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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là 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;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc Mã ngành: 62440303 TRẦN SỸ NAM NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH Cần Thơ, 2016
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Hữu Chiếm Người hướng dẫn phụ: Prof. Dr. Kjeld Ingvorsen Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường Họp tại: Vào lúc ….. giờ ….. ngày ….. tháng ….. năm ….. Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Trần Sỹ Nam, Nguyễn Thị Huỳnh Như, Nguyễn Hữu Chiếm, Nguyễn Võ Châu Ngân, Lê Hoàng Việt và Kjeld Ingvorsen, 2014. Ước tính lượng và các biện pháp xử lý rơm rạ ở một số tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường, số 32. 87-93. Trần Sỹ Nam, Nguyễn Phương Chi và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014. Khảo sát sinh trưởng của cây lục bình (Eichhornia crassipes) trên các thủy vực khác nhau. Vai trò Khoa học – Công Nghệ trong sự phát triển kinh tế - xã hội. NXB Nông nghiệp. 15-20. ISBN 978- 604-60-1858-2 Trần Sỹ Nam, Võ Thị Vịnh, Nguyễn Hữu Chiếm, Nguyễn Võ Châu Ngân, Lê Hoàng Việt và Kjeld Ingvorsen, 2014. Sử dụng rơm làm nguyên liệu bổ sung nâng cao năng suất sản xuất khí sinh học. Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn - Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn số 15. 65-73. Trần Sỹ Nam, Nguyễn Phương Chi, Nguyễn Hữu Chiếm, Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân và Kjeld Ingvorsen, 2015. Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý sinh học lục bình (Eichhornia crassipes) lên khả năng sinh khí biogas trong ủ yếm khí theo mẻ có phối trộn phân heo. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Môi trường và Biến đổi khí hậu (2015)102-110. Tran Sy Nam, Huynh Cong Khanh, Huynh Van Thao, Nguyen Vo Chau Ngan, Le Hoang Viet, Nguyen Huu Chiem and Kjeld Ingvorsen, 2015. Biogas production from rice straw and water hyacinth – the effect of mixing in semi-continuous reactors. Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol 53(3A): 217-222. Tran Sy Nam, Huynh Van Thao, Huynh Cong Khanh, Nguyen Vo Chau Ngan, Le Hoang Viet, Nguyen Huu Chiem and Kjeld Ingvorsen, 2015. The components of volatile fatty acids in semi- continuous anaerobic co-digestion of rice straw and water hyacinth and pig manure. Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol 53 (3A): 229-234 Trần Sỹ Nam, Huỳnh Văn Thảo, Huỳnh Công Khánh, Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn Hữu Chiếm, Lê Hoàng Việt và Kjeld Ingvorsen, 2015. Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – ứng dụng trên túi ủ biogas polyethylene với quy mô nông hộ. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường, số 36. 27-35. Nguyen Vo Chau Ngan, Tran Sy Nam, Nguyen Huu Chiem, Le Hoang Viet and Kjeld Ingvorsen, 2015. Effects of C/N rations on anaerobic co-digestion of pig manure and local biomass in the Mekong delta. Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol 53(3A): 223-228. Nguyen Vo Chau Ngan, Tran Sy Nam, Nguyen Huu Chiem, Le Hoang Viet, Nguyen Thi Thuy, Kjeld Ingvorsen, 2015. Paddy straw application for energy production to reduce in situ straw burning in the Mekong delta of Vietnam. In International conference on Solid Wastes 2015: Knowledge transfer for Sustainable resource management in at Hong Kong Baptist University, Hong Kong SAR, P.R. China, ISBN 978-988-19988-9-7.
Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của luận án Rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và có tiềm năng ở đồng bằng sông Cửu Long nhưng không được sử dụng hiệu quả. Phần lớn rơm được loại bỏ khỏi đồng ruộng bằng cách đốt bỏ, cày vùi hoặc được sử dụng để ủ phân. Lục bình phát triển nhanh, dày đặc trên sông, hồ và các kênh rạch; gây hại đời sống thủy sinh, cản trở giao thông đường thủy và nuôi trồng thủy sản. Đây là nguồn sinh khối tiềm năng để tạo khí sinh học và tăng cường khả năng sản xuất năng lượng phi tập trung ở các cộng đồng 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. Trong các giai đoạn tái đàn gia súc hoặc dịch bệnh xuất hiện thì sự thiếu hụt của phân gia súc là một trong những hạn chế chính của việc phát triển biogas ở đồng bằng sông Cửu Long. Trong khi đó, như đã trình bày ở trên, rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và có tiềm năng ở đồng bằng sông Cửu Long nhưng không được sử dụng hiệu quả. Sự bổ sung rơm và lục bình đặc biệt thích hợp để tăng cường khả năng sản xuất năng lượng phi tập trung ở các cộng đồng 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. Do vậy, luận án đã được thực hiện với mong muốn tìm ra phương pháp đơn giản, có khả năng áp dụng ở điều kiện nông hộ để chuyển đổi rơm và lục bình thành khí sinh học ở đồng bằng sông Cửu Long. 1.2. Mục tiêu luận án - 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. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu chỉ khảo sát lượng rơm và các biện pháp xử lý sau thu hoạch ở hai vụ lúa 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 -1-
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. 1.4 Những đóng góp 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. 1.5 Ý nghĩa 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). -2-
Chƣơng 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu - 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; - Bố trí thí nghiệm theo dõi sự tăng trưởng của lục bình ở các thủy vực phổ biến ở nông hộ; - Bố trí thí nghiệm theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ trong điều kiện in vitro để xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý, kích cỡ của rơm và lục bình, tỷ lệ phối trộn lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học; - Thực hiện thí nghiệm đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình theo phương pháp nạp bán liên tục trong điều kiện in vitro; - Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene (PE) ở nông hộ trong điều kiện in vivo. 2.2 Phƣơng pháp thực hiện 2.2.1. Khảo sát lƣợng dƣ thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long: Phỏng vấn 400 hộ trồng lúa tại An Giang, Kiên Giang, Đồng Tháp và thành phố Cần Thơ bằng phiếu phỏng vấn soạn sẵn. Thu mẫu xác định tỷ lệ rơm lúa được thực hiện ở 4 tỉnh/thành phố, mỗi địa điểm tiến hành thu 25 mẫu rơm, hạt (rơm trong nghiên cứu này là phần sinh khối của cây lúa từ gốc trở lên, 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. 2.2.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau Thí nghiệm khảo sát sự tăng trưởng của lục bình được thực hiện trên bốn thủy vực khác nhau gồm 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. Trọng lượng tươi của lục bình được xác định theo chu kỳ 7 ngày/lần và thu liên tục trong 6 tuần. Sau khi kết thúc thí nghiệm lục bình được thu mẫu để xác định trọng lượng khô. -3-
2.2.3 Xác định ảnh hƣởng của phƣơng pháp tiền xử lý và kích cỡ của rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí và chất lƣợng khí sinh học a) Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình Dựa vào điều kiện thực tế tại các nông hộ vùng đồng bằng sông Cửu Long, nghiên cứu đã chọn 04 loại nước để tiền xử lý vật liệu gồm nước máy (1); nước thải biogas (2); nước bùn đáy ao (3) và nước ao (4). Đây là các nguồn nước sẵn 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. 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. 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. b) Xác định ảnh hưởng của các kích cỡ rơm và lục bình 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. Rơm và lục bình được phối trộn với phân heo theo tỷ lệ 50:50 (%VS) theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ. Lượng khí sinh ra hàng ngày của mỗi mẻ ủ được trữ trong túi nhôm để xác định tổng thể tích khí và nồng độ khí CH4. 2.2.4 Xác định ảnh hƣởng của tỷ lệ phối trộn của phân heo, rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lƣợng biogas Thí nghiệm được bố trí 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. Nguyên liệu nạp được tính toán trên cơ sở VS cho 45 ngày nạp, lượng VS chứa trong mỗi bình là 765 g VS và theo dõi liên tục trong 60 ngày. Trước khi tiến hành ủ yếm khí, rơm và lục bình được tiền xử lý bằng nước thải biogas trong 5 ngày, mỗi ngày nguyên liệu được trộn đều. Các yếu tố 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. Tổng thể tích khí và thành phần khí sinh học được tiến hành đo đạc và ghi nhận hàng ngày. -4-
2.2.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ theo phƣơng pháp bán liên tục Thí nghiệm được bố trí 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. Mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần trên bộ ủ yếm khí bán liên tục với thể tích ủ là 50 L. Nguyên liệu nạp được tính 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. 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. Tổng thể tích khí và thành phần khí sinh học được tiến hành đo đạc mỗi ngày. 2.2.6 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục - ứng dụng trên túi ủ biogas polyethylene với quy mô nông hộ 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. 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. pH của mỗi túi ủ được đo đạc hàng ngày tại đầu vào và đầu ra của hệ thống. Hàm lượng VFAs được thu ở đầu vào và đầu ra của hệ thống theo chu kỳ 2 ngày/lần. Thể tích khí sinh ra và thành phần khí được đo đạc theo chu kỳ 2 ngày/lần. -5-
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ƣớc tính lƣợng rơm dƣ thừa và một số biện pháp xử lý rơm ở đồng bằng sông Cửu Long Kết quả khảo sát được trình bày ở Bảng 3.1 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 rơm, 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 được sử dụng phổ biến nhất ở vụ Đông Xuân. Bảng 3.1: Các hình thức xử lý rơm phổ biến qua các mùa vụ Đông xuân Hè Thu Thu Đông Hình thức Diện tích Tỷ lệ Diện tích Tỷ lệ Diện tích Tỷ lệ xử lý (ha) (%) (ha) (%) (ha) (%) Bán 6,24 0,73 10,92 1,27 25,03 2,92 Đốt 842,31 98,23 768,98 89,67 463,89 54,1 Trồng nấm 8,45 0,99 10,79 1,26 69,81 8,14 Vùi trên ruộng - - 57,01 6,65 223,78 26,1 Cho 0,52 0,06 9,69 1,13 14,11 1,65 Chăn nuôi - - 0,13 0,02 3,12 0,36 Bỏ trên ruộng - - - - 57,78 6,74 Kết quả ước tính lượng rơm dư thừa trên đồng ruộng cần phải xử lý ở đồng bằng sông Cửu Long năm 2011 vào khoảng 26,23 triệu tấn/năm, trong đó khoảng 20,9 triệu tấn/năm là người dân đốt. 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. Bảng 3.2: Sản lượng lúa và ước tính lượng rơm phát sinh Vụ Thu Đông Vụ Đông Xuân Năm 2011 Địa điểm Sản lượng Lượng Sản lượng Lượng Sản lượng Lượng lúa* rơm lúa* rơm lúa* rơm Kiên Giang 0,20 0,20 1,99 1,96 3,94 3,94 Đồng Tháp - - 1,48 1,36 3,10 2,86 Cần Thơ - - 0,64 0,82 1,29 1,68 An Giang 0,02 0,03 1,77 2,26 3,84 4,78 ĐBSCL 1,62 1,88 10,48 11,70 23,19 26,23 Ghi chú: Đơn vị tính: triệu tấn; (*) Sản lượng lúa dựa theo Tổng cục Thống kê. Bên cạnh lượng rơm dư thừa ở đồng bằng 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. 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 -6-
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. 3.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy trọng lượng tươi của LB khi bố trí thí nghiệm dao động trong khoảng từ 0,41 – 0,44 kg/m2 và đạt 1,3 – 6,9 kg/m2 sau 6 tuần. Sự gia tăng trọng lượng của LB sau 6 tuần ở kênh dẫn nước, ao 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 3.1). Khoái löôïng vaät chaát khoâ (gDM/m 2 ) 1000 Soâng a Keânh 800 ab Ao nuoâi caù b Möông 600 400 200 c ns 0 TL ban ñaàu TL keát thuùc Hình 3.1: Sự tăng trưởng trọng lượng của lục bình trên các loại hình thủy vực Ghi chú: các cột có mẫu tự giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Qua kết quả nghiên cứu sự tăng trưởng của lục bình cho thấy, trung bình lượng DM của lục bình gia tăng 19,1 g.m-2.ngày-1 đối với thủy vực ao, trong đó thành phần VS của lục bình chiếm 83,6 % TS (Carina and Cecilia, 2006), trung bình lượng VS gia tăng từ 16 g.m-2.ngày-1. Với năng suất sinh khí của lục bình dao động từ 200 – 300 L.kgVS-1 (O’Sullivan et al., 2010; Rajendran et al., 2012) thì sự tăng trưởng của lục bình 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. 3.3 Xác định ảnh hƣởng của phƣơng pháp tiền xử lý sinh học và kích thƣớc vật liệu rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas 3.3.1 Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình a. Thể tích khí mê-tan tích dồn Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng thể tích khí mê-tan tích dồn trong 60 ngày của các nghiệm thức rơm dao động từ 63,1 đến 111,3 lít (Hình 3.2). Trong đó nghiệm thức 100% phân heo cho tổng lượng khí tích dồn thấp nhất (63,1 lít). Tất -7-
cả các nghiệm thức tiền xử lý đều có tổng thể tích khí tích dồn cao hơn nghiệm thức 100% phân heo (p
Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng lượng khí mê-tan tích dồn trong 60 ngày giữa các nghiệm thức lục bình dao động từ 63,1 – 136,1 L (Hình 3.3). Trong 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 mê-tan tích dồn của các bình ủ tiền xử lý bằng bùn đáy ao là cao nhất, khác biệt so với các nghiệm thức khác (p
giá trị lần lượt là 316; 354 và 344 L CH4.kgVS-1phân hủy (Hình 3.4a). Tiền xử lý rơm bằng nước bùn đáy ao cho năng suất cao hơn so với các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước máy và nước ao (p0,05). 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
3.3.2 Ảnh hƣởng của kích cỡ rơm và lục bình đến khả năng sinh khí mê-tan a. Thể tích khí mê-tan tích dồn Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ rơm phối trộn với phân heo dao động từ 63,1 – 114,6 L, trong 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, 111,5 L và 114,6 L và thấp nhất là 100% phân heo (63,1 L). Hình 3.5 cho thấy sản lượng khí sinh ra giữa các nghiệm thức kích cỡ rơm 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. 140 160 Khoâng caét a a a a 140 Khoâng caét a a 120 a 1 cm 1 cm Toång khí meâ-tan tích doàn (L) a Toång khí meâ-tan tích doàn (L) 10 cm a a a a 120 10 cm a a a a 100 20 cm 20 cm Phaân heo 100 Phaân heo 80 a a a a ab a b 80 b b 60 b b b c 60 a a a a c 40 b ab 40 c bc c d 20 20 0 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thôøi gian Thôøi gian Hình 3.5: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của rơm (trái) và lục bình (phải) với các kích cỡ khác nhau Ghi chú: các cột có mẫu tự giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng thể tích khí mê-tan tích dồn giữa các nghiệm thức lục bình dao động từ 63,1 – 129,1 L. Trong 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 3.5). Tổng lượng khí tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ lục bình dao động không lớn (p>0,05). 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 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. - 11 -
b) 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 lần lượt là 348; 364; 354 và 357 L CH4.kgVS-1phân 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-1phân hủy. Nghiệm thức 100% phân heo cho năng suất sinh khí là 234 L CH4.kgVS-1phân 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. 400 a a a (a) a Naên g suaát sinh khí (L-CH4.kgVS-1 phaân huûy) 300 b 200 100 0 Khoâng caét 1 cm 10 cm 20 cm Phaân heo 400 (b) a a a a 300 b 200 100 0 Khoâng caét 1 cm 10 cm 20 cm Phaân heo Kích côõ vaät lieäu Hình 3.6: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau Ghi chú: các cột có mẫu tự giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan Các nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ vật liệu đến quá trình sinh khí biogas cho thấy kích thước càng nhỏ thì tốc độ sinh khí diễn ra nhanh hơn (Sanders et al., 2000; Sharma et al., 1998). Tuy nhiên, ở các kích thước rơm, lục bình 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. 3.4 Xác định ảnh hƣởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo lên hiệu suất sinh khí mê-tan trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ 3.4.1 Ảnh hƣởng của tỉ lệ phối trộn rơm và phân heo lên tổng thể tích khí mê- tan tích dồn Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng khí mê-tan tích dồn trong 60 ngày của nghiệm thức phối trộn 50% rơm và 50% phân heo có tổng lượng khí tích dồn cao nhất (169,4 L), khác biệt có ý nghĩa (p0,05) với nghiệm thức 60% rơm + 40% phân heo (166,6 L) và 80% rơm + 20% phân heo (163,5 L) (Hình 3.7). Hai nghiệm thức - 12 -
100% phân heo và 100% rơm có kết quả tổng lượng khí tích dồn đến ngày 60 thấp hơn (p0,05). 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
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 mê-tan tích dồn giảm (Hình 3.8). Nghiệm thức 100% lục bình có tổng lượng khí mê-tan tích dồn thấp nhất do pH của mẻ ủ thấp, dao động từ 5,2 - 5,4 ở giai đoạn đầu. Các vi khuẩn sinh mê-tan bị ức chế ở khoảng pH này, do vậy sự hình thành khí của mẻ ủ bị ức chế làm tổng lượng khí giảm. 3.4.3 Ảnh hƣởng của tỉ lệ phối trộn lên năng suất khí mê-tan Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo dao động từ 316 - 518 L CH4.kgVS-1phân hủy trong đó năng suất cao nhất là nghiệm thức phối rơm với phân heo 50:50 (518 L CH4.kgVS- 1 -1 phân hủy) thấp nhất là nghiệm thức 100% phân heo (316 L CH4.kgVS phân hủy), rơm phối trộn với phân heo ở các tỷ lệ 20:80; 40:60; 50:50; 60:40; 80:20 cho năng suất sinh khí cao hơn so với chỉ ủ đơn thuần 100% phân heo và 100% rơm (p
3.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí nghiệm ủ yếm khí bán liên tục 3.5.1 Nồng độ và thành phần các a-xít béo bay hơi Nồng độ VFAs của các nghiệm thức rơm, lục bình và phân heo được thể hiện qua Hình 3.10. Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ VFAs tăng dần trong khoảng thời gian 30 ngày sau 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 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. 40 40 (a) (b) Noàng ñoä VFAs (mM/L) 30 30 20 20 10 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Thôøi gian (ngaøy) Thôøi gian (ngaøy) 100%RO 50%RO+50%PHKT 100%LB 50%LB+50%PHKT 100%ROKT 100%PH 100%LB KT 100%PH 50%RO+50%PH 100%PHKT 50%LB+50%PH 100%PHKT Hình 3.10: Nồng độ VFAs trong mẻ ủ bán liên tục sử dụng rơm (a) và lục bình (b) Trong nghiên cứu này, khi phối trộn rơm càng nhiều thì cho VFAs tích lũy cao hơn và thời gian sinh a-xít được kéo dài hơn, nghiệm thức 100%RO 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 et al., 2005; Ward et al., 2008). Sự tích lũy nhiều VFAs trong hỗn hợp ủ và giá trị pH trong hỗn hợp ủ giảm thấp có thể cho thấy tình trạng nạp quá tải chất hữu cơ. Trong nghiên cứu này giá trị VFAs nằm trong khoảng thích hợp cho quá trình hoạt động của vi khuẩn sinh khí mê-tan. - 15 -
25 25 A-xít acetic (mmol/L) (d) 20 (a) 20 15 15 10 10 5 5 0 0 25 25 A-xít propionic (mmol/L) (e) (b) 20 20 15 15 10 10 5 5 0 0 14 14 (c) A-xít butyric (mmol/L) (f) 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Thôøi gian (ngaøy) Thôøi gian (ngaøy) 100%RO 50%RO+50%PH 100%PH 100%LB 50%LB+50%PH 100%PH 100%RO KT 50%RO+50%PHKT 100%PHKT 100%LBKT 50%LB+50%PHKT 100%PHKT Hình 3.11: Diễn biến nồng độ các a-xít béo bay hơi của các nghiệp thức rơm (a,b,c) và lục bình (d,e,f) Kết quả nghiên cứu cho thấy thành phần của các VFAs trong quá trình ủ yếm khí rơm, lục bình phối trộn với phân heo là a-xít acetic, propionic, butyric, succinic, acrylic, fumaric, formic, malic, glucose và ethanol trong đó thành phần chính của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric chiếm hơn 80% trong tổng VFAs. Kết quả nghiên cứu cho thấy a-xít acetic, a-xít propionic và a-xít butyric là thành phần chính trong VFAs, đặc biệt là a-xít acetic và a-xít propionic chiếm thành phần lớn trong VFAs. 3.5.2 Thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức sử dụng rơm làm nguyên liệu nạp Tổng thể tích mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp rơm được trình bày ở Hình 3.12. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức sau 60 ngày lần lượt là 257, 242, 214, 215, 57,6 và 53,6 lít khí tương ứng với các nghiệm thức 100%ROKT, 100%RO, 50%RO+50%PHKT, 50%RO+50%PH, 100%PHKT và 100%PH. Tổng lượng khí mê-tan tích dồn sau 60 ngày của các nghiệm thức cho thấy, khuấy trộn làm gia tăng lượng khí tích dồn nhưng lượng tăng không lớn. - 16 -
300 a 100%RO a 250 100%ROKT Toång khí meâ-tan tích doàn (L) 50%RO+50%PH b b 200 50%RO+50%PHKT 100%PH 150 100%PHKT ab a ab b 100 c c a a a a 50 c c b c c b b a a b 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thôøi gian Hình 3.12: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp rơm Ghi chú: các cột có mẫu tự giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan 3.5.3 Tổng lƣợng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp Vai trò của khuấy đảo chỉ thể hiện rõ khi lượng nguyên liệu nạp trong bình ủ cao. Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình cao hơn hẳn nghiệm thức rơm với các giá trị lần lượt là 416, 322, 294, 241, 57,6 và 53,6 lít khí, tương ứng với các nghiệm thức 100%LB KT, 100%LB, 50%LB+50%PHKT, 50%LB+50%PH, 100%PHKT và 100%PH. 500 100%LB a 100%LBKT Toång khí meâ-tan tích doàn (L) 400 50%LB+50%PH b 50%LB+50%PHKT c 300 100%PH a 100%PHKT d 200 b b c 100 a b c d e e d d b a b b c c e e 0 Ngày 15 Ngày 30 Ngày 45 Ngày 60 Thôøi gian Hình 3.13: Tổng thể tích khí tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình Ghi chú: các cột có mẫu tự giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% theo phép thử Duncan 3.6 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục – thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene với quy mô nông hộ 3.6.1 Thời gian vận hành túi ủ 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 khác. Với lượng nạp 1kg/VS/ngày thì túi ủ nạp 100%RO chỉ có thể vận hành đến ngày 23, đối với nghiệm thức 100%LB là 27 ngày (Bảng 3.3). 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 - 17 -