МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ВЛИЯНИЮ pH ПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ НА ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ БИОКОНВЕРСИИ С ПОМОЩЬЮ ВЕРМИКУЛЬТУРЫ

1

• Авторы
• Файлы

Ганджалова А.А. Гoлyбь А. Костин В.Е. Соколова Н.А. Статья в формате PDF 412 KB

Утилизация пищевых отходов является актуальной проблемой современного общества. В настоящее время, в абсолютном большинстве случаев, утилизация пищевых отходов, осуществляется путём размещения их на специальных полигонах, что не является удовлетворительным экологическим и экономическим решением. Проблема усложняется тем, что пищевые отходы имеют высокую влажность (порядка 80 %), быстро закисают, загнивают и становятся источниками заражения окружающей среды патогенной микрофлорой. Гниющие продукты являются пищей для различных видов переносчиков болезней (мухи, таpaканы, грызуны и др.), а также источником неприятного запаха.

Однако пpaктически любые пищевые отходы можно биоконвертировать с помощью вермикультуры в полезные продукты: вермикомпост (ценное органическое удобрение) и биомассу вермикультуры, которые можно использовать в сельском хозяйстве.

Ввиду, того, что пищевые отходы на момент утилизации могут иметь различный, возможно сильно отличающийся, показатель рН, то представляет существенный интерес влияние фактора рН на возможность и скорость их переработки вермикультурой. Для экспериментальной проверки влияния рН на параметры биоконверсии с помощью вермикультуры с применением математических методов планирования эксперимента разработана методика, базирующаяся на следующих допущениях:

• номинальная численность вермикультуры в условиях эксперимента постоянна;
• исследуемые виды пищевых отходов не оказывают токсического, отпугивающего и обездвиживающего воздействия на вермикультуру и не препятствуют её свободному перемещению;
• вермикультура может сосредоточиться в малых объемах прострaнcтва; полностью переходить в области закладки отходов;
• в начальный момент времени вермикультура распределена по всему объему контейнера равномерно.

Судить об эффективности процесса биоконверсии можно по увеличившейся плотности вермикультуры в зоне закладки отходов над общим фоном. Поскольку эксперимент предполагает подвергнуть сравнению значительное число пищевых отходов, а техническое оснащение позволяет проводить не более трех параллельных опытов, целесообразно выбрать путь совместного испытания различных видов отходов в одном контейнере. Это приведет к сокращению общего числа опытов и времени всего исследования.

Для обеспечения достоверности получаемых результатов требуется соблюсти условие равновозможного доступа вермикультуры к предлагаемым видам отходов при максимальной взаимной удаленности. В общем случае каждый вид отходов, вне зависимости от его показателя рН, может оказаться и пригодным или непригодным для биоконверсии. С ростом числа испытуемых отходов с различным рН, вероятность совместного наступления события, при котором ни один из отходов не подвергается биоконверсии, кратно убывает.

Поскольку эксперимент ставит целью выявить, по крайней мере, один положительный исход, то для трех и более видов отходов с различным рН, можно исключить наименее благоприятный случай из гипотез в соответствии с принципом невозможности наступления маловероятных событий.

Равномерность распределения точек распределения отходов по контейнеру требует особого порядка чередования (рисунок).

Очевидно, что сетки, построенные из полигонов с большим числом сторон, не удобны для пpaктического применения. Кроме того, увеличение видов испытуемых отходов влечет пропорциональное возрастание числа точек внесения в контейнер.

Пределом наилучшей предрасположенности конкретного вида отходов с определённым показателем рН будем считать случай, когда 90 % номинального количества вермикультры контейнера займёт прострaнcтво в зоне расположения данного вида отходов. Примем требуемый уровень достоверности гипотезы равным 0,95.

Для оценки количества точек внесения отходов с различным показателем рН воспользуемся интегральной теоремой Лапласа, устанавливающей взаимосвязь между интервалом числа появлений события с постоянной и отличной от нуля вероятностью в n испытаниях, и определенным интегралом (приводимым в таблицах).

　

где 

k₁, k₂ - число появлений события; p, q = (p - 1) - вероятности взаимоисключающих событий.

Отыщем минимально достаточное количество n, хаpaктеризующее выдвинутую гипотезу на заданном уровне значимости.

Рассматривая вариант с тремя видами отходов по показателю рН, полагаем p = 1/3 - вероятность предпочтения одного вида отходов другим, тогда q = 2/3. Случаев выбора одного вида отходов - от 0 до 0,9n. Поскольку вероятность достоверного события равна единице, то значение функции Лапласа Ф₁, при котором бы выбор делался бы в пользу одного вида отходов в 90 % случаев, и Ф₂, хаpaктеризующего событие нулевой возможности биоконверсии, в сумме дает единицу. С поправкой на уровень значимости - 0,95.

Проводя сокращения:

Для больших значений Ф возможно усреднить аргументы:

Табличное значение аргумента - 1,96. Откуда n = 4,2. Округляя в большую сторону, окончательно находим n = 5. Суммарное же количество зон расположения отходов с различными показателями рН составит N = 3n = 15.

Учитывая геометрию контейнера, вариант с тремя видами отходов, имеющих различные показатели рН, оказывается наиболее предпочтительным.

---