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

 Cơ chế của việc tách loại chất hữu cơ trong quá trình ôxy hoá sinh học 32

7 - Mô hình tối u & tối u hoá hệ thống thiết bị dạng tháp sử dụng bùn hoạt

 Các yếu tố chính ảnh hởng đến sinh trởng & phát triển của vi sinh vật 40

 Thay đổi nồng độ các chất hữu cơ có trong nớc thải 46

6 - Mô hình thực nghiệm nghiên cứu sự tạo màng vi sinh vật trong xử lý nớc

 Ma trận kế hoạch có tính đến hiệu ứng tác dụng kép 58

Kết luận 62

Thực trạng môi trờng nớc ở nớc ta ngày càng bị ô nhiễm nặng do nớc thải tại các khu dân

c cũng nh các cơ sở sản xuất thải ra môi trờng mà cha qua xử lý Chỉ tính riêng Thành phố

Hà nội, lợng nớc thải cha qua xử lý đổ ra môi trờng là hàng trăm ngàn m3 nớc thải mỗingày

Để giải quyết vấn đề nớc thải, tại Việt nam cũng nh trên Thế giới, các nhà khoa học đã và

đang đa ra nhiều giải pháp kỹ thuật đa dạng, đồng bộ cho xử lý nớc thải Các phơng phápphổ biến đợc áp dụng là:

 Phơng pháp Sinh - Hoá hoặc Hoá - Sinh kết hợp;

 Phơng pháp lọc sinh học - kết hợp hoá học;

 Phơng pháp Aeroten; Phơng pháp bùn hoạt tính; Hồ sinh học hoặc kỵ khí v.v

 Phơng pháp hoá - lý thông thờng

Mỗi phơng pháp xử lý đều có những u, nhợc điểm nhất định:

 Phơng pháp AEROTEN - Hoá cũng nh phơng pháp UBSA - Hoá cho hiệu quả xử lýnớc thải là tơng đối nhng lại cần một diện tích rất lớn, đầu t ban đầu cao Bên cạnh đó,việc ứng dụng các tiến bộ của Khoa học Kỹ thuật ở Việt nam cha đồng bộ do thiếuthốn về kinh phí cũng nh kinh nghiệm và nhất là đặc diểm khí hậu ôn đới ở Miền BắcViệt nam ( đặc biệt về Mùa Đông ) đã làm giảm đáng kể hiệu quả của các phơng pháp

xử lý này

 Phơng pháp hoá lý là phơng pháp đơn giản, giá thành đầu t vừa phải nhng lại chỉ áp

đ-ợc cho xử lý các loại nớc thải chứa các chất thải vô hoặc hữu cơ dễ tách loại với chiphí hoá chất tơng đối cao

 Phơng pháp lọc sinh học - hoá học mà cơ sở là việc tạo màng lọc sinh học với giáthành đầu t không cao, phơng pháp sử dụng đơn giản, đặc biệt diện tích mặt bằng cầncho khu xử lý rất khiêm tốn hiện đang là phơng pháp xử lý đợc quan tâm trên thế giới,nhất là cho xử lý nớc thải tại các Thành phố lớn, các khu chật hẹp thiếu diện tích Tuynhiên, 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 nớc thải là xác định

đợc các yếu cũng nh điều kiện thích hợp cho sự sinh trởng, phát triển của vi sinh vật đểhình thành màng lọc sinh học Sự hình thành màng lọc sinh học là cơ sở khoa học quantrọng cho việc lựa chọn phơng pháp xử lý nớc thải cũng nh việc chọn mô hình thiết bị vàtrạm xử lý nớc thải cho từng điều kiện thực tế

ii Tổng quan về xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học:

Các quá trình sinh học cơ bản thờng sử dụng cho xử lý nớc thải là: Quá trình bùn hoạttính; 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 tạohỗn hợp v.v

Theo quan điểm sinh học, đa số các quá trình có thể đợc phân chia theo nhiều cách, chẳnghạn: Theo dòng hồi lu; Theo mức độ làm giàu vi sinh vật có đặc tính xác định bằng cáctính chất của nớc thải; Theo điều kiện môi trờng thiết kế và vận hành v.v

Tuỳ theo mức độ phổ biến và hoàn thiện, các quá trình có thể đợc chia thành: Quá trìnhhiếu khí, yếm khí và quang hợp

Kiến thức về tế bào học là cần thiết cho việc tính toán lợng nớc thải, nhu cầu ôxy, lợngkhí sinh ra cũng nh 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 đợc của quá trình Quan

hệ động học cơ bản có thể đợc xác định Nhiều phản ứng trong quá trình sinh học là tự

động và thờng đợc đợc giả định bằng quan hệ giữa nồng độ nớc thải và sự sinh trởng của

vi sinh vật Việc xây dựng các quan hệ về tế bào học, nhiệt hoá và quan hệ động học ờng liên quan tới các yếu tố môi trờng nh: pH, ánh sáng, môi trờng ion hoá v.v

th-Các phản ứng sinh học có thể đợc phân thành: Phản ứng hiếu khí, yếm khí hoặc quanghoá tuỳ theo loại vi sinh vật hoạt động, tuỳ theo quá trình sinh học sử dụng cho xử lý n ớcthải Các quá trình hoạt động của vi sinh vật thờng đợc 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 nớc thải, trớchết ta xét:

1 Màng lọc sinh học:

Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn khi trong môi tr ờng có các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và ôxy Việc cố định đợc thực hiện nhờ vi sinhvật tiết ra một chất dạng keo có nguồn gốc từ exopolyme Bên trong chất keo đó, vi sinhvật vẫn có những chuyển động nhất định

-Việc xâm chiếm bề mặt này lúc đầu đợc thực hiện ở một số điểm và phát triển dần đếnkhi bao bọc toàn bộ bề mặt vật rắn Từ đó trở đi, các tế bào mới sinh ra sẽ bao phủ lên cáclớp ban đầu Giữa các lớp tế bào có các lỗ xốp trống, vi sinh vật luôn chuyển động và hìnhthành lớp màng sinh học

2 Các loại màng sinh học:

Trong tự nhiên, tồn tại ba dạng màng sinh học chủ yếu là:

+ Lớp đầu tiên là một lớp mỏng ( khoảng 5 m ) 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 visinh vật tiết ra và bao quanh các vi sinh vật thuộc lớp thứ nhất ( lớp này thờng dày khoảng

100 m )

 Màng sinh học hình nấm: Màng này đợc tạo thành từ các quần thể vi sinh vật bó kết

lại với nhau thành hình dạng giống nh cây nấm

nhau

3 Cơ chế hoạt động của màng sinh học:

Các chất dinh dỡng có thể đồng hoá đợc cùng với ôxy trong nớc 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 ởvùng sâu nhất không tiếp xúc đợc với chất dinh dỡng và ôxy nữa Sau một thời gian sẽxuất hiện sự phân tầng vi sinh vật:

 Ngoài cùng là các lớp a khí: ở đây có sự khuếch tán ôxy - Vi sinh vật hiếu khí hoạt

Vi sinh vật ADP ATP

Hoá chất hoặc ánh sáng Phân huỷ vi sinhNhng không mang nhiệt

acid hữu cơ, ancol, amin v.v

Hình 1: Các phản ứng sinh học chủ yếu trong xử lý nớc thải

Với sơ đồ trên, các chất có trong nớc thải nh: Carbon, Oxy, Hidro, Nitơ và Photphor cũng

nh các chất vô, hữu cơ khác, ban đầu sẽ đợc vận chuyển đến lớp lọc ở dạng hoà tan Tỷ lệhoà tan hoặc việc chuyển khối trong lớp lọc có thể làm hạn chế mức độ của các phản ứngtrên

Các chất nhận Hidro có thể là các vi sinh vật hiếu khí sử dụng ôxy cho mục đích này, còncác vi sinh vật yếm khí sẽ sử dụng các nguồn Sulphat, Nitrat, Carbon diocid hoặc các hợpchất hữu cơ Năng lợng chỉ đợc cung cấp ở dạng năng lợng có trong các hợp chất hoá họchoặc nhờ gradient nhiệt do ánh sáng Phần năng lợng này đợc sử dụng cho phản ứng tổnghợp để sinh khối, phần còn lại tiêu tán do phát nhiệt Hiệu ứng nhiệt trong thiết bị th ờng

có thể bỏ qua khi nồng độ chất hữu cơ trong nớc thải là nhỏ

Các dạng sản phẩm thải cũng khác nhau tuỳ theo loại vi sinh và điều kiện môi trờng.Trong đó chủ yếu là các loại khí nh: Carbondiocid, Nitơ, Oxy hoặc Methane và một sốkhí khác nh: HidroSulphua, Amoniắc, Mercaptan v.v Một yêu cầu đặc biệt cho nhiều quátrình sinh học sử dụng trong xử lý nớc thải là việc tạo ra các vi sinh vật “ trôi nổi ” có thể

dễ dàng tách loại ra khỏi nớc bằng các quá trình hoá học nh lắng, lọc v.v Theo quan điểmkiểm soát môi trờng thì các vi sinh vật sinh ra cũng có thể đợc xem nh là một sản phẩmthải, chúng có thể làm tăng ô nhiễm nguồn nớc Một điều quan trọng đối với các vi sinhvật sử dụng cho xử lý nớc thải là chúng phải dễ dàng phân lập đợc khỏi pha lỏng hoặcphân huỷ đợc bằng quá trình tự ôxy hoá

Tại ranh giới pha lỏng, các phản ứng sinh học cũng có thể đợc coi là các phản ứng hoáhọc

Cũng theo các nhà nghiên cứu thì: Các phản ứng sinh học chịu ảnh hởng mạnh của cácloại vi sinh vật có trong môi trờng xẩy ra phản ứng Các quá trình hiếu khí, kỵ khí vàquang tổng hợp có thể biểu thị nh sau:

Hình 2: Giản đồ sinh trởng của vi sinh vật

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 n ớc mà không đợc cấy vi sinhvật trớc 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

Nh vậy, tốc độ sinh trởng tế bào dX/dt = 0

Giai đoạn này đạt đợc khi tỷ lệ tái tạo tế bào ở mức cao nhất và giữ không đổi với nồng độkhông hạn chế của chất nền Trong giai đoạn này, tốc độ sinh trởng dX/dt tăng tỷ lệ với X

và (1/X)dX/dt = max

Giai đoạn này ứng với sự cạn kiệt dần của môi trờng nuôi cấy với sự biến mất của mộthoặc nhiều phần tử cần thiết cho sự sinh trởng của vi sinh vật

Mật độ các tế bào giảm xuống vì tỷ lệ các tế bào chết tăng lên

Tổng quát, quá trình đợc biểu thị bằng phơng trình: dX/dt = X

Trong đó:

 - Hệ số phát triển đặc trng

Theo Michaelis - Menton thì  = max ( S/( KS + S ))

max - Hệ số phát triển đặc trng lớn nhất

KS = a - hằng số bão hoà, khi nồng độ Nitơ là giới hạn thì KS = max/2

Quan hệ giữa nồng độ Nitơ ngng tụ và hệ số phát triển đợc biểu diễn qua đồ thị:

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 nhng cũng là mô hình quen thuộcnhất; Mô hình kinh nghiệm rất gần với định luật Michaelis - Menten ) để nghiên cứu quátrình xử lý sinh học thì điều quan tâm lại là hàm lợng S cũng nh tỷ lệ Nitơ tối thiểu trongnớc

Khi xác định hàm lợng các chất có chứa Carbon ( nguồn năng lợng cho sự sinh trởng vàphát triển của vi sinh vật ) cũng nh việc xác định COD, BOD thờng phải quan tâm đến l-ợng Nitơ nhỏ nhất có trong quá trình sinh học hiếu khí

Khả năng xử lý nớc thải của vi sinh vật đợc thể hiện thông qua việc tách loại BOD của

n-ớc cũng nh việc thay đổi tỷ lệ vi sinh vật có trong nn-ớc thải., Việc kiểm tra độ tăng tỷ lệ visinh vật có thể thực hiện đợc thông qua nhiều chất nh Amôni, Phosphat, Sulphat, Fe, ánhsáng, CO2 , v.v

Việc kiểm tra bằng Amônni hoặc Phosphat thờng đợc sử dụng trong xử lý nớc thải côngnghiệp có chứa nhiều các chất dạng này

Sự phát triển của tảo trong quá trình sinh tổng hợp cũng có thể đợc kiểm tra bằng ánhsáng hoặc CO2

Việc kiểm tra quá trình cũng có thể thực hiện đợc bằng việc tính toán các quá trìnhchuyển khối trong thiết bị cũng nh bằng phản ứng hoá học của các chất có nồng độ rấtnhỏ 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 nớc thải bằng các phơngtrình 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 lợng thay đổi.Một điều quan trọng của quá trình chuyển khối trong các quá trình sinh học xử lý nớc thải

Cân bằng vật liệu cho các vi sinh, cân bằng vật chất, sản phẩm hoặc các cấu tử khác của

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 đợc xác định theo phơng trình:

Cân bằng vi sinh vật: FX0 + max( S1/ (Ks+S1 ))X1V = FX1 + VdX1/dt

Cân bằng vật chất : FS0 - max( S1/ (Ks+S1 ))X1V/Y = FS1 + VdS1/dt

Thờng thì cân bằng vi sinh vật tại thời điểm đầu là 0 Tại thời điểm ổn định, sự tích luỹcũng là 0, các phơng trình khác nó đợc tính bằng đại số Nồng độ vật chất và vi sinh vậttrong thiết bị đợc xác định nh sau:

Nồng độ vật chất : S1 = Ks/( max - 1 )

Nồng độ vi sinh vật: X1 = Y( S0 - S1 )

Trong đó:

 - Thời gian chất lỏng trong thiết bị

Quan hệ giữa nồng độ vật chất, vi sinh vật và thời gian lu đợc 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 lu 

Hình 5: Quan hệ giữa nồng độ vật chất, vi sinh vật và thời gian lu

Thể tích thiết bị sẽ qui định tỷ lệ dòng và khi có sự hồi lu của vi sinh vật thì mô hình đợcmô tả nh hình 6:

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 đợc biểu diễn theo hình 7:

Tỷ lệ chất đối với thể tích thiết bị

R=2

R=4 R=1

Thời gian lu 

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 nớc thải là rấtkhác nhau và độ dao động của BOD có thể dao động từ 15 đến 250% Việc xem xét hiệuquả của các phơng 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 đợc thể hiện rõ nét nhất thông qua ví dụ về một thiết bịyếm khí đợc lựa chọn cho các ứng dụng này Quá trình này đợc sử dụng rộng rãi cho việc

ôxy hoá tách loại các chất rắn hữu cơ trong nớc thải đô thị và xử lý nớc thải công nghiệp

có hàm lợng các chất hữu cơ cao Quá trình có nhiều u điểm khi lấy bùn thải, tiết kiệm

nhiên liệu khi vận hành và sinh ra methane Mô hình một quá trình yếm khí đợc mô tảtheo 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 trởng lớn hơn nhiều so với khuẩntạo acid Khi đó, toàn bộ các sản phẩm trung gian, các acid dễ bay hơi, methane và carbondioxid thờng đợc xem xét một cách giới hạn và chúng chỉ đợc xem nh sản phẩm của mộtphản ứng hoá học

Các nhà khoa học còn cho rằng: Tỷ lệ sinh trởng vi sinh vật trong phản ứng này khôngchịu ảnh hởng của nồng độ chất có trong nớc thải vì các acid dễ bay hơi cũng nh các chấtsau phân huỷ sẽ ngăn cản sự tạo thành methane

Khi đó:  = max ( 1 + /( KS+/S + S/Ki )) với Ki - Hệ số ngăn cản

Quan hệ giữa hàm Monod và hàm ngăn cản đợc biểu thị theo giản đồ hình 9:

Hệ số phát triển đặc trng 

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 trng ở điểm max sẽ có hai giá trịnồng độ chất tơng ứng Đây là một luận điểm quan trọng vì qua đó có thể biết đợc là điềukiện có ổn định hay không?

Một yếu tố khác đợc quan tâm đến trong quá trình yếm khí là acid dễ bay hơi có thể đợctách ra ở hai dạng: S- hoặc HS Số liệu thực nghịêm cho thấy: ở pH  6, lợng HS có thể đ-

ợc tính theo công thức:

(CO2)D0 (CO2)0* = K PCO2 (CO2)D1

F, V d(CO2)D1/dt = (F/V)(CO2)00 - (CO2)01 + TG + RB + RC

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 lợng 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

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 lợng sinh khối/khối lợng chất

YCH4/X - Hiệu suất tính theo khối lợng CH4 sinh ra/khối lợng vi sinh vật

YCO2/X - Hiệu suất tính theo khối lợng CO2 sinh ra/khối lợng vi sinh vật

a 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 thớc thiết bị cũng nh thời gian lu của các luthể trong thiết bị

 Bọt khí của quá trình hình thành bọt chậm qua lỗ tròn khi dòng khí thổi vào thiết bịyếu, trở lực dòng lớn Theo Siemes thì ở mỗi vị trí của bọt có sự cân bằng áp lực sau:

PG = Po + Ph + P

Trong đó:

PG - áp suất bên trong bọt

Po - áp suất trên bề mặt chất lỏng ( thờng là áp suất khí quyển )

Ph - áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng Ph = Pho + Fg.z

Pho - áp suất thuỷ tĩnh bên trong đỉnh bọt

F - Khối lợng riêng của chất lỏng

 Bọt khí nhanh, bằng nghiên cứu thực nghiệm Siemes phân chúng thành các khu vựcbao 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 lu lợng 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 thớc khác nhau

Với các dạng bọt có tính chất khác nhau Việc xác định các đại lợng vật lý giống nh trongquá trình hình thành bọt chậm nhng đợc bổ xung thêm đại lợng tầng số tạo bọt f và lu l-ợng dòng khí DG;

 Thời gian tạo bọt tỷ lệ thuận với tỷ số thể tích và lu lợng khí

Thông thờng khi sục khí vào lỏng không phải qua một lỗ mà phải qua một hệ thống lỗnên ta xét trờng hợp:

b 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 tơng t nh sựhình thành bọt ở một lỗ riêng biệt Và áp suất của bọt vẫn đợc tính theo phơng trình:

PG = Po + PhD + Fg.zD + 2/RoTrong quá trình hình thành, bọt luôn có xu hớng 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 lợng sau

thay đổi và phụ thuộc lẫn nhau theo hàm số R = f(H) Sự giãn nở của bọt khi đó đ ợc biểuthị bằng phơng trình:

PG = Po + Ph + P + F.w2/2

Ph - áp suất thuỷ tĩnh trớc điểm dâng,

Ph = 0 trên mặt bọt; PhD = F.Ho; Ho - Chiều cao ở trạng thái tĩnh

Và khi đó có sự chênh lệch về thể tích bọt V, thì V = Vđáy FgHo/PG

Khi áp suất thuỷ tĩnh PhD lớn và áp suất PG bé thì khả năng phát triển bọt cao hơn, chiềucao H của cột bọt sẽ thay đổi và H = Ho + H

Khi đó lu lợng khí tính theo tiết diện Q là DQG = D/Q; Q = R2 và là yếu tố ảnh hởngchính vào cơ chế dòng của cột bọt

Dựa trên sự phân bố của bọt ngời ta phân thành:

 Bọt nhũ tơng: 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 thờng chấp nhận dòng nhũ tơng với sự phân bố đều đặncủa bọt

Về phạm vi thuỷ động ngời ta phân biệt hai chế độ của bọt là:

 Phạm vi chảy dòng của cột bọt: Khi lu lợng khí bé, các bọt dâng không tác dụng lẫnnhau

 Phạm vi chảy xoáy của bọt: Khi lu lợng khí lớn, chuyển động xoáy sẽ chiếm toàn bộtiết diện của cột bọt

c Quá trình truyền nhiệt:

Trong thiết bị cột bọt, yếu tố quan trọng nhất là hệ số cấp nhiệt  Từ hệ số cấp nhiệt  ta

có thể tính đợc bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho quá trình Hệ số cấp nhiệt  phụ thuộcvào nhiều yếu tố trong đó có lu lợng khí chế độ thuỷ lực, các thông số vật lý cũng nh kíchthớc của bọt, môi trờng nhũ tơng v.v Cũng nh các quá trình truyền nhiệt khác, truyềnnhiệt trong thiết bị cột bọt cũng chủ yếu diễn ra ở lớp màng mỏng dọc tờng thiết bị hoặcống truyền nhiệt Tuy nhiên, sự cấp nhiệt trong thiết bị cột bọt tốt hơn trong dòng chảycủa chất lỏng đến 5 - 10 lần, đây cũng chính là một u điểm lớn của thiết bị cột bọt TheoKast ( 4 ), hệ số cấp nhiệt   DQG.CpF.F

Với các hệ khí lỏng khác nhau, hệ số cấp nhiệt  phụ thuộc vào lu lợng khí tính theo tiết diện cột bọt Q theo ba mức:

1 0  DQG  0,01 cm3/s,  tăng nhanh

2 0,01  DQG  0,03 cm3/s,  tăng vừa phải

3 0,03 cm3/s DQG,  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 F:

1 Khi độ nhớt của chất lỏng F tăng, dòng bao quanh bọt giảm,  giảm ( tới 40% )khi 1 F  5 CP

2 Khi F  5 CP do lớp biến tăng nên   const và  = / ( Wicke )

 Thông thờng  tỷ lệ thuận với Cp, , , không phụ thuộc vào  của chất lỏng

  tỷ lệ thuận với đờng kính cột bọt và  = f(DQ),

 Với dung dịch nhũ tơng, hệ số cấp nhiệt  thờng có quan hệ:

1 Hệ số cấp nhiệt lớn nếu nồng độ chất rắn và lu lợng tăng

2 Nồng độ chất rắn dọc theo cột bọt phụ thuộc vào lu lợng khí

3 Hàm lợng chất rắn càng lớn thì  tăng càng ít

4 Đờng kính hạt rắn lớn, quá trình cấp nhiệt sẽ tốt hơn

Việc tính toán hệ số cấp nhiệt thờng đợc thực hiện thông qua chuẩn số Nusen Nu,

Nu = f(Re, Pr, dp/dpmin )

ở chế độ chảy dòng Nu = 222,8Re0,16 (dp/dpmin )0,05, dp/dpmin = 1-5, dpmin= 0,04 mm

ở chế độ chảy xoáy Nu = 350,8Re0,108 (dp/dpmin )0,05, dp/dpmin = 1-5, dpmin= 0,04 mm

Với mỗi quá trình và thiết bị cột bọt khác nhau thì hệ số cấp nhiệt  có một cách tínhriêng Thờng hệ số cấp nhiệt đợc tính theo công thức: Nu = cRemPrn

C, m, n thờng đợc xác định theo thực nghiệm và:

Nu = 227,5(F/H2O)0,1Re0,161Pr0,038 - Phạm vi chảy dòng

Nu = 454(F/H2O)0,1Re0,113Pr0,135 - Phạm vi chảy xoáy

Với sai số giới hạn giữa hai phạm vi là 0,5%

Nếu tính trực tiếp theo dH thì:

Nu = 43,7Re0,22 - Re  150 với DQG  10 cm/s

Nu = 22,4Re0,355 - Re  150 với DQG  10 cm/sKhi DQG  10 cm/s - lu lợng lớn thì   const.

Trong trờng hợp có sự trao đổi nhiệt mãnh liệt thì hệ số cấp nhiệt thờng đợc tính với sự cómặt của chuẩn số Galilei Ga; Ga = Gr/T = g(2R)3F /F

Và: Nu = 0,25(Ga.Pr)1/3(DQG/DQGconst) - Phạm vi chảy dòng

Nu = 0,25(Ga.Pr)1/3 - Phạm vi chảy xoáy

Hệ số cấp nhiệt  còn đợc xác định thông qua chuẩn số Station St nh sau:

/DQG.CpF F = St = f(Re,Pr,Fr ), CpF - Nhiệt lợng riêng của chất lỏng

Stf(3 Re, Fr, Pr ) = f(DQG 3 F/a2 g )

d Quá trình chuyển khối:

Trong thiết bị cột bọt, quá trình chuyển khối tuân theo thuyết thẩm thấu nghĩa là đợc thựchiện thông qua khuếch tán và đối lu Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng thuyết lớp biên

và thuyết thẩm thấu của Linde và Shert cùng định luật Fick tuỳ theo thời gian tiếp xúcnhanh hay lâu Để xác định thời gian nhanh hay lâu ta dùng DdtE /2 làm tiêu chuẩn đánhgiá Khi tE  2/ Dd - Tuân theo định luật thẩm thấu còn khi tE  2/ Dd thì chúng tuântheo định luật lớp biên

Khi thời gian liên kết ngắn ta áp dụng thuyết thẩm thấu khi đó phơng trình chuyển khối

tiếp xúc t, hệ số cấp khối  và cả sự chênh lệch nồng độ C, v.v nói chung đây là một bài toán tơng đối phức tạp và tổng hợp.

Qua các phân tích trên ta thấy các qúa trình sinh học diễn ra rất phức tạp & phụ thuộcnhiều yếu tố Để nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong thiết bị lọc sinh học

áp dụng cho xử lý nớc thải, ta không thể không tìm hiểu các lý thuyết về màng

4 Lý thuyết về màng lọc:

Dựa trên kích thớc khác nhau của các Ion trong dung dịch nớc Nó là một trong những

ph-ơng pháp công nghiệp phổ biến hiện nay nhờ giá thành hạ và công suất lớn Cở sở lýthuyết chủ đạo của phơng pháp dựa trên các thuyết sau:

Theo thuyết này, mỗi một cấu tử trong dung dịch dới áp suất đều tan trong màng tuântheo định cân bằng khối lợng và khuếch tán qua màng nhờ chênh lệch về nồng độ và ápsuất Dòng cấu tử i qua màng đợc biểu diễn bằng phơng trình:

p ,  Tơng ứng là gradien áp suất bên ngoài và trong màng theo chiều dày x

Trong nhiều trờng hợp, phơng trình dòng có dạng:

J2 = - D2c2m/x = - D2Kc2s/x ***

Trong đó:

c2m - Nồng độ chất tan trong màng;

c2s - Nồng độ chất tan trong dung dịch;

K - Hệ số dịch chuyển chất tan, K = c2m/ c2s.

Việc giảm nồng độ chất tan trong quá trình lọc ngợc thờng đợc biểu thị bằng SR

và SR = 1 – (c’’2s/ c’2s ) = A(p - )/(A(p - ) + Bc’’1s )với c’’1s là nồng độ của nớc trong dung dịch thu đợc Nh vậy, sự dịch chuyển chất tancũng nh dung môi qua màng là không phụ thuộc vào chiều dày của màng Tuy nhiên,chiều dày màng cũng là một đặc tính quan trọng vì nó xác định dòng nớc trên một đơn vịdiện tích màng, thông số này có giá trị rất lớn đối với giá thành của quá trình

Một điều quan trọng là ta phải xác định đợc nhiệt động học của quá trình thuận ngịch

Ph-ơng trình ** và *** chính là một dạng của định luật Fick mà phPh-ơng trình * chính là dạngtổng quát

Từ các kết quả thực nghiệm ta thu đợc các phơng trình:

Jv = Lp (p - ) và J2 = c2s ( 1 -  )Jv + Pc2s

Trong đó:

Jv - Dòng thể tích đối với nớc

Lp - Khả năng lọc cơ học của màng

 - Hệ số Stavermen chỉ mức độ tác động của dòng nớc và chất tan trong màng

c2s - Nồng độ chất tan trong dung dịch

P - Hệ số thẩm thấu đối với chất tan ở dòng thể tích 0; P = (J2/c2s)Jv = 0

Các hệ số Lp và P thờng do chiều dày màng quyết định

J1 = Nr4p/8x = r2p/8x

c2m - Nồng độ chất tan biểu thị bằng khối lợng trên một đơn vị thể tích màng.

D21 - Hệ số khuếch tán của chất tan

b = 1 + f23/f21; f21 - Hệ số tính đến tác dụng của chất với nớc bên trong por , RT/f21 = D21

Nhiệt động học của quá trình thuận nghịch thờng đợc mô tả theo phơng trình:

c’2s/c’’2s = (1 - exp- Jv( 1 - )/P )/(1 -  )

Thờng biểu thị giữa áp suất thấm lọc và hoạt độ của dung dịch theo phơng trình:

a1 - Hoạt độ của dung dịch, thờng a1 = P1/P*1, P*1 - áp suất hơi của chất tan tinh khiết.

Khi đó: P = (-RT/v1)ln(P1/P*)

Đối với các dung dịch loãng khi mà a1  Z1( phần mol của dung môi ) ta có phơng trình:

Pv1 = - RTlnZ1 = - RTln(1 - Z2 ) + RT ( Z2 + 1/2Z2 + ) ( Z2 - Phần mol chất tan ).Với đa số các dung dịch thì: PV1 = n2RT

Trong đó V1 = n1v1 có thể coi là thể tích dung môi hoặc dung dịch

Nói chung là trong mọi trờng hợp ta đều sử dụng phơng trình Valt - Hoff:

a, b - Là các hằng số phụ thuộc vào tính chất của màng và thờng tra bảng

5 Các yếu tố ảnh hởng đến hoạt động của quá trình sinh học:

 Hiệu ứng của các vi sinh vật:

Các quá trình sinh học ( lên men ) đều liên quan đến sự sinh khối mà vai trò chủ đạo làcác enzym thực hiện các chức năng xúc tác khác nhau Việc điều chỉnh và thích nghi củacác qúa trình sinh học phụ thuộc không chỉ vào lợng enzym mà còn phụ thuộc vào hoạt

độ của chúng trong những điều kiện xác định Trong quá trình tồn tại & phát triển củamình, các enzym, đều thực hiện nhiều quá trình biến đổi sinh hoá theo hớng tổng hợp cáchợp chất hữu cơ phức tạp tuỳ thuộc vào thành phần của mỗi một tế bào sống Các quátrình xẩy ra trong tế bào thờng đợc thực hiện từ dạng này sang dạng khác, từ thấp đến cao

và từ đơn giản đến phức tạp Đối với các quá trình sinh học trong xử lý nớc thải, các nhànghiên cứu cho rằng, có đến 70-90% các chất hữu cơ đợc chuyển hoá trong quá trình xử

lý Để nghiên cứu hiệu ứng này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các quá trình bùn hoạttính, sử dụng thiết bị kỵ khí và điều kiện kỵ khí trong hồ sinh học hiếu khí với các loại visinh vật, khuẩn hoặc các enzym protozoa Các nghiên cứu đợc cho trong bảng sau:

Bảng II.2: Phân tích sinh thái đối với các hệ vi sinh vật:

1 - Hệ có phân định rõ ranh giới

2 - Hiệu lực của các biến đổi hoá học chủ yếu

3 - Xác địng rõ chất lợng các vi sinh vật

4 - Số các vi sinh vật quan trọng

5 - Phát hiện các phản ứng có sự tham gia của các vi sinh vật quan trọng.

6 - Động học và định lợng các phản ứng xác định

7 - Động lực chính trong các thiết bị sinh học

8 - Tác dụng về môi trờng của tất cả các hệ tiến hành nghiên cứu

Các nghiên cứu cho thấy, khi có hai hay nhiều tổ hợp vi sinh vật có khả năng tạo năng l ợng từ nguồn chứa Cacbon còn các yếu tố khác là cân bằng thì vi sinh vật có khả năng( tỷ lệ ) phát triển cao nhất sẽ phát triển và thống trị

Còn nếu hệ là một hệ hoàn toàn mở thì vi sinh vật có tỷ lệ phát triển thấp nhất sẽ bị đàothải khỏi hệ thống

Trong tình huống có vật săn mồi thì vật săn mồi sẽ hoàn toàn chiếm giữ nồng độ mồi.Trong thực tế có thể có nhiều vật săn mồi, lợng và chủng loại phụ thuộc hoàn toàn vàoloại mồi có trong nớc thải Trong tình huống có nhiều mồi vi sinh vật thì sẽ có một loài ởtrên các loài khác Trong hoạt động sống của mình, các sinh vật còn có các quan hệ sống

ký sinh với nhau Trong một hệ luôn tồn tại nhiều loại vi sinh vật mà các tác động vi sinhcủa chúng có thể hỗ trợ hoặc kìm hãm nhau Các vi sinh vật điển hình thờng đợc nghiêncứu trong xử lý nớc thải là: S Serevisiae, P Vulgaris, D Discoideum, B polymixa hay E.Coli v.v Các phơng trình toán học của hệ thờng đợc lập và giải bằng máy tính Các kếtquả cho thấy: Các vi sinh vật trong hệ liên tục sẽ phát triển với lợng các vi sinh vật sơ khai

bị giới hạn bởi các chất dinh dỡng ở mức độ trung bình Các loài săn mồi nhỏ hơn sẽ bámtrên các vi sinh vật sơ khai và bản thân chúng lại là mồi cho các loài săn mồi lớn hơn Tạithời điểm đầu, nồng độ các vật săn mồi lớn còn nhỏ nên tác động của chúng đối với hệ làkhông đáng kể Khi số lợng các vật săn mồi lớn tăng lên, chúng sẽ ăn thịt các loại nhỏhơn

N = -DLAdc/dy

Trong đó:

N - Lợng ôxy cung cấp trong một đơn vị thời gian,

A - Diện tích mặt cắt ngang của bề mặt cấp khí,

dc/dy - Gradient nồng độ tại mặt cắt cấp khí,

DL - Hệ số khuếch tán

Thực nghiệm cho thấy, tính chất vật lý, sinh học của quá trình lên men và xử lý nớc thải

đợc cho trong bảng II.3 dới đây:

Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi hệ số cấp ôxy tăng thì công suất tiêu thụ cho một đơn

vị thể tích thiết bị giảm xuống, quá trình thể hiện rõ nét nhất là trong xử lý n ớc cống

Ngoài ra, việc cấp ôxy trong quá trình xử lý chất thải công nghiệp là hiệu quả hơn quá lênmen Lý do cơ bản là do nhu cầu ôxy trong xử lý chất thải là thấp và có thể sử dụng mộtcách tối u năng lợng cho việc cấp ôxy tại chỗ và cho tạo hỗn hợp lỏng - khí Mặt khác,khi nhu cầu ôxy của quá trình còn thấp thì ta dễ dàng xác định đợc đâu là ôxy cho nhucầu của vi sinh vật và đâu là ôxy cho tạo hỗn hợp.

Bảng II.3: So sánh một vài tính chất lý học & sinh học của quá trình lên men và quá

trình xử lý chất thải thứ cấp.

 ảnh hởng của các chất trong môi trờng:

Thành phần hoá học cũng nh sự sinh trởng, phát triển của các tế bào vi sinh vật phụ thuộcmạnh vào thành phần của môi trờng Các chất có ảnh hởng nhất đối với Vi sinh vật là cáccetoaxit, các chất cơ photphor , Pentoza, Hectoza, Malat, Acetat và nhiều chất khác Cácchất có ảnh hởng đến việc tạo thành các phần tử sinh học là các loại Aminoaxit,Mononycleotit, Xacaro, axit béo, các chất họ Glixxerit, các chất chứa Carbon, Canxi v.v (

Tỷ lệ phân huỷ sẽ giảm khi chiều dài mạch Carbon tăng

Khi các nhóm chức nằm trong mạch Carbon thì tỷ lệ phân huỷ sẽ tăng mạnh không phụthuộc vào vị trí của nhóm chức

Sự có mặt của các nhánh trong mạch thẳng sẽ làm giảm tỷ lệ phân huỷ chỉ trong một sốtrờng hợp, chẳng hạn nh butanol - Izobutanol

Sự có mặt của các nối đôi sẽ không cản trở quá trình phân huỷ sinh hoá chẳng hạn NatriOleat và Natri Stearat

Sự có mặt của các nhóm chức trong cấu tạo phân tử chất sẽ ảnh hởng mạnh đến hiệu quảsinh trởng, phát triển của vi sinh vật

Ngoài sự có mặt của các chất có lợi cho sự sinh trởng & phát triển của vi sinh vật, trong

n-ớc thải còn có thể chứa nhiều các chất có độc tính đối với sự phát triển của vi sinh vật.Theo các công trình nghiên cứu ( 2 ), độc tính của một vài chất đối với sự phát triển củakhuẩn Escherichia coli, Pseudomonas và nhiều loại khuẩn khác thờng là các hợp chất nhChloamine, Quinhydron, p - Aminophenol, Nitroglycerine, Pyrogallol v.v nhng các hợpchất loại này thờng là ít và chỉ đặc trng ở một vài loại nớc thải

Sự có mặt của một số kim loại nặng nh: Cd, Pb, Mn, Cr, As v.v sẽ kìm hãm sự sinh trởng

& phát triển của vi sinh vật

 PH của môi trờng:

pH thích hợp của môi trờng cho sự sinh trởng & phát triển của vi sinh vật là 5,5 - 7,5

ảnh hởng của pH đối với vi sinh vật đợc biểu thị thông qua ảnh hởng của pH đối với hàmkìm hãm ( ngăn cản ) đợc cho trong giản đồ hình 11:

Hình11: ảnh hởng của pH đối với hàm kìm hãm

6 Cơ chế tách loại các chất bẩn trong nớc thải bằng vi sinh vật:

Quá trình tách loại các chất hữu cơ trong nớc bằng phơng pháp sinh học xẩy ra theo cáccơ chế sau:

+ Sự thấm hút bề mặt:

Sự thấm hút giới hạn các chất hữu cơ phân huỷ lên bề mặt chất rắn có hoạt tính sinh họcthực hiện đợc với một số chất hữu cơ và đây không phải là cơ chế ban đầu của việc táchloại các chất hữu cơ Các nhà nghiên cứu cho rằng, trong sinh khối không thấy đợc tínhiệu của việc tách loại các chất hữu cơ có độc tính nhng lại thấy đợc tín hiệu của việcthấm hút lên chất rắn lơ lửng trong quá trình xử lý sơ bộ

Trong khi việc thấm hút các chất hữu cơ lên sinh khối thờng không có ý nghĩa thì nó lại

có giá trị đối với các kim loại nặng Các kim loại sẽ tạo phức với thành tế bào cùng vớiquá trình sinh khối Khi nồng độ kim loại trong nớc thải là thấp thì hiệu quả tách loại chấthữu cơ nhìn chung sẽ không có giá trị lớn, sự có mặt của chúng trong bùn có thể đánh giá

đợc hiệu quả xử lý bùn và vận hành hệ thống

+ Cơ chế tẩy màu:

Carbon hữu cơ dễ bay hơi, trong quá trình xử lý sinh học nh: Lọc nhỏ giọt, bùn hoạt tính,

hồ sinh học v.v sẽ thoát vào không khí

+ Qúa trình thối rữa:

Các chất hữu cơ bị vi sinh vật tách khỏi dung dịch bằng hai cách cơ bản sau:

 Ôxy đợc vi sinh vật sử dụng cho việc tạo năng lợng và tổng hợp sinh khối mới

 Các vi sinh vật cũng chịu sự tự ôxy hoá trong tế bào chất của chúng

Các phản ứng này có thể đợc diễn tả nh sau:

Tế bào

Chất hữu cơ + aO2 + N + P  á Tế bào mới + CO2 + H2O + Phần dung dịch không

phân huỷ k

Tế bào + bO2  + CO2 + H2O + N + P+ Phần dung dịch không phân huỷ

Hiệu quả và chức năng của quá trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ hoặc hỗn hợp cácchất hữu cơ trong nớc thải đợc thể hiện ở chỗ: Một phần nhỏ các chất hữu cơ đã tách loạisót lại nh là một sản phẩm không bị phân huỷ tơng tự nh COD chứ không phải BOD Mộtphần còn lại của tế bào cũng giống nh một phần không thể phân huỷ

Cơ chế của việc tách loại chất hữu cơ trong quá trình ôxy hoá sinh học:

Các chất hữu cơ trong nớc thải đợc tách loại chủ yếu bằng các quá trình ôxy hoá sinh học

Sự tách loại BOD bằng quá trình bùn sinh học đợc thực hiện chủ yếu ở hai pha trong đóphần đợc tách loại chủ yếu là ở dạng chất lơ lửng hoặc chất keo Chỉ một phần nhỏ BOD

là đợc tách loại ở dạng hoà tan Cơ chế chính của quá trình tách loại nh sau:

1 Việc tách loại các chất lơ lửng bằng việc kết tụ sinh học Sự tách loại này là nhanh vàdiễn ra trong hỗn hợp bùn - nớc

2 Sự tách loại các chất dạng keo bằng sự hấp thụ hoá lý cuả khối kết tụ sinh học

3 Vi sinh vật thực hiện quá trình hấp thụ sinh học đối với chất hữu cơ hoà tan Quá trìnhtách loại này là kết quả của quá trình tổng hợp enzym hoặc nhờ hiệu ứng bề mặt của vikhuẩn hoặc tế bào Hiệu ứng hấp thụ sinh học đợc thực hiện khi khối kết tụ tiếp xúcvới nớc thải trong thời gian 10 - 15 phút và tải lợng đợc xác định nh sau:

Tải lợng = mg BOD cung cấp/g VSSTổng quát, động học của quá trình tách loại đợc mô tả toán học theo phơng trình Monod

nh sau:

- (1/Xv)dS/dt = ( m/a)(S/(Ks + S ))

Trong đó:

S - Nồng độ chất,

m - Tốc độ phát triển max của vi sinh vật,

Xv - Chất rắn lơ lửng dễ biến đổi,

Ks - Hằng số Monod ứng với nồng độ chất bị phân huỷ khi m = 1/2,

a - Hệ số sinh khối