Khảo sát khả năng sinh khí metan (ch4) từ phân heo và lục bình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN HỮU PHONG

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SINH KHÍ METAN (CH4)
TỪ PHÂN HEO VÀ LỤC BÌNH
Chun ngành: Cơng Nghệ Mơi Trƣờng
Mã số: 608506

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Đặng Vũ Bích Hạnh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Đinh Xuân Thắng

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Tiến Khôi
Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày
25 tháng 08 năm 2012.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.

5.

PGS.TS. Lê Thanh Hải (Chủ tịch)
TS. Mai Tuấn Anh (Thƣ ký)
PGS.TS. Đinh Xuân Thắng (Phản biện 1)
TS. Trần Tiến Khơi (Phản biện 2)
TS. Đặng Vũ Bích Hạnh (Uỷ viên)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
----------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU PHONG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 13/12/1985

Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trƣờng

MSHV: 10250529

I. TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát khả năng sinh khí metan (CH4) từ phân heo và lục bình.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Khảo sát khả năng sinh khí metan của việc phối trộn phân heo và lục bình trong điều
kiện lên men yếm khí nạp theo mẻ và nạp bán liên tục. Kết quả nghiên cứu nhằm xác
định:
-

Khả năng sinh khí metan với các phƣơng pháp xử lý lục bình khác nhau trƣớc khi
nạp.

-

Khả năng sinh khí metan với các tỷ lệ phối trộn giữa phân heo và lục bình khác
nhau.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/07/2011
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/12/2011
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Đặng Vũ Bích Hạnh
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2011
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô, bạn bè và các tổ chức đã giúp
đỡ tơi hồn thành nghiên cứu này.
- Xin chân cảm ơn tập thể Thầy Cô Khoa Môi trƣờng – Đại học Bách khoa –
Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh, là những ngƣời đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức
trong thời gian tôi theo học tại trƣờng.
- TS. Đặng Vũ Bích Hạnh, PGS.TS. Nguyễn Phƣớc Dân - Khoa Môi Trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM và TSKH. Đỗ Ngọc Quỳnh - Cố Vấn Kỹ Thuật - Dự án
VIE/020 – Bèo Lục Bình đã tận tình hƣớng dẫn và cho những góp ý chân thành.
- TS. Nguyễn Võ Châu Ngân, Ths. Lê Hồng Việt, TS. Trần Trung Tính và
các cộng sự – Đại học Cần Thơ đã giúp tôi hoàn thành luận văn và các bài báo khoa
học.
- Ban quản lý Dự án VIE/020 – Bèo Lục Bình đã tạo điều kiện cho tơi lắp đặt
mơ hình và hồn thành nghiên cứu.
- Các bạn, đồng nghiệp và anh chị em cơng nhân viên Dự án VIE/020 – Bèo
Lục Bình đã giúp đỡ tơi hồn thành nghiên cứu.
- Ba, mẹ, anh em trong gia đình đã cổ vũ và ủng hộ tôi trong suốt thời gian
qua.
Trân trọng cảm ơn!
Tp.HCM, ngày 30 tháng 07 năm 2012

Nguyễn Hữu Phong


TÓM TẮT
Trong những thập niên qua, hầm ủ biogas đã đƣợc ứng dụng trong xử lý nƣớc
thải chăn nuôi heo, sản xuất biogas và mang lại nhiều lợi khác trong nông nghiệp.
Nhƣng ở đồng bằng sông Cửu Long, do tập quán chăn nuôi nhỏ lẻ nên nguồn phân
heo không đảm bảo ln ln có sẵn nạp vào hầm ủ biogas. Do đó, cần tìm ngun

liệu bổ sung và thay thế phân heo để duy trì hoạt động và kích thích nhu cầu sử dụng
hầm ủ biogas. Lục bình là một lồi thực vật phổ biến ở đồng bằng sơng Cửu Long đã
đƣợc chọn cho mục đích này.
Mục tiêu nghiên cứu là xác định ảnh hƣởng của các phƣơng pháp xử lý lục bình
và tỷ lệ phối trộn trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ và bán liên tục đến khả năng sinh
khí metan. Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên mơ hình túi nhựa 50 lít với 2 thí nghiệm:
nạp theo mẻ và nạp bán liên tục. Nguyên liệu phân heo (PH) và lục bình (LB) đƣợc
phơi khơ, cắt hoặc nghiền nhỏ nhằm tạo mẫu đồng nhất.
- Thí nghiệm nạp theo mẻ đƣợc tiến hành với 3 cách xử lý lục bình khác nhau
(C1: lấy nƣớc lục bình sau thuỷ phân 2 ngày, C2: nƣớc và bã lục bình sau thuỷ phân 2
ngày, C3: nƣớc và bã lục bình giã dập sau thuỷ phân 2 ngày) và 5 tỉ lệ phối trộn (%PH
+ %LB: 100+ 0, 75 + 25, 50 + 50, 25 + 75, 0 + 100).
- Thí nghiệm nạp bán liên tục tiến hành với tỉ lệ phối trộn 75%PH+ 25%LB và 2
cách xử lý lục bình C1 và C2.
Lƣợng biogas sản sinh đƣợc đo đạt liên tục theo thời gian (ngày). Chỉ tiêu các khí
trong biogas gồm CH4, CO2, O2 và H2S và các chỉ tiêu nƣớc thải gồm pH, hệ đệm
đƣợc đo đạt phân tích mỗi 7 ngày. Sau 35 ngày thí nghiệm, kết quả cho thấy:
- Với thí nghiệm nạp theo mẻ, năng suất metan thu đƣợc theo các cách xử lý lục
bình nhƣ sau: C2 > C3 > C1. Theo cách xử lý lục bình C2, năng suất metan tăng dần
theo %LB phối trộn tăng dần. Tổng sản lƣợng metan tính trên 1 kg vật chất khô hữu cơ
(ODM) nguyên liệu nạp đầu vào cao nhất ở nghiệm thức 50%PH + 50%LB, thứ hai là
nghiệm thức 100%LB. Các nghiệm thức 100%PH, 75%PH+25%LB, 50%PH+50%LB,


25%PH+75%LB, 100%LB có năng suất metan lần lƣợt là 122, 148, 177, 152, 171
L/kg ODM và thành phần metan trong biogas (%CH4) tính trung bình từ tuần 2 đến
tuần 5 lần lƣợt là 61,06%, 60,41%, 58,39%, 57,84%, 55,58%. Lục bình xử lý theo C3
cho năng suất thấp và tốn nhiều công hơn C2 nên không phù hợp khi áp dụng thực tế.
Theo cách xử lý lục bình C1, năng suất sinh metan giảm dần theo %LB tăng dần, thấp
nhất ở nghiệm thức 100%LB và chỉ bằng 2,3% so với C2. Tuy nhiên, thành phần

%CH4 theo cách xử lý C1 luôn cao hơn C2.
- Với thí nghiệm nạp bán liên tục, năng suất sinh khí theo cách xử lý lục bình C2
cao hơn 1,6 lần so với C1 nhƣng thành phần metan trong biogas (%CH4) của nghiệm
thức theo C2 thấp hơn C1. Sau 35 ngày thí nghiệm, năng suất metan của nghiệm thức
theo C1 là 66 L/kg ODM và C2 là 107 L/kg ODM.
Các kết quả nghiên cứu khẳng định rằng các nơng dân ở đồng bằng sơng Cửu
Long có thể sử dụng lục bình làm nguồn nguyên liệu bổ sung vào hầm ủ biogas khi
thiếu nguồn phân heo.


ABSTRACT
In the last decade, biogas has been used in swine wastewater treatment, biogas
production and provide many other benefits in agriculture. In the Mekong Delta, most
farm households in the Mekong Delta have small-scale piggeries so the supply of pig
manure for operation the anaerobic digesters is not always available. Therefore, to
stimulate the application and operation of anaerobic digesters, there is a need to find
supplemental inputs to pig manure to help maintain the operation of the digesters.
Water hyacinth is a common plant species in the Mekong Delta have been selected for
this purpose.
The research objective was to determine the effects of treatment and the rate of
water hyacinth mixed in culture conditions in batch and semi-continuous methane on
performance. The study was conducted on 50 liter plastic bags model with two
experiments: batch loaded and loaded semi-continuous. Pig manure (PM) and water
hyacinth (WH) are dried, cut or crushed to produce homogeneous samples.
- Load the batch experiment was conducted with three different types of WH
(C1: WH juice after 2 days of hydrolysis, C2: WH juice after 2 days of hydrolysis +
chopped WH, C3: WH juice after 2 days of hydrolysis + crushed WH) and 5 mixing
ratio (% PM+%WH : 100 + 0 75 + 25, 50 + 50 25 + 75, 0 + 100).
- Experiments carried out continuous charging with mixing ratio of 75%PM +
25%WH and two water hyacinth treatments C1 and C2.

The amount of biogas produced was measured continuously achieved over time
(day). Target gases in the biogas of CH4, CO2, O2 and H2S. The targets include
wastewater pH, buffer capacity. After 35 days of the experiment, the results showed
that:
- With load batch experiments, methane yields obtained under the water
hyacinths treatment as follows: C2 > C3 > C1. With C2, the total gas production
tended to be higher in the treatments with high percentages of WH. The total output of
methane per 1 kg organic dry matter (ODM) input material loaded highest in 50%PM


+ 50%WH, the second is 100%WH treatments. The mixing rates 100%PM, 75%PM +
25%WH, 50%PM+ 50%WH, 25%PM+75%WH and 100%WH have methane yield
respectively 122, 148, 177, 152, 171 L/kg ODM and component methane (average
from week 2 to 5 times) respectively 61,06%; 60,41%; 58,39%; 57,84%; 55,58%.
Methane yield by C3 is lower and should take more work than by C2 so should not
apply. With C1, methane yield tended to be lower in the treatments with high
percentages of WH, methane yield is the lowest in 100%WH and only by 2,3%
compared to C2. However, component methane of biogas (%CH4) by C1 is always
higher than C2.
- With continuous loading experiments, methane yield by C2 is higher than C1
1.6 times but component methane of biogas (%CH4) by C2 is less than C1. After 35
days of the experiment, methane yield of the C1 and C2 treatments, respectively, 66
and 107 L / kg ODM.
These results strongly confirm that the farmers in the Mekong Delta of Vietnam
can use water hyacinth as a potential supplement to pig manure in biogas unit in case
they do not have enough pig manure for their biogas unit.


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

----------

LỜI CAM ĐOAN

Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU PHONG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 13/12/1985

Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trƣờng

MSHV: 10250529

Tên đề tài: Khảo sát khả năng sinh khí metan (CH4) từ phân heo và lục bình.
Ngày bắt đầu: 01/01/2009
Ngày hồn thành: 31/12/2011
Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Đặng Vũ Bích Hạnh
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những kết quả và số liệu trong
luận văn đƣợc công bố trong các sách, báo, tạp chí là của tơi và các cộng sự. Tơi hồn
tồn chịu trách nhiệm trƣớc nhà trƣờng về sự cam đoan này.
Tp. HCM, ngày 30 tháng 07 năm 2012

Nguyễn Hữu Phong



MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
LỜI CẢM ƠN
ABSTRACT
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC ................................................................................................................................... i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
Chƣơng 1 : TỔNG QUAN .......................................................................................................... 4
1.1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ SẢN XUẤT BIOGAS TỪ PHÂN HEO VÀ LỤC BÌNH ..... 5
1.1.1 Trong nƣớc .......................................................................................................... 5
1.1.2 Ngoài nƣớc .......................................................................................................... 6
1.2 HIỆN TRẠNG CHĂN NUÔI HEO TẠI VIỆT NAM .................................................... 9
1.2.1. Hiện trạng chăn nuôi heo cả nƣớc ....................................................................... 9
1.2.2. Hiện trạng chăn nuôi heo ở Đồng Bằng Sông Cửu Long ................................. 11
1.3 SƠ LƢỢC VỀ LỤC BÌNH ........................................................................................... 12
1.4 CƠNG NGHỆ KHÍ SINH HỌC ................................................................................... 14
1.3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 14
1.3.2 Q trình phân huỷ kỵ khí sinh metan .............................................................. 15
1.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sinh học kỵ khí tạo khí metan ................. 18
1.3.4 Cấu tạo thiết bị sản xuất biogas ......................................................................... 23
1.3.5 Các kiểu vận hành hầm ủ biogas ....................................................................... 24
1.3.6 Nguyên liệu sản xuất biogas ............................................................................. 25
1.3.7 Các yếu tố thúc đẩy quá trình sinh khí .............................................................. 26
1.5 LỢI ÍCH CỦA BIOGAS ............................................................................................... 29
1.3.1 Lợi ích về năng lƣợng ....................................................................................... 29
1.3.2 Lợi ích về mơi trƣờng........................................................................................ 30
1.3.3 Lợi ích về nơng nghiệp...................................................................................... 30
1.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG BIOGAS Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG ................... 31

1.5.1 Tình hình sử dụng biogas ở ĐBSCL ................................................................. 31
1.5.2 Vài nét về mơ hình VACB ở Đồng Bằng Sông Cửu Long ............................... 31
Chƣơng 2 : PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................... 33
2.1 ĐIỀU TRA NHU CẦU SỬ DỤNG THIẾT BỊ SẢN XUẤT BIOGAS........................ 34
2.1.1. Mục đích điều tra .............................................................................................. 34
2.1.2. Thời gian và địa phƣơng điều tra ...................................................................... 34
2.1.3. Đối tƣợng và nội dung điều tra ......................................................................... 35
2.1.4. Phƣơng pháp thu thập số liệu ban đầu .............................................................. 35
2.1.5. Phƣơng pháp phân tích số liệu .......................................................................... 36
2.2 THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SINH KHÍ METAN .................................. 36
2.2.1. Địa điểm và thời gian thực hiện ........................................................................ 36
2.2.2. Mơ hình thí nghiệm ........................................................................................... 36
2.2.3. Thu thập và xử lý nguyên liệu đầu vào ............................................................. 39
2.2.4. Bố trí thí nghiệm ............................................................................................... 41

i


2.2.4.1. Thí nghiệm nạp theo mẻ............................................................................. 41
2.2.4.2. Thí nghiệm nạp bán liên tục ....................................................................... 42
2.2.4.3. Tính tốn lƣợng nạp cho các thí nghiệm .................................................... 43
2.2.5. Phƣơng pháp và thiết bị phân tích ..................................................................... 44
2.2.6. Xử lý số liệu ...................................................................................................... 46
2.3 MƠ TẢ CÁC THÍ NGHIỆM TƢƠNG TỰ VÀ ỨNG DỤNG ..................................... 46
2.3.1. Khảo sát khả năng sinh khí metan từ lục bình tƣơi trong điều kiện nạp bán liên
tục ...................................................................................................................... 46
2.3.2. Khảo sát khả năng sinh khí metan từ nƣớc ép lục bình trong điều kiện nạp bán
liên tục ............................................................................................................... 47
2.3.3. Mơ hình thí điểm tại hầm biogas 100 m3 .......................................................... 48
Chƣơng 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................... 49

3.1 KẾT QUẢ ĐIỀU TRA NHU CẦU THIẾT BỊ SẢN XUẤT BIOGAS ........................ 50
3.1.1 Thông tin về cuộc điều tra ................................................................................. 50
3.1.2 Nhu cầu hầm ủ biogas ....................................................................................... 50
3.1.3 Mức độ hài lòng với thiết bị sản xuất biogas .................................................... 54
3.1.4 Kết quả thăm dò ý kiến ..................................................................................... 55
3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THEO MẺ VÀ BÁN LIÊN TỤC....................................... 56
3.2.1 Kết quả phân tích các chỉ tiêu nguyên liệu đầu vào .......................................... 56
3.2.2 Kết quả thí nghiệm nạp theo mẻ ....................................................................... 57
3.2.2.2 Biến đổi thể tích biogas sản sinh theo thời gian ......................................... 57
3.2.2.3 Thành phần khí trong biogas ...................................................................... 60
3.2.2.4 Nghiên cứu sự thay đổi của các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình sinh khí . 64
3.2.2.5 Năng suất sinh khí ...................................................................................... 70
3.2.3 Kết quả thí nghiệm nạp bán liên tục.................................................................. 73
3.2.3.1 Biến đổi thể tích biogas theo thời gian ....................................................... 73
3.2.3.2 Thành phần khí trong biogas ...................................................................... 74
3.2.3.3 Sự thay đổi của các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình sinh khí .................... 75
3.2.3.4 Năng suất sinh khí ...................................................................................... 76
3.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TƢƠNG TỰ VỀ KHẢ NĂNG SINH KHÍ METAN TỪ
PHÂN HEO, LỤC BÌNH VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG................................................. 77
3.3.1. Thành phần hoá học nguyên liệu dùng trong các thí nghiệm và ứng dụng....... 77
3.3.2. Khả năng sinh khí metan từ lục bình tƣơi trong điều kiện nạp bán liên tục ..... 78
3.3.3. Khả năng sinh khí metan từ nƣớc ép lục bình trong điều kiện nạp bán liên tục82
3.3.4. Mơ hình thí điểm tại hầm biogas 100 m3 .......................................................... 83
3.3.5. Mơ hình ứng dụng trên hầm ủ nông hộ ............................................................. 86
Chƣơng 4 KẾT LUẬN-KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 89
4.1 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 90
4.2 KIẾN NGHỊ .................................................................................................................. 93
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ ................................................................................ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 95
PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 99

PHỤ LỤC I: Kết quả thí nghiệm nạp theo mẻ và nạp bán liên tục ...................................... 99
PHỤ LỤC II: Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm ................................................ 105
PHỤC LỤC III: Số liệu vận hành hầm ủ biogas 100 m3 ................................................... 107
PHỤ LỤC IV: Xử lý số liệu điều tra nhu cầu thiết bị sản xuất biogas tại hậu giang bằng
phần mềm SPSS 10.0 .................................................................................................. 109

ii


PHỤC LỤC V: Các bảng câu hỏi phỏng vấn điều tra nhu cầu thiết bị sản xuất biogas tại
hậu giang ..................................................................................................................... 126

iii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
C

Cacbon tổng số

C1

Cách xử lý lục bình – lấy nƣớc, bỏ bã

C2

Cách xử lý lục bình – lấy cả nƣớc và bã

C3

Cách xử lý lục bình – lấy cả nƣớc và bã đã giả dập

COD

Nhu cầu oxy hố học

DM

Vật chất khơ

ĐBSCL

Đồng bằng sơng Cửu Long

LB

Lục bình

MEAN

Trung bình

N

Đạm tổng số

NT

Nghiệm thức

ODM

Vật chất hữu cơ

PH

Phân heo

RVACB Ruộng - Vƣờn – Ao – Chuồng – Biogas
SD

Độ lệch chuẩn

TN

Thí nghiệm

TG-BP

(Thai German Biogas Program)

VACB

Vƣờn – Ao – Chuồng – Biogas

VS

Chất rắn bay hơi

iv

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Cơ cấu giá trị sản xuất nông nghiệp phân theo ngành hoạt động (%) ......... 10
Bảng 1.2: Sản lƣợng chăn nuôi ở ĐBSCL qua các năm .............................................. 11
Bảng 1.3: Thành phần hố học của lục bình ................................................................ 12
Bảng 1.4: Thành phần khí sinh học .............................................................................. 15
Bảng 1.5: Mức độ sản xuất khí của 1 tấn phân ............................................................ 19
Bảng 1.6: Mối quan hệ giữa sản phẩm khí sinh học với nhiệt độ ................................ 20
Bảng 1.7: Khả năng gây độc của một số chất đến quá trình sinh metan ..................... 22
Bảng 1.8: Khả năng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc, gia cầm ....... 26
Bảng 1.9: Nhu cầu tiêu thụ khí sinh học cho các mục tiêu sử dụng ............................ 29
Bảng 1.10: Giá trị năng lƣợng tƣơng đƣơng 1 m3 biogas ............................................ 30
Bảng 2.1: Bố trí và ký hiệu các nghiệm thức thí nghiệm nạp theo mẻ ........................ 42
Bảng 2.2: Bố trí và ký hiệu các nghiệm thức thí nghiệm nạp bán liên tục .................. 43
Bảng 2.3: Phƣơng pháp và thiết bị phân tích các chỉ tiêu ........................................... 44
Bảng 3.1: Số mẫu và địa phƣơng điều tra .................................................................... 50
Bảng 3.2: Loại thiết bị sản xuất biogas nông hộ đã sử dụng ...................................... 52
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của ngun liệu dùng trong thí nghiệm ..................... 56
Bảng 3.4: Năng suất sinh khí sau 35 ngày thí nghiệm nạp theo mẻ ............................ 70
Bảng 3.5: Năng suất sinh khí – thí nghiệm nạp bán liên tục ....................................... 76
Bảng 3.6: Tỉ lệ các bộ phận của lục bình ..................................................................... 77
Bảng 3.7: Thành phần hố học các ngun liệu sử dụng cho thí nghiệm và ứng dụng78
Bảng 3.8: Các thơng tin về thí nghiệm......................................................................... 78
Bảng 3.9: Năng suất sinh khí trung bình ...................................................................... 80
Bảng 3.10: Thơng tin thí nghiệm nƣớc ép lục bình ..................................................... 82
Bảng 3.11: Thơng tin và kết quả thử nghiệm tại nông hộ ............................................ 87

v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mơ hình thí nghiệm xác định tiềm năng sinh biogas từ nƣớc ép lục bình và
bã lục bình ...................................................................................................................... 8
Hình 1.2: Mơ hình bình ủ 30 lít...................................................................................... 9
Hình 1.3: Sản lƣợng heo cả nƣớc ................................................................................. 11
Hình 1.4: Lục bình (Eichhornia crassipes (Marte) Solms) ......................................... 13
Hình 1.5: Cơ chế tạo thành metan từ chất thải hữu cơ ................................................. 16
Hình 1.6: Cơ chế sinh hố trong lên men kỵ khí chất hữu cơ ...................................... 16
Hình 1.7: Hầm ủ nắp cố định kiểu Trung Quốc ........................................................... 23
Hình 1.8: Hầm ủ TG – BP trong mơ hình VACB ........................................................ 24
Hình 1.9: Hầm ủ nắp trơi nổi kiểu KVIC ..................................................................... 24
Hình 2.1: Bản đồ hành chính tỉnh Hậu Giang .............................................................. 34
Hình 2.2: Bản vẽ túi ủ 50 lít ......................................................................................... 37
Hình 2.3: Túi nhơm 10 lít ............................................................................................. 38
Hình 2.4: Túi nhơm 30 lít ............................................................................................. 38
Hình 2.5: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm nạp theo mẻ ....................................................... 39
Hình 2.6: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm nạp bán liên tục ................................................. 39
Hình 2.7: Ảnh chụp mơ hình thí nghiệm nạp theo mẻ ................................................. 39
Hình 2.8: Ảnh chụp mơ hình thí nghiệm nạp bán liên tục ........................................... 39
Hình 2.9: Phân heo và lục bình đƣợc chuẩn bị cho thí nghiệm nạp bán liên tục ......... 40
Hình 2.10: Máy đo pH Orion model 230 ..................................................................... 45
Hình 2.11: Máy đo Geotechnical 0-100/100GA94 ...................................................... 45
Hình 2.12: Đồng hồ đo khí RITTER ............................................................................ 45
Hình 2.13: Thiết bị Biogas Pro .................................................................................... 45
Hình 3.1: Biểu đồ nhu cầu sử dụng thiết bị sản xuất biogas ........................................ 51
Hình 3.2: Thể tích biogas sản sinh hàng ngày theo cách xử lý C0 và C1 .................... 58
Hình 3.3: Thể tích biogas hàng ngày theo cách xử lý C0 và C2 .................................. 59
Hình 3.4: Thể tích biogas hàng ngày theo cách xử lý C0 và C3 .................................. 59
Hình 3.5: Thành phần biogas tuần 1 ............................................................................ 60

Hình 3.6: Thành phần biogas tuần 2 ............................................................................ 61
Hình 3.7: Thành phần biogas tuần 3 ............................................................................ 61
Hình 3.8: Thành phần biogas tuần 4 ............................................................................ 62
Hình 3.9: Thành phần biogas tuần 5 ............................................................................ 62
Hình 3.10: So sánh thành phần %CH4 trung bình từ tuần 2 đến tuần 5 ....................... 63
Hình 3.11: Giá trị pH hàng tuần theo cách xử lý lục bình C1 ..................................... 64
Hình 3.12: Giá trị pH hàng tuần theo cách xử lý lục bình C2 ..................................... 64
Hình 3.13: Giá trị pH hàng tuần theo cách xử lý lục bình C3 .................................... 65
Hình 3.14: Hệ đệm theo cách xử lý lục C0 và C1........................................................ 66
Hình 3.15: Hệ đệm theo cách xử lý lục C0 và C2........................................................ 66
Hình 3.16: Hệ đệm theo cách xử lý lục bình C0 và C3 ............................................... 67
Hình 3.17: Hệ đệm ngày 14 – tuần 2 ........................................................................... 68
Hình 3.18: Hệ đệm ngày 21 – tuần 3 ........................................................................... 68

vi


Hình 3.19: Hệ đệm ngày 28 – tuần 4 ........................................................................... 69
Hình 3.20: Hệ đệm ngày 35 – tuần 5 ........................................................................... 69
Hình 3.21: So sánh năng suất biogas theo 3 cách xử lý lục bình ................................. 71
Hình 3.22: So sánh năng suất metan theo 3 cách xử lý lục bình ................................. 72
Hình 3.23: Thể tích biogas theo thời gian – thí nghiệm nạp bán liên tục .................... 74
Hình 3.24: Thành phần biogas hàng tuần – thí nghiệm nạp bán liên tục ..................... 74
Hình 3.25: pH hàng tuần – Thí nghiệm nạp bán liên tục ............................................ 75
Hình 3.26: hệ đệm hàng tuần – Thí nghiệm nạp bán liên tục ...................................... 75
Hình 3.27: Năng suất sinh metan hàng ngày – thí nghiệm nạp bán liên tục ................ 76
Hình 3.28: Biểu đồ thể tích biogas hàng ngày thí nghiệm lục bình tƣơi ..................... 79
Hình 3.29: Biểu đồ thành phần % CH4 - nghiệm thức lục bình tƣơi ........................... 79
Hình 3.30: Năng suất sinh metan hàng ngày ............................................................... 80
Hình 3.31: Biểu đồ thành phần % CH4 - nghiệm thức nƣớc thải hầm ủ trong điều kiện

nạp bán liên tục ............................................................................................................ 81
Hình 3.32: Biểu đồ thành phần % CH4 - nghiệm thức nƣớc thải hầm ủ trong điều kiện
nạp theo mẻ .................................................................................................................. 81
Hình 3.33: Thể tích biogas thí nghiệm nƣớc ép lục bình ............................................. 82
Hình 3.34: Tổng lƣợng nguyên liệu nạp và sản lƣợng biogas hàng tháng – Hầm ủ
biogas 100 m3 ............................................................................................................... 83
Hình 3.35: Năng suất sinh khí hàng tháng – Hầm ủ biogas 100 m3 ............................ 84
Hình 3.36: Biểu đồ pH và hệ đệm tháng 6, tháng 7/2009 – Hầm ủ biogas 100 m3 ..... 84
Hình 3.37: Thành phần % CH4 tháng 6, tháng 7/2009 – Hầm ủ biogas 100 m3 .......... 85
Hình 3.38: Hệ đệm tháng 9, 10, 11/2009 – Hầm ủ biogas 100 m3 .............................. 85
Hình 3.39: Hầm ủ EQ1................................................................................................. 86
Hình 3.40: Bể thải và cửa thải hầm ủ EQ2 .................................................................. 86
Hình 3.41: Hầm ủ EQ2................................................................................................. 86
Hình 3.42: Cánh khuấy hầm ủ EQ2 ............................................................................. 86
Hình 3.43: Hầm ủ sản xuất biogas từ lục bình tại Tây Ninh........................................ 88

vii



LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Chăn ni góp phần vào phát triển kinh tế và xóa đói giảm nghèo cho ngƣời
dân nơng thơn. Lợi ích từ chăn ni là khá rõ nhƣng việc đầu tƣ xây dựng hầm ủ
biogas chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Một trong những nguyên nhân khiến ngƣời
dân ngại đầu tƣ hầm ủ biogas là do tập quán chăn nuôi nhỏ lẻ, nuôi không thƣờng
xuyên và sẽ ngƣng ni khi khơng có lợi nhận do dịch bệnh, giá thức ăn, .... Ngoài
ra, để một hầm ủ biogas cung cấp đủ gas cho một gia đình 4 ngƣời, chủ hộ cần nuôi

thƣờng xuyên 4 con heo. Tuy nhiên, những hộ nghèo có vốn ít nên họ thƣờng chỉ
nuôi từ 2 -3 con heo, không đủ lƣợng nguyên liệu cần thiết. Vì vậy việc triển khai
hầm ủ biogas gặp nhiều khó khăn.
Trong những thập niên qua, hiệu quả từ việc áp dụng hầm ủ biogas vào xử lý
chất thải chăn nuôi ngày càng đƣợc khẳng định không chỉ ở việc xử lý an tồn chất
thải chăn ni mà còn tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế chất đốt hỗ trợ nấu ăn, thắp
sáng… trong gia đình, cung cấp một phần thức ăn cho ao cá trong mô hình vƣờn ao - chuồng - biogas (VACB). Tuy nhiên, với những hộ chăn ni nhỏ lẻ, tính
khơng ổn định khi duy trì đàn heo là nguyên nhân gây thiếu hụt nguồn nguyên liệu
nạp vào hầm ủ dẫn đến hiệu quả sử dụng và khai thác hầm ủ không cao, gây ảnh
hƣởng bất lợi cho cả mơ hình. Do đó, ngƣời dân ngại đầu tƣ xây dựng hầm ủ dẫn
đến chất thải chăn nuôi không đƣợc xử lý, gây ô nhiễm môi trƣờng trong khu vực.
Theo kết quả điều tra của Dự án VIE/020 – Lục bình tại tỉnh Hậu Giang năm 2007,
có đến 25% số hộ ni heo đƣợc phỏng vấn chƣa đầu tƣ hầm ủ biogas vì lý do ni
heo ít (dƣới 4 con) hoặc ni khơng liên tục.
Do đó, cần xem xét tìm kiếm nguồn ngun liệu bổ sung và thay thế nạp vào
hầm ủ biogas nhƣ lục bình, rơm lúa, thân cây ngơ,... Trong đó, lục bình (Eichhornia
crassipes) là loại thực vật khá phổ biến và dễ tìm kiếm ở ĐBSCL - vùng có mạng
lƣới sơng ngịi chằng chịt. So với các lồi thực vật và phụ phẩm nơng nghiệp khác,
lục bình sinh trƣởng rất nhanh và có thể thu hoạch chúng quanh năm. Lục bình có
năng suất sinh khí khá cao so với các loại phân gia súc. Nhiều năm qua, việc sử
dụng lục bình để làm nguyên liệu sản xuất biogas đã và đang đƣợc quan tâm nghiên

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

cứu. Theo Biogas Digest – Volume 2, năng suất sinh biogas của một số nguyên liệu
ở nhiệt độ 300C với thời gian lƣu 10-20 ngày nhƣ sau: lục bình: 375 L/kg vật chất
khơ, phân heo: 340 -550 L/kg vật chất khơ, phân bị: 90 – 310 L/kg vật chất khô,

rơm: 170 – 280 L/kg vật chất khô [42]. Tuy nhiên đến nay vẫn chƣa có nhiều
nghiên cứu về khả năng phân hủy yếm khí tạo khí metan từ việc kết hợp phân heo
và lục bình. Do vậy, đề tài “Khảo sát khả năng sinh khí metan (CH4) từ phân heo và
lục bình“ đƣợc thực hiện nhằm góp phần tìm hiểu, bổ sung cho các nghiên cứu và
ứng dụng đối với nguồn nguyên liệu dễ kiếm và rẻ tiền này.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu ảnh hƣởng của các phƣơng pháp xử lý lục bình và tỷ lệ phối trộn
trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ và bán liên tục đến khả năng sinh khí metan.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
- Khảo sát nhu cầu áp dụng biogas ở đồng bằng sông Cửu Long.
- Tiến hành nghiên cứu trên mơ hình
- Kiểm chứng kết quả trên một số thí nghiệm và ứng dụng thực tế.
PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Khảo sát khả năng khí metan của phân heo và lục bình với các tỉ lệ phối trộn
và các cách xử lý lục bình khác nhau.
Các nghiệm thức thí nghiệm đƣợc bố trí trong điều kiện phịng thí nghiệm với
hai mơ hình ủ yếm khí nạp theo mẻ và nạp bán liên tục. Các nguyên liệu cho quá
trình ủ gồm phân heo và thân lá lục bình đƣợc thu thập tại huyện Phụng Hiệp, tỉnh
Hậu Giang.
Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Thí nghiệm đƣợc tiến hành nhằm xác định tỉ lệ phối trộn phân heo và lục bình
thích hợp và các cách xử lý lục bình trƣớc khi nạp vào hầm ủ. Kết quả của nghiên
cứu này có thể giúp cho chủ hộ có hầm ủ biogas xem xét khả năng sử dụng lục bình
nạp thêm vào hầm ủ khi thiếu nguồn phân.
2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Việc nghiên cứu khả năng sinh khí metan từ các nguyên liệu phân heo và lục
bình và các cách xử lý lục bình đã có nhiều ngƣời nghiên cứu. Tuy nhiên, chƣa có
nhiều nghiên cứu về khả năng sinh khí metan từ việc phối trộn phân heo, lục bình
với các tỉ lệ và các cách xử lý lục bình khác nhau.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Tham khảo các tài liệu đã nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
- Tiến hành thực nghiệm trên mơ hình.
- Phƣơng pháp lấy mẫu và phân tích.
- Phƣơng pháp tính tốn và xử lý số liệu.

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chƣơng 1 : TỔNG QUAN

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.1

CÁC NGHIÊN CỨU VỀ SẢN XUẤT BIOGAS TỪ PHÂN HEO VÀ

LỤC BÌNH
1.1.1 Trong nƣớc
Kha Mỹ Khanh (1990) đã trình bày các phƣơng pháp lý học (cắt nhỏ từ 2 ÷ 3
cm), hóa học (dùng dung dịch kiềm Na2CO3 hoặc Ca(OH)2) và sinh học (dùng nƣớc

thải hầm ủ đang hoạt động) để xử lý lục bình trong thí nghiệm nạp lục bình cho hầm
ủ biogas. Kết quả cho thấy với cùng trọng lƣợng nạp phân heo và lục bình (ủ chua 6
ngày) thì lƣợng khí sinh ra ở lục bình đã ủ chua cho ra lƣợng khí cao hơn. Với cùng
trọng lƣợng nạp với tỉ lệ 1 phân heo : 2 lục bình nhƣng với 3 nghiệm thức khác
nhau gồm lục bình khơng xử lý, có xử lý ủ chua (6 ngày) và có xử lý kiềm thì
nghiệm thức xử lý kiềm cho ra lƣợng khí cao hơn so với 2 nghiệm thức xử lý còn
lại. Nhƣng về hiệu quả kinh tế thì việc xử lý lục bình bằng kiềm sẽ khơng kinh tế so
với việc lục bình chỉ xử lý ủ chua. Và với cùng trọng lƣợng nạp với tỉ lệ 1 phân heo
: 2 lục bình, lục bình sau khi ủ hiếu khí 8 ngày đem ủ chua từ 4 ÷ 6 ngày cho lƣợng
khí tốt nhất [15].
Theo Trƣơng Duy Linh (1991), kết quả thí nghiệm xử lý lục bình cho thấy lục
bình cắt ngắn 20 ÷ 30 cm sau đó đem ủ chua với nƣớc thải hầm ủ đang hoạt động
với thời gian ủ chua 15 ngày sẽ cho lƣợng khí nhiều, rút ngắn đƣợc thời gian ủ của
nguyên liệu [18].
Lê Hoàng Việt (2004) tiến hành thí nghiệm lên men yếm khí (5 lít) để xác
định thể tích biogas và metan sinh ra từ nguyên liệu nƣớc ép lục bình và phân heo.
Các kết quả cho thấy lƣợng biogas sinh ra từ nƣớc ép lục bình, nƣớc ép lục bình +
5% phân heo và nƣớc ép bục bình + 10% phân heo là 0,317 m3 metan/kgCOD bị
loại bỏ, 0,31 m3 metan/kgCOD bị loại bỏ và 0,317 m3 metan/kgCOD bị loại bỏ theo
thứ tự. Nhƣ vậy nƣớc ép bục bình thích hợp để sản xuất biogas, tuy nhiên hàm
lƣợng chất hữu cơ của nƣớc ép lục bình sau q trình lên men yếm vẫn cịn khá cao,
cần phải đƣợc xử lý thêm trƣớc khi thải ra môi trƣờng [13].
Lê Trần Thanh Liêm (2010) đã cắt nhỏ lục bình tƣơi từ 1 ÷ 2 cm cho vào các
túi nylon, sau đó cho nƣớc thải hầm ủ đang hoạt động vào ủ chua trong 10 ngày.

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Kết quả thí nghiệm ủ yếm khí cho thấy lƣợng khí biogas sinh ra vƣợt trội hơn khi sử
dụng phân heo phối trộn với lục bình sau 10 ngày ủ chua. Đồng thời hàm lƣợng khí
metan sinh ra khi sử dụng hỗn hợp phân heo trộn lục bình sau 10 ngày ủ nhiều hơn
100% phân heo làm nguyên liệu nạp [17].
1.1.2

Ngoài nƣớc
Saraswat (1986) đã nghiên cứu trong phịng thí nghiệm với lục bình xay (1,25

mm) và làm thành viên. Với hai hệ thống có xử lý kiềm (dùng 3,6% Na2CO3 – 2,5%
Ca(OH)2, kéo dài 24 giờ) sau đó ủ chua (2 ngày). Kết quả đạt đƣợc sau 7 ngày sinh
khí ở nhiệt độ 35 ÷ 37 oC thí nghiệm có xử lý kiềm năng suất sinh biogas là 50 L/kg
lục bình khơ và thí nghiệm chỉ ủ chua 2 ngày cho năng suất gas là 32,51 L/kg lục
bình khơ. Qua thí nghiệm trên cho thấy lục bình qua xử lý kiềm trƣớc khi cho vào
hầm ủ sẽ cho năng suất sinh biogas lớn hơn nhƣng sẽ tốn kém nhiều về chất hóa
học. Do đó, nó khơng hiệu quả về kinh tế nếu xử lý lục bình bằng kiềm trƣớc khi
đƣa vào hầm ủ [50].
Madamwar (1990) đã nghiên cứu cải thiện q trình phân hủy kỵ khí của phân
heo và lục bình với các phế thải nơng nghiệp và các phế thải khác nhƣ lá cây
Polyalthia longifolia (Sonn.) , lá cây Azadirachta indica A. Juss., lá bạch đàn, bã
mía, thân cây chuối, chất thải gia cầm, pho mát, bột tảo (Enteromorpha sp.) và bùn
bã mía. Kết quả thí nghiệm cho thấy bùn bã mía, thân cây chuối, chất thải gia cầm,
pho mát và bột tảo làm gia tăng hơn 100% khí sản sinh với hàm lƣợng metan cao
hơn 5-10 % [44].
Madamwar (1991), nghiên cứu ảnh hƣởng của các chất hoạt động bề mặt khác
nhau lên quá trình phân hủy kỵ khí của phân gia súc và lục bình. Các chất hoạt động
bề mặt sử dụng với các liều khác nhau: Tween 20, Tween 60, Tween 80, Natri
lauryl sulphate, Tegoprens 42, Tegoprens 43, Tegoprens 47, Teogprens 51,
Tegoprens 52, Tegoprens 63. Trong số các chất hoạt động bề mặt thử nghiệm,
Tegoprens 43 làm gia tăng khí sinh sản sinh hơn 114% với hàm lƣợng metan cao

hơn 6,25% [46].

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ở Indonesia, hầm ủ biogas với thể tích 1 m3 và 0,5 m3 phần chứa khí phía trên
hầm ủ. Phân gia súc đƣợc sử dụng nhƣ chất cấy vào trong quá trình khởi
động. Trƣớc khi nạp hầm ủ, lục bình đƣợc rửa với nƣớc để loại bỏ tạp chất và sau
đó cắt thành từng miếng. Hàm lƣợng nƣớc trong lục bình tƣơi là 89,5% và tỷ lệ C/N
là 27. Khí sinh học đƣợc sản xuất từ quá trình này là 620 L/kg lục bình khơ và hàm
lƣợng metan là 52% khi chỉ sử dụng phần lá và thân cây. Nếu nạp tồn bộ lục bình
(bao gồm rễ cây) vào hầm ủ, lƣợng khí sinh học giảm xuống cịn 331,4 L/kg lục
bình khơ (Kozo, 1995)[43].
Mơ hình sản xuất biogas từ việc phối trộn lục bình và dƣ lƣợng dạ cỏ tƣơi
(fresh rumen residue) cung cấp năng lƣợng cần thiết cho một cơ sở phụ sản ở
Niamey, Nigeria. Hệ thống lên men kiểu nạp theo mẻ nắp trôi nổi gồm 6 hầm ủ,
mỗi hầm ủ 5 m3. Sản lƣợng biogas vào mùa nóng (30 – 400C) và mùa mát (20 –
300C) lần lƣợt là 0,52 m3 và 0,29 m3 tính trên một m3 hầm ủ trong một ngày
(Almoustapha) [23].
Theo Biogas Digest – Volume 2, năng suất sinh biogas của một số nguyên liệu
ở cuối thời gian lƣu 10-20 ngày với nhiệt độ 300C cho thấy lục bình có năng suất
sinh biogas cao cao hơn các nguyên liệu thực vật khác: lục bình: 375 L/kg vật chất
khơ, phân heo: 340 -550 L/kg vật chất khơ, phân bị: 90 – 310 L/kg vật chất khô,
rơm: 170 – 280 L/kg vật chất khơ [42].
Một hệ thống gồm hồ lục bình 7,3m x 7,3m x 0,9m xử lý 1250 m3 nƣớc
thải/ngày ở Ấn Độ. Sinh khối lục bình đƣợc thu hoạch hàng ngày và xay nhỏ
chuyển vào hầm ủ biogas. Trung bình 1 kg sinh khối lục bình tƣơi thu đƣợc 32 lít
CH4 (Nguyễn Đức Lượng, 2003)[4].

Panning (2003) [49] đã thực nghiên cứu khả thi sử dụng lục bình cho Việt
Nam với sự phối hợp thực hiện của Trƣờng Đại học Cần Thơ. Các thí nghiệm do
Đại học Cần Thơ hiện cho biết nƣớc ép từ thân lá lục bình thích hợp để sản xuất
biogas. Để khẳng định tính khả thi của việc sử dụng nƣớc ép lục bình sản xuất
biogas, hai thí nghiệm đã đƣợc thực hiện tại Luxembourg với mẫu lục bình đƣợc

7