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

mô hình hoà tan và khuếch tán 24 Thuyết mô hình por 26 5 - Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của quá trình sinh học: 28 Hiệu ứng vi sinh vật 28 Sự vận chuyển ôxy 29 ảnh hưởng của các chất trong môi trường 30 ảnh hưởng của pH 31 6 - Cơ chế tách loại các chất bẩn trong nước thải bằng vi sinh vật: 31 Sự thấm hút bề mặt 31 Cơ chế tẩy màu 32 Quá trình thối rữa 32 Cơ chế của việc tách loại chất hữu cơ trong quá trình ôxy hoá sinh học 32 7 - Mô hình tối ưu & tối ưu hoá hệ thống thiết bị dạng tháp sử dụng bùn hoạt tính: 35 III - Mô hình thí nghiệm & kết quả 38 1 - Đặc tính chung của nước thải sản xuất bia 38 Đánh giá sơ bộ về nước thải sản xuất bia 38 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật 40 2 - Nghiên cứu lựa chọn vật liệu lọc làm chất mang 40 Vật liệu là lõi ngô 40 Vật liệu là mùn cưa 40 Vật liệu là sỏi, đá dăm 41 Vật liệu là PE 41 Vật liệu là Xốp PolyStyrol 41 3 - Mô hình và qui trình thí nghiệm 42 4 - ảnh chụp sự hình thành & Phát triển của vi sinh vật trên lớp mang 45 5 - Kết quả thí nghiệm 46 Thay đổi nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải. 46 Thay đổi lưu lượng khí cấp 49 Thay đổi pH của môi trường 51 Thay đổi lưu lượng nước thải qua lớp lọc 53 6 - Mô hình thực nghiệm nghiên cứu sự tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước thải 55 Ma trận thí nghiệm 56 Ma trận kế hoạch thực nghiêm 57 Ma trận kế hoạch có tính đến hiệu ứng tác dụng kép 58 Kiểm tra tính tương hợp của phương trình 59 Chuyển phương trình về biến thực 61 Kết luận 62 Tài liệu tham khảo 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 như 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 cũng như 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; 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: Phương pháp AEROTEN - Hoá cũng như 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 sự 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: 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 cũng như sự 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 như: 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. 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 lớp: + Lớp đầu tiên là một lớp mỏng ( khoảng 5 mm ) 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 mm ). 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. 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. Lớp 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: 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 CO2, H2O, NH4+, SO4-2, NO3-, CO2, NO2-, PO4-3, S H2, 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 như: Carbon, Oxy, Hidro, Nitơ và Photphor cũng như 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 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. Cũng 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 Quang tổng hợp: Vi sinh vật quang tổng hợp H2O + CO2 Vi sinh vật quang tổng hợp + O2 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. 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 như sau: Mật độ vi sinh vật I II III IV Hệ số Hệ số Phân rã nhỏ Hệ số sinh trưởng Sinh T. giảm ổn định 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 = mmax 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 sự sinh trưởng của vi sinh vật. 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 = mX Trong đó: m - Hệ số phát triển đặc trưng. Theo Michaelis - Menton thì m = mmax ( S/( KS + S )) mmax - Hệ số phát triển đặc trưng lớn nhất. KS = a - hằng số bão hoà, khi nồng độ Nitơ là giới hạn thì KS = mmax/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, m mmax/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 m 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 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 sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật ) cũng như 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 Ks 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, yếu tố đặc trưng lại là hệ số phân huỷ vi sinh vật và phương trình dX/dt = mX có thể được viết như sau: dX/dt = ( m - 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 X1, S1 Hình 4: Mô hình dòng liên tục, thiết bị tạo hỗn hợp Trong đó: V - Thể tích thiết bị; lít. F - Mật độ dòng; lít/m2.phút. 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 + mmax( S1/ (Ks+S1 ))X1V = FX1 + VdX1/dt Cân bằng vật chất : FS0 - mmax( 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 như sau: Nồng độ vật chất : S1 = Ks/( mmaxq - 1 ) Nồng độ vi sinh vật: X1 = Y( S0 - S1 ) Trong đó: q - 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 X1 Nồng độ vật chất S1 Thời gian lưu q 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 V F X0, S0 X1, S1 X2, S1 Hình 6: Sơ đồ mô hình thiết bị sinh học có hồi lưu Trong đó: Nồng độ vật chất : S1 = Ks/( Rmmaxq - 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. 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 q 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, 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 k1 Enzym ngoại bào Chất hữu cơ hoà tan k2 Khuẩn tạo acid Vi khuẩn Acid dễ bay hơi Các sản phẩm khác CO2 + H2 k3 Khuẩn tạo Methane CH4 + 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 như 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. Khi đó: m = mmax ( 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 m 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 S - Nồng độ acid tổng. Ka - Hằng số ion hoá. Giá trị của HS còn có thể được tính theo hàm ngăn cản: m = mmax /( 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 pT, D Q = QCO2 + QCH4, QCO2 = DVTG pCO2 PCO2 TG QCH4 Pha lỏng HS = ( H+ )( S )/Ka ; H+ = K1(CO2)0/(HCO3-) Z0 (HCO3-) = ( Z ) - ( S ); dZ1/dt = (F/V)(Z0 - Z1 ) Z1 (HCO3-)0 TG = KL0[ (CO2)0* - CO2)0] (HCO3-)1 (CO2)D0 (CO2)0* = K PCO2 (CO2)D1 F, V 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 HS S RB QCH4 Pha sinh học X0 dX1/dt = (F/V)(X0 – X1 ) + mX1 X1 S0 dS1/dt = (F/V)(S0 – S1 ) - mX1/YX/S Y S1 m, KS, Kl m = mmax/( 1 + KS/HS + HS/Kl ) F, V, D RB = YCO2/X mX1; QCH4 = D V YCH4/X m X1 Hình10: Tổng quát mô hình toán học biểu diễn các dòng trong thiết bị yếm khí Trong đó: (CO2)0 - Nồng độ CO2 hoà tan. (CO2)0*- Nồng độ CO2 hoà tan trong pha lỏng khi có cân bằng lỏng - khí, mol/lít . D - Hệ số hoà tan, thể tích khí/khối lượng khí. F - Tỷ lệ dòng lỏng trong thiết bị. H+ - Nồng độ Ion Hidro (HCO3-) - Nồng độ Ion HCO3-. HS - Nồng độ chất không Ion hoá. K - Hằng số theo định luật Henry. Ka - Hằng số Ion hoá đối với axit dễ bay hơi. Kd -Tỷ lệ phân rã vi sinh vật. Ki - Hằng số ức chế. KLa - Hệ số vận chuyển không khí. KS - Hằng số bão hoà. K1 - Hằng số Ion hoá đối với Bicacbonat. PCO2 - áp suất riêng phần của CO2 trong pha khí. PT - Tổng áp suất CO2 và CH4 trong thiết bị. Q - Tổng lượng khí khô, QCO2 + QCH4. QCH4 - Tỷ lệ dòng khí Methane D V YCH4/X m X1. QCO2 - Tỷ lệ dòng khí CO2, D V TG. R - Hệ số nồng độ, X1/X2. RB - Tỷ lệ CO2 sinh học. RC - Tỷ lệ CO2 hoá học. S - Nồng độ chất. S- - Nồng độ chất bị Ion hoá. t - Thời gian, ngày. TG - Hệ số vận chuyển Diôxit Cacbon. V - Thể tích thiết bị. VG - Thể tích khí. X - Nồng độ chất hữu cơ. Y hoặc YX/S - Hiệu suất tính theo khối lượng sinh khối/khối lượng chất. YCH4/X - Hiệu suất tính theo khối lượng CH4 sinh ra/khối lượng vi sinh vật. YCO2/X - Hiệu suất tính theo khối lượng CO2 sinh ra/khối lượng vi sinh vật. Z - Nồng độ khối lượng Cation. q - Hệ số thuỷ lực trong thiết bị. m - Tỷ lệ sinh trưởng. mmax - Tỷ lệ sinh trưởng lớn nhất. 1 - Khí hiệu dòng ra 0 - Kí hiệu dòng vào. 3. Mô hình thiết bị dạng cột bọt: Các nhà nghiên cứu còn cho rằng, các quá trình lọc sinh học thường xẩy ra trong các thiết bị dạng bọt khí. Chúng còn được gọi là các thiết bị dạng cột bọt. Cơ cấu quan trọng của thiết bị dạng này chính là đĩa phân phối khí cùng với chế độ dòng khí vào và đặc tính của lớp chất lỏng trong thiết bị , trong đó yếu tố quan trọng nhất là sức căng bề mặt của chất lỏng. Để nghiên cứu kỹ các yếu tố ảnh hưởng này ta đi vào xem xét cơ chế của quá trình sủi bọt. Sự hình thành bọt khí. Bọt khí hình thành trong thiết bị có thể nhanh hoặc chậm. Việc hình thành bọt này quyết định quá trình chuyển khối, truyền nhiệt, kích thước thiết bị cũng như thời gian lưu của các lưu thể trong thiết bị. Bọt khí của quá trình hình thành bọt chậm qua lỗ tròn khi dòng khí thổi vào thiết bị yếu, trở lực dòng lớn. Theo Siemes thì ở mỗi vị trí của bọt có sự cân bằng áp lực sau: PG = Po + Ph + Pd Trong đó: PG - áp suất bên trong bọt Po - áp suất trên bề mặt chất lỏng ( thường là áp suất khí quyển ). Ph - áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng. Ph = Pho + rFg.z Pho - áp suất thuỷ tĩnh bên trong đỉnh bọt. rF - Khối lượng riêng của chất lỏng g - Gia tốc trọng trường. Pd - áp suất trong mao quản. Pd = s(1/R1 + 1/R2 ) s - Sức căng bề mặt của bọt. R1, R2 - Bán kính cung chính của bọt. Bằng các phép biến đổi có sử dụng hằng số Laplace và ngoại suy ta có thể tính toán được thể tích V của bọt hình thành như sau: V = prD (rD/Ro + rD. zD + sinq ) rD - Bán kính lỗ tạo bọt; Ro - Bán kính cung của đỉnh bọt.; zD - Chiều cao bọt. q - Góc giữa bọt và thành lưới. Khi hình thành, áp suất trong bọt luôn thay đổi và áp suất đỉnh bọt được xác định: PG = Po + PhD + rFg.zD + 2s/Ro Với PhD Là áp suất thuỷ tĩnh ở lỗ lưới. Bọt khí nhanh, bằng nghiên cứu thực nghiệm Siemes phân chúng thành các khu vực bao gồm các quá trình sau: + Sự hình thành bọt chậm. + Sự hình thành bọt với tầng số tăng dần đến khi đạt cân bằng. + Độ lớn bọt tăng cùng với lưu lượng khí tăng dần đến khi tầng số tạo bọt cân bằng. + Vùng mà sự tạo bọt thay đổi không theo qui luật. + Tạo các tia khí xuyên qua chất lỏng, các bọt khí hình thành riêng lẻ và tách ra với kích thước khác nhau. Với các dạng bọt có tính chất khác nhau. Việc xác định các đại lượng vật lý giống như trong quá trình hình thành bọt chậm nhưng được bổ xung thêm đại lượng tầng số tạo bọt f và lưu lượng dòng khí DG; DG = f.V; với V - Thể tích bọt khí. Kết hợp với kết quả nghiên cứu của một vài tác giả khác ( Davidson, Schỹler ) thì sự phụ thuộc giữa thể tích bọt và tầng số tạo bọt vào lưu lượng khí như sau: Khi tăng lưu lượng khí DG với DG 5 cm3/s thì tầng số tạo bọt ~ const. Thể tích bọt tăng theo sự tăng dần của lưu lượng khí DG. Thời gian tạo bọt tỷ lệ thuận với tỷ số thể tích và lưu lượng khí. Thông thường khi sục khí vào lỏng không phải qua một lỗ mà phải qua một hệ thống lỗ nên ta xét trường hợp: Sự hình thành bọt qua hệ thống lỗ: Theo nghiên cứu của Siemes ( 4 ) thì sự hình thành bọt ở mỗi lỗ của hệ cũng tương tư như sự hình thành bọt ở một lỗ riêng biệt. Và áp suất của bọt vẫn được tính theo phương trình: PG = Po + PhD + rFg.zD + 2s/Ro Trong quá trình hình thành, bọt luôn có xu hướng dâng trào theo toàn bộ chiều cao thiết bị. Sự dâng trào này chủ yếu phụ thuộc vào pha lỏng. Khi đó ta cần chú ý các đại lượng sau - Đối với từng bọt: Lực quán tính của chất lỏng: Kp ~ rFdB2w2 Lực ma sát do độ nhớt: Kh ~ hFdBw Trọng lực: Kg ~ rFdB3g Lực bề mặt: Ks ~ sdB Với các lực Kp , Kh , Kg , Ks lập thành ba chuẩn số: Re = Kp/ Kh = rFdBw/hF Fr = Kp/ Kg = w2/g.dB We = Kg/ Ks = rFdBw2/s Với cột bọt thì do tác động tương hỗ giữa các bọt với nhau nên chúng chịu ảnh hưởng của bán kính cột bọt ( R ) và chiều cao cột bọt tính từ mặt đĩa ( H ), hai đại lượng này luôn luôn thay đổi và phụ thuộc lẫn nhau theo hàm số R = f(H). Sự giãn nở của bọt khi đó được biểu thị bằng phương trình: PG = Po + Ph + Ps + rF.w2/2 Ph - áp suất thuỷ tĩnh trước điểm dâng, Ph = 0 trên mặt bọt; PhD = rF.Ho; Ho - Chiều cao ở trạng thái tĩnh. Và khi đó có sự chênh lệch về thể tích bọt DV, thì DV = Vđáy. rFgHo/PG. Khi áp suất thuỷ tĩnh PhD lớn và áp suất PG bé thì khả năng phát triển bọt cao hơn, chiều cao H của cột bọt sẽ thay đổi và H = Ho + DH. Khi đó lưu lượng khí tính theo tiết diện Q là DQG = D/Q; Q = pR2 và là yếu tố ảnh hưởng chính vào cơ chế dòng của cột bọt. Dựa trên sự phân bố của bọt người ta phân thành: Bọt nhũ tương: Bọt phân bố đều trên tiết diện của cột khi tốc độ dâng bọt w lớn. Dòng hình khuyên: Bọt dâng ở tâm của cột. Dòng giọt: Sự dâng của từng khối bọt trụ riêng lẻ trên cả tiết diện. Trong thực tế khi tính toán ta thường chấp nhận dòng nhũ tương với sự phân bố đều đặn của bọt. Về phạm vi thuỷ động người ta phân biệt hai chế độ của bọt là: Phạm vi chảy dòng của cột bọt: Khi lưu lượng khí bé, các bọt dâng không tác dụng lẫn nhau. Phạm vi chảy xoáy của bọt: Khi lưu lượng khí lớn, chuyển động xoáy sẽ chiếm toàn bộ tiết diện của cột bọt. c. Quá trình truyền nhiệt: Trong thiết bị cột bọt, yếu tố quan trọng nhất là hệ số cấp nhiệt a. Từ hệ số cấp nhiệt a ta có thể tính được bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho quá trình. Hệ số cấp nhiệt a phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có lưu lượng khí chế độ thuỷ lực, các thông số vật lý cũng như kích thước của bọt, môi trường nhũ tương v.v.. Cũng như các quá trình truyền nhiệt khác, truyền nhiệt trong thiết bị cột bọt cũng chủ yếu diễn ra ở lớp màng mỏng dọc tường thiết bị hoặc ống truyền nhiệt. Tuy nhiên, sự cấp nhiệt trong thiết bị cột bọt tốt hơn trong dòng chảy của chất lỏng đến 5 - 10 lần, đây cũng chính là một ưu điểm lớn của thiết bị cột bọt. Theo Kast ( 4 ), hệ số cấp nhiệt a ằ DQG.CpF.rF. Trong đó: CpF.rF - Là dung nhiệt của phần chất lỏng tách khỏi tường Wy. DQG - Lưu lượng dòng khí, cm3/s. Sự phụ thuộc theo lưu lượng khí: Với các hệ khí lỏng khác nhau, hệ số cấp nhiệt a phụ thuộc vào lưu lượng khí tính theo tiết diện cột bọt Q theo ba mức: 0 0,01 cm3/s, a tăng nhanh. 0,01 0,03 cm3/s, a tăng vừa phải. 0,03 cm3/s< DQG, a gần đối xứng với giá trị tới hạn. Khi đó tốc độ tự do là 3cm/s. Sự phụ thuộc vào độ nhớt chất lỏng nF: Khi độ nhớt của chất lỏng nF tăng, dòng bao quanh bọt giảm, a giảm ( tới 40% ) khi 1 5 CP. Khi nF > 5 CP do lớp biến tăng nên a ằ const và a = l/d ( Wicke ). Thông thường a tỷ lệ thuận với Cp, l, r, không phụ thuộc vào s của chất lỏng. a tỷ lệ thuận với đường kính cột bọt và a = f(DQ), Với dung dịch nhũ tương, hệ số cấp nhiệt a thường có quan hệ: Hệ số cấp nhiệt lớn nếu nồng độ chất rắn và lưu lượng tăng. Nồng độ chất rắn dọc theo cột bọt phụ thuộc vào lưu lượng khí. Hàm lượng chất rắn càng lớn thì a tăng càng ít. Đường kính hạt rắn lớn, quá trình cấp nhiệt sẽ tố._.