ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ SINH HọC LỤC BÌNH (Eichhornia crassipes) LÊN KHẢ NĂNG SINH BIOGAS TRONG Ủ YẾM KHÍ THEO MẺ CÓ PHỐI TRỘN PHÂN HEO

- ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ SINH HỌC LỤC BÌNH (Eichhornia crassipes) LÊN KHẢ NĂNG SINH BIOGAS TRONG Ủ YẾM KHÍ THEO MẺ CÓ PHỐI TRỘN PHÂN HEO.
- Lục bình, tiền xử lý sinh học, ủ yếm khí, ủ yếm khí kết hợp, khí sinh học Keywords:.
- Thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ trong 60 ngày với các phương pháp tiền xử lý lục bình bằng (i) nước thải biogas, (ii) nước bùn đen, (iii) nước ao, (iv) nước máy và nghiệm thức 100% phân heo.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy lục bình tiền xử lý bằng nước bùn đen giúp quá trình sinh khí diễn ra nhanh hơn và lượng biogas sinh ra hàng ngày cao hơn so với tiền xử lý bằng nước máy, nước thải biogas và nước ao.
- Ở thời điểm 30 ngày, lượng khí tích dồn của các bình ủ tiền xử lý bằng bùn đen và nước thải biogas cao hơn các nghiệm thức tiền xử lý khác (p<0,05).
- Lượng khí biogas tích dồn sau 60 ngày không có sự khác biệt giữa các phương pháp tiền xử lý bằng nước bùn đen, nước biogas và nước máy, nhưng cao hơn nước ao và 100% phân heo (p<0,05).
- Nồng độ mê-tan trong tuần đầu tiên thấp sau đó tăng dần, giữ ổn định trên 50% và không có sự biến động lớn giữa các phương pháp tiền xử lý.
- Năng suất sinh khí của các nghiệm thức dao động từ 436 - 723 L.kgVS phân hủy -1 .
- Kết quả nghiên cứu cho thấy tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đen và nước thải từ biogas có khả năng thúc đẩy nhanh quá trình tạo khí sinh học..
- Ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), công nghệ khí sinh học đã và đang đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý chất thải từ chăn nuôi, đồng thời tạo khí sinh học phục vụ cho đun nấu, thắp sáng, chạy máy phát điện thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống.
- Nhiều nghiên cứu cho thấy lục bình có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu nạp bổ sung cho quá trình lên.
- Lục bình có lợi thế cho quá trình ủ yếm khí là hàm lượng lignin thấp, tỉ lệ C/N phù hợp cho ủ yếm khí, đồng thời hàm lượng cacbon cao.
- Tuy nhiên, lignocellulose bên ngoài lớp vỏ lục bình cần được xử lý sơ bộ trước khi thực hiện ủ yếm khí nhằm gia tăng hiệu quả của quá trình sinh khí.
- Các phương pháp tiền xử lý hóa học thường yêu cầu về chi phí và kỹ thuật cao, khó ứng dụng ở điều kiện nông hộ.
- Phương pháp tiền xử lý sinh học là một trong những phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường thông qua hoạt động của vi sinh vật.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý sinh học lục bình lên khả năng sinh khí biogas trong ủ yếm khí theo mẻ có phối trộn với phân heo đã được triển khai.
- Nghiên cứu thực hiện với mục tiêu đánh giá các phương pháp tiền xử lý sinh học đơn giản giúp chuyển đổi lục bình thành khí sinh học có thể ứng dụng được trong điều kiện nông hộ.
- TT Nguyên liệu Nguồn Phương pháp thực hiện 1 Lục bình.
- Thí nghiệm được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên với 5 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức được bố trí 5 lần lặp lại trong bình ủ có thể tích 21L, trong đó thể tích chứa hỗn hợp mẻ ủ là 17L, phần khí sinh ra được chứa trong một túi nhôm.
- Tỷ lệ phối trộn giữa lục bình, phân heo và lượng nguyên liệu nạp cho mỗi nghiệm thức được thể hiện trong Bảng 2..
- Bảng 2: Lượng nguyên liệu nạp và tỷ lệ phối trộn của các nghiệm thức Nghiệm.
- thức Phương pháp.
- tiền xử lý Tỉ lệ.
- 5 Không xử lý .
- Lục bình được tiền xử lý bằng (1) nước máy, (2) nước thải từ túi ủ biogas, (3) nước bùn đen, (4) nước ao, là các phương pháp tiền xử lý có thể ứng dụng trong điều kiện thực tế của nông hộ ở ĐBSCL.
- Các phương pháp tiền xử lý được thực hiện với mong muốn bổ sung nguồn vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên cho quá trình tiền xử lý, đồng thời làm mềm vật liệu, thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy yếm khí.
- Tiền xử lý bằng nước máy chủ yếu là làm mềm vật liệu, không bổ sung nguồn vi sinh vật tự nhiên.
- Thời gian tiền xử lý là 5 ngày trước khi nạp vào mẻ ủ (Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2011), vật liệu được trộn đều mỗi ngày.
- khi qua tiền xử lý vật liệu được nạp vào bình ủ và theo dõi liên tục trong 60 ngày..
- Phương pháp xử lý số liệu.
- Thống kê mô tả, kiểm tra tính đồng nhất phương sai trước khi so sánh sự khác biệt giữa các phương pháp tiền xử lý bằng phần mềm IBM SPSS 20.0 (IBM Corporation, United States) với phép thử Duncan ở độ tin cậy 95%..
- Kết quả theo dõi diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức trong quá trình ủ được trình bày ở Hình 1A.
- Kết quả cho thấy sự khác biệt về nhiệt độ giữa các nghiệm thức là không lớn ở cùng thời điểm.
- Nhiệt độ trung bình của các nghiệm thức dao động từ o C.
- Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ yếm khí, các quá trình thủy phân và sinh a- xít diễn ra là chủ yếu.
- Nhiệt độ thích hợp cho quá trình ủ yếm khí dao động từ 31 – 36 o C (Lê Hoàng Việt, 2005), và khoảng nhiệt độ tối ưu là 35 o C (Hinrich and Birgitte, 2005).
- 35 o C) tuy nhiên vẫn nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí cũng như hoạt động của các phân hủy yếm khí..
- Kết quả nghiên cứu cho thấy pH dao động từ các nghiệm thức tiền xử lý lục bình có pH thấp hơn so với 100% PH (Hình 1B) trong giai đoạn 10 ngày đầu, 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, trong đó có các a-xít.
- pH là thông số quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật trong suốt quá trình phân hủy yếm khí.
- Tuy nhiên, pH thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí từ 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..
- Trong khoảng 10 ngày đầu, tất cả các nghiệm thức đều có điện thế oxy hóa khử thấp nhất từ -256 đến -289 mV, không có sự khác biệt lớn giữa các nghiệm thức.
- Tất cả các nghiệm thức đều có điện thế oxy hóa khử mang giá trị âm trong suốt thời gian thí nghiệm.
- Điều này chứng tỏ quá trình khử giữ vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy yếm khí.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy điện thế oxy hóa khử của các nghiệm thức không gây bất lợi cho quá trình sinh khí..
- Độ kiềm của các nghiệm thức trong suốt thời gian thí nghiệm dao động trong khoảng từ mgCaCO 3 /L.
- Trong khoảng thời gian 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.
- phân ly trong dịch ủ hình thành ion HCO 3 - làm tăng độ kiềm cho các nghiệm thức.
- Độ kiềm thuận lợi cho quá trình ủ yếm khí dao động từ mgCaCO 3 /L (Ren and Wang, 2004).
- Nếu độ kiềm nằm ngoài dãy trên sẽ làm hạn chế hoặc kiềm hãm một số phản ứng trong quá trình sinh khí mê- tan.
- Độ kiềm nằm trong khoảng mgCaCO 3 /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..
- Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày Kết quả đo đạc thể tích khí sinh học sinh ra hằng ngày của các nghiệm thức tập trung ở giai đoạn từ ngày 6 đến ngày 20 (Hình 2).
- Giá trị cao nhất của các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước bùn đen, nước máy, nước thải biogas, nước ao và nghiệm thức 100% PH lần lượt là 11,6;.
- Kết quả cho thấy tiền xử lý lục bình bằng nước bùn đen 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..
- Kết quả nghiên cứu cho thấy nghiệm thức 100%.
- PH có lượng khí sinh ra hằng ngày giảm dần sau giai đoạn sinh khí cao, trong khi đó các nghiệm thức có phối trộn lục bình giảm chậm hơn.
- Lục bình khó phân hủy hơn so với phân heo, do đó lượng khí sinh ra hằng ngày ở các nghiệm thức có phối trộn thêm lục bình giảm chậm hơn.
- 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..
- Hình 2: Lượng khí biogas sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức Tổng thể tích khí sinh học tích dồn.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng lượng khí tích dồn trong 60 ngày giữa các nghiệm thức dao động từ 117 – 242 L (Hình 3).
- Trong đó, tiền xử lý bằng nước bùn đen cho tổng thể tích khí cao nhất với 242 L, nghiệm thức ủ 100% phân heo cho thể tích sinh ra thấp nhất (117 L).
- Các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước thải biogas, nước máy và nước ao có các giá trị lần lượt là 236, 228 và 211 L.
- Ở thời điểm 30 ngày, lượng khí tích dồn của các bình ủ tiền xử lý bằng bùn đen và nước thải từ hầm ủ biogas đang hoạt động là cao nhất, khác biệt so với các nghiệm thức khác (p<0,05).
- 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 thải biogas và nước bùn đen không khác biệt (p>0,05) nhưng các nghiệm thức này cao hơn so với tiền xử lý bằng nước máy, nước ao và 100% phân heo (p<0,05).
- Ở giai đoạn đầu của quá trình ủ yếm khí, do mật độ vi sinh vật yếm khí hiện diện ở trong nước thải biogas và nước bùn đen cao hơn so với các loại dung dịch tiền xử lý khác nên tốc độ phân giải các chất hữu cơ diễn ra nhanh hơn so với các phương pháp tiền xử lý khác..
- Kết quả nghiên cứu cho thấy tiền xử lý bằng bùn đen và nước thải biogas là hai phương pháp có thể lựa chọn cho tiền xử lý lục bình để sản xuất khí sinh học..
- Ghi chú: Thống kê thực hiện so sánh giữa các phương pháp tiền xử lý trong cùng một thời điểm, các cột có ít nhất một chữ cái giống nhau thì khác biệt không có ý nghĩa.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ khí mê- tan trong khoảng 7 ngày đầu của các nghiệm thức dao động từ 17 - 37%, trong đó nghiệm thức tiền xử lý bằng nước thải biogas và nước bùn đen cho nồng độ khí mê-tan cao nhất lần lượt là 37% và 31%.
- Tiền xử lý bằng nước ao và nước máy có.
- nồng độ khí mê-tan lần lượt là 18,4 và 17,9% thấp hơn nghiệm thức 100% PH (26,4%) (Hình 4)..
- Trong khoảng 7 ngày đầu nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức biến động khá lớn (18 – 37.
- sau giai đoạn này nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức tăng dần và ổn định trong khoảng từ 51 – 63%.
- (Hình 4), không có sự biến động lớn về nồng độ khí mê-tan giữa các nghiệm thức..
- Hình 4: Nồng độ khí mê-tan ở các nghiệm thức Ghi chú: số liệu trình bày dạng TB±SD.
- 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 CO 2 .
- Nghiên cứu của Gunnersson and Stuckey (1986) cho thấy nồng độ khí mê-tan trong quá trình ủ yếm khí có giá trị trung bình khoảng 60% và phụ thuộc vào từng loại nguyên liệu nạp.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất sinh khí (NSSK) của các nghiệm thức dao động từ 436 - 723 L/kgVS phân hủy , trong đó TXL bằng nước bùn đen cho NSSK cao nhất 723 L/ kgVS phân hủy.
- nghiệm thức 100% PH cho NSSK thấp nhất 436 L/kg VS.
- Các nghiệm thức tiền xử lý lục bình bằng nước máy, nước thải biogas và nước ao lần lượt có NSSK là 657, 678 và 672 L/kg VS.
- Kết quả nghiên cứu còn cho thấy việc phối trộn lục bình với phân heo cải thiện rõ năng suất sinh khí của nguyên liệu..
- Hình 5: Năng suất sinh khí của các nghiệm thức.
- Trong đó nghiệm thức 100% PH có VS phân hủy cao nhất 64,7%, các nghiệm thức còn lại có mức phân hủy nguyên liệu từ 55 - 59%.
- Phân heo đã qua quá trình tiêu hóa của động vật nên có khả năng phân hủy cao hơn các nguyên liệu từ thực vật có hàm lượng xenlulo cao như lục bình.
- Nghiên cứu của Ngan (2012) cho thấy khi phối trộn 50% LB và 50% PH thì lượng VS phân hủy lên tới 46,7% và nghiệm thức 100% PH là 44,4% trong 28 ngày.
- đối với các nghiệm thức.
- Tiền xử lý VS đầu vào (g) VS đầu ra (g) VS phân hủy.
- Lục bình được tiền xử lý bằng nước bùn đen và nước thải biogas giúp quá trình sinh khí diễn ra nhanh hơn so với các phương pháp tiền xử lý sinh học khác.
- Sau giai đoạn này thì các nghiệm thức tiền xử lý lục bình cho khả năng sinh khí cao hơn so với phân heo.
- Tổng thể tích khí tích dồn giữa các nghiệm thức tiền xử lý bằng nước bùn đen, nước thải biogas và nước máy không khác biệt (p>0,05) nhưng cao hơn so với tiền xử lý bằng nước ao và 100% PH.
- Năng suất sinh khí giữa các phương pháp tiền xử lý không khác biệt (p>0,05) nhưng cao hơn 100% phân heo (p<0,05).
- khí mê-tan trong tuần đầu tiên thấp sau đó tăng dần, giữ ổn định trên 50% và không có sự biến động lớn giữa các nghiệm thức..
- Tiền xử lý lục bình bằng nước thải sau túi ủ biogas nước bùn đen là hai phương pháp có khả năng ứng dụng để tiền xử lý lục bình cho các túi ủ và hầm ủ biogas đang hoạt động.
- Trong điều kiện thiếu hụt về nguyên liệu nạp cho các túi ủ, hầm ủ thì có thể bổ sung lục bình để nâng cao năng suất sinh khí cho quá trình sản xuất khí sinh học.
- Cần nghiên cứu khắc phục hiện tượng nổi và tạo váng của lục bình trong mẻ ủ và nghiên cứu sử dụng bả thải sau quá trình ủ yếm khí như một nguồn phân hữu cơ.