Nghiên cứu động học quá trình nitrat hóa trong môi trường bị ức chế theo kỹ thuật màng vi sinh chuyển động (TT)

So với xử lý các loại hình nước thải khác, nitrat hóa nước thải trên luôn phải đối mặt với những yếu tố không thuận lợi: vi sinh vật chức năng có sức hoạt động thấp, điều kiện môi t

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

PHẠM THỊ HỒNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA TRONG MÔI TRƯỜNG BỊ ỨC CHẾ THEO KỸ THUẬT

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Văn Cát

Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Jean-Luc VASEL

Phản biện 1: TS Lê Văn Chiều

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Việt Anh

Phản biện 3: GS.TS Đặng Thị Kim Chi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ’, ngày … tháng … năm 2016

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Xử lý và tái sử dụng nước nuôi giống thủy sản là phương thức sản xuất đang được áp dụng ngày càng trở nên phổ biến để ngành kinh tế phát triển bền vững Thành phần gây ô nhiễm trong môi trường nuôi và loài nuôi chủ yếu là hợp chất nitơ, có nguồn gốc từ nguồn thức ăn và hoạt động của chúng

Nitrat hóa là quá trình xử lý vi sinh quan trọng nhất trong hệ thống xử lý và tái

sử dụng nước thải So với xử lý các loại hình nước thải khác, nitrat hóa nước thải trên luôn phải đối mặt với những yếu tố không thuận lợi: vi sinh vật chức năng có sức hoạt động thấp, điều kiện môi trường hoạt động của vi sinh bị ức chế, mức độ làm sạch đòi hỏi rất sâu để đảm bảo an toàn cho loài nuôi

Nghiên cứu động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế chính là thiết lập mối tương quan giữa nồng độ amoni theo thời gian phụ thuộc vào các điều kiện ức chế đó, hay chính là xác định sự ảnh hưởng của độ muối, nồng độ amoni đầu vào, sự

có mặt chất hữu cơ hay nhiệt độ … lên tốc độ phản ứng Các nghiên cứu trước đây thường gán cho phản ứng theo bậc 1 (vùng nồng độ thấp) và bậc 0 (vùng nồng độ cao) gặp phải một số hạn chế không đánh giá được chi tiết khả năng cung cấp cơ chất (bậc phản ứng) khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động Một kỹ thuật có ưu điểm hơn hẳn các kỹ thuật đang áp dụng như lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học hay lọc tầng tĩnh… Ngoài những yếu tố mang đặc trưng “kỹ thuật” trên, các yếu tố đặc thù liên quan như quy mô sản xuất, thời vụ, sự phong phú của loài nuôi cũng tác động đến hiệu quả của công nghệ xử lý

Với mục đích đóng góp vào việc thiết lập công nghệ tái sử dụng nước thải nuôi giống thủy sản có hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam, đề tài:

“Nghiên cứu động học quá trình nitrat hoá trong môi trường bị ức chế theo kỹ thuật màng vi sinh chuyển động” tập trung nghiên cứu các nội dung chính:

 Quá trình động học nitrat hóa trong môi trường bị ức chế

 Vai trò của các quá trình chuyển khối và tác động của chúng đến hiệu quả nitrat hóa khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh di động và sử dụng vật liệu mang vi sinh

có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn

 Nghiên cứu mô hình hóa, mô phỏng quá trình xử lý nước thải nhằm đáp ứng tính đa dạng của đối tượng nghiên cứu và giảm nhẹ công sức nghiên cứu thực nghiệm

 Tiến hành thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá kết quả thu được từ thí nghiệm

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Góp phần thiết lập kỹ thuật xử lý có hiệu quả cao, cho nguồn nước thải nuôi trồng thủy sản có nồng độ ô nhiễm amoni thấp, đòi hỏi xử lý sâu trong môi trường nước mặn

 Xây dựng mô hình động học có khả năng mô tả sát quá trình nitrat hoá trong điều kiện bị ức chế (nồng độ amoni thấp, môi trường nước mặn, có mặt chất hữu cơ,…)

 Sử dụng công cụ mô hình hóa để tiên đoán hiệu quả của quá trình xử lý nước thải nuôi giống thủy sản, và trợ giúp khâu vận hành

3 Đối tượng nghiên cứu

 Xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải nuôi giống thủy sản

 Động học quá trình nitrat hóa trong môi trường bị ức chế (độ mặn cao, nồng độ amoni thấp)

 Chất mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động

 Các quá trình chuyển khối liên quan đến kỹ thuật màng vi sinh di động

4 Nội dung nghiên cứu của luận án:

 Thu thập, hệ thống hóa các thông tin, khảo sát, đánh giá hiện trạng ứng dụng

công nghệ lọc sinh học tuần hoàn (dạng tầng tĩnh và dạng tầng chuyển động)

 Nghiên cứu hệ thí nghiệm phù hợp cho kỹ thuật màng vi sinh di động sử dụng giá thể mang vi sinh có đặc trưng các tính chất (diện tích bề mặt lớn, xốp, nhẹ…)

 Nghiên cứu thủy động lực học và quá trình chuyển khối của oxy trong kỹ thuật màng vi sinh di động

 Nghiên cứu quá trình nitrat hóa dưới ảnh hưởng của các yếu tố: độ mặn, nồng

độ cơ chất thấp, mật độ chất mang, kích thước chất mang, chất hữu cơ, nhiệt độ

 Mô hình hóa quá trình nitrat hóa theo kỹ thuật màng vi sinh di động bằng cách phát triển hai mô hình bùn hoạt tính ASM1 và ASM3 thành ASM1_MBBR, ASM3_MBBR

 Đánh giá hiệu quả xử lý amoni đối với nước nuôi giống thủy sản, hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình bằng cách so sánh kết quả giữa chạy mô hình và kết quả chạy pilot

5 Phương pháp nghiên cứu:

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

 Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng

6 Những đóng góp mới của luận án:

 Đóng góp một số kết quả để phát triển kỹ thuật màng vi sinh di động

 Đã nghiên cứu, xác định và đặc trưng loại vật liệu mang xốp polyuretan có nhiều ưu điểm trong công nghệ xử lý nước thải

 Đóng góp vào vấn đề động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế

 Đã nghiên cứu xử lý số liệu theo nhiều phương pháp khác nhau

 Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên động học quá trình nitrat hóa Đặc biệt đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đó lên hằng số tốc độ phản ứng (k) và bậc phản ứng (n) – hằng số mà theo các công trình nghiên cứu trước đây vẫn gán cho các giá trị bậc 0 (vùng nồng độ cao), bậc 1 (vùng nồng độ thấp)

 Đã mô hình hóa quá trình nitrat hóa bằng cách phát triển mô hình bùn hoạt tính cho mô hình màng vi sinh di động trong điều kiện bị ức chế bởi độ muối, một

mô hình khá mới mẻ trên thế giới, và hoàn toàn mới tại Việt Nam (ASM1_MBBR; ASM3_MBBR)

 Chủ động kiểm soát quá trình sản xuất giống thủy sản

8 Bố cục của luận án:

Bố cục luận án gồm: phần mở đầu, ba chương nội dung và phần kết luận Luận án được trình bày trong 135 trang A4 với 60 hình và 25 bảng cộng với phần phụ lục, tham khảo 118 tài liệu trong nước và quốc tế Luận án được cấu tạo gồm 14 trang danh mục các chữ viết tắt, bảng biểu, hình ảnh và mục lục; 2 trang mở đầu, 43 trang tổng quan, 17 trang thực nghiệm, 59 trang kết quả và thảo luận và 6 trang kết luận

NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG I – TỔNG QUAN

Phần tổng quan trình bày :

 Đặc trưng ô nhiễm nguồn nước thải trong nuôi giống thủy sản, xử lý và tái sử dụng trong hệ nuôi khép kín Môi trường nuôi giống thường là nước lợ và mặn (10 – 30%°) bị ô nhiễm bởi các thành phần amoni, nitrit, nitrat, thành phần hữu

cơ, hình thành từ nguồn thức ăn và chất bài tiết từ vật nuôi cùng với một số loại hóa chất (kháng sinh, hormon) sử dụng trong quá trình nuôi Xử lý nước thải và tái sử dụng theo phương thức nuôi khép kín mang lại lợi ích về bảo vệ môi trường và cả kinh tế cho sản xuất bền vững

 Màng vi sinh và chất mang vi sinh: Màng vi sinh có một độ dày nhất định, từ vài chục µm tới vài mm, phụ thuộc vào mật độ sinh khối: tỷ lệ thuận với mật

độ sinh khối và tỷ lệ nghịch với diện tích bên trong của vật liệu mang Chất mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh di động gồm có hai loại (xốp và không xốp), một trong những sản phẩm được sử dụng khá rộng rãi hiện nay là vật liệu Kaldnes, Biochip và polyuretan

 Chuyển khối trong hệ sử dụng màng vi sinh gồm hai phần thủy động lực (chuyển khối ngoài) và khuếch tán trong màng vi sinh Chuyển khối trong hệ thống xử lý nước thải đóng vai trò cung cấp “thức ăn” cho vi sinh vật trong lớp màng Quá trình chuyển khối bao gồm: chuyển khối đối lưu trong nước, khuếch tán trong màng thủy lực và khuếch tán trong màng vi sinh Khuếch tán trong màng vi sinh thường là giai đoạn có tốc độ chậm nhất và phụ thuộc vào đặc trưng của chất mang, kỹ thuật xử lý và chế độ vận hành

 Nghiên cứu lý thuyết về quá trình nitrat hóa: Quá trình oxy hóa amoni với oxy

là tác nhân oxy hóa thành nitrat được gọi là nitrat hóa, xảy ra trong tế bào của

vi sinh vật do hai chủng vi sinh vật là Nitrosomonas và Nitrobacter Tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng tuân theo qui luật động học Monod đối với từng yếu tố ảnh hưởng hay đối với từng loại cơ chất cần thiết cho vi sinh vật Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa gồm: nhiệt

độ, pH, nồng độ oxy, nồng độ cơ chất, nồng độ chất hữu cơ (chất ức chế)

 Mô hình hóa và mô phỏng: Mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR bao gồm hai phần mô hình riêng biệt - cho thành phần vi sinh tồn tại ở dạng huyền phù (bùn hoạt tính) và cho vi sinh bám dính trong chất mang Các phương trình

cơ bản trong mô hình ASM được giữ lại và phát triển cho trường hợp màng vi sinh thành mô hình các quá trình xảy ra trong màng vi sinh hoàn toàn tương tự các quá trình xảy ra ở dung dịch huyền phù, chỉ khác nồng độ cơ chất khác (xảy ra quá trình chuyển khối), và mật độ vi sinh khác mật độ vi sinh trong

dung dịch huyền phù thông qua các hệ số trong các phương trình động học được trình bày ở trên Hiệu chỉnh mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR cho hệ màng vi sinh di động trong môi trường bị ức chế bởi sự có mặt của độ muối được trình bày trong luận án

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp phân tích

Trình bày phương pháp phân tích 6 chỉ tiêu cơ bản sử dụng trực tiếp trong nghiên cứu này như: amoni, nitrit, nitrat, độ muối, độ oxy hóa, và oxy hòa tan theo quy chuẩn phân tích tiêu chuẩn của Mỹ, Đức

2.2 Hóa chất và vật liệu

Liệt kê các loại hóa chất sử dụng để pha chế nguồn nước thải tổng hợp giống như nguồn nước thải thực thích hợp cho sự phát triển của vi sinh

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng sử dụng để tổng hợp nguồn nước thải

Thành phần Hàm lượng Đơn vị

(NH4)2CO3 1247 mg NaHCO3 3500 mg MgSO4.7H2O 36 mg

Na2HPO4 159 mg

KH2PO4 153 mg FeCl3.6H2O 5 mg Nước 140 lít Chất mang sử dụng cho kỹ thuật màng vi sinh di động

Hình 2.1 Hình ảnh chất mang vi sinh, polyuretan (PU) Tiến hành một số thí nghiệm đặc trưng các tính chất của chất mang như:

- Xác định hàm lượng phụ gia CaCO3 trong chất mang

- Xác định khối lượng riêng thực, biểu kiến và độ xốp

- Xác định diện tích bề mặt của chất mang bằng phương pháp BET và tính toán

từ ảnh SEM

- Xác định cấu trúc hình thái vật liệu mang

Thí nghiệm:

Hai sơ đồ cơ bản được sử dụng để tiến hành nghiên cứu đó là: hệ thí nghiệm màng vi sinh di động dạng mẻ và hệ thí nghiệm màng vi sinh di động dạng dòng liên tục

Hình 2.2 Hệ thí nghiệm màng vi sinh di động dạng mẻ

Hình 2.3 Hệ thí nghiệm màng vi sinh di động dạng dòng liên tục nối tiếp 2 bình Các chỉ tiêu DO, pH, ORP, nhiệt độ được kiểm soát thường xuyên bởi các đầu

đo điện cực trực tiếp trong dung dịch

Trong quá trình phản ứng, mẫu nước được lấy theo định kỳ để đánh giá các thông số cần quan trắc

2.3 Thực nghiệm

2.3.1 Thí nghiệm đánh giá thủy động lực

Thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá sự phân bố của chất mang trong pha lỏng dưới tác động của dòng khí cưỡng bức trong bình nhựa hình trụ trong suốt Chất mang được nhuộm bởi hai màu xanh và đỏ, tỷ lệ hạt như nhau được ngăn bởi vách ngăn nhôm và hòa trộn vào nhau khi được cấp nguồn khí Sử dụng máy camera chụp liên tục 3 ảnh trong 1 giây ở cùng một vị trí Phân tích ảnh và quan sát tỷ lệ các hạt màu xanh và đỏ trong mỗi hình theo thời gian để đánh giá mức độ khuấy trộn trong bình thí nghiệm

2.3.2 Thí nghiệm đánh giá quá trình chuyển khối của oxy

Thí nghiệm đánh giá quá trình chuyển khối của oxy thông qua việc xác định giá trị hằng số KLa, đại lượng đặc trưng cho hệ số chuyển khối của oxy trong hệ thống phản ứng

2.3.3 Thí nghiệm đánh giá tốc độ nitrat hóa

Thí nghiệm đánh giá tốc độ nitrat hóa với mục đích khảo sát ảnh hưởng của nồng

độ amoni đầu vào, độ muối, thành phần chất hữu cơ và nhiệt độ Kế hoạch thực nghiệm bố trí được trình bày trong bảng 2.2 Dung dịch thí nghiệm được pha chế từ

nước máy với các thành phần hóa chất tương ứng cho từng thí nghiệm như trình bày trong bảng 2.1 Độ kiềm dư (sau khi phản ứng kết thúc) đảm bảo có giá trị cao hơn

độ amoni đầu vào

Ảnh hưởng độ muối

Ảnh hưởng mật độ chất mang

Ảnh hưởng thành phần chất hữu cơ

Ảnh hưởng của nhiệt độ

vào (mg/l)

3, 5, 8 5 5 5 5

Độ muối (%°) 10 0 – 40 0 30 30

Tỷ lệ C/N 0 0 0 0,5 – 10 0 Nhiệt độ duy trì

trong hệ (0C)

28 – 30 28 – 30 28 – 30 28 – 30 15 – 37

2.3.4 Hệ thí nghiệm qui mô pilot

Thí nghiệm qui mô pilot sử dụng nguồn nước thải lấy từ trạm nuôi tôm giống tại Quý Kim, Hải Phòng và tiến hành thí nghiệm tại phòng Hóa Môi trường, Viện Hóa học Ngoài mục đích đánh giá và so sánh kết quả với các nghiên cứu trên mẫu nước tổng hợp, các số liệu thu được còn được sử dụng để hiệu chỉnh các thông số cho mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR

Bảng 2.3 Đặc trưng nước thải từ trại nuôi giống Quý Kim, Hải Phòng

4

NH N(mg / l) NO3 N(mg / l) NO2 N(mg / l) pH Kiềm Độ muối %° 3,76 0,021 0,18 8,3 115 23

3,91 0,032 0,24 8,2 119 22

4,05 0,026 0,21 8,3 116 23

Hệ thí nghiệm sử dụng theo kỹ thuật dòng liên tục có hai bình nối tiếp liên tục, được thực hiện trong ba tháng vào mùa hè từ 1/6/2011 – 1/9/2011 Nguồn nước thải nuôi tôm giống được sử dụng để xử lý bằng vi sinh đã qua lọc thô Nguồn vi sinh sử dụng được lấy từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt Kim Liên – Trúc Bạch, nguồn đó được thuần dưỡng trong phòng thí nghiệm bởi nguồn nước thải tổng hợp theo tỷ lệ như trình bày trong bảng 2.1 đến khi hoạt tính vi sinh đạt tối đa, tiếp tục chạy bằng nguồn nước thải thực đến khi hoạt tính vi sinh không đổi Khi đó mật độ vi sinh được xác định là 6,1 g vi sinh khô/1 lít vật liệu mang

Mẫu được lấy định kỳ tại các điểm đầu ra của bình phản ứng và phân tích các chỉ tiêu độ muối; độ kiềm;NH ; NO ; NO ;COD, pH   theo phương pháp tiêu chuẩn Số liệu

được sử dụng để hiệu chỉnh các thông số cho mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR

2.4 Phương pháp phân tích các số liệu động học

Quá trình oxy hóa amoni bằng phương pháp sinh học thường được mô tả theo phương trình động học Monod:

n d[C]

d[C]

dt

    (2-3) Giải phương trình (2-2) và (2-3) với nồng độ amoni ban đầu là C0 sẽ thu được:

C = Co e(– kt ) khi n = 1 (2-4)

C1 – n – C0 1– n = (n –1)kt với n ≠ 1 (2-5)

Từ số liệu động học thu được theo kỹ thuật phản ứng dạng tĩnh (cặp giá trị Ci

và ti tương ứng) sẽ tính được tốc độ phản ứng vi tại giá trị nồng độ Ci theo phương pháp vi phân số và từ đó tính ra k theo (2-3) khi gán cho n = 1 (phương pháp I) hoặc

k, n theo biểu thức (2-2) (phương pháp II)

Tương ứng có thể tính k theo (2-4) khi gán n = 1 (phương pháp III) và đồng thời k và n từ (2-5) (phương pháp IV) từ Ci, ti theo phương pháp tính hồi qui thích hợp

Từ giá trị tốc độ phản ứng (v) tính theo phương pháp vi phân số I, II, III, IV tương ứng với từng giá trị nồng độ C (mg/l)

Từ tập hợp các cặp dữ liệu (Ci, ti) trên đường động học ta tìm được k và n khi

sử dụng lời giải dạng giải tích theo phương pháp III, IV

Kết quả chỉ ra rằng sử dụng phương pháp tính đồng thời k và n từ lời giải dạng giải tích sẽ phản ánh sát nhất kết quả thí nghiệm

Bảng 2.4 Độ lệch chuẩn của các phương pháp tính khác nhau từ 9 tập hợp dữ liệu

Phương pháp tính I II III IV

Độ lệch chuẩn 6-75 10-45 1-35 <1

Hình 2.4 Dữ liệu tính toán theo 4 mô hình với các số liệu thực nghiệm (các điểm) Hình vẽ trên cho thấy giá trị thực nghiệm gần sát với kết quả phân tích theo phương pháp IV nhất

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng của chất mang

Polyuretan xốp được sử dụng làm chất mang vi sinh trong kỹ thuật màng vi sinh di động với tiêu chí đặt ra là có độ xốp lớn (94%), diện tích bề mặt cao và dễ chuyển động trong môi trường chất lỏng Bốn loại vật liệu mang với ký hiệu M1, M2, M3, M4 đều là vật liệu polyuretan nhưng có hàm lượng chất phụ gia CaCO3 khác nhau (0; 9,30; 20,43; 28,25%) Khi sử dụng cho nghiên cứu các quá trình vi sinh thì chỉ sử dụng loại M1, vi sinh bám vào chất mang và phát triển theo thời gian

Hình 3.6 Xác định diện tích bề mặt theo phương

pháp BET của mẫu M1 pháp Langmuir mẫu M1 Bảng 3.1 Kết quả đo diện tích bề mặt vật liệu mang bằng chụp BET

Tên vật liệu Ađơn điểm (m2/g) ALangmuir (m2/g) ABET (m2/g)

3.2 Thủy động lực học

3.2.1 Thủy động lực học của pha rắn trong kỹ thuật màng vi sinh di động

Nghiên cứu thủy động lực học của pha rắn trong kỹ thuật màng vi sinh di động thực chất là việc đánh giá mức độ khuấy trộn (hỗn loạn) của chất mang vi sinh trong

bể phản ứng

Các thí nghiệm đánh giá mức độ khuấy trộn theo tốc độ sục khí khác nhau đều được khởi động với hình 3.7 gồm hai nửa của bình chia đều mỗi bên có cùng lượng chất mang có màu riêng biệt (đỏ, xanh) bằng vách ngăn giấy bạc

Để thuận tiện cho việc đánh giá mức độ khuấy trộn bằng cách chia nhỏ bình phản ứng thành 5 hàng và 4 cột, chia thành 20 phần có diện tích giống nhau, mỗi một hình chữ nhật được ký hiệu ri,j, dòng thứ i và cột thứ j Mức độ khuấy trộn được đánh giá thông qua việc quan sát số lượng các hạt xanh hay đỏ phân bố thay đổi theo thời gian sục khí (hình 3.8)

Hình 3.7 Hình ảnh ban đầu của tất cả các

thí nghiệm Hình 3.8 Bình khuấy trộn sau 7,66 giây tại tốc độ dòng khí là 8,3 3 1 3

m h m  ) Tất cả các hình được chụp liên tục tại cùng một vị trí bằng cách sử dụng camera tự động với ba bức ảnh được chụp lại trong 1 giây Những bức tranh đó được phân tích theo phương pháp phân tích ảnh để nhận được kết quả tiệm cận tới một giá trị không đổi 1 (100%)

Phân tích số lượng các hạt xanh và đỏ và tồng thay đổi theo thời gian trong một vài hình chữ nhật Trong đó các hình chữ nhật nhỏ lần lượt được ký hiệu: NX

Hình 3.9 Đồ thị sự biến thiên của giá trị tb/max theo thời gian t (s)

Kết quả chỉ ra cho thấy với tốc độ sục khí là 8,3 3 1 3

m h m  sau 14 giây thì phản ứng đã khuấy trộn gần như hoàn toàn 100% Sử dụng phương trình bậc nhất để xác định (t,tb/max) tại tất cả các tốc độ dòng khí:

tb max ln(1  ) kt

 hoặc

kt tb

Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa giá trị của k theo tốc độ dòng khí trong

kỹ thuật màng vi sinh di động có 10% thể tích vật liệu mang

Từ giá trị k được biết theo phương pháp tính toán ở trên, tốc độ dòng khí tăng dẫn đến giá trị k tăng, với tốc độ sục khí 29,07 3 1 3

m h m  thì k đạt giá trị gần tối đa 0,312, khi tăng tốc độ sục khí hơn nữa thì k tăng không đáng kể, với tốc độ sục khí đó thích hợp sử dụng cho kỹ thuật màng vi sinh di động có 10% vật liệu mang

3.2.2 Quá trình chuyển khối của oxy trong kỹ thuật màng vi sinh di động và tầng

lưu thể

KLa là hằng số đặc trưng cho quá trình chuyển khối của oxy, cụ thể trong phạm

vi luận án nghiên cứu trong hai kỹ thuật màng vi sinh di động (MBBR) và tầng lưu thể (FBR) Đồ thị hấp phụ oxy điển hình được chỉ ra trong hình 3.10, dữ liệu hấp phụ của oxy thu được tại 294K với pH = 8,0; trong trường hợp không có vi sinh CSO 2 = 0,8 mol/L, Pkk = 730 kPa

KLa trong kỹ thuật màng vi sinh di động cao hơn trong kỹ thuật bùn hoạt tính

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí lên hệ số chuyển khối của oxy

Trong cả hai trường hợp, kỹ thuật màng vi sinh di động khi có mặt và không có mặt vi sinh dường như là có giá trị KLa cao hơn trong kỹ thuật bùn hoạt tính

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố lên động học quá trình nitrat hóa

3.3.1 Ảnh hưởng của độ muối

Tốc độ và hiệu quả oxy hóa amoni trước hết phụ thuộc vào độ muối của môi trường; tác động của yếu tố trên được đánh giá thông qua hiệu suất xử lý Hiệu suất xử

lý được tính từ biểu thức (3-3):

H (%) = (C0 – C)/C0*100% = [C0 – (C01–n + (n – 1)kt)1/(1-n)]/C0*100% (3-3) Trong đó H là hiệu suất của phản ứng; C0 là nồng độ amoni đầu vào; C là nồng

độ amoni tại thời điểm phản ứng t; k là hằng số tốc độ phản ứng và n là bậc phản ứng;

t = [(C0 – H(%)C0/100)1-n – C01–n]/[(n–1)k] (3-4) Bảng 3.3 Thời gian cần thiết (phút) để hiệu suất xử lý đạt 96% với nồng độ ban đầu 5mg/l tại các độ muối khác nhau (ĐKTN) và chế độ thuần dưỡng khác nhau (ĐKTD)

ĐKTD ĐKTN

0%° 15%° 25%° 35%°

0%° 64 68 70 72 5%° 77 78 80 81 10%° 101 96 93 90 15%° 115 108 104 99 20%° 140 119 116 109 25%° 168 155 143 134 30%° 192 190 173 167 35%° 235 223 196 193 40%° 285 256 197 205

Mô hình hóa ảnh hưởng của độ muối lên bậc phản ứng

Ảnh hưởng của độ muối lên bậc của phản ứng được đề xuất theo mối quan hệ:

b aX

n   (3-5) Trong đó a, b là các hệ số hồi qui và X là nồng độ muối trong môi trường phản ứng

Các giá trị a, b biến động theo độ muối trong môi trường thuần dưỡng, có thể

mô tả theo quan hệ:

a = 0,0002 Y – 0,0195 với R2 = 0,957

b = – 0,009 Y + 1,2382 với R2 = 0,993

Y là độ muối của môi trường thuần dưỡng vi sinh Tổng hợp cả hai yếu tố tác động, bậc của phản ứng bị chi phối bởi độ muối của môi trường phản ứng (X) và của môi trường thuần dưỡng (Y):

2382,1Y009,0X)0195,0Y0002,0(

Mô hình hóa ảnh hưởng của độ muối lên hằng số tốc độ phản ứng

Mô hình ảnh hưởng của độ muối lên hằng số tốc độ phản ứng được đề xuất như sau:

k = c.edX (3-7) Trong đó X là độ muối trong điều kiện thí nghiệm và c, d là các hệ số hồi qui Giá trị c hầu như không đổi trong mọi trường hợp, 0,097 ± 0,001, còn giá trị d thay đổi khi vi sinh được thuần dưỡng ở những độ muối khác nhau

Tác động của độ muối trong môi trường phản ứng (X) và của môi trường thuần dưỡng (Y) đến hoạt tính của vi sinh được đề xuất theo mối quan hệ:

X ) 0346 , 0 Y 0003 , 0 (e 097 , 0

k    (3-8)

Sử dụng phương trình động học tổng quát (3-11) với hai thông số động học là k

và n để tính tốc độ phản ứng dưới tác động của độ muối X và Y:

2382 , 1 Y 009 , 0 X ) 0195 , 0 Y 0002 , 0 ( X ) 0346 , 0 Y 0003 , 0 (

Ce

097,0

v      (3-9)