Tài liệu 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 i 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 m 2 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. 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. Từ khóa: ủ yếm khí, khí sinh học, rơm, lục bình, a-xít béo bay hơi, túi ủ PE ii 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 CO 2, 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. 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 iii LỜI CAM ĐOAN 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. Cần Thơ, ngày tháng năm 20 Nghiên cứu sinh Trần Sỹ Nam iv 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 v 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 vi 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 Long58 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 Hình DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Trang 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 ix 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 x 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 xi Bảng DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang 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 bình45 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 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 Từ viết tắt C/N COD ĐBSCL ĐBSH DM HRT KSH DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Anh Diễn giải các từ viết tắt Carbon/Nitrogen Chemical oxygen demand Tỷ số cacbon trên nitơ Nhu cầu oxy hóa học Đồng bằng sông Cửu Long Đồng bằng sông Hồng Dry matter Hydraulic retention time KT Vật chất khô Thời gian lưu thủy lực Khí sinh học Khuấy trộn LB Lục bình NDF Hàm lượng chất xơ LIG OLR OM PH Hàm lượng lignin Organic loading rate Lượng nguyên liệu nạp hữu cơ Organic matter Chất hữu cơ Phân heo QCVN RO SRT Quy chuẩn Việt Nam Rơm Solid retention time TKN Total Kjeldahl Nitrogen TS Total solids TP VFAS VS VSV Thời gian lưu chất rắn Tổng nitơ Kjeldahl Total phosphorus Tổng lân Volatile fatty acids Các a-xít béo bay hơi Tổng hàm lượng chất rắn Volatile solids Chất rắn bay hơi Vi sinh vật xiv 1.1 Đặt vấn đề Chương 1: GIỚI THIỆU 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 1 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 11,322,0 (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. 2 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 3 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. 4