5 765,0

382,5 382,5 382,5 382,5 - - - - -

- - - - 382,5 382,5 382,5 382,5 -

765 765 765 765 765 765 765 765 765

Bảng 3.6: Lượng nguyên liệu nạp và tỷ lệ phối trộn của các nghiệm thức

Rơm và lục bình được tiền xử lý bằng nước máy, nước thải từ túi ủ biogas, nước bùn đáy ao và nước ao trong bình nhựa với thời gian là 5 ngày trước khi nạp vào mẻ ủ, quá trình tiền xử lý được tiến hành trong điều kiện hiếu khí, mỗi ngày các vật liệu đều được trộn đều. Sau khi qua tiền xử lý các vật liệu được nạp vào bình ủ và theo dõi liên tục trong 60 ngày.

b) Xác định ảnh hưởng của các kích cỡ rơm và lục bình lên khả năng sinh khí sinh học

Thí nghiệm được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong điều kiện phòng 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 không cắt), lục bình (gồm 4 kích thước 1 cm, 10 cm, 20 cm và không cắt) và phân heo. Thí nghiệm được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong bình ủ 21 lít trong đó thể tích hỗn hợp ủ là 17 L (Hình 3.2). Rơm và lục bình được phối trộn với phân heo theo tỷ lệ 50:50 (%VS) (Bảng 3.7). Vật liệu được tiền xử lý trong nước thải biogas trong 5 ngày, mỗi ngày vật liệu được trộn đều nhằm gia tăng hiệu quả của quá trình tiền xử lý. Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ (Hình 3.2). Kích cỡ vật liệu và lượng nguyên liệu nạp cho mỗi bình ủ được thể hiện qua Bảng 3.7.

Vật liệu

Kích cỡ

C/N

Rơm Lục bình Phân heo

Không cắt 1cm 10 cm 20 cm Không cắt 1cm 10 cm 20 cm Nghiền nhỏ

RO/LB :PH 50 : 50 50 : 50 50 : 50 50 : 50 50 : 50 50 : 50 50 : 50 50 : 50 0 : 100

37.0 37.0 37.0 37.0 31.9 31.9 31.9 31.9 20,8

RO 382.5 382.5 382.5 382.5 - - - - -

VS (g) LB - - - - 382.5 382.5 382.5 382.5 -

PH 382.5 382.5 382.5 382.5 382.5 382.5 382.5 382.5 765.0

Total VS 765.0 765.0 765.0 765.0 765.0 765.0 765.0 765.0 765.0

Bảng 3.7: Lượng nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn và kích cỡ vật liệu nạp

c) Các thông số theo dõi

- Các yếu tố môi trường trong mẻ ủ gồm pH, nhiệt độ và thế oxy hóa khử

được đo đạc hàng ngày.

- Trước khi tiến hành ủ yếm khí và sau thời gian 20, 30, 45 và 60 ngày hỗn hợp mẻ ủ được thu mẫu để xác định các thông số TS, VS, TN, TP, COD và vi sinh vật (Tổng coliform, Fecal coliform và tổng vi sinh vật yếm khí).

- Lượng khí sinh ra hàng ngày của mỗi mẻ ủ được trữ trong túi nhôm để

xác định tổng thể tích khí và nồng độ khí CH4.

3.4.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

a) Phương pháp tính toán

 Công thức tính toán lượng nguyên liệu nạp

Lượng nguyên liệu nạp cho từng vật liệu được tính toán theo công thức sau:

W = ORL. V. HRT.

10(cid:2872)

1 VS

1 TS

(3.8)

Trong đó:

- W: tổng khối lượng vật liệu khô cần nạp trong điều kiện thường (g)

- OLR: tỷ lệ nguyên liệu nạp (gVS.L-1.ngày-1)

- V: thể tích hỗn hợp ủ (L)

- HRT: thời gian lưu (ngày)

- TS: phần trăm chất rắn còn lại sau khi nung ở 105oC đến trọng lượng

không đổi (%)

- VS: phần trăm chất rắn bay hơi sau khi nung ở 550oC trong 3 giờ (%)

 Năng suất sinh khí

Năng suất sinh khí tính trên lượng nguyên liệu phân hủy được tính toán

NSSK (L. kgVS(cid:2879)(cid:2869)) =

theo công thức (3.9):

∑ V(cid:2930) ∑ W(cid:2930)

(3.9)

Trong đó:

- NSSK: năng suất sinh khí (L.KgVS-1)

- ∑Vt: tổng thể tích khí sinh ra đến thời điểm t (L)

- ∑Wt: tổng lượng VS đã phân hủy/nạp trong thời gian t.

b) Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu sau khi đo đạc và phân tích được tổng hợp và xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010, kiểm tra tính đồng nhất của phương sai trước khi thực hiện thống kê, so sánh tổng thể tích khí tích dồn và năng suất sinh khí của các nghiệm thức bằng phương pháp phân tích phương sai ANOVA với phép thử Duncan ở độ tin cậy 95% bằng phần mềm IBM SPSS 20.0. Vẽ đồ thị bằng phần mềm SigmaPlot 10.

3.5 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của phân heo, rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ

3.5.1 Cơ sở lý thuyết

Trong quá trình phân hủy yếm khí thì các vi khuẩn cần một tỉ lệ C/N phù hợp để cho quá trình trao đổi chất và sự phát triển của các vi sinh vật. Tỷ số C:N thích hợp cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 20 – 30, tối ưu nhất cho quá trình sinh khí mê-tan là 25:1 (Chandra et al., 2012). Trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu này, việc phối trộn các nguồn nguyên liệu khác có khả năng duy trì hoạt động của hệ thống khí sinh học được liên tục, giúp ổn định mô hình này. Nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm/lục bình với phân heo lên khả năng sinh khí sinh học, các tỷ lệ phối trộn gồm 100%, 80%, 60%, 50%, 40%, 20%, 0% của rơm/lục bình và phân heo đã được nghiên cứu. Với các tỷ lệ phối trộn này thì tỷ lệ C/N của nguyên liệu nạp dao động từ 23,5 đến 52,9 đã được nghiên cứu. Như vậy, tỷ lệ C/N nằm trong và ngoài khoảng tối ưu đều được nghiên cứu đánh giá.

3.5.2 Vật liệu nghiên cứu

Rơm được thu gom từ các nông hộ quận Bình Thủy, Tp. Cần Thơ vụ Thu

Đông (giống lúa IR50404), phơi khô.

Lục bình được thu gom trong khu vực thành phố Cần Thơ, loại bỏ rễ, lấy

phần thân và lá, phơi trong 10 ngày.

VS (%) 82,8 83,4 63,2

%C 48,03 48,38 36,65

%N 0,85 1,73 1,54

C/N 56,5 24,6 23,8

Phân heo được thu từ trang trại nuôi heo quy mô nhỏ tại xã Tân Phú Thạnh, huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang. Phơi trong mát sau đó nghiền nhỏ và trộn đều để tạo mẫu đồng nhất. Một số đặc điểm của nguyên liệu nạp VS (%), C (%), N (%) được thể hiện qua Bảng 3.8. Bảng 3.8: Đặc tính hóa học của rơm, lục bình và phân heo sử dụng trong thí nghiệm Vật liệu Rơm Lục bình Phân heo

3.5.3 Nước thải biogas

Nước thải sau túi ủ biogas đang hoạt động được thu tại phường Long Tuyền, quận Bình Thủy, thành phố Cần Thơ để chuẩn bị cho quá trình tiền xử lý và ủ vật liệu. Trước khi tiến hành ủ yếm khí, 200 mL phần cặn từ túi ủ biogas được bổ sung vào mỗi bình ủ nhằm tạo nguồn vi sinh vật yếm khí ban đầu cho tất cả mẻ ủ.

3.5.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm

Thí nghiệm được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên với 13 nghiệm thức ở các tỷ lệ nạp nguyên liệu rơm và lục bình phối trộn với phân heo khác nhau (Bảng 3.9), bố trí thí nghiệm được thực hiện trong bình nhựa 21 L, thể tích hỗn hợp ủ 17L (Hình 3.1). Nguyên liệu nạp được tính toán trên cơ sở VS cho 45 ngày nạp, lượng VS chứa trong mỗi bình là 765 g VS (chiếm 4,5% của dung dịch ủ) 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.

Vật liệu

Tỷ số C/N

Rơm Lục bình Phân heo

Tỷ lệ phối trộn (vật liệu : phân heo) 20 : 80 40 : 60 50 : 50 60 : 40 80 : 20 100 : 0 20 : 80 40 : 60 50 : 50 60 : 40 80 : 20 100 : 0 0 : 100

Khối lượng VS cần nạp (g) Lục bình - - - - - - 153 306 382,5 459 612 765 -

Phân heo 612 459 382,5 306 153 - 612 459 382,5 306 153 - 765

Rơm 153 306 382,5 459 612 765 - - - - - - -

26,2 29,8 32,1 34,7 41,8 52,9 25,1 27,0 28,1 29,3 32,1 35,6 23.5

Bảng 3.9: Các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo theo các tỷ lệ khác nhau

3.5.5 Các thông số theo dõi

- Các yếu tố môi trường trong mẻ ủ gồm pH, nhiệt độ và thế oxy hóa khử

được đo trực tiếp trong các bình ủ vào mỗi ngày.

- Trước khi tiến hành ủ yếm khí và sau thời gian 20, 30, 45 và 60 ngày hỗn hợp mẻ ủ được thu mẫu để xác định các thông số TS, VS, TN, TP, COD và vi sinh vật (Tổng coliform, Fecal coliform và vi sinh vật yếm khí).

- Tổng thể tích khí và thành phần khí sinh học được tiến hành đo đạc mỗi ngày.

3.5.6 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

a) Phương pháp tính toán số liệu

Khối lượng nguyên liệu được tính toán theo công thức (3.8). Năng suất sinh khí của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo được tính theo công thức (3.9).

b) Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu sau khi đo đạc và phân tích được tổng hợp và xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010, kiểm tra tính đồng nhất của phương sai trước khi thực hiện thống kê, so sánh tổng khí tích dồn và năng suất sinh khí của các nghiệm thức được thực hiện theo phương pháp phân tích phương sai ANOVA với phép thử Duncan ở độ tin cậy 95% bằng phần mềm IBM SPSS 20.0.

3.6 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ theo phương pháp bán liên tục

3.6.1 Vật liệu nghiên cứu Rơm sử dụng cho thí nghiệm được thu từ các nông hộ trồng lúa trong khu

vực Tp. Cần Thơ, giống lúa IR50404, phơi khô trong 10 ngày.

Lục bình được tập hợp từ các kênh rạch trong khu vực thành phố Cần Thơ,

loại bỏ rễ, phơi khô trong 10 ngày.

Phân heo được thu gom từ trang trại nuôi heo quy mô nhỏ tại xã Tân Phú Thạnh, huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang, phơi khô trong mát, sau đó nghiền nhỏ, trộn đều tạo đồng nhất.

VS (%) 83,7 81,2 54,6

N (%) 0,73 1,74 2,04

C (%) 48,1 47,1 31,7

Các vật liệu nghiên cứu được chuẩn bị một lần cho toàn bộ quá trình bố trí thí nghiệm (60 ngày), vật liệu khô được trữ trong bọc nylon, bảo quản trong điều kiện khô, mát. Trước khi tiến hành thí nghiệm vật liệu được thu mẫu đại diện để xác định các thông số VS (%), C (%), N (%). Bảng 3.10: Đặc điểm hóa học của nguyên liệu nạp – ủ yếm khí bán liên tục C:N Vật liệu nạp 65,9 Rơm 27,1 Lục bình 15,5 Phân heo

Nước thải biogas 7,60 1230

Đơn vị - mg CaCO3/L

Nước mồi 7,22 226,7

VFAs

mmol/L

1,1

1,5

g/L mg/L

1,1 162,7

- 73,5

COD + N-NH4 3-

P-PO4 TS VS TKN TP Tổng coliform Fecal coliform VSV yếm khí

mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L MPN/100mL MPN/100mL MPN/100mL

42,3 2,4 1,0 230,5 157,8 1,6x105 27 9 x102

95,6 39,0 27,5 879,2 142,6 9 x105 70 1,6 x103

Nước thải sau túi ủ biogas đang hoạt động được thu tại phường Long Tuyền, quận Bình Thủy, thành phố Cần Thơ để tiền xử lý vật liệu và ủ yếm khí. Mỗi bình ủ được bổ sung 200 mL từ phần cặn lắng trong túi ủ biogas (nước mồi) nhằm bổ sung lượng vi sinh vật sinh khí mê-tan ban đầu. Bảng 3.11: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi Thông số pH Độ kiềm

3.6.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm

Lượng nguyên liệu nạp (gVS.ngày-1)

Nghiệm thức

Khuấy trộn

Rơm

Tổng

100% RO 100% RO 50% RO +50% PH 50% RO +50% PH 100% LB 100% LB 50% LB +50% PH 50%LB +50% PH 100% PH 100% PH

- Khuấy trộn - Khuấy trộn - Khuấy trộn - Khuấy trộn - Khuấy trộn

Lục bình - - - - 50 50 25 25 - -

Phân heo - - 25 25 - - 25 25 50 50

50 50 25 25 - - - - - -

50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

Thí nghiệm được bố trí hoàn toàn 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 không khuấy trộn (Bảng 3.12). Mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần trên bộ ủ yếm khí bán liên tục với thể tích ủ là 50 L (Hình 3.3). Bảng 3.12: Các nghiệm thức phối trộn rơm, lục bình với phân heo trong mẻ ủ bán liên tục

(a)

(b)

Mô hình ủ được thiết kế các ống nạp nguyên liệu, ống xả, ống đo đạc các thông số môi trường và ống dẫn khí. Nguyên liệu nạp được tính toán 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.

Hình 3.3 Mô hình ủ yếm khí bán liên tục không khuấy (a) và khuấy trộn (b)

3.6.3 Các chỉ tiêu theo dõi

- Các yếu tố môi trường trong mẻ ủ gồm pH, nhiệt độ và thế oxy hóa 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.

- Mẫu nước dung dịch ủ trước và sau khoảng thời gian 30, 45, 60 ngày được thu để xác định độ kiềm, TS, VS, COD, TN, TP và vi sinh vật (tổng coliform, Fecal coliform và VSV yếm khí).

- Tổng thể tích khí và thành phần khí sinh học được tiến hành đo đạc mỗi ngày.

3.6.4 Các phương pháp tính toán và xử lý số liệu

a) Phương pháp tính toán

Lượng nguyên liệu nạp hàng ngày được tính toán theo công thức số (3.8), năng suất sinh khí của các nghiệm thức tính trên lượng nguyên liệu nạp được tính theo công thức (3.10).

(cid:2879)(cid:2869) ) =

NSSK (mL. gVS(cid:2924)ạ(cid:2926)

∑ V(cid:2930) ∑ m(cid:2930)

(3.10)

Trong đó

- NSSK: năng suất sinh khí tính trên lượng nguyên liệu nạp VS

-1)

(L.KgVSnạp

- ∑ V(cid:2930): tổng thể tích khí sinh ra trong khoảng thời gian t - ∑ m(cid:2930): tổng khối lượng nguyên liệu nạp VS trong khoảng thời gian t

b) Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu sau khi đo đạc và phân tích được tổng hợp và xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010, thực hiện thống kê mô tả, kiểm tra tính đồng nhất của các phương sai trước khi phân tích thống kê. Thực hiện phép phân tích phương sai ANOVA, phép thử Duncan để so sánh năng suất sinh khí của các nghiệm thức ở mức tin cậy 95% bằng phần mềm IBM SPSS 20.0.

3.7 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 mô nông hộ

3.7.1 Vật liệu nghiên cứu

Rơm được thu từ nông hộ trồng lúa quận Bình Thủy – Tp. Cần Thơ với giống lúa IR50404 trồng vụ Đông Xuân. Rơm sau khi thu hoạch được phơi khô trong 10 ngày.

Lục bình (loại bỏ phần rễ) sử dụng trong thí nghiệm được thu trên kênh, rạch

ở khu vực ấp Mỹ Phụng – xã Mỹ Khánh – huyện Phong Điền – Tp. Cần Thơ.

VS (%) 88,50 84,70 79,68

C/N 88,50 27,14 23,82

%C 51,33 49,13 46,22

%N 0,58 1,81 1,94

Phân heo được thu gom từ các nông hộ chăn nuôi heo, mẫu được phối trộn đồng đều trước khi nạp vào túi ủ. Tất cả các nguyên liệu đều được thu mẫu đại diện để phân tích một số đặc điểm hóa học (Bảng 3.13). Bảng 3.13: Thành phần hóa học của nguyên liệu Nguyên liệu Rơm Lục bình Phân heo

Nước thải biogas 7,21 490 0,62 0,96 67,6 35,5 1,12 0,43 89,2 63 1,6x103 1,5x102 1,6 x102

Đơn vị - mgCaCO3/L mmol/L g/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L MPN/100mL MPN/100mL MPN/100mL

Nước mồi 7,15 620 3,58 - 87,4 57,2 46,5 33,7 1575 865 - - -

Nước thải biogas cho tiền xử lý rơm và lục bình được lấy từ túi ủ biogas. Để đẩy nhanh quá trình sinh khí, 20L nước mồi được lấy từ phần cặn túi ủ biogas và bổ sung vào các túi ủ (nước mồi). Một vài đặc tính lý – hóa học của nước thải biogas và nước mồi được thể hiện qua Bảng 3.14. Bảng 3.14: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi sử dụng trong thí nghiệm túi ủ PE trong điều kiện nông hộ Thông số pH Độ kiềm VFAs COD + N-NH4 3- P-PO4 TS VS TKN TP Tổng coliform Fecal coliform VSV yếm khí

3.7.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm

Nghiên cứu được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên với 5 nghiệm thức trong túi nhựa PE - là một trong những túi biogas phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long, với đường kính 0,86 m, chiều dài 10 m, thể tích hỗn hợp ủ là 4,24 m3 (Hình 3.4).

Hình 3.4 Mô hình ủ yếm khí ứng dụng thực tế trên túi ủ PE

Vật liệu

VS (kg/Vủ)

TS (kg/Vủ)

TL tươi (kg/Vủ)

100% rơm 50% rơm+50% phân heo 100% lục bình 50% lục bình+50% phân heo 100% phân heo

4,24 4,24 4,24 4,24 4,24

4,79 5,05 5,00 5,16 5,32

5,55 8,77 62,56 31,28 17,53

Nguyên liệu nạp được tính toán 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. Bảng 3.15: Các nghiệm thức bố trí thí nghiệm ứng dụng thử nghiệm trên túi ủ PE trong điều kiện nông hộ

Thời gian vận hành của các túi ủ sẽ được theo dõi và ghi nhận trong suốt quá trình thí nghiệm. Trong nghiên cứu này thời gian vận hành được định nghĩa là thời gian bắt đầu nạp nguyên liệu cho đến khi túi ủ không còn khả năng tiếp nhận nguyên liệu nạp nữa và cần phải tiến hành bảo trì để loại bỏ các bã thải, chất xơ trong túi ủ.

3.7.3 Các chỉ tiêu theo dõi

 pH của mỗi túi ủ được đo đạc hàng ngày tại đầu vào và đầu ra của hệ thống.  Độ kiềm, TN, TP, VS, COD và vi sinh vật (Fecal coliform và vi sinh vật

yếm khí) của mẫu nước được thu theo chu kỳ 10 ngày/lần.

 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.

3.7.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

Lượng nguyên liệu nạp hàng ngày được tính toán theo công thức (3.8),

năng suất sinh khí của các nghiệm thức được tính toán theo công thức (3.9).

Các số liệu sau khi đo đạc và phân tích sẽ được tổng hợp và tính toán bằng

phần mềm Microsoft Excel 2010, vẽ đồ thị bằng phần mềm SigmaPlot 10.

3.8 Phương pháp phân tích mẫu

Các phương pháp đo đạc, phân tích mẫu và các thiết bị chính sử dụng trong

Thiết bị chính Máy đo pH HM-3IP – DKK TOA (Nhật) Buret, máy đo pH

Chỉ tiêu pH/ Nhiệt độ/ thế oxy hóa khử Độ kiềm (mg CaCO3/L)

COD (mg/L)

Bếp nung, buret

Ẩm độ (%)

Phương pháp phân tích Đo trực tiếp bằng máy đo pH/nhiệt độ/ thế oxy hóa khử Phương pháp chuẩn độ bằng a-xít H2SO4 0,02N với chỉ thị metyl cam (APHA, 1998; 2320B) Phá mẫu bằng dung dịch K2Cr2O7 và chuẩn độ bằng FAS 0,1N (APHA, 1998; mã số 5220B) Sấy khô ở 105 oC đến trọng lượng không đổi

(Model

sấy Memmert

Hữu cơ bay hơi (VS %) TN (%N)

Nung 550oC trong 3 giờ (APHA, 1998) Công phá bằng H2SO4 và chưng cất bằng phương pháp Kjeldahl

TP (%P)

Cân điện tử Sartorius CP 324 (độ chính xác ±0,1 mg) Tủ ULE7000) – Đức Cân điện tử Sartorius CP 324 (Đức) lò vô cơ hóa Lenton 550oC (Anh) Bếp Công phá mẫu Gerhalt Đức giàn Kjeldahl tự động Gerhalt Vapodest 45, Đức Máy so màu Hitachi U-2800, Nhật

Vi sinh vật

(TCVN

Lượng khí biogas sinh ra hàng ngày

Ống nghiệm, pipette, tủ hấp vô trùng, tủ ủ. Đồng hồ đo khí Ritter TG 02 và TG3-Mod. 2 (Đức)

CH4 (%)

Công phá bằng a-xít HClO4 và 3- bằng H2SO4, xác định PO4 phương pháp a-xít Ascorbic (SMEWW 4500-P; APHA,1998) Phương pháp MPN 8775:2011) Lượng khí sinh ra được lưu trữ trong túi nhôm 24 giờ. Sau đó đo thể tích khí bằng máy đo thể tích (Drum-type Gas Meter) Thành phần khí được đo bằng phương pháp sắc ký khí

A-xít béo bay hơi

Sắc ký lỏng cao áp (HPLC)

(Shimadzu, Máy GC 2014AT Nhật), đầu dò TCD (nhiệt độ đầu dò 240oC), cột chạy mẫu 60/80 Carboxen-1000 column (L×O.D×I.D: 4.57m × 3.1mm × 2.1mm). Nhiệt độ lò cột là 180oC, tốc độ dòng 5 mL/phút Máy HPLC (Ultimate 3000 - Thermo Scientific - US) đầu dò UV cột chạy mẫu 300 x 7.8 mm (Aminex® HPX- 87H, Bio-rad, US). Nhiệt độ lò cột là 50oC, tốc độ dòng 0,6 mL/phút

phân tích được trình bày ở Bảng 3.16 Bảng 3.16: Phương pháp phân tích và các thiết bị chính được sử dụng

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Ước tính lượng rơm dư thừa và một số biện pháp xử lý rơm ở đồng bằng sông Cửu Long

4.1.1 Các hình thức xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long

Kết quả khảo sát được trình bày ở Bảng 4.1 cho thấy có 6 biện pháp xử lý rơm được người dân lựa chọn là: đốt rơm trên đồng, vùi trong đất, trồng nấm, bán, chăn nuôi và cho rơm. Ở vụ Đông Xuân có 4 hình thức xử lý rơm là đốt, trồng nấm, bán và cho rơm. Trong đó, có 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 xử lý phổ biến nhất ở vụ Đông Xuân.

Đông xuân

Hè Thu

Thu Đông

Hình thức xử lý

Diện tích (ha)

Tỷ lệ (%)

Diện tích (ha)

Tỷ lệ (%)

Diện tích (ha)

Tỷ lệ (%)

Bán Đốt Trồng nấm Vùi trên ruộng Cho Chăn nuôi Bỏ trên ruộng

6,24 842,31 8,45 - 0,52 - -

0,73 98,23 0,99 - 0,06 - -

10,92 768,98 10,79 57,01 9,69 0,13 -

1,27 89,67 1,26 6,65 1,13 0,02 -

25,03 463,89 69,81 223,78 14,11 3,12 57,78

2,92 54,1 8,14 26,1 1,65 0,36 6,74

Kết quả thống kê (Bảng 4.1) cho thấy ở vụ Hè Thu có 6 hình thức xử lý rơm, nhiều hơn Đông Xuân hai hình thức là vùi rơm và dùng rơm cho chăn nuôi. Tỷ lệ các hộ xử lý rơm sau thu hoạch bằng biện pháp đốt là 89,7%, vùi là 6,7%, sử dụng để trồng nấm là 1,3%, bán là 1,3%, chăn nuôi là 0,02% và cho người khác là 1,1%. Đốt rơm vẫn là biện pháp xử lý phổ biến nhất của các nông hộ ở vụ Hè Thu. Tuy nhiên, tỷ lệ đốt rơm đã giảm đi so với vụ Đông Xuân, giảm từ 98,2% xuống còn 89,7% (Bảng 4.1). Bảng 4.1: Các hình thức xử lý rơm phổ biến qua các mùa vụ

Vụ Thu Đông, các hình thức xử lý rơm của người dân là đa dạng nhất so với các mùa vụ khác trong năm. Ở vụ Thu Đông, đốt rơm vẫn chiếm tỷ lệ lớn nhưng đã giảm nhiều so với Đông Xuân và Hè Thu, tỷ lệ đốt rơm giảm chỉ còn 54,1%, các biện pháp khác ngoài đốt rơm đều tăng tỷ lệ. Tỷ lệ vùi rơm tăng cao hơn so với vụ Hè Thu đạt 26,1%, số hộ trồng nấm tăng lên 8,14%, bán rơm là 2,92%, chăn nuôi là 0,36% và cho rơm là 1,65% (Bảng 4.1). Phương pháp xử lý rơm của người dân và tỷ lệ phần trăm mỗi phương pháp xử lý rơm ở các mùa vụ trong năm là rất khác nhau. Trong ba vụ lúa, người dân đốt rơm ở vụ Đông Xuân nhiều nhất. Nguyên nhân là do thời gian thu hoạch vụ Đông Xuân có thời

tiết thuận lợi, trời thường nắng nóng nên tỷ lệ rơm cháy khi đốt cao hơn và thời gian cháy cũng nhanh hơn. Vụ Hè Thu và Thu Đông do thời tiết không được thuận lợi như vụ Đông Xuân thường có mưa nhiều nên tỷ lệ các hộ đốt rơm giảm, các hộ nông dân thường đốt rơm khi trời nắng và cày vùi rơm khi trời mưa. Theo tập quán canh tác, người dân đốt rơm để vệ sinh đồng ruộng chuẩn bị sản xuất vụ tiếp theo, đồng thời lượng tro sau khi đốt được làm phân để bón cho ruộng.

Địa điểm

Giồng Riềng- Kiên Giang Tháp Mười- Đồng Tháp Thới Lai - Cần Thơ Châu Thành - An Giang Trung bình

Đông Xuân 76 100 100 100 94

Hè Thu 66 99 94 97 89

Thu Đông 7 96 5 74 45,5

Trong những năm gần đây, máy gặt đập liên hợp đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều tại các tỉnh ĐBSCL. Tuy nhiên, lượng rơm sau khi dùng máy gặt đập liên hợp để thu hoạch được dàn trải trên ruộng nên rất khó thu gom. Vì vậy, người dân thường bỏ rơm tại ruộng, sau đó đốt nếu thời tiết nắng, khô ráo hoặc vùi lấp nếu gặp thời tiết bất lợi như mưa hay ruộng ngập nước. Bên cạnh đó, vụ Hè Thu và Thu Đông là nguồn cung cấp rơm chính cho những hộ dân trồng nấm rơm nên vào hai vụ này người mua rơm nhiều, giải thích cho tỷ lệ bán rơm cao ở một số khu vực khảo sát. Tuy nhiên, đối với những ruộng gặt tay, do điều kiện thời tiết mưa nhiều và một số hộ có ruộng ở xa, giao thông không thuận tiện nên không thể bán rơm hay mang rơm về nhà cho mục đích khác nên họ phải bỏ rơm ngoài đồng cho rơm tự phân hủy. Kết quả điều tra còn cho thấy đa số nông dân (hơn 95%) có xu hướng giữ nguyên tập quán đốt rơm trong các năm tiếp theo. Bảng 4.2: Tỉ lệ hộ dân sử đốt rơm trên đồng ruộng sau thu hoạch Phần trăm số hộ đốt rơm

Kết quả khảo sát ở các khu vực nghiên cứu về tỉ lệ nông hộ lựa chọn biện pháp đốt rơm trên đồng sau khi thu hoạch được trình bày ở Bảng 4.2. Đa số các hộ đều chọn phương pháp đốt rơm ở vụ Đông Xuân và vụ Hè thu. Ở vụ Thu Đông thì tỉ lệ hộ đốt đồng ít hơn là do vào vụ Thu Đông có mưa nhiều khó khăn trong việc đốt đồng. Ở huyện Giồng Riềng, tỉ lệ hộ đốt rơm thấp hơn so với các huyện khác do đặc thù địa hình nơi đây trũng thấp bên cạnh chọn phương pháp đốt rơm họ còn chọn phương pháp vùi rơm vào đất.

4.1.2 Khuynh hướng xử lý rơm của người dân ở đồng bằng sông Cửu Long

Khuynh hướng xử lý rơm trên đồng ruộng phụ thuộc rất nhiều vào số vụ sản xuất lúa trong năm, yếu tố thời tiết cũng như các điều kiện canh tác của từng

Hình thức xử lý

Đốt Trồng nấm Bán hoặc cho Vùi rơm Chăn nuôi

Đông Xuân 98,75 0,75 0,5 - -

Phần trăm số hộ Hè Thu 96,5 0,5 1,25 1,75 -

Thu Đông 91,25 0,5 1,5 6,5 0,25

Ghi chú: kết quả thống kê dựa trên số liệu phỏng vấn của 400 hộ dân

nông hộ. Ở các địa phương khảo sát, đốt rơm vẫn là biện pháp mà người dân xử lý rơm phổ biến nhất (Bảng 4.1), trong 4 tỉnh thành khảo sát có 3 tỉnh gồm An Giang, Cần Thơ và Đồng Tháp có xu hướng đốt rơm là nhiều nhất, Kiên Giang là địa phương có các hình thức xử lý rơm đa dạng nhất. Bảng 4.3: Xu hướng xử lý rơm trong những năm tiếp theo

Bên cạnh hình thức đốt rơm trực tiếp trên đồng ruộng thì vùi rơm vẫn là hình thức khá phổ biến ở ĐBSCL do đặc điểm về điều kiện khí hậu. Vụ Đông Xuân có điều kiện thuận lợi nhất cho việc sản xuất lúa trong năm, đồng thời khi thu hoạch thường có nắng nóng nên thuận lợi cho việc đốt rơm ngoài đồng. Ở vụ Hè Thu và vụ Thu Đông do mưa nhiều nên việc đốt rơm không thuận lợi như vụ Đông Xuân nên các hộ nông dân thường chọn vùi rơm trực tiếp trên đồng ruộng. Các hình thức xử lý rơm khác thì ít được phổ biến phụ thuộc vào điều kiện canh tác của từng nông hộ.

Kết quả nghiên cứu cho thấy hầu như tất cả người dân đều có xu hướng lựa chọn biện pháp đốt rơm trên đồng ruộng cho các năm tiếp theo (Bảng 4.3). Kết quả phỏng vấn cho thấy 98,75% (vụ Đông Xuân), 96,5% (Vụ Hè Thu) và 91,25% (vụ Thu Đông) hộ dân sẽ vẫn lựa chọn biện pháp đốt rơm trên đồng ruộng để xử lý nguồn sinh khối này trong những năm tiếp theo. Xu hướng lựa chọn các hình thức xử lý rơm khác chiếm tỷ lệ rất thấp (Bảng 4.3). Xu hướng xử lý rơm còn cho thấy nhận thức của người dân về vấn đề đốt rơm là rất hạn chế. Việc đốt rơm trên các diện tích rộng lớn của vùng ĐBSCL sẽ ảnh hưởng lớn đến môi trường đất, không khí, ảnh hưởng sức khỏe con người và góp phần làm gia tăng biến đổi khí hậu (IPCC, 2007; Gadde et al., 2009). Việc đốt rơm còn gây lãng phí một nguồn tài nguyên sinh khối to lớn (Ngô Thị Thanh Trúc, 2005). Vì vậy, xác định được xu hướng xử lý rơm trong các mùa vụ tiếp theo của người dân là rất quan trọng để có những kiến nghị, biện pháp hạn chế việc đốt rơm của người dân, đồng thời tái sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hợp lý và hiệu quả nhất.

4.1.3 Ước tính lượng rơm phát sinh sau thu hoạch

a) Tỷ lệ rơm: lúa

Thu Đông

Đông Xuân

Địa điểm

Trung bình Lớn nhất Nhỏ nhất Trung bình Lớn nhất Nhỏ nhất

1,02±0,07 1,33±0,09 1,08±0,05 1,21±0,12

1,10 1,39 1,14 1,34

0,92 1,27 1,01 1,12

0,98±0,11 1,28±0,09 0,92±0,10 1,27±0,10

1,10 1,42 1,07 1,39

0,85 1,19 0,80 1,21

Giồng Riềng Tháp Mười Thới Lai Châu Thành Trung bình

1,16±0,08

1,24

1,08

1,11±0,01

1,25

1,01

Ghi chú: Số liệu được trình bày bằng TB±SD, n=25

Tỷ lệ rơm: lúa dao động trong khoảng 0,92 - 1,33 trong đó thấp nhất là ở Thới Lai trong vụ Đông Xuân tỷ lệ 0,92±0,10 và cao nhất là ở Tháp Mười trong vụ Thu Đông với tỷ lệ 1,33±0,09 (Bảng 4.4). Tỷ lệ rơm: lúa có liên quan mật thiết với giống lúa và năng suất lúa ở mỗi mùa vụ. Kết quả nghiên cứu ở Bảng 4.4 cho thấy tỉ lệ rơm ở vụ Đông Xuân thường thấp hơn so với vụ Thu Đông. Điều này có thể được lý giải là do ở vụ Đông Xuân, lúa cho năng suất cao nhất trong năm còn vụ Thu Đông thường có năng suất thấp. Tháp Mười và Châu Thành là hai địa phương có tỉ lệ rơm: lúa cao ở hai mùa vụ, trong khi đó Giồng Riềng và Thới Lai thì có tỉ lệ thấp hơn (Bảng 4.4). Cùng một giống lúa nhưng tỷ lệ rơm: lúa có thể khác nhau theo mùa vụ ảnh hưởng bởi chế độ chăm sóc, dinh dưỡng, điều kiện thời tiết. Thông thường năng suất lúa cao thì tỷ lệ rơm: lúa thấp và ngược lại. Bảng 4.4: Tỉ lệ rơm: lúa vụ Thu Đông và vụ Đông Xuân

b) Ước tính lượng rơm sau thu hoạch ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long

Lượng rơm phát sinh ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long được ước tính dựa trên sản lượng lúa của các tỉnh (Tổng cục Thống kê, 2014) và tỉ lệ rơm: lúa (Bảng 4.4). Trung bình của tỷ lệ rơm: lúa của các địa phương khảo sát được sử dụng để ước tính lượng rơm phát sinh cho cả đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả ước tính cho thấy lượng rơm phát sinh vào vụ Đông Xuân ở các tỉnh khảo sát và toàn vùng đồng bằng sông Cửu Long nhiều hơn so với vụ Thu Đông do trong vụ Đông Xuân diện tích canh tác cũng như sản lượng cao hơn so với vụ Thu Đông (Bảng 4.5).

Đơn vị tính: triệu tấn

Vụ Thu Đông

Vụ Đông Xuân

Năm 2011

Địa điểm

Sản lượng lúa*

Lượng rơm

Sản lượng lúa*

Lượng rơm

Sản lượng lúa*

Lượng rơm

Kiên Giang Đồng Tháp Cần Thơ An Giang ĐBSCL

0,20 - - 0,02 1,62

0,20 - - 0,03 1,88

1,99 1,48 0,64 1,77 10,48

1,96 1,36 0,82 2,26 11,70

3,94 3,10 1,29 3,84 23,19

3,94 2,86 1,68 4,78 26,23

Ghi chú: (*) Sản lượng lúa theo Tổng cục Thống kê.

Bảng 4.5: Sản lượng lúa và ước tính lượng rơm phát sinh

Theo ước tính thì lượng rơm phát sinh năm 2011 của toàn vùng đồng bằng sông Cửu Long là 26,23 triệu tấn. Theo Nguyễn Thành Hối và ctv. (2014) lượng rơm phát sinh ở đồng bằng sông Cửu Long trên 20 triệu tấn/năm. Một số kết quả nghiên cứu khác cho thấy lượng rơm ở đồng bằng sông Cửu Long khoảng 24 triệu tấn/năm (Arai et al., 2015; Van et al., 2014). Như vậy kết quả nghiên cứu gần tương đồng với các nghiên cứu trên. Trong các địa phương khảo sát, lượng rơm phát sinh nhiều nhất là tỉnh An Giang (4,78 triệu tấn) và thấp nhất là Cần Thơ (1,68 triệu tấn), sự khác nhau về lượng rơm phát sinh giữa các vùng khảo sát chủ yếu là do khác nhau về diện tích canh tác giữa các vùng trong năm 2011. Diện tích canh tác lúa ở An Giang là 603,9 nghìn ha, còn ở Cần Thơ là 224,7 nghìn ha (Tổng cục Thống kê, 2011).

4.1.4 Uớc tính lượng khí nhà kính phát thải khi đốt rơm

Kết quả khảo sát ở các khu vực nghiên cứu về tỉ lệ nông hộ lựa chọn biện pháp đốt rơm trên đồng sau khi thu hoạch được trình bày ở Bảng 4.6. Kết quả khảo sát cho thấy đa số các hộ đều chọn phương pháp đốt rơm ở vụ Đông Xuân và vụ Hè thu; riêng vụ Thu Đông thì tỉ lệ hộ đốt đồng ít hơn. Ở huyện Giồng Riềng tỉ lệ hộ đốt rơm thấp hơn so với các huyện khác do đặc thù địa hình nơi đây trũng thấp bên cạnh chọn phương pháp đốt rơm họ còn chọn phương pháp vùi rơm vào đất.

Lượng rơm đốt ngoài đồng được ước tính dựa theo tỉ lệ đốt rơm và lượng rơm phát sinh ở từng vùng. Tỷ lệ trung bình được sử dụng để ước tính cho quy mô toàn đồng bằng sông Cửu Long. Ở hầu hết các địa phương khảo sát lượng rơm đốt ngoài đồng ít ở vụ Thu Đông và nhiều ở vụ Đông Xuân. Kết quả ước tính cho thấy lượng rơm đốt trong 3 vụ của cả vùng đồng bằng sông Cửu Long trong năm 2011 là 20,93 triệu tấn, năm 2014 là 22,74 triệu tấn trong đó vụ Đông Xuân chiếm hơn phân nửa lượng rơm đốt 11,23 triệu tấn, ít nhất là vụ Thu Đông 0,91 triệu tấn. Trong các địa phương khảo sát thì lượng rơm được đốt nhiều nhất

Đơn vị tính: triệu tấn

Địa điểm Kiên Giang Đồng Tháp Cần Thơ An Giang ĐBSCL

Thu Đông 0,01 - - 0,02 0,91

Đông Xuân 1,48 1,36 0,82 2,44 11,23

2011 1,96 3,05 1,20 4,63 20,93

là tại An Giang 4,63 triệu tấn và ít nhất là ở Cần Thơ 1,20 triệu tấn. Tại Kiên Giang mặc dù có lượng rơm phát sinh nhiều (3,94 triệu tấn), nhưng lượng rơm người dân đốt không cao do địa phương này có tỷ lệ hộ chọn phương pháp đốt rơm thấp (49,7%). Như vậy, hàng năm lượng rơm thừa cần xử lý được ước tính vào khoảng từ 20,93 đến 22,74 triệu tấn. Bảng 4.6: Lượng rơm đốt ngoài đồng của các tỉnh và ĐBSCL

Vụ Thu Đông

Vụ Đông Xuân

Cả năm 2011

Địa điểm

CO2

CO NOx

CO2

CO NOx

CO2

CO NOx

0,23 - -

- 1269,25 - 1166,34 703,23 - 0,46 0,01 2092,54

1680,90 45,47 2615,68 70,76 27,84 1029,12 3970,69 107,42

34,34 0,73 31,55 0,67 19,02 0,41 56,61 1,21

Kiên Giang Đồng Tháp Cần Thơ An Giang ĐBSCL

0,97 8,58 1,51 - 0,60 - 2,30 17,15 780,42 21,11 0,45 9630,85 260,54 5,57 17949,57 485,58 10,38

Lượng khí thải nhà kính từ việc đốt rơm có mối quan hệ tỉ lệ thuận với lượng rơm đốt. Trong số các địa phương khảo sát thì An Giang có lượng phát thải khí nhà kính lớn nhất, thường tập trung vào vụ Đông Xuân, thời điểm mà có lượng rơm phát sinh nhiều và tỉ lệ hộ đốt rơm cao (2.092,54 nghìn tấn khí CO2). Đồng Tháp và Kiên Giang thì có lượng phát thải khí nhà kính tương đương nhau (trên 1100 nghìn tấn khí CO2), còn ở Cần Thơ thì có lượng phát thải thấp nhất (703,23 nghìn tấn khí CO2). Trong thành phần khí nhà kính phát sinh từ việc đốt rơm thì khí CO2 chiếm tỉ lệ lớn nhất. Ước tính trong năm 2011 thì lượng khí CO2 phát sinh cho toàn vùng đồng bằng sông Cửu Long là 17949,57 nghìn tấn, chiếm trên 97% tổng lượng khí sinh ra. Trong đó vụ Đông Xuân đóng góp trên 50% (9630,85 nghìn tấn). Lượng khí CO và NOX thì chiếm tỉ lệ nhỏ trong tổng lượng khí phát sinh (Bảng 4.7). Bảng 4.7: Lượng phát thải khí nhà kính sau khi đốt rơm của các tỉnh và ĐBSCL Đơn vị tính: nghìn tấn

Nhìn chung, kết quả nghiên cứu cho thấy hiện tại lượng rơm phát sinh tại đồng ruộng sau khi thu hoạch không được sử dụng có hiệu quả mà chủ yếu được đốt bỏ. Quá trình đốt gây phát thải một lượng lớn các khí nhà kính ảnh hưởng đến môi trường. Nếu lượng rơm này có thể được sử dụng để chuyển đổi thành nguồn năng lượng tái tạo thì sẽ góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tái cung

cấp một nguồn năng lượng sạch. Kết quả cho thấy cần có những nghiên cứu sử dụng hiệu quả lượng rơm này.

Thảo luận chung:

Kết quả nghiên cứu cho thấy có 6 hình thức quản lý và xử lý lượng rơm được người dân lựa chọn phổ biến là đốt rơm, vùi rơm, trồng nấm, chăn nuôi, bán và cho người khác. Các hình thức xử lý rơm trên ruộng thay đổi tùy theo mùa vụ. Ở vụ Đông Xuân, đốt rơm là hình thức phổ biến nhất (98,2%), còn lại trồng nấm, bán rơm, cho rơm chiếm tỷ lệ rất thấp. Ở vụ Hè Thu, tỷ lệ đốt rơm giảm xuống còn 89,7%, vùi rơm chiếm 6,7%. Vụ Thu Đông có tỷ lệ đốt rơm thấp nhất (54,1%), tỷ lệ vùi rơm tại ruộng khá cao (26,1%), kế đến là trồng nấm (8,1%), các hình thức khác chiếm tỷ lệ thấp. Kết quả ước tính lượng rơm dư thừa trên đồng ruộng cần phải xử lý đồng bằng sông Cửu Long năm 2011 vào khoảng 25,2 triệu tấn/năm, trong đó khoảng 20,9 triệu tấn/năm là người dân đốt. Lượng khí thải phát sinh từ quá trình đốt rơm ước tính phát thải vào khí quyển là 17,95 triệu tấn CO2, 485,58 nghìn tấn CO và 10,38 nghìn tấn NOx. Kết quả điều tra cho thấy đa số nông dân đều có khuynh hướng giữ nguyên tập quán đốt rơm trong những năm tiếp theo. Điều này cho thấy, cần phải có các biện pháp để xử lý lượng rơm dư thừa trên đồng ruộng. Trong đó, sử dụng rơm để sản xuất khí sinh học là vấn đề cần được nghiên cứu.

Bên cạnh lượng rơm dư thừa ở đồng bằng sông Cửu Long thì lục bình là một nguồn sinh khối dồi dào. Nếu rơm chỉ có tập trung vào thời gian thu hoạch lúa thì lục bình là vật liệu sẵn có ở hầu hết các nông hộ vùng đồng bằng sông Cửu Long. Do đó, lục bình là một nguồn sinh khối tiềm năng có khả năng ứng dụng để sản xuất khí sinh học. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước đã chứng minh lục bình là vật liệu có khả năng sử dụng cho sản xuất khí sinh học. Trong trường hợp thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp thì lục bình có thể được sử dụng để bổ sung cho túi ủ/hầm ủ nhằm duy trì tính ổn định của mô hình khí sinh học. Do đó, cần có những nghiên cứu tận dụng được sự tăng trưởng sinh khối nhanh của lục bình để bổ sung cho túi ủ trong điều kiện thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp mà không cần phải tốn nhiều nhân công trong việc thu gom. Vì vậy, nghiên cứu khảo sát sự tăng trưởng của lục bình ở các thủy vực khác nhau đã được thực hiện nhằm tính toán khả năng sử dụng sự tăng trưởng nhanh của lục bình để sản xuất khí sinh học trong điều kiện nông hộ.

4.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau

4.2.1 Đặc điểm môi trường nước trong các thủy vực

Kết quả nghiên cứu cho thấy về đặc điểm hóa học môi trường nước được dao động trình bày ở Bảng 4.8. Trong đó, pH dao động từ 7,19 – 7,32, N-NO3

- (mg/L) + (mg/L)

3- (mg/L)

Kênh dẫn nước Ao nuôi cá Mương vườn 7,21±0,26 0,25±0,01 0,24±0,10 5,32±1,57 0,70±0,68 1,07±0,68 25,7±9,37

Sông 7,32±0,19 0,27±0,01 0,15±0,05 5,30±1,42 0,06±0,03 0,22±0,13 24,5±4,70

7,19±0,20 0,29±0,03 0,14±0,05 4,27±1,39 0,07±0,06 0,30±0,21 21,9±4,03

7,20±0,28 0,10±0,01 2,98±1,05 10,8±0,94 4,72±0,75 6,30±2,52 60,3±5,88

+ dao động từ 0,14 – 2,98 mg/L, TKN dao động từ từ 0,1 – 0,29 mg/L, N-NH4 3- dao động từ 0,06 – 4,72 mg/L, COD dao động 4,27 – 10,8 mg/L, giá trị P-PO4 từ 21,9 – 60,3 mg/L. pH giữa các thủy vực biến động không lớn (dưới 0,5), đây là khoảng pH trung tính thích hợp cho sự phát triển của lục bình (Wilson et al., 2005). Do ao nhận trực tiếp nước thải sau túi ủ biogas, nên hàm lượng dinh dưỡng trong nước ao cao hơn so với các thủy vực còn lại. Lục bình là loại thực vật thủy sinh phát triển nhanh, nên dinh dưỡng là yếu tố quan trọng trong sự phát triển của lục bình, hàm lượng đạm tổng số tối ưu cho sự phát triển của lục bình là 28 mg/L (Wang and Dou, 1998). Trong môi trường sống tự nhiên, lục bình dễ bị tác động của lân hơn đạm, hàm lượng lân cao là yếu tố giới hạn cho sự phát triển của lục bình (Pinto-Coelho and Greco, 1999; Sharma and Oshode, 1991), giá trị lân tối ưu cho sự phát triển của lục bình là 1 mg/L (Reddy et al.,1990). COD cao là yếu tố giới hạn cho sự phát triển của lục bình, giá trị tối ưu cho sự phát triển của lục bình dao động từ 18 – 80 mg/L. Trong nghiên cứu này nhìn chung yếu tố dinh dưỡng ở các thủy vực sông, kênh và mương thấp hơn nhu cầu dinh dưỡng của lục bình, riêng đối với các thủy vực ao thì các giá trị dinh dưỡng dao động trong khoảng thuận lợi cho sự phát triển của lục bình. Bảng 4.8 Đặc điểm lý – hóa học môi trường sống của lục bình ở các thủy vực khác nhau Thông số pH N-NO3 N-NH4 TKN (mg/L) P-PO4 TP (mg/L) COD (mg/L) Ghi chú: Số liệu trình bày TB ± SD, n = 21

4.2.2 Sự tăng trưởng của lục bình ở các loại hình thủy vực khác nhau

a) Sự tăng trưởng chiều dài thân

Thông thường trọng lượng thân của lục bình chiếm 20 – 40% trọng lượng cây (Jackson et al., 1996). Chiều dài thân của LB bắt đầu thí nghiệm dao động từ 29,5 – 31,7 cm, sau 42 ngày theo dõi chiều dài thân của LB dao động từ 39,0 – 42,2 cm tăng từ 8,2 – 10,5 cm so với chiều dài thân trước khi bố trí thí nghiệm. Chiều dài thân LB ở sông tăng lên nhanh hơn so với các thủy vực kênh, mương, ao (p<0,05). Trong khi giữa các thủy vực kênh, mương, ao không khác biệt (p>0,05) (Hình 4.1).

Ao nuoâi caù Möông vöôøn

Soâng Keânh daãn nöôùc

bc c

b b b

) ây a c / m c ( ân a h t øi a d eàu i h C

Tuaàn 1

Tuaàn 3

Tuaàn 5

Tuaàn 7

Thôøi gian

Hình 4.1: Sự tăng trưởng chiều dài thân của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

b) Sự tăng trưởng chiều dài rễ

a a

Soâng Keânh daãn nöôùc

a ab

Ao nuoâi caù Möông vöôøn a a

a a

a a a a

) ây a c / m c ( ã

e r øi a d àu e i h C

Tuaàn 1

Tuaàn 3

Tuaàn 5

Tuaàn 7

Thôøi gian

Chiều dài rễ của LB khi bắt đầu bố trí thí nghiệm dao động từ 17,1 – 17,4 cm và tăng dần trong thời gian thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy chiều dài rễ khi kết thúc thí nghiệm dao động từ 21,4 – 29,47 cm. Rễ là một bộ phận quan trọng của cây, giúp hấp thu các chất dinh dưỡng trong nước giúp cho sự phát triển của LB (Heeraman and Juna, 1993). Chiều dài rễ của lục bình ở hai thủy vực kênh dẫn nước và ao nuôi cá tăng khá rõ và cao hơn so với sông và mương vườn ở giai đoạn cuối (p<0,05), điều này góp phần giúp lục bình ở hai thủy vực này tăng trưởng nhanh.

Hình 4.2: Sự tăng trưởng chiều dài rễ của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Chiều dài rễ cũng là một trong những yếu tố quyết định đến trọng lượng của LB. Nghiên cứu của Jackson et al. (1996) cho thấy trọng lượng rễ của lục bình có thể chiếm hơn 50 % tổng sinh khối của LB. Do đó rễ là một yếu tố quan trọng đóng góp vào sự gia tăng trọng lượng của LB.

c) Sự tăng trưởng số lá và số chồi

250

Ao nuoâi caù Möông vöôøn

Soâng Keânh daãn nöôùc

200

) ây a c aù/

150

100

l ( ù a l g ôïn ö l oá S

a a a

a a a a

Tuaàn 1

Tuaàn 3

Tuaàn 5

Tuaàn 7

Thôøi gian

Khi bố trí thí nghiệm, lục bình có số là từ 7 – 8 lá/cây, sau đó số lá tăng nhanh thông qua sự tăng số chồi mới của lục bình. Khi kết thúc thí nghiệm, số lá của LB trong thủy vực ao nuôi cá đã tăng lên 228 lá và số chồi là 41 chồi. Số chồi và số lá của LB tăng rõ rệt ở các thủy vực ao nuôi cá, kênh dẫn nước và mương vườn (Hình 4.3 và 4.4)

Hình 4.3: Sự tăng trưởng số lượng lá của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Kết quả nghiên cứu cho thấy số lượng lá và chồi của LB ở các thủy vực kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương vườn cao hơn sông (p<0,05). Do sông có biên độ triều khá lớn (>2m) và tần suất đi lại của các phương tiện giao thông nhiều, môi trường nước thường xuyên bị xáo trộn nên ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của LB. Ao nuôi cá có hàm lượng các chất dinh dưỡng cao nên sự sinh trưởng và phát triển của LB tốt hơn, vì vậy số lá và số chồi của LB gia tăng nhanh hơn so với các thủy vực sông, kênh dẫn nước và mương vườn.

Ao nuoâi caù Möông vöôøn

Soâng Keânh daãn nöôùc

) ây a c / oài h c (

oài h c g ôïn ö l oá S

Tuaàn 3

Tuaàn 7

Tuaàn 5 Thôøi gian

Hình 4.4: Sự tăng trưởng số chồi của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

d) Sư gia tăng trọng lượng và thời gian nhân đôi của lục bình

)

2 -

Soâng Keânh daãn nöôùc

Ao nuoâi caù Möông vöôøn

a ab

m . g k ( h n ì b uïc

uûa

c i ô ö t g ôïn ö l g oïn r T

a a a a

Tuaàn 1

Tuaàn 3

Tuaàn 5

Tuaàn 7

Thôøi gian

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 nuôi cá và mương vườn là cao nhất với trọng lượng vật chất khô lần lượt là 634, 804 và 603 gDM/m2. Trong khi đó lục bình trên sông chỉ đạt 162 gDM/m2 (Hình 4.6).

Hình 4.5: Sự tăng trưởng trọng lượng tươi của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

)

1000

800

Soâng Keânh Ao nuoâi caù Möông

600

400

200

m M D g ( oâ h k aát h c aät v g ôïn ö l

oái h K

TL ban ñaàu

TL keát thuùc

Kết quả nghiên cứu cho thấy lục bình phát triển tốt ở các thủy vực nước tĩnh và giàu dinh dưỡng. Kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương vườn là các thủy vực có thể được sử dụng để lục bình phát triển nhanh và nguồn sinh khối này có thể được sử dụng để bổ sung vào các hầm ủ / túi ủ biogas đang hoạt động trong trường hợp nguồn nguyên liệu nạp bị gián đoạn do dịch bệnh hoặc tái đàn gia súc.

Hình 4.6: Sự tăng trưởng trọng lượng khô của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

)

aøy g n (

oâi ñ aân h n n a i g ôøi h T

Soâng

Keânh daãn nöôùc

Ao nuoâi caù

Möông vöôøn

Thôøi gian (ngaøy)

Chu kỳ nhân đôi của LB ở sông, kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương vườn dao động từ 11 – 23 ngày. Lục bình phát triển trên sông có thời gian nhân đôi dài nhất với thời gian nhân đôi trọng lượng là 23 ngày. Lục bình trên các thủy vực kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương vườn có thời gian nhân đôi trọng lượng là 11 ngày (Hình 4.7).

Hình 4.7: Thời gian nhân đôi của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Chu kỳ nhân đôi càng ngắn thể hiện sự sinh trưởng và phát triển của LB diễn ra càng nhanh. Lục bình là một trong những loài thực vật phát triển nhanh, chu kỳ nhân đôi ngắn khoảng 11 – 18 ngày (Lê Hoàng Việt, 2005), nghiên cứu của (John et al., 2005) cho thấy LB có trọng lượng ban đầu là 10 gam với diện tích 100 m2 sau khoảng thời gian ngắn 2 – 3 tháng trong những môi trường thuận lợi điều kiện dinh dưỡng và phát triển tốt có thể dễ dàng đạt 1 kg/m2. Qua đó cho thấy LB là một trong những loài thực vật phát triển rất nhanh. Trong nghiên cứu này cho thấy các thủy vực ao, kênh và mương thì lục bình phát triển rất nhanh chu kỳ nhân đôi ngắn (11 ngày), đối với sông thì chu kỳ nhân đôi là 23 ngày.

4.2.3 Tiềm năng sử dụng lục bình để sản xuất khí sinh học

Cho đến thời điểm hiện tại, hầu hết lục bình chưa được khai thác và sử dụng một cách hiệu quả, một số hộ sử dụng lục bình làm thủ công mỹ nghệ, thức ăn gia súc,.... Tuy nhiên, để sử dụng trong thủ công mỹ nghệ lục bình phải đạt yêu cầu về chiều cao thân ≥ 60cm. Ngoài ra, dù được sử dụng cho thủ công mỹ nghệ thì phần lá và rễ - chiếm tỷ lệ khá lớn trong trọng lượng của lục bình cũng không được sử dụng. Điều này cho thấy, lục bình nếu được sử dụng có hiệu quả thì sẽ là một nguồn sinh khối dồi dào có thể cung cấp cho quá trình sản xuất năng lượng tái tạo trong đó đơn giản nhất là khí sinh học.

Kết quả nghiên cứu về sự tăng trưởng của lục bình trên các thủy vực cho thấy thời gian nhân đôi trọng lượng của LB ở các thủy vực phổ biến ở ĐBSCL như ao nuôi cá, kênh dẫn nước và mương vườn là 11 ngày. Nếu người dân chủ động tận dụng sinh khối lục bình trên các thủy vực này để bổ sung vào các hầm ủ/túi ủ khí sinh học trong trường hợp thiếu hụt nguyên liệu thì sẽ góp phần giúp ổn định mô hình khí sinh học, giảm các tác động đến môi trường. Trung bình lượng DM của lục bình gia tăng 19,1 g.m-2.ngày-1 đối với thủy vực ao, trong đó thành phần VS của lục bình chiếm 83,6 % TS (Carina and Cecilia, 2007), 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 có 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 có thể cung cấp lượng khí sinh học đủ dùng cho hộ gia đình.

Thảo luận chung:

Các kết quả nghiên cứu được trình bày ở trên đã cho thấy rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối dồi dào và có tiềm năng sử dụng để sản xuất khí sinh học trong điều kiện đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, khác với nguồn nguyên liệu truyền thống cho sản xuất khí sinh học là phân heo, rơm và lục bình có cấu

tạo hóa học chủ yếu là các lignocellulose do đó các nguyên liệu này cần phải được tiền xử lý và thủy phân một phần trước khi nạp vào các túi ủ hay hầm ủ biogas. Bên cạnh việc đẩy nhanh quá trình thủy phân thông qua quá trình tiền xử lý thì kích cỡ của rơm và lục bình cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu nạp và các phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình để tăng hiệu quả của quá trình sản xuất khí sinh học là một vấn đề cần được nghiên cứu tiếp theo trong luận án. Căn cứ vào điều kiện thực tế tại các nông hộ vùng đồng bằng sông Cửu Long, nghiên cứu đã chọn 04 loại nước để tiền xử lý vật liệu gồm (1) nước máy; (2) nước thải biogas ; (3) nước bùn đáy ao và (4) nước ao. Đây là các nguồn nước sẵn có trong điều kiện nông hộ và có 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. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của các kích cỡ rơm và lục bình khác nhau (từ không cắt đến cắt nhỏ 1 cm) lên hiệu quả sinh khí và chất lượng khí sinh học đã được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu lên quá trình sản xuất khí sinh học.

4.3 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học và kích thước vật liệu rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ

4.3.1 Ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học

a) Các yếu tố môi trường

Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ của các nghiệm thức tiền xử lý rơm, lục bình dao động từ 26,9 – 29,3oC, nhiệt độ trung bình giữa các nghiệm thức dao động không lớn. Trong khoảng thời gian từ 1 – 20 ngày đầu, nhiệt độ của các mẻ ủ cao hơn so với giai đoạn từ 20 – 60 ngày. Giai đoạn đầu của quá trình ủ yếm khí, nguyên liệu được thủy phân và tạo ra các a-xít béo, hầu hết các phản ứng này thuộc phản ứng tỏa nhiệt (Zeikus, 1977), điều này dẫn đến nhiệt độ trong giai đoạn đầu cao hơn các gian đoạn còn lại, giai đoạn từ 20 – 60 ngày nhiệt độ giữa các nghiệm thức có xu hướng ổn định.

Phối trộn rơm, lục bình với phân heo cho thấy nhiệt độ giữa các bình ủ có xu hướng cao hơn so với chỉ nạp đơn thuần 100% PH, tuy nhiên sự chênh lệch này không lớn (<0,8 oC). Trong quá trình ủ yếm khí, nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của các vi sinh vật sinh khí mê-tan dao động từ 31 – 36 oC (Lê Hoàng Việt, 2005), nhiệt độ tối ưu là 35oC (Hinrich et al., 2005). Nhìn chung, sự thay đổi nhiệt độ trong các mẻ ủ đều nằm trong khoảng thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật sinh khí mê-tan.

(a)

(b)

) C

( äï o ñ

ät e i h N

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

21 - 30 Thôøi gian

Nöôùc maùy

21 - 30 Thôøi gian Nöôùc thaûi biogas

Nöôùc ao

Nöôùc buøn ñaùy ao

Phaân heo

Nhieät ñoä moâi tröôøng neàn

Hình 4.8 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm (a) và lục bình (b)

8.0

(a)

(b)

7.5

7.0

H p

6.5

6.0

5.5

5.0

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

21 - 30 Thôøi gian

Nöôùc maùy

Nöôùc thaûi biogas

Nöôùc ao

Nöôùc buøn ñaùy ao

Phaân heo

Giá trị pH trong suốt thời gian theo dõi thí nghiệm dao động từ 6,2 – 6,9. pH của các nghiệm thức đều thấp ở giai đoạn đầu của quá trình ủ (Hình 4.9). Sau giai đoạn này, pH có xu hướng tăng dần và ổn định trong khoảng 6,5 đến 7,0. Giai đoạn đầu quá trình phân hủy yếm khí là quá trình thủy phân các hợp chất cao phân tử sang các hợp chất hữu cơ đơn giản, hình thành nên các a-xít béo bay hơi. Sự tích lũy các a-xít này là nguyên nhân dẫn đến pH thấp trong thời gian đầu. pH là thông số quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật trong suốt quá trình phân hủy yếm khí. Giá trị pH tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật trong mẻ ủ yếm khí từ 6,6 - 7,6 (Gerardi, 2003). Tuy nhiên, pH thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí từ 6,5 - 8,5 (Raja et al., 2012). Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình tiền xử lý không làm thay đổi lớn pH của mẻ ủ, trong suốt quá trình thí nghiệm pH nằm trong khoảng thuận lợi cho sự hoạt động của vi sinh vật sinh khí mê-tan.

Hình 4.9: Diễn biến pH của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm (a) và lục bình (b)

Bên cạnh nhiệt độ và pH thì thế oxy hóa khử của mẻ ủ cũng được theo dõi. Thế oxy hóa khử của các mẻ ủ trong suốt thời gian thí nghiệm dao động từ -155 đến -289 mV (Hình 4.10). Trong khoảng thời gian 20 ngày đầu thế oxy hóa khử của các nghiệm thức có xu hướng thấp hơn so với các giai đoạn từ 20 – 60 ngày

-100

(a)

(b)

-150

)

-200

V m

(

h E

-250

-300

-350

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

21 - 30 Thôøi gian

Nöôùc maùy

Nöôùc thaûi biogas

Nöôùc buøn ñaùy ao

Nöôùc ao

Phaân heo

(dao động từ -259 đến -289 mV). Sau giai đoạn này thế oxy hóa khử của các nghiệm thức có xu hướng tăng dần và ổn định từ -150mV đến -200mV. Tất cả các giá trị thế oxy hóa khử đều âm, thể hiện quá trình khử chiếm vai trò chủ đạo trong tiến trình phân hủy các chất hữu cơ. Các giá trị này thấp hơn so với khoảng Eh tối ưu được đề nghị bởi Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010) từ -350 đến -300 mV nhưng nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí được đề nghị bởi Mitsch and Gosselink (2007) giá trị này <-200mV.

Hình 4.10: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm (a) và lục bình (b)

- làm tăng độ kiềm cho các nghiệm thức.

Độ kiềm của các nghiệm thức trong suốt thời gian thí nghiệm dao động trong khoảng từ 1.388 – 3.109 mgCaCO3/L (Hình 4.11). Trong 20 ngày đầu độ kiềm các nghiệm thức thấp hơn các giai đoạn còn lại, do thời gian đầu các hợp chất hữu cơ bị thủy phân và sinh a-xít làm pH giảm dẫn đến tính đệm của mẻ ủ giảm. Ở các giai đoạn tiếp theo khi khí sinh học hình thành, khí CO2 phân ly trong dịch ủ hình thành ion HCO3

Độ kiềm thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 1000 - 5000 mgCaCO3/L (Ren and Wang, 2004). Nếu độ kiềm nằm ngoài dãy trên sẽ làm hạn chế hoặc kiềm hãm một số phản ứng sinh hóa trong quá trình sinh khí mê- tan. Độ kiềm nằm trong khoảng 2500 - 5000 mgCaCO3/L sẽ cung cấp khả năng đệm tốt cho quá trình sinh khí (Mahvi et al., 2004). Như vậy, trong nghiên cứu này cho thấy độ kiềm của hỗn hợp mẻ ủ thuận lợi cho quá trình sinh khí.

3000

2500

2000

1500

) L

1000

500

(

1 - 10

11 - 20

21 - 30

31 - 45

46 - 60

3000

O C a C g m eàm

2500

i k oä Ñ

2000

1500

1000

500

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

Phaân heo

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas

21 - 30 Thôøi gian (ngaøy) Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao

Hình 4.11: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm (a) và lục bình (b)

b) Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý rơm lên 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 dao động từ 63,1 đến 111,3 lít (Hình 4.12). Trong đó nghiệm thức 100% phân heo cho tổng lượng khí tích dồn thấp nhất (63,1 lít). Tất cả các nghiệm thức tiền xử lý đều có tổng thể tích khí tích dồn cao hơn nghiệm thức 100% phân heo (p<0,05) với lượng khí tích dồn lần lượt là 111,3L; 103,8L; 110,7L; 107,1L tương ứng với tiền xử lý rơm bằng nước thải biogas; tiền xử lý bằng nước máy; tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao; tiền xử lý bằng nước ao. Trong giai đoạn 45 ngày đầu, rơm được tiền xử lý bằng nước thải biogas và bùn đáy ao cho lượng khí tích dồn cao hơn so với các nghiệm thức khác. Trong đó, tổng lượng khí mê-tan tích dồn ở ngày 45 được thể hiện rõ sự khác biệt giữa các phương pháp tiền xử lý. Rơm được tiền xử lý bằng nước thải biogas và nước bùn đáy ao cho lượng khí tích dồn cao nhất, khác biệt có ý nghĩa so với tiền xử lý bằng nước ao và nước máy (p<0,05).

Tiền xử lý rơm bằng nước thải biogas có tổng lượng khí mê-tan tích dồn đến ngày 60 không khác biệt so với tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao và nước ao (p>0,05) nhưng khác biệt với các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước máy (Hình 4.12). Kết quả cho thấy tiền xử lý bằng nước thải biogas và bùn đáy ao là hai phương pháp có thể được ứng dụng trong tiền xử lý rơm tốt hơn các phương pháp tiền xử lý còn lại. Phối trộn rơm với phân heo theo tỷ lệ 50%/50% nâng

140

120

aab

) L (

100

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao Phaân heo

aab

oàn d h c í t n a t eâ- m

ab b

í h k g oån T

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

cao được tổng lượng khí sinh ra so với việc chỉ sử dụng phân heo 100% (p<0,05).

Hình 4.12: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học rơm sau 60 ngày Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Kết quả nghiên cứu cho thấy các nghiệm thức có vật liệu được tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao và nước thải biogas đều có 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 (Hình 4.13), nhờ hệ vi sinh vật sẵn có 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. Sau giai đoạn này lượng khí sinh ra hàng ngày của các mẻ ủ bắt đầu giảm dần. Giai đoạn cuối của mẻ ủ (từ ngày 30 đến ngày 55), trong khi các nghiệm thức có phối trộn với rơm vẫn duy trì lượng khí ổn định, điều này nhờ vào sự phân hủy các chất hữu cơ có nguồn gốc từ rơm trong khi nghiệm thức ủ 100% phân heo vẫn giữ xu hướng giảm dần đến ngày 60.

) øy a g n /

L ( øy a g n g øn a h

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao Phaân heo

a r h n i s ïc o h h n i s í h k h c í t

eå h T

Thôøi gian (ngaøy)

Hình 4.13: Lượng khí sinh học hàng ngày của các nghiệm thức tiền xử lý rơm

c) Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý lục bình lên thể tích khí mê-tan tích dồn

Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng lượng khí mê-tan tích dồn trong 60 ngày giữa các nghiệm thức dao động từ 63,1 – 136,1 L (Hình 4.14). Trong đó, 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 có 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 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 nước bùn đáy ao cao hơn so với các loại phương pháp tiền xử lý khác nên tốc độ phân hủy các chất hữu cơ diễn ra nhanh hơn so với các phương pháp tiền xử lý 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 còn lại.

160

140

) L (

120

100

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao Phaân heo

oàn d h c í t n a t eâ- m

í h k g oån T

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

Hình 4.14: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn sau 60 ngày của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học lục bình Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Kết quả đo đạc thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức cho thấy, thể tích khí sinh học tập trung ở giai đoạn từ ngày 6 đến ngày 20 (Hình 4.15). Thể tích khí sinh ra trong giai đoạn này (15 ngày) chiếm hơn 40% tổng thể tích khí sinh ra trong cả quá trình ủ với các giá trị lần lượt là 124,7 L (nước bùn đáy ao), 106,3 L (nước thải biogas), 93,4 L (nước máy) và 86,9 L (nước ao). Giá trị cao nhất của các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao, nước máy, nước thải biogas, nước ao và nghiệm thức 100% PH lần lượt là 11,6; 10,3; 9,5; 8,8 và 5,5 L. Tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đáy ao và nước thải biogas trước khi nạp vào mẻ ủ đẩy nhanh quá trình phân hủy tạo khí sinh học của mẻ ủ. Đồng thời, lượng khí sinh ra trong ngày cũng cao hơn các nghiệm thức còn lại. Quá trình tiền xử lý đã làm mềm vật liệu, thủy phân giúp phá vỡ một phần lignocellulose, đồng thời bổ sung các vi sinh vật yếm khí nên quá trình sinh khí diễn ra nhanh hơn. Tương tự như các nghiệm thức rơm, các nghiệm thức tiền xử lý lục bình cũng cho kết quả tương tự, lượng khí sinh ra hàng ngày vẫn duy trì ở mức cao hơn phân heo và ổn định cho suốt quá trình ủ. Lục bình khó phân hủy hơn so với phân heo, do đó lượng khí sinh ra hàng ngày ở các nghiệm thức có phối trộn thêm lục bình giảm chậm hơn. Thực tế nghiên cứu cũng ghi nhận hiện tượng lục bình nổi và tạo váng trên bề mặt mẻ ủ dẫn đến việc hạn chế sự thoát khí và khô nguyên liệu. Khi nguyên liệu bị khô, các vi sinh vật khó phân hủy so với nguyên liệu chìm hoàn toàn trong nước. Nguyên liệu nổi trong quá trình ủ là một trong những điểm cần quan tâm khắc phục để có được khả năng phân hủy tốt hơn trong quá trình ủ yếm khí.

) øy a g n /

L ( øy a g n g øn a h

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao Phaân heo

a r h n i s ïc o h h n i s í h k h c í t

eå h T

Thôøi gian (ngaøy)

Hình 4.15: Lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức tiền xử lý lục bình

d) Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý lên nồng độ khí mê-tan

Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong khoảng thời gian đầu các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo cho nồng độ khí mê-tan thấp, sau đó tăng dần và ổn định sau 7 ngày. Hình 4.16a cho thấy các nghiệm thức rơm tiền xử lý bằng nước máy và 100% phân heo trong tuần đầu tiên cho nồng độ khí mê-tan thấp nhất (tương ứng 26,7% và 26,4%). Trong khi đó, tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao, nước biogas và nước ao cho khí sinh học có nồng độ mê-tan lần lượt là 44,5%, 40,8% và 36,4%. Trung bình nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức tiền xử lý rơm bằng nước máy, nước thải biogas, nước ao, nước bùn đáy ao và 100%PH từ 7 đến 60 ngày lần lượt là 54,3%, 55,4%, 54,1%, 54,4 và 53,7%.

Nghiên cứu trên lục bình cũng cho kết quả tương tự, nồng độ khí mê-tan trong tuần đầu tiên thấp, trong đó thấp nhất là tiền xử lý bằng nước máy (17,9%) và cao nhất là tiền xử lý bằng nước thải biogas (47,2%), sau 7 ngày thì trung bình nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức có xu hướng tăng dần và ổn định, trung bình nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước máy, nước thải biogas, nước ao, nước bùn đáy ao và 100% phân heo lần lượt là 55,8%, 57,4%, 54,9%, 59,4% và 53,7% (Hình 4.16b). Hình 4.16 (a) và (b) cho thấy trung bình nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức được tiền xử lý bằng nước thải biogas và nước bùn đáy ao cho kết quả cao hơn so với các phương pháp tiền xử lý khác. Phối trộn rơm, lục bình với phân heo thì nồng độ khí mê-tan cao hơn so với ủ 100% phân heo, tuy nhiên sự chênh lệch này không lớn.

(a)

)

60 50 40 30 20 10 0

( n a t â- e m

1 - 7

8 - 21

22 - 35

36 - 42

43 -60

í h k

(b)

o ñ

g àn o N

60 50 40 30 20 10 0

1 - 7

8 - 21

36 - 42

43 -60

22 - 35 Giai ñoaïn (ngaøy)

Phaân heo

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas

Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao

Hình 4.16: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức tiền xử lý rơm (a) và lục bình (b)

Giai đoạn đầu của quá trình ủ yếm khí là giai đoạn thủy phân và sinh a-xít nên thành phần khí trong giai đoạn này phần lớn là khí CO2. Ở giai đoạn sau, vi khuẩn sinh khí mê-tan sử dụng H2 với CO2, gốc rượu và acetat tạo khí mê-tan dẫn đến nồng độ khí CO2 giảm dần và nồng độ khí mê-tan tăng lên tương ứng (Zeikus, 1977). Điều này giải thích tại sao thành phần mê-tan thấp ở giai đoạn đầu của quá trình ủ yếm khí. Các nghiên cứu về nồng độ khí mê-tan khi phối trộn rơm, lục bình với phân heo cho thấy nồng độ khí mê-tan khá cao, dao động từ 45,9 - 70% (khi phối trộn rơm với phân heo) (Ye et al., 2013; Jin et al., 2008), từ 60 – 71% (khi phối trộn lục bình với phân heo) (Chanakya et al., 1993; Moorhead and Nordstedt, 1993; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012) và từ 60 - 69,1% (phân heo) (Madamwar et al.,1991; Jin et al. 2008; Trần Trung Tính và ctv., 2009; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012). Hầu hết các tác giả đều cho rằng tỷ lệ C/N trong khoảng 20 – 30 sẽ giúp cho tỷ lệ mê-tan trong thành phần khí sinh học cao hơn so với các các nghiệm thức nằm ngoài khoảng này. Nhìn chung, kết quả theo dõi trong thí nghiệm này cho thấy nồng độ khí mê-tan thấp ở giai đoạn đầu, sau đó tăng dần và luôn giữ ở mức >50% và không có sự biến động lớn giữa các nghiệm thức. Phối trộn rơm, lục bình với phân heo (theo tỷ lệ 50/50) không làm ảnh hưởng lớn đến nồng độ khí mê-tan so với 100% phân heo. Tiền xử lý rơm và lục bình bằng nước thải biogas và nước bùn đáy ao

là hai phương pháp có khả năng đẩy nhanh quá trình sinh khí và giúp cải thiện một phần chất lượng khí sinh học so với các phương pháp tiền xử lý khác.

Berglund and Börjesson (2003) đã chứng minh thành phần khí phụ thuộc lớn vào chất nền ủ yếm khí. Nghiên cứu trên 3 loại chất nền là chất đạm, chất béo và hydrate cacbon, Berglund and Börjesson đã cho thấy phân hủy yếm khí chất béo tạo khí sinh học có thành phần mê-tan (70%) cao hơn hai chất nền còn lại với các giá trị lần lượt là 50% (hydrate cacbon) và 60% (đối với chất đạm). Trong nghiên cứu này, chất nền của các nghiệm thức là giống nhau giữa các nghiệm thức do vậy thành phần mê-tan trong khí sinh học là khá giống nhau, không có sự khác biệt lớn giữa các nghiệm thức. Tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao và nước thải biogas giúp đẩy nhanh quá trình phân hủy yếm khí do được bổ sung các vi sinh vật yếm khí nên có hàm lượng mê-tan trong khí sinh học cao ngay từ giai đoạn đầu. Tuy nhiên, ở các giai đoạn tiếp theo khi quá trình phân hủy đã ổn định thì hàm lượng mê-tan trong khí sinh học không khác biệt lớn giữa các nghiệm thức.

e) Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý lên năng suất sinh khí mê-tan

Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức rơm phối trộn với phân heo dao động trong khoảng từ 234 – 370 L CH4.kgVS-1 phân hủy, trong đó 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 giá trị lần lượt là 316; 354 và 344 L CH4.kgVS-1 phân hủy (Hình 4.17a). 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), tuy nhiên không khác biệt so với tiền xử lý bằng nước thải biogas (p>0,05). Tiền xử lý rơm bằng nước thải biogas và nước ao không khác biệt (p>0,05) nhưng cao hơn tiền xử lý bằng nước máy (p<0,05). Hình 4.17a cho thấy tiền xử lý rơm phối trộn với phân heo góp phần cải thiện năng suất sinh khí mê-tan từ 35,3 – 58,4% so với chỉ ủ đơn thuần 100% phân heo. Kết quả phân tích mật độ tổng vi sinh vật yếm khí trong các nguồn nước tiền xử lý (Bảng 3.5) cho thấy bùn đáy ao và nước thải biogas chứa nhiều vi sinh vật yếm khí (với các giá trị lần lượt là 1,6x105 và 3,5x104 MPN/100mL) cao hơn so với nước ao (5,4x103 MPN/100mL) nên quá trình phân hủy nguyên liệu ở 2 nghiệm thức này diễn ra tốt hơn so với các nguồn nước tiền xử lý khác.

)

(a)

400

300

uûy h aân h p

1 -

200

S V g k .

100

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao Phaân heo

(b)

400

300

200

H C - L ( í h k h n i s aát u s g aên N

100

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao Phaân heo

Phöông phaùp tieàn xöû lyù

Hình 4.17: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b) ở các phương pháp tiền xử lý khác nhau Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Kết quả nghiên cứu trên lục bình cho thấy năng suất sinh khí mê-tan dao động từ 234 – 406 L CH4.kgVS-1 phân hủy, lục bình được tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao cho năng suất sinh khí mê-tan cao nhất (406 L CH4.kgVS-1 phân hủy) khác biệt so với các nghiệm thức được tiền xử lý khác (p<0,05) (Hình 4.17b). Tiền xử lý lục bình bằng nước máy, nước thải sau biogas và nước ao cho năng suất sinh khí mê-tan không khác biệt (p>0,05) với các giá trị lần lượt là 368; 357 và 365 L CH4.kgVS-1 phân hủy. Lục bình được tiền xử lý phối trộn với phân heo góp 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.

Kết quả nghiên cứu của (Lei et al., 2010) cho thấy năng suất sinh khí mê- tan của rơm dao động từ 270 đến 290 L CH4.kgVS-1 phân hủy. Lục bình có năng suất sinh khí trung bình dao động khá lớn từ 200 - 280 L CH4.kgVS-1 phân hủy (Moorhead and Nordstedt, 1993; Carina and Cecilia, 2007), đối với phân heo thì năng suất sinh khí mê-tan khoảng 122 - 300 L CH4.kgVS-1 phân hủy (Phạm Tấn Tùng và Nguyễn Văn Thu, 2010; Trần Trung Tính và ctv., 2009). Sự phối trộn phân heo và rơm ở các nghiệm thức được bố trí cho thấy năng suất sinh khí mê- tan cao hơn các nghiên cứu đã thực hiện trước đây. Kết quả nghiên cứu cho thấy

mặc dù có cùng chất nền nhưng tiền xử lý rơm/lục bình bằng bùn đáy ao và nước thải biogas cũng đã cải thiện được năng suất sinh khí so với các phương pháp tiền xử lý khác. Đối với lục bình, tiền xử lý bằng bùn đáy ao cho năng suất sinh khí tốt nhất so với các nghiệm thức còn lại.

f) Tổng Coliform, Fecal Coliform và vi sinh vật yếm khí

Tiền xử lý

Vật liệu

VSV yếm khí (MPN/100mL) Đầu ra Đầu vào

Tổng coliform (MPN/100mL) Đầu ra Đầu vào

Fecal coliform (MPN/100mL) Đầu ra Đầu vào

RO LB

Nước máy Nước thải biogas Nước ao Nước bùn đáy ao Nước máy Nước thải biogas Nước ao Nước bùn đáy ao -

PH QCVN 01-14:2010/BNNPTNT

5,0×103 1,7×104 5,0×107 5,0×104 1,7×105 9,0×101 1,6×104 4,0×103 1,3×107 3,0×104 5,0×105 9,0×101 3,0×103 5,0×104 1,6×108 2,3×103 1,7×105 7,0×101 1,7×103 1,1×105 2,2×107 2,7×103 1,7×105 1,7×102 1,7×103 1,3×104 1,3×107 8,0×103 6,0×104 6,0×101 1,6×104 5,0×105 1,6×108 1,1×104 1,7×105 9,0×101 7,0×103 1,7×104 2,2×107 1,1×104 1,1×105 9,0×101 5,0×103 5,0×104 1,6×108 1,7×103 6,0×104 9,0×101 9,0×103 0,8×103 5,0×108 2,3×103 9,0×105 2,0×101 5,0×102 -

5,0×103

Kết quả nghiên cứu cho thấy mật độ vi sinh vật yếm khí ở các nghiệm thức tiền xử lý rơm bằng nước máy, nước biogas, nước ao và nước bùn đáy ao lần lượt là 1,7 x 104; 4,0 x 103; 5,0 x 104; 1,1 x 104 MPN/100mL (Bảng 4.9). Tiền xử lý lục bình bằng nước máy, nước biogas, nước ao, nước bùn đáy ao và 100% phân heo có các giá trị lần lượt là 1,3 x 104; 5,0 x 105; 1,7 x 104; 5,0 x 104; 0,8 x 103 MPN/100mL (Bảng 4.9). Bảng 4.9: Mật độ vi sinh vật của mẻ ủ với các loại vật liệu và phương pháp tiền xử lý sau 60 ngày ủ

Số lượng tổng vi sinh vật yếm khí ở hầu hết các nghiệm thức đều duy trì ở mật độ cao so với lúc bắt đầu thí nghiệm, riêng nghiệm thức 100% phân heo có sự giảm mật độ số lượng các vi sinh vật yếm khí. Sự phân hủy nhanh các chất hữu cơ của nghiệm thức 100% phân heo có thể là nguyên nhân làm mật số vi sinh vật yếm khí giảm ở giai đoạn cuối của quá trình ủ. Nguồn dinh dưỡng trong mẻ ủ giảm nên các vi sinh vật này cũng giảm theo. Ở các nghiệm thức khác, mật số vi sinh vật yếm khí vẫn còn khá cao cho thấy mẻ ủ vẫn đang trong giai đoạn tiếp tục phân hủy và sinh khí. Do rơm, lục bình khó phân hủy hơn so với phân heo nên đến ngày 60, lượng hữu cơ trong mẻ ủ vẫn còn đủ cho vi sinh vật phát triển nên mật số của nhóm vi sinh này vẫn còn khá cao.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy số lượng tổng coliform và Fecal coliform đều giảm mạnh sau 60 ngày. Tổng lượng coliform đầu vào dao động từ 1,3 x 107 – 5 x 108 MPN/100mL, đầu ra dao động từ 1,7 x 103 – 5 x 104

MPN/100mL. Mật độ Fecal coliform đầu vào dao động từ 6 x 104 – 9 x 105, đầu ra dao động từ 2 x 101 – 1,7 x 102 MPN/100mL. Ở hầu hết các nghiệm thức đầu ra của mẻ ủ, mật số Fecal coliform đều giảm hơn 99,9% so với mật độ ban đầu, qua đó cho thấy hiệu quả làm giảm Fecal coliform của quá trình ủ yếm khí. Fecal coliform được xem là nhóm vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm cho môi trường được gây ra bởi con người hay các loài động vật máu nóng (APHA, 1998). Fecal coliform được dùng phổ biến nhất trên thế giới để đánh giá sự nhiễm bẩn bởi chất thải sinh hoạt (Yassin et al., 2006). Sau 60 ngày, mật độ Fecal coliform ở các nghiệm thức đều đạt yêu cầu của QCVN 01-14:2010/BNNPTNT, nhưng số lượng tổng coliform vẫn ở mức cao hơn so với QCVN 01-14:2010/BNNPTNT, điều này có thể tiềm ẩn nguy cơ gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu nước thải đầu ra không được kiểm soát tốt.

g) Hàm lượng COD, tổng nitơ, tổng photpho đầu vào và đầu ra mẻ ủ

Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng tổng nitơ, tổng photpho và COD của đầu ra của mẻ ủ còn rất cao (Hình 4.18). Kết quả phân tích hỗn hợp mẻ ủ đầu ra cho thấy hàm lượng tổng nitơ dao động trong khoảng 715 – 916 mg/L, tổng lân dao động từ 690 – 1098 mg/L, COD dao động từ 5,3 – 18,4 g/L. Ngoại trừ TKN và COD đầu ra của mẻ ủ giảm đáng kể, tổng lân giảm không đáng kể. Mặc dù hiện nay không có các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường cụ thể cho nước thải sau quá trình ủ biogas nhưng kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng COD, TKN và TP đầu ra vẫn còn rất cao. Nước và bã thải sau quá trình ủ cần tiếp tục được sử dụng để làm giảm hàm lượng COD, TKN và TP trước khi thải vào môi trường.

1200

(a)

(b)

(c)

) L

1000 800

/ g m

600

(

400

N K T

200 0

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao

Phaân heo

(a)

(b)

(c)

) L

/ g m

(

ân a l

g ån o T

1200 1000 800 600 400 200 0

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao

Phaân heo

(a)

(b)

(c)

) L

/ g (

D O C

Nöôùc maùy Nöôùc thaûi biogas Nöôùc ao Nöôùc buøn ñaùy ao

Phaân heo

Ghi chú: (a) các nghiệm thức rơm phối trộn với phân heo; (b) các nghiệm thức lục bình phối trộn với phân heo; (c) nghiệm thức phân heo.

Hình 4.18: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra sau 60 ngày ủ

Quá trình phân hủy yếm khí chủ yếu làm giảm chất hữu cơ của mẻ ủ thông qua việc hình thành các khí CH4 và CO2 nên chủ yếu làm giảm COD của mẻ ủ, một phần nitơ giảm đi do sự hình thành khí NH3, N2. Tuy nhiên, hàm lượng dinh dưỡng đầu ra của mẻ ủ khá cao đòi hỏi cần được xử lý trước khi thải ra môi trường hoặc có thể ứng dụng chất thải này như một nguồn phân hữu cơ cho canh tác nông nghiệp.

4.3.2 Ảnh hưởng của kích cỡ rơm và lục bình đến khả năng sinh khí sinh học

a) Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ trung bình giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm và lục bình phối trộn với phân heo dao động từ 28,7 – 29,20C (Hình 4.19). Trong khoảng thời gian đầu nhiệt độ có xu hướng cao hơn các giai đoạn còn lại, đa số các thời điểm nhiệt độ mẻ ủ tương đối ổn định trong khoảng thời gian từ 26,6 – 28,6oC, nhiệt độ trung bình giữa các nghiệm thức không có sự biến động lớn (<0,8oC). Khoảng nhiệt độ này thích hợp cho sự hoạt động của vi sinh vật sinh khí mê-tan.

(a)

(b)

) C

(

o ñ

t e i h N

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

21 - 30 Thôøi gian

Khoâng caét

21 - 30 Thôøi gian 1 cm

20 cm

Phaân heo

10 cm

Hình 4.19: Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau

8.0

(a)

(b)

7.5

7.0

H p

6.5

6.0

5.5

5.0

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

21 - 30 Thôøi gian

Khoâng caét

10 cm

20 cm

Phaân heo

21 - 30 Thôøi gian 1 cm

Kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị pH trung bình giữa các nghiệm thức trong khoảng thời gian đầu thấp dao động từ 6,3 – 6,8 sau đó tăng dần và ổn định trong khoảng 6,6 – 6,9 (Hình 4.20). Trong giai đoạn đầu các chất hữu cơ bị thủy phân và hình thành nên các a-xít bay hơi, sự tích lũy các a-xít này dẫn đến pH thấp hơn các giai đoạn sau. Trung bình pH giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm và lục bình không có sự biến động lớn.

Hình 4.20: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau

Kết quả đo đạc thế oxy hoá khử của các nghiệm thức dao động từ -287 đến -149 mV, trong khoảng thời gian đầu giá trị thế oxy hóa khử của các nghiệm thức thấp (dao động từ -287 đến -248 mV) sau thời gian này giá trị thế oxy hóa khử của các nghiệm thức tăng dần và ổn định trong khoảng thời gian từ -224 đến -149 mV (Hình 4.21). Sự phân hủy các chất hữu cơ trong mẻ ủ là một trong những nguyên nhân làm thế oxy hóa khử tăng ở các giai đoan sau. Nhìn chung khoảng thế oxy hóa khử này nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình phân hủy yếm khí.

Khoâng caét

1 cm

10 cm

20 cm

Phaân heo

-100

(a)

(b)

-150

)

V m

-200

(

V m

(

h E

-250

-300

-350

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

21 - 30 Thôøi gian

1 cm

20 cm

Phaân heo

Khoâng caét

10 cm

Hình 4.21: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau

3000

2500

2000

1500

) L 3

1000

500

O C a C g m

(

1 - 10

11 - 20

21 - 30

31 - 45

46 - 60

4000

àm e i k

o Ñ

3000

2000

1000

1 - 10

11 - 20

21 - 30

31 - 45

46 - 60

Thôøi gian (ngaøy)

1 cm

Khoâng caét

Phaân heo

10 cm

20 cm

Độ kiềm của các nghiệm thức trong suốt thời gian thí nghiệm dao động từ 1.230 – 3.109 mgCaCO3/L (Hình 4.22). Độ kiềm của các nghiệm thức có xu hướng tăng dần trong quá trình ủ. Theo Ren and Wang (2004) độ kiềm từ 1.000 - 5.000 mgCaCO3/L thích hợp cho quá trình ủ yếm khí. Như vậy, trong nghiên cứu này độ kiềm nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí.

Hình 4.22: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau

b) Ảnh hưởng của các kích cỡ rơm đến khả năng sinh khí sinh học

Kết quả nghiên cứu cho thấy sau 1 ngày ủ, thể tích khí sinh ra của các nghiệm thức rơm không cắt, 1 cm, 10 cm, 20 cm dao động lần lượt từ 2,67 – 2,90 L trong đó rơm 1 cm cho sản lượng khí sinh ra cao nhất (2,9 L), thấp nhất là nghiệm thức rơm 10 cm (2,67 L), dao động giữa các nghiệm thức là không lớn. Đối

) L (

øy a g n

g øn a h

a r

Khoâng caét 1 cm 10 cm 20 cm Phaân heo

h n i s ïc o h

h n i s í h k

h c í t å

e h T

Thôøi gian (ngaøy)

với nghiệm thức 100% PH thời gian sinh khí sau 6 ngày ủ. Do rơm được tiền xử lý bằng nước thải sau túi ủ biogas nên thời gian sinh khí diễn ra nhanh hơn so với ủ 100% phân heo. Hình 4.23 cho thấy thể tích khí sinh ra tập trung trong khoảng thời gian từ ngày 6 - 15 (9 ngày) với sản lượng khí sinh ra chiếm hơn 30% sản lượng khí trong suốt quá trình ủ. Thể tích khí sinh ra cao nhất của các nghiệm thức rơm không cắt, 1 cm, 10 cm, 20 cm và 100% phân heo lần lượt là 11,4 L, 9,9 L, 10,9 L, 11,7 L và 5,5 L.

Hình 4.23: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của rơm ở các kích cỡ khác nhau trong 60 ngày

Hình 4.23 cho thấy lượng khí sinh ra hàng ngày tăng dần đến ngày 10 sau đó giảm dần về cuối quá trình ủ, nguyên nhân chủ yếu là chất hữu cơ trong mẻ ủ giảm do chuyển hóa thành khí sinh học nên sản lượng khí sinh ra giảm dần. Tuy nhiên, trong giai đoạn từ 29 – 41 ngày, lượng khí sinh ra ở các nghiệm thức rơm phối trộn với phân heo có sản lượng khí sinh ra tăng dần, điều này có thể do sự kết hợp giữa 2 loại vật liệu khác nhau dẫn đến thời gian phân hủy của từng vật liệu khác nhau trong đó phân heo có thời gian sinh khí nhanh hơn so với rơm do đã được thủy phân một phần thông qua hệ tiêu hóa. Đối với rơm do thành phần cacbon cao nên thời gian phân hủy thường dài hơn so với chất thải động vật (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010).

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 đó nghiệm thức rơm không 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,

140

a a

120

) L (

aaaa

100

Khoâng caét 1 cm 10 cm 20 cm Phaân heo

abb

oàn d h c í t n a t eâ- m

í h k g oån T

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

111,5 L và 114,6 L và thấp nhất là 100% phân heo (63,1 L). Hình 4.23 và 4.24 cho thấy sản lượng khí sinh ra giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm không 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 có dạng sợi, khi cắt ngắn không làm gia tăng đáng kể diện tích bề mặt của rơm nên không làm tăng diện tích tiếp xúc và tăng khả năng phân hủy của rơm.

Hình 4.24: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ rơm Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

c) Ảnh hưởng của các kích cỡ lục bình đến khả năng sinh khí biogas

Kết quả nghiên cứu cho thấy các nghiệm thức kích cỡ lục bình không cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm cho sản lượng khí sinh ra sau 1 ngày ủ với các giá trị lần lượt là 3,0 L, 4,1 L, 4,0 L và 3,7 L (Hình 4.25). Thể tích khí sinh ra của các nghiệm thức tập trung trong khoảng thời gian từ ngày 4 – 25 (19 ngày) với sản lượng khí chiếm hơn 50% tổng sản lượng khí sinh ra trong suốt thời gian theo dõi. Thể tích khí sinh ra hàng ngày cao nhất của các nghiệm thức lục bình không cắt, 1 cm, 10 cm, 20 cm và 100% phân heo lần lượt là 8,2 L, 10,4 L, 9,5 L, 8,6 L và 5,5 L.

) L (

øy a g n

g øn a h

a r

Khoâng caét 1 cm 10 cm 20 cm Phaân heo

h n i s ïc o h

h n i s í h k

h c í t å

e h T

Thôøi gian(ngaøy)

Hình 4.25: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các kích cỡ lục bình

160

140

) L (

120

a a a a

Khoâng caét 1 cm 10 cm 20 cm Phaân heo

100

oàn d h c í t n a t eâ- m

í h k g oån T

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức dao động từ 63,1 – 129,1 L. Trong đó cao nhất là nghiệm thức lục bình ở không 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 4.26). Tổng lượng khí tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ lục bình dao động không lớn (p>0,05).

Hình 4.26: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các kích cỡ lục bình khác nhau Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Mặc dù trong quá trình ủ yếm khí xảy ra hiện tượng vật liệu nổi nhưng các nghiệm thức phối trộn lục bình ở các kích thước khác nhau với phân heo cho thấy thể tích khí sinh ra cao hơn so với chỉ ủ 100% phân heo (p<0,05) từ 98,7 – 105,5%.

Thông 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 có 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 khí biogas thực hiện trên rơm cho thấy nếu kích cỡ quá nhỏ cũng ảnh hưởng không tốt đến quá trình phân hủy. Các kết quả trong nghiên cứu này cho thấy, kích cỡ của rơm và lục bình từ không cắt giảm đến 1cm không ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu. Tuy nhiên, việc phối trộn nguyên liệu rơm, lục bình và phân heo làm cải thiện đáng kể khả năng sinh khí của mẻ ủ. Kết quả này tương tự so với các kết quả nghiên cứu trước đây khi phối trộn phân heo với các nguồn nguyên liệu khác nhau (Nguyễn Hữu Phong, 2009; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012).

d) Nồng độ khí mê-tan

Kết quả nghiên cứu trình bày trong Hình 4.27 cho thấy nồng độ khí mê-tan (v/v) trung bình của các nghiệm thức kích cỡ rơm và lục bình dao động từ 43 -61% trong đó các nghiệm thức rơm không cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm trong suốt thời gian thí nghiệm dao động lần lượt là 43 – 47%, 51 – 56%, 53 – 56% và 53 – 60%; trung bình nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức kích cỡ lục bình không cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm dao động từ 43 – 52%, 53 – 55%, 56 – 61% và 54 – 61%. Riêng đối với nghiệm thức 100% phân heo nồng độ khí mê-tan trung bình dao động từ 51 – 55%. Kết quả nghiên cứu cho thấy ủ yếm khí rơm và lục bình ở các kích cỡ không cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm không làm thay đổi lớn về nồng độ khí mê-tan (1,06 – 2,47%) nhưng cao hơn so với ủ 100% phân heo từ 5,50 – 7,10%. Kết quả từ Hình 4.27 cũng cho thấy trung bình nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm và lục bình không có sự biến động lớn (dưới 4,6%). Các nghiên cứu phối trộn của rơm, lục bình với chất thải động vật cho thấy nồng độ khí mê-tan dao động từ 29,3 – 64,5% (Li et al., 2014; Ye et al., 2013), trong nghiên cứu này nồng độ khí mê-tan tương đồng với các tác giả trên.

(a)

)

(

70 60 50 40 30 20 10 0

n a t â- e m

1 - 7

8 - 21

22 - 35

36 - 42

43 -60

í h k

(b)

o ñ

g àn o N

70 60 50 40 30 20 10 0

1 - 7

8 - 21

36 - 42

43 -60

Khoâng caét

1 cm

Phaân heo

20 cm

22 - 35 Giai ñoaïn (ngaøy) 10 cm

Hình 4.27: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức kích cỡ rơm và lục bình khác nhau

Kích thước của vật liệu cũng là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến thời gian và tốc độ phân hủy vật liệu, những vật liệu có kích thước nhỏ nên diện tích bề mặt của vật liệu lớn, vi sinh vật dễ dàng tiếp xúc và phân hủy vật liệu (Sanders et al., 2000). Vật liệu càng nhỏ thì việc sản sinh nhiều a-xít hữu cơ trong quá trình phân hủy, sự tích lũy các a-xít này là nguyên nhân dẫn đến pH thấp, điều này gây bất lợi cho nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan. Trong nghiên cứu này giá trị pH, nhiệt độ, hệ đệm điều nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình hình thành khí sinh học. Tuy nhiên, do có cùng chất nền với đặc điểm giống nhau nên thành phần khí ở các nghiệm thức này cũng không có sự biến động lớn. Như vậy kết quả cho thấy nồng độ khí mê-tan của các kích cỡ rơm và lục bình không ảnh hưởng đến thành phần mê-tan trong hỗn hợp khí sinh học.

e) Năng suất sinh khí mê-tan

Kết quả về năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức kích thước rơm không cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm có giá trị lần lượt là 348; 364; 354 và 357 L CH4.kgVS-1 phân hủy, trong đó năng suất sinh khí của các nghiệm thức kích thước rơm 1 cm cao nhất (364 L CH4.kgVS-1 phân hủy) và thấp nhất là nghiệm thức rơm không cắt (348 L CH4.kgVS-1 phân hủy). Năng suất sinh khí của các nghiệm thức kích thước lục bình không cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm lần lượt là là 361; 350; 357 và 359 L CH4.kgVS-1 phân hủy, trong đó nghiệm thức lục bình 1 cm cho năng suất sinh khí thấp nhất (350 L CH4.kgVS-1 phân hủy), cao nhất là nghiệm thức lục bình không cắt (361 L CH4.kgVS-1 phân hủy). Nghiệm thức 100% phân heo cho

400

(a)

)

300

ûy u h aân h p

200

1 - S V g k .

100

Khoâng caét

1 cm

10 cm

20 cm

Phaân heo

400

(b)

300

H C - L ( í h k h n i s aát u s g aên N

200

100

Khoâng caét

1 cm

10 cm

20 cm

Phaân heo

Kích côõ vaät lieäu

năng suất sinh khí là 234 L CH4.kgVS-1 phân hủy. Kết quả phân tích thống kê cho thấy năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức rơm và lục bình không khác biệt (p>0,05) nhưng cao hơn so với chỉ ủ đơn thuần 100% phân heo.

Hình 4.28: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

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 không cắt, 1 cm, 10 cm và 20 cm chưa tạo nên sự khác biệt về thể tích khí sinh ra giữa các kích cỡ. Các nghiên cứu về năng suất sinh khí mê-tan của các nguyên liệu rơm dao động từ 239 - 367 L CH4.kgVS-1 phân hủy (Zeikus, 1997; Plöchl et al., 2009), lục bình dao động từ 200 – 462 L CH4.kgVS-1 phân hủy (Plöchl et al., 2009; O’Sullivan et al., 2010; Rajendran et al., 2012; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012; Gunnarsson and Petersen 2007), phân heo dao động từ 230-311 L CH4.kgVS-1 phân hủy (Raposo et al., 2011; Plöchl et al., 2009). Kết quả nghiên cứu này cho thấy ở các kích thước rơm, lục bình phối trộn với phân heo cho năng suất sinh khí tương đồng với các nghiên cứu của các tác giả trên.

Thảo luận chung:

Kết quả nghiên cứu cho thấy, các nghiệm thức có vật liệu được tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao và nước thải sau ủ biogas đều có khả năng sinh khí nhanh hơn các

nghiệm thức tiền xử lý bằng nước ao và nước máy. Tiền xử lý bằng nước thải biogas và nước bùn đáy ao là hai phương pháp có thể được ứng dụng trong tiền xử lý rơm. Đối với lục bình thì tiền xử lý bằng nước bùn đáy ao cho kết quả tổng khí mê-tan tích dồn và năng suất sinh khí cao hơn các phương pháp tiền xử lý còn lại. Kết quả trong nghiên cứu này cũng cho thấy các kích cỡ của rơm và lục bình từ không cắt giảm đến 1cm không ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu.

Bên cạnh hai yếu tố quan trọng là kích cỡ vật liệu và phương pháp tiền xử lý, tỷ lệ phối trộn của nguyên liệu là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh khí của mẻ ủ. Do đó, nghiên cứu tiếp theo của luận án sẽ xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm, lục bình và phân heo lên hiệu suất sinh khí biogas trong ủ yếm khí theo mẻ nhằm xác định tỷ lệ phối trộn phù hợp để sản xuất khí sinh học.

4.4 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo lên hiệu suất sinh khí biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ

4.4.1 Các yếu tố môi trường trong mẻ ủ

a) Nhiệt độ

Tỉ lệ phối trộn

1 – 10

11 – 20

31 – 45

46 – 60

Giai đoạn (ngày) 21 – 30

Rơm : phân heo 20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0

29,4±0,5 29,5±0,4 29,4±0,4 29,4±0,3 29,2±0,4 29,1±0,2

30,9±0,8 31,2±0,6 31,2±0,7 31,1±0,6 31,3±0,4 31,1±0,4

30,4±0,3 30,4±0,3 30,5±0,4 30,4±0,5 30,3±0,3 30,2±0,7

30,6±0,6 30,7±0,6 30,7±0,8 30,4±0,7 30,5±0,5 30,4±0,6

30,3±0,4 30,6±0,3 30,6±0,3 30,3±0,3 30,4±0,3 30,2±0,3

Lục bình : Phân heo

29,1±0,2 29,4±0,5 29,3±0,3 29,3±0,3 29,6±0,4 29,3±0,4 29,1±0,2

31,1±0,4 30,5±0,8 30,2±0,5 30,3±0,5 30,4±0,4 30,5±0,6 29,6±2,4

30,2±0,7 29,8±0,6 29,8±0,5 29,9±0,4 29,7±0,4 29,9±0,5 29,7±1,9

30,4±0,6 30,6±0,5 30,6±0,4 30,6±0,5 30,6±0,6 30,6±0,6 30,4±0,6

30,2±0,3 30,6±0,2 30,4±0,2 30,3±0,3 30,4±0,4 30,5±0,3 30,1±0,4

20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0 100% Phân heo

Nhiệt độ của các mẻ ủ trong suốt quá trình theo dõi dao động từ 29,1 – 31,3 oC (Bảng 4.10). Trung bình nhiệt độ giữa các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn rơm, lục bình với phân heo dao động ở cùng thời điểm dao động không lớn (<0,5oC). Bảng 4.10: Nhiệt độ trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo

Khoảng nhiệt độ này nằm trong khoảng nhiệt độ ưa ấm, thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật sinh khí mê-tan (Raposo et al., 2011; Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2012).

b) pH

Tỉ lệ phối trộn

1 – 10

11 – 20

31 – 45

46 – 60

Giai đoạn (ngày) 21 – 30

Rơm : phân heo 20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0

6,4±0,3 6,5±0,2 6,3±0,3 6,3±0,3 6,2±0,3 5,9±0,7

7,0±0,1 6,8±0,2 6,8±0,2 6,7±0,1 6,6±0,1 6,5±0,2

7,1±0,2 7,1±0,2 7,1±0,2 6,9±0,2 6,7±0,2 6,5±0,1

7,1±0,4 7,0±0,4 7,0±0,3 7,0±0,4 7,0±0,4 6,6±0,4

6,8±0,2 6,7±0,3 6,6±0,4 6,5±0,3 6,3±0,4 5,8±0,4

Lục bình : Phân heo

6,2±0,4 6,1±0,4 6,0±0,4 5,8±0,5 5,8±0,4 5,2±0,2 6,5±0,3

6,8±0,3 6,6±0,1 6,6±0,1 6,5±0,1 6,3±0,1 5,4±0,2 6,9±0,2

6,8±0,6 6,8±0,3 6,7±0,3 6,7±0,2 6,4±0,2 5,4±0,2 6,9±0,4

7,1±0,4 7,0±0,4 7,0±0,3 6,9±0,4 6,6±0,4 6,0±0,3 7,1±0,4

6,6±0,4 6,2±0,4 6,1±0,5 6,2±0,4 5,8±0,4 5,3±0,1 6,8±0,3

20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0 100% Phân heo

Kết quả nghiên cứu cho thấy pH dao động từ 5,8 – 7,1, tỷ lệ phối trộn lục bình dao động từ 5,2 – 7,1, nghiệm thức 100% phân heo dao động từ 6,5 – 7,1 (Bảng 4.11). Kết quả nghiên cứu cho thấy các giá trị pH ở giai đoạn 1 – 10 ngày thấp hơn các giai đoạn sau (giai đoạn từ 10 – 60 ngày). Phối trộn tỷ lệ rơm, lục bình càng nhiều thì giá trị pH có xu hướng càng giảm, điều này phù hợp với nghiên cứu của Ye et al. (2013); Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv. (2012). Trung bình giá trị pH của các nghiệm thức ở cùng thời điểm chênh lệch không lớn. Đối với nguyên liệu nạp rơm ở tỷ lệ nạp 100% rơm cho giá trị pH thấp (5,8) trong giai đoạn từ 10 – 20 ngày của quá trình ủ, đối với nguyên liệu nạp là lục bình ở các tỷ lệ nạp 60%, 80% và 100% trong giai đoạn đầu pH luôn ở mức thấp hơn 5.8. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ các chất hữu cơ được thủy phân và tạo ra a-xít. Sự tích lũy a-xít này nhiều là nguyên nhân dẫn đến giá trị pH giảm (Ye et al., 2013). Sự giảm pH trong quá trình ủ cũng cho thấy tình trạng mất cân bằng giữa giai đoạn sinh a-xít và giai đoạn tạo mê-tan của các vi sinh vật trong mẻ ủ. Bảng 4.11: Giá trị pH trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo

Trong quá trình ủ pH cần thiết cho vi sinh vật sinh khí mê-tan có thể dao động từ 6,2 – 8,5 (Chandra et al., 2012). Trong nghiên cứu này mặc dù trong giai đoạn từ 1 – 20 ngày giá trị pH thấp do sự tích lũy các VFAs tuy nhiên sau giai đoạn này các VFAs trong hệ thống được các vi sinh vật chuyển hóa thành khí mê-tan làm pH trong hỗn hợp ủ tăng lên và nằm trong khoảng thích nghi cho sự phát triển của vi sinh vật sinh khí mê-tan.

c) Độ oxy hóa khử

Tỉ lệ phối trộn

1 – 10

11 – 20

31 – 45

46 – 60

Giai đoạn (ngày) 21 – 30

Rơm : phân heo 20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0

-303±42 -309±36 -294±39 -292±37 -270±38 -261±46

-143±13 -218±40 -187±34 -226±42 -207±46 -178±30

-116±16 -161±24 -167±15 -165±13 -152±14 -137±10

-113±27 -143±30 -152±19 -166±16 -154±27 -134±12

-266±44 -271±31 -248±21 -255±24 -240±33 -206±16

Lục bình : Phân heo

20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0

-288±32 -287±36 -291±37 -282±35 -282±36 -214±42

-188±43 -196±30 -206±54 -179±45 -196±30 -182±18

-120±17 -120±24 -94±18 -124±21 -146±24 -137±17

-113±19 -98±26 -102±27 -121±33 -118±16 -161±29

-246±41 -231±28 -242±32 -247±35 -237±37 -230±39

-313±39

-268±37

-205±80

-108±20

-114±18

100% Phân heo

Kết quả đo đạc thế oxy hóa khử của các nghiệm thức tỷ lệ rơm dao động từ -313 mV đến -108 mV, thế oxy hóa khử của các nghiệm thức tỷ lệ lục bình dao động từ -288 đến -94 mV (Bảng 4.12). Càng về cuối quá trình ủ thì thế oxy hóa khử của các nghiệm thức có xu hướng tăng dần trong khoảng từ -266 đến -113 mV (các tỷ lệ phối trộn rơm với phân heo), từ -268 đến -94 mV (các tỷ lệ lục bình phối trộn với phân heo) và từ -268 đến -108 mV (100% phân heo). Nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi các giá trị này trong thời gian ủ là do sự phân hủy các chất hữu cơ trong giai đoạn đầu diễn ra mãnh liệt hơn, khi chất hữu cơ trong mẻ ủ giảm do chuyển hóa thành khí sinh học dẫn đến thế oxy hóa khử tăng. Hơn nữa, sự tiêu thụ oxy hòa tan trong nước của các nhóm vi sinh vật tùy nghi là nguyên nhân dẫn đến thế oxy hóa khử trong mẻ ủ giảm (Gerardi, 2003). Thế oxy hóa khử càng âm cho thấy môi trường trong mẻ ủ là trạng thái khử càng cao, quá trình khử sẽ thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật sinh khí mê-tan cũng như sản lượng khí sinh ra. Bảng 4.12: Thế oxy hóa khử trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo

d) Độ kiềm

Tỉ lệ phối trộn

1 – 10

11 – 20

31 – 45

46 – 60

Giai đoạn (ngày) 21 – 30

Rơm : phân heo 20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0

1678±10 1898±23 1760±10 1737±20 1700±10 1170±18

2775±66 2600±50 2438±13 2130±30 1772±60 1440±10

2370±72 2443±40 2013±61 2247±21 1950±40 1450±30

2123±28 2107±21 2142±220 2128±100 2215±40 1520±18

2933±15 2873±15 4423±25 2500±10 2237±12 1345±18

Lục bình : Phân heo

20:80 40:60 50:50 60:40 80:20 100:0

1428±48 2392±151 2263±15 1588±14 1568±78 2217±12 1560±17 3210±441 1362±58 2165±415 1458±14

733±33

2147±45 2067±21 2060±56 2197±38 1820±17 1443±12

2268±233 2388±217 3307±136 2323±65 2530±52 1558±14

2783±6 2477±23 3013±15 2862±13 1958±14 1313±6

1185±13

2377±25

2823±49

2433±126

2842±95

100% Phân heo

Độ kiềm của các nghiệm thức tỷ lệ rơm, lục bình phối trộn với phân heo dao động lần lượt là 1120 – 4473 mg CaCO3/L và 733 – 3307 mg CaCO3/L. Nghiệm thức 100% phân heo dao động từ 1185 – 2842 mg/L (Bảng 4.13). Giá trị độ kiềm thấp ở giai đoạn đầu sau đó có xu hướng tăng dần ở các giai đoạn tiếp theo. Quá trình thủy phân và tạo a-xít trong giai đoạn đầu làm cho pH thấp điều này làm giảm hệ đệm mẻ ủ. Ở các giai đoạn tiếp theo (giai đoạn sinh khí mê-tan đóng vai trò chủ đạo giá trị pH của mẻ ủ tăng dần dẫn đến hệ đệm của mẻ ủ cũng tăng lên điều này cũng phù hợp với các nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv. (2012), thành phần chủ yếu của hệ đệm chủ yếu là các bicacbonate, cacbonate và hydroxides (Raposo et al., 2011). Trong quá trình và H2 được hình thành, lượng CO2 kết hợp với H2 tạo phân hủy lượng khí CO2 thành các bicacbonate, cacbonate và hydroxides làm tăng tính đệm của hỗn hợp bên trong bình ủ. Nhìn chung, độ kiềm trong nghiên cứu này cung cấp hệ đệm tốt cho sự phát triển của nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan 1000 – 5000 (Ren and Wang, 2004). Bảng 4.13: Độ kiềm của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo

4.4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn rơm và phân heo lên thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí tích dồn

a) Diễn biến thể tích khí sinh ra hàng ngày

)

aøy g n / L (

100%PH 20%RO:80%PH 40%RO:60%PH 50%RO:50%PH 60%RO:40%PH 80%RO:20%PH 100%RO

aøy g n g aøn h a r h n i s ïc o h h n i s í h k h c í t å e h T

Thôøi gian (ngaøy)

Lượng biogas sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức thể hiện trong Hình 4.29 cho thấy trong 10 ngày đầu biogas sinh ra ở tất cả các nghiệm thức rất thấp. Do trong thời gian đầu của quá trình ủ chủ yếu xảy ra quá trình thủy phân và sinh a-xít (Chandra et al., 2012) nên quá trình sinh khí diễn ra chậm, điều này phù hợp với giá trị pH của các nghiệm thức, trong thời gian đầu pH thấp hơn so với các giai đoạn tiếp theo (Bảng 4.12). Ở tất cả các nghiệm thức đều có xu hướng sinh khí tăng và đạt cực đại trong giai đoạn từ ngày 10 đến ngày 20. Tuy nhiên, nghiệm thức 100% rơm và 100% phân heo sinh khí chậm hơn so với các nghiệm thức khác. Ở nghiệm thức 100% phân heo, nguyên liệu không được tiền xử lý trước 5 ngày nên mẻ ủ cần thời gian để VSV thích nghi và phân hủy; tuy nhiên đối với nghiệm thức 100% rơm mặc dù nguyên liệu được tiền xử lý trước 5 ngày nhưng thành phần ligninoxenlulozơ trong rơm chiếm tỉ lệ rất cao (khoảng 37,4 %), đây là thành phần rất khó phân hủy trong rơm (Ponnamperuma, 1984) vì thế nghiệm thức có thời gian sinh khí chậm hơn. Thời gian sinh khí cao nhất của nghiệm thức đạt được sau 18 đến 27 ngày.

Hình 4.29: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo trong 60 ngày

Sau thời gian sinh khí cực đại, biogas sinh ra của các nghiệm thức có xu hướng giảm dần (Hình 4.29). Tuy nhiên, đối với các nghiệm thức có phối trộn giữa rơm và phân heo biogas sinh ra có sự tăng trở lại từ ngày 32 đến ngày 37

sau đó giảm dần. Điều này có thể do các nghiệm thức này chứa 2 loại vật liệu là phân heo và rơm có mức độ phân hủy khác nhau, trong đó phân heo dễ phân hủy hơn so với vật liệu có nguồn gốc thực vật. Phân động vật đã được phân hủy một phần bởi các enzyme có trong hệ tiêu hóa của động vật đồng thời cũng có sẵn một lượng lớn vi sinh vật cho quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn (Nguyễn Quang Khải, 2001).

Nhìn chung, kết quả thí nghiệm cho thấy nếu sử dụng rơm phối trộn với phân heo trong quá trình ủ yếm khí theo mẻ thì cần thời gian phân hủy lâu hơn so với chỉ sử dụng một loại vật liệu ủ yếm khí là phân heo. Tuy nhiên, các nghiệm thức có sự phối trộn giữa phân heo và rơm có lượng khí biogas sinh ra cao và duy trì ổn định trong thời gian dài hơn so với các nghiệm thức 100% phân heo.

b) 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 có tổng lượng khí tích dồn cao nhất (169,4 L), khác biệt có ý nghĩa (p<0,05) so với các nghiệm thức 20% rơm + 80% phân heo (135,1 L), 40% rơm + 60% phân heo (149,5 L), 100% phân heo (94,1 L) và 100% rơm (123,8 L) nhưng không khác biệt (p>0,05) với nghiệm thức 60% rơm + 40% phân heo (166,6 L) và 80% rơm + 20% phân heo (163,5 L) (Hình 4.30). Hai nghiệm thức 100% phân heo và 100% rơm có kết quả tổng lượng khí tích dồn đến ngày 60 thấp hơn (p<0,05) so với các nghiệm thức có sự phối trộn giữa hai loại vật liệu này. Kết quả phân tích cho thấy khi tỷ lệ phối trộn của rơm gia tăng từ 20% đến 80%, khả năng sinh khí của hỗn hợp mẻ ủ tăng dần từ 135,1 L lên 169,4 L khí mê-tan. Tuy nhiên, khi tỷ lệ rơm lớn hơn 80% thì tổng lượng khí tích dồn giảm. Nghiệm thức 100% phân heo và 100% rơm cho kết quả tổng lượng khí tích dồn thấp nhất so với các nghiệm thức còn lại với các giá trị lần lượt là 94,1 L và 123,8 L. Nhìn chung, sự phối trộn rơm với phân heo ở các tỷ lệ khác nhau đều cải thiện khả năng sinh khí so với các nghiệm thức sử dụng một loại vật liệu, trong đó nghiệm thức có sự phối trộn 50% rơm, 60% và 80% rơm cho kết quả tốt nhất so với các tỷ lệ phối trộn khác. Nhìn chung, ở tất cả các thời điểm thì tổng lượng khí mê-tan tích dồn của hai nghiệm thức phối trộn rơm 50% và 60% đều cho tổng lượng khí mê-tan tích dồn cao nhất (Hình 4.30).

200

180

a a a

160

) L (

a ab

140

120

a ab bc

100

100%PH 20%RO + 80%PH 40%RO + 60%PH 50%RO + 50%PH 60%RO + 40%PH 80%RO + 20%PH 100%RO

oàn d h c í t n a t â- e m

a a a a a

í h k g ån o T

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

Hình 4.30: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo trong 60 ngày Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Quá trình phân hủy yếm khí phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ C/N của nguyên liệu ủ (Karthikeyan and Visvanathan, 2012; Kumar et al., 2010; Zhong et al., 2013). Tỉ lệ C/N tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20/1 đến 30/1 (RISE-AT, 1998; Fabien, 2003, Li et al., 2011; Puyuelo et al., 2011). Điều này là do nhóm vi sinh vật phân hủy yếm khí yêu cầu cần có sự cân bằng dinh dưỡng trong mẻ ủ để nhóm sinh vật này có thể phát triển cũng như duy trì tính ổn định của môi trường ủ. Wang et al. (2012) nghiên cứu ủ yếm khí phối trộn giữa phân bò, phân gà và rơm lúa mạch đã ghi nhận khả năng sinh khí đạt tối đa ở tỷ lệ C/N = 27,2 với pH ổn định và nồng độ NH3 thấp trong mẻ ủ. Kết quả tương tự cũng được Karthikeyan and Visvanathan (2012) công bố, trong đó tác giả đã chứng minh quá trình phân hủy yếm khí ở tỷ lệ C/N = 27 tốt hơn C/N = 32.

Khi tỉ số C/N cao hơn 30/1 sẽ làm chậm quá trình phân hủy, vi sinh vật sẽ tiêu thụ nhanh chóng nitơ dẫn tới hiện tượng thiếu nitơ gây ảnh hưởng đến vi khuẩn sinh mê-tan và kết quả là lượng khí sinh ra thấp, ngược lại thấp hơn 15/1-10/1 sẽ dẫn đến thất thoát đạm dưới dạng ammonium (Richard et al., + và các khí NH3 tự do có thể gây 1991). Sự tích lũy quá cao hàm lượng NH4 ức chế hoạt động của các vi sinh vật sinh mê-tan (Zhong et al., 2013). Kết quả phân tích cho thấy tỉ lệ C/N của các nghiệm thức phối trộn 50% rơm và 60% rơm có giá trị lần lượt là 32,1 và 34,7 cao hơn tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ yếm khí. Tuy nhiên, sự tiêu hao nhanh chóng cacbon trong quá trình sinh khí (CH4 và CO2) do các vi khuẩn sử dụng cacbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25- 30 lần (Bardiya and Gaur, 1997; Malik et al., 1990) có khả năng làm giảm tỷ

lệ C/N dần về tỷ lệ phù hợp nên các nghiệm thức phối trộn 50% rơm và 60% rơm có tổng lượng khí tích dồn cao nhất. Nghiệm thức phối trộn 50% rơm (với C/N = 32,1) là nghiệm thức có năng suất sinh khí mê-tan cao nhất và khác biệt so với các nghiệm thức còn lại (Hình 4.34a). Lương Đức Phẩm và ctv. (2009) cho rằng tổng cacbon trong tỷ lệ C/N khi sử dụng thực vật để phối trộn ủ yếm khí không bao gồm hàm lượng cacbon có trong lignin. Tuy nhiên, tổng C trong nghiên cứu này bao gồm cả hàm lượng lignin trong rơm, do vậy tỷ lệ C/N khi phối trộn thực vật sẽ cao hơn ngưỡng tối ưu được đề nghị. Như vậy, tổng lượng khí mê-tan tích dồn luôn đạt cao nhất ở nghiệm thức phối trộn 50% rơm với C/N là 32,1 là phù hợp so với các giải thích nêu trên. Ngoài ra, các yếu tố môi trường như độ kiềm cao (dao động từ 2.013 đến 4.423mg/L), pH trung tính và ổn định đã góp phần làm nghiệm thức phối trộn 50% rơm sinh khí tốt hơn các nghiệm thức khác.

4.4.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lục bình và phân heo lên thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí mê-tan tích dồn

a) Diễn biến thể tích khí sinh ra hàng ngày

Kết quả lượng khí biogas sinh ra hàng ngày cho thấy các mẻ ủ có hai giai đoạn sinh khí tập trung cao nhất. Giai đoạn đầu từ ngày 12 đến ngày 22 và giai đoạn tiếp theo từ ngày 30 đến ngày 35 (Hình 4.31). Sự hình thành 2 giai đoạn này, như đã được lý giải ở phần trên là do mức phân hủy khác nhau của hai loại vật liệu ủ là lục bình và phân heo. Mẻ ủ có sự phối trộn nhiều phân heo cho khả năng tạo khí nhanh, trong khi các mẻ ủ phối trộn nhiều lục bình sinh khí chậm hơn. Trong khi các nghiệm thức phối trộn 20%, 40%, 50%, 60% lục bình sinh khí cao nhất trong giai đoạn từ ngày 12 đến ngày 22 thì nghiệm thức 80% lục bình lại sinh khí cao nhất ở giai đoạn từ ngày 24 đến ngày 34. Sau ngày 35, hầu hết các nghiệm thức đều có lượng khí sinh ra hàng ngày giảm dần đến ngày 60. Các nghiệm thức phối trộn nhiều phân heo có xu hướng giảm nhanh trong khi các nghiệm thức nhiều lục bình vẫn có xu hướng giảm nhưng chậm và ổn định hơn (Hình 4.31).

100

) øy a g n /

L ( øy a g n g øn a h

100%PH 20%LB:80%PH 40%LB:60%PH 50%LB:50%PH 60%LB:40%PH 80%LB:20%PH 100%LB

a r h n i s

oïc h h n i s í h k h c í t

eå h T

30 Thôøi gian (ngaøy)

Hình 4.31: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức tỷ lệ lục bình phối trộn với phân heo

b) Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn

Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng khí mê-tan tích dồn tính đến 60 ngày của ba nghiệm thức 40%, 50% và 60% lục bình đều cho tổng lượng khí mê-tan tích dồn cao nhất với các giá trị lần lượt là 181,4 L, 185,7 L và 190,5 L (p>0,05). Nghiệm thức phối trộn 20% lục bình (151,7 L) và nghiệm thức phối trộn 80% lục bình (151,6 L) có tổng lượng khí tích dồn thấp hơn các nghiệm thức có 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). 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 không có 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 tích dồn giảm (Hình 4.32). Nghiệm thức 100% lục bình có tổng lượng khí tích dồn thấp nhất do pH của mẻ ủ thấp, dao động từ 5,2 - 5,4 ở giai đoạn đầu (Bảng 4.11). Ngoài ra, độ oxy hóa khử cao và độ kiềm thấp cũng là các yếu tố bất lợi cho quá trình tạo khí mê-tan. 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. Tỷ lệ phối trộn của lục bình càng tăng thì pH có xu hướng càng giảm (Bảng 4.11), do đó để hạn chế sự giảm pH của mẻ ủ cần có các biện pháp tăng cường độ kiềm cho mẻ ủ qua đó tăng tính đệm của hỗn hợp nhằm hạn chế sự giảm pH. Kết quả này cho thấy ủ yếm khí lục bình theo mẻ cần quan tâm hạn chế quá trình tích lũy a- xít hữu cơ làm giảm pH của mẻ ủ, qua đó ức chế hoạt động của nhóm vi sinh vật sinh mê-tan và làm quá trình ủ yếm khí không đạt hiệu quả.

101

250

200

aaa

) L (

a a a

oàn d

150

a a a

100%PH 20%LB + 80%PH 40%LB + 60%PH 50%LB + 50%PH 60%LB + 40%PH 80%LB + 20%PH 100%LB

h c í t n a t eâ- m

100

í h k g ån o T

b b b

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

Hình 4.32: Tổng lượng khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ lục bình phối trộn với phân heo Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Ở tất cả các thời điểm, lượng khí mê-tan tích dồn ở ba nghiệm thức phối trộn 40%, 50% và 60% lục bình với phân heo đều cao hơn so với các nghiệm thức phối trộn còn lại. Tỷ lệ C/N của ba nghiệm thức này lần lượt là 27,0, 28,1 và 29,3. Rơm và lục bình có hàm lượng lignin từ 7 – 12% (Saha, 2003, He et al., 2008; Jin and Chen, 2007; Lee, 1997). Nếu không bao gồm hàm lượng cacbon trong lignin theo đề nghị của (Lương Đức Phẩm và ctv., 2009) thì tỷ lệ C/N của các nghiệm thức này thấp hơn các giá trị trên. Kết quả cho thấy tỷ lệ C/N cho khả năng sinh khí tốt nhất của các nghiệm thức sử dụng lục bình phối trộn phân heo (27,0 đến 29,3) khác với tỷ lệ C/N của rơm (32,1). Điều này có thể được giải thích là do hàm lượng lignin trong rơm và lục bình khác nhau, do vậy tỷ lệ C/N tối ưu của 2 nhóm nghiệm thức này cũng khác nhau. Nhìn chung, các nghiệm thức với tỷ lệ phối trộn lục bình với phân heo ở mức 40%, 50% và 60% (với C/N tương ứng là 27,0, 28,1 và 29,3) cho khả năng sinh khí tốt nhất so với các nghiệm thức phối trộn khác. Khi phối trộn lục bình với phân heo với C/N ngoài khoảng trên thì khả năng sinh khí giảm.

4.4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên nồng độ khí mê-tan

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ khí mê-tan trung bình của các tỷ lệ rơm phối trộn với phân heo trong 10 ngày đầu dao động từ 13,1 – 18,2%, lục bình dao động từ 0,8 – 8,1% và phân heo là 8,8%. Trong khoảng thời gian đầu của quá trình ủ thông thường nồng độ khí mê-tan thấp do đây là giai đoạn sinh a-xít khí sinh ra trong giai đoạn này chủ yếu là khí CO2 (Kleyböcker et al., 2012). Nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức sau giai đoạn này có xu hướng tăng dần và

102

(a)

)

( n a t eâ- m

1 - 10

11 - 20

21 - 30

31 - 45

46 - 60

(b)

í h k oä ñ g oàn N

1 - 10

11 - 20

31 - 45

46 - 60

100:0

80:20

60:40

21 - 30 Giai ñoaïn (ngaøy) 50:50

40:60

20:80

0:100

ổn định ở mức cao từ 43 – 57,8% (các tỷ lệ phối trộn rơm), 24,1 – 58% (các tỷ lệ phối trộn lục bình) và từ 44,3 – 57,1% (100% phân heo) điều này cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu của Ye et al. (2013).

Hình 4.33: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức rơm phối trộn phân heo (a) và lục bình phối trộn phân heo (b)

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức có tỷ lệ phối trộn phân heo cao (80% và 100% phân heo) có hàm lượng mê-tan cao sau 10 ngày đầu của quá trình ủ và giữ ổn định cho đến ngày 30. Sau đó hàm lượng mê-tan của các nghiệm thức này có xu hướng giảm dần. Trong 30 ngày đầu, do thành phần ở các nghiệm thức này chủ yếu là phân heo (dễ phân hủy hơn so với rơm và lục bình) nên các nghiệm thức này phân hủy nhanh hơn và thành phần khí có hàm lượng mê-tan cao hơn các nghiệm thức có phối trộn nhiều rơm và lục bình. Sau giai đoạn này, hàm lượng mê-tan của các nghiệm thức này giảm dần.

Nghiệm thức 100% rơm có hàm lượng mê-tan thấp hơn các nghiệm thức khác ở cùng thời điểm nhưng không đáng kể. Trong khi đó, nghiệm thức 100% lục bình có hàm lượng mê-tan thấp nhất so với các nghiệm thức còn lại. Trong quá trình ủ, nghiệm thức 100% nguyên liệu lục bình có sự tích lũy các a-xít hữu cơ dẫn đến pH trong hỗn hợp giảm thấp (dưới 5,5) (Bảng 4.11) và độ kiềm thấp (733±33 mg/L) (Bảng 4.13). Sự tích lũy các a-xít này chính là nguyên nhân dẫn đến sự ức chế các sinh vật sinh khí mê-tan, do vậy nồng độ khí mê- tan ở nghiệm thức này ở mức thấp (Hình 4.33b). Tuy nhiên, sau khi pH dần

103

trở về điểm trung tính thì nồng độ mê-tan cũng bắt đầu tăng dần. Ogejo (2009) cho rằng sự ức chế các vi sinh vật sinh mê-tan chỉ diễn ra trong thời gian ngắn nếu pH không quá thấp, các nhóm vi sinh vật này sẽ bắt đầu thích nghi, phát triển và tiếp tục thực hiện các quá trình phân hủy. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến nồng độ khí mê-tan ở nghiệm thức này rất thấp trong thời gian đầu nhưng sau đó bắt đầu tăng dần trong suốt thời gian ủ. Nhìn chung, sự phối trộn rơm/lục bình không ảnh hưởng lớn đến nồng độ mê-tan của các nghiệm thức. Thành phần khí ở hầu hết các nghiệm thức có phối trộn đều cao hơn so với nghiệm thức 100% phân heo.

4.4.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên năng suất khí mê-tan

phân hủy) và nghiệm thức 100% phân heo (260 L. kgVS-1

Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo dao động từ 316 - 518 L CH4.kgVS-1 phân hủy trong đó năng suất cao nhất là nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo 50:50 (518 L CH4.kgVS-1 phân hủy) thấp nhất là nghiệm thức 100% phân heo (316 L CH4.kgVS-1 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 đó 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).

phân hủy.

Các nghiệm thức lục bình phối trộn với phân heo có năng suất sinh khí mê-tan dao động từ 86,3 – 448 L CH4.kgVS-1 phân hủy, trong đó năng suất sinh khí mê-tan cao nhất là nghiệm thức phối trộn lục bình với phân heo theo tỷ lệ 60:40 (448 L CH4.kgVS-1 phân hủy), thấp nhất là nghiệm thức 100% lục bình (86,3 L CH4.kgVS-1 phân hủy) (Hình 4.34b). 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 khác (p<0,05) với các giá trị lần lượt là 425, 436 và 448 L CH4. kgVS-1

104

600

)

500

(a)

(b)

500

400

uûy h ân a h p

400

1 -

300

200

S V g k . 4 H C - L (

100

K S S N

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 Tyû leä phoái troän (luïc bình :phaân heo)

Tyû leä phoái troän (rôm:phaân heo)

Hình 4.34: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn rơm (a), lục bình (b) với phân heo Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Các nghiệm thức phối trộn rơm:phân heo (0:100; 20:80; 40:60; 50:50; 60:40; 80:20 và 100:0) tương ứng tỷ lệ C/N (23,5; 26,2; 29,8; 32,1; 34,7; 41,8 và 52,9) (Bảng 3.9). Hình 4.34a cho thấy tỷ lệ C/N tăng từ 23,5 đến 32,1 thì năng suất sinh khí mê-cũng tăng dần và đạt cao nhất khi tỷ lệ C/N là 32,1. Tuy nhiên khi tỷ lệ C/N lớn hơn 32,1 thì năng suất sinh khí giảm dần. Nhiều tác giả trước đây cho rằng tỷ lệ C/N tối ưu cho ủ yếm khí từ 20-30 (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2015; Chandra et al., 2012; Deublein and Steinhauser, 2008; Weiland and Hassan, 2001). Tuy nhiên, Lương Đức Phẩm và ctv. (2009) cho rằng tổng cacbon trong tỷ lệ C/N khi sử dụng thực vật để phối trộn ủ yếm khí không bao gồm hàm lượng cacbon có trong lignin. Như vậy tỷ lệ C/N khi phối trộn thực vật sẽ cao hơn ngưỡng tối ưu được đề nghị bởi các tác giả trên. Mặt khác rơm có hàm lượng lignin từ 7 – 12% (Saha, 2003, He et al., 2008; Jin and Chen, 2007; Lee, 1997. Do đó, trong nghiên cứu này nếu không tính kết quả cacbon từ lignin có thể tỷ lệ C/N của nghiệm thức phối trộn 50:50 nằm trong khoảng tối ưu cho ủ yếm khí.

Các nghiệm thức phối trộn lục bình:phân heo (0:100; 20:80; 40:60; 50:50; 60:40; 80:20 và 100:0) tương ứng tỷ lệ C/N (23,5; 25,1; 27,0; 28,1; 29,3; 32,1 và 35,6). Tương tự thí nghiệm phối trộn rơm:phân heo, thí nghiệm phối trộn lục bình:phân heo cũng cho năng suất sinh khí mê-tan tăng dần khi tỷ lệ C/N tăng từ 23,5 đến 29,3. Khi tỷ lệ C/N lớn hơn 29,3 năng suất sinh khí mê-tan giảm dần, thấp nhất ở tỷ lệ C/N 35,6. Trong thí nghiệm này, 3 nghiệm thức có tỷ lệ C/N (27,0; 28,1 và 29,3) cho năng suất sinh khí cao nhất, khác biệt với các nghiệm thức còn lại (p<0,05).

105

Kết quả cho thấy tỷ lệ C/N tối ưu ở các nghiệm thức rơm cao hơn so với lục bình. Điều này có thể là do sự khác nhau của lượng lignin có trong rơm và lục bình (Saha, 2003, He et al., 2008; Gunnarson and Petersen, 2007; Nigam, 2002) và hàm lượng chất xơ của rơm và lục bình cũng khác nhau. Ngoài tỷ lệ C/N, pH cũng là yếu tố quan trọng trong ủ yếm khí. Lục bình khi ủ 100% cho năng suất sinh khí mê-tan thấp hơn so với ủ 100% phân heo (p<0,05) sự khác biệt này do trong quá trình ủ giá trị pH của nghiệm thức này giảm thấp (dao động từ 5,2 - 6,0). Sự tích lũy nhiều VFAs trong dịch ủ, gây ức chế sự hoạt động của các nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013). Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với nạp 100% lục bình (với lượng nạp 1kgVS.m-3.ngày-1) đã gây nên tình trạng tích lũy các a-xít hữu cơ, làm giảm pH, gây bất lợi cho vi sinh vật sinh khí mê-tan. Nghiên cứu của Pound et al. (1981) cho thấy khi phối trộn thực vật (80%) và phân gia súc (20%), giá trị pH của mẻ ủ giảm thấp hơn 6,2. Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cho thấy tỷ lệ phối trộn rơm/lục bình càng cao thì pH càng giảm thấp. Điều này tương đồng với kết quả của Pound et al. (1981). Do vậy, khi ủ yếm khí với tỷ lệ rơm và lục bình cao cần phối trộn với chất thải chăn nuôi hoặc chọn tỷ lệ nạp nguyên liệu phù hợp hơn để ổn định pH trong mẻ ủ trong ngưỡng pH được đề nghị bởi Chandra et al. (2012) từ 6,2 – 8,5. Bên cạnh đó, Pound et al. (1981) còn đề nghị bổ sung nguồn ure để giúp ổn định pH đối với các nghiệm thức có sử dụng nguyên liệu nạp là thực vật.

Xét ở năng suất sinh khí, rơm phối trộn với phân heo ở tỷ lệ 50:50 có năng phân hủy. Đối với lục bình, tỷ lệ phối phân hủy. suất sinh khí cao nhất đạt 518 L CH4.kgVS-1 trộn này là từ 40 - 60% với năng suất sinh khí từ 425 - 448 L CH4.kgVS-1

4.4.6 Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ

Kết quả nghiên cứu cho thấy COD đầu ra của mẻ ủ giảm đáng kể, hàm lượng tổng nitơ, tổng lân đầu ra của mẻ ủ còn rất cao (Hình 4.35). Kết quả phân tích hỗn hợp mẻ ủ đầu ra cho thấy hàm lượng tổng nitơ dao động từ 410 đến 1244 mg/L (đối với các nghiệm thức rơm phối trộn phân heo) và 735 đến 1205 mg/L (đối với các nghiệm thức lục bình phối trộn phân heo). Hàm lượng tổng lân đầu ra của các nghiệm thức rơm phối trộn phân heo dao động từ 81 đến 971 mg/L. Đối với các nghiệm thức lục bình phối trộn phân heo, tổng lân đầu ra dao động từ 256 đến 971 mg/L. Tỷ lệ phối trộn rơm và lục bình tăng dần thì hàm lượng tổng nitơ và tổng lân có xu hướng giảm dần. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng COD, TKN và TP đầu ra mặc dù có giảm nhưng đều cao hơn so với các QCVN hiện hành.

106

2000

(a)

(b)

1500

) L / g m

1000

(

500

N K T

100:0

80:20

60:40

50:50

40:60

20:80

0:100

100:0

80:20

60:40

50:50

40:60

20:80

0:100

(a)

(b)

Col 2 Col 3

) L / g m

Col 16 Col 17

( ân a l g oån T

1200 1000 800 600 400 200 0

100:0

80:20

60:40

50:50

40:60

20:80

0:100

100:0

80:20

60:40

50:50

40:60

20:80

0:100

(a)

(b)

) L / g (

D O C

60 50 40 30 20 10 0

100:0

80:20

60:40

50:50

40:60

20:80

0:100

100:0

80:20

60:40

50:50

40:60

20:80

0:100

Tyû leä phoái troän (%)

Ñaàu vaøo

Ñaàu ra

Hình 4.35: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ của các tỷ lệ rơm, lục bình phối trộn với phân heo

Quá trình phân hủy yếm khí chủ yếu làm giảm chất hữu cơ của mẻ ủ thông qua việc hình thành các khí CH4 và CO2 nên chủ yếu làm giảm COD của mẻ ủ. Một phần nitơ giảm đi do sự hình thành khí NH3, N2 nhưng không đáng kể. Đối với hàm lượng tổng lân hầu như không thay đổi trong quá trình ủ yếm khí.

Thảo luận chung:

Kết quả nghiên cứu cho thấy rơm phối trộn phân heo ở tỷ lệ 50% cho năng suất sinh khí cao nhất khác biệt so với các tỷ lệ phối trộn khác. Bên cạnh đó, phối trộn rơm với phân heo cải thiện năng suất sinh khí khác biệt so với tỷ lệ 100% rơm và 100% phân heo. Trong khi đó, phối trộn lục bình từ 40 đến 60% cho năng suất sinh khí không khác biệt nhưng khác biệt so với nghiệm thức 100% lục bình, 100% phân heo, phối trộn 20% lục bình + 80% phân heo và phối trộn 80% lục bình + 20% phân heo.

Trong điều kiện thực tế hầu hết các túi ủ/hầm ủ đều nạp nguyên liệu theo phương pháp bán liên tục. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu ở trên chỉ thực hiện theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ. Do đó, căn cứ vào các kết quả đã đạt được ở trên về phương pháp tiền xử lý, kích cỡ, tỷ lệ phối trộn, thí nghiệm đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong mẻ ủ yếm khí bán liên tục đã được thực hiện.

107

4.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ yếm khí bán liên tục

4.5.1 Giá trị pH trong quá trình ủ

8.0

(b)

(a)

7.5

7.0

6.5

H p

6.5

H p

6.0

5.5

100%RO 100%RO KT 50%RO+50%PH

100%LB 100%LB K T 50%LB+50%PH

50%LB+50%PH KT 100%PH 100%PH KT

50%RO+50%PH KT 100%PH 100%PH K T

5.0

40 30 20 Thôøi gian (ngaøy)

30 20 Thôøi gian (ngaøy)

Kết quả nghiên cứu cho thấy pH của các nghiệm thức nạp rơm dao động từ 6,02 – 7,68, các nghiệm thức nạp lục bình dao động từ 6,14 – 7,72 và các nghiệm thức 100% phân heo dao động từ 6,90 – 7,71 (Hình 4.36). Trong khoảng thời gian 30 ngày pH của các nghiệm thức giảm dần nhưng sau đó có xu hướng tăng dần và ổn định cho đến 60 ngày. Do trong thời gian đầu của quá trình phân hủy các chất hữu cơ được thủy phân và tạo các VFAs, sự tích lũy VFAs tăng dần dẫn đến pH của hỗn hợp ủ giảm, các nghiên cứu cho thấy trong giai đoạn sinh a-xít giá trị pH có thể giảm thấp từ 5,5 – 6,5 (Ward et al., 2008) hoặc thấp hơn 4,5 – 5 (Chandra, 2012). Giá trị pH thấp hơn 5,5 gây bất lợi cho quá trình phân hủy (Siegert and Banks, 2005; Ward et al., 2008). Hình 4.36 cho thấy các nghiệm thức phối trộn rơm hoặc lục bình càng nhiều thì pH trong mẻ ủ càng giảm, việc phối trộn phân heo trong hỗn hợp ủ giúp tăng hệ đệm trong hỗn hợp ủ. Mặc dù, khuấy trộn giúp quá trình phân hủy diễn ra tích cực hơn nhưng chênh lệch về pH giữa các nghiệm thức trong cùng thời điểm không lớn (dưới 0,52). Trong nghiên cứu này giá trị pH nằm trong khoảng thích hợp cho quá trình sinh khí.

Hình 4.36: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b)

4.5.2 Nồng độ các a-xít béo bay hơi Nồng độ VFAs của các nghiệm thức rơm, lục bình và phân heo được thể hiện qua Hình 4.36. Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ VFAs tăng dần trong khoảng thời gian 30 ngày sau đó có 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

108

sinh khí mê-tan chiếm vai trò chủ đạo trong hệ thống ủ sự chuyển hóa các a-xít này thành khí mê-tan dẫn đến VFAs trong hệ thống ủ giảm.

(a)

(b)

) L M m

( s A F V oä ñ g n oà N

Thôøi gian (ngaøy)

100%RO

100%LB

50%RO+50%PHKT

100%PH

100%LB KT

100%ROKT

50%LB+50%PHKT 100%PH 100%PHKT

50%RO+50%PH

50%LB+50%PH

100%PHKT

Giá trị VFAs của các nghiệm thức 100%RO, 100%ROKT, 50%RO + 50%PH và 50%RO + 50%PHKT cao nhất ghi nhận lần lượt là 32,1; 29,4; 18,6 và 16,8 mM.L-1. Các giá trị VFAs của các nghiệm thức 100%LB, 100%LBKT, 50%LB + 50%PH, 50%LB + 50%PHKT cao nhất ghi nhận lần lượt là 39,6; 32,7; 29 và 31,6 mM/L. Đối với nghiệm thức 100%PH và 100%PHKT giá trị cao nhất lần lượt là 2,1 và 3,4 mM/L. Hình 4.37 thể hiện khi thực hiện khuấy trộn và không khuấy trộn ở tỷ lệ nạp 100%RO và 100%LB thì sự tích lũy các VFAs cao hơn so với các nghiệm thức phối trộn rơm, lục bình với phân heo. Khi thực hiện khuấy trộn thì sự tích lũy các VFAs có xu hướng cao hơn so với không khuấy trộn, tuy nhiên sự chênh lệch về VFAs giữa các nghiệm thức trong cùng thời điểm không lớn.

Hình 4.37: Nồng độ VFAs tromg 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 có hàm lượng VFAs cao kéo dài đến ngày 50 của quá trình ủ. Trong khi đó, 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 and Banks, 2005; Ward et al., 2008). Sự tích lũy nhiều VFAs trong hỗn hợp ủ và giá trị pH trong hỗn hợp ủ giảm thấp có thể cho thấy tình trạng mất cân bằng giữa pha sinh a- xít và pha tạo khí mê-tan của mẻ ủ. Trong nghiên cứu này giá trị VFAs nằm trong khoảng thích hợp cho quá trình hoạt động của vi khuẩn sinh khí mê-tan.

4.5.3 Thành phần các a-xít béo bay hơi trong hỗn hợp ủ 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 đó

109

) L

(d)

(a)

/ l o m m

( c i t e c a t í x - A

0 25

) L

(e)

(b)

/ l o m m

( c i n o i p o r p

t í x - A

0 14

) L

(c)

(f)

/ l o m m

( c i r y t u b

t í x - A

30 Thôøi gian (ngaøy)

100%RO 100%RO KT

50%RO+50%PH 50%RO+50%PHK T

50%LB+50%PH 50%LB+50%PHKT

100%LB 100%LBKT

100%PH 100%PHKT

thành phần chính của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric chiếm hơn 80% trong tổng VFAs. Kết quả cho thấy nồng độ VFAs tăng dần trong khoảng thời gian 30 ngày sau đó giảm dần ở các giai đoạn sau. Riêng đối với nghiệm thức 100% rơm a-xít propionic vẫn tăng dần cho đến giai đoạn 60 ngày. 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. Trong khi đó, các a-xít succinic, a-xít acrylic, a-xít fumaric, a-xít formic, a-xít malic… chiếm tỷ lệ không đáng kể trong VFAs. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ, chất hữu cơ được thủy phân tạo nên các a-xít, chủ yếu là các a-xít béo mạch dài, sau đó quá trình thủy phân cắt ngắn mạch cac-bon đa phân tử thành các mạch cac-bon đơn giản hơn tạo thành các VFAs mạch ngắn mà thành phần chủ yếu là các a-xít acetic, a-xít propionic có khoảng 50 – 70% (Ye et al., 2013).

Ghi chú: các nghiệm thức nạp rơm (a, b, c) và các nghiệm thức nạp lục bình (d, e, f)

Hình 4.38: Diễn biến nồng độ các a-xít béo bay hơi của các nghiệp thức nạp rơm (a) và nạp lục bình (b)

Kết quả cho thấy quá trình thủy phân rơm tạo ra nhiều a-xít propionic và a-xít butyric hơn so với phân heo (Hình 4.38). Theo Ye et al. (2013) trong quá trình phân hủy, a-xít propionic sẽ sinh ra nhiều hơn a-xít acetic sau đó a-xít acetic sinh ra sẽ được chuyển hóa thành khí CH4 và CO2 (1). Thành phần khí

110

CH3COOH → CH4 + CO2

∆Go= -31 kJ/mol (1)

CH3CH2COOH + 4H2O → 2CH3COOH + 3H2 + 2CO2 ∆Go= +76.1 kJ/mol (2)

mê-tan phụ thuộc rất lớn lượng a-xít acetic, có khoảng 70% khí mê-tan được chuyển hóa từ a-xít acetic phần còn lại (30%) phụ thuộc sự chuyển hóa của H2 và CO2 (2) (McCarty, 1964).

Tóm lại, trong giai đoạn đầu của quá trình ủ, VFAs có xu hướng tăng dần, nhưng sau giai đoạn 30 ngày thì VFAs giảm nhưng đối với nạp 100%RO thì cho thấy VFAs vẫn khá cao. Thành phần chính của VFAs trong thí nghiệm này chủ yếu là a-xít acetic và a-xít propionic. Phối trộn lượng rơm và lục bình càng lớn thì lượng VFAs tích lũy sẽ càng cao. Khuấy trộn không làm gia tăng VFAs trong hỗn hợp ủ. Giá trị VFAs trong hỗn hợp ủ nằm trong khoảng thích hợp cho sự hoạt động của nhóm vi sinh vật sinh khí mê-tan.

4.5.4 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích mê-tan tích dồn của các nghiệm thức rơm

)

aøy g n / L (

100%RO 100%RO KT 50%RO+50%PH 50%RO+50%PH KT 100%PH 100%PH KT

aøy g n g aøn h a r h n i s ïc o h h n i s í h k h c í t å e h T

Thôøi gian (ngaøy)

Thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp rơm được trình bày ở Hình 4.39. Kết quả nghiên cứu cho thấy trong khoảng thời gian đầu, thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày thấp, dao động từ 2,1 – 3,2 L. Trong 30 ngày đầu thể tích biogas sinh ra có xu hướng tăng dần khi lượng nguyên liệu nạp trong bình ủ tăng. Sau 30 ngày thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày của các nhóm nghiệm thức 100%RO và 50%RO +50%PH có xu hướng ổn định dần. Khi thực hiện khuấy trộn, thể tích khí sinh ra hàng ngày chênh lệch không lớn so với không khuấy trộn (Hình 4.39).

Hình 4.39: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp rơm

111

300

250

) L (

200

aab

100%RO 100%ROKT 50%RO+50%PH 50%RO+50%PHKT 100%PH 100%PHKT

150

oàn d h c í t n a t eâ- m

100

í h k g oån T

a a a a

c c

b b

a a

b b c c

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

Vai trò của khuấy trộn nguyên liệu chỉ thể hiện rõ khi lượng nguyên liệu nạp trong bình ủ tăng. Do đó, khi lượng nguyên liệu nạp trong bình tăng dần (sau 30 ngày) thì lượng khí sinh ra hàng ngày của nghiệm thức có khuấy trộn cao hơn hẳn các nghiệm thức không khuấy trộn (Hình 4.39). Nạp nguyên liệu hoàn toàn bằng rơm thì vai trò của khuấy trộn càng thể hiện rõ, do rơm có độ xốp cao, dễ nỗi lên bề mặt mẻ ủ, gây đầy bình ủ. Trong khi đó, đối với các nghiêm thức nạp 50% rơm và 100% phân heo thì vai trò của khuấy đảo thể hiện không rõ.

Hình 4.40: Tổng thể tích khí mê-tan của các nghiệm thức nạp rơm Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

Tổng thể tích mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp rơm được trình bày ở Hình 4.40. 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 không lớn.

4.5.5 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng mê-tan tích dồn của các nghiệm thức lục bình

Tương tự với các nghiệm thức nạp rơm, các nghiệm thức nạp lục bình cũng cho thấy xu hướng tương tự. Vai trò của khuấy đảo chỉ thể hiện rõ khi lượng nguyên liệu nạp trong bình ủ cao. Lục bình có độ xốp cao hơn rơm và gây đầy bình ủ nhanh hơn rơm. Do đó, nếu vai trò của khuấy đảo ở các nghiệm thức nạp rơm thể hiện rõ sau 30 ngày thì đối với lục bình, sau 20 ngày là đã thể hiện rõ (Hình 4.41). So với tổng lượng khí mê-tan của các nghiệm thức nạp rơm,

112

100%LB 100%LB KT 50%LB+50%PH 50%LB+50%PH KT

) L ( øy a g n g øn a h

100%PH 100%PH KT

a r h n i s

oïc h h n i s í h k h c í t

eå h T

40 30 Thôøi gian (ngaøy)

tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình cao hơn hẳn 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

400

) L (

300

oàn d h c í t

100%LB 100%LBKT 50%LB+50%PH 50%LB+50%PHKT 100%PH 100%PHKT

n a t â- e m

200

100

í h k g ån o T

e e

d d

e e

c c

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

Hình 4.41: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp lục bình

Hình 4.42: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05)

4.5.6 Nồng độ khí CH4 của các nghiệm thức

Nồng độ khí CH4 và CO2 trong khí sinh học của các nghiệm thức được trình bày ở Hình 4.43 và 4.44. Kết quả từ nghiên cứu này tương tự với các kết quả có được của nghiên cứu trước, trong giai đoạn 15 ngày đầu nồng độ

113

khí mê-tan thấp (<25,6%) và CO2 (<17,2%), nhưng sau đó tăng dần ở các giai đoạn sau. Trong khoảng thời gian 20 ngày nồng độ khí mê-tan trung bình dao động từ 30,8 - 40,7%, nồng độ khí CO2 cũng tăng lên và dao động từ 5 – 38,3%. Từ sau giai đoạn 30 ngày trở đi nồng độ khí mê-tan tăng dần và ổn định trên 45%, tương ứng với nồng độ khí mê-tan tăng dần thì nồng độ khí CO2 tăng lên. Nhìn chung, hàm lượng khí CH4 trong hỗn hợp khí không có sự khác biệt lớn, dao động ở mức 50%.

Khí CH4 Khí CO2

)

( í h k

àn a h p

h øn a h T

1 2 3 4 5 6 10

1 2 3 4 5 6 50

1 2 3 4 5 6 20

1 2 3 4 5 6 60

1 2 3 4 5 6 40

1 2 3 4 5 6 30 Thôøi gian (ngaøy)

1:100%RO 2:100%ROKT

5:100%PH 6:100%PHKT

3:50%RO + 50%PH 4:50%RO + 50%PHKT

Các nghiên cứu trước đây của Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv (2012) về ủ yếm khí sử dụng nguyên liệu là rơm sau ủ nấm, khí sinh học thu được có nồng độ mê-tan 57,5 – 63,6%. Kết quả nghiên cứu của Bala et al. (2012) cũng ghi nhận nồng độ khí mê-tan xấp xỉ 60%. Hầu hết các nghiên cứu cho thấy trong giai đoạn đầu của quá trình ủ thì nồng độ khí mê-tan thấp sau giai đoạn 30 ngày thì nồng độ khí mê-tan tăng dần và ổn định, điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu này. Tóm lại, trong giai đoạn đầu nồng độ khí mê-tan thấp sau đó tăng dần và ổn định ở mức 50% và không khác biệt lớn giữa các nghiệm thức.

Hình 4.43: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng rơm làm nguyên liệu nạp

114

Khí CH4 Khí CO2

)

( í h k

àn a h p h øn a h T

1 2 3 4 5 6 10

1 2 3 4 5 6 50

1 2 3 4 5 6 20

1 2 3 4 5 6 60

1 2 3 4 5 6 40

1 2 3 4 5 6 30 Thôøi gian (ngaøy)

5:100%PH 6:100%PHKT

1:100%LB 2:100%LBKT

3:50%LB + 50%PH 4:50%LB + 50%PHKT

Hình 4.44: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp

Kết quả nghiên cứu cho thấy khi thực hiện phối trộn giữa rơm với phân heo cho nồng độ khí mê-tan trung bình sau 20 ngày tăng so với 100% rơm từ 11 – 13%, đối với các nghiệm thức phối trộn lục bình với phân heo so với 100% lục bình từ 6,2 – 9,4%. Tuy nhiên, so với phân heo thì sự chênh lệch về nồng độ khí mê-tan không lớn. Trong quá trình ủ, việc khuấy trộn là điều cần thiết, khuấy trộn có thể giúp cho vi sinh vật dễ dàng tiếp xúc và phân hủy vật liệu hơn. Do đó, khuấy trộn sẽ giúp quá trình phân hủy diễn ra một cách tích cực hơn, lượng khí sinh ra nhiều hơn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này khuấy trộn không có tác động rõ rệt lên thành phần khí so với không khuấy trộn.

4.5.7 Năng suất sinh khí mê-tan

Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng rơm làm nguyên liệu nạp được trình bày ở Hình 4.45 và sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp được trình bày ở Hình 4.46. Kết quả cho thấy không có sự khác biệt (p>0.05) về năng suất sinh khí mê-tan giữa các nghiệm thức có và không có khuấy trộn sử dụng rơm và phân heo làm nguyên liệu nạp (Hình 4.45). Đối với các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp, khuấy trộn có năng suất sinh khí mê-tan cao hơn (p<0,05) so với không khuấy trộn (Hình 4.46). Lục bình có độ xốp cao hơn rơm và dễ nổi trong bình ủ nên vai trò của khuấy đảo thể hiện rõ ở các nghiệm thức nạp lục bình hơn là trong các nghiệm thức nạp rơm.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức nạp 100% rơm và 100% lục bình cao hơn các nghiệm thức nạp

115

120

)

1 -

100

aïp n S V g k .

H C - L ( í h k h n i s át a u s g ên a N

100:0

100:0 (KT)

50:50

50:50 (KT)

0:100

0:100 (KT)

Nghieäm thöùc

50%. Trong khi đó, ở các thí nghiệm ủ yếm khí theo mẻ cho kết quả ngược lại. Điều này có thể được giải thích là trong ủ yếm khí theo mẻ, nguyên liệu được nạp một lần nên dễ gây hiện tượng quá tải cho mẻ ủ, tích lũy nhiều các VFAs và làm giảm pH mẻ ủ, gây ức chế các vi sinh vật sinh khí mê-tan. Trong khi đó, nạp bán liên tục thì vật liệu được nạp từ từ, không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này. Ngoài ra, trong nghiên cứu này, để đồng nhất nguyên liệu nạp nên phân heo được chuẩn bị một lần cho toàn bộ quá trình nạp. Điều này có thể làm giảm năng suất sinh khí của nghiệm thức nạp 100% phân heo do trữ nguyên liệu nạp quá lâu. Tuy nhiên, các kết quả này sẽ được kiểm chứng lại trên mô hình thực tế ở nông hộ với nguyên liệu nạp là phân heo được thu gom hàng ngày.

Hình 4.45: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng rơm làm nguyên liệu nạp Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05

116

)

160

1 -

140

120

aïp n S V g k .

100

H C - L ( í h k h n i s t aá u s g n aê N

100:0

100:0 (KT)

50:50

50:50 (KT)

0:100

0:100 (KT)

Nghieäm thöùc

Hình 4.46: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp Ghi chú: các cột ký hiệu bằng chữ cái giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê (Duncan test, α= 0,05

Thảo luận chung:

Kết quả nghiên cứu cho thấy pH của các nghiệm thức nạp rơm dao động từ 6,02 – 7,68, các nghiệm thức nạp lục bình dao động từ 6,14 – 7,72 và các nghiệm thức 100% phân heo dao động từ 6,90 – 7,71. Nồng độ VFAs tăng dần trong khoảng thời gian 30 ngày sau đó có xu hướng giảm dần cho đến cuối quá trình ủ. 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 đó thành phần chính của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric chiếm hơn 80% trong tổng VFAs.

Vai trò 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 không lớn. Tổng thể tích mê-tan tích dồn của các nghiệm thức 100%ROKT, 100%RO, 50%RO+50%PHKT, 50%RO+50%PH, 100%PHKT và 100%PH lần lượt là 257, 242, 214, 215, 57,6 và 53,6 lít. Lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình cao hơn hẳn với các nghiệm thức rơm với các giá trị lần lượt là 416, 322, 294 và 241 lít CH4, tương ứng với các nghiệm thức 100%LBKT, 100%LB, 50%LB+50%PHKT, 50%LB+50%PH.

Không có sự khác biệt về năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức khuấy trộn và không có khuấy trộn khi sử dụng rơm và phân heo làm nguyên liệu nạp nhưng khác biệt rõ ở nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp. Căn cứ vào các kết quả đạt được, thí nghiệm đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục

117

bình trong ủ yếm khí bán liên tục - ứng dụng trên mô hình túi ủ biogas polyethylene với quy mô nông hộ sẽ được thực hiện nhằm đánh giá khả năng triển khai trong điều kiện thực tế nông hộ ở đồng bằng sông Cửu Long.

4.6 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 mô nông hộ

4.6.1 Thời gian vận hành túi ủ

Nghiệm thức

100%LB 50%LB+50%PH 100%RO 50%RO+50%PH 100%PH

Lượng VS nạp (kg) 115 254 98 254 254

Thời gian vận hành (ngày) 27 60 23 60 60

Kết quả nghiên cứu cho thấy túi ủ nạp 100%RO và 100%LB có thời gian vận hành thấp hơn so với nghiệm thức có phối trộn 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH và túi nạp 100%PH (Bảng 4.14). Với lượng nạp 1kg/VS/ngày thì túi ủ nạp 100%RO chỉ có thể vận hành đến ngày 23 là không thể nạp nguyên liệu tiếp tục. Tương tự thì túi ủ nạp 100%LB cũng vận hành đến ngày 27. Trong khi đó 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 không gặp bất kỳ trở ngại nào. Do rơm và lục bình là các loại nguyên liệu có độ xốp cao, chiếm thể tích rất lớn nên khi nạp vào túi dễ gây hiện tượng đầy túi, không 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. Khi kết thúc thí nghiệm thì các nghiệm thức 50%RO+50%PH, 50%LB+50%PH và 100%PH đã được nạp 254 kgVS và vẫn còn khả năng tiếp nhận thêm vật liệu mới, trong khi đó, các túi 100%RO và 100%LB được nạp lần lượt là 98 và 115kgVS. Do vậy khó khăn trong việc vận hành túi ủ biogas với 100%RO và 100%LB là dễ tích lũy các chất xơ gây tắc ngẽn túi ủ, vì vậy cần phải loại bỏ lượng chất xơ thường xuyên. Bên cạnh đó, việc nạp rơm và lục bình sẽ hình thành lớp váng dày ngăn cản quá trình thoát khí từ dung dịch ủ lên bề mặt. Thời gian vận hành và lượng nguyên liệu nạp càng lớn lớp váng càng dày ảnh hưởng đến quá trình tạo khí của túi ủ. Vì vậy, sau một thời gian vận hành cần lấy bớt các chất xơ ra khỏi túi ủ. Bảng 4.14: Khả năng vận hành của túi ủ biogas với các nguyên liệu nạp khác nhau

4.6.2 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng khí mê-tan tích dồn

Kết quả nghiên cứu cho thấy thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức có 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,

118

)

1.6

aøy g n /

100%PH 100%RO

1.4

(

50%RO+50%PH 100%LB

1.2

aøy g n

50%LB+50%PH

1.0

g aèn h a r

0.8

h n i s ïc o h

0.6

0.4

h n i s í h k

h c í t å

0.2

e h T

0.0

30 Thôøi gian (ngaøy)

50%LB+50%PH và túi nạp 100%PH có 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 đó 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 4.47).

Hình 4.47: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức

Trong khi đó, hai nghiệm thức 100%RO và 100%LB có lượng khí biogas sinh ra hàng ngày thấp hơn nhiều so với 3 nghiệm thức còn lại. Điều này có thể lý giải là do thời gian vận hành và nạp nguyên liệu của các nghiệm thức này thấp hơn (Bảng 4.15) nên lượng khí biogas sinh ra hàng ngày thấp hơn. Trong thời gian đầu, mặc dù các nghiệm thức đều có lượng nạp như nhau nhưng có thể thấy rõ hai nghiệm thức 100%RO và 100%LB có lượng khí biogas sinh ra hàng ngày thấp. Giá trị pH trong túi ủ của hai nghiệm thức này thấp (lần lượt là 4,88 và 5,39) là nguyên nhân làm giảm khả năng sinh khí của 2 túi ủ này. Theo Ward et al., (2008), pH thấp gây ảnh hưởng bất lợi cho quá trình sinh khí. pH thấp hơn 5,5 sẽ hạn chế quá trình sinh khí mê-tan và sản lượng khí mê-tan bị giảm đi khoảng 75% (Ward et al.,2008; Jain and Mattiasson, 1998). Bên cạnh đó, quá trình vận hành túi ủ còn cho thấy, rơm và lục bình dễ bị nổi lên trên lớp mặt của hỗn hợp ủ làm vật liệu bị khô, ảnh hưởng đến quá trình phân hủy của vật liệu.

119

)

(

100% PH 100% RO 50% RO+ 50% PH 100% LB 50% LB + 50% PH

oàn d h c í t n a t â- e m

í h k g oån T

Ngày 15

Ngày 30

Ngày 45

Ngày 60

Thôøi gian

Hình 4.48: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức

Kết quả về tổng lượng khí mê-tan tích dồn tính đến 60 ngày được trình bày ở Hình 4.48 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) có lượng khí sinh ra tương đương với túi ủ được nạp 100%PH. Trong khi đó, các túi ủ nạp với 100%RO và 100%LB có tổng lượng khí mê-tan sinh ra thấp (Hình 4.48). Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, giai đoạn từ ngày 30 đến ngày 60 là giai đoạn sinh khí chủ yếu của các túi ủ với hơn 2/3 lượng khí của các túi ủ sinh ra trong giai đoạn này. Jingqing et al. (2013) nghiên cứu phối hợp chất thải nhà bếp và phân heo để sản xuất khí sinh học cũng cho thấy việc phối trộn làm gia tăng năng suất sinh khí 71,67% và 10,41% so với chỉ sử dụng 100% chất thải nhà bếp và 100% phân heo. Chandra et al. (2012) và Raposo et al. (2011) tổng hợp nhiều nghiên cứu sản xuất khí sinh học cũng khuyến cáo nên phối trộn các nguồn nguyên liệu nạp khác nhau để có được hiệu suất sinh khí biogas tốt hơn.

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 có thể giúp cho nguồn biogas được duy trì ổn định.

120

4.6.3 Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức

140

)

1 -

ïp a n

120

S V g K

100

H C L ( í h k

h n i s aát u s

g aên N

100%LB

50%LB+50%PH

100%RO

50%RO+50%PH

100%PH

Nghieäm thöùc

Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất sinh khí mê-tan giữa các nghiệm thức sau 60 ngày thí nghiệm dao động trong khoảng từ 66,6 – 114,8 L -1. Trong đó, nghiệm thức nạp 100%LB và 100%RO cho năng suất CH4.KgVSnạp -1. Mặc dù có thời gian sinh khí mê-tan lần lượt là 66,6 và 88,8 L CH4.KgVSnạp vận hành thấp (23 ngày) nhưng tính về năng suất sinh khí mê-tan trên nguyên liệu nạp thì giữa các nghiệm thức 50%LB+50%PH, 50%RO+50%PH và 100%PH (với năng suất sinh khí lần lượt là 109,6; 104,5 và 114,8 L -1) chênh lệch dưới 10%. Nghiệm thức sử dụng 100%PH cho năng CH4.KgVSnạp suất sinh khí cao hơn các nghiệm thức còn lại.

Hình 4.49: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức

Trong nghiên cứu này, túi ủ nạp với 100%LB cho năng suất sinh khí thấp nhất so với các túi còn lại. Nguyên nhân là do sự nổi vật liệu bên trong túi ủ làm hạn chế khả năng tiếp xúc với vi sinh vật, dẫn đến lượng khí sinh ra ít hơn các nghiệm thức còn lại và kết quả là năng suất sinh khí của nghiệm thức 100%LB thấp nhất, mặc dù có thời gian vận hành túi ủ cao hơn nghiệm thức 100%RO. Việc phối trộn rơm, lục bình với phân heo giúp cân bằng về mặt dinh dưỡng cho nguyên liệu ủ (C/N). Trong nghiên cứu này phân heo được sử dụng phân tươi điều này có lợi cho quá trình ủ, nguyên nhân do các chất hữu cơ đã được tiêu hóa một phần thông qua hệ tiêu hóa đồng thời nguồn vi sinh vật sẵn có trong phân heo giúp cho quá trình phân hủy được diễn ra nhanh hơn so với nguyên liệu ủ chỉ sử dụng đơn thuần là rơm và lục bình, đây chính là nguyên nhân dẫn đến năng suất sinh khí của nghiệm thức sử dụng 100%PH cho năng suất sinh khí cao hơn các nghiệm thức còn lại.

4.6.4 Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức

Kết quả nghiên cứu về mặt ứng dụng thử nghiệm trong điều kiện nông hộ cho thấy sau thời gian ủ 9 ngày thì nồng độ khí mê-tan trung bình đo được giữa

121

)

100

( s a g o i b í h k n a h p h n a h T

1 2 3 4 5 T1

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 T5

T4 Thôøi gian (tuaàn)

Ghi chuù:

1: 100%PH 2: 100%RO 3: 50%RO+50%PH 4: 100%LB 5: 50%LB+50%PH

Khí khaùc

CH4

CO2

các nghiệm thức dao động từ 39,9 – 63,4%. Trong đó, hai nghiệm thức ủ 100% rơm và 100% lục bình có nồng độ khí mê-tan thấp hơn các nghiệm thức phối trộn rơm, lục bình với phân heo. Túi ủ phối trộn 50% rơm + 50% phân heo và 50% lục bình + 50% phân heo và 100% phân heo cho nồng độ khí mê-tan ổn định và luôn cao hơn so với ủ 100% nguyên liệu rơm hoặc lục bình, với các giá trị ghi nhận lần lượt là 47,3 – 56,6%, 46,5 – 54,6% và 54,8 – 63,4%.

Hình 4.50: Thành phần khí biogas của các nghiệm thức

Trong quá trình ủ, các nghiệm thức 100% nguyên liệu có sự tích lũy các VFAs làm pH giảm (giá trị thấp nhất là 4,88) điều này đã gây ức chế sự hoạt động của vi sinh vật sinh khí mê-tan, vì vậy nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức này luôn thấp. Ngoài ra, kết quả cho thấy nồng độ khí mê-tan cao hơn 40% có thể hoàn toàn sử dụng được trong điều kiện của nông hộ. Tuy nhiên, xét về mặt ứng dụng để duy trì và hoạt động ổn định thì nên bổ sung thêm chất thải động vật để làm gia tăng sản lượng và nồng độ khí.

4.6.5 pH và tổng hàm lượng các a-xít béo bay hơi (VFAs)

Kết quả nghiên cứu cho thấy khi nạp 100%RO và 100%LB thì pH trong mẻ ủ giảm xuống thấp, đồng thời sự tích lũy các VFAs tăng lên. Túi ủ nạp với 100%RO ghi nhận có giá trị pH giảm nhanh trong giai đoạn 12 ngày đầu của thí nghiệm (Hình 4.51). Nếu ở giai đoạn đầu, tất cả các túi ủ đều có pH ở trung tính thì đến 12 – 13 ngày sau, giá trị pH của tất cả các túi ủ đều giảm thấp với các mức độ khác nhau. pH thấp nhất được ghi nhận ở 2 túi nạp 100%RO và 100%LB với pH lần lượt là 4,88 và 5,39. Trong khi đó túi ủ 100%PH, 50%LB+50%PH, 50%RO+50%PH có pH cao hơn với các giá trị lần lượt là 6,42; 6,04 và 5,83. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy pH của các túi ủ khác biệt khá rõ giữa đầu vào và đầu ra của túi ủ, pH đầu vào của túi ủ giảm thấp hơn nhiều so với đầu ra của túi ủ (Hình 4.51).

122

7.5

7.0

6.5

p H

6.5

øo a v

6.0

ñ a àu

6.0

àu a ñ

r a

5.5

H p

5.5

5.0

4.5

Thôøi gian (ngaøy)

100%PH

100%RO

50%RO +50%PH

40 30 20 Thôøi gian (ngaøy) 100%LB

50%LB +50%PH

Hình 4.51: Diễn biến pH của các túi ủ ở đầu vào (A) và đầu ra (B)

) L

/ l o m m

100%RO 50%RO+50%PH 100%LB 50%LB+50%PH 100%PH

( s A F V T o ñ

g àn o N

35 30 25 Thôøi gian (ngaøy)

Chandra et al., (2012) đã đề nghị khoảng pH thích hợp cho quá trình ủ yếm khí từ 6,2 – 8,5 và tối ưu cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 6,7 – 7,5 (Chandra et al., 2012) nếu pH quá cao hoặc quá thấp đều gây bất lợi cho hỗn hợp ủ. Trong giai đoạn đầu là giai đoạn sinh a-xít do đó pH sẽ xuống thấp, nhưng nếu giá trị này xuống thấp hơn 5,5 thì sẽ gây ức chế sự hoạt động của vi khuẩn sinh khí mê-tan (Raja et al., 2012). Trong nghiên cứu này, giá trị pH trong hỗn hợp ủ xuống thấp hơn mức giới hạn tối thiểu cho quá trình sản xuất khí sinh học đặc biệt là ở túi ủ nạp 100%RO và 100%LB.

Hình 4.52: Diễn biến hàm lượng VFAs của các túi ủ

Sự giảm thấp pH của các túi ủ thường liên quan mật thiết đến quá trình tích lũy các loại a-xít béo bay hơi trong mẻ ủ (Chandra et al., 2012; Raposo et al., 2011). Nghiên cứu này cũng ghi nhận hiện tượng tương tự, các túi ủ có pH giảm thấp là các túi ủ ghi nhận có hiện tượng tích lũy các VFAs. Hai túi ủ 100%RO và 100%LB ghi nhận lượng VFAs cao hơn hẳn các túi còn lại (Hình 4.52).

123

Thảo luận chung:

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy rơm và lục bình có thể được sử dụng làm nguyên liệu nạp bổ sung cho túi ủ biogas loại PE với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mô nông hộ mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống nạp hoàn toàn bằng phân heo. Khi thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp trong thời gian tái đàn hay dịch bệnh, rơm và lục bình có thể được nạp bổ sung với tỷ lệ 50% để tạo khí sinh học mà không ảnh hưởng đến khả năng tạo khí của túi ủ. Với tỷ lệ nạp 100% rơm và 100% lục bình cho thấy túi ủ nhanh chóng bị đầy, khối lượng nạp không cao. Khi túi ủ đầy sẽ tốn công lao động trong việc loại bỏ bã thải, chất xơ tích lũy trong túi ủ. Nạp rơm và lục bình sẽ hình thành lớp váng dày ảnh hưởng đến quá trình tạo khí. Ngoài ra, pH giảm thấp, sự tích lũy VFAs cao cũng là một trong các hạn chế ảnh hưởng đến thời gian vận hành, khả năng sinh khí của các túi ủ này.

124

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1 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 nông nghiệp và phát thải một lượng lớn khí CO2, CO, NOx vào khí quyển. Lục bình sinh trưởng tốt ở thủy vực ao nuôi cá, kênh dẫn nước và mương vườn. Sự gia tăng trọng lượng vật chất khô của LB sau 6 tuần ở kênh dẫn nước, ao nuôi 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 có thể cung cấp 300 – 500 L biogas.ngày-1. Rơm và lục bình là nguồn sinh khối dồi dào có 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 có 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 mê-tan lần lượt là 370 và 354 LCH4.kgVS-1 phân hủy cao hơn các nghiệm thức còn lại. Tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đáy ao cho năng suất sinh khí cao nhất đạt 406 LCH4.kgVS-1 phân hủy. Các kích cỡ của rơm và lục bình từ không cắt giảm đến 1cm không 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- tan cao nhất (518 LCH4.kgVS-1 phân hủy). Phối trộn lục bình từ 40 đến 60% (C/N từ 27-29,3) cho năng suất sinh khí mê-tan (425 – 448 LCH4.kgVS-1 phân hủy) cao hơn các nghiệm thức còn 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 trò 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 không lớn. Không có sự khác biệt về năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức có và không có 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 mô hình túi ủ polyethylene (PE) cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mô nông hộ khi thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống nạp hoàn toàn bằng phân heo. Tỷ lệ nạp 100% rơm và 100% lục bình cho thấy túi ủ có thời gian tiếp nhận nguyên liệu nạp thấp, dễ đầy do tích lũy nhiều chất xơ.

125

5.2 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 môi trường thông qua việc tái sử dụng phụ phẩm nông nghiệp, nâng cao hiệu suất sinh khí, đồng thời tăng tính ổn định của mô 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.

126

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Abbasi, T., S.M. Tauseef and S.A. Abbasi, 2012. Anaerobic digestion for global warming control and energy generation - An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16: 3228– 3242.

Abdelhamid, A.M. and A.A. Gabr, 1991. Evaluation of water hyacinth as feed for ruminants. Archives of Animal Nutrition (Archiv fuer Tiererna¨hrung), 41 (7/8): 745–756.

Abou-EL-Enin, O. H., J. G. Fadel and D. J. Mackill, 1999. Differences in chemical composition and fibre digestion of rice straw with, without, anhydrous ammonia from 53 rice varieties. Anim. Feed Sci. Technol, 79:129-136.

Alastair J. Ward, Phil J. Hobbs, Peter J. Holliman, David L. Jones, 2008. Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresource Technology, 99: 7928–7940.

Allen, L.H., T.R. Sinclair and J.M. Bennett, 1997. Evapotranspiration of

vegetation of Florida: Science Society of Florida, 56: 1–10.

Alvira, P., E. Tomás-Pejó, M. Ballesteros and M. Negro, 2010. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: a review. Bioresour. Technol. 101, 4851–4861. Amon, T., B. Amon, V. Kryvoruchko, A. Machmüller, K. Hopfner-Sixt, V. Bodiroza, R. Hrbek, J. Friedel, E. Pasch, H. Wagentristl, M. Schreiner and W. Zollitsch, 2007. Methane production through anaerobic digestion of various energy crops grown in sustain- able crop rotations. Bioresource Technology, 98: 3204–3212.

An, X.B. and T.R. Preston, 1999. Gas production from pig manure fed at different loading rates to polyethylene tubular biodigesters. Livestock Research for Rural Development, 11 (1): 8 page.

An, X.B., T.R. Preston and F. Dolberg, 1997. The introduction of lowcost polyethylene tube biodigesters on small scale farms in Vietnam. Livestock Research for Rural Development, 9 (2): 9 page.

Angelidaki, I. and B.K. Ahring, 2000. Methods for increasing the biogas potential from the recalcitrant organic matter contained in manure. Water Science and Technology, 41: 189–194.

APHA, 1998. Standard Methods for the Examination of Water and Waste water.

Washington, DC. Part 9000.

127

Appels, L., J. Baeyens, J. Degrève and R. Dewil, 2008. Principles and Potential of the Anaerobic Digestion of Waste-activated Sludge. Progress in Energy and Combustion Science, 34 (6): 755–781.

Arai, H., Y. Hosen, N.P.H. Van, T.T. Nga, N.H. Chiem and K.Inubushi, 2015. Greenhouse gas emissions from rice straw burning and straw-mushroom cultivation in a triple rice cropping system in the Mekong Delta. Soil Science and Plant Nutrition: 1–17.

Babaee, A., J. Shayegan and A. Roshani, 2013. Anaerobic Slurry Co-Digestion of Poultry Manure and Straw: Effect of Organic Loading and Temperature. Iran J Environ Heal Scien Engineer, 11: 11 – 15.

Badger, D.M., M.J. Bougue and D.J. Sterwart, 1979. Biogas production from organic wastes. Results of batch digestions. New Zealand J Sci, 22:12–20. Bala, K., L. Wati., A. Narula and K. K. Kapoor, 2012. Co-digestion of cattle

dung and rice straw for biogas production, 31: 11-15.

Bardiya, N. and A.C. Gaur, 1997. Effects of carbon and nitrogen ratio on rice

straw biomethanation.J.Rural Energy, 4 (1–4): 1–16.

Berglund and Börjesson, 2003. Energianalys av biogassystem. Report no 44.

Dept. teknik och samhälle, Lund Univeristy. Sweden: 1-4

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, 2006. Giống và thời vụ sản xuất lúa ở đồng bằng sông Cửu Long. Nhà xuất bản Nông nghiệp. Hà Nội. 104 trang. Boubaker, F and B. C. Ridha., 2010. Two-phase anaerobic co-digestion of olive mill wastes in semi-continuous digesters at mesophilic temperature. Bioresource Technology, 101: 1628–1634.

Cardona, C.A. and O.J. Sanchez, 2007. Fuel ethanol production: Process design trends and integra- tion opportunities. Bioresource Technology, 98(12): 2415-2457.

Carina, C. G. and M.P. Cecilia., 2007. Water hyacinths as a resource in review. Waste literature

agriculture and energy production: A Management, 27: 117 – 129.

Carvalheiro, F., C. Duarte and M. Gírio, 2008. Hemicellulose biorefineries: A review on biomass pre- treatments. Journal of Scientific and Industrial Research, 67(11): 849-864.

Chae, K.J., A. Jang, S.K. Yim and I.S. Kim., 2008. The effects of digestion temperature and temperature shock on the biogas yields from the mesophilic anaerobic digestion of swine manure. Bioresource Technology 99, 1–6.

Chambers, B.J., K.A. Smith and B.F. Pain., 2000. Strategies to encourage better use of nitrogen in animal manures. Soil Use and Management 16, 157–161.

128

Chanakya, H. N., S. Borgaonkar, M. G. C. Rajan and M. Wahi, 1992. Two- phase anaerobic digestion of water hyacinth or urban garbage. Bioresource Technology 42:123-131.

Chanakya, H.N., S. Borgaonkar, G. Meena and K.S. Jagadish, 1993. Solidphase biogas production with garbage or water hyacinth. Bioresource. Technology, 46: 227–231.

Chandra, R., H. Takeuch and T. Hasegawa, 2012. Methane production from lignocellulosic agricultural crop wastes: A review in context to second generation of biofuel production. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16: 1462–1476.

Chandra, R., H. Takeuchi and T. Hasegawa, 2012. Hydrothermal pretreatment of rice straw biomass: A potential and promising method for enhanced methane production. Applied Energy, 94: 129–140.

Chang, K.L., J. Thitikorn-amorn, J.F. Hsieh, B.M Ou, S.H. Chen, K. Atanakhanokchai, and S.T. Chen, 2011. Enhanced enzymatic conversion with freeze pretreatment of rice straw. Biomass and Bioenergy, 35(1): 90–95. Chen, Y., J.J. Cheng and K.S. Creamer KS, 2008. Inhibition of anaerobic digestion process: A review. Bioresour Technol, 99: 4044–4064. Chongrak, P., 2007. Organic Waste Recycling: technology and management.

3rd edition. IWA Publishing. Bangkok, Thailand. 516 pp.

Chu Thị Thu Hà, 2011. Khả năng loại bỏ kim loại nặng (Cu, Cd) của bèo tây (Eichhornia crassipes) trong nước ở điều kiện tĩnh và sục khí. Hội nghị Khoa học toàn quốc về Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật lần thứ 4. Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2011. 1499 – 1505.

Deublein, D. and A. Steinhauser, 2008. Biogas from waste and renewable sources: an introduction. 3rd edition. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH and Co. KgaA. 578 pp.

Eder, B. and H. Schulz, 2007. Biogas-Praxis: Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele, Wirtschaftlichkeit. Urheberrchtlich geschutztes material. 238 pp.

Ehimen, E.A., Z.F. Sun, C.G. Carrington, E.J. Bircj and J.J. Eaton-Rye, 2011. Anaerobic digestion of microalgae residues resulting from the biodiesel lproduction process. Appl Energy, 88: 3454–3463.

Fabien, M., 2003. An introduction to anaerobic digestion of organic wastes.

Scotland. 48 pp.

Francis-Floyd, R., C. Watson., D. Petty and D. B. Pouder, 2010 Ammonia in

Aquatic Systems. Aquaculture Pollution Bulletin, 20 (12): 27-35

129

Frigon, J.C., P. Mehta and S.R. Guiot, 2012. Impact of mechanical, chemical and enzymatic pre-treatments on the methane yield from the anaerobic digestion of switchgrass. Biomass Bioenergy, 36: 1–11.

Gadde, B., S. Bonnet, C. Menke and S. Garivate, 2009. Air pollutant emissions from rice straw open field burning in India, Thailand and the Philippines. Journal of Environmental Pollution, 157:1554 - 1558.

Gao, J., L. Chen, Z. Yan and L. Wang, 2013. Effect of ionic liquid pretreatment on the composition, structure and biogas production of water hyacinth (Eichhornia crassipes). Bioresour. Technol, 132: 361–364.

Garcia, J.L., B.K.C. Patel and B. Ollivier, 2000. Taxonomic phylogenetic and

ecological diversity of methanogenic Archaea, 6: 205-226.

Gerardi, M.H., 2003. The microbiology of anaerobic digesters. Wiley

Interscience. John Wiley & Sons, Inc: 94 -129.

Golueke, C.G., W.J. Oswald and H.B. Gotaas, 1957. Anaerobic digestion of

algae. Appl Microbiol, 5(1): 47–55.

Gunnarsson, C. and C. Petersen, 2007. Water hyacinths as a resource in agriculture and energy production: a literature review. Waste Manage, 27: 117–129.

Hansen, T.L., J.E Schmidt, I. Angelidaki, E. Marca, J.C. Jansen, H. Mosbæk and T.H Christensen, 2004. Method for determination of methane potentials of solid organic waste. Waste Manage, 24 (4): 393–400. Hartmann, H., I. Angelidaki and B.K. Ahring, 2000. Increase of anaerobic degradation of particulate organic matter in fullscale biogas plants by mechanical maceration. Water Sci. Technol, 41 (3): 145–153.

Harun, M.Y., R.A.B. Dayang, Z.Z Abidin and R. Yunus, 2011. Effect of physical pretreatment on dilute acid hydrolysis of water hyacinth (Eichhornia crassipes). Bioresource Technology, 102: 5193–5199.

Hashimoto, A.G., 1983. Conversion of straw-manure mixtures to methane at mesophilic and thermophilic temperatures. Biotechnol Bioeng, 25: 185–200.

He, Y., P. Yunzhi, L. Yanping, L. Xiujin and W. Kuisheng, 2008. Physicochemical characterization of rice straw pretreated with sodium hydroxide in the solid state for enhancing biogas production. Energy and Fuels, 22: 2775-2781.

Heeraman, D.A. and N. G. Juna, 1993. A comparison of minirhizotrans core and monolish method for quantifying barley (Hordenm vulgare L.) and Faba (Vicia faba L.) root distribution. Plant. Soil, 148: 29–40.

130

Hendriks, A.T.W.M. and G. Zeeman, 2008. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellu- losic biomass. Bioresource Technology, 100(1): 10-18

Hinrich., Hartmann and K. Ahring, 2005. Anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste: Influence of co-digestion with manure. Water Research, 39: 1543–1552.

Hoàng Thị Thái Hòa và Đỗ Đình Thục, 2010. Đặc tính hóa học của một số loại phân hữu cơ và phụ phẩm cây trồng sử dụng trong nông nghiệp trên vùng đất cát biển tỉnh Thừa Thiên Huế. Tạp chí khoa học, Đại học Huế, Số 57:59-68.

Huang, G.F., J.W.C. Wong, Q.T. Wu and B.B. Nagar, 2004. Effect of C/N on composting of pig manure with sawdust. Waste Management, 24: 805–813 Hui, Y., H. Yun and Z. Yang Zhuo, 2013. Effect of combined pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process. Procedia Environmental Sciences, 18: 716 – 721.

IPCC, 2007. IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007. http://http://www.ipcc.ch/publications and data/publications and data reports.shtm#.UooZeL9Whs. accessed on 18/11/2013.

Jackson, R. B., J. Canadell, J. R. Ehleringer, R. A. Mooney, O. E. Sala and E. D. Schulze, 1996. A global analysis of root distributions for terrestrial biomass. Oecologia, 108: 389–411.

Jain, S.R. and B. Mattiasson, 1998. Acclimatization of methanogenic consortia for low pH biomethanation process.Biotech.Lett, 20 (8): 771–775. Jin and Chen, 2007. Near-infrared analysis of the chemical composition of rice

straw. Ind Crops Prod, 26: 207-11.

Jin, Y., H. Li, R.B. Mahar, Z. Wang and Y. Nie, 2008. Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. J. Environ. Sci, 21: 279–284.

John, R.W., H. Niels and R. Mark, 2005. Determinants and patterns of

population growth in water hyacinth. Aquatic Botany, 81:51–67.

Jonsson, O., E. Polman, J.K. Jensen, R. Eklund, H. Schyl and S. Ivarsson, 2003. system. the European gas distribution

Sustainable gas enters http://www.dgc.eu/sites/default/files/filarkiv/documents/C0301_sustaina ble_gas.pdf. Accessed on 20/8/2016

Kadlec, R. H. and R.L. Knight., 1996. Treatment wetlvàs. Boca Raton, FL.

USA: Lewis - CRD press.

Kalyuzhnyi, S., A. Veeken and B. Hamelers, 2000. Two-particle model of anaerobic solid state fermentation. Water Science and Technology, 41:43-50.

131

Katima, 2001. Production of biogas from water hyacinth: effect of subtrate concentration, particle size and incubation period. Tanzania Journal of Science, 27: 107-119

Kinyua, M.N., 2013. Effect of Solids Retention Time on the Denitrification Potential of Anaerobically Digested Swine Waste. University of South Florida. Kivaisi, A.K. and M. Mtila., 1998. Production of biogas from water hyacinth (Eichhornia crassipes) (Mart) (Solms) in a two-stage bioreactor. World Journal of Microbiology & Biotechnology, 14: 125–131.

Kleyböcker, A., M. Liebrich, M. Kasina, M. Kraume, M. Wittmaier and H. Würdemann., 2012. Comparison of different procedures to stabilize biogas formation after process failure in a thermophilic waste digestion system: Influence of aggregate formation on process stability. Waste Management, 32: 1122-1130

residues

Ko, C.H., S. Chaiprapat, L.H.Kim, P. Hadi, S.C. Hsu and S.Y. Leu, 2016. Carbon sequestration potential via energy harvesting from agricultural biomas in Mekong River basin, Southeast Asia. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032116002756. Accessed on 24/3/2016.

Kumar, M., Y.L. Ou and J.G. Lin, 2010. Co-composting of green waste and

food waste at low C/N ratio. WasteManag, 30: 602–609.

Kwietniewska and Tys, 2014. Process characteristics, inhibition factors and methane yields of anaerobic digestion process, with particular focus on microalgal biomass fermentation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 34: 491–500.

Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009. Vi sinh vật Nước và Nước thải. NXB

Xây dựng.

Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013. Giáo trình quản lý và xử lý chất

thải rắn. Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ. Cần Thơ. 493 trang.

Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2015. Giáo trình vi sinh vật kỹ thuật

môi trường. Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ. Cần Thơ. 401 trang.

Lê Hoàng Việt, 2004. Đánh giá khả năng sử dụng nước ép lục bình để sản xuất

biogas. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học, 2: 82-90.

Lê Hoàng Việt, 2005. Giáo trình quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ. Trường

Đại học Cần Thơ.

Lee, S. J., 2008. Relationship between Oxidation Reduction Potential (ORP) and Volatile Fatty Acid (VFA) Production in the Acid-Phase Anaerobic

132

http://ir.canterbury.ac.nz/handle/10092/1262. Process.

Digestion Accessed on 16/8/2013.

Lee., 1997. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J.

Biotechnol, 56:1-24.

Lei, Z., J. Chen, Z. Zhang and N. Sugiura, 2010. Methane production from rice sludge: effect of phosphate

straw with acclimated anaerobic supplementation. Bioresource Technology, 101(12):4343–4348.

Li, Y., S.Y. Park and J. Zhu, 2011. Solid-state anaerobic digestion for methane production from organic waste. Renew Sustain Energy Rev, 15: 821 – 826 Lim, J.S., Z.A. Manan, S.R.W.Alwi and H.Hashim, 2012. A review on utilization of biomas from rice industry as a source of renewable energy. Renewable and sustainable Energy Reviews, 16(2012): 3084-3094. Liu, K., G. Sun., X. Wu and Y. Wu., 1987. Research and Application of Technology for Dry-wet Biogas Fermentation. Biological Wastes, 20 (4): 303–308.

Lương Đức Phẩm, 2009. Công Nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học.

Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam. 339 trang.

Lương Đức Phẩm, Đinh Thị Kim Nhung và Trần Cẩm Vân, 2009. Cơ sở khoa học trong công nghệ bảo vệ môi trường. Tập 2. Cơ sở vi sinh trong công nghệ bảo vệ môi trường. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam. 571 trang. Lương Duy Thành, Phan Văn Độ, Nguyễn Trọng Tâm, 2015. Nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự phát triển, tiềm năng và thực trạng khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam. Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, 50: 24 – 29

Madamwar, D., A. Patel and V. Patel, 1991. Effects of various surfactants on anaerobic digestion of water hyacinth-cattle dung. Bioresource Technology, 37: 157–160.

Mahvi, A.H., A. Maleki and A. Eslami, 2004. Potential of rice husk and rice husk ash for phenol removal in aqueous systems. American Journal of Applied Sciences, 1(4):321–326.

Malik, M.K., U.K Singh and N. Ahmad, 1990. Batch digester studies on Biogas production from Cannabis sativa, water hyacinth mixed with dung và crop Wastes và poultry litter. Biological Wastes, 31: 315-319.

McCarty, P.L., 1964. Anaerobic waste treatment fundamentals, Part I – chemistry and microbiology. Journal of Public Works, 95:107–112. Mishima, D., M. Kuniki, K. Sei, S. Soda, M.Ike and M.Fujita, 2008. Ethanol production from candidate energy crops: water hyacinth (Eichhornia crassipes) and water lettuce (Pistia stratiotesL.). Bioresour. Technol, 99: 2495–2500.

133

Mishima, D., M. Tateda, M. Ike and M. Fujita, 2006. Comparative study on chemical pretreatments to accelerate enzymatic hydrolysis of aquatic macrophyte biomass used in water purification processes. Bioresource Technology, 97: 2166–2172.

Mital, K., 1996. Biogas Systems-Principles and Applications. New age

International (P) Ltd.

Mitsch, W.J. and J.G. Gosselink., 2007. Wetlands, fourthed. John Wiley &

Sons, Inc., New York. 582 pp.

Moisier, N., R. Hendrickson, N. Ho, M. Sedlak and M.R. Ladisch, 2005. Optimization of pH controlled liquid hot water pretreatment of corn stover. Bioresource Technol, 96 (18): 1986 – 1993.

Moorhead, K.K. and R.A. Nordstedt, 1993. Batch anaerobic digestion of water hyacinth: effects of particle size, plant nitrogen content, and inoculum volume. Bioresource Technology, 44 (1): 71–76.

Mshandete, A., L. Björnsson, A.K. Kivaisi, M.S.T Rubindamayugi and B. Mattiasson, 2006. Effect of particle size on biogas yield from sisal fibre waste. Renewable Energy, 31(14):2385–2392.

Muramoto. S., I. Aoyama and Y. Oki, 1991. Effect of salinity on the concentration of some elements in water hyacinth (Eichhornia crassipes) at critical levels. J Environ Sci Health, 26:205–15.

Ngan, C.V.N, T.S. Nam, N.H. Chiem, L.H.Viet and I. Kjeld, 2015. Effects C/N ratios on anaerobic co-digestion of pig manure and local biomas in the Mekong delta. Journal of Science and Technology, 53 (3A): 223-228. Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997. Sản xuất khí đốt (biogas) bằng kỹ thuật lên men kỵ khí. NXB Nông Nghiệp. Thành phố Hồ Chí Minh. Ngô Thị Thanh Trúc, 2005. Đánh giá tác động kinh tế - môi trường của tập quán đốt rơm ở đồng bằng sông Cửu Long. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Khoa học môi trường. Trường Đại học Cần Thơ.

Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003. Công nghệ sinh học môi trường. Tập 2. Xử lý chất thải hữu cơ. Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

Nguyễn Duy Thiện, 2001. Công trình năng lượng khí sinh học (biogas). NXB

Xây Dựng Hà Nội.

Nguyễn Hữu Chiếm và Eiji Matsubara, 2012. Sách chuyên khảo Nghiên cứu phát triển nông thôn dựa trên cơ chế phát triển sạch (Clean Development Mechanism – CDM). NXB Đại học Cần Thơ.

Nguyễn Hữu Phong, 2009. Khảo sát khả năng sinh khí metan từ phân heo – lục bình và phân heo – rơm sau ủ nấm rơm. Kết quả nghiên cứu khoa học dự án VIE/020 – Bèo lục bình: 29 – 48.

134

Nguyễn Lân Dũng, Đinh Thị Kim Nhung và Trần Cẩm Vân, 2009. Cở sở khoa học trong công nghệ bảo vệ môi trường (tập 2). Nhà xuất bản giáo dục. Tp. Đà Nẵng.

Nguyễn Lệ Phương, Trương Minh Châu, Võ Văn Đủ, Lâm Thanh Ải và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2015. Ảnh hưởng của các tỷ lệ phối trộn đến khả năng sinh khí của mẻ ủ yếm khí kết hợp phân bò với thân cây bắp (Zea mays) và bèo tai tượng (Pistia stratiotes l). Tap ̣ chı́ Khoa học Trườ ng Đại học Cần Thơ. Số chuyên đề: Môi trường và Biến đổi khí hậu: 71-79

Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010. Tủ sách khí sinh học tiết kiệm năng lượng công nghệ khí sinh học chuyên khảo. NXB Khoa Học Tự Nhiên và Công Nghệ.

Nguyễn Quang Khải, 2009. Công nghệ khí sinh học: Hướng dẫn xây dựng, vận hành, bảo dưỡng, sử dụng toàn diện khí sinh học và bã thải. NXB Lao động – xã hội.

Nguyễn Thành Hối, 2008. Ảnh hưởng sự chôn vùi rơm rạ tươi trong đất ngập nước đến sinh trưởng của lúa (Oryza sativa L.) ở đồng bằng sông Cửu Long. Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp. Trường Đại học Cần Thơ.

Nguyễn Thành Hối, Mai Vũ Duy, Lê Vĩnh Thúc và Nguyễn Thị Diễm Hương, 2015. Ảnh hưởng của phân ủ từ rơm (phế thải của việc sản xuất nấm rơm) có xử lí trichoderma đến sinh trưởng và năng suất của 2 giống lúa MTL560 và IR50404. Tạp chí khoa học Đại học sư phạm TPHCM. Số 2 (67). 177-184

Nguyễn Thành Hối, Mai Vũ Duy, Lê Vĩnh Thúc, Nguyễn Hồng Phú, Vương Ngọc Đăng Khoa, 2014. Ảnh hưởng của phân ủ từ rơm xử lý trichoderma đến sinh trưởng và năng suất của 3 giống lúa cao sản MTL392, OM4900 và JASMINE85. Tạp chí Khoa học và Phát triển 2014, số 4: 510-515. Nguyễn Trần Tuấn, Nguyễn Minh Phượng, Ngô Thị Hồng Thắm và Dương Minh Viễn, 2009. Sản xuất phân hữu cơ từ lục bình kết hợp với các chất thải nông nghiệp khác. Hội nghị khoa học sản xuất nông thủy sản bền vững và năng lượng tái tạo từ lục bình và chất thải. Trường Đại Học Cần Thơ. Nguyễn Văn Thu, 2010. Kết quả bước đầu khảo sát sử dụng các loại thực vật để sản xuất khí sinh học (biogas). Kỷ yếu khoa học: Khép kín các quá trình tuần hoàn dinh dưỡng về chất cơ bản vô hại đến vệ sinh từ các hệ thống thủy lợi phi tập trung ở đồng bằng sông Mêkông (SANSED II). Nhà xuất bản Đại Học Cần Thơ (tháng 1/2010): 88 – 92.

Nguyễn Võ Châu Ngân, Lê Hoàng Việt, Nguyễn Đắc Cử và Nguyễn Hữu Phong, 2011. So sánh khả năng sinh khí của mẻ ủ yếm khí bán liên tục với các nguyên liệu nạp khác nhau khi có và không có nấm Trichoderma. Tạp chí khoa học đại học Cần Thơ, 20b 31 - 38.

135

Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn Trường Thành, Nguyễn Hữu Lộc, Nguyễn Trí Ngươn, Lê Ngọc Phúc và Nguyễn Trương Nhật Tân, 2012. Khả năng sử dụng lục bình và rơm làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ biogas. Tạp chí khoa học Đại Học Cần Thơ, 22a: 213 - 221.

Nigam, J.N., 2002. Bioconversion of water-hyacinth (Eichhornia crassipes) hemicellulose acid ydrolysate to motor fuel ethanol by xylose-fermenting yeast. J. Biotechnol, 97: 107–116.

Njogu, P., R. Kinyua, P.Muthoni and Y. Nemoto, 2015. Biogas Production Using Water Hyacinth (Eicchornia crassipes) for Electricity Generation in Kenya. Energy and Power Engineering, 7: 209-216.

Nuntiya, P., N. Annop and S. Warinthorn, 2009. Bio-Methane Potential of BiologicalSolid Materials and Agricultural Wastes. As. J. Energy Env, 1: 19-27.

O’Sullivan, C., B. Rounsefell, A.Grinham, W. Clarke and J. Udy, 2010. Anaerobic digestion of harvested aquatic weeds: water hyacinth (Eichhornia crassipes), cabomba (Cabomba Caroliniana) and salvinia (Salvinia molesta). Ecological Engineering, 36: 1459-1468.

Ofoefule, A.U., E. O. Uzodinma and O. D. Onukwuli, 2009. Comparative study of the effect of different pretreatment methods on biogas yield from water Hyacinth (Eichhornia crassipes). International Journal of Physical Sciences, 4 (8): 535-539.

Olivares, E. and G. Colonnello, 2000. Salinity gradient in the Manamo river, a dammed distributary of the Orinoco Delta, and its influence on the presence of Eichhornia crassipes and Paspalum repens. Interciencia, 25: 242-248.

Paepatung, N., A. Nopharatana, S. Warinthorn, 2009. Bio-methane potential of biological solid materials and agricultural wastes. Asian Journal on Energy and Environment, 10(1):19–27.

Patel, V., M. Desai and D. Madamwar, 1993. Thermochemical pretreatment of water hyacinth for improved biomethanation. Appl. Biochem. Biotechnol, 42: 67–74.

Patil, J.H., M.A.L. AntonyRaj, C.C. Gavimath and V.R. Hooli, 2011. A comperative study on anaerobic co-digestion of water hyacinth with poultry litter and cow dung. International Journal of chemical sciences and application ISSN 0976-2590, 2:148-155.

Phạm Hồ Hải, Nguyễn Thị Mùi và Lê Hà Châu, 2008. Chế biến, bảo quản rơm bằng phương pháp (bánh/kiện) để sử dụng nuôi bò thịt tại đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chí khoa học công nghệ chăn nuôi số 15. Tháng 08/2008.

136

Phạm Tấn Hùng và Nguyễn Văn Thu, 2010. Bước đầu vận hành hầm ủ biogas 50 m3 của dự án SANSED để sản xuất điện năng tại xã Hòa An, huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang. Kỷ yếu khoa học: Khép kín các quá trình tuần hoàn dinh dưỡng về chất cơ bản vô hại đến vệ sinh từ các hệ thống thủy lợi phi tập trung ở đồng bằng sông Mêkông (SANSED II). Nhà xuất bản Đại Học Cần Thơ (tháng 1/2010): 81 – 87.

Philipp O., W. Koch and Köser H., 1983. Utilization and control of water

hyacinth in Sudan. GTZ.

Pinto-Coelho, R. M and M.B.K Greco, 1999. The contribution of water hyacinth (Eichhornia crassipes) and zooplankton to the internal cycling of phosphorus in the eutrophic Pampulha Reservoir, Brazil. Hydrobiologia, 411: 115–127.

Plöchl and Nuber, 2009. Process control and first result of the biogas plant in Hoa An. SANSED – PROJECT Closing Nutrient Cycles in Decentralised Water Treatment Systems in the Mekong Delta. Proceedings of the International SANSED workshop Decentralised Water Treatment Systems and Beneficial Reuse of enerated Substrates. 3rd Sansed Workshop, April 15 – 18, 2008. Can Tho University: 99 – 103.

Plöchl, M., T. Vöhringer amd A. Mikulcak, 2008. Experiences during the Construction of the Biogas Plant in Hoa An. SANSED – PROJECT Closing Nutrient Cycles in Decentralised Water Treatment Systems in the Mekong Delta. Proceedings of the International SANSED workshop Decentralised Water Treatment Systems and Beneficial Reuse of enerated Substrates. 3rd Sansed Workshop, April 15 – 18, 2008. Can Tho University: 14 – 19.

Poddar, K., L. Mandal and G.C Banerjee, 1991. Studies on water hyacinth (Eichhornia crassipes) Chemical composition of the plant and water from different habitats. Indian Veterinary Journal, 68: 833–837.

Polprasert, C., S. Wangsuphachart and S. Muttamara, 1980. Composting nightsoil and water hyacinth in the tropics. Compost Science/Land Utilization, 21:25-27

Ponnamperuma F.N., 1984. Straw as a source of nutrient for wetlvà rice, In organic matter và rice, International Rice Research Institute, Los Banos The Philippines.

Pound, B., F. Done and T.R.Preston, 1981. Bogas production from mixtures of cattle slurry and pressed sugar cane stalk, with and without urea. Trop Anim Prod 1981, 6: 11-21

137

Puyuelo, B., S. Ponsá, T. Gea and A. Sánchez A, 2011. Determining C/N ratios for ypical organic wastes using biodegradable fractions. Chemosphere, 85:653–659.

Qu, X., L. Mazeas., V.A. Vavilin., J. Epissard., M. Lemunier., J.M. Mouchel., P. J. He and T. Bouchez, 2009. Combined monitoring of changes in CH4 and archaeal community structure during mesophilic methanization of municipal solid waste. FEMS Microbiology Ecology, 68: 236-245. Radwan, A. M., H. A. Sebak, N. R. Mitry, E. A. El-Zanati, and M. A. Hamad, 1993. Dry Anaerobic Fermentation of Agricultural Residues. Biomass and Bioenergy, 5 (6): 495–499.

Rafique, R., T.G. Poulsen, A.S. Nizami, Z.U.Z. Asam, J.D. Murphy and G. Kiely, 2010. Effect of thermal, chemical and thermo-chemical pre- treatments to enhance methane production. Biomass Bioenergy, 35: 4556–4561.

Raja, S. A., C. L. R, Lee and I. J. Chem, 2012. Biomethanation of water hyacinth

using additives under forced mixing in a bio reactor. ISSN: 2249-0329.

Rajeeb, G., B. Sumit and H. Sunil, 2009. Biogas as a sustainable energy source in Nepal: Present status and future challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13: 248–52.

Journal of Chemical Technology study.

Rajendran., Karthik., A. Solmaz, J. Mohammad and Taherzadeh., 2012. Household Biogas Digesters—a Review. Energies, 5 (8): 2911–2942. Raposo, F, V., M.A. Fernández-Cegrí, D. Rubia and R. Borja, F. Béline, C. Cavinato, G. Demirer, B. Fernández, M. Fdz-Polanco, J.C. Frigon, R. Ganesh, P. Kaparaju, J. Koubova, R. Méndez, G. Menin, A. Peene, P. Scherer, M. Torrijos, H. Uellendahl, I. Wierinckm and W. De Wilde, 2011. Biochemicalmethane potential (BMP) of solid organic substrates: evaluation of anaerobic biodegradability using data from an international and interlaboratory Biotechnology, 86(8):1088–98.

Rasi, S., A. Veijanen and J. Rintala, 2007. Trace compounds of biogas from

different biogas production plants. Energy, 32: 1375–1380.

Reddy, T.K., G.S. Geeta and K.S. Jagadeesh, 1990. Nickel as an accelerator of biogas production in water hyacinth (Eichhornia crassipes Solms.). Biomass, 21: 157–161.

Ren, N.Q. and A.J. Wang, 2004. The Method and Technology of Anaerobic

Digestion. Chemical industry Press: 30–31.

Richards B.K., R.J. Cummings and W.J Jewell, 1991. High rate low solids methane fermentation of sorghum, corn and cellulose. Journal of Biomass & Bioenergy, 5:249–60.

138

RISE-AT, 1998. Review of Current Status of Anaerobic Digestion technology for Treatment of Municipal Solid Waste. Regional Technology. Institute of Science and Technology Research and Development. Chiang Mai University.

Saha, B.C., 2003. Hemicellulose bioconversion. Ind. Microbiol. Biotechnol, 30:

279–291.

Sanders, W.T.M., M. Geerin, G. Zeeman and G. Lettinga, 2000. Anaerobic hydrolysis kinetics of particulate substrates. Water Science and Technology 41:17–24.

Sharma, B. M and O. O. Oshode, 1991. Effect of nutrients on the biomass of water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms). Hydrobiologia 38, 401–408.

Sharma, S.K., I. M. Mishra, M. P. Sharma and J. S. Saini, 1988. Effect of particle size on biogas generation from biomass residues. Biomass, 17(4):251–263.

Shinnawi, M.M., El Tahawi, B.S., El Houssieni, M., and Fahmy, S.S., 1989. Changes of organic constituents of crop residues and poultry wastes during fermentation for biogas production. MIRCEN–J. Appl. Microbiol. Biotechnol, 5 (4): 475–486.

Shyam, M. and P.K. Sharma, 1994. Solid-state anaerobic digestion of cattle dung and agro-residues in small-capacity field digesters. Bioresour. Technol, 48: 203–207.

Siegert, I. and C. Banks, 2005. The effect of volatile fatty acid additions on the anaerobic digestion of cellulose and glucose in batch reactors. Process Biochem, 40: 3412–3418.

Somayaji, D. and S. Khanna., 1994. Biomethanation of rice and wheat straw.

World J. Microbiol. Biotechnol, 10 (5): 521–523.

Song, Z.L, G.H Yang, Y. Guo and T. Zhang, 2012. Comparison of two chemical pretreatments of rice straw for biogas production by anaerobic digestion. Bioresources, 7: 3223-3236.

Spiegel, R.J. and J.L. Preston, 2003. Technical assessment of fuel cell operation on anaerobic digester gas at the Yonkers, NY, wastewater treatment plant. Waste Manage, 23:709–717.

Sun, Y. and J. Cheng, 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol

production: a review. Bioresour. Technol, 83: 1–11.

Sung, S.W. and T. Liu, 2003. Ammonia inhibition on thermophilic anaerobic

digestion. Chemosphere, 53: 43–52.

139

Tag El-Din, A.R., 1992. Utilization of water-hyacinth hay in feeding of growing

sheep. Indian Journal of Animal Sciences, 62 (10): 989–992.

Taherzadeh, M.J. and K. Karimi, 2008. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: A review. International Journal of Molecular Sciences, 9(9): 1621- 1651.

Tengerdy, R.P. and G. Szakacs, 2003. Bioconversion of lignocellulose in solid substrate fermenta- tion. Biochemical Engineering Journal, 13(2-3): 169-179. Tổng cục Thống kê, 2011. Niên giám thống kê. Nhà Xuất bản thống kê Việt Nam. Tổng cục Thống kê, 2014. Niên giám thống kê. Nhà Xuất bản thống kê Việt Nam. Trần Sương Ngọc, Vũ Ngọc Út, Lê Hữu Nhân, Trần Thị Thủy và Huỳnh Thị Ngọc Hiền, 2009a. Sử dụng nước thải hầm ủ Biogas gây nuôi tảo Chlorella. Kết quả nghiên cứu khoa học Dự án VIE/020 – Bèo Lục Bình. Sản xuất nông thủy sản bền vững và năng lượng tái tạo từ lục bình và chất thải. Hội nghị khoa học Đại học Cần Thơ, ngày 6 tháng 11 năm 2009. 69-76 Trần Sương Ngọc, Vũ Ngọc Út, Lê Hữu Nhân, Trần Thị Thủy và Huỳnh Thị Ngọc Hiền, 2009b. Sử dụng nước thải hầm ủ Biogas gây trứng nước (Moina sp). Kết quả nghiên cứu khoa học Dự án VIE/020 – Bèo Lục Bình. Sản xuất nông thủy sản bền vững và năng lượng tái tạo từ lục bình và chất thải. Hội nghị khoa học Đại học Cần Thơ, ngày 6 tháng 11 năm 2009. 77-86 Trần Thị Ngọc Sơn, Cao Ngọc Điệp, Lưu Hồng Mẫn và Trần Thị Anh Thư, 2009. Nghiên cứu sử dụng phân rơm hữu cơ và phân sinh học phục vụ các hệ thống sản xuất lúa ở đồng bằng sông Cửu Long. Trong: Tuyển tập Cây Lúa Việt Nam (tập II). NXB Nông nghiệp Hà nội (2009). Tr: 225-238. Trần Trung Tính, Nguyễn Văn Dũng, Đỗ Ngọc Duy Phương và Nguyễn Hữu Phong, 2009. Nghiên cứu khả năng sản xuất điện từ bèo lục bình. Kết quả nghiên cứu khoa học Dự án VIE/020 – Bèo Lục Bình. Sản xuất nông thủy sản bền vững và năng lượng tái tạo từ lục bình và chất thải. Hội nghị khoa học Đại học Cần Thơ, ngày 6 tháng 11 năm 2009. 1-12

Trung, T.T., N.V. Thu and J. Clemens, 2009. Effects of different plants and their replacement levels to pig manure on in vitro biogas production by using syringe and flask systems. SANSED – PROJECT Closing Nutrient Cycles in Decentralised Water Treatment Systems in the Mekong Delta. Proceedings of the International SANSED workshop Decentralised Water Treatment Systems and Beneficial Reuse of enerated Substrates. 3rd Sansed Workshop, April 15 – 18, 2008. Can Tho University. 104-110.

Uma Rani, R., S. Adish Kumar, S. Kaliappan, I.T. Yeom and J. Rajesh Banu, 2012. Low temperature thermo-chemical pretreatment of dairy waste activated sludge for anaerobic digestion process. Bioresour. Technol, 103: 415–424.

140

Van, H.P.N., T.T Nga, H. Arai, Y.Hosen, N.H.Chiem and K. Inubushi, 2014. Rice straw management by farmers in a triple rice production system in the Mekong Delta, Vietnam. Trop. Agr. Develop, 58: 155–162.

Vlasenko, E.Y., H. Ding, J.M. Labavitch and S.P. Shoemaker, 1997. Enzymatic hydrolysis of pretreated rice straw. Bioresource Technology, 59:109-119. Wang, S.M and H. S. Dou, 1998. Lakes in China. Science Press, Beijing: 1–96 Ward A.J., P.J Hobbs, P.J Holliman and D.L. Jones, 2008. Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresour Technol, 99: 7928–7940.

Wati, L., S. Kumari and B. S. Kundu, 2007. Paddy straw as substrate for ethanol

production. Indian J. Microbiol, 47: 26-29

Weiland, P. and E. Hassan, 2001. Production of biogas from forage beets. In:

van Velsen, A. F. M. & Vestraete, W. H. (eds), Proc. 9th

Wiese, J and R. König, 2007. Monitoring of digesters in biogas plants. Laboratory analysis and process analysis biogas plant monitoring. Wilson, JR., N. Holst and M. Rees, 2005. Determinants and patterns of

population growth in water hyacinth. Aquatic Botany 81: 51-67.

Yadvika, S. Santosh, T.R. Sreekrishnan, S. Kohli and V. Rana, 2004. Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques – a review. Journal of Bioresource Technology, 95:1–10. Yassin, M. M., A. S. S. Amr and II. M. Al-Najar, 2006. Assessment of microbiological water quality and its relation to human health in Gaza Govemorate, Gaza Strip. Journal of The Royal Institute of Public Health, 120: 1177-1187.

Ye., Jingqing., D. Li., Y. Sun., G. Wang, Z. Yuan, F. Zhen and Y. Wang, 2013. Improved Biogas Production from Rice Straw by Co-Digestion with Kitchen Waste and Pig Manure. Waste Management, 33 (12): 2653–2658. Yoswathana, N., P. Phattayawadee, T. Pattranit and N. Eshtiaghi, 2010. Bioethanol Production from Rice Straw. Energy Research Journal, 1 (1): 26-31.

Zeikus, J.G., 1977. The biology of methanogenic bacteria. Journal of

Bacteriological Reviews, 41(2):514–41.

Zeshan Karthikeyan OP, Visvanathan C. Effectof C/N ratio and ammonia-N thermophilic dry anaerobicdigester. in a pilot-scale

accumulation Bioresour Technol 2012; 113: 294–302.

Zhang and Zhang, 1999. Biogasification of Rice Straw with an Anaerobic-phased Solids Digester System.” Bioresource Technology, 68 (3): 235–245. Zhang, Q., J. He, M. Tian, Z. Mao, L. Tang, J. Zhang and H. Zhang, 2011. Enhancement of methane production from cassava residues by biological

141

pretreatment using a constructed microbial consortium. Bioresour. Technol, 102: 8899-8906.

Zhong, W., L. Chi, Y. Luo, Z. Zhang, Z. Zhang and W.M. Wu, 2013. Enhanced methane production from Taihu Lake blue algae by anaerobic co-digestion with corn straw in continuous feed digesters. Bioresour Technol, 134:264–70. Zhu, S., Y. Wu, Z. Yu, J. Liao and Y. Zhang, 2005. Pretreatment by microwave/alkali of rice straw and its enzymic hydrolysis. Process Biochemistry, 40(9): 3082–3086.

142

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 1: PHIẾU PHỎNG VẤN

TỈNH ………………………………

Mã số phiếu:

PHIẾU PHỎNG VẤN VỀ HIỆN TRẠNG CANH TÁC LÚA

VÀ QUẢN LÝ RƠM SAU THU HOẠCH

Người phỏng vấn:........................................................................................ Ngày phỏng vấn...................................................................................

1. THÔNG TIN CHUNG NÔNG HỘ

Họ tên người được phỏng vấn:…………………………….………........................................ Số ĐT:......................................................................

Tuổi:………….. (sinh năm....................) Giới tính:

 Nam

Nữ.

Trình độ văn hóa:…………...

Người trực tiếp canh tác là:  Người được phỏng vấn

 Người khác:.............................................................................................

Địa chỉ (ấp, xã, huyện):.........................................................................................................Toạ độ GPS:................................................................

Số năm thâm niên trồng lúa của người trực tiếp canh tác:…………năm.

Mô hình canh tác lúa:  Lúa 2 vụ

 Lúa 3 vụ

 Lúa - thủy sản

Số vụ lúa canh tác trong năm: vụ...................

Lịch thời vụ canh tác lúa

Tháng (âm lịch,  dương lịch)

Vụ mùa

Mật độ gieo sạ (kg/ha) Giống lúa Năng suất bình quân (kg/công)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12

ĐX

TĐ

Tổng diện tích canh tác lúa:………….công. Số mảnh ruộng:........................... (Công tầm lớn hay tầm nhỏ? 1 tầm =……mét)

Diện tích từng mảnh ruộng (nếu có nhiều mảnh ruộng)?

Ruộng 1:...............................công; Ruộng 2:...............................công; Ruộng 3:...............................công; Ruộng 4:...............................công;

Hình thức thu hoạch lúa nông hộ thường sử dụng:

Hình thức

Đông xuân Hè thu

Thu đông

Lý do

Máy gặt đập liên hợp

Thu hoạch bằng tay

Gốc rạ chừa lại (cm)

2. HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ VÀ SỬ DỤNG RƠM :

1. Khoảng cách từ nhà đến ruộng của Ông (Bà) khoảng bao nhiêu mét?.........................................................................................................

2. Ruộng xa nhất cách nhà bao nhiêu km?...........................................Ruộng gần nhất cách nhà bao nhiêu km?..........................................

3. Trong khoảng thời gian 15 năm gần đây, Ông (Bà) thường sử dụng hình thức xử lý rơm nào nhất? ……………………………………

Đông Xuân

Hè Thu

Thu Đông

Ghi chú

15 năm trước

10 năm trước

5 năm trước

1 năm trước

4. Nếu muốn đem rơm về nhà thì sử dụng phương tiện gì?................................................Chi phí là bao nhiêu:…………………..

5. Nếu xem tổng số rơm có là 100%, thì các hình thức Ông (Bà) thường sử dụng rơm sau mỗi mùa vụ được tính như thế nào?

Khác (%)

Lý do

Đốt bỏ (%)

Bán đi (%)

Chăn nuôi (%)

Làm phân bón (%)

.............................

Vùi tại ruộng (%)

Trồng nấm (%)

ĐX

TĐ

6. Khi đốt rơm Ông (Bà) thường thực hiện như thế nào?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

 Đốt rải trên ruộng

 Chất đống trên ruộng rồi đốt

 Cách khác:……………..

7. Tại sao Ông (Bà) lựa chọn hình thức đốt rơm?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

………………………………………………

……………………………………………

……………………………………………………

………………………………………………

……………………………………………

……………………………………………………

………………………………………………

……………………………………………

……………………………………………………

………………………………………………

……………………………………………

……………………………………………………

8. Theo Ông (Bà) so với phương pháp khác thì đốt rơm có ưu điểm gì?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

ƯĐ1:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ1:……………………………………………… ……………………………………………………

ƯĐ2:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ2:……………………………………………… ……………………………………………………

9. Người dân trong ấp có đốt rơm giống Ông (Bà) không? (Nếu có, khoanh tròn vào vụ có)

 Không  Có (ĐX, HT, TĐ)

10. Nếu có đốt rơm giống Ông (Bà) thì:

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

% hộ dân đốt rơm:……………………………

% hộ dân đốt rơm:………………………....

% hộ dân đốt rơm:………………………………..

……………………………………………….

……………………………………………..

……………………………………………………

Tro sau khi đốt làm gì? ………………….

Tro sau khi đốt làm gì? …………………………..

…….………………………………………… ……………………………………………….

…….……………………………………… ……………………………………………

…….……………………………………………… …………………………………………………….

Bán đi

11. Ông (Bà) thường bán rơm theo hình thức nào?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

 Bán tất cả

Lý do:………………………………………...

Lý do:………………………………………

Lý do:………………………………………...

……………………………………………….

……………………………………………...

……………………………………………….

 Bán một phần

Lý do:…………………………………………

Lý do:………………………………………

Lý do:…………………………………………

………………………………………………..

……………………………………………..

………………………………………………..

Giá bán:………………………………………

Giá bán:…………………………………….

Giá bán:……………………………………….

(Ghi rõ: VNĐ/ công)

12. Ông (Bà) thường bán rơm cho ai?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

 Dân địa phương

 Dân ở nơi khác

Họ mua rơm để làm gì?......................................

Họ mua rơm để làm gì?.................................

Họ mua rơm để làm gì?......................................

…………………………………………………

………………………………………….......

…………………………………………………

Đưa về đâu:…………………………………...

Đưa về đâu:………………………………..

Đưa về đâu:…………………………………...

…………………………………………………

……………………………………………...

…………………………………………………

Vận chuyển bằng phương tiện gì?......................

Vận chuyển bằng phương tiện gì?.................

Vận chuyển bằng phương tiện gì?......................

…………………………………………………

……………………………………………...

…………………………………………………

………………………………………………… ……………………………………………... …………………………………………………

13. Người dân trong ấp có bán rơm giống Ông (Bà) không? (Nếu có, khoanh tròn vào vụ có)

 Không  Có (ĐX, HT, TĐ)

14. Nếu có thì bao nhiêu % là bán rơm giống Ông (Bà)?

Đông Xuân:……………………………………Hè Thu:……………………………………… Thu Đông:………………………………………………..

15. Theo Ông (Bà) so với phương pháp khác, thì ưu điểm của phương pháp này là gì?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

ƯĐ1:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ1:……………………………………………… ……………………………………………………

ƯĐ2:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ2:……………………………………………… ……………………………………………………

Vùi tại ruộng

16. Cách vùi và số lượng rơm vùi tại ruộng là khoảng bao nhiêu %, so với tổng số rơm trên ruộng?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

% lượng rơm vùi trên ruộng so với tổng số rơm:……………………………………………

% lượng rơm vùi trên ruộng so với tổng số rơm:……………………………………………..

% lượng rơm vùi trên ruộng so với tổng số rơm:……………………………………………….

Lý do:………………………………………….

Lý do:……………………………………………

Lý do:……………………………………………..

…………………………………………………

………………………………………………….

…………………………………………………….

Cách rãi thường thực hiện:

 Rải trên mặt ruộng

Lý do:……………………………………….....

Lý do:……………………………………..........

Lý do:………………………………………..........

…………………………………………………

…………………………………………….........

…………………………………………………….

 Trộn vào đất

Lý do:……………………….............................

Lý do:………………………...............................

Lý do:………………………..................................

…………………………………………………

……………………………………………..........

…………………………………………………….

…………………………………………………

…………………………………………………..

…………………………………………………….

17. Người dân trong ấp có vùi rơm giống Ông (Bà) không? (Nếu có, khoanh tròn vào vụ có)

 Không  Có (ĐX, HT, TĐ)

18. Nếu có thì bao nhiêu % là vùi rơm giống Ông (Bà)?

Đông Xuân:……………………………………Hè Thu:……………………………………… Thu Đông:………………………………………………..

19. Theo Ông (Bà) so với phương pháp khác, thì ưu điểm của phương pháp này là gì?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

ƯĐ1:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ1:……………………………………………… ……………………………………………………

ƯĐ2:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ2:……………………………………………… ……………………………………………………

Trồng nấm

20. Khối lượng rơm sử dụng cho trồng nấm là bao nhiêu?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

Khối lượng:…………………...(kg hoặc công rơm); Sử dụng bao nhiêu túi meo:.....................

Lượng rơm trồng nấm này có nguồn gốc:

 Nhà Bao nhiêu (%):……………………….

 Mua Bao nhiêu (%):………………………

Trồng để ăn hay bán:

 Ăn  Bán

 Cả hai (Ăn:…………%; Bán:………..%)

Sản lượng nấm:……………………kg/túi meo

Giá bán nấm:…………………………………..

Lợi nhuận khoảng bao nhiêu (ghi rõ)…………

…………………………………………………

Khối lượng rơm sau ủ nấm khoảng bao nhiêu?

…………………………………………………

Rơm sau ủ nấm dùng làm gì:

 Bán  Làm phân bón

 Khác:……………………………………….

Lý do:…………………………………….........

…………………………………………………

Nếu bán thì giá là:……………………………..

(Ghi rõ đơn vị tính)

21. Người dân trong ấp có trồng nấm giống Ông (Bà) không? (Nếu có, khoanh tròn vào vụ có)

 Không  Có (ĐX, HT, TĐ)

22. Nếu có thì bao nhiêu % hộ dân trong ấp là trồng nấm giống Ông (Bà)?

Đông Xuân:……………………………………Hè Thu:……………………………………… Thu Đông:………………………………………………..

23. Theo Ông (Bà) so với phương pháp khác, thì ưu điểm của phương pháp này là gì?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

ƯĐ1:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………… …………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………………… …………………………………………………….

ƯĐ2:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………… …………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………………… …………………………………………………….

Chăn nuôi

24. Ông (Bà) thường sử dụng rơm cho chăn nuôi như thế nào?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

Lượng rơm cho chăn nuôi:………………(%)

Khối lượng:……………………………(ghi rõ)

Nuôi con gì:……………………………………

Dùng như thế nào:

 Làm thức ăn  Lót chuồng

Lý do:…………………….................................

…………………………………………………

25. Người dân trong ấp có vùi rơm giống Ông (Bà) không? (Nếu có, khoanh tròn vào vụ có)

 Không  Có (ĐX, HT, TĐ)

26. Nếu có thì bao nhiêu % hộ dân là dùng rơm cho chăn nuôi giống Ông (Bà)?

Đông Xuân:……………………………………Hè Thu:……………………………………… Thu Đông:………………………………………………..

27. Theo Ông (Bà) so với phương pháp khác, thì ưu điểm của phương pháp này là gì?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

ƯĐ1:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ1:……………………………………………… ……………………………………………………

ƯĐ2:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ2:……………………………………………… ……………………………………………………

Làm phân bón

28. Ông (Bà) thường sử dụng rơm làm phân bón theo phương pháp nào?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

 Ủ phân Compost

Khối lượng:………………kg (…………..%)

Khối lượng:…………………kg (…………..%)

 Khác:…………………………………

 Khác:………………………………… Khối lượng:……………....kg (…………..%)

Khối lượng:…………………kg (…………..%)

Lượng phân này để sử dụng hay bán đi?

 Gia đình sử dụng (……….kg,………….%)

 Gia đình sử dụng (……….kg,…………..%)

 Bán đi (……………….kg,……………..%)

 Bán đi (……………….kg,……………...%)

 Khác (………………...kg,……………..%)

 Khác (………………...kg,………………%)

 Khác (………………...kg,……………...%)

Nếu bán, giá bán là:………………….VNĐ/kg

29. Người dân trong ấp có dùng rơm làm phân bón giống Ông (Bà) không? (Nếu có, khoanh tròn vào vụ có)

 Không  Có (ĐX, HT, TĐ)

30. Nếu có thì bao nhiêu % hộ dân là dùng rơm làm phân bón giống Ông (Bà)?

Đông Xuân:……………………………………Hè Thu:……………………………………… Thu Đông:………………………………………………..

31. Theo Ông (Bà) so với phương pháp khác, thì ưu điểm của phương pháp này là gì?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

ƯĐ1:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ1:……………………………………………… ……………………………………………………

ƯĐ2:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ2:……………………………………………… ……………………………………………………

Hình thức khác (nếu có):…………………………………………………

32. Ngoài những cách kể trên, Ông (Bà) còn có cách nào khác để sử dụng rơm hay không?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

 Có  Không

Nếu có, thì đó là cách nào:

…………………………………………………

33. Người dân xung quanh có sử dụng cách trên giống Ông (Bà) không? (Nếu có, khoanh tròn vào vụ có)

 Không  Có (ĐX, HT, TĐ)

34. Nếu có thì bao nhiêu % hộ dân là sử dụng cách trên giống Ông (Bà)?

Đông Xuân:……………………………………Hè Thu:……………………………………… Thu Đông:………………………………………………..

35. Theo Ông (Bà) so với phương pháp khác, thì ưu điểm của phương pháp này là gì?

ĐÔNG XUÂN

HÈ THU

THU ĐÔNG

ƯĐ1:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ1:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ1:……………………………………………… ……………………………………………………

ƯĐ2:………………………………………… ……………………………………………….

ƯĐ2:……………………………………… ……………………………………………

ƯĐ2:……………………………………………… ……………………………………………………

3. Ý KIẾN NGƯỜI DÂN

36. Cách sử dụng rơm nào Ông/Bà cho là tiện lợi và dễ thực hiện nhất:………………………………………………………………………………

37. Cách sử dụng rơm Ông/Bà cho là tốt cho môi trường đất nhất:……………………………………………………………………………………….

38. Theo Ông/Bà thì cách sử dụng rơm như hiện tại đã hiệu quả chưa:…………………………………………………………………………………....

39. Ông/Bà sẽ sử dụng rơm như thế nào vào các vụ thu hoạch tới:

Đông Xuân:……………………………………Hè Thu:……………………………………… Thu Đông:……………………………………………….. 40. Ông/Bà có ý kiến gì/ đề xuất nào để cho việc sử dụng rơm hiệu quả hơn:……………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

41. Ngoài sinh khối rơm ở địa phương có nguồn sinh khối thực vật nào khác hay không?................................................................................................

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

42. Gần nhà Ông (Bà) có Lục Bình hay không?  Có

 Không

43. Nếu có thì mỗi ngày có thể thu gom khoảng bao nhiêu?..................................................................................................................................................

4. GHI NHẬN THỰC TẾ

.................................................................................................................................................................................................................................................

PHỤ LỤC 2: PHÂN TÍCH THỐNG KÊ

2.1 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau Bảng 1: Phân tích Ducan chiều dài thân của lục bình

Tuần 2

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

31.46 32.01 32.37

3 3 3 3

4.0000 2.0000 3.0000 1.0000 Sig.

.058

33.72 1.000

Tuần 3

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

32.49 32.67 32.78

3 3 3 3

4.0000 3.0000 2.0000 1.0000 Sig.

.442

34.50 1.000

Tuần 4

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

33.21 33.54 33.55

3 3 3 3

4.0000 3.0000 2.0000 1.0000 Sig.

.372

34.78 1.000

Tuần 5

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

35.65 35.96

35.96 36.97

3.0000 4.0000 2.0000 1.0000 Sig.

3 3 3 3

.070

38.17 1.000

.539

Tuần 6

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

37.02 37.23 37.75

3.0000 4.0000 2.0000 1.0000 Sig.

3 3 3 3

.120

39.84 1.000

Tuần 7

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

39.02 39.70 39.90

3 3 3 3

3.0000 2.0000 4.0000 1.0000 Sig.

.084

42.17 1.000

Bảng 2: Phân tích Ducan chiều dài rễ của lục bình

Tuần 5

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

30 28 30 30

Mương Sông Ao Kênh Sig.

19.97 20.57 .376

20.57 21.73 21.77 .099

Tuần 6

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

28 30 30 30

Sông Mương Kênh Ao Sig.

19.93 19.97 .931

26.90 27.37 .289

Tuần 7

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

17.18 20.90 1.000

28 30 30 30

29.30 29.47 .630

Sông Mương Kênh Ao Sig.

Bảng 3: Phân tích Ducan số lá của lục bình

Tuần 3

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2 1

28 30 30 30

Sông Kênh Ao Mương Sig.

22.11 32.30 34.80 1.000

36.80 .236

Tuần 4

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

32.61 1.000

68.63 72.33 .511

28 30 30 30

85.50 1.000

Sông Kênh Ao Mương Sig.

Tuần 5

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

28 30 30 30

33.07 1.000

137.60 1.000

158.30 1.000

182.63 1.000

Sông Kênh Ao Mương Sig.

Tuần 6

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

28 30 30 30

167.70 182.63 .076

182.63 189.70 .399

Sông Kênh Mương Ao Sig.

40.54 1.000

Tuần 7

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

28 30 30 30

181.30 1.000

215.40 227.50 .103

Sông Kênh Mương Ao Sig.

41.89 1.000

Bảng 4: Phân tích Ducan số chồi của lục bình

Tuần 3

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2 1

30 30 30 30

4.37 5.23 5.37 .058

2.83 1.000

Sông Kênh Ao Mương Sig.

Tuần 4

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

30 30 30 30

Sông Kênh Ao Mương Sig.

12.27 13.13 13.90 .088

6.53 1.000

Tuần 5

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

30 30 30 30

Sông Mương Kênh Ao Sig.

23.17 24.87 .156

21.70 23.17 .221

6.63 1.000

Tuần 6

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

30 30 30 30

Sông Kênh Ao Mương Sig.

28.77 30.60 31.47 .127

8.50 1.000

Tuần 7

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

30 30 30 30

Sông Kênh Ao Mương Sig.

40.60 1.000

34.33 35.63 .363

8.13 1.000

Bảng 5: Phân tích Ducan trọng lượng tươi của lục bình

Tuần 2

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

.57

.70 .74

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

.74 .79 .201

.246

1.000

Tuần 3

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

.67

.94 1.00

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

1.000

.405

1.16 1.000

Tuần 4

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

1.10

1.85 2.31

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

1.000

.121

2.31 2.50 .503

Tuần 5

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

.67

3.80 4.26

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

1.000

.362

4.26 4.99 .170

Tuần 6

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 1

1.32

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

1.000

4.93 5.26 5.97 .151

Tuần 7

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 1

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

1.320 1.000

6.068 6.262 6.956 .288

Bảng 6: Phân tích Duncan thời gian nhân đôi của lục bình

Thời gian nhân đôi

Subset for alpha = 0.05

Thủy vực

3 3 3 3

Ao Kênh Mương Sông Sig.

10.63 11.16 11.18 .452

23.74 1.000

Bảng 7: Phân tích Ducan trọng lượng tươi của lục bình

Tuần 2

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

.57

.70 .74

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

.246

1.000

.74 .79 .201

Tuần 3

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

.94 1.00 .405

.67 1.000

1.16 1.000

Tuần 4

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

1.85 2.31 .121

1.10 1.000

2.31 2.50 .503

Tuần 5

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

3 3 3 3

Sông Kênh Mương Ao Sig.

3.80 4.26 .362

.67 1.000

4.26 4.99 .170

Tuần 6

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2 1

3 3 3 3

1.32 1.000

4.93 5.26 5.97 .151

Sông Kênh Mương Ao Sig.

Tuần 7

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 1

3 3 3 3

1.320 1.000

6.068 6.262 6.956 .288

Sông Kênh Mương Ao Sig.

Bảng 8: Phân tích Ducan khối lượng vật chất khô của lục bình

Hàm lượng DM của lục bình sau khi bố trí thí nghiệm

Thủy vực

Subset for alpha = 0.05 2

3 3 3 3

Sông Mương Kênh Ao Sig.

162.22 1.000

603.56 634.03 .695

634.03 804.53 .053

2.2 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học và kích thước vật liệu của rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ

 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học của rơm và lục

bình

Bảng 9. So sánh sự khác biệt của tổng thể tích khí mê-tan giữa các phương pháp tiền xử lý rơm trong 60 ngày

15 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

1 19.5481

36.8244 37.4908 38.6992

5 5 5 5 5

1.000

.266

38.6992 41.4254 .094

Phân heo Nước máy Nước ao Nước thải biogas Nước bùn đáy ao Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000. 30 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

1 42.9179

58.3241 61.9458

5 5 5 5 5

1.000

.080

61.9458 62.7216 64.4291 .245

Phân heo Nước ao Nước máy Nước thải biogas Nước bùn đáy ao Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

45 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 55.0736

78.1027 79.1728

5 5 5 5 5

1.000

.696

95.3703 95.4506 .977

Phân heo Nước ao Nước máy Nước thải biogas Nước bùn đáy ao Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

60 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 63.0928

103.7841 107.1072

5 5 5 5 5

1.000

.275

107.1072 110.7048 111.2844 .196

Phân heo Nước máy Nước ao Nước bùn đáy ao Nước thải biogas Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 10. So sánh sự khác biệt của năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức tiền xử lý

rơm

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

Phân heo

233.7878

Nước máy

316.3642

Nước ao

Nước thải biogas

344.3043 353.7984

353.7984

Nước bùn đáy ao

370.4345

Sig.

1.000

.329

.095

Means for groups in homogeneous subsets are displayed.

a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 11. So sánh sự khác biệt của tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các phương

pháp tiền xử lý lục bình

15 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

19.5481

27.2412 29.0339

38.3538

5 5 5 5 5

1.000

.178

1.000

47.9771 1.000

Phân heo Nước ao Nước máy Nước thải biogas Nước bùn đáy ao Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

30 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 4 3 2

60.3126

70.0697

78.7285

1 5 42.9179 5 5 5 5

1.000

84.9047 1.000

Phân heo Nước ao Nướ máy Nước thải biogas Nước bùn đáy ao Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

45 ngày

Duncan

Nghiệm thức

1 55.0736 1.000

5 5 5 5 5

Subset for alpha = 0.05 3 2 86.5104 102.2803 104.2418 .607 1.000

4 119.2807 1.000

Phân heo Nước ao Nước máy Nước thải biogas Nước bùn đáy ao Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

60 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

63.0928

114.7525

124.2646 127.5783

5 5 5 5 5

1.000

136.0547 1.000

.412

Phân heo Nước ao Nước thải biogas Nước máy Nước bùn đáy ao Sig. 1.000 Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 12. So sánh sự khác biệt của năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức tiền xử lý

Lục bình

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

233.7878

357.2287 365.1963 367.9257

5 5 5 5 5

Phân heo Nước máy Nước ao Nước thải biogas Nước bùn đáy ao Sig.

1.000

.404

406.1514 1.000

Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

 Xác định ảnh hưởng của kích thước rơm và lục bình lên khả năng sinh khí

biogas

Bảng 13. So sánh tổng thể tích khí mê-tan giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm khác

nhau

15 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 19.5481

36.1301

5 5 5 5 5

1.000

38.6992 38.8112 39.3154 .586

1.000

Phân heo 1 cm 10 cm Không cắt 20 cm Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

30 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 42.9179

60.0635 62.7216

5 5 5 5 5

1.000

.158

62.7216 65.0619 65.4193 .174

Phân heo 1 cm 10 cm Không cắt 20 cm Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

45 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2 1

5 5 5 5 5

55.0736 1.000

95.3703 96.2657 98.3697 98.9323 .156

Phân heo 10 cm 1 cm Không cắt 20 cm Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

60 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2 1

63.0928

5 5 5 5 5

1.000

111.4869 113.3108 114.2421 114.5597 .296

Phân heo 10 cm 1 cm Không cắt 20 cm Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 14. So sánh năng suất sinh khí mê-tan giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm khác

nhau

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

233.7878

5 5 5 5 5

Phân heo Không cắt 10 cm 20 cm 1 cm Sig.

348.1668 354.4421 357.1184 363.9474 .098

1.000

Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 15. So sánh tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức kích cỡ lục

bình

15 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

1 19.5481

35.7284 38.3538

38.3538 41.8516

5 5 5 5 5

1.000

.069

41.8516 44.3785 .180

Phân heo 1 cm 10 cm Không cắt 20 cm Sig. .164 Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

30 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 42.9179

72.0462

5 5 5 5 5

1.000

77.9469 78.5221 78.7285 .759

1.000

Phân heo 1 cm Không cắt 20 cm 10 cm Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

45 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2 1

55.0736

5 5 5 5 5

1.000

104.2418 105.9215 107.5732 107.8425 .239

Phân heo 10 cm 1 cm Không cắt 20 cm Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

60 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

5 5 5 5 5

1 63.0928 1.000

2 124.2646 126.8411 127.9884 129.0166 .200

Phân heo 10 cm 1 cm 20 cm Không cắt Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 16. So sánh năng suất sinh khí mê-tan giữa các nghiệm thức kích cỡ lục bình

khác nhau

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

233.7878

5 5 5 5 5

Phân heo 1 cm 10 cm 20 cm Không cắt Sig.

350.0093 357.2287 359.3259 361.1551 .290

1.000

Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

2.3 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ Bảng 17. So sánh tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức tỷ lệ phối

trộn rơm với phân heo

15 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 18.7703

26.9221

42.5999 42.7628 43.8252 44.8258

5 5 5 5 5 5 5

48.1080

1.000

.054

100% RO 100% PH 40%RO+60%PH 20%RO+80%PH 60%RO+40%PH 80%RO+20%PH 50% RO+50%PH Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

30 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

77.2917

91.9290 96.2096 96.2096

99.2126 99.2126

1 5 66.1401 5 5 5 5 5 5

1.000

.203

103.5721 103.5721 108.4697 .147

.195

.368

100% PH 100%RO 20%RO+80%PH 40%RO+60%PH 80%RO+20%PH 60%RO+40%PH 50%RO+50%PH Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

45 ngày

Duncan

Nghiệm thức N

Subset for alpha = 0.05 5 4 3

100%PH

5 83.9572

100%RO

104.082 5

5 5 5 5 5

120.6372 1.000

131.2283 1.000

138.6961 145.0286 145.0286 149.1801 .228 1.000

.070

20%RO+80%PH 40%RO+60%PH 80%RO+20%PH 60%RO+40%PH 50%RO+50%PH 1.000 Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

60 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 4 3 2

123.8201

135.0975

149.5141

1 94.0815

5 5 5 5 5 5 5

100%PH 100%RO 20%RO+80%PH 40%RO+60%PH 80%RO+20%PH 60%RO+40%PH 50%RO+50%PH Sig.

1.000

163.4537 166.6113 169.4475 .146

Means for groups in homogeneous subsets are displayed.

a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 18. So sánh năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn rơm với

phân heo

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

359.0780

385.1740

437.8480

469.9600 476.4180

1 5 316.0380 5 5 5 5 5 5

100%PH 100%RS 20%RS+80%PH 40%RS+60%PH 60%RS+40%PH 80%RS+20%PH 50%RS+50%pH Sig.

1.000

.569

517.8800 1.000

Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 19. So sánh tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức lục bình

giữa các tỷ lệ phối trộn khác nhau

15 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 4 3 2

1 1.2736

12.4424

27.4467

35.6926 36.4514 37.1203

5 5 5 5 5 5 5

100%LB 80%LB+20%PH 100%PH 50%LB+50%PH 60%LB+40%PH 40%LB+60%PH 20%LB+80%PH Sig.

1.000

.550

46.0213 1.000

Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

30 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

5.9440

100%LB 100%PH 80%LB+20%PH 20%LB+80%PH 40%LB+60%PH 50%LB+50%PH 60%LB+40%PH

69.5207

84.3393

106.2543

117.1063 118.7154 124.5533

5 5 5 5 5 5 5

Sig.

1.000

.117

Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

45 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

12.6308

88.7720

131.2180 138.2635

5 5 5 5 5 5 5

1.000

160.7092 162.2523 162.8254 .667

.134

100%LB 100%PH 80%LB+20%PH 20%LB+80%PH 50%LB+50%PH 40%LB+60%PH 60%LB+40%PH Sig. 1.000 Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

60 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

29.8396

98.9525

151.6017 151.7042

5 5 5 5 5 5 5

1.000

181.3568 185.6884 190.5051 .065

.982

100%LB 100%PH 80%LB+20%PH 20%LB+80%PH 40%LB+60%PH 50%LB+50%PH 60%LB+40%PH 1.000 Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

Bảng 20. So sánh năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn lục bình

với phân heo

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

86.2860

259.5595

376.0360 390.2660

5 5 5 5 5 5 5

100%WH 100%PH 20%WH+80%PH 80%WH+20%PH 40%WH+60%PH 50%WH+50%PH 60%WH+40%PH Sig.

425.0820 436.4660 448.2960 .066

1.000

.228

Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 5.000.

2.4 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn, kích thước vật liệu và phương pháp tiền xử lý sinh học rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas bán liên tục

Bảng 21. So sánh tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức rơm trong mô hình ủ bán liên tục

15 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 1.9113 2.1020

4.6829 5.4393

3 3 3 3 3 3

.637

.079

6.8692 7.1840 .440

100%PHKT 100%PH 50%RO+50%PHKT 50%RO+50%PH 100%RO 100%ROKT Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

30 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2 1

13.9764 14.1454

3 3 3 3 3 3

.957

42.8108 43.5554 46.6196 46.6771 .270

100%PHKT 100%PH 50%RO+50%PH 50%RO+50%PHKT 100%ROKT 100%RO Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

45 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 33.5055 33.9611

120.2339 132.1007 133.2921

3 3 3 3 3 3

.948

.095

132.1007 133.2921 142.6984 .168

100%PH 100%PHKT 50%RO+50%PH 100%RO 50%RO+50%PHKT 100%ROKT Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

60 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 53.6292 57.6180

214.0729 214.8094

3 3 3 3 3 3

.552

242.6815 256.5442 .055

.912

100%PH 100%PHKT 50%RO+50%PHKT 50%RO+50%PH 100%RO 100%ROKT Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

Bảng 22. So sánh năng suất sinh khí mê-tan giữa các nghiệm thức rơm trong mô hình ủ bán liên tục

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 2

1 17.8764 19.2060

71.3576 71.6031

3 3 3 3 3 3

.581

.918

90.0155 91.5779 .517

100%PH 100%PHKT 50%RO+50%PHKT 50%RO+50%PH 100%ROKT 100%RO Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

Bảng 23. So sánh tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức rơm trong mô hình ủ bán liên tục

15 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

1 1.9113 2.1020 .712

3 12.0163 1.000

2 3 100%PHKT 3 100%PH 6.9510 50%LB+50%PH 3 7.5396 50%LB+50%PHKT 3 7.9176 3 100%LB 3 100%LBKT Sig. .093 Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

30 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 4 3 2

50.0253

61.3280

71.2063

1 3 13.9764 3 14.1454 3 3 3 3

1.000

.956

1.000

94.2848 1.000

100%PHKT 100%PH 50%LB+50%PH 100%LB 50%LB+50%PHKT 100%LBKT Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

45 ngày

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

33.5055 33.9611

139.8866

180.2517 181.5156

3 3 3 3 3 3

.933

247.1456 1.000

.815

100%PH 100%PHKT 50%LB+50%PH 50%LB+50%PHKT 100%LB 100%LBKT Sig. 1.000 Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

60 ngày

Duncan

Nghiệm thức

Subset for alpha = 0.05 4 3 2

240.5920

293.5700

321.6656

1 3 53.6292 3 57.6180 3 3 3 3

1.000

.523

1.000

415.9566 1.000

100%PH 100%PHKT 50%LB+50%PH 50%LB+50%PHKT 100%LB 100%LBKT Sig. Means for groups in homogeneous subsets are displayed. a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

Bảng 24. So sánh năng suất sinh khí mê-tan giữa các nghiệm thức rơm trong mô hình ủ bán liên tục

Duncan

Subset for alpha = 0.05

Nghiệm thức

100% PH

16.8144

100%PH KT

17.4474

82.2619

100.6131

50%LB+50%PH 50%LB+50%PH KT

100%LB

111.4583

100%LBKT

143.2148

Sig.

.730

1.000

Means for groups in homogeneous subsets are displayed.

a. Uses Harmonic Mean Sample Size = 3.000.

PHỤ LỤC 3: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC HIỆN

3.1. Khảo sát lượng dư thừa rơm rạ và các biện pháp xử lý rơm rạ ở đồng

bằng sông Cửu Long

Hình 3.1 Ô tiêu chuẩn xác định tỷ lệ rơm:lúa

Hình 3.2 Thu hoạch và cân lúa để xác định tỷ lệ rơm:lúa

3. 2. Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các loại hình thủy vực khác

Hình 3.3 Bố trí thí nghiệm trong ao nuôi và trong mương vườn

Hình 3.4 Bố trí thí nghiệm trên sông và trên kênh dẫn nước 3.3. Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học và kích thước vật liệu rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ

Hình 3.5 Cắt rơm và lục bình ở các kích cỡ khác nhau

Hình 3.6 Bố trí thí nghiệm

Hình 3.7 Đo tổng thể tích khí và thành phần khí

3.4. Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo lên hiệu suất sinh khí biogas

Hình 3.8 Chuẩn bị rơm và lục bình

Hình 3.9 Chuẩn bị phân heo

Hình 3.10 Bố trí thí nghiệm phối trộn rơm, lục bình với phân heo

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

Hình 3.12 Chuẩn bị vật liệu nạp

Hình 3.13 Chuẩn bị phân heo bố trí thí nghiệm

Hình 3.14 Mô hình thí nghiệm

Hình 3.15 Tiền xử lý và thu mẫu thí nghiệm

3.6 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – ứng dụng trên túi ủ biogas polyethylene quy mô nông hộ

Hình 3.17 Chuẩn bị vật liệu rơm và lục bình

Hình 3.18 Mô hình túi ủ PE

Hình 3.19 Nạp nguyên liệu

Hình 3.20 Đo tổng thể tích khí

Luận án Tiến sĩ Môi trường đất và nước: Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

Tóm lược ................................................................................................................ ii

PHỤ LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok

Luận án Tiến sĩ Môi trường đất và nước: Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

Tóm lược ................................................................................................................ ii

PHỤ LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok