Tối ưu hóa quá trình diệt khuẩn salmonella trong nước thải sau hầm biogas bằng phương pháp nhiệt
Tóm tắt
Mô hình biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi đang phát triển mạnh ở các vùng nông thôn tại Việt Nam. Tuy nhiên, nồng độ chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải sau hầm biogas vẫn còn ở ngưỡng cao. Việc tiếp tục xử lý nước thải trước khi đưa vào nguồn tiếp nhận đòi hỏi tốn kém về chi phí đầu tư xây dựng và vận hành.
Nước thải sau biogas có thể được tận dụng để làm phân bón dạng lỏng cho cây trồng với điều kiện cần là phải tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn Salmonella [2]. Trong nghiên cứu này, Salmonella trong nước thải được diệt khuẩn bằng phương pháp nhiệt, với 2 yếu tố chính là nhiệt độ và thời gian. Kết hợp cơ sở lý thuyết, kết quả nghiên cứu thăm dò và ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để xác định giá trị tối ưu của phương pháp nhiệt. Nghiên cứu này cho kết quả: Sau khi xử lý nước thải sau hầm biogas ở nhiệt độ 580C trong thời gian 47 phút thì Salmonella bị tiêu diệt hoàn toàn.
1. Đặt vấn đề
Trong những năm qua, ngành chăn nuôi ở Việt Nam đã phát triển đáng kể. Từ năm 1990 cho đến nay, ngành có hướng phát triển tương đối ổn định, tốc độ tăng trưởng trong những năm gần đây đạt đến 9,1% [1]. Bên cạnh những thành tựu đạt được, ngành chăn nuôi đã và đang gây nên ảnh hưởng xấu đến môi trường từ chất thải mà chúng sinh ra [3].
Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí là giải pháp thích hợp để xử lý chất thải có nồng độ chất hữu cơ và chất rắn cao như là chất thải chăn nuôi. Sản xuất khí sinh học (biogas) từ chất thải chăn nuôi là giải pháp tạo ra lợi ích kép: Giảm thiểu phát thải khí nhà kính đồng thời chuyển hóa chất thải thành nguồn năng lượng sạch, hữu ích. Tuy nhiên, nồng độ chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải sau hầm biogas vẫn còn cao, vượt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải nhiều lần [7]. Việc tiếp tục xử lý nước thải này chỉ đang được thực hiện ở qui mô chăn nuôi công nghiệp, thông qua các biện pháp xử lý sinh học tiếp theo (hồ sinh học tùy tiện, hồ sinh học hiếu khí) trước khi đưa vào nguồn tiếp nhận. Quá trình xử lý này đòi hỏi tốn kém về chi phí xây dựng, vận hành và cần nhiều diện tích đất. Đối với những hộ chăn nuôi gia đình, nước thải sau biogas chủ yếu là tự thấm vào môi trường đất, do đó rất dễ dàng phát sinh mùi hôi, ảnh hưởng đến nguồn nước ngầmcũng như đời sống cộng đồng dân cư, trước mắt cũng như lâu dài.
Bên cạnh đó, nước thải sau biogas còn chứa nhiều chủng loại vi sinh vật gây hại như: Salmonella, Ecoli, hay những nhóm ký sinh trùng gây bệnh cho người và động vật.Do đó, để tái sử dụng an toàn nguồn nước thải làm phân bón dạng lỏng cho cây trồngcần phải diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella [2].
Qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thăm dò tại phòng thí nghiệm, chúng tôi nhận thấy rằng yếu tố ảnh hưởng đến quá trình diệt khuẩn Salmonella trong nước thải sau hầm biogas phụ thuộc vào 2 yếu tố là nhiệt độ và thời gian.Để số thí nghiệm nghiên cứu là ít nhất mà vẫn xác định được giá trị tối ưu với hàm mục tiêu là hiệusuất diệt khuẩn Salmonella 100%, chúng tôi đã sử dụng bài toán qui hoạch thực nghiệm, xác định phương trình hồi qui dạng tuyến tính hoặc phi tuyến. Từ đó cho phép xác định được điều kiện tối ưu với hàm mục tiêu nêu trên.
2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
2.1. Đối tượng
Vi khuẩn Salmonella có trong nước thải sau hầm biogas ở hộ gia đình chăn nuôi gia súc ở xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng.
2.2. Nội dung
2.2.1. Nghiên cứu thăm dò bằng phương pháp nhiệt
Trên cơ sở lý thuyết, thực hiện thí nghiệm thăm dò về sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella trong mẫu nước thải.
2.2.2. Tối ưu hóa quá trình thực nghiệm
Từ kết quả thăm dò ở phòng thí nghiệm, ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm nhằm xác định giá trị nhiệt độ và thời gian tối ưu để diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella trong mẫu nước thải sau hầm biogas.
2.2.3. Kiểm chứng giá trị tối ưu
Phân tích kiểm chứng Salmonella trong mẫu nước thải sau khi xử lý bằng phương pháp nhiệt với giá trị tối ưu tìm được.
2.3. Phương pháp
2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết
Vi khuẩn Salmonella có sức đề kháng tốt, có thể sống ở môi trường ngoài cơ thể động vật trong thời gian dài. Salmonella chỉ có thể phát triển và hoạt động tốt trong khoảng nhiệt độ nhất định; chúng có thể bị tiêu diệt nếu nhiệt độ đạt quá khoảng chịu đựng [8]. Trong môi trường đất hoặc nước, Salmonella có thể sống được 2÷3 tuần, trong nước đá tồn tại 2÷3 tháng, bị tiêu diệt ở nhiệt độ 550C trong 30 phút [6], 1000C trong 5 phút, ở 600C sống được 10 – 20 phút [6]. Đối với phương pháp hóa học kết hợp với vật lý, trong quá trình sản xuất thức ăn chăn nuôi, vi khuẩn Salmonella bị tiêu diệt ở nhiệt độ 650C với 0,1 % axit fomic hoặc 0,2 % axit lactic [9].
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 1 lít, bình định mức, đũa khuấy.
Quy trình gia nhiệt thực hiện theo các bước sau:
– Bước 1: Mẫu nước thải sau hầm biogas lấy trong can 5 lít tại hiện trường, được bảo quản bằng nước đá và vận chuyển về phòng thí nghiệm.
– Bước 2: Mẫu nước thải được rót và định mức vào cốc thủy tinh 1 lít và đặt lên máy khuấy từ gia nhiệt.
– Bước 3: Đun nước thải bằng máy khuấy từ gia nhiệt.
– Bước 4: Khi thông số nhiệt độ đến giá trị cần nghiên cứu, giữ nhiệt độ này trong khoảng thời gian đặt trước bằng đồng hồ bấm giờ. Tiếp tục nâng nhiệt đến giá trị nhiệt độ cao hơn để nghiên cứu các mẫu tiếp theo.
– Bước 5: Mẫu sau gia nhiệt được đưa đi phân tích định lượng vi khuẩn Salmonella.
Qui hoạch thực nghiệm: Dựa trên cơ sở lý thuyết cho thấy khả năng diệt khuẩn Salmonella phụ thuộc vào 2 yếu tố là giá trị nhiệt độ và thời gian. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn phương án qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 để tính toán giá trị tối ưu với 2 yếu tố nhiệt độ và thời gian.
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. Kết quả nghiên cứu thăm dò bằng phương pháp nhiệt
Salmonella có thể bị tiêu diệt ở nhiệt độ 550C trong thời gian 30 phút và 600C trong 20 phút [5],[6]. Để tiết kiệm tối đa năng lượng sử dụng, chúng tôi chọn giá trị nhiệt độ 550C làm mức cơ sở nghiên cứu thăm dò với các khoảng thời gian 15 phút, 30 phút, 45 phút và 60 phút.
Bảng 1. Kết quả thăm dò hiệu suất diệt khuẩn Salmonella ở nhiệt độ 550Cvới các khoảng thời gian
Kết quả phân tích trên cho thấy tại thời điểm nghiên cứu, với giá trị nhiệt độ là 550C trong 60 phút thì vi khuẩn Salmonella bị tiêu diệt hoàn toàn. Ở giá trị nhiệt độ 550C trong những khoảng thời gian 15 phút, 30 phút và 45 phút thì hiệu suất diệt khuẩn Salmonella lần lượt sẽ là 31%, 59,5% và 98,6%.
So sánh với các kết quả công bố trước đây: Trong môi trường nước, theo [5] Salmonella sẽ bị tiêu diệt ở nhiệt độ 550C trong 30 phút. So với kết quả thăm dò bằng phương pháp nhiệt có sự thay đổi về thời gian, cụ thể là cần thêm 15 đến 30 phút mới có thể tiêu diệt được Salmonella. Nguyên nhân của sự sai khác này có thể là do môi trường nước thải biogas gây nên.
Từ kết quả này, chúng tôi ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm vào nghiên cứu nhằm tìm ra giá trị tối ưu để diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella trong nước thải biogas.
3.2. Tối ưu hóa quá trình thực nghiệm
Trên cơ sở kết quả thăm dò, tiến hành triển khai tổ chức thí nghiệm theo phương án qui hoạch trực giao cấp II, thiết lập các thí nghiệm để thực hiện ma trận trực giao.
3.2.1. Tổ chức thí nghiệm theo phương án qui hoạch trực giao cấp II
Để xây dựng mô tả toán học cho quá trình diệt khuẩn Salmonella trong nước thải sau hầm biogas, từ nghiên cứu lý thuyết và kết quả thăm dò, chúng tôi chọn qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2, với 2 yếu tố ảnh hưởng (k=2) và mức các yếu tố (mức cơ sở, mức trên, mức dưới và mức *) được thể hiện ở bảngdưới đây:
Từ điều kiện thí nghiệm ở bảng 2, xây dựng được ma trận thực nghiệm cấp II, cấu trúc có tâm, k = 2.
Trong đó:
– 2k = 4: Số thí nghiệm tại nhân phương án.
– 2*k = 4: Số thí nghiệm điểm sao.
– n0 = 2: Số thí nghiệm tại tâm.
– x1, x2: biến mã hóa tại các mức cao, thấp, tâm và các điểm sao.
– y là hiệu suất diệt khuẩn Salmonella ở từng thí nghiệm (hàm mục tiêu).
– α là cánh tay đòn (α = ± 1,078) [4].
– Số thí nghiệm cần thực hiện là: N= 2k + 2*k + n0 = 10 thí nghiệm.
Sau khi tiến hành thí nghiệm và mã hóa, kết quả tổng hợp hiệu suất diệt khuẩn Salmonella được trình bày ở bảng 3.
Hiệu suất y (%) = (yo – yu)/yo * 100
– yo là giá trị phân tích Salmonella của mẫu trống
– yu là giá trị phân tích Salmonella ở từng thí nghiệm (u=1,2,…,10)
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
– x1 : biến mã của nhiệt độ.
– x2 : biến mã của thời gian.
– y : hiệu suất diệt khuẩn Salmonella.
– Thí nghiệm 9 và 10 là 2 thí nghiệm ở tâm phương án.
Từ kết quả ở bảng 5 nhận thấy, mỗi một tổ hợp thí nghiệm đều ảnh hưởng đến hiệu suất diệt khuẩn. Sự biến thiên về nhiệt độ và thời gian sẽ dẫn đến những thay đổi về khả năng tiêu diệt vi khuẩn Salmonella. Từ kết quả đó, chúng tôi xây dựng hàm mục tiêu y để biểu diễn quan hệ của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn.
3.2.2. Xây dựng mô tả toán học cho hàm mục tiêu diệt khuẩn Salmonella
a. Chọn mô tả toán học
b. Xác định hệ số b trong phương trình
c. Kiểm tra ý nghĩa của các hệ số b
Để kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số trong phương trình hồi qui sử dụng chuẩn Student. Hệ số có nghĩa nếu: tj ≥ t(p,f)
Trong đó tj: chuẩn Student tính toán tương ứng với hệ số thứ j
bj: là hệ số trong phương trình hồi qui
So sánh tj với t(p,f)
– t(p,f) là chuẩn Student tra bảng ứng với p = 0,05 và bậc tự do f = no – 1 = 1
– Sbj là độ lệch chuẩn của các chuẩn số số bj, Sbj được xác định như sau:
Xác định phương sai tái hiện sử dụng kết quả của 2 thí nghiệm tại tâm (9,10) trong bảng trên:
d. Kiểm định sự phù hợp của phương trình trên với thực nghiệm
Sự tương thích của phương trình với thực nghiệm được kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher (F).
F (p,f1,f2): Tra bảng của chuẩn số Fisher ứng với độ tin cậy p=0,05, f1=5 (bậc tự do của phương sai dư), f2=1 (bậc tự do để tính phương sai tái hiện). Tra bảng ta được F(0,05;5;1) = 215,7
So sánh Ftn< F(0,05;5;1) cho thấy phương trình hồi qui phù hợp với mô hình thực nghiệm.
Từ (2), sử dụng công cụ Solver-Ms.Excel để xác định giá trị tối ưu của phương trình hồi qui và sử dụng phần mềm Statistica để vẽ đồ thịvề sự ảnh hưởng của các yếu tố trong phương pháp nhiệt đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella.
– Giá trị tối ưu tìm được x1 = 0,23 và x2 = 0,11
– Đổi biến mã các giá trị tính được, giá trị tối ưu thực nghiệm tìm được là: X1 = 57,130C và X2 = 46,53 phút.
3.2.3. Bàn luận
Từ phương trình hồi qui (2) cho thấy, trong phạm vi nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm, nhiệt độ là yếu tố tác động lớn nhất đến quá trình loại bỏ vi khuẩn Salmonella và theo chiều tăng dần so với mức cơ sở, yếu tố còn lại là thời gian có mức ảnh hưởng thấp hơn và dẫn đến xuất hiện hiệu suất diệt khuẩn tối ưu ứng với các giá trị x1= 0,23 và x2=0,11. Thay giá trị tối ưu vào phương trình hồi qui (2) ta được hiệu suất diệt khuẩn Salmonella là 99,99%, tương ứng 4 đơn vị-log.
1a. Đồ thị bề mặt không gian 3 chiều 1b. Đồ thị viền không gian 3 chiều
Hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella
Từ kết quả trên, giá trị tối ưu được chọn (làm tròn) theo phương pháp nhiệt là nhiệt độ 580C với thời gian lưu nhiệt là 47 phút.
3.3. Kiểm chứng giá trị tối ưu tìm được
Sau khi tìm được giá trị tối ưu, kiểm chứng hiệu suất diệt khuẩn Salmonella với giá trị nhiệt độ là 580C trong thời gian 47 phút.
Nhận xét: Từ kết quả bảng trên, với nhiệt độ 580C trong thời gian 47 phút thì diệt khuẩn hoàn toàn vi khuẩn Salmonella trong mẫu nước thải biogas.
4. Kết luận
Đã ứng dụng qui hoạch thực nghiệm vào trong nghiên cứu, giá trị tối ưu tìm được phù hợp với điều kiện thực tế ứng với hiệu suất diệt khuẩn 100% là nhiệt độ 58oC trong thời gian 47 phút.
Kết quả của bài báo là một phầnnội dung nghiên cứu của chúng tôi về tối ưu hóa diệt khuẩn Salmonella trong nước thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng cho cây trồng. Trên đối tượng cây trồng (rau muống),chúng tôi đã thực hiện việc bón thúc bằng nước thải sau biogas (đã qua xử lý) và bón thúc bằng phân hữu cơ vi sinhở ngoài thực nghiệm, kết quả sau 20 ngày, rau muống ở 2 lô thử nghiệm có sự sinh trưởng và phát triển tương đồng nhau. Những nội dung, kết quả nghiên cứu của bài báo này là những bước đầu tiên vềứng dụng nước thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng trên cây trồng và lần đầu tiên được công bố ở Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Báo cáo ngành thức ăn chăn nuôi Q2/2016, Virac JSC.
[2] Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn (2010), Thông tư số 36/2010/TT-BNNPTNT ngày 24/6/2010 về việc ban hành Quy định sản xuất, kinh doanh và sử dụng phân bón.
[3] Bùi Hữu Đoàn (2011), Quản lý chất thải chăn nuôi, Nhà Xuất bản Nông nghiệp Hà Nội.
[4] Bùi Minh Trí (2005), Xác suất thống kê và qui hoạch thực nghiệm, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
[5] Lê Trình, Quan trắc và kiểm soát ô nhiễm môi trường nước, Nhà xuất bản khoa học công nghệ, năm 1997.
[6] Lê Xuân Phương (2001), Vi sinh vật công nghiệp, Nhà Xuất bản Xây dựng Hà Nội.
[7] Nguyễn Thị Hồng, Phạm Khắc Liệu (2012), Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng hầm biogas quy mô hộ gia đình ở Thừa Thiên Huế, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012.
[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
TS. Huỳnh Anh Hoàng1, ThS. Nguyễn Lê Anh Hào2, ThS. Lê Đức Anh3
1Khoa Môi trường, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng;
2Công ty Tư vấn Xây dựng Môi trường Trung Nam;
3Phân viện khoa học An toàn vệ sinh lao động và Bảo vệ môi trường miền Trung;
(Nguồn tin: Vnniosh.vn)
