ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TNTN
BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG

ẢNH HƢỞNG CỦA TỶ LỆ PHỐI TRỘN
RƠM VÀ PHÂN HEO ĐẾN KHẢ NĂNG
SINH KHÍ BIOGAS

Cán bộ hƣớng dẫn:

Sinh viên thực hiện :

TS. PHẠM VĂN TOÀN

DƢƠNG THỊ BÍCH DUYÊN 1100877

Ths. NGUYỄN TRƢỜNG THÀNH

NGUYỄN THỊ THU NGÂN 1100915

Ths. TRẦN SỸ NAM

Cần Thơ 12- 2013


Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Cần Thơ, ngày…..tháng ….. năm 2013
Cán bộ hƣớng dẫn

Phạm Văn Toàn

Nguyễn Trƣờng Thành

i


Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Cần Thơ, ngày ….. tháng ….. năm 2013
Cán bộ phản biện

Lê Hoàng Việt

Nguyễn Thị Thu Vân

ii

LỜI CẢM TẠ
Trong suốt quá trình làm luận văn, chúng tôi đã cố gắng để có thể vƣợt qua những
khó khăn gặp phải. Tuy nhiên, chúng tôi sẽ khó hoàn thành luận văn nếu nhƣ không
có sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, các cá nhân, tập thể và các bạn trong lớp
luôn bên cạnh giúp đỡ, động viên.Vì vậy, qua đây xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến các cá nhân, tập thể đã giúp chúng tôi hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tha thiết nhất đến cha, mẹ đã quan tâm lo lắng, hết sức cố gắng
tạo mọi điều kiện thuận lợi về mặt tài chính để sớm hoàn thành luận văn.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phạm Văn Toàn, thầy Nguyễn Trƣờng
Thành, thầy Nguyễn Võ Châu Ngân, thầy Trần Sỹ Nam và thầy Nguyễn Ngọc Em
là ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và luôn ở bên cạnh để nhắc
nhở chúng tôi kịp thời khắc phục, sửa chữa những sai sót, khuyết điểm trong suốt
quá trình thực hiện đề tài.
Nhân đây cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô cố vấn học tập Nguyễn Thị Thu Vân đã
tận tình chỉ bảo, giúp đỡ trong suốt thời gian chúng tôi học tại trƣờng. Và xin gửi lời
cảm ơn chân thành nhất, đến tất cả quý thầy cô thuộc Bộ môn Kỹ thuật Môi trƣờng,
Khoa Môi Trƣờng và Tài nguyên Thiên nhiên đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Xin gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Thị Thùy, Võ Thị Vịnh và Lê Ngọc Diệu Hồng
học viên Cao học ngành Khoa học Môi trƣờng K18, các bạn trong lớp Kỹ Thuật
Môi Trƣờng K36 và các bạn đã cùng thực hiện đề tài trong dự án SubProM.
Với những kiến thức tiếp thu đƣợc trên lớp, chúng tôi đã hết sức cố gắng để hoàn
thành luận văn một cách tốt nhất.
Sinh viên
Dƣơng Thị Bích Duyên Nguyễn Thị Thu Ngân

iii

TÓM TẮT
Thí nghiệm này nhằm đánh giá khả năng sinh khí của quá trình lên men yếm khí
theo mẻ phân heo (PH) và rơm (R) ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau. Các thí nghiệm
với các tỉ lệ 100% PH (TN1), 60% PH + 40% R (TN2), 50% PH + 50% R (TN3),
40% PH + 60% (TN4) và 20% PH + 80% R (TN5) (tính theo hàm lƣợng vật chất
khô của nguyên liệu nạp) đƣợc tiến hành trên các bộ thí nghiệm ủ yếm khí liên tục
theo mẻ ở quy mô phòng thí nghiệm. Các bộ thí nghiệm lên men yếm khí theo mẻ
(21 lít) đƣợc sử dụng để tiến hành phân hủy nguyên liệu ủ và thu thập mẫu khí để
xác định thể tích khí biogas và thành phần methane sinh ra. Từ đó xác định đƣợc tỉ
lệ có khả năng sinh khí biogas phối trộn sinh khí tốt nhất. Ngoài việc đo thể tích khí
sinh ra, pH, nhiệt độ, redox mỗi ngày, các chỉ tiêu nhƣ độ kiềm, COD, TKN, TP,
VS, tổng Coliform, Fecal Coliform, tổng vi sinh vật yếm khí đƣợc phân tích trƣớc
khi ủ và sau khi ủ của các thí nghiệm.
Sau 45 ngày ủ yếm khí, tổng thể tích sinh khí của các nghiệm thức 100% PH, 60%
PH + 40% R, 50% PH + 50% R, 40% PH + 60%R và 20% PH + 80% R lần lƣợt là
163,8L; 250,5L; 281,7L; 271,1L; 250,5L và thể tích khí mêtan tƣơng ứng là 85,96
L; 127,30L; 145,60 L; 146,20L và 125,60L. Thống kê kết quả đạt đƣợc, có sự khác
biệt giữa nghiệm thức có phối trộn rơm và các nghiệm thức không có phối trộn và
giữa các tỷ lệ phối trộn ở mức ý nghĩa 5%. Nhƣ vậy trong điều kiện thí nghiệm, khi
có phối trộn thêm rơm cho khả năng sinh khí tốt hơn so với không phối trộn. Tỉ lệ
phối trộn 50% PH + 50% R cho lƣợng khí sinh ra cao nhất (281,7L) và năng suất
sinh khí cao nhất 854 L Biogas/ 1kg VS phân huỷ. Nhƣ vậy trong điều kiện thí nghiệm,
khi có phối trộn thêm rơm cho khả năng sinh khí tốt hơn so với không phối trộn.
Xác định đƣợc khoảng thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức từ ngày thứ
11 đến ngày 17, cụ thể nhƣ sau: Nghiệm thức 1 cho lƣợng khí biogas cực đại từ
ngày thứ 12; nghiệm thức 2 cho lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 12, 13, 18;
nghiệm thức 3 cho lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 16; nghiệm thức 4 cho
lƣợng khí biogas cực đại từ ngày thứ 12; nghiệm thức 5 cho lƣợng khí biogas cực
đại từ ngày thứ 12.
Sau thời gian xử lý, chỉ tiêu tổng Coliform, Fecal Coliform, đầu ra của các nghiệm

thức thấp hơn so với quy định tại QCVN 39:2011/BTNMT về yêu cầu sử dụng
nƣớc thải cho tƣới tiêu. Đối với các chỉ tiêu đầu ra khác nhƣ TKN, TP, COD của
các nghiệm thức có giảm nhƣng vẫn cao hơn gấp nhiều lần so với yêu cầu xả thải
của nƣớc thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT. Do đó, nƣớc thải đầu ra của
hầm ủ biogas cần phải đƣợc xử lý thêm nếu thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận
Từ khoá: biogas, yếm khí, rơm, phân heo, tỷ lệ phối trộn.

iv


CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam kết luận văn này đƣợc hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên
cứu của chúng tôi trong khuôn khổ của dự án “Sản xuất khí sinh học bền vững từ
rơm thải”. Dự án có quyền sử dụng kết quả của luận văn này để phục vụ cho dự án.
Cần Thơ, ngày 19 tháng 12 năm 2013
Tác giả luận văn

Dƣơng Thị Bích Duyên

Nguyễn Thị Thu Ngân

v


MỤC LỤC
Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ..................................................................................... i
Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ....................................................................................... ii
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................................iii
TÓM TẮT.................................................................................................................................. iv
MỤC LỤC ................................................................................................................................. vi

DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................................ ix
DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................................. x
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT................................................................................................... xi
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1

1.2

MỤC TIÊU ...................................................................................................................... 2
1.2.1 Mục tiêu tổng quát ..................................................................................................... 2
1.2.2 Mục tiêu cụ thể .......................................................................................................... 2

CHƢƠNG 2. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU .................................................................................... 3
2.1 CÂY LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG .............................................................. 3
2.2 RƠM RẠ VÀ CÁC ỨNG DỤNG ........................................................................................ 3
2.2.1 Cấu tạo của rơm ......................................................................................................... 3
2.2.2 Ứng dụng của rơm ..................................................................................................... 5
2.3 CHĂN NUÔI HEO Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG ................................................ 7
2.5 QUÁ TRÌNH LÊN MEN YẾM KHÍ .................................................................................. 11
2.5.1 Cơ chế của quá trình lên men yếm khí .................................................................... 11
2.5.2 Những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sinh khí methane ...................................... 14
2.6 KHÍ SINH HỌC (BIOGAS) ............................................................................................... 21
2.6.1 Tổng quan về khí sinh học ....................................................................................... 21
2.6.2Lợi ích từ khí sinh học .............................................................................................. 22
CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP ................................................................................................ 24
VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 24
3.1 ĐỊA ĐIỂM ......................................................................................................................... 24
3.2 NỘI DUNG......................................................................................................................... 24

3.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 24
vi


3.3.1 Chuẩn bị vật liệu thí nghiệm.................................................................................... 24
3.3.2 Mô tả thí nghiệm.................................................................................................... 25
3.4 CÁC CHỈ TIÊU ĐO ĐẠC GỒM ....................................................................................... 27
TCVN 7601:2007 ............................................................................................................. 28
3.5.1 Phƣơng pháp tính toán ............................................................................................. 29
3.5.2 Phƣơng pháp xử lý số liệu ....................................................................................... 30
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................... 31
4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU NẠP ................................................. 31
4.2 KẾT QUẢ KHÍ BIOGAS CỦA CÁC NGHIỆM THỨC .................................................. 32
4.2.1 Thể tích khí Biogas sinh ra của các nghiệm thức theo ngày ................................... 32
4.2.2 Thể tích khí Biogas tích dồn của các nghiệm thức trong 45 ngày........................... 33
4.2.3 Thành phần khí CH4 của các nghiệm thức .............................................................. 34
4.2.4 Năng suất sinh khí Biogas của các nghiệm thức (Lƣợng khí sinh ra / 1kg VS phân
huỷ) ................................................................................................................................... 35
4.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN THỂ TÍCH KHÍ SINH RA ...................................... 39
4.3.1 Nhiệt độ ................................................................................................................... 39
4.3.2 pH ............................................................................................................................ 40
4.3.3 Độ kiềm ................................................................................................................... 41
4.3.4 Điện thế oxy hóa – khử (Redox redox potentials) ................................................... 42
4.3.5 Tổng Vi sinh vật yếm khí ........................................................................................ 43
4.4 CHẤT LƢỢNG NƢỚC ĐẦU RA CỦA MẺ Ủ ................................................................. 44
4.4.1 TKN và TP............................................................................................................... 44
4.4.2 COD (Nhu cầu oxy hóa học) ................................................................................... 46
4.4.3 Tổng Coliform và Fecal Coliform ................................................................................... 47
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 50
5.1 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 50

5.2 KIẾN NGHỊ...................................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 51

vii


PHỤ LỤC................................................................................................................................. 56

viii


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Sản lƣợng lúa ở Việt Nam trong những năm 2005-2011 ............................ 3
Bảng 2.2 Thành phần chính trong rơm rạ, trấu và rơm lúa mì. .................................. 4
Bảng 2.3 Thành phần hóa học của rơm (tính theo vật chất khô)................................ 5
Bảng 2.4 Số lƣợng heo ở Việt Nam trong những năm 2005-2011............................. 8
Bảng 2.5 Mối liên hệ giữa tuổi heo và lƣợng phân phát sinh.................................... 8
Bảng 2.6 Thành phần hóa học trong phân heo ........................................................... 9
Bảng 2.7 Vi khuẩn trong chất thải và thời gian tồn lại............................................ 10
Bảng 2.8 Tỷ lệ C/N của một số loại chất hữu cơ..................................................... 16
Bảng 2.9 Tỷ lệ phân heo/nƣớc và thời gian tồn lƣu của một số hầm ủ ................... 16
Bảng 2.10 Các điều kiện thích hợp đối với quá trình sản xuất biogas .................... 17
Bảng 2.11 Một số kim loại nặng ở dạng hòa tan ảnh hƣởng đến quá trình ủ yếm
khí ............................................................................................................................ 18
Bảng 2.12 Lƣợng nƣớc có trong vật liệu thải .......................................................... 21
Bảng 2.13 Thành phần khí biogas theo các tài liệu khác nhau ............................... 21
Bảng 2.14 Kết quả so sánh năng suất của 4 loại cây trồng .................................... 22
Bảng 3.1 Tính toán khối lƣợng nạp cho thí nghiệm ủ theo mẻ ............................... 27
Bảng 3.2 Các chỉ tiêu xác định ................................................................................ 27
Bảng 4.1 Thành phần của nguyên liệu đầu vào ....................................................... 31

Bảng 4.2 Tỷ lệ phối trộn, VS, C/N đầu vào ............................................................ 32
Bảng 4.3 VS đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức ............................................. 39
Bảng 4.3 Hàm lƣợng Fecal Coliform của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ ............. 48

ix


DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật....................................................... 9
Hình 2.2 Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật ................................................... 12
Hình 2.3 Ba giai đoạn của quá trình ủ yếm khí ..................................................... 13
Hình 3.1 Mô hình bố trí thí nghiệm ủ yếm khí ........................................................ 26
Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm....................................................................................... 26
Hình 4.1 Thể tích khí sinh ra theo ngày của các nghiệm thức ................................ 33
Hình 4.2 Thể tích khí tích dồn trong 45 ngày của các nghiệm thức ...................... 33
Hình 4.3 Thành phần khí CH4 theo ngày ở các nghiệm thức ............................... 34
Hình 4.4 Thể tích khí CH4 tích dồn trong 45 ngày của các nghiệm thức .............. 35
Hình 4.5 Năng suất sinh khí Biogas của các nghiệm thức ...................................... 36
Hình 4.6 Năng suất sinh khí CH4 của các nghiệm thức .......................................... 37
Hình 4.7 Lƣợng VS đã sử dụng trong 45 ngày ở các nghiệm thức ........................ 38
Hình 4.8 Nguyên liệu ủ ở NT3 vào ngày thứ 45 ..................................................... 40
Hình 4.9 Nhiệt độ trong 45 ngày thí nghiệm ........................................................... 41
Hình 4.10 Giá trị pH trong 45 ngày thí nghiệm ..................................................... 42
Hình 4.11 Giá trị độ kiềm trong 45 ngày thí nghiệm .............................................. 43
Hình 4.12 Lƣợng VS đã sử dụng trong 45 ngày ở các nghiệm thức ....................... 44
Hình 4.13 Số lƣợng vi khuẩn yếm khí..................................................................... 45
Hình 4.14 Nồng độ TKN của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ ............................... 46
Hình 4.15 Nồng độ TP của các nghiệm thức sau 45 ngày ủ ................................... 47
Hình 4.16 Nồng độ COD đầu ra của các nghiệm thức ............................................ 48
Hình 4.17 Số lƣợng Tổng Coliform đầu ra của các nghiệm thức ........................... 49

x


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng

BTNMT
C

Carbon

Cac - bon

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hoá hoá học

ĐBSCL

Đồng bằng Sông Cửu Long

GDP

Gross Domestic Product

Tổng sản phẩm quốc gia

N

Nitrogen

Nitơ

QCVN

Qui chuẩn Việt Nam

PH

Phân heo

R

Rơm

Redox

Redox potentials

SubProM

Điện thế oxy hóa khử

Dự án Sản xuất khí sinh học bền
vững từ rơm thải

TKN

Total Kjendah Nitrogen

Tổng Nitơ Ken - dan

TP

Total Phosphorus

Tổng photpho

TS

Total Solids

Tổng chất rắn
Vƣờn – ao – chuồng – biogas

VACB
VS

Volatile Solids

Chất rắn bay hơi

VSV

Vi sinh vật

Xxx

Không rõ năm

xi


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas

CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hầm ủ biogas đã đƣợc triển khai ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) từ rất lâu.
Hiện nay, hầm ủ biogas ngày càng phổ biến về kiểu dáng và chất liệu tạo nhiều cơ
hội cho ngƣời dân lựa chọn loại hầm ủ phù hợp với túi tiền và điều kiện chăn nuôi
(Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2013). Hiệu quả hầm ủ ngày càng đƣợc khẳng định
không chỉ xử lý an toàn chất thải trong chăn nuôi mà còn tạo ra nguồn năng lƣợng
thay thế, chất đốt để nấu ăn và dùng để thắp sáng,… Ngoài ra, chất thải đầu ra của
hệ thống biogas còn là nguồn cung cấp trong chuỗi thức ăn cho cá trong mô hình
VACB (vƣờn – ao – chuồng – biogas). Theo nghiên cứu khảo sát của Nguyễn Võ
Châu Ngân et al. (2013) ở tỉnh Tiền Giang cho thấy 100% hộ dân sử dụng biogas
làm chất đốt cảm thấy hài lòng vì đƣợc giảm chi phí chất đốt, tiết kiệm thời gian thu
nhặt củi và mỗi năm sử dụng tiết kiệm từ 1.700.000 – 2.000.000 đồng cho chi phí
chất đốt.
Trong những năm qua ngành chăn nuôi heo phát triển liên tục tăng với tỷ lệ từ 5 –
12%/năm (Đỗ Thành Nam, 2008). Tuy nhiên, chăn nuôi heo ở vùng ĐBSCL chủ
yếu chăn nuôi heo ở dạng nhỏ lẻ quy mô hộ gia đình (Lê Thị Mến, 2010) và thƣờng
có thói quen giảm số lƣợng heo hoặc ngừng nuôi nếu gặp rủi ro dịch bệnh hoặc giá

heo đầu ra thấp. Điều này dẫn đến việc thiếu hụt hoặc không có nguồn nguyên liệu
cung cấp cho hầm ủ biogas, làm ảnh hƣởng đến hiệu suất hoạt động và hiệu quả
kinh tế của hầm ủ.
Vào năm 2010, ở ĐBSCL với sản lƣợng lúa 23 triệu tấn/năm thì cũng có tƣơng
đƣơng lƣợng rơm ở mức 23 triệu tấn/năm (Nguyễn Bảo Vệ, 2010 trích dẫn của
Nguyễn Hữu Chiếm et al., 2013). Rơm rạ nếu để tự nhiên sẽ phân hủy rất lâu do tỷ
lệ C/N rất cao. Nếu chôn vùi rơm rạ trực tiếp vào đất sẽ gây hiện tƣợng bất động
dinh dƣỡng trong đất hoặc gây ra hiện tƣợng ngộ độc hữu cơ cho cây lúa (Nguyễn
Thành Hối, 2008 trích dẫn của Nguyễn Hữu Chiếm et al., 2013). Ngoài ra, để có đất
sản xuất tăng vụ đa số nông dân thƣờng có tập quán là đốt rơm để chuẩn bị đất cho
vụ mùa tiếp theo. Theo nghiên cứu khảo sát của Nguyễn Hữu Chiếm et al. (2013) ở
một số tỉnh ở ĐBSCL cho thấy vụ Đông Xuân các hộ dân đốt rơm để vệ sinh đồng
ruộng là 97,25%, vụ Hè Thu tỷ lệ đốt rơm giảm xuống còn 89,25% và ở vụ Thu
Đông tỷ lệ đốt rơm giảm xuống thấp nhất là 45,25%. Việc đốt rơm thải ra nhiều
thành phần khí gây hiệu ứng nhà kính. Theo Jefferey Jacobs et al. (1997) nếu đốt 1
tấn rơm thì sẽ thải ra 80 kg khí CO, 4,54 kg Hydrocarbon và 3,18 kg bụi tro các
thành này góp phần gây hiệu ứng nhà kính, gây ô nhiễm môi trƣờng không khí.
Theo Trƣơng Thị Nga et al. (2013) thành phần Carbon trong rơm chuyển hóa vào
khí quyển dƣới dạng khí CO2. Khi 1 kg rơm có ẩm độ từ 12 – 17,1% bị đốt sẽ phát
thải trung bình 0,08 kg CO, 0,62 kg CO2, 0,02 kg CH4. Vào mùa mƣa, ẩm độ của
rơm cũng sẽ tăng và lƣợng khí sinh ra sẽ thay đổi. Nếu ẩm độ tăng lên từ 30,1 –
38,1% cứ 1 kg rơm đốt sẽ phát thải 0,09 kg CO, 0,57 kg CO 2, 0,02 kg CH4. Ẩm độ
của rơm vào mùa mƣa có thể lên đến 50 – 60%, khi đó lƣợng khí phát thải trung
bình khi đốt 1 kg rơm là 0,1 kg CO, 0,46 kg CO2, 0,01 kg CH4.

Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 1

Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
Bên cạnh đó, rơm sau thu hoạch còn đƣợc nông dân thải bỏ xuống các kênh rạch
làm tắt giao thông thủy và làm ô nhiễm môi trƣờng xung quanh. Do vậy, việc
nghiên cứu sử dụng lƣợng rơm rạ thải bỏ là một vấn đề quan trọng, nhằm hạn chế
việc đốt rơm tránh gây lãng phí và hạn chế ô nhiễm môi trƣờng. Ngƣời ta đã sử
dụng rơm rạ cho việc ủ nấm rơm và các loại nấm khác, dùng làm phân bón cho cây
trồng, thức ăn gia súc, nguyên vật liệu cho xây dựng: làm ván ép, làm phụ gia vôi
vữa, xây nhà, làm giấy. Theo nghiên cứu của Ruihong Zhang và Zhiqin Zhang
(1998); Nguyễn Võ Châu Ngân et al. (2012), cho thấy rơm sau thu hoạch có tiềm
năng rất lớn để trở thành nguyên liệu nạp cho hầm ủ biogas… Với các thí nghiệm
của Ruihong Zhang, Zhiqin Zhang (1998) đã sử dụng rơm làm nguyên liệu nạp cho
hầm ủ và kết quả đạt đƣợc là lƣợng khí sinh ra cao hơn 17,5% so với không có bổ
sung rơm làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ. Tuy nhiên, để sử dụng rơm rạ sau thu
hoạch làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ đạt hiệu quả thì phải phối trộn rơm
và phân heo với tỷ lệ thích hợp. Vì theo Nguyễn Văn Thu (2010) tỉ lệ C/N của rơm
khá cao là 40,5, trong khi đó tỷ lệ C/N của phân heo theo F. Straka et al. (xxx) là
khá thấp là 12 – 15. Và tại Việt Nam, vấn đề phối trộn rơm và phân heo làm nguyên
liệu nạp cho hầm ủ chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ.
Từ những vấn đề trên, đề tài “Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến
khả năng sinh khí biogas” đề xuất thực hiện. Đây là một nghiên cứu thuộc khuôn
khổ dự án “Sản xuất khí sinh học bền vững từ rơm thải (SubProM)” do trƣờng
Đại học Cần Thơ và trƣờng Đại học Aarhus - Đan Mạch thực hiện với sự tài trợ của
DANIDA.
1.2 MỤC TIÊU
1.2.1 Mục tiêu tổng quát
Đề tài nhằm đánh giá khả năng sinh khí biogas trong trƣờng hợp ủ yếm khí theo mẻ
với các tỷ lệ phối trộn khác nhau của rơm và phân heo. Kết quả của đề tài giúp hạn
chế việc lãng phí phụ phẩm nông nghiệp, nhất là tận dụng tốt lƣợng rơm sau thu
hoạch ở ĐBSCL để sản xuất khí sinh học có phối trộn với phân heo sử dụng có hiệu

quả các hầm ủ hiện tại; đồng thời, sản xuất nhiên liệu phục vụ các nhu cầu sinh hoạt
của ngƣời dân, cung cấp nguồn phân bón hữu cơ cho canh tác nông nghiệp.
1.2.2 Mục tiêu cụ thể
Xác định đƣợc tỉ lệ phối trộn thích hợp giữa phân heo với rơm dùng làm nguyên
liệu nạp bổ sung cho hầm ủ yếm khí.
Xác định thời gian sinh khí cực đại của các nghiệm thức.

Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 2


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas

CHƢƠNG 2. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 CÂY LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Việt Nam là một đất nƣớc có nền nông nghiệp phát triển, lấy lúa gạo làm căn bản
của nền kinh tế. Hiện nay, nƣớc ta có gần 33 triệu ha đất đai, trong đó có 26 triệu
đất nông nghiệp mà cây lúa chiếm đến 7,6 triệu ha, rừng 16,2 nghìn ha (Tổng cục
thống kê, 2011). Khoảng 73% dân số sống với nghề nông gồm có lúa gạo, bắp, cây
có củ và rễ, hoa màu cây ăn quả, cây công nghệp, chăn nuôi, ngƣ nghiệp và lâm
nghiệp. Năm 2011, nền nông nghiệp đã đóng góp vào GDP cả nƣớc với 22% (Tổng
cục thống kê,, 2012).
Bảng 2.1 Sản lƣợng lúa ở Việt Nam trong những năm 2005 – 2011
(Đơn vị: nghìn tấn)

Năm
Khu vực
2005

2008

2009

2010

2011

19298,5

20669,5

20523,0

21595,6

23186,3

Đồng bằng Sông Hồng

6398,4

6790,2

6796,8

6805,4

6979,2

Trung du và miền núi phía Bắc

2864,6

2903,9

3053,6

3087,8

3225,0

Bắc Trung Bộ và duyên hải miền
Trung

5342,5

6114,9

6243,2

6152,0

6515,6

717,3

935,2

999,1

1042,1

1056,3

1211,6

1316,1

1334,3

1322,7

1362,5

ĐBSCL

Tây Nguyên
Đông Nam Bộ

(Tổng cục thống kê, 2012)
ĐBSCL giữ một vai trò quan trọng trong nền kinh tế nƣớc ta. Mỗi năm ĐBSCL
đóng góp khoảng 36% giá trị xuất khẩu nông nghiệp, trên 50% sản lƣợng lúa, 70%
sản lƣợng trái cây, 65% sản lƣợng thủy sản, 90% sản lƣợng gạo xuất khẩu của cả
nƣớc. (Mai Chi, 2010 trích dẫn của Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012). Theo
nghiên cứu của Nguyễn Hữu Chiếm et al. 2013 thì ƣớc lƣợng nguồn sinh khối rơm
phát sinh ở ĐBSCL năm 2011 vào khoảng 33,5 (28,6 – 40,4) triệu tấn.
2.2 RƠM RẠ VÀ CÁC ỨNG DỤNG
2.2.1 Cấu tạo của rơm

Rơm rạ là nguồn chất hữu cơ khổng lồ, chúng chiếm đến 50% trọng lƣợng của cây
lúa. Theo ngân hàng kiến thức của Viện Nghiên cứu lúa Thế Giới (IRRI, trích dẫn
của Nguyến Tấn Thanh, Phan Thành Thái, 2012), rơm rạ có một số đặc tính sau:
năng suất rơm dao động từ 2 tấn/ha đến hơn 8 tấn/ha tùy thuộc vào giống lúa, năng
suất lúa và phƣơng pháp thu hoạch (cắt gần gốc sẽ cho nhiều rơm hơn). Tổng lƣợng
Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 3


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
rơm sau thu hoạch có tỷ lệ tƣơng ứng với năng suất lúa. Tỷ lệ rơm lúa thƣờng trong
khoảng 0,8:1 – 1,2:1. Chiều dài của cọng rơm dao động từ 30 – 120 cm tùy thuộc
vào giống lúa, phƣơng pháp thu hoạch (Ngô Thị Thanh Trúc, 2005, trích dẫn của
Nguyến Tấn Thanh, Phan Thành Thái, 2012).
Rơm lúa có hàm lƣợng tro khoảng 10 – 17% và hàm lƣợng Silic cao trong tro SiO2
là 75% trong rơm (Zevenhoven 2000, trích dẫn của Butchaiah Gadde et al., xxx).
Rơm chủ yếu chứa Cellulose 32 – 47%, 19 – 27% Hemicelluloses và Lignin 5 –
24%, tro 18,8%. Các pentoses chiếm ƣu thế trong Hemicelluloses mà Xylose là
quan trọng nhất. Các Carbohydrate rơm rạ liên quan đến đƣờng 41 – 43,4%, Xylose
14,8 – 20,2%, Arabinose 2,7 – 4,5%, Mannose 1,8% và Galactose 0,4% còn lại là
Arabinose và Hexoses (Maiorella, 1985; Roberto et al., 2003 trích dẫn của Nutawan
Yoswathana et al., 2010). Tuy nhiên, chất lƣợng rơm thay đổi đáng kể trong mùa
cũng nhƣ trong khu vực khác nhau (Butchaiah Gadde et al., xxx)
Bảng 2.2 Thành phần chính trong rơm rạ, trấu và rơm lúa mì.
Đơn vị

Rơm rạ

Trấu

Rơm lúa mì

Carbon (*)

%

15,86

16,22

17,71

VSS(*)

%

65,47

65,52

75,27

Tro(*)

%

18,67

20,26

7,02

SiO2 (**)

%

76,67

91,42

55,32

CaO (**)

%

3,01

3,21

6,14

MgO (**)

%

1,75

<0,01

1,06

Na2O (**)

%

0,96

0,21

1,71

K2O (**)

%

12,30

3,71

25,60

Thành phần

(Jenkins et al., 1998 trích dẫn của Butchaiah Gadde et al, xxx.)
Ghi chú:
(*): Phân tích tƣơng đƣơng (% nhiên liệu khô)
(**): Thành phần của tro (%)

Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 4


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
Bảng 2.3 Thành phần hóa học của rơm (tính theo vật chất khô)
Đơn vị

Phần trăm

Nitơ

%

0,46

Photpho

%

0,09

Kali

%

1,58

Canxi

%

0,24

Clo

%

0,87

Magie

%

0,21

Lƣu Huỳnh

%

0,03

Natri

%

0,02

Carbon

%

34,81

Thành phần

(Ruihong Zhang, Zhiqin Zhang, 1997)
2.2.2 Ứng dụng của rơm
- Ủ nấm
Nấm rơm có thể nuôi trồng trên nhiều loại nguyên liệu khác nhau nhƣ rơm rạ, lục
bình, bẹ chuối khô, gòn, mạt cƣa, xác mía,… nhƣng phổ biến và truyền thống là
rơm. Sau khi thu hoạch lúa, một số ngƣời dân sử dụng rơm để sản xuất nấm. Hiện
nay với khoảng 100.000 tấn nấm nguyên liệu đƣợc sản xuất hàng năm, Việt Nam
đang đứng thứ ba trên thế giới về xuất khẩu nấm các loại. Ƣớc tính vùng ĐBSCL
mỗi năm cần khoảng 5 triệu tấn rơm để sản xuất nấm. Rơm sau ủ ấm thƣờng đƣợc
ngƣời dân rải trên mặt ruộng nhƣ nguồn phân bón, ngăn mƣa làm dẽ đất và không
cho cỏ mọc lên (Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012).
- Làm phân tại ruộng
Ở Việt Nam nguồn rơm rạ đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp sinh học nhờ vào các VSV
có sẵn trong phế thải và VSV thuần chủng bổ sung để giảm đáng kể sự ô nhiễm môi
trƣờng và đáp ứng nhu cầu về phân bón hữu cơ sinh học. Trong điều kiện sản xuất
lúa ở ĐBSCL, có thể sử dụng rơm rạ tại chỗ để ủ hoai mục với nấm Trichoderma
bón liên tục hai vụ lúa để góp phần cải thiện sinh trƣởng và nâng cao năng suất lúa,
đặc biệt áp dụng cho vùng lúa thâm canh sản xuất lúa ba vụ/năm. Đây là một trong
những biện pháp canh tác dễ thực hiện cho ngƣời nông dân vì không đòi hỏi kỹ
thuật cao, nơi luôn có lao động nông nhàn và nguồn nguyên liệu rơm rạ lớn, nhằm
cải tạo lý hóa tính để gia tăng lƣợng dinh dƣỡng hữu dụng trong đất lúa, giảm dần

đầu tƣ phân hóa học, hạn chế ô nhiễm môi trƣờng, giảm giá thành nhằm gia tăng lợi
nhuận và chất lƣợng gạo trong sản xuất lúa nhằm tạo môi trƣờng sản xuất lúa bền
vững (Nguyễn Bảo Vệ et al., 2002 trích dẫn của Nguyễn Phƣớc Lợi và Trần Thị
Thái Lai, 2013). Tuy nhiên, phƣơng pháp này có những hạn chế lớn nhƣ việc nuôi
Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 5


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
cấy vi khuẩn gặp nhiều khó khăn, phƣơng tiện, thiết bị và qui trình phức tạp nên cho
tới nay vẫn chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi trong thực tiễn.
Theo Tran Quang Tuyen và Pham Sy Tan (2001) trích dẫn của Trần Thị Mil et al.
(2012), bón rơm rạ đã hoai mục sau khi thu hoạch nấm rơm giúp tăng năng suất lúa,
đồng thời góp phần tăng hàm lƣợng N và P trong đất. Bón phân cho lúa hoàn toàn
bằng phân hữu cơ rơm rạ ủ với nấm Trichoderma sp. năng suất lúa vẫn tăng đáng kể
so với đối chứng không bón phân (Phạm Thị Phấn et al., 2001; Luu Hong Man et
al., 2005, trích dẫn của Trần Thị Mil et al., 2012). Kết quả sử dụng phân rơm hữu cơ
phân hủy bởi nấm Trichoderma sp. và phân sinh học kết hợp N hóa học ở mức 25
kg N/ha cho thấy năng suất lúa gia tăng, các vi sinh vật có lợi trong đất, chất hữu
cơ, N, P và K hữu dụng đều tăng rõ rệt (Tran Thi Ngoc Son et al., 2008, trích dẫn
của Trần Thị Mil et al., 2012).
- Thức ăn cho gia súc
Rơm lúa thƣờng đƣợc nông dân phơi khô và trữ lại cho gia súc ăn. Tuy nhiên, cách
truyền thống này lƣợng chất dinh dƣỡng mất đi rất nhiều. Rơm lúa tƣơi ngay sau khi
thu hoạch đƣợc ủ chua và kiềm hoá (sử dụng urê) sẽ giữ đƣợc trữ lại lâu hơn và giữ
lại chất dinh dƣỡng. Trƣớc khi ủ, rơm lúa tƣơi đƣợc băm nhỏ tới kích thƣớc từ 1 –
3 cm rồi trộn đều với các chất bổ sung. Kết quả cho thấy: Kiềm hoá rơm tƣơi bằng
1,5% urê có thể bảo quản đƣợc rơm không bị mốc, không bị tổn thất chất hữu cơ,

làm tăng hàm lƣợng protein thô, tăng khả năng phân giải của rơm ở dạ cỏ bò ăn
đƣợc nhiều rơm hơn và cho tăng trọng cao hơn rõ rệt so với cho ăn rơm khô không
xử lý urê (Nguyễn Xuân Trạch, Bùi Quang Tuấn, Mai Thị Thơm, Nguyễn Thị Tú,
2006).
- Làm giấy
Ngày nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng gỗ và 1 phần nhỏ là tre, nứa để sản xuất giấy và
bột giấy. Tuy nhiên, từ những thế kỷ trƣớc, ngƣời Trung Quốc đã làm ra khăn tay từ
giấy và họ đã làm ra giấy vệ sinh từ rơm rạ. Rơm có thể đƣợc sử dụng làm bao bì có
tính chất cơ lý cao theo phƣơng pháp hoá cơ. Kết quả thực nghiệm của Đặng Thị
Thanh Bình et al. cho thấy, sử dụng phƣơng pháp nấu soda sẽ cho chất lƣợng bột tốt
hơn phƣơng pháp sulfit.
- Sản xuất điện và nhiệt
Nguồn nguyên nhiên liệu hoá thạch: than, dầu mỏ, khí đốt và thế năng đƣợc sử dụng
để sản xuất ra nhiệt và điện (có thêm thuỷ điện). Theo Ph.D Robert Bakker (2009),
rơm có tiềm năng rất lớn về sản xuất điện và nhiệt với nhiều nghệ hiện nay. Tuy
nhiên, vấn đề sản xuất trên gặp nhiều thách thức lớn do cấu trúc của rơm, tổ chức
thu gom và chi phí sản xuất.
- Sản xuất etanol
Ethanol từ nguồn tài nguyên tái tạo đã đƣợc các quan tâm trong thập kỷ gần đây. Nó
đƣợc xem nhƣ một nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch hiện nay. Quá trình
lên men ethanol không tạo ra khi gây hiệu ứng hiệu ứng nhà kính. Ở Việt Nam, sắn
là nguyên liệu chính để sản xuất ra etanol. Tuy nhiên, theo Nutawan Yoswathana et
al. (2010), cũng có khả năng sản xuất nhiên liệu sinh học. Hàng năm, rơm rạ có khả
Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 6


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas

năng sản xuất 205 tỷ lít ethanol, chiếm khoảng 5% tổng số năng lƣợng tiêu thụ. Đây
là số tiền lớn nhất từ một đơn nguyên liệu sinh khối.
- Ủ biogas
Ngoài nguyên liệu nạp chính cho hầm ủ là chất thải từ chăn nuôi heo, một số hầm ủ
còn có thể nạp thêm thực vật: lục bình, rơm rạ,… Rơm rạ đƣợc nạp vào các hầm
biogas, nhờ sự phân hủy và tổng hợp của các VSV toàn bộ chất hữu cơ trong rơm rạ
sẽ biến thành khí đốt (chủ yếu là khí methane) dùng để đun nấu, thắp sáng,… Đầu
ra của hầm biogas là nguồn phân bón rất tốt và sạch, có thể dùng để đƣa vào các ao
nuôi thủy sản để tăng năng suất vật nuôi (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia
Lƣợng, 2010 trích dẫn của Nguyễn Phƣớc Lợi, 2013).
Tuy nhiên, rơm rạ sau thu hoạch thƣờng đƣợc nông dân đốt tại ruộng hoặc thải bỏ
trực tiếp xuống kênh rạch. Quá trình đốt rơm rạ này làm phát thải khí làm ô nhiễm
môi trƣờng. Rơm rạ đƣợc thải bỏ xuống kêch rạch làm ô nhiễm môi trƣờng nƣớc và
gây cản trở giao thông thuỷ.
2.3 CHĂN NUÔI HEO Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Ngành chăn nuôi bao gồm chăn nuôi trâu, bò, heo và gia cầm. Năm 2012, ngành
chăn nuôi chiếm 26,8% trong cơ cấu giá trị sản xuất trong nông nghiệp. Ngành chăn
nuôi của ĐBSCL có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển mạnh và ngành chăn
nuôi heo đƣợc phổ biến rộng rãi. ĐBSCL là vùng trọng điểm về sản xuất nông
nghiệp của cả nƣớc nên nguồn thức ăn cho chăn nuôi là khá đa dạng và ngƣời dân
có nhiều kinh nghiệm trong chăn nuôi, đồng thời rất nhạy bén và mạnh dạn tiếp thu
khoa học – kỹ thuật. Chính vì điều này đã tạo thế mạnh cho chăn nuôi heo phát
triển bên cạnh việc phát triển chăn nuôi thủy cầm và đại gia súc (Lê Thị Mến,
2010). Tuy nhiên, những năm gần đây số lƣợng heo đã giảm rõ rệt do dịch bệnh và
giá cả không ổn định.

Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 7

Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
Bảng 2.4 Số lƣợng heo ở Việt Nam trong những năm 2005 – 2011
(Đơn vị: nghìn con)
Năm
Khu vực

2005

2008

2009

2010

2011

Cả nƣớc

27435,0

26701,6

27627,6

27373,3

27056,0

ĐBSCL

3828,6

3630,1

3730,8

3798,9

3772,5

Đồng bằng Sông Hồng

7795,5

7334,2

7444,0

7301,0

7092,2

Trung du và miền núi phía Bắc

5446,4

5927,4

6317,2

6602,1

6424,9

Bắc Trung Bộ và duyên hải
miền Trung

6526,4

5880,0

5888,0

5552,9

5253,3

Tây Nguyên

1590,5

1557,2

1636,0

1633,1

1711,7

Đông Nam Bộ

2247,6

2372,7

2611,6

2485,3

2801,4

(Tổng Cục Thống Kê, 2012)
Trong quá trình chăn nuôi thƣờng phát sinh ra chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng. Ở
mỗi độ tuổi của heo sẽ có lƣợng chất thải khác nhau. Tùy theo tuổi heo mà lƣợng
chất thải phát sinh nhiều hay ít.
Bảng 2.5 Mối liên hệ giữa tuổi heo và lƣợng phân phát sinh
Trọng lƣợng heo (kg)

Thời gian nuôi (tuần)

Lƣợng phân (L/con)

5 – 10

3–6

1,1

10 – 25

6–9

2,3

25 – 35

9 – 12

3,4

35 – 60

12 – 16

5,1

60 – 80

16 – 20

7,4

80 – 90

20 – 22

9,1

20 – 90

8 – 22

5,1
(B.S. West và J.E. Turnbull, xxx)

Thành phần trong phân heo: Trong phân heo thƣờng có chứa 94 – 97% nƣớc. Nói
chung, phân heo đƣợc xếp vào loại phân lỏng hoặc hơi lỏng (N.K. Patni và R.G.
Kinsman, 1997).
Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 8


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
Bảng 2.6 Thành phần hóa học trong phân heo
Đơn vị

Tỷ lệ

Natri

%

0,1

Carbon

%

41,3*

Kali

%

0,28

Canxi

%

1,8

Magie

%

1,88

Photpho

%

2,16

Nitơ

%

1,99

Thành phần

(Odedina et al., 2011;(*) Trần Đại Lợi và Tô Trọng Khang, 2013)
Trong phân heo chứa nhiều loại vi khuẩn, vi trùng, vi rút, ký sinh trùng bao gồm vi
khuẩn Bacillus anthracis, Brucella spp., Campylobacter spp., Chlamydia spp.,
Escherichia coli, Leptospira spp., Listeria monocytogenes, Mycobacterium spp.,
Salmonella spp., và Yersinia spp. Những tác nhân gây bệnh có thể đƣợc truyền trực
tiếp hoặc thông qua tiếp xúc với phân hoặc gián tiếp thông qua các môi trƣờng
(Strauch và Ballarini, 1994; Pell, 1997, trích dẫn bởi C. J. Ziemer et al., 2010). Các
tác nhân gây bệnh thƣờng là Salmonella, E. coli, Campylobacter, Listeria, và
Enterococcus (C. J. Ziemer et al., 2010).
Sự phát triển của vi sinh vật có 4 pha: Pha lag, pha log, pha ổn định và pha chết

Hình 2.1 Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật
- Pha lag (pha chậm): Đây là giai đoạn tế bào thích nghi với môi trƣờng mới, tế bào
tăng kích thƣớc và trọng lƣợng rõ rệt do quá trình tổng hợp các chất, trƣớc hết là các
cao phân tử (protein, enzim, axit nucleic..). Trong pha này vi sinh vật không phân
chia. Thời gian của pha này phụ thuộc vào tuổi, giống vi khuẩn, thành phần môi
trƣờng, khả năng chịu đựng các yếu tố vật lý, hóa học,…
Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 9


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas

- Pha log (pha tăng trƣởng): Ở pha này, tốc độ trao đổi chất và sinh trƣởng chỉ bị
giới hạn do khả năng sử dụng cơ chất của vi sinh vật. Vì luôn luôn có thức ăn dƣ
thừa xung quanh tế bào vi sinh vật và sinh vật đã thích nghi với môi trƣờng mới. Số
lƣợng tế bào sẽ tăng theo số mũ trong pha log. Tốc độ tăng trƣởng số mũ phụ thuộc
vào loại vi sinh vật và điều kiện tăng trƣởng (nhiệt độ, thành phần tăng trƣởng). Pha
này đƣợc biểu thị nhƣ một cấp số nhân, nó tăng theo phƣơng trình: B1 = B0.2n
- Pha ổn định (pha cân bằng): Trong pha này tốc độ sinh trƣởng của vi sinh vật giảm
dần do sự thiếu hụt chất dinh dƣỡng và chất nhận điện tử, cùng với sự sản sinh và
tích tụ các sản phẩm trao đổi chất độc hại. Các sản phẩm trao đổi chất bậc hai cũng
đƣợc tạo ra trong giai đoạn này (nhƣ một số enzim, chất kháng sinh). Trong pha này
số lƣợng tế bào mới sinh ra sẽ bằng số tế bào chết đi. Do đó có sự cân bằng quần thể
trong pha này.
- Pha chết: Đây là giai đoạn tốc độ sinh trƣởng của tế bào sẽ giảm khi nồng độ chất
dinh dƣỡng tối thiểu. Ở pha này, tốc độ chết ( tốc độ phân hủy) của tế bào lớn hơn
tốc độ sinh trƣởng. Khi vi sinh vật đòi hỏi chất dinh dƣỡng nhiều hơn, chúng phải
phân hủy chính nguyên sinh chất của chúng cùng với sự giảm dần nồng độ chất dinh
dƣỡng trong dung dịch. Khi sinh khối vi sinh vật giảm, tốc độ trao đổi chất cũng
giảm. Trong pha này hiện tƣợng tế bào chết xảy ra cùng lúc với tế bào bị tự phân
hủy (Đỗ Hồng Lan Chi – Lâm Minh Triết, 2005).
Bảng 2.7 Vi khuẩn trong chất thải và thời gian tồn lại
Tỷ lệ (%)

Thời gian tồn tại (ngày)

Chất thải
từ heo

Chất thải
tập trung

Thực vật

Đất

Nƣớc

7,9 – 100

5,2 – 22

16 – 63

16 – 120

35 – 147

0 – 22

15,5 – 24

16 – 63

16 – 99

90

13,5 – 73,9

10,3

16 – 63

8 – > 32

2 – > 60

Yersinia
enterocolitica

0 – 65,4

0

Không xác
định

10

6 – 448

Listeria

16 – 19,8

0 – 19

42 – 128

<= 120

7 – 56

Vi khuẩn
Salmonella
Enteropathogenic
Escherichia coli
Campylobacter

(Jones et al. (1976), Van Renterghem et al. (1991), Lund (1996), Guan and Holley
(2003), Brandl et al. (2004), Bhaduri et al. (2005), Cote and Quessy (2005), Gutler
et al. (2005), Hutchison et al. (2005), Nicholson et al. (2005), Rostagno et al.
(2005), USDA (2005), và Bhaduri and Wesley (2006), trích dẫn của C. J. Ziemer et
al., (2010))
2.4 NGUYÊN LIỆU HẦM Ủ BIOGAS
Những thập niên trƣớc đây, để hạn chế chất thải từ chăn nuôi heo làm ảnh hƣởng
đến môi trƣờng xung quanh, nhất là môi trƣờng nƣớc. Ngƣời ta đã xây dựng các
hầm ủ nhằm sử dụng chất thải từ chăn nuôi heo để sản xuất khí biogas phục vụ cho
các nhu cầu năng lƣợng trong nhà nhƣ thắp sáng, nấu ăn,… Từ nguyên liệu nạp ban
Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 10


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
đầu là phân heo, các nghiên cứu sau này tìm thêm các nguyên liệu có thể sản xuất
khí biogas.
Ngoài sử dụng phân heo là nguyên liệu nạp, các phụ phẩm trong nông nghiệp: thân
bắp, rơm lúa, rơm lúa mì và lục bình kết hợp với phân heo có thể cải thiện năng suất
sinh gas từ 10 – 80% (Nguyễn Văn Thu, 2010).

Theo nguyên cứu của Cathryn O’Sullivan et al. (2010) cho thấy lục bình, Cabomba
(Cabomba Caroliniana) và salvinia (Salvinia molesta) có khả năng sinh khí CH4 và
sinh khí tốt là lục bình và cabomba. Và theo nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân
et al., (2012) đã tiến hành thí nghiệm với lục bình để làm nguyên liệu nạp cho hầm
ủ biogas. Kết quả thí nghiệm sau 4 tuần đã cho thấy lục bình hoàn toàn có thể sử
dụng làm nguyên liệu bổ sung, hoặc thậm chí thay thế cho phân heo để nạp vào hầm
ủ biogas trong điều kiện thực tế ở ĐBSCL.
Bên cạnh đó, vỏ mì phối trộn với phân bò, phân heo và phân gia cầm cũng có khả
năng sinh khí tốt. Trong đó, hỗn hợp vỏ mì và phân heo sinh ra lƣợng khí rất lớn.
Tuy nhiên để biết tỷ lệ phối trộn hợp lý để có lƣợng khí sinh ra tốt nhất của hỗn hợp
vỏ mì và phân heo, cần nghiên cứu với các tỷ lệ phối trộn khác nhau (A. U.
Ofoefule and E. O. Uzodinma, 2009).
Rơm rạ có tiềm năng rất lớn để sản xuất khí sinh học. Theo nghiên cứu của Ruihong
Zhang, Zhiqin Zhang (1998) cho thấy rơm rạ có khả năng sinh khí sinh học khi sử
dụng một hệ thống yếm khí. Rơm rạ hoặc rơm lúa mì đã đƣợc làm thức ăn cho gia
súc, sản xuất khí đốt hàng ngày tăng 176 – 331 l/kg tổng chất rắn 100% rơm lúa,
gạo và 194 l/kg tổng chất rắn với 40% rơm lúa mì. Ngoài ra, các phụ phẩm nông
nghiệp nhƣ rơm rạ cũng đƣợc cắt nhỏ cho phân hủy sinh học để thu khí biogas (D.
Somayaji và S. Khana, 1994). Cũng nghiên cứu về rơm, Nguyễn Võ Châu Ngân et
al. (2012), đã làm thí nghiệm rơm sau ủ nấm để làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ. Kết
quả cho thấy rơm sau ủ nấm vẫn có thể là nguồn nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ
biogas. Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn thực vật cho nghiên cứu sinh gas vẫn
còn hạn chế ở ĐBSCL.
2.5 QUÁ TRÌNH LÊN MEN YẾM KHÍ
2.5.1 Cơ chế của quá trình lên men yếm khí
a. Quá trình phát triển của vi khuẩn yếm khí
Quá trình lên mem yếm khí chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí là một quá
trình diễn ra phức tạp và trong quá trình này có rất nhiều phản ứng xảy ra, cuối cùng
tạo ra khí CH4, CO2 và một số chất khác. Quá trình này đƣợc thực hiện dƣới tác
dụng của vi sinh vật yếm khí đã phân hủy từ những chất hữu cơ dạng phức tạp

chuyển thành dạng đơn giản, một lƣợng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hòa
tan, chất trung gian và mỗi phản ứng sẽ đƣợc xúc tác bởi một enzyme hay chất xúc
tác.

Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 11


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas
Phƣơng trình chuyển hóa chất hữu cơ đã dƣợc đơn giản hóa nhƣ sau:
Chất hữu cơ

Lên men yếm khí

CH4 + CO2 + H2 + H2S + Q

Vi sinh vật (VSV) hấp thu thức ăn trong môi trƣờng để tăng trƣởng. Sự tăng trƣởng
của một tế bào VSV là sự gia tăng về số lƣợng các cấu tử trong tế bào gia tăng kích
thƣớc và trọng lƣợng. Đến cuối giai đoạn tăng trƣởng thì tế bào phân cắt cho ra tế
bào con. Quá trình sinh học xảy ra trong lên men methane là quá trình phát triển các
VSV yếm khí và các quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ thành các chất khí,
trong đó đó khí methane chiếm tỷ lệ rất lớn.
Quá trình này đƣợc chia làm hai giai đoạn
- Giai đoạn 1: Là sự phát triển hỗn hợp rất nhiều loài VSV có trong chất thải, pha
này kéo dài khoảng hai ngày. Trong dịch lên men ta thấy có sự phát triển của vi
khuẩn yếm khí, vi khuẩn hiếu khí và cả vi khuẩn yếm khí tùy nghi.
Thời gian đầu có phát triển cả vi khuẩn hiếu khí vì trong dịch lên men chất thải còn
tồn tại một lƣợng oxy hòa tan nhất định, các loài vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy hòa

tan này để tăng số lƣợng. Khi lƣợng oxy hết dần, lƣợng vi khuẩn hiếu khí giảm dần
và chết hết khi quá trình tạo methane xuất hiện.

2

10

15

Hình 2.2 Sự phát triển của vi sinh vật trong lên men methane
(Mc.

Carty, 1981 trích dẫn bởi Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009)

- Giai đoạn 2: Trong giai đoạn này thấy có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn
thủy phân các chất hữu cơ và các vi khuẩn tạo acid. Giữa hai giai đoạn này có sự
phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn sinh methane. Đây là loài vi khuẩn chiếm số
lƣợng nhiều nhất và đóng vai trò quan trọng nhất của quá trình lên men methane.
b. Quá trình phản ứng sinh hóa
Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ đƣợc chia làm 3 giai đoạn:
 Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử
 Tạo nên các acid hữu cơ trong đó chủ yếu là acid acetates
 Tạo khí methane
Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 12


Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn rơm và phân heo đến khả năng sinh khí biogas

4%

H2

28%

24%

Chất hữu cơ
cao phân tử

76%

CH 4

Axit
Acid

hữu
cơ
hữu cơ
52%

AxitAcid
axetic
20%

72%

acetates

Giai đoạn 1
Thủy phân

Giai đoạn 2
Giai đoạn 3
Tạo acid
Tạo methane
Hình 2.3 Ba giai đoạn của quá trình ủ yếm khí
(Mc. Carty, 1981 trích dẫn bởi Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009)



Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân và lên men

Các chất hữu cơ trong nƣớc thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử nhƣ
protein, chất béo, carbohydrates, cellulose, lignin. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ
cao phân tử bị phân hủy bởi các enzyme ngoại bào (sản sinh bởi các vi khuẩn). Sản
phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ, hòa tan đƣợc sẽ làm
nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn 2.
Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi các protein thành các amino
acid, carbohydrates thành các đƣờng đơn, chất béo thành các acid béo chuỗi dài.
Tuy nhiên, các chất hữu cơ nhƣ là cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất
hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí. Bởi vì lúc đó
các vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3.
Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm và các
yếu tố môi trƣờng nhƣ là pH và nhiệt độ.
 Giai đoạn 2: giai đoạn sinh acid
Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ đƣợc chuyển hóa thành acid
acetates, H2 và CO2 bởi vi khuẩn acetogenic. Tỉ lệ của các sản phẩm này tùy thuộc

vào hệ VSV trong hầm ủ và các điều kiện môi trƣờng.
 Giai đoạn 3: giai đoạn sinh khí methane
Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ đƣợc chuyển đổi thành methane và các sản phẩm
khác bởi nhóm vi khuẩn methane. Vi khuẩn methane là những vi khuẩn yếm khí bắt
buộc có tốc độ sinh trƣởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Các
vi khuẩn methane sử dụng acid acetates, methanol, CO2 và H2 để sản xuất methane
trong đó acid acetates là nguyên liệu chính với từ 70% methane đƣợc sản sinh ra từ
nó. Phần methane còn lại đƣợc sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ acid formic nhƣng
phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lƣợng ít trong quá trình ủ
yếm khí.

Dƣơng Thị Bích Duyên 1100877
Nguyễn Thị Thu Ngân 1100915

Trang 13