Luận văn Ảnh hưởng nồng độ phân bò lên khả năng sinh gas của hầm ủ KT1 Trung Quốc

liệu đệm. Để một bể lọc sinh học hoạt động tốt, hiệu quả cao, nhất thiết phải phân bố đều nƣớc thải trên bề mặt lọc, thông gió cung cấp oxy đầy đủ cho các vi sinh vật hoạt động, tải lƣợng và tốc độ thích hợp. Bể bùn hoạt tính (aerotank): bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật hiếu khí tự hình thành khi thổi không khí vào nƣớc. Việc sục khí hoặc khuấy trộn có tác dụng xáo trộn tốt, đồng thời cung cấp oxy cho vi sinh vật hoạt động, tăng hiệu quả xử lý của bể. Mƣơng oxy hóa: việc làm thoáng (bổ sung oxy) và khuấy trộn đƣợc thực hiện bằng cách cho nƣớc thải chảy dọc theo mƣơng. Đến cuối chiều dài mƣơng, hầu hết lƣợng chất hữu cơ có trong nƣớc thải đã đƣợc các vi sinh vật hiếu khí khoáng hóa. 9 2.3. XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI BẰNG HỆ THỐNG Ủ YẾM KHÍ BIOGAS 2.3.1. Sơ lƣợc lịch sử Công nghệ biến đổi các chất hữu cơ thành khí sinh học đã có từ hàng trăm năm nay. Theo huyền thoại, khí sinh học đã đƣợc dùng để đun nƣớc tắm ở Assyri trong thế kỷ thứ X trƣớc công nguyên và ở Ba Tƣ trong thế kỷ thứ XVI. Từ tài liệu hƣớng dẫn thiết kế vận hành hệ thống khí sinh học biogas của Nguyễn Quang Khải (2004), lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học đƣợc tóm lƣợc nhƣ sau: Ngƣời đầu tiên phát hiện thấy sự phát ra loại khí cháy đƣợc từ các chất hữu cơ thối rữa là Van Helmont (1630). Shirley (1667) cũng đã nói đến khí đầm lầy. Volta (1776) đã tiến hành một loạt quan sát và kết luận rằng lƣợng khí đầm lầy đƣợc sinh ra phụ thuộc vào lƣợng thực vật thối rữa trong lớp lắng đọng ở đáy mà từ đó khí nổi lên và với một tỷ lệ nhất định, hỗn hợp khí thu đƣợc vào không khí có thể nổ. Trong những năm 1804 – 1810 Dalton, Henry và Davy đã thiết lập đƣợc công thức hóa học của methane, khẳng định rằng khí than đá rất giống khí đầm lầy của Volta và chỉ ra rằng methane đƣợc sinh ra từ sự phân rã của phân bò. France đã đƣợc cung cấp chứng chỉ vì đã có một trong những đóng góp quan trọng cho việc xử lý các chất rắn lơ lửng trong nƣớc thải. Tới cuối thế kỷ XIX sự sản sinh ra methane đã đƣợc phát hiện là có liên quan với hoạt động của các vi sinh vật. Bunsen (1856), Hoppe Seyler (1886), Bechamp (1868), Tappeiner (1882) và Gayon (1884)… đã tiến hành nghiên cứu về các khía cạnh vi sinh vật của quá trình sản sinh methane. Bechamp (1868) đã đặt tên cho “sinh vật” chịu trách nhiệm về sự sản sinh ra methane từ etanol. Sinh vật này dƣờng nhƣ là một quần thể hỗn hợp vì Bechamp đã có thể chỉ ra rằng những sản phẩm lên men khác nhau đã hình thành từ những cơ chất khác nhau. Năm 1875 Popoff trình diễn sự sản sinh ra hydro và methane từ sự lên men của các nguyên liệu chứa cellulose đƣợc bổ sung thêm bùn sông. Năm 1876 Herter báo cáo rằng acetate ở bùn cống đã biến đổi thành methane và cacbon dioxit. Gayon, một học trò của Pasteur, đã cho lên men phân ở 350C và thu đƣợc 100 lít methane đối với 1 m3 phân. Ông kết luận rằng sự lên men có thể là một nguồn 10 cung cấp khí để sƣởi ấm và thắp sáng. Năm 1895 tại Anh Cameron trình diễn việc dùng khí sinh học để thắp sáng. Năm 1986 khí từ hệ thống cống đƣợc dùng để thắp sáng các phố ở Exeter (Anh). Về mặt vi sinh vật học, năm 1901 Schengon đã mô tả những đặc điểm hình thái của vi khuẩn methane. Năm 1906 Sohngen làm giàu đƣợc hai vi khuẩn sử dụng acetate khác nhau và phát hiện thấy formate và hydro cùng cacbon dioxit có thể đóng vai nhƣ những tiền chất cho methane. Một chủng vi khuẩn methane đã đƣợc Omelianskii phân lập năm 1916. Năm 1950 Hungate đã thiết lập kỹ thuật kỵ khí do Bryant phát triển. Schnellen (1974) phân lập đƣợc hai vi khuẩn methane: Methanosarcina barkeri và Methanobacterium formicium. Sau đó năm 1967 Bryant đã thuần chủng đƣợc vi khuẩn Methannobacillus omelianskii. Cuối những năm 1920 những nghiên cứu hóa sinh về sự phân hủy kỵ khí đã đƣợc tăng cƣờng. Buswell bắt đầu nghiên cứu và giải thích những vấn đề nhƣ vai trò của nitơ trong quá trình phân hủy kỵ khí, việc sản xuất năng lƣợng từ những chất thải của các trang trại và ứng dụng quá trình này cho các chất thải công nghiệp. Những nghiên cứu của Barker đã đóng góp quan trọng cho hiểu biết của chúng ta về các vi khuẩn methane giúp ông thực hiện những nghiên cứu cơ bản về sinh hóa (1956). 2.3.2. Khí sinh học Biogas hay còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí đƣợc sản sinh ra từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dƣới tác động của vi khuẩn trong môi trƣờng yếm khí. Hỗn hợp khí này chiếm tỷ lệ gồm CH4: 60 – 70%, CO2: 30 – 40%, phần còn lại là một lƣợng nhỏ khí N2, H2, CO, CO2... CH4 có số lƣợng lớn và là khí chủ yếu tạo ra năng lƣợng khi đốt. Lƣợng CH4 chịu ảnh hƣởng bởi quá trình phân hủy sinh học, do đó số lƣợng khí sinh ra này sẽ tùy phụ thuộc loại phân, tỷ lệ phân nƣớc, nhiệt độ môi trƣờng, tốc độ dòng chảy… trong hệ thống phân hủy khí sinh học. 2.3.2.1. Đặc tính khí sinh học biogas Khí biogas có trọng lƣợng riêng khoảng 0,9 – 0,94 kg/m3, trọng lƣợng riêng này thay đổi do tỷ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp. Lƣợng H2S chiếm một lƣợng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nƣớc gây độc cho ngƣời và làm hƣ dụng cụ đun nấu. Mùi hôi của chất này giúp xác định nơi hƣ hỏng để sửa chữa. 11 Khí biogas có tính dễ cháy nếu đƣợc hòa lẫn nó với tỷ lệ từ 6 – 25% trong không khí, vì thế khi sử dụng gas này sẽ có tính an toàn cao. Nếu hỗn hợp khí mà CH4 chỉ chiếm 60% thì 1 m3 gas cần 8 m3 không khí. Nhƣng trong thực tế, khí biogas đƣợc cháy tốt trong không khí khi nó đƣợc hòa lẩn ở tỷ lệ là 1/9 – 1/10 (Ủy ban Khoa học kỹ thuật Đồng Nai, 1989). 2.3.2.2. Đặc tính của khí CH4 Khí CH4 là một chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không khí. CH4 ở 200C, 1 atm, 1 m3 khí CH4 có trọng lƣợng 0,716 kg. Khi đốt hoàn toàn 1 m 3 khí CH4 cho ra khoảng 5.500 – 6.000 kcal. 2.3.3. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này đƣợc thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dƣới tác dụng của vi sinh vật yếm khí để phân hủy những chất hữu cơ ở dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản là chất khí và các chất khác. Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn tạo ra hàng ngàn sản phẩm trung gian nhờ hoạt động của các chủng loại vi sinh vật đa dạng. Đó là sự phân hủy protein, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glycerin, acid béo, acid béo bay hơi, methylamin, cùng các chất độc hại nhƣ tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi nhƣ indole, scatole. Ngoài ra còn có các liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy đƣợc bởi vi khuẩn yếm khí nhƣ: lignin, cellulose. Tiến trình tổng quát nhƣ sau 33 g chất hữu cơ (CxHyOz) = 22 g CO2 + 8 g CH4 + 3 g sinh khối Một phần CO2 đã bị giữ lại trong một số sản phẩm quá trình lên men bằng cách kết hợp với những ion K+, Ca2+, NH3 + , Na +. Do đó hỗn hợp khí sinh ra có từ 60 – 70% CH4 và khoảng 30 – 40% CO2. Những chất hữu cơ liên kết phân tử thấp nhƣ đƣờng, đạm, tinh bột và ngay cả cellulose có thể phân hủy nhanh tạo ra acid hữu cơ. Các acid hữu cơ này tích tụ nhanh sẽ gây giảm sự phân hủy. Ngƣợc lại lignin, cellulose đƣợc phân hủy từ từ nên gas đƣợc sinh ra một cách liên tục. Tóm lại, quá trình tạo khí methane có thể diễn ra theo hai con đƣờng, mỗi con đƣờng gồm hai giai đoạn: 12 2.3.3.1. Con đƣờng thứ nhất a. Giai đoạn 1 o Sự acid hóa cellulose: (C6H10O5)n + H2O 3n CH3COOH o Sự tạo muối: các bazơ hiện diện trong môi trƣờng (đặc biệt là NH4OH) sẽ kết hợp với acid hữu cơ: CH3COOH + NH4OH CH3COONH4 + H2O b. Giai đoạn 2: lên men methane do sự thủy phân của muối hữu cơ CH3COONH4 + H2O CH4 + CO2 + NH4OH 2.3.3.2. Con đƣờng thứ hai a. Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân do các nhóm vi khuẩn: Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desutionbric… sau đó sẽ chuyển hóa thành CO2 và H2 bởi các vi khuẩn sinh acid: Clostridium, Eubacterium, Peptococus… (C6H10O5)n + n H2O 3n CH3COOH CH3COOH + 2 H2O 2 CO2 + 4 H2 b. Giai đoạn 2: giai đoạn sinh khí methane gồm các nhóm vi khuẩn: Methanosarcina, Methanothrix, Methanospirillum… CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O Vi khuẩn thủy phân Vi khuẩn sinh acid Vi khuẩn sinh acid Vi khuẩn sinh metan Vi khuẩn sinh methane Sơ đồ 2.2. Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ do vi khuẩn CÁC CHẤT HỮU CƠ PHỨC TẠP Hydrat cacbon, protid, lipid Các chất hữu cơ đơn giản và hòa tan đƣợc Vi khuẩn sinh acetate Acetate H2, CO2 CH4, CO2 13 Nhƣ vậy, cả hai con đƣờng, năng suất tạo khí methane phụ thuộc vào quá trình acid hóa. Nếu quá trình lên men quá nhanh hoặc dịch phân có nhiều chất liên kết phân tử thấp sẽ dễ dàng bị thủy phân nhanh chóng đƣa đến tình trạng acid hóa và ngƣng trệ quá trình lên men methane. Mặt khác vi sinh vật tham gia trong giai đoạn một của quá trình phân hủy kỵ khí đều thuộc nhóm vi khuẩn biến dƣỡng cellulose. Nhóm vi khuẩn này hầu hết có các enzyme cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau. Hầu hết là các trực trùng có bào tử, có trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Chúng biến dƣỡng ở điều kiện yếm khí cho ra CO2, H2 và một số chất tan trong nƣớc nhƣ formate, acetate, alcohol, methylique, methylamine. 2.3.4. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sinh khí sinh học 2.3.4.1. Điều kiện kỵ khí tuyệt đối Quá trình lên men phân hủy một hợp chất hữu cơ trong hầm ủ phân đòi hỏi điều kiện kỵ khí tuyệt đối. Sự có mặt của oxygen sẽ ảnh hƣởng lớn đến khả năng hoạt động của vi sinh vật tạo khí làm cho quá trình tạo khí giảm đi hay ngừng hẳn. 2.3.4.2. Nhiệt độ Nhiệt độ làm thay đổi lớn đến quá trình sinh gas trong hầm ủ. Sự tăng trƣởng phát triển của nhóm vi khuẩn yếm khí rất nhạy cảm bởi nhiệt độ. Nhóm vi khuẩn này hoạt động tối ƣu ở nhiệt độ 310C – 360C, dƣới 100C nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến gas và áp lực gas sẽ yếu đi. Tuy nhiên, ở nhiệt độ trung bình khoảng 20 – 300C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động. Trong lúc đó, nhóm vi khuẩn sinh khí methane lại rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho phép hàng ngày chỉ khoảng 10C (Ủy ban Khoa học kỹ thuật Đồng Nai, 1989). Theo Burton, C.H và Turner (2003).  Khoảng nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ƣa lạnh: 10 – 200C  Khoảng nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ƣa nhiệt : 20 – 400C  Khoảng nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ƣa nóng: 40 – 600C 2.3.4.3. pH pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí methane. Vi khuẩn sinh khí methane ở pH 4,5 – 5,0. Khi pH > 8 hay pH < 6 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm nhanh (Nguyễn Thị Thủy, 1991). Theo Lê Hoàng Việt 14 (2000) khi pH giảm thấp dƣới 6 là do tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp đã ức chế hoạt động của vi khuẩn sinh methane. Trong trƣờng hợp này, ngƣời ta lập tức ngƣng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt tốc độ sinh khi bình thƣờng trở lại thì ngƣời ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng quy định. Ngoài ra ngƣời ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ. 2.3.4.4. Thời gian ủ Lƣợng gas sinh ra sẽ phụ thuộc nhiều vào thời gian ủ dài hay ngắn, thời gian ủ tùy thuộc vào đặc tính của nƣớc thải và nhiệt độ môi trƣờng, thời gian ủ phải đƣợc kéo dài đủ để vi khuẩn kỵ khí phân hủy hoàn toàn các chất có trong nƣớc thải. Ở cùng một nhiệt độ và tỷ lệ pha loãng chất dinh dƣỡng, khả năng sinh gas cao nhất với thời gian ủ kéo dài từ 30 đến 40 ngày. 2.3.4.5. Hàm lƣợng chất rắn Hàm lƣợng chất rắn dƣới 9% thì hoạt động của hầm ủ sẽ tốt. Hàm lƣợng chất rắn ở khoảng 7 – 9%, khả năng sinh gas tốt hay xấu sẽ còn tuỳ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng. Ở Việt Nam vào mùa khô, nhiệt độ cao, sự phân hủy tốt, sự sinh gas tốt nên hàm lƣợng chất rắn trong hầm giảm, do đó cung cấp chất rắn cao hơn vào hầm ủ là có thể chấp nhận đƣợc và ngƣợc lại. 2.3.4.6. Thành phần dinh dƣỡng Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thƣờng, liên tục thì phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật. Thành phần chính của nguyên liệu là C, N và nó nguồn cung cấp cần thiết cho sự tổng hợp amino acid, protein và acid nucleic và cũng là nguồn dinh dƣỡng cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật và giúp cho quá trình lên men nhanh hơn. Bảng 2.5. Tỷ lệ C/N trong một số loại phân Loại phân Tỷ lệ C/N 15 Để đảm bảo sự cân đối dinh dƣỡng cho hoạt động của vi sinh vật kỵ khí thì cần chú ý đến tỷ lệ C/N (Bảng 2.5). Tỷ lệ thích hợp từ 25/1 đến 30/1 cho sự phân hủy kỵ khí tốt (Ủy ban khoa học kỹ thuật Đồng Nai, 1989). 2.3.4.7. H2S H2S có trong thành phần của dịch lên men, nếu ở nồng độ cao có thể tạo thành chất độc đối với vi sinh vật và ức chế sự sinh khí methane và gây ra sự thay đổi thành phần của khí methane. Điều này có thể phục hồi bằng cách loại bỏ H2S hoặc pha loãng với nƣớc, trong trƣờng hợp nghiêm trọng phải khuấy mạnh để H2S ra khỏi dịch phân. Sự hiện diện của H2S có thể ăn mòn kim loại: sắt, kẽm, quan trọng hơn là sự ăn mòn những thiết bị chứa gas, thiết bị đo gas, vane… Ta có thể loại H2S bằng cách bỏ vôi sống vào hầm nhƣng hạn chế đƣa vào những hầm có kích thƣớc lớn trong thời gian dài vì nó tạo ra những mùi rất khó chịu và mùi này thì rất khó xử lý, nồng độ CO2 càng cao thì quá trình loại bỏ H2S rất khó, lƣợng CO2 tác dụng với vôi sống sẽ tạo thành Ca(HCO3)2. Phƣơng trình phản ứng diễn ra nhƣ sau Ca(OH)2 + H2S = Ca(SH)2 + H2O Nguồn: Marchaim, Uri. (1992) 2.3.4.8. Các chất gây trở ngại quá trình lên men Vi khuẩn sinh methane dễ bị ảnh hƣởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ nhƣ: oxy, amonia, clo, hợp chất vòng benzen, formaldehyde, acid bay hơi, acid béo, kim loại nặng… Khi hàm lƣợng các loại này có trong hầm ủ vƣợt quá một giới hạn nhất định sẽ giết chết các vi khuẩn. Một số nghiên cứu đã cho thấy một số chất có hàm lƣợng sau đây sẽ ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí. 2.3.4.9. Một số yếu tố khác Trâu bò Heo Gà Cừu Ngựa Ngƣời 25/1 13/1 5/1 – 10/1 29/1 24/1 2,9/1 16  Thể tích của hầm biogas. Yếu tố này có liên quan đến thời gian lƣu lại của dịch phân ngắn hay dài và số lƣợng phân phù hợp với kích cở hầm.  Tổng thể tích phân nƣớc cho vào trong ngày và tỷ lệ phân nƣớc.  Từng loại phân khác nhau cho số lƣợng gas khác nhau.  Tỷ lệ phân nƣớc: dịch phân quá loãng thì lƣợng phân không đủ để phân hủy, ngƣợc lại dịch phân quá cao sẽ tạo lớp váng trên bề mặt của hầm gây cản trở quá trình sinh khí. Ngoài ra yếu tố nhiệt độ, pH, số lƣợng vi sinh vật cũng ảnh hƣởng lớn đến khả năng tạo gas. 2.3.5. Vai trò của biogas trong sản xuất và đời sống 2.3.5.1. Cung cấp năng lƣợng Khí đốt sinh học ra đời tạo ra một nguồn chất đốt mới, phục vụ nhu cầu nấu nƣớng, thắp sáng và chạy động cơ đốt trong vừa sạch sẽ và tiết kiệm thời gian. 2.3.5.2. Hạn chế ô nhiễm, bảo vệ môi trƣờng Ô nhiễm môi trƣờng đã tăng theo sự phát triển công nghiệp trên thế giới. Ở nƣớc ta có nhiều yếu tố tác động đến ô nhiễm môi trƣờng nhƣ kinh tế phát triển đã làm ô nhiễm môi trƣờng và ảnh hƣởng đến sức khỏe cộng đồng, đô thị hóa gia tăng, gia tăng dân số, nghèo đói, rừng tự nhiên bị tàn phá do nhu cầu năng lƣợng gia tăng... Phát triển chăn nuôi đã tăng chất thải gia súc gia cầm. Để hạn chế ô nhiễm chất thải chăn nuôi, thiết kế xử lý biogas là một trong những cách có thể chấp nhận đƣợc vì  Tạo nguồn nhiên liệu chất đốt hạn chế phá rừng.  Hạn chế các vi khuẩn gây bệnh trong phân. Khi chất đƣợc xử lý bằng biogas, mùi hôi sẽ giảm, ký sinh trùng và vi khuẩn gây bệnh bị tiêu diệt đáng kể (Ủy Ban Khoa Học Kỹ Thuật Đồng Nai, 1989).  Nƣớc thải sau khi qua biogas có thể sử dụng: để nuôi tảo, bèo làm thức ăn cho gia súc gia cầm, làm nguồn phân bón tốt, hợp vệ sinh, là nguồn thức ăn của động vật thủy sinh và giảm phát khí thải nhà kính. Biogas có thể xem nhƣ một nhân tố kết nối quan trọng trong mô hình phát triển nông nghiệp kết hợp vƣờn – ao – chuồng – biogas đƣợc trình bày qua sơ đồ 2.3. Ngƣời, Gia súc Phân Vƣờn cây Nguồn năng lƣợng làm chất đốt Sản phẩm nông nghiệp 17 Sơ đồ 2.3. Mô hình V – A – C – B kết hợp (Nguyễn Viết Lập, 2001) 2.3.6. Một số hầm ủ biogas ở Việt Nam 2.3.6.1. Loại nắp trôi nổi Hình 2.1. Mô hình thiết kế hầm xây nấp trôi nổi của Ấn độ Nghiên cứu và thiết kế ở Ấn Độ, thƣờng là dạng tròn, xây chìm hẳn trong lòng đất, vật liệu làm bằng gạch, xi măng, ống nạp nguyên liệu nối với buồng chứa bùn ở gần dƣới đáy, phần đối diện là ống xả bùn. Khí sinh ra đƣợc giữ lại ở phía trong phần nắp nổi, nắp này đa số chế tạo bằng thép dày. Hầm này rất hợp vệ sinh do bề mặt chất thải tiếp xúc ít với môi trƣờng, hầm ít bị rò rỉ, dễ xây dựng nhƣng giá thành lại cao, phải có kế hoạch bảo trì nhƣ sơn nắp trôi nổi để chống rỉ, với loại này thƣờng đạt áp suất khoảng 100 – 150 mm Hg, nên không thể dùng để thắp sáng đƣợc. 2.3.6.2. Loại hầm nắp cố định 18 Nghiên cứu và thiết kế ở Trung Quốc. Loại hầm này phổ biến ở Việt Nam, xây dựng nữa chìm nữa nổi hay nổi hẳn trên mặt đất. Kiểu thiết kế bê tông hình vòm, gồm 2 bể. Bể phân hủy chính để lên men tạo gas, bể phụ để điều hòa áp lực nhƣ đƣợc mô tả trong hình 2.2. Vật liệu làm bằng gạch, xi măng. Phần trần đổ bằng bê tông, cốt thép. Bể ủ dạng hình vuông, tròn, chữ nhật. Phần chứa khí nằm ngay trên trần bể. Kỹ thuật xây hầm này đòi hỏi cao vì dễ bị rò rỉ, khó sửa chữa. Nhƣng giá thành lại thấp hơn hầm nắp trôi nổi. Bề mặt chất thải tiếp xúc với môi trƣờng lớn nên vệ sinh kém. Áp lực khí đạt khoảng 1000 mm Hg, nên ngoài đun nấu còn phục vụ thắp sáng, chạy động cơ... Hình 2.2. Mô hình thiết kế hầm xây nắp cố định của Trung Quốc 2.3.6.3. Túi cao su và bao nylon Túi cao su đƣợc nghiên cứu và thiết kế ở Đài Loan. Vật liệu làm bằng túi cao su thiên nhiên. Đặc điểm là vệ sinh túi rất tốt do không tiếp xúc với môi trƣờng bên ngoài, dễ khuấy trộn. Tuy nhiên dung tích túi nhỏ chỉ khoảng 1 – 3 m3 nên lƣợng khí sinh ra phục vụ không đủ nhu cầu cho hộ gia đình. Từ lý do này, dựa trên căn bản này hiện nay ngƣời ta đã thay thế sử dụng nylon rẻ tiền cho thiết kế hệ thống túi ủ nylon đƣợc trình bày ở hình 2.3. 19 Hình 2.3. Mô hình thiết kế túi ủ nylon 2.3.7. Tình hình nghiên cứu hiện nay Năm 1995, Phạm Văn Minh đã khảo sát việc sử dụng túi ủ khí sinh học làm bằng plastic ở một số tỉnh miền Đông Nam bộ. Năm 1997, Long Da đã tiến hành khảo sát khả năng ứng dụng và phát triển túi ủ khí sinh học làm bằng nylon tại một số hộ dân ở vùng nƣớc nhiễm phèn, mặn thuộc miền Tây Nam bộ. Năm 1997, Đoàn Văn Nhựt đã khảo sát một số chỉ tiêu sản xuất từ túi biogas làm bằng nylon. Năm 1997, Phan Đức Quý đã khảo sát khả năng ứng dụng và phát triển túi ủ khí sinh học làm bằng nylon tại một số hộ thuộc miền Đông Nam bộ. Năm 2001, Nguyễn Viết Lập đã nghiên cứu ảnh hƣởng số lƣợng và thời gian lƣu lại của phân trên khả năng sinh gas của hệ thống biogas thí nghiệm. Năm 2004, Trần Quốc Thuận đã nghiên cứu chiều dài túi và thời gian lƣu lại của phân trên khả năng sinh gas và xử lý chất thải chăn nuôi của hệ thống túi ủ phân làm chất đốt. Năm 2005, Nguyễn Trƣờng An đã nghiên cứu ảnh hƣởng thời gian lƣu lại, và chất thải biogas lên khả năng sinh gas của túi ủ phân làm chất đốt. 20 Năm 2005, Dƣơng Nguyên Khang và Thomas Reg Preston đã nghiên cứu ảnh hƣởng của chất thải biogas trên năng suất và thành phần hóa học của lá và củ mì. Năm 2005, SanThy, Thomas Reg Preston, Dƣơng Nguyên Khang, Bounthong Bouahom và Choke Mikled đã nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ chiều dài/đƣờng kính của túi ủ phân làm chất đốt trên năng suất và thành phần hóa học của chất thải sau khi qua biogas. Năm 2006, Nguyễn Thị Thu Minh đã nghiên cứu đánh giá mức độ ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt và hiệu quả của một số mô hình xử lý nƣớc thải chăn nuôi heo ở nông hộ. 21 PHẦN 3: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài 3.1.1. Thời gian Đề tài đƣợc tiến hành từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2006 3.1.2. Địa điểm Đề tài đƣợc bố trí thực hiện ở hai địa điểm khác nhau Trại bò sữa thực nghiệm thuộc trung tâm chuyển giao Khoa Học và Công nghệ Trƣờng Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh. Tại nông hộ chăn nuôi bò của bà: Nguyễn Thị Mỹ Đức, 20/34 đƣờng Bình Chiểu, tổ 2, khu phố 3, Phƣờng Bình Chiểu, Quận Thủ Đức, Tp. Hồ Chí Minh. 3.1.3. Đối tƣợng khảo sát Đối tƣợng khảo sát là 2 hầm xây cố định kiểu thiết kế KT1 của Trung Quốc đƣợc xây dựng tại trƣờng có thể tích 6 m3 và tại hộ nông dân có thể tích là 10 m3, với mục đích khảo sát xem ảnh hƣởng của nồng độ và thời gian lƣu lại của phân bò trên khả năng sinh gas của hệ thống hầm xây này. Hầm xây biogas đƣợc thiết kế theo tài liệu hƣớng dẫn kỹ thuật của Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Vũ Thuận (2004). 3.2. Vật liệu  Phân bò đƣợc thu gom từ trại nuôi trùng quế Trƣờng Đại Học Nông Lâm  Dụng cụ, thiết bị thực hiện thí nghiệm Xô nhựa có dung tích 15 lít, thùng nhựa lớn: 6 thùng Túi nylon có đƣờng kính 0,8 và 0,78 m Tre ,dây kẽm, dây nylon, gạch, bao tay Ống dẫn gas, vane kín, bình nhựa 1 lít, bếp gas Cân với trọng lƣợng 30 kg và 100 kg Các thiết bị phân tích các chỉ tiêu lý hóa Máy đo pH hiệu model 230A Bộ phân tích Kjeldahl, cân điện tử có sai số 0,001 Lọ nút mài 125 ml, bình chƣng cất, bình tam giác 250 ml, ống đong Máy microwave 22 3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 3.3.1. Bố trí thí nghiệm Thí nghiệm đƣợc bố trí theo kiểu hoàn toàn ngẫu nhiên 1 yếu tố có 3 nghiệm thức là nồng độ khác nhau của phân bò cho vào hầm xây biogas (3, 4 và 5% vật chất khô) và khoảng thời gian lƣu lại khác nhau của phân (10 hoặc 20 ngày). Nồng độ phân cho vào các hầm biogas đƣợc tiến hành nhƣ sau: phân bò thu gom hàng ngày, cho vào xô trộn đều, lấy mẫu đem xác định vật chất khô. Dựa vào kết quả vật chất khô đã phân tích, chúng tôi tiến hành pha loãng phân theo đúng tỷ lệ ở nồng độ 3 và 5% vật chất khô của yếu tố thí nghiệm rồi cho vào hầm biogas. Tại nông hộ, chúng tôi tiến hành ghi nhận lƣợng phân nƣớc hàng ngày trung bình cho vào hầm biogas. Sau đó lấy mẫu xác định vật chất khô của phân. Dựa vào kết quả lƣợng nƣớc, lƣợng phân và vật chất khô trung bình cho vào hàng ngày của hầm xây. Kết quả đƣợc trình bày ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Thông số bố trí thí nghiệm __________________________________________________________________ Hầm ủ biogas B1 B2 B3 __________________________________________________________________ Nồng độ phân cho vào (%) 3 4 5 Thời gian lƣu giữ phân (ngày) 20 10 20 Vật chất khô trung bình của phân bò (%) 22 18 22 __________________________________________________________________ Phân và nƣớc cho vào hầm hàng ngày B1 B2 B3 __________________________________________________________________ Thể tích hầm (m3) 6 10 6 Phần trăm thể tích dịch phân trong hầm biogas (%) 75 75 75 Thể tích dịch phân (m3) 4,5 7,5 4,5 Phân, nƣớc cho vào (lít/ngày) 225 1285 225 Phân tƣơi (kg/ngày) 30 80 50 Nƣớc (lít/ngày) 195 1205 175 _________________________________________________________________ 23 3.3.2. Qui trình thí nghiệm 3.3.2.1. Lấy mẫu Mẫu khảo sát là các mẫu tại đầu vào và đầu ra của hầm biogas. Mẫu phân, phân pha loãng ở đầu vào, chất thải ở đầu ra đƣợc lấy theo lịch qui định nhƣ sau:  Đối với mẫu phân chúng tôi tiến hành trộn đều, lấy mẫu hằng ngày, trong thời gian 5 ngày, dự trữ ở nhiệt độ đông lạnh, sau đó rã đông, trộn đều các mẫu của 5 ngày này và phân tích các chỉ tiêu khảo sát.  Đối với mẫu chất thải ra sau biogas chúng tôi tiến hành trộn đều, lấy mẫu cách 5 ngày một lần và phân tích các chỉ tiêu khảo sát. Các mẫu phân pha loãng và mẫu đầu ra đƣợc trộn đều và lấy ngẫu nhiên theo nguyên tắc trộn đều sau 24 giờ nạp dịch phân vào hầm biogas. Đối với mẫu phân đầu vào chúng tôi tiến hành trộn đều và pha theo tỷ lệ phân nƣớc ở 3 hoặc 5% vật chất khô đã đƣợc qui định theo nghiệm thức. Đối với mẫu phân đầu vào ở nông hộ chúng tôi tiến hành lấy mẫu ở hố lắng cát trong thời gian rửa chuồng. Mẫu đƣợc lấy cách nhau 10 phút, mỗi đợt lấy 2 lít, cho vào thùng chứa trong suốt thời gian rửa chuồng. Sau đó trộn đều nƣớc rửa chuồng này, lấy 2 lít cho một lần lấy mẫu. Tiến hành lấy 3 lần/ngày tƣơng ứng với thời gian nông hộ rửa chuồng.  Mẫu sau khi lấy sẽ đƣợc xét nghiệm ngay sau khi đƣa về phòng thí nghiệm hay giữ mẫu ở nhiệt độ 4 – 100C trong 24 giờ. 3.3.2.2. Thời gian khảo sát Chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn làm quen là 20 ngày để hệ thống biogas hoạt động ổn định, giai đoạn khảo sát là 20 ngày kế tiếp để ghi nhận kết quả thực sự của các nghiệm thức. 3.3.2.3. Chỉ tiêu khảo sát  Lƣợng gas sinh ra + Trại thí nghiệm: Lƣợng gas sinh ra trong ngày đo bằng hệ thống bình gas thay thế nƣớc, đƣợc làm bằng túi nylon kín có đƣờng kính là 0,5 m; đầu dƣới đƣợc phủ kín bằng nƣớc chứa trong thùng kín, đầu trên nối trực tiếp với hệ thống hầm biogas thí nghiệm qua hệ thống vane kín. Tiến hành đo 4 lần trong ngày để có trị số sinh gas tổng cộng. 24 + Tại hộ nông dân: Lƣợng gas sinh ra trong ngày đo bằng hệ thống bình gas đƣợc làm bằng nylon có đƣờng kính 0,78 m và chiều dài 4,7 m, một đầu đƣợc nối với hệ thống hầm biogas qua hệ thống vane kín và một đầu đƣợc giữ kín. Tiến hành đo khi túi nylon này căng tròn đều. Hình 3.1. Hệ thống đo gas tại trƣờng Hình 3.2. Hệ thống đo gas tại nông hộ  pH Phƣơng pháp đo: sử dụng máy pH kế hiệu model 230A. Trƣớc khi đo pH của mẫu chất thải, pH của máy đƣợc chuẩn bằng dung dịch chuẩn pH = 7 và 10.  Vật chất khô Vật chất khô đƣợc đo bằng microwave.  Amoniac NH3 trong chất thải đƣợc xác định bằng phƣơng pháp Kjeldahl.  Đạm tổng số Đạm tổng số trong phân đƣợc xác định bằng phƣơng pháp Kjeldahl.  COD COD đƣợc đo bằng phƣơng pháp hóa học dựa trên sự chuyển đổi chất chỉ thị màu K2Cr2O7. 3.3.2.4 Xử lý số liệu Số liệu đƣợc xử lý bằng phần mềm Excel và Minitab 13.31. 25 PHẦN 4: KẾT QUẢ THẢO LUẬN 4.1. Điều kiện nhiệt độ Thí nghiệm đƣợc thực hiện trong điều kiện nhiệt độ đƣợc trình bày ở biểu đồ 4.1. 30 31 32 33 34 35 tháng 2 tháng 3 tháng 4 tháng 5 Nh iệ t đ ộ (đ ộ C) Nguồn: (2006) Biểu đồ 4.1. Nhiệt độ môi trƣờng thí nghiệm Biểu đồ 4.1 cho thấy nhiệt độ môi trƣờng biến thiên ít trong thời gian tiến hành thí nghiệm. Điều này giúp cho hệ thống hầm ủ phân sinh gas trong thí nghiệm đƣợc ổn định, thuận lợi cho nghiên cứu, yếu tố khảo sát ít chịu ảnh hƣởng bởi nhiệt độ môi trƣờng bên ngoài. Nhiệt độ làm thay đổi lớn đến quá trình sinh gas trong hầm ủ. Sự tăng trƣởng và phát triển của vi khuẩn lên men yếm khí rất nhạy cảm với nhiệt độ. Vi khuẩn hoạt động tối ƣu ở nhiệt độ 31 – 360C, dƣới 100C vi khuẩn hoạt động yếu, dẫn đến năng suất và áp lực gas thấp. Ở nhiệt độ trung bình khoảng 20 – 300C cũng thuận lợi cho vi khuẩn sinh gas hoạt động. Tuy nhiên đối với nhóm vi khuẩn sinh khí methane thì rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Nhiệt độ thay đổi cho phép hàng ngày khoảng 10C thì vi khuẩn sinh methane hoạt động tốt. Trong thí nghiệm của chúng tôi biến thiên nhiệt độ là 20C trong suốt thời gian khảo sát là tƣơng đối tốt cho hoạt động sinh khí methane. Vì vậy, khi nhiệt độ ổn định thì nhiệt độ trong hầm ủ sẽ ổn định để lƣợng khí methane sinh ra nhiều nhất (Ủy ban Khoa học kỹ thuật Đồng Nai, 1989). 26 4.2. Vật chất khô của phân cho vào và chất thải đầu ra Kết quả đƣợc trình bày ở bảng 4.1 cho thấy vật chất khô trung bình của chất thải đầu ra sau khi qua ba hầm biogas là 0,28%; giảm 92,9% so với vật chất khô của phân cho vào. Vật chất khô của chất thải đầu ra của ba hầm tƣơng ứng với nồng độ vật chất khô cho vào 3, 4 và 5% lần lƣợt là 0,26; 0,29 và 0,30%; dao động ít (P>0,05). Bảng 4.1. Vật chất khô của phân cho vào và chất thải đầu ra Vật chất khô (%) Nghiệm thức SEM P C3RT20 C4RT10 C5RT20 Đầu vào Đầu ra 3,00 a 4,00 b 5,00 c 0,07 0,001 0,26 a 0,29 a 0,30 a 0,01 0,188 0.00 1.00 2.00 3.0 4.00 5. 0 6.00 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) V ật c hấ t k hô (% ) VCK vào VCK ra Biểu đồ 4.2. VCK của phân cho vào và chất thải đầu ra Kết quả khảo sát về vật chất khô của chất thải đầu ra của chúng tôi thấp hơn so với một số tác giả đã khảo sát trƣớc đó  San Thy và cộng tác viên (2003) đã ghi nhận rằng vật chất khô chất thải đầu ra là 1,55; 3,06 và 4,60%; giảm trung bình 22,7% so với vật chất khô phân heo cho vào ứng với thời gian lƣu lại của phân 10, 20 và 30 ngày với nồng độ phân cho vào túi ủ là 5% vật chất khô. 27  Nguyễn Trƣờng An (2005) đã khảo sát ở nồng độ vật chất khô của phân heo cho vào 4% đã thấy rằng vật chất khô đầu ra là 2,55 và 3,81%; giảm trung bình 90% so với vật chất khô phân heo cho vào ứng với thời gian lƣu lại 10 và 20 ngày. Nguyên nhân vật chất khô đầu ra của các tác giả khảo sát cao hơn các tác giả khác là do tác giả đã sử dụng nƣớc thải đầu ra để cho trở lại hệ thống túi ủ. Điều này là do chúng tôi thí nghiệm trên các hầm biogas nên khả năng phân hủy tốt hơn nên vật chất khô đầu ra rất thấp. 4.3. pH của phân cho vào và chất thải đầu ra Bảng 4.2. pH của phân cho vào và chất thải đầu ra pH Nghiệm thức SEM P C3RT20 C4RT10 C5RT20 Đầu vào Đầu ra 6,87 a 6,89 a 6,97 b 0,006 0,001 6,52 a 6,77 b 6,45 c 0,005 0,001 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 7.2 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) pH pH đầu vào pH đầu ra Biểu đồ 4.3. pH của phân cho vào và chất thải đầu ra Bảng 4.2 cho thấy pH đầu vào tăng dần theo nồng độ vật chất khô phân cho vào (P<0,001). Theo Ngô Kế Sƣơng (1981), pH ở từng giai đoạn trong hầm ủ biogas khác nhau, giai đoạn đầu của quá trình ủ phân pH hơi acid do tạo thành các acid hữu cơ hoặc CO2… nhƣng sau đó các acid hữu cơ phân hủy tiếp tục tạo nên khí sinh học, riêng CO2 một phần bị giữ lại trong dịch phân do các ion Ca 2+ , Mg 2+… nên pH ở đầu 28 ra trở nên trung tính hay hơi kiềm. Kết quả khảo sát của chúng tôi cho thấy pH đầu ra của hầm ủ giảm dần từ 6,52 xuống 6,45 theo nồng độ vật chất khô cho vào 3 và 5%. pH giảm là do tích tụ quá nhiều acid béo bay hơi có lẽ do hầm ủ nạp nhiều phân (Lê Hoàng Việt, 2006). Ở hầm ủ cho vào 4% nồng độ vật chất khô thì pH đầu ra cao nhất có lẽ do tốc độ dòng chảy lớn và thời gian lƣu lại ngắn nên sự tạo thành acid béo bay hơi thấp.  Đối với việc sử dụng phân bò cho vào hệ thống túi ủ biogas kết quả của chúng tôi tƣơng đƣơng với khảo sát của Bùi Phan Thu Hằng (2003). Tác giả đã cho thấy rằng pH trung bình đầu ra là 6,59 thấp hơn so với pH phân cho vào là 6,69.  Đối với việc sử dụng phân heo cho vào hệ thống túi ủ Nguyễn Viết Lập (2001) cho thấy rằng pH đầu ra là 7,3 cao hơn so với pH phân cho vào là 7,2. Nguyễn Thành Quốc (2000), tác giả đã cho thấy rằng pH của phân đầu vào là 6,4 tăng lên 6,7 trong chất thải đầu ra. Nguyễn Trƣờng An (2005) cho rằng pH đầu ra là 7,13 và 7,15 tăng so với pH đầu vào 7,05 ứng với thời gian lƣu lại 10 và 20 ngày. 4.4. Đạm tổng số của phân cho vào và chất thải đầu ra Kết quả đƣợc trình bày qua bảng 4.3. Bảng 4.3 cho thấy đạm tổng số đầu vào tăng theo nồng độ vật chất khô (P<0,001), đạm tổng số chất thải đầu ra sau khi qua ba hầm biogas trung bình là 213 mg/l; giảm 61% so với đạm tổng số phân cho vào. Nguyên nhân giảm đạm tổng số đầu ra là do việc pha loãng phân và biến dƣỡng cơ chất của vi sinh trong hệ thống hầm ủ. Điều này cho thấy rằng lƣợng đạm tổng số cho vào hầm biogas đã đƣợc vi sinh vật sử dụng biến dƣỡng để tạo ra các sản phẩm trung gian (Nguyễn Trƣờng An, 2005). Đạm tổng số đầu ra tăng theo nồng độ vật chất khô (P<0,001), với nồng độ vật chất khô cho vào 4% thì lƣợng đạm tổng số đầu ra cao hơn so với nồng độ vật chất khô cho vào 5%. Nguyên nhân có thể do tốc độ dòng chảy cao và thời gian lƣu lại ngắn hơn nên khả năng xử lý yếu hơn. Bảng 4.3. Đạm tổng số của phân cho vào và chất thải đầu ra Đạm tổng số mg/l Nghiệm thức SEM P C3RT20 C4RT10 C5RT20 Đầu vào Đầu ra 335 a 580 b 724 c 30,8 0,001 139 a 256 b 245 b 11,5 0,001 29 0 200 400 600 800 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) Đạ m tổ ng s ố (m g/ l) Đạm tổng số đầu vào Đạm tổng số đầu ra Biểu đồ 4.4. Đạm tổng số của phân cho vào và chất thải đầu ra So với một số nghiên cứu trƣớc đó đã cho thấy  Bùi Phan Thu Hằng (2003) thí nghiệm trên phân bò đã ghi nhận lƣợng đạm tổng số trung bình trong chất thải đầu ra của túi ủ phân là 967 mg/kg; giảm 38% so với đạm tổng số phân cho vào với thời gian lƣu lại 20 ngày và nồng độ vật chất khô cho vào 4%. San Thy và cộng tác viên (2005) đã ghi nhận lƣợng đạm tổng số trong chất thải đầu ra của túi ủ phân là 1262 và 1875 mg/l tƣơng ứng với thời gian lƣu lại của phân lần lƣợt là 10 và 20 ngày. Kết quả khảo sát của chúng tôi thấp hơn so với kết quả khảo sát của các tác giả này (Bảng 4.3). Điều này có lẽ là do các tác giả này thí nghiệm trên đối tƣợng phân heo và trên túi ủ nên khả năng xử lý của hệ thống túi ủ kém hơn hầm xây. 4.5. Hàm lƣợng amoniac của phân cho vào và chất thải đầu ra Kết quả đƣợc trình bày qua bảng 4.3 cho thấy hàm lƣợng amoniac đầu ra với nồng độ vật chất khô cho vào 4% là thấp nhất 176 mg/kg. Hàm lƣợng amoniac trung bình chất thải đầu ra qua ba hầm là 205 mg/kg; giảm 15,7% so với amoniac của phân cho vào. Ở nồng độ phân cho vào 4% hàm lƣợng amoniac đầu ra thấp nhất 176 mg/kg là do vi sinh vật sử dụng để tổng hợp protein của chúng trong hoạt động lên men (Dƣơng Nguyên Khang, 2004) cũng nhƣ việc pha loãng phân cho vào với nƣớc 30 (Nguyễn Trƣờng An, 2005). Ở nồng độ vật chất khô cho vào 5% thì hàm lƣợng amoniac đầu ra cao nhất là 221 mg/kg. Hàm lƣợng amoniac của chất thải đầu ra ứng với nồng độ vất chất khô cho vào càng cao thì hàm lƣợng amoniac đầu ra càng cao (P<0,001). Bảng 4.4. Hàm lƣợng amoniac của phân cho vào và chất thải đầu ra Biểu đồ 4.5. Hàm lƣợng amoniac của phân cho vào và chất thải đầu ra So với một số nghiên cứu trƣớc, kết quả cho thấy  Bùi Phan Thu Hằng (2003) đã ghi nhận hàm lƣợng amoniac trong chất thải đầu ra của túi ủ phân là 392 mg/kg tăng trung bình 8% so với amoniac phân bò cho vào với thời gian lƣu 20 ngày và vật chất khô cho vào túi ủ 4%.  San Thy và cộng tác viên (2003) đã ghi nhận rằng hàm lƣợng amoniac trong chất thải đầu ra của túi ủ phân 340, 633 và 884 mg/l theo thời gian lƣu lại của phân lần lƣợt là 10, 20 và 30 ngày. Amoniac (mg/kg) Nghiệm thức SEM P C3RT20 C4RT10 C5RT20 Đầu vào Đầu ra 241 a 213 b 275 c 6,32 0,001 217 a 176 b 221 a 4,78 0,001 0 50 100 150 200 250 300 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) A m on ia c (m g/ kg ) Amoniac vào Amoniac ra 31  San Thy và cộng tác viên (2005) đã ghi nhận amoniac trong chất thải đầu ra của túi ủ phân là 619 và 1139 mg/l tƣơng ứng với thời gian lƣu lại của phân lần lƣợt là 10 và 20 ngày. Kết quả hàm lƣợng amoniac đầu ra của chúng tôi thấp hơn kết quả khảo sát của các tác giả trên có thể là do thí nghiệm đƣợc thực hiện trong điều kiện khảo sát khác nhau. Đối tƣợng khảo sát của chúng tôi là phân bò trên hệ thống hầm xây nên có thể khả năng phân hủy tốt hơn. 4.6. COD của phân cho vào và chất thải đầu ra Bảng 4.5. Hàm lƣợng COD của phân cho vào và chất thải đầu ra COD (mg O2/l) Nghiệm thức SEM P C3RT20 C4RT10 C5RT20 Đầu vào Đầu ra 16800 a 16908 a 21099 b 578 0,001 1078 a 7440 b 5865 c 321 0,001 0 5000 10000 15 0 20000 25000 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) CO D (m g O 2/ l) COD vào COD ra Biểu đồ 4.6. Hàm lƣợng COD của phân cho vào và chất thải đầu ra Bảng 4.5 cho thấy COD đầu vào tăng theo hàm lƣợng vật chất khô cho vào (P<0,001). Hàm lƣợng COD đầu ra trung bình giảm đáng kể qua ba hầm biogas là 4794 mg O2/l, giảm 74% so với hàm lƣợng COD của phân cho vào. Trong thí nghiệm tại trại thực nghiệm Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh hàm lƣợng COD đầu ra của hai hầm ủ là 1078 và 5865 mg O2/l ứng với nồng độ vật chất khô cho 32 vào là 3 và 5% (P<0,001). Điều đó cho thấy nếu nồng độ vật chất khô cho vào càng nhiều thì hàm lƣợng COD ở đầu ra càng cao. Trong khi đó, thí nghiệm tại hộ chăn nuôi bò sữa hàm lƣợng COD đầu ra cao hơn là 7440 mg O2/l, có lẽ do tốc độ dòng chảy nhanh và thời gian lƣu lại ngắn nên khả năng xử lý phân thấp hơn. Phân gia súc chứa protein, lipid, carbonhydrate… Qua quá trình lên men yếm khí trong hầm ủ các chất này sẽ bị phân hủy tạo ra các chất hòa tan đồng thời sinh ra hỗn hợp khí CH4, CO2 và H2… do đó hàm lƣợng chất hữu cơ giảm đáng kể trong quá trình ủ (Nguyễn Thành Quốc, 2000). Tuy nhiên kết quả khảo sát của chúng tôi cho thấy hàm lƣợng COD đầu ra cao (trung bình 4794 mg O2/l ) so với tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5992 – 1995) là 100 mg O2/l đến 400 mg O2/l, có lẽ một phần chất hữu cơ trong phân có kết cấu phức tạp khó phân hủy nhƣ: cellulose, lignin hoặc do thời gian ủ còn ngắn (Dƣơng Nguyên Khang, 2004).  Martin và cộng tác viên (2003) cho thấy hàm lƣợng COD đầu ra là 89,1 mg O2/l; giảm 42% so với hàm lƣợng COD của phân bò cho vào.  Nguyễn Viết Lập (2001) cho thấy với thời gian lƣu trữ 10, 20, 30 và 40 ngày thì lần lƣợt là 191, 179, 177 và 137 mg O2/l; giảm 73% so với hàm lƣợng COD phân heo cho vào. Thời gian lƣu lại càng lâu thì hàm lƣợng COD càng giảm.  Nguyễn Thành Quốc (2000) đã khảo sát với nồng độ vật chất khô 3, 4, 5 và 6% đã thấy rằng COD của phân đầu ra lần lƣợt là 352,6; 357,1; 514,5 và 542,9 mg O2/l; giảm 59% so với COD của phân heo cho vào. Khác biệt này có lẽ do phƣơng pháp phân tích COD trong thí nghiệm của chúng tôi đƣợc dùng là phƣơng pháp K2Cr2O7 vì vậy khả năng oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ tốt hơn so với phƣơng pháp KMnO4 mà các tác giả đã sử dụng phân tích. Ngoài ra do thời gian lƣu lại của phân ngắn nên khả năng xử lý chất thải trong hệ thống hầm ủ chƣa hoàn toàn dẫn đến hàm lƣợng COD đầu ra của chúng tôi cao. 4.7. Gas sinh ra Lƣợng gas sinh ra, lít gas sinh ra tính theo thể tích hầm, kg vật chất khô, kg chất hữu cơ và phần trăm luợng gas sinh ra trên thể tích hầm đƣợc trình bày qua bảng 4.6. Kết quả cho thấy lƣợng gas sinh ra, lƣợng gas sinh ra theo thể tích hầm và phần trăm tăng theo nồng độ vật chất khô (P<0,001). Lƣợng gas sinh ra theo vật chất khô, lƣợng gas sinh ra theo chất hữu cơ cao nhất ở nồng độ vật chất khô cho vào 3% và thấp nhất 33 ở nồng độ vật chất khô cho vào 4%. Bảng 4.6. Lƣợng gas sinh ra Chỉ tiêu Nghiệm thức SEM P C3RT20 C4RT10 C5RT20 Năng suất gas (lít/ngày) 1524 a 3250 b 2389 c 53,7 0,001 Gas sinh ra theo thể tích (lít gas/lít hầm) 0,30 a 0,40 b 0,48 c 0,01 0,001 Gas sinh ra theo VCK (lít gas/kg VCK) 101 a 81 b 95 a 3,01 0,001 Gas sinh ra theo CHC (lít gas/kg CHC) 124 a 99 b 117 a 4,13 0,001 Lƣợng gas sinh ra (%) 30,5a 40,6b 47,8c 1,01 0,001 0 0.1 0.2 0.3 0. 0.5 .6 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) Ga s s in h ra th eo th ể tíc h (lí t g as /lí t h ầm ) Biểu đồ 4.7. Lƣợng gas sinh ra theo thể tích Biểu đồ 4.7 cho thấy lƣợng gas sinh ra theo thể tích hầm tăng theo nồng độ vật chất khô cho vào (P<0,001). Điều này có lẽ do thể tích hầm càng lớn thì khả năng hoạt động của vi khuẩn sinh methane càng mạnh dẫn tới sản lƣợng gas sinh ra càng cao. Điều này phù hợp với nghiên cứu của Bùi Phan Thu Hằng (2003) thí nghiệm trên phân bò, tác giả này cho rằng lƣợng gas sinh ra tăng 0,17; 0,20 và 0,28 lít gas/lít túi tƣơng ứng với thể tích 477, 716, 1194 lít túi với nồng độ vật chất khô cho vào là 4%. Santhy và cộng tác viên (2003) cho rằng gas sinh ra theo thể tích là 1,03; 1,20 và 1,06 lít gas/lít túi theo thời gian lƣu lại của phân 10, 20 và 30 ngày với nồng độ vật 34 chất khô phân heo cho vào 5%. Nguyễn Trƣờng An (2005) đã ghi nhận lƣợng gas sinh ra tăng theo thể tích là 0,93 và 1,01 lít gas/lít túi với thời gian lƣu lại của phân 10 và 20 ngày với nồng độ vật chất khô phân heo cho vào 4%. Kết quả của các tác giả đã thí nghiệm trên phân heo chứng minh rằng khả năng sinh gas của phân heo là cao hơn so với phân bò (Dƣơng Nguyên Khang, 2004). 0 20 40 60 80 100 120 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) G as s in h ra th eo V CK (lí t g as /k g VC K) Biểu đồ 4.8. Lƣợng gas sinh ra theo vật chất khô Qua biểu đồ 4.8 chúng tôi nhận thấy, lƣợng gas sinh ra theo vật chất khô thấp nhất là 81 lít ở nồng độ vật chất khô 4% và cao nhất là 101 lít ở nồng độ vật chất khô 3% (P< 0,001). Lƣợng gas sinh ra giảm dần theo chiều tăng dần từ 3% đến 5% nồng độ vật chất khô phân bò cho vào. Điều này có lẽ do nồng độ vật chất khô càng cao thì lƣợng phân cho vào hầm hàng ngày lớn làm cho hầm ủ quá tải dẫn đến ức chế hoạt động của vi khuẩn sinh methane (Nguyễn Thị Thu Minh, 2006). Ở nồng độ vật chất khô phân bò cho vào 4% thì lƣợng gas sinh ra thấp nhất 81 lít gas/kg VCK, có thể là do tốc độ dòng chảy lớn và thời gian lƣu lại ngắn nên khả năng phân hủy kém dẫn đến lƣợng gas sinh ra thấp.  Bùi Phan Thu Hằng (2003) thí nghiệm trên phân bò đã ghi nhận lƣợng gas sinh ra theo vật chất khô trung bình là 60,6 lít gas/kg VCK với nồng độ vật chất khô phân bò cho vào là 4%. 35  San Thy và cộng tác viên (2003) đã ghi nhận rằng gas sinh ra trên vật chất khô phân heo cho vào tăng là 464, 529 và 485 lít ứng với thời gian lƣu lại 10, 20 và 30 ngày và nồng độ vật chất khô phân heo cho vào 5%.  Nguyễn Trƣờng An (2005) thấy rằng lƣợng gas sinh ra theo vật chất khô tăng là 248 và 259 lít gas/kg VCK ứng với thời gian lƣu lại 10 và 20 ngày và nồng độ vật chất khô phân heo cho vào 4%. 0 50 100 150 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) Ga s th eo c hấ t h ữu c ơ (lí t g as /k g CH C) Biểu đồ 4.9. Lƣợng gas sinh ra theo chất hữu cơ Biểu đồ 4.9 cho thấy, lƣợng gas sinh ra theo chất hữu cơ thấp nhất là 99 lít gas/kg CHC ở nồng độ 4% vật chất khô cho vào và cao nhất là 124 lít gas/kg CHC ở nồng độ 3% vật chất khô cho vào (P< 0,001). Lƣợng gas sinh ra trên chất hữu cơ giảm dần theo chiều tăng dần từ 3% đến 5% nồng độ vật chất khô. Ở nồng độ vật chất khô phân cho vào 4% thì lƣợng gas sinh ra thấp nhất 99 lít gas/kg CHC. Điều này là do nồng độ vật chất khô càng thấp thì hàm lƣợng chất hữu cơ càng thấp và thời gian lƣu lại ngắn nên khả năng phân hủy chất hữu cơ kém dẫn đến lƣợng gas sinh ra thấp.  Bùi Phan Thu Hằng (2003) thí nghiệm trên phân bò, tác giả cho thấy rằng lƣợng gas sinh ra theo chất hữu cơ trung bình 85,5 lít gas/kg CHC với nồng độ vật chất khô cho vào là 4%.  San Thy và cộng tác viên (2003), các tác giả đã ghi nhận rằng gas sinh ra theo chất hữu cơ là 545, 622 và 570 lít gas/kg CHC ứng với thời gian lƣu lại 10, 20 và 30 ngày và nồng độ vật chất khô phân heo cho vào là 5%. 36  Nguyễn Trƣờng An (2005) đã ghi nhận lƣợng gas sinh ra theo chất hữu cơ là 330 và 357 lít gas/kg CHC ứng với thời gian lƣu lại 10 và 20 ngày và nồng độ vật chất khô phân heo cho vào là 4%. 0 10 20 30 40 50 60 C3RT20 C4RT10 C5RT20 Nồng độ (%) Ga s si nh ra th eo % Biểu đồ 4.10. Lƣợng gas sinh ra theo phần trăm thể tích hầm ủ Biểu đồ 4.10 cho thấy, lƣợng gas sinh ra theo phần trăm thể tích hầm ủ tăng theo nồng độ vật chất khô phân cho vào (P<0,001). Điều này có lẽ do thể tích hầm càng lớn thì khả năng hoạt động của vi khuẩn sinh methane càng mạnh dẫn tới sản lƣợng gas sinh ra càng cao. Trong lúc đó Bùi Phan Thu Hằng (2003) đã ghi nhận lƣợng gas sinh ra theo phần trăm tăng lần lƣợt 16,7; 20,1 và 27,8% tƣơng ứng với thể tích 477, 716 và 1194 lít túi và nồng độ vật chất khô phân bò cho vào 4%. 37 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1. Kết luận Qua quá trình thực hiện đề tài: “Ảnh hƣởng nồng độ phân bò lên khả năng sinh gas của hầm ủ kiểu KT1 Trung Quốc” chúng tôi rút ra kết luận nhƣ sau:  Đạm tổng số của chất thải đầu ra giảm trung bình 61% so với đạm tổng số của phân cho vào.  Hàm lƣợng amoniac của chất thải đầu ra giảm trung bình 15,7% so với hàm lƣợng amoniac của phân cho vào.  Kết quả cho thấy lƣợng gas sinh ra, lƣợng gas sinh ra theo thể tích hầm và theo % tăng theo nồng độ vật chất khô. Lƣợng gas sinh ra theo vật chất khô, theo chất hữu cơ cao nhất ở nồng độ vật chất khô 3% và thấp nhất ở nồng độ 4%.  COD ở đầu ra giảm trung bình 74% so với phân cho vào.  Xét toàn diện, ở nồng độ vật chất khô 3% với thời gian lƣu lại phân 20 ngày thì khả năng xử lý phân và sinh gas tốt nhất. 5.2. Đề nghị  Nên sử dụng nồng độ vật chất khô 3% cho vào hầm biogas.  Nên kéo dài thời gian lƣu lại của phân trong hệ thống ủ phân để xử lý chất thải chăn nuôi đƣợc tốt hơn cho đạt với tiêu chuẩn vệ sinh môi trƣờng.  Nếu có điều kiện, tăng cƣờng nghiên cứu định danh phân lập, ly trích các nhóm vi khuẩn có khả năng lên men sinh gas tốt trong hệ thống hầm ủ phân làm chất đốt để ứng dụng vào việc xử lý môi trƣờng tốt hơn.  Tiến hành nghiên cứu sử dụng gas sinh học trong chạy động cơ nổ, đồng thời nghiên cứu để loại bỏ các tạp chất trong khí biogas để tăng hiệu quả sử dụng. 38 PHẦN 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO Phần tiếng Việt 1. Bùi Xuân An, 1997. Sản xuất thức ăn gia súc nhiệt đới. Tủ sách Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. 2. Nguyễn Trƣờng An, 2005. Ảnh hưởng thời gian lưu lại, và chất thải biogas lên khả năng sinh gas của túi ủ phân làm chất đốt. Luận Văn tốt nghiệp Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. 3. Long Da, 1997. Bước đầu khảo sát khả năng ứng dụng và phát triển túi ủ khí sinh học làm bằng nylon tại một số hộ dân ở vùng nước nhiễm phèn, mặn thuộc miền Tây Nam bộ. Luận văn tốt nghiệp Khoa Chăn nuôi thú y, Trƣờng Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh. 4. Nguyễn Quang Khải, Hồ Thị Lan Hƣơng, Nguyễn Gia Lƣợng, Đinh Thế Lộc, Nguyễn Khắc Tích, Nguyễn Vũ Thuận, 2004. Công nghệ khí sinh học. Dự án hỗ trợ chƣơng trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi ở một số tỉnh Việt Nam. Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn. Hà Nội. 5. Dƣơng Nguyên Khang, 1999. Kỹ thuật túi ủ phân làm chất đốt. Tài liệu hƣớng dẫn thực hành. Khoa chăn nuôi thú y, Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. 6. Dƣơng Nguyên Khang, 2004. Bài giảng công nghệ xử lý chất thải. Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. 7. Nguyễn Viết Lập, 2001. Ảnh hưởng của số lượng và thời gian lưu lại của phân trên khả năng sinh gas của hệ thống biogas thí nghiệm. Luận văn tốt nghiệp khoa chăn nuôi thú y, Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. 8. Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994. Nghiên cứu các chỉ tiêu nhiễm bẩn của chất thải chăn nuôi heo tập trung và áp dụng một số biện pháp xủ lý. Luận án phó tiến sĩ khoa học Nông Nghiệp, Đại Học Nông Lâm, Tp. Hồ Chí Minh. 39 9. Nguyễn Chí Minh, 2002. Giáo trình phân bón hữu cơ. Khoa nông học Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. 10. Phạm Văn Minh, 1995. Bước đầu khảo sát việt sử dụng túi ủ khí sinh học làm bằng Plastic ở một số tỉnh miền Đông Nam bộ. Luận văn tốt nghiệp Trƣờng Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh. 11. Nguyễn Thị Thu Minh, 2006. Đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường nước mặt và hiệu quả của một số mô hình xử lý nước thải chăn nuôi heo ở nông hộ. Trƣờng Đại Học Cần Thơ. 12. Nguyễn Thành Quốc, 2000. Khả năng xử lý chất thải chăn nuôi bằng kỹ thuật túi ủ nylon. Luận Văn tốt nghiệp Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. 13. Phan Đức Quý, 1997. Khảo sát khả năng ứng dụng và phát triển túi ủ khí sinh học làm bằng nylon tại một số nông hộ thuộc miền Đông Nam bộ. Luận văn tốt nghiệp Trƣờng Đại học Nông lâm thành phố Hố Chí Minh. 14. Ngô Kế Sƣơng, 1981. Sản xuất và sử dụng khí sinh vật. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội. 15. Ngô Kế Sƣơng, Nguyễn Lâm Dũng, 1997. Sản xuất khí đốt (biogas) bằng kỹ thuật lên men kỵ khí. Nhà xuất bản nông nghiệp. 16. Nguyễn Thị Thủy, 1991. Khảo sát khả năng tiêu diệt Escheria coli và trứng ký sinh trùng bằng hầm ủ biogas. 17. Hướng dẫn sản xuất và sử dụng khí đốt sinh vật, 1989. Nhà xuất bản Đồng Nai. 18. Trung tâm tiêu chuẩn chất lƣợng, 1995. Tiêu chuẩn Việt Nam. Các tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam về Môi trường. Tập 2. 19. Lê Hoàng Việt, 2000. Tái sử dụng chất hữu cơ. Trƣờng Đại Học Cần Thơ. 40 Phần tiếng Anh 20. Burton, C.H and Turner, C. 2003. Manure manure management, treatment strategies sustainable agriculture. Sisoe Research Institute 2003. Wrest Park, Silsoe, Bedford, UK, 451 pages. 21. Bui Phan Thu Hang, 2003. Effect of dimensions of plastic biodigester (width: length ratio) on gas production and composition of effluent. Livestock Research for Rural Development 15 (7) 2003, 8 pages. 22. Marchaim, Uri.1992. Biogas processes for sustainable development. FAO Agricultural services bulletin 95. Rome, Italy, 232 pages. 23. Martin, H.John, 2003. A comparison of dairy cattle manure management with and without anaerobic digestion and biogas utilization. Washington, DC 20460. 24. San Thy, T. R. Preston and J. Ly, 2003. Effect of retention time on gas production and fertilizer value of biodigester effluent. Livestock Research for Rural Development 15 (7) 2003. 25. San Thy, P. Buntha, T. Vanvuth, T. R. Preston, Duong Nguyen Khang, Soukanh K., Boualong, Phouthone, Choke Mikled and N. Sopharoek, 2005. Effect of length: diameter ratio in polyethylene biodigesters on gas production and effluent composition. In; Making Better Use of Local Feed Resources. Workshop – seminar, 23 – 25 May, 2005. Trang web 26. 27. %C3%ACm+v%E1%BB%9Bi+Google&as_epq=biogas&as_oq=comparison&as_ eq=&lr=&as_ft=i&as_filetype=pdf&as_qdr=all&as_occt=any&as_dt=i&as_sitesea rch= 41