Tài liệu Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải

Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải Mục lục III 123123- 45- 6- Mở đầu Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Màng sinh học Các loại màng Cơ chế hoạt động của màng sinh học Các quan hệ động học cơ bản Mô hình điều kiện ổn định Mô hình động học cho một thiết bị yếm khí Mô hình thiết bị dạng cột bọt 1. Sự hình thành bọt khí 1. Sự hình thành bọt qua hệ thống lỗ 1. Quá trình truyền nhiệt 1. Quá trình chuyển khối Lý thuyết về màng lọc Thuyết mô hình hoà tan và khuếch tán Thuyết mô hình por Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của quá trình sinh học: 1. Hiệu ứng vi sinh vật 1. Sự vận chuyển ôxy 1. ảnh hưởng của các chất trong môi trường 1. ảnh hưởng của pH Cơ chế tách loại các chất bẩn trong nước thải bằng vi sinh vật: 1. Sự thấm hút bề mặt 1. Cơ chế tẩy màu 1. Quá trình thối rữa 1. Cơ chế của việc tách loại chất hữu cơ trong quá trình ôxy hoá sinh 4 5 5 6 6 9 12 14 18 18 19 21 23 24 24 26 28 28 29 30 31 31 31 32 32 32 học 7 - Mô hình tối ưu & tối ưu hoá hệ thống thiết bị dạng tháp sử dụng bùn hoạt 35 tính: III - Mô hình thí nghiệm & kết quả 1Đặc tính chung của nước thải sản xuất bia 1. Đánh giá sơ bộ về nước thải sản xuất bia 1. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sinh trưởng & phát triển của vi sinh 2- vật Nghiên cứu lựa chọn vật liệu lọc làm chất mang 1. Vật liệu là lõi ngô 1. Vật liệu là mùn cưa 1. Vật liệu là sỏi, đá dăm 38 38 38 40 40 40 40 41 1 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải 345- 6- 1. Vật liệu là PE 1. Vật liệu là Xốp PolyStyrol Mô hình và qui trình thí nghiệm ảnh chụp sự hình thành & Phát triển của vi sinh vật trên lớp mang Kết quả thí nghiệm 1. Thay đổi nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải. 1. Thay đổi lưu lượng khí cấp 1. Thay đổi pH của môi trường 1. Thay đổi lưu lượng nước thải qua lớp lọc Mô hình thực nghiệm nghiên cứu sự tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước 41 41 42 45 46 46 49 51 53 55 thải 1. Ma trận thí nghiệm 1. Ma trận kế hoạch thực nghiêm 1. Ma trận kế hoạch có tính đến hiệu ứng tác dụng kép 1. Kiểm tra tính tương hợp của phương trình 1. Chuyển phương trình về biến thực Kết luận Tài liệu tham khảo 56 57 58 59 61 62 64 • Mở đầu Thực trạng môi trường nước ở nước ta ngày càng bị ô nhiễm nặng do nước thải tại các khu dân cư cũng nh các cơ sở sản xuất thải ra môi trường mà chưa qua xử lý. Chỉ tính riêng Thành phố Hà nội, lượng nước thải chưa qua xử lý đổ ra môi trường là hàng trăm ngàn m3 nước thải mỗi ngày. Để giải quyết vấn đề nước thải, tại Việt nam còng nh trên Thế giới, các nhà khoa học đã và đang đưa ra nhiều giải pháp kỹ thuật đa dạng, đồng bộ cho xử lý nước thải. Các phương pháp phổ biến được áp dụng là: • Phương pháp Sinh - Hoá hoặc Hoá - Sinh kết hợp; 2 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải • Phương pháp lọc sinh học - kết hợp hoá học; • Phương pháp Aeroten; Phương pháp bùn hoạt tính; Hồ sinh học hoặc kỵ khí v.v. • Phương pháp hoá - lý thông thường . Mỗi phương pháp xử lý đều có những ưu, nhược điểm nhất định: 1. Phương pháp AEROTEN - Hoá cũng nh phương pháp UBSA - Hoá cho hiệu quả xử lý nước thải là tương đối nhưng lại cần một diện tích rất lớn, đầu tư ban đầu cao. Bên cạnh đó, việc ứng dụng các tiến bộ của Khoa học Kỹ thuật ở Việt nam chưa đồng bộ do thiếu thốn về kinh phí cũng như kinh nghiệm và nhất là đặc diểm khí hậu ôn đới ở Miền Bắc Việt nam ( đặc biệt về Mùa Đông ) đã làm giảm đáng kể hiệu quả của các phương pháp xử lý này. • Phương pháp hoá lý là phương pháp đơn giản, giá thành đầu tư vừa phải nhưng lại chỉ áp được cho xử lý các loại nước thải chứa các chất thải vô hoặc hữu cơ dễ tách loại với chi phí hoá chất tương đối cao. • Phương pháp lọc sinh học - hoá học mà cơ sở là việc tạo màng lọc sinh học với giá thành đầu tư không cao, phương pháp sử dụng đơn giản, đặc biệt diện tích mặt bằng cần cho khu xử lý rất khiêm tốn hiện đang là phương pháp xử lý được quan tâm trên thế giới, nhất là cho xử lý nước thải tại các Thành phố lớn, các khu chật hẹp thiếu diện tích. Tuy nhiên, các quá trình sinh học luôn là quá trình phức tạp và cần các điều kiện thích hợp. Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước thải là xác định được các yếu cũng như điều kiện thích hợp cho sù sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật để hình thành màng lọc sinh học. Sự hình thành màng lọc sinh học là cơ sở khoa học quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải cũng như việc chọn mô hình thiết bị và trạm xử lý nước thải cho từng điều kiện thực tế. ii. Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: 3 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải Các quá trình sinh học cơ bản thường sử dụng cho xử lý nước thải là: Quá trình bùn hoạt tính; Lọc nhỏ giọt; Phân huỷ yếm khí; Hồ sinh học v.v.. Về cơ bản các quá trình đều liên quan tới các loại thiết bị sử dụng, sự tiếp xúc giữa vi sinh vật với pha lỏng, mức độ tạo hỗn hợp v.v. Theo quan điểm sinh học, đa số các quá trình có thể được phân chia theo nhiều cách, chẳng hạn: Theo dòng hồi lưu; Theo mức độ làm giàu vi sinh vật có đặc tính xác định bằng các tính chất của nước thải; Theo điều kiện môi trường thiết kế và vận hành v.v. Tuỳ theo mức độ phổ biến và hoàn thiện, các quá trình có thể được chia thành: Quá trình hiếu khí, yếm khí và quang hợp. Kiến thức về tế bào học là cần thiết cho việc tính toán lượng nước thải, nhu cầu ôxy, lượng khí sinh ra còng nh sù trao đổi chất giữa các loại vi sinh vật. Kiến thức về hoá nhiệt sử dụng cho tính toán nhiệt độ có thể đạt được của quá trình. Quan hệ động học cơ bản có thể được xác định. Nhiều phản ứng trong quá trình sinh học là tự động và thường được được giả định bằng quan hệ giữa nồng độ nước thải và sự sinh trưởng của vi sinh vật. Việc xây dựng các quan hệ về tế bào học, nhiệt hoá và quan hệ động học thường liên quan tới các yếu tố môi trường nh: pH, ánh sáng, môi trường ion hoá v.v. Các phản ứng sinh học có thể được phân thành: Phản ứng hiếu khí, yếm khí hoặc quang hoá tuỳ theo loại vi sinh vật hoạt động, tuỳ theo quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nước thải. Các quá trình hoạt động của vi sinh vật thường được phân thành: • Quá trình hoạt động của vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. • Quá trình hoạt động của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí. • Quá trình quang hoá. 4 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải Để đi sâu nghiên cứu động học quá trình tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước thải, trước hết ta xét: • Màng lọc sinh học: Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn khi trong môi trường có các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và ôxy. Việc cố định được thực hiện nhờ vi sinh vật tiết ra một chất dạng keo có nguồn gốc từ exopolyme. Bên trong chất keo đó, vi sinh vật vẫn có những chuyển động nhất định. Việc xâm chiếm bề mặt này lúc đầu được thực hiện ở một số điểm và phát triển dần đến khi bao bọc toàn bộ bề mặt vật rắn. Từ đó trở đi, các tế bào mới sinh ra sẽ bao phủ lên các lớp ban đầu. Giữa các lớp tế bào có các lỗ xốp trống, vi sinh vật luôn chuyển động và hình thành lớp màng sinh học. • Các loại màng sinh học: Trong tự nhiên, tồn tại ba dạng màng sinh học chủ yếu là: • Màng sinh học dạng hỗn tạp: Màng này gồm hai líp: + Lớp đầu tiên là một lớp mỏng ( khoảng 5 µm ) hình thành do các vi sinh vật bám vào bề mặt vật rắn. + Lớp thứ hai là do các vi sinh vật dính kết với nhau nhờ hợp chất keo exopolyme do vi sinh vật tiết ra và bao quanh các vi sinh vật thuộc lớp thứ nhất ( lớp này thường dày khoảng 100 µm ). • Màng sinh học hình nấm: Màng này được tạo thành từ các quần thể vi sinh vật bó kết lại với nhau thành hình dạng giống như cây nấm. • Màng sinh học nhiều lớp: Màng này được hình thành từ nhiều lớp vi sinh vật chồng lên nhau. 5 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải 3. Cơ chế hoạt động của màng sinh học: Các chất dinh dưỡng có thể đồng hoá được cùng với ôxy trong nước cần xử lý sẽ vận chuyển và khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh học cho đến chừng nào mà các đám tế bào ở vùng sâu nhất không tiếp xúc được với chất dinh dưỡng và ôxy nữa. Sau một thời gian sẽ xuất hiện sự phân tầng vi sinh vật: • Ngoài cùng là các lớp ưa khí: Ở đây có sự khuếch tán ôxy - Vi sinh vật hiếu khí hoạt động. • Líp sau là lớp kỵ khí: Ở đây không có sự khuếch tán ôxy - Vi sinh vật kỵ khí hoạt động. • Sự hình thành và mức độ tồn tại các lớp này thay đổi theo loại chất phản ứng ( dinh dưỡng ) và chất nền. Về cơ bản, các phản ứng sinh học chủ yếu trong xử lý nước thải được thể hiện theo sơ đồ hình 1: 6 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải C, O, H, N, P, S, Các vi sinh vật Khoáng chất, Vitamin ... “ kết tủa vi sinh vật ” Vi sinh vật ADP ATP Hoá chất hoặc ánh sáng Phân huỷ vi sinh Nhưng không mang nhiệt Hô hấp Chất nhận Hidro Vật liệu hữu cơ hốn hợp Sản phẩm thải ( O2, SO4-2, NO2-, Nhiệt Chất không NO3-, CO2, v,v, ) phân huỷ CO 2, H2O, NH4+, SO4-2, NO 3-, CO2, NO2-, PO4-3, S H 2, N2, H2S, O2, CH4, acid hữu cơ, ancol, amin v.v. Hình 1: Các phản ứng sinh học chủ yếu trong xử lý nước thải Với sơ đồ trên, các chất có trong nước thải nh: Carbon, Oxy, Hidro, Nitơ và Photphor còng nh các chất vô, hữu cơ khác, ban đầu sẽ được vận chuyển đến lớp lọc ở dạng hoà tan. Tỷ lệ hoà tan hoặc việc chuyển khối trong lớp lọc có thể làm hạn chế mức độ của các phản ứng trên. Các chất nhận Hidro có thể là các vi sinh vật hiếu khí sử dụng ôxy cho mục đích này, còn các vi sinh vật yếm khí sẽ sử dụng các nguồn Sulphat, Nitrat, Carbon diocid hoặc các hợp chất hữu cơ. Năng lượng chỉ được cung cấp ở dạng năng lượng có trong các hợp chất hoá 7 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải học hoặc nhờ gradient nhiệt do ánh sáng. Phần năng lượng này được sử dụng cho phản ứng tổng hợp để sinh khối, phần còn lại tiêu tán do phát nhiệt. Hiệu ứng nhiệt trong thiết bị thường có thể bỏ qua khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải là nhỏ. Các dạng sản phẩm thải cũng khác nhau tuỳ theo loại vi sinh và điều kiện môi trường. Trong đó chủ yếu là các loại khí như: Carbondiocid, Nitơ, Oxy hoặc Methane và một số khí khác như: HidroSulphua, Amoniắc, Mercaptan v.v. Một yêu cầu đặc biệt cho nhiều quá trình sinh học sử dụng trong xử lý nước thải là việc tạo ra các vi sinh vật “ trôi nổi ” có thể dễ dàng tách loại ra khỏi nước bằng các quá trình hoá học như lắng, lọc v.v. Theo quan điểm kiểm soát môi trường thì các vi sinh vật sinh ra cũng có thể được xem như là một sản phẩm thải, chúng có thể làm tăng ô nhiễm nguồn nước. Một điều quan trọng đối với các vi sinh vật sử dụng cho xử lý nước thải là chúng phải dễ dàng phân lập được khỏi pha lỏng hoặc phân huỷ được bằng quá trình tự ôxy hoá. Tại ranh giới pha lỏng, các phản ứng sinh học cũng có thể được coi là các phản ứng hoá học. Còng theo các nhà nghiên cứu thì: Các phản ứng sinh học chịu ảnh hưởng mạnh của các loại vi sinh vật có trong môi trường xẩy ra phản ứng. Các quá trình hiếu khí, kỵ khí và quang tổng hợp có thể biểu thị như sau: Hiếu khí: Vi sinh vật hiếu khí Chất hữu cơ + O2 Vi sinh vật hiếu khí + CO2 + H2O Làm xúc tác Yếm khí: Vi sinh vật yếm khí Chất hữu cơ + O2 Vi sinh vật yếm khí + CO2 + H2O + CH4 Làm xúc tác 8 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải Quang tổng hợp: Vi sinh vật quang tổng hợp H2O + CO2 Vi sinh vật quang tổng hợp + O 2 Làm xúc tác Có thể xẩy ra cả ba loại phản ứng trên trong cùng một thiết bị, chẳng hạn trong hồ thì phản ứng quang tổng hợp, hiếu khí và yếm khí cùng xẩy ra tương ứng trên mặt hồ, giữa hồ và dưới đáy. Nhược điểm của phản ứng quang tổng hợp so với các phản ứng khác là Carbon vô cơ có thể chuyển thành Carbon hữu cơ - nguồn ô nhiễm.. Một ví dụ cho quá trình hiếu khí là chất hữu cơ ( gluco chẳng hạn ) được chuyển hoá như sau: Quá trình hô hấp ( hấp thụ Ô2 ): C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Tổng hợp: 5C6H12O6 + 6NH4+ 6 C5H7NO2 + 18H2O + 6H+ Giả sử rằng có tỷ lệ 0,5 mol vi sinh vật/ 01 mol Gluco thì: C6H12O6 + 0,5NH4+ + 3,5O2 0,5 C5H7NO2 + 3,5CO2 + 5H2O + 0,5H+ ( C5H7NO2 - Ký hiệu thành phần vi sinh vật ). Một phương trình tự ôxy hoá của vi sinh vật phổ biến trong nhiều quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nước thải là quá trình phân rã vi sinh vật:: 5C5H7NO2 + 5O2 + H+ NH4+ + 5CO2 + 2 H2O. 9 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải Về mặt toán học, quan hệ về lượng giữa chất hữu cơ bị phân huỷ và lượng vi sinh vật sinh ra thường theo phương trình: dX/dt = -YdS/dt Trong đó: X - Nồng độ vi sinh vật. S - Nồng độ chất. T - Thời gian. Y - Hệ số, Y là hàm của lượng vi sinh vật, loại chất cần phân huỷ và điều kiện môi trường. Thường với quá trình xử lý nước thải bằng sinh học thì lấy Y là hằng số. Các yếu tố làm tăng Y thường là các chất họ glucogen và polyhidroxibutyrat, các chất cung cấp năng lượng cho duy trì và chuyển đổi các vi sinh vật. CÁC QUAN HỆ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN: Giản đồ sinh trưởng của vi sinh vật được thiết lập trong điều kiện nhiệt độ, pH v.v. là hằng số nh sau: Mật độ vi sinh vật I II Hệ số nhá III Hệ số Hệ số Sinh T. IV Phân rã sinh trưởng giảm ổn định 10 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải 0 Thời gian Hình 2: Giản đồ sinh trưởng của vi sinh vật • Giai đoạn 1- Giai đoạn tiềm tàng: Trong giai đoạn này, tế bào tổng hợp các enzym cần thiết cho sự chuyển hoá chất nền. Giai đoạn này là rất quan trọng đối với việc xử lý các loại nước mà không được cấy vi sinh vật trước. Trong giai đoạn này không có sự tái tạo tế bào. X = X0 = C X0 - Mật độ tế bào ở thời điểm t = 0; C - Hằng số. Như vậy, tốc độ sinh trưởng tế bào dX/dt = 0. • Giai đoạn 2 - Giai đoạn hệ số sinh trưởng ổn định: Giai đoạn này đạt được khi tỷ lệ tái tạo tế bào ở mức cao nhất và giữ không đổi với nồng độ không hạn chế của chất nền. Trong giai đoạn này, tốc độ sinh trưởng dX/dt tăng tỷ lệ với X và (1/X)dX/dt = µmax 1. Giai đoạn 3 - Giai đoạn hệ số sinh trưởng giảm: Giai đoạn này ứng với sự cạn kiệt dần của môi trường nuôi cấy với sự biến mất của một hoặc nhiều phần tử cần thiết cho sù sinh trưởng của vi sinh vật. 1. Giai đoạn 4 - Giai đoạn phân rã: Mật độ các tế bào giảm xuống vì tỷ lệ các tế bào chết tăng lên. Tổng quát, quá trình được biểu thị bằng phương trình: dX/dt = µX Trong đó: 11 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải µ - Hệ số phát triển đặc trưng. Theo Michaelis - Menton thì µ = µmax ( S/( KS + S )) µmax - Hệ số phát triển đặc trưng lớn nhất. KS = a - hằng số bão hoà, khi nồng độ Nitơ là giới hạn thì KS = µmax/2. Quan hệ giữa nồng độ Nitơ ngưng tụ và hệ số phát triển được biểu diễn qua đồ thị: Hệ số phát triển đặc trưng, µ µmax/2 Nồng độ Nitơ ngưng tụ Hình 3: Đồ thị quan hệ giữa nồng độ Nitơ giới hạn và hệ số phát triển đặc trưng µ Các nghiên cứu chỉ rõ, quan hệ này liên quan chặt chẽ với quá trình hấp phụ, vận chuyển và phân huỷ enzym của tất cả các thiết bị phản ứng. Khi sử dụng mô hình Monod ( mô hình cổ điển nhất nhưng cũng là mô hình quen thuộc nhất; Mô hình kinh nghiệm rất gần với định luật Michaelis - Menten ) để nghiên cứu quá 12 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải trình xử lý sinh học thì điều quan tâm lại là hàm lượng S cũng như tỷ lệ Nitơ tối thiểu trong nước. Khi xác định hàm lượng các chất có chứa Carbon ( nguồn năng lượng cho sù sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật ) cũng nh việc xác định COD, BOD thường phải quan tâm đến lượng Nitơ nhỏ nhất có trong quá trình sinh học hiếu khí. Khả năng xử lý nước thải của vi sinh vật được thể hiện thông qua việc tách loại BOD của nước cũng như việc thay đổi tỷ lệ vi sinh vật có trong nước thải., Việc kiểm tra độ tăng tỷ lệ vi sinh vật có thể thực hiện được thông qua nhiều chất như Amôni, Phosphat, Sulphat, Fe, ánh sáng, CO2 , v.v. Việc kiểm tra bằng Amônni hoặc Phosphat thường được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp có chứa nhiều các chất dạng này. Sự phát triển của tảo trong quá trình sinh tổng hợp cũng có thể được kiểm tra bằng ánh sáng hoặc CO2. Việc kiểm tra quá trình cũng có thể thực hiện được bằng việc tính toán các quá trình chuyển khối trong thiết bị cũng như bằng phản ứng hoá học của các chất có nồng độ rất nhỏ bên trong thiết bị. Atkison và Daoud ( B, Atkison and I. S. Daoud, Trans. Inst. Chem. Engrs - England ), Baillod và Boyle ( C. R. Baillod and W. C. Boyle, J. Sanit. Eng. Div., Proc. Amer. Soc. Civil Engrs ) đã giải thích và diễn tả quá trình sinh học xử lý nước thải bằng các phương trình chuyển khối. Còn theo Kornegay và Andrews ( B. H. Kornegay and J. F. Andrews, Characteristics and kinetics of biological fixed film reactor, Environ. Syst. Eng. Dept., Clemon University, Clemon, S. C. 1970 ) thì có thể sử dụng K s là một đại lượng thay đổi. Một điều quan trọng của quá trình chuyển khối trong các quá trình sinh học xử lý nước thải là giá trị Ks thường lớn hơn. Trong nhiều quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nước thải, các vi sinh vật thường được lưu lại lâu dài tại vùng mà ở đó các phản ứng tự ôxy hoá và phân rã là chủ yếu. Khi đó, 13 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải yếu tố đặc trưng lại là hệ số phân huỷ vi sinh vật và phương trình dX/dt = µX có thể được viết như sau: dX/dt = ( µ - Kd )X Kd - Hệ số phân huỷ vi sinh vật. Các loại mô hình sử dụng cho xử lý nước thải bằng sinh học thường là: 1. Mô hình điều kiện ổn định Mô hình toán học điều kiện ổn định trong các loại thiết bị sinh học khác nhau có thể được phát triển thông qua các cân bằng vật chất trong thiết bị và sử dụng các quan hệ đã thiết lập trên. Cân bằng vật liệu cho các vi sinh, cân bằng vật chất, sản phẩm hoặc các cấu tử khác của hệ. Các dạng cơ bản của cân bằng vật liệu là: • Mật độ dòng vật liệu vào thiết bị + Mật độ bề mặt hoặc sự phân rã của vật liệu vào thiết bị = Mật độ dòng vật liệu ra khỏi thiết bị+ Mật độ tổng vật liệu trong thiết bị. • Mỗi một thuật ngữ có thể bao gồm nhiều cấu tử. Sơ đồ tổng quát của quá trình như sau: F, X0, S0 V F, X1, S1 X 1, S1 Hình 4: Mô hình dòng liên tục, thiết bị tạo hỗn hợp Trong đó: 14 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải V - Thể tích thiết bị; lít. F - Mật độ dòng; lít/m2.phót. X0 - Nồng độ vi sinh vật trong dòng vào; mg/l. X1 - Nồng độ vi sinh vật trong dòng ra; mg/l. S0 - Nồng độ chất trong dòng vào; mg/l. X0 - Nồng độ chất trong dòng ra; mg/l. Cân bằng vi sinh vật và vật chất trong thiết bị được xác định theo phương trình: Cân bằng vi sinh vật: FX0 + µmax( S1/ (Ks+S1 ))X1V = FX1 + VdX1/dt Cân bằng vật chất : FS0 - µmax( S1/ (Ks+S1 ))X1V/Y = FS1 + VdS1/dt Thường thì cân bằng vi sinh vật tại thời điểm đầu là 0. Tại thời điểm ổn định, sự tích luỹ cũng là 0, các phương trình khác nó được tính bằng đại số. Nồng độ vật chất và vi sinh vật trong thiết bị được xác định nh sau: Nồng độ vật chất : S1 = Ks/( µmaxθ - 1 ) Nồng độ vi sinh vật: X1 = Y( S0 - S1 ) Trong đó: θ - Thời gian chất lỏng trong thiết bị. Quan hệ giữa nồng độ vật chất, vi sinh vật và thời gian lưu được cho trong giản đồ sau: Nồng độ chất & vi sinh vật dòng ra S1, X1 Nồng độ vi sinh vật X 1 15 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải Nồng độ vật chất S 1 Thời gian lưu θ Hình 5: Quan hệ giữa nồng độ vật chất, vi sinh vật và thời gian lưu Thể tích thiết bị sẽ qui định tỷ lệ dòng và khi có sự hồi lưu của vi sinh vật thì mô hình được mô tả như hình 6: Thiết bị Thiết bị phân loại Rắn - lỏng F X0, S0 V X1, S1 F X2, S1 Hình 6: Sơ đồ mô hình thiết bị sinh học có hồi lưu Trong đó: Nồng độ vật chất : S1 = Ks/( Rµmaxθ - 1 ) Nồng độ vi sinh vật : X1 = RY( S0 - S1 ) R - Yếu tố nồng độ : R = X1/X2 và luôn > 1. X1 - Nồng độ vi sinh vật bên trong thiết bị phân loại rắn - lỏng. 16 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải X2 - Nồng độ vi sinh vật trong dòng ra của thiết bị phân loại rắn - lỏng. S0 - Nồng độ chất trong dòng vào thiết bị. S1 - Nồng độ chất trong dòng ra thiết bị. Quan hệ giữa thể tích thiết bị và nồng độ chất được biểu diễn theo hình 7: Tỷ lệ chất đối với thể tích thiết bị R=2 R=4 R=1 Thời gian lưu θ Hình7: Hiệu quả của việc tái sinh vi sinh vật đến tỷ lệ điều chỉnh chất Trong thực tế, dòng vào của nhiều quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nước thải là rất khác nhau và độ dao động của BOD có thể dao động từ 15 đến 250%. Việc xem xét hiệu quả của các phương án sinh học là rất cần thiết. 2. Mô hình động học cho một thiết bị yếm khí. Sự phát triển mô hình động học được thể hiện rõ nét nhất thông qua ví dụ về một thiết bị yếm khí được lựa chọn cho các ứng dụng này. Quá trình này được sử dụng rộng rãi cho việc ôxy hoá tách loại các chất rắn hữu cơ trong nước thải đô thị và xử lý nước thải công nghiệp có hàm lượng các chất hữu cơ cao. Quá trình có nhiều ưu điểm khi lấy bùn thải, 17 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải tiết kiệm nhiên liệu khi vận hành và sinh ra methane. Mô hình một quá trình yếm khí được mô tả theo sơ đồ hình 8: Chất hữu cơ không tan k 1 Enzym ngoại bào Chất hữu cơ hoà tan k 2 Khuẩn tạo acid Vi khuẩn Acid dễ bay hơi Các sản phẩm khác CO 2 + H2 k 3 Khuẩn tạo Methane CH 4 + CO2 Khối khuẩn Hình8: Sơ đồ yếm khí cho xử lý chất hữu cơ Trong thực tế sẽ có nhiều loại vi khuẩn khác nhau hoạt động trong quá trình yếm khí này. Mặt khác, một số loại khuẩn methane lại có tỷ lệ tăng trưởng lớn hơn nhiều so với khuẩn tạo acid. Khi đó, toàn bộ các sản phẩm trung gian, các acid dễ bay hơi, methane và carbon dioxid thường được xem xét một cách giới hạn và chúng chỉ được xem nh sản phẩm của một phản ứng hoá học. Các nhà khoa học còn cho rằng: Tỷ lệ sinh trưởng vi sinh vật trong phản ứng này không chịu ảnh hưởng của nồng độ chất có trong nước thải vì các acid dễ bay hơi cũng như các chất sau phân huỷ sẽ ngăn cản sự tạo thành methane. 18 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải Khi đó: µ = µmax ( 1 + /( KS+/S + S/Ki )) với Ki - Hệ số ngăn cản. Quan hệ giữa hàm Monod và hàm ngăn cản được biểu thị theo giản đồ hình 9: Hệ số phát triển đặc trưng µ Hàm Monod Hàm ngăn cản Nồng độ chất S Hình9: Giản đồ quan hệ giữa hàm Monod và hàm ngăn cản Giản đồ cho thấy, với mỗi giá trị của hệ số phát triển đặc trưng ở điểm max sẽ có hai giá trị nồng độ chất tương ứng. Đây là một luận điểm quan trọng vì qua đó có thể biết được là điều kiện có ổn định hay không?. Một yếu tố khác được quan tâm đến trong quá trình yếm khí là acid dễ bay hơi có thể được tách ra ở hai dạng: S - hoặc HS. Số liệu thực nghịêm cho thấy: ở pH > 6, lượng HS có thể được tính theo công thức: HS = ( H+ )(S)/Ka Trong đó: HS - Nồng độ acid không bị ion hoá. H+ - Nồng độ ion Hydro 19 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải S - Nồng độ acid tổng. Ka - Hằng số ion hoá. Giá trị của HS còn có thể được tính theo hàm ngăn cản: µ = µmax /( 1 + KSKa/(S)(H+) + (S)(H+)/KiKa ) Hình 10 - Biểu diễn chi tiết mô hình động học tổng quát đối với một thiết bị yếm khí: V, VG PHA KHÍ Q dpCO2/dt = -pTDV/VG – pCO2Q/VG p T, D Q = QCO2 + QCH4, QCO2 = DVTG PCO2 pCO2 TG QCH4 PHA LÁNG HS = ( H+ )( S )/Ka ; H+ = K1(CO2)0/(HCO3-) Z0 (HCO3-) = ( Z ) - ( S ); dZ1/dt = (F/V)(Z0 - Z1 ) (HCO3-)0 TG = KL0[ (CO2)0* - CO2)0] (CO2)D0 (CO2)0* = K PCO2 F, V Z1 (HCO3-)1 (CO2)D1 d(CO2)D1/dt = (F/V)[(CO2)00 - (CO2)01] + TG + RB + RC H+ Ka, KS, Kl, KL0 RC = (F/V) [ (HCO3-)0 - (HCO3-)1] + dS1/dt - dZ1/dt 20