Tối ưu hóa thành phần môi trường tạo khí biogas sinh học từ chất thải rắn ao tôm ở Miền Nam Việt Nam bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM)

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp qui hoạch hóa thực nghiệm bằng đáp ứng bề mặt dựa trên kiểu tâm phức hợp với 3 biến là chất thải rắn ao tôm, mật rỉ đường và phân bò nhằm xác định ảnh hưởng của 3 yếu tố này đến lượng khí biogas sinh ra. Bằng cách sử dụng qui hoạch trực giao đối xứng, mỗi yếu tố tiến hành tại 3 mức (-1, 0, +1), kết quả đã đưa ra bảng ma trận thực nghiệm gồm 20 thí nghiệm, trong đó có 16 thí nghiệm tại tâm (qui hoạch toàn phần 24), 8 thí nghiệm tại điểm sao (2 thí nghiệm cho mỗi biến) và có 3 thí nghiệm lặp tại tâm, với 1 hàm mục tiêu là thể tích khí sinh ra trong mô hình xử lý.

Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 4/2019 THÔNG BÁO KHOA HỌC TỐI ƯU HĨA THÀNH PHẦN MƠI TRƯỜNG TẠO KHÍ BIOGAS SINH HỌC TỪ CHẤT THẢI RẮN AO TÔM Ở MIỀN NAM VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁP ỨNG BỀ MẶT (RSM) OPTIMIZING THE BIOLOGICAL COMPOSITION OF BIOGAS FROM SHRIMP SOLID WASTE IN SOUTHERN VIETNAM BY RESPONSE SURFACE METHODOLOGY (RSM) Lê Thế Lương¹, Nguyễn Phúc Cẩm Tú¹, Nguyễn Thị Cẩm Tú¹ Ngày nhận bài: 28/07/2019; Ngày phản biện thơng qua: 26/11/2019; Ngày duyệt đăng: 15/12/2019 TĨM TẮT Biogas - khí sinh học sản phẩm khí sinh từ trình phân huỷ chất hữu điều kiện kị khí với thành phần chủ yếu khí methane Nghiên cứu sử dụng phương pháp qui hoạch hóa thực nghiệm đáp ứng bề mặt dựa kiểu tâm phức hợp với biến chất thải rắn ao tôm, mật rỉ đường phân bò nhằm xác định ảnh hưởng yếu tố đến lượng khí biogas sinh Bằng cách sử dụng qui hoạch trực giao đối xứng, yếu tố tiến hành mức (-1, 0, +1), kết đưa bảng ma trận thực nghiệm gồm 20 thí nghiệm, có 16 thí nghiệm tâm (qui hoạch tồn phần 24), thí nghiệm điểm (2 thí nghiệm cho biến) có thí nghiệm lặp tâm, với hàm mục tiêu thể tích khí sinh mơ hình xử lý 20 nghiệm thức bố trí tương ứng 20 bình ni tối màu tích 500 mL điều kiện kị khí nhiệt độ phòng vòng 30 ngày Nghiên cứu xác định hàm lượng tối ưu yếu tố cho q trình tạo khí biogas theo tỉ lệ phân tôm 96,7 gam: Mật rỉ đường 42,7 gam: Phân bị 34,4 gam Thể tích khí thu lên men với thơng số tối ưu nói 1190,6 mL Từ khóa: Biogas, chất thải ao tơm, RSM, xử lý chất thải rắn ABSTRACT Biogas is the gas which produced by the process of decomposing organic substances under anaerobic conditions with the main component is methane This study used response surface methodology based on central composite designed with variables: shrimp solid waste, molasses and cow dung to determine the impact of these factors on volume of biogas Used the symmetric orthogonal design, thereforce each element conducted at levels (-1, 0,+1), the results gave an experimental matrix of 20 experiments, including 16 central experiments (24 overall planning), star points (2 experiments for each variable) and replicate central experiments, with objective function was the volume of biogas The 20 treatments were arrange respectively in 20 dark bottles with 500 ml volume at anaerobic conditions and room temperature for 30 days The study has determined the optimal content of these factors for biogas volume That were shrimp solid waste 96.7 grams: Molasses 42.7 grams: Cow dung 34.4 grams The volume of gas obtained during fermentation with the above-mentioned optimum parameters was 1190.6 mL Keywords: Biogas, RSM, Shrimp Pond Waste, Solid Waste Treatment I ĐẶT VẤN ĐỀ Nuôi tôm nước lợ ngành chiếm vị trí đặc biệt quan trọng chiến lược phát triển kinh tế ngành thủy sản Việt Nam Trong 10 năm qua, ngành ni tơm có tăng ¹ Khoa Thủy sản, Trường Đại học Nông lâm Tp Hồ Chí Minh 58 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG trưởng vượt bậc diện tích, sản lượng giá trị xuất trở thành ngành kinh tế quan trọng, tạo công ăn việc làm, tăng thu nhập cho hàng triệu người dân ven biển nguồn thu ngoại tệ đáng kể cho đất nước [4] Mặc dù có tốc độ phát triển mạnh mẽ, Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản nhiên, nghề ni tơm Việt Nam nói chung vùng ĐBSCL nói riêng phải đối mặt với nhiều vấn đề ảnh hưởng đến suất chất lượng sản phẩm như: dịch bệnh, suy thối mơi trường từ khu vực nuôi tôm, Chất thải phát sinh q trình ni tơm khơng xử lý trước thải môi trường nguyên nhân quan trọng gây dịch bệnh suy thoái mơi trường [4] Phân huỷ kị khí tạo khí biogas trình phân huỷ chất thải hữu cơ, giải nhiều vấn đề như: giảm lượng chất thải rắn môi trường, giảm lây lan dịch bệnh Ngồi ra, lượng khí đốt thu từ khả gây cháy khí biogas nguồn thu, giúp giảm chi phí, nâng cao suất kinh tế cho hộ nuôi [1] Các kết nghiên cứu q trình lên men thu khí biogas cho thấy trình bị ảnh hưởng nhiều yếu tố dinh dưỡng yếu tố môi trường Theo kết nghiên cứu Lettinga cộng (1997), nitơ nguồn dinh dưỡng tiêu thụ với lượng lớn cho sinh trưởng vi sinh vật, đó, bể biogas, tỷ lệ cacbon/nitơ phải đạt 130:5 nguồn chất thải giàu hydratcacbon [10] Trong hệ xử lý kị khí, q trình sinh methane thực nhiệt độ ấm (25-40ºC, tối ưu 35ºC) [11] Theo Bitton (1999) điều kiện pH tối ưu cho bể biogas 7.0-7.2, trình sinh khí bị dừng pH mức gần 6.0 [5] Theo kết nghiên cứu Laoonguthai Y cộng (2015), bổ sung phân bò mật rỉ vào phân tôm với hàm lượng khác để tăng hàm lượng khí biogas sinh nghiệm thức có phân tơm cho kết sinh khí thấp nhất, kết sinh khí cao nghiệm thức bổ sung đồng thời 20% phân bò 8% mật rỉ [9] Do đó, tối ưu hóa thành phần mơi trường nhằm nâng cao khả tạo khí biogas quan trọng Phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface MethodologyRSM) tập hợp kỹ thuật thống kê tốn học hữu ích để phát triển, cải thiện tối ưu hóa quy trình Theo hướng mục tiêu này, hàm đa thức bậc hai hay bậc sử dụng để mô tả hệ nghiên cứu khảo sát điều kiện thực Số 4/2019 nghiệm để tìm tối ưu Ứng dụng kĩ thuật tối ưu RSM cần trải qua bước sau: (i) Lựa chọn biến độc lập ảnh hưởng quan trọng tới hệ nghiên cứu phạm vi giới hạn nghiên cứu theo mục tiêu kinh nghiệm người nghiên cứu; (ii) Thiết kế thí nghiệm tiến hành thực thí nghiệm theo ma trận vạch trước đó; (iii) Xử lý mặt thống kê toán học liệu thực nghiệm thu thơng qua tương thích hàm đa thức; (iv) Đánh giá tính tương thích mơ hình; (v) Xác minh tính khả thi tính thiết yếu để tiến hành chuyển hướng sang ranh giới tối ưu; (vi) Tiến hành thí nghiệm dựa kết tối ưu cho biến [6] Gần đây, nghiên cứu tối ưu yếu tố môi trường để lên men tạo khí biogas sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm đáp ứng bề mặt nghiên cứu nhiều [2,3,6, 8,13,16], qua sử dụng phương pháp toán học qui hoạch thực nghiệm xác định điều kiện tối ưu đa yếu tố cách xác tương tác qua lại, mức độ ảnh hưởng yếu tố đến trình tạo khí biogas thời điểm với số lần thí nghiệm ít, đánh giá sai số lần thực nghiệm theo tiêu chuẩn thống kê, xem xét ảnh hưởng yếu tố với mức độ tin cậy cần thiết, tiết kiệm thời gian chi phí mà đem lại hiệu mong muốn Trong nghiên cứu này, với mục tiêu xác định tỉ lệ hàm lượng tối ưu ba yếu tố phân tôm, mật rỉ phân bò tương tác qua lại, mức độ ảnh hưởng chúng đến trình tạo khí biogas thời điểm, nhằm xác định tỉ lệ hàm lượng tối ưu cho kết sinh khí cao nhất, chúng tơi trình bày kết tối ưu hóa ba yếu tố q trình lên men tạo khí biogas II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu nghiên cứu Mẫu chất thải rắn thu sau siphon từ ao tơm chân trắng lót bạt vụ nuôi hộ nuôi huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai Số lượng mẫu thu vừa đủ để bố trí thí nghiệm phân tích tiêu liên quan Mẫu phân bò thu Trại thực TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2019 nghiệm khoa Chăn Nuôi Thú Y, Trường Đại Học Nông Lâm Tp HCM Phân bò thu phân Mật rỉ đường mua từ Công ty Vi sinh Môi trường Tp HCM Tất mẫu thu, bảo quản, đưa tiến hành bố trí thí nghiệm, phân tích phịng thí nghiệm khoa Thuỷ sản, trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm đáp ứng bề mặt [12] để thiết kế ma trận thực nghiệm phân tích tương quan mơ hình với thực nghiệm Xác định thể tích khí biogas phương pháp chỗ nước (Hình 1) [1], theo khí bình thí nghiệm theo dây dẫn khí vào bình nước cất đẩy dần nước khỏi bình, lượng nước bị đẩy khỏi bình tương đương với lượng khí sinh bình phân hủy kị khí Hình Phương pháp chỗ nước xác định thể tích khí sinh 2.1 Chọn miền khảo sát Trong nghiên cứu này, chọn miền khảo sát để tiến hành tối ưu điều kiện lên men sau: Phân tôm 50-150 g/L, mật rỉ đường 20-70 g/L, phân bò 20-70 mg/L với hàm mục tiêu thể tích khí tạo thể tích dịch lên men Mối tương quan giá trị mã hóa giá trị thực Bảng phương trình (1) Bảng Kí hiệu mã hóa giá trị thực nghiệm yếu tố thực nghiệm Biến số Ký hiệu Đơn vị Phân tôm (A) Mật rỉ đường (B) Phân bò (C) X1 X2 X3 Gam Gam Gam xi=(Xi-Xo)/ΔXi (1) Trong đó, xi giá trị mã hóa yếu tố biến thiên thứ i, Xi giá trị thật yếu tố thứ i, Xo giá trị thật Xi điểm trung tâm, ΔXi bước nhảy 2.2 Thiết kế thí nghiệm Xác định hàm lượng tối ưu yếu tố ảnh hưởng đến lượng khí biogas sinh chất thải rắn ao tơm, mật rỉ đường phân bị cách sử dụng qui hoạch trực giao đối xứng, yếu 60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Ký hiệu giá trị mã hóa -1 +1 50 100 150 20 45 70 20 45 70 tố tiến hành mức (-1, 0, +1) (Bảng 1) Quy hoạch thực nghiệm đưa bảng ma trận thực nghiệm gồm 20 thí nghiệm, đó: 16 thí nghiệm tâm (qui hoạch tồn phần 24), thí nghiệm điểm (2 thí nghiệm cho biến) có thí nghiệm lặp tâm, với hàm mục tiêu thể tích khí mơ hình xử lý Các thí nghiệm cho nghiên cứu tối ưu tiến hành bố trí bình ni tối màu Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 4/2019 tích 500 mL điều kiện kị khí, nhiệt độ phòng (33ºC) vòng 30 ngày Xử lý số liệu Sử dụng phần mềm thống kê Design-Expert 7.1 (Stat-Ease, Inc., Minneapolis, USA) để xử lí số liệu thực nghiệm, phân tích hệ số hồi qui, bề mặt đáp ứng tối ưu hóa với thuật tốn hàm mong đợi [12] Sự phù hợp ý nghĩa mơ hình đánh giá qua phân tích ANOVA số tương quan, có nghĩa hệ số hồi qui kiểm định chuẩn F, với giá trị p95%) cho biết hệ số hồi qui có nghĩa III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Thiết lập mơ hình Giá trị mã hóa, kết thiết kế với ma trận kế hoạch thực nghiệm trình bày Bảng Bảng gồm 20 thí nghiệm tương ứng 20 giá trị khác ba yếu tố phân tơm, mật rỉ đường, phân bị thể tích khí thu tương ứng với giá trị ba yếu tố Ảnh hưởng yếu tố phân tơm, mật rỉ đường phân bị tương tác yếu tố đến hàm mục tiêu (thể tích khí thu được) tiến hành xây dựng hàm hồi qui bậc cho hàm mục tiêu sau: Yi=βo + ∑ki=0 βixi + ∑ βiixi^2 + ∑ βijxixj (2) Trong đó, Yi hàm mục tiêu, βo hệ số tự do, βi, βii, βij vectơ tham số mơ hình xác định qua thực nghiệm Mơ hình thống kê có ý nghĩa sử dụng sau thỏa mãn tiêu chuẩn thống kê (Fisher) Bảng Ma trận thực nghiệm với yếu tố phân tôm, mật rỉ đường, phân bị kết sinh khí Thứ tự Chuẩn chạy 11 17 19 13 20 16 12 10 15 18 14 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Phân tơm Rỉ đường Phân bị Thể tích khí (mL) Trọng Mã Trọng Mã Trọng Mã Giá trị thu Giá trị dự lượng (g) hóa lượng (g) hóa lượng (g) hóa báo 100 -1 45 505,0 556,1 150 +1 70 +1 20 -1 189,5 169,8 100 45 45 1279,0 1182,9 16 -1 45 45 282,5 369,1 100 45 45 1156,0 1182,9 100 45 -1 777,5 788,1 100 45 45 1134,1 1182,9 50 -1 70 +1 20 -1 540,2 518,8 100 45 45 1050,5 1182,9 100 87 +1 45 234,0 286,9 150 +1 20 -1 20 -1 457,0 465,8 184 +1 45 45 304,0 321,3 100 45 45 1354,6 1182,9 50 -1 20 -1 20 -1 954,7 905,3 50 -1 70 +1 70 +1 301,5 217,0 100 45 45 1138,9 1182,9 100 45 87 +1 530,5 624,8 150 +1 20 -1 70 +1 603,8 549,0 50 -1 20 -1 70 +1 336,5 280,0 150 +1 70 +1 70 +1 603,0 576,5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 61 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 4/2019 Phân tích tương quan mơ hình với thực nghiệm Bảng cho thấy giá trị “Model-F-value” 27,79 mơ hình hồn tồn có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 99,99% (p