Tối ưu hóa quá trình diệt khuẩn salmonella trong nước thải sau hầm biogas bằng phương pháp nhiệt

Nội dung bài viết trình bày tối ưu hóa quá trình diệt khuẩn salmonella trong nước thải sau hầm biogas bằng phương pháp nhiệt. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết.

Kết nghiên cứu KHCN TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH DIỆT KHUẨN SALMONELLA TRONG NƯỚC THẢI SAU HẦM BIOGAS BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT TS Huỳnh Anh Hoàng1, ThS Nguyễn Lê Anh Hào2, ThS Lê Đức Anh3 Khoa Môi trường, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng; Công ty Tư vấn Xây dựng Môi trường Trung Nam; Phân viện Khoa học An toàn vệ sinh lao động Bảo vệ mơi trường miền Trung; TĨM TẮT Mơ hình biogas xử lý chất thải chăn ni phát triển mạnh vùng nông thôn Việt Nam Tuy nhiên, nồng độ chất hữu chất dinh dưỡng nước thải sau hầm biogas ngưỡng cao Việc tiếp tục xử lý nước thải trước đưa vào nguồn tiếp nhận đòi hỏi tốn chi phí đầu tư xây dựng vận hành Nước thải sau biogas tận dụng để làm phân bón dạng lỏng cho trồng với điều kiện cần phải tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn Salmonella [2] Trong nghiên cứu này, Salmonella nước thải diệt khuẩn phương pháp nhiệt, với yếu tố nhiệt độ thời gian Kết hợp sở lý thuyết, kết nghiên cứu thăm dò ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để xác định giá trị tối ưu phương pháp nhiệt Nghiên cứu cho kết quả: Sau xử lý nước thải sau hầm biogas nhiệt độ 580C thời gian 47 phút Salmonella bị tiêu diệt hoàn toàn ĐẶT VẤN ĐỀ rong năm qua, ngành chăn nuôi Việt Nam phát triển đáng kể Từ năm 1990 nay, ngành có hướng phát triển tương đối ổn định, tốc độ tăng trưởng năm gần đạt đến 9,1% [1] Bên cạnh thành tựu đạt được, ngành chăn nuôi gây nên ảnh hưởng xấu đến môi trường từ chất thải mà chúng sinh [3] T Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí giải pháp thích hợp để xử lý chất thải có nồng độ chất hữu chất rắn cao chất thải chăn ni Sản xuất khí sinh học (biogas) từ chất thải chăn nuôi giải pháp tạo lợi ích kép: Giảm thiểu phát thải khí nhà kính đồng thời chuyển hóa chất thải thành nguồn lượng sạch, hữu ích Tuy nhiên, nồng độ chất hữu chất dinh Ảnh minh họa, nguồn Internet Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 11 Kết nghiên cứu KHCN dưỡng nước thải sau hầm biogas cao, vượt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia nước thải nhiều lần [7] Việc tiếp tục xử lý nước thải thực qui mô chăn nuôi công nghiệp, thông qua biện pháp xử lý sinh học (hồ sinh học tùy tiện, hồ sinh học hiếu khí) trước đưa vào nguồn tiếp nhận Q trình xử lý địi hỏi tốn chi phí xây dựng, vận hành cần nhiều diện tích đất Đối với hộ chăn ni gia đình, nước thải sau biogas chủ yếu tự thấm vào mơi trường đất, dễ dàng phát sinh mùi hôi, ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm đời sống cộng đồng dân cư, trước mắt lâu dài Bên cạnh đó, nước thải sau biogas chứa nhiều chủng loại vi sinh vật gây hại như: Salmonella, Ecoli, hay nhóm ký sinh trùng gây bệnh cho người động vật Do đó, để tái sử dụng an tồn nguồn nước thải làm phân bón dạng lỏng cho trồng cần phải diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella [2] Qua nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm thăm dị phịng thí nghiệm, chúng tơi nhận thấy yếu tố ảnh hưởng đến trình diệt khuẩn Salmonella nước thải sau hầm biogas phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ thời gian Để số thí nghiệm nghiên cứu mà xác định giá trị tối ưu với hàm mục tiêu hiệu suất diệt khuẩn Salmonella 100%, chúng tơi sử dụng tốn qui hoạch thực nghiệm, xác định phương trình hồi qui dạng tuyến tính phi tuyến Từ cho phép xác định điều kiện tối ưu với hàm mục tiêu nêu thăm dò ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella mẫu nước thải 2.2.2 Tối ưu hóa q trình thực nghiệm Từ kết thăm dị phịng thí nghiệm, ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm nhằm xác định giá trị nhiệt độ thời gian tối ưu để diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella mẫu nước thải sau hầm biogas 2.2.3 Kiểm chứng giá trị tối ưu Phân tích kiểm chứng Salmonella mẫu nước thải sau xử lý phương pháp nhiệt với giá trị tối ưu tìm 2.3 Phương pháp 2.3.1 Nghiên cứu lý thuyết Vi khuẩn Salmonella có sức đề kháng tốt, sống mơi trường ngồi thể động vật thời gian dài Salmonella phát triển hoạt động tốt khoảng nhiệt độ định; chúng bị tiêu diệt nhiệt độ đạt khoảng chịu đựng [8] Trong môi trường đất nước, Salmonella sống 2÷3 tuần, nước đá tồn 2÷3 tháng, bị tiêu diệt nhiệt độ 550C 30 phút [6], 1000C phút, 600C sống 10 – 20 phút [6] Đối với phương pháp hóa học kết hợp với vật lý, q trình sản xuất thức ăn chăn ni, vi khuẩn Salmonella bị tiêu diệt nhiệt độ 650C với 0,1% axit fomic 0,2% axit lactic [9] ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng Vi khuẩn Salmonella có nước thải sau hầm biogas hộ gia đình chăn ni gia súc xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng 2.2 Nội dung 2.2.1 Nghiên cứu thăm dò phương pháp nhiệt Trên sở lý thuyết, thực thí nghiệm 12 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN 2.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm Nguyên liệu, hóa chất: thạch SS, NaCl, nước cất, Thiết bị, dụng cụ: Máy khuấy từ gia nhiệt IKA RCT basic, que đo nhiệt độ, đồng hồ bấm giờ, cốc thủy tinh lít, bình định mức, đũa khuấy Quy trình gia nhiệt thực theo bước sau: - Bước 1: Mẫu nước thải sau hầm biogas lấy can lít trường, bảo quản nước đá vận chuyển phịng thí nghiệm - Bước 2: Mẫu nước thải rót định mức vào cốc thủy tinh lít đặt lên máy khuấy từ gia nhiệt - Bước 3: Đun nước thải máy khuấy từ gia nhiệt - Bước 4: Khi thông số nhiệt độ đến giá trị cần nghiên cứu, giữ nhiệt độ khoảng thời gian đặt trước đồng hồ bấm Tiếp tục nâng nhiệt đến giá trị nhiệt độ cao để nghiên cứu mẫu - Bước 5: Mẫu sau gia nhiệt đưa phân tích định lượng vi khuẩn Salmonella Qui hoạch thực nghiệm: Dựa sở lý thuyết cho thấy khả diệt khuẩn Salmonella phụ thuộc vào yếu tố giá trị nhiệt độ thời gian Trong nghiên cứu này, chọn phương án qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp để tính tốn giá trị tối ưu với yếu tố nhiệt độ thời gian KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Kết nghiên cứu thăm dị phương pháp nhiệt Salmonella bị tiêu diệt nhiệt độ 550C thời gian 30 phút 600C 20 phút [5],[6] Để tiết kiệm tối đa lượng sử dụng, chọn giá trị nhiệt độ 550C làm mức sở nghiên cứu thăm dò với khoảng thời gian 15 phút, 30 phút, 45 phút 60 phút Bảng Kết thăm dò hiệu suất diệt khuẩn Salmonella nhiệt độ 550C với khoảng thời gian KӃt quҧÿXQӣ Kết đun nhiӋWÿӝ nhiệt độ 55 550CC &KӍWLrX Ĉ97 15 phút 30 phút 45 phút 60 phút Salmonella CFU/100ml 1450 850 30 31 59,5 98,6 100 +LrҕXVXkғ WGLӋt khuҭn (%) Kết phân tích cho thấy thời điểm nghiên cứu, với giá trị nhiệt độ 550C 60 phút vi khuẩn Salmonella bị tiêu diệt hoàn toàn Ở giá trị nhiệt độ 550C khoảng thời gian 15 phút, 30 phút 45 phút hiệu suất diệt khuẩn Salmonella 31%, 59,5% 98,6% So sánh với kết công bố trước đây: Trong môi trường nước, theo [5] Salmonella bị tiêu diệt nhiệt độ 550C 30 phút So với kết thăm dị phương pháp nhiệt có thay đổi thời gian, cụ thể cần thêm 15 đến 30 phút tiêu diệt Salmonella Nguyên nhân sai khác mơi trường nước thải biogas gây nên Từ kết này, ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm vào nghiên cứu nhằm tìm giá trị tối ưu để diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella nước thải biogas 3.2 Tối ưu hóa q trình thực nghiệm Trên sở kết thăm dò, tiến hành triển khai tổ chức thí nghiệm theo phương án qui hoạch trực giao cấp II, thiết lập thí nghiệm để thực ma trận trực giao 3.2.1 Tổ chức thí nghiệm theo phương án qui hoạch trực giao cấp II Để xây dựng mơ tả tốn học cho q trình diệt khuẩn Salmonella nước thải Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 13 Kết nghiên cứu KHCN sau hầm biogas, từ nghiên cứu lý thuyết kết thăm dò, chọn qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp II, với yếu tố ảnh hưởng (k=2) mức yếu tố (mức sở, mức trên, mức mức *) thể Bảng Từ điều kiện thí nghiệm Bảng 2, xây dựng ma trận thực nghiệm cấp II, cấu trúc có tâm, k = Trong đó: - 2k - Số thí nghiệm cần thực là: N= 2k + 2*k + n0 = 10 thí nghiệm - 2*k = 4: Số thí nghiệm điểm - n0 = 2: Số thí nghiệm tâm Bảng Mức yếu tố thí nghiệm Các yӃu tӕ ҧQKKѭӣng 1KLrҕWÿ{ҕ o X1, C 7KѫҒLJLDQ X2, SK~W Mӭc (+1) 65 60 MӭFFѫVӣ (0) 55 45 MӭFGѭӟi (-1) 45 30 Khoҧng biӃn thiên 10 15 ± 1,078 ± 1,078 10,78 16,17 $OSKDFiQKWD\ÿzQ Mӭc * (± 1,078) - y hiệu suất diệt khuẩn Salmonella thí nghiệm (hàm mục tiêu) - α cánh tay đòn (α = ± 1,078) [4] = 4: Số thí nghiệm nhân phương án Các mӭc - x1, x2: biến mã hóa mức cao, thấp, tâm điểm Sau tiến hành thí nghiệm mã hóa, kết tổng hợp hiệu suất diệt khuẩn Salmonella trình bày Bảng Hiệu suất y (%) = (yo – yu)/yo * 100 - yo giá trị phân tích Salmonella mẫu trống - yu giá trị phân tích Salmonella thí nghiệm (u=1,2, ,10) Bảng Hiệu suất diệt khuẩn Salmonella theo yếu tố ND Stt x1 x2 y (%) -1 -1 26,09 3SQKLrҕW45 C 30 SK~W -1 100 3SQKLrҕW65 C 30 SK~W -1 52,17 3SQKLrҕW45 C 60 SK~W 1 100 3SQKLrҕW65 C 60 SK~W 1,078 100 3SQKLrҕW65,78 C 45 SK~W S.T.1ÿLrѴ P(*) -1,078 39,13 3SQKLrҕW44,22 C 45 SK~W 2.k 1,078 100 3SQKLrҕW55 C 61,17 SK~W -1,078 45,65 3SQKLrҕW55 C 28,83 SK~W 0 96,96 3SQKLrҕW 55 C 45 SK~W 10 0 98,70 3SQKLrҕW55 C 45 SK~W S.T.N nhân k 3KѭѫQJDғQ2 S.T.N tâm n0 14 &K~WKtFKWKtQJKLӋm 0 0 0 0 0 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN Bảng Ma trận thực nghiệm cấp II cấu trúc có tâm 2 a x0 x1 x2 x1x2 x1 x2 y (%) 1 -1 -1 1 26,09 1 -1 -1 1 100 -1 -1 1 52,17 1 1 1 100 1,078 0 1,162 100 -1,078 0 1,162 39,13 1,078 0 1,162 100 -1,078 0 1,162 45,65 0 0 96,96 10 0 0 98,70 Đổi biến: x’1 = x12 – 1/N(2k + 2α2) => x’1 = x12 – 0,632 x’2 = x12 – 1/N(2k + 2α2) => x’2 = x22 – 0,632 Bảng Ma trận trực giao cấp II sau đổi biến STN x0 x1 x2 x1x2 x'1 x'2 y (%) 1 -1 -1 0,368 0,368 26,09 1 -1 -1 0,368 0,368 100 -1 -1 0,368 0,368 52,17 1 1 0,368 0,368 100 1,078 0 0,530 -0.632 100 -1,078 0 0,530 -0.632 39,13 1,078 -0,632 0,530 100 -1,078 -0,632 0,530 45,65 0 -0,632 -0,632 96,96 10 0 -0,632 -0,632 98,70 Trong đó: - x1 : biến mã nhiệt độ - x2 : biến mã thời gian - y :hiệu suất diệt khuẩn Salmonella Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 15 Kết nghiên cứu KHCN - Thí nghiệm 10 thí nghiệm tâm phương án Từ kết Bảng nhận thấy, tổ hợp thí nghiệm ảnh hưởng đến hiệu suất diệt khuẩn Sự biến thiên nhiệt độ thời gian dẫn đến thay đổi khả tiêu diệt vi khuẩn Salmonella Từ kết đó, chúng tơi xây dựng hàm mục tiêu y để biểu diễn quan hệ nhiệt độ thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn 3.2.2 Xây dựng mơ tả tốn học cho hàm mục tiêu diệt khuẩn Salmonella a Chọn mô tả toán học Đổi biến: x’1 = x12 – 1/N(2k + 2α2) => x’1 = x12 – 0,632 x’2 = x12 – 1/N(2k + 2α2) => x’2 = x22 – 0,632 Phương trình hồi qui đổi biến có dạng: b Xác định hệ số b phương trình c Kiểm tra ý nghĩa hệ số b Để kiểm tra mức ý nghĩa hệ số phương trình hồi qui sử dụng chuẩn Student Hệ số có nghĩa nếu: tj ≥ t(p,f) Trong tj: chuẩn Student tính toán tương ứng với hệ số thứ j bj: hệ số phương trình hồi qui So sánh tj với t(p,f) - t(p,f) chuẩn Student tra bảng ứng với p = 0,05 bậc tự f = no – = - Sbj độ lệch chuẩn chuẩn số số bj, Sbj xác định sau: 16 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN F(p,f1,f2): Tra bảng chuẩn số Fisher ứng với độ tin cậy p=0,05, f1=5 (bậc tự phương sai dư), f2=1 (bậc tự để tính phương sai tái hiện) Tra bảng ta F(0,05;5;1) = 215,7 So sánh Ftn< F(0,05;5;1) cho thấy phương trình hồi qui phù hợp với mơ hình thực nghiệm Xác định phương sai tái sử dụng kết thí nghiệm tâm (9,10) bảng trên: y 01= 96,96 ; y 02= 98,70 Hiệu suất diệt khuẩn trung bình tâm là: Phương sai tái S 2th là: Chuẩn student (ttn) tương ứng với hệ số tính theo cơng thức có giá trị sau: tb'o = 195,039 tb2 = 27,399 tb’11 = 19,584 tb1 = 60,623 tb12 = 10,605 tb’22 = 15,838 - Tra bảng: t(p,f) = t(0,05;1) = 12,71 - So sánh ttn tb ta có tb12< t(p,f) nên hệ số b12 bị loại khỏi phương trình hồi qui Vậy phương trình hồi qui có dạng: Để đối biến trở lại ta thay: x’1 = x12 – 0,632, x’2 = x22 – 0,632 vào phương trình (1): d Kiểm định phù hợp phương trình với thực nghiệm Sự tương thích phương trình với thực nghiệm kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher (F) Có: Stt2 = σN y u )2 u =1 (y u െ ෥ Nên:Ftn = S 2tt S 2th NെL = 258,735 = 171,121 Từ (2), sử dụng công cụ Solver-Ms.Excel để xác định giá trị tối ưu phương trình hồi qui sử dụng phần mềm Statistica để vẽ đồ thị ảnh hưởng yếu tố phương pháp nhiệt đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella - Giá trị tối ưu tìm x1 = 0,23 x2 = 0,11 - Đổi biến mã giá trị tính được, giá trị tối ưu thực nghiệm tìm là: X1 = 57,130C X2 = 46,53 phút 3.2.3 Bàn luận Từ phương trình hồi qui (2) cho thấy, phạm vi nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm, nhiệt độ yếu tố tác động lớn đến trình loại bỏ vi khuẩn Salmonella theo chiều tăng dần so với mức sở, yếu tố lại thời gian có mức ảnh hưởng thấp dẫn đến xuất hiệu suất diệt khuẩn tối ưu ứng với giá trị x1= 0,23 x2=0,11 Thay giá trị tối ưu vào phương trình hồi qui (2) ta hiệu suất diệt khuẩn Salmonella 99,99%, tương ứng đơn vịlog Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 1,2&3-2018 17 Kết nghiên cứu KHCN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Báo cáo ngành thức ăn chăn nuôi Q2/2016, Virac JSC 1a Đồ thị bề mặt không gian chiều 1b Đồ thị viền không gian chiều [2] Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn (2010), Thông tư số 36/2010/TT-BNNPTNT ngày 24/6/2010 việc ban hành Quy định sản xuất, kinh doanh sử dụng phân bón Hình Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella [3] Bùi Hữu Đồn (2011), Quản lý chất thải chăn ni, Nhà Xuất Nông nghiệp Hà Nội Từ kết trên, giá trị tối ưu chọn (làm tròn) theo phương pháp nhiệt nhiệt độ 580C với thời gian lưu nhiệt 47 phút [4] Bùi Minh Trí (2005), Xác suất thống kê qui hoạch thực nghiệm, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 3.3 Kiểm chứng giá trị tối ưu tìm Sau tìm giá trị tối ưu, kiểm chứng hiệu suất diệt khuẩn Salmonella với giá trị nhiệt độ 580C thời gian 47 phút Nhận xét: Từ kết bảng trên, với nhiệt độ 580C thời gian 47 phút diệt khuẩn hoàn toàn vi khuẩn Salmonella mẫu nước thải biogas Bảng Kết kiểm chứng giá trị tối ưu Stt &KӍWLrX Ĉvt rғ WTXDѴ17TU Salmonella CFU/100ml Âm tính Ghi KẾT LUẬN Đã ứng dụng qui hoạch thực nghiệm vào nghiên cứu, giá trị tối ưu tìm phù hợp với điều kiện thực tế ứng với hiệu suất diệt khuẩn 100% nhiệt độ 580C thời gian 47 phút Kết báo phần nội dung nghiên cứu chúng tơi tối ưu hóa diệt khuẩn Salmonella nước thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng cho trồng Trên đối tượng trồng (rau muống), chúng tơi thực việc bón thúc nước thải sau biogas (đã qua xử lý) bón thúc phân hữu vi sinh thực nghiệm, kết sau 20 ngày, rau muống lô thử nghiệm có sinh trưởng phát triển tương đồng Những nội dung, kết nghiên cứu báo bước ứng dụng nước thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng trồng lần công bố Việt Nam 18 [5] Lê Trình (1997), Quan trắc kiểm sốt nhiễm mơi trường nước, Nhà xuất Khoa học công nghệ [6] Lê Xuân Phương (2001), Vi sinh vật công nghiệp, Nhà Xuất Xây dựng Hà Nội [7] Nguyễn Thị Hồng, Phạm Khắc Liệu (2012), Đánh giá hiệu xử lý nước thải chăn ni lợn hầm biogas quy mơ hộ gia đình Thừa Thiên Huế, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, tập 73, số [8] Burge WD, Cramer WN, Epstein E (1978), Destruction of pathogens in sewage sludge by composting Trans ASAE 21: 510-514 [9] Isabel Rodríguez Amado, Jose Antonio Vá zquez, Pau blo Fucinnos, Optimization of Antimicrobial Combined Effect of Organic Acids and Temperature on Foodborne Salmonella and Escherichia coli in Cattle Feed by Response Surface Methodology DOI:10.1089/fpd.2013.1559 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 ... Salmonella mẫu nước thải sau hầm biogas 2.2.3 Kiểm chứng giá trị tối ưu Phân tích kiểm chứng Salmonella mẫu nước thải sau xử lý phương pháp nhiệt với giá trị tối ưu tìm 2.3 Phương pháp 2.3.1 Nghiên... trường nước thải biogas gây nên Từ kết này, ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm vào nghiên cứu nhằm tìm giá trị tối ưu để diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella nước thải biogas 3.2 Tối ưu hóa trình. .. đến trình diệt khuẩn Salmonella nước thải sau hầm biogas phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ thời gian Để số thí nghiệm nghiên cứu mà xác định giá trị tối ưu với hàm mục tiêu hiệu suất diệt khuẩn Salmonella