bai giang ky thuat tuan hoan nuoc 2

Đây là giáo trình của đại học giới thiệu về môn Kỹ thuật tuần oàn nước, tài liệu viết dưới dạng sile powerpoint dễ đọc, dễ hiểu. Bể nuôi cá: - Cá sinh trưởng và chất thải được tạo ra trong bể - Lượng nước chảy qua bể phụ thuộc lượng thức ăn cung câp

QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA (CÁC KIỂU LỌC SINH HỌC)

Mục tiêu

• Công suất lọc của từng kiểu lọc sinh học

• Ước tính được khả năng lọc dựa trên Climit, TAN và DO.

• Ưu nhựợc điểm của các kiểu lọc sinh học

• Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến động học của biofilm

• Thiết kế hệ thống lọc sinh học tương ứng với mức thức ăn tối đa cung cấp vào hệ thống

Công suất của lọc sinh học

Công suất lọc sinh học - (g TAN/ngày)

Phụ thuộc vào:

• Tỉ lệ nitrate hóa - rTAN (g TAN/m2/ngày)

• Diện tích bề mặt giá thể riêng - SSA (m2/m3)

• Thể tích giá thể - V (m3)

Công suất của lọc sinh học

Đơ n vị:

(g TAN/ngày)= (g TAN/ m2/ngày)*( m2/ m3)*( m3)

Các kiểu lọc

• Lọc chảy nhỏ giọt (Trickling filter)

• Lọc quay (rotating biological contactor)

• Lọc hạt (Bead filter)

• Lọc giá thể chuyển động (Moving bed biofilm reactor)

• Lọc giá thể chìm (submerged filter)

• Lọc dòng đáy (Fluidized bed filter)

1 Lọc chảy nhỏ giọt

Giá thể lọc bên trong lọc sinh học

Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt

Xác định các thông số:

B 1 Lượng thức ăn cao nhất (kg feed/day)

B 2 Protein trong thức ăn (%)

B 8 Thay nước để điều khiển N-NO3- giảm PTAN

B 9 Hiệu quả xử lý (TE) (%)

Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt

Xác định các thông số:

B 10 dòng chảy điều khiển TAN (m 3 /day)

QTAN = PTAN / ( CTAN,IN – CTAN,OUT)

= PTAN / (1-TE/100) x CTAN,OUT

B 11 Diện tích bề mặt giá thể cần thiết (A) và thể tích

lọc(V)

TAN removal rate (rTAN in g TAN/m2/day)

A (m2) = PTAN (g TAN/day) / rTAN (g TAN/m2/day)

V (m3) = A (m2) / SSA (m 2 /m 3 )

Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt

Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt

Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt

Đặ c điểm của bể lọc chảy nhỏ giọt

2 Lọc quay

Lọc quay

 Chia ngăn: Vi khuẩn chuyên biệt

 Lượng nạp tối đa: 300 m3/m2/day

 Tốc độ quay ngoại biên: 0.18- 0.39 m/s

 Khử hàm lượng CO2: 39%

Brazil,2006 Aquacult Eng 34, 261-274

Lọc quay

Brazil,2006 Aquacult Eng 34, 261-274

TAN nạp vào (g/m 2 /ngày)

Thông số thiết kế

Xác định thông số thiết kế:

Bước 1 Xác định nhu cầu oxy(kg O2/day)

Bước 2 Xác định dòng chảy cho cung cấp oxy(L/day)

Kiểm tra số lượng bể trao đổi mỗi giờ(Bể/giờ)Bước 3 Xác định lượng TAN sinh ra(kg TAN/day)

Bước 4 Xác định tỉ lệ loại bỏ TAN (g/m2/day)

Bước 5 Xác định diện tích bề mặt giá thể (Agiá thể = m2)

(Timmons and Ebeling, 2007)

Brazil,2006 Aquacult Eng 34, 261-274

Van Gorder and Jug-Dujakovic, 2005, Journ of Rec Aquaculture, 6: 23-38

Chiếm diện tích lớn

(See also Wheaton,1994; Timmons and Ebeling 2007)

3 Lọc hạt

Hạt giá thể lọc

Biofilm bám trên giá thể

O2Org Wastes

CO2

BOD Phân hủy

NH3

O2Bicarbonates

Hoạt động của lọc hạt

Thông số thiết kế

Bước 1 Thể tích của hệ thống –Vs (m3)

Bước 2 Sinh khối cá tối đa (kg)

Bước 3 Lượng thức ăn tối đa(kg /ngày)

Bước 4 Hàm lượng protein trong thức ăn(%)

Bước 5 Nhiệt độ hoạt động(°C)

Bước 6 Nồng độ muối (ppt)

Bước 7 Lượng TAN sinh ra/kg thức ăn (ETAN)

Bước 8 Điều chỉnh lượng TAN sinh ra với thức ăn có

protein cao hơn (P2, %)

ETAN = P2 [(30gTAN/kg feed)/35% protein)]

Bước 9 Điều chỉnh tỉ lệ nitrate hóa (Is= 30%)

Drennan et al., 2006 Aquacult Eng 34, 403-416

Thông số thiết kế

Drennan et al., 2006 Aquacult Eng 34, 403-416

Bước 10 Điều chỉnh TANT theo trao đổi nước

TANlọc sinh học = TANT - (1,5mg/L)(Qtrao đổi (L/ngày) )(10-3)Bước 11Thể tích bể lọc –Vb (m3)

Tăng cường giá thể lọc

Vgiá thể lọc = TANBiofilter/530 g TAN/m3 = …m3

Khuyến cáo mô hình…

Bước 12 Dòng chảy(Q) qua bể lọc

Tỉ lệ nạp = 806 L/phút/m3 hạt

Q = (806 L/phút/m3 hạt)(m3 hạt)/kg thức ăn= L/min/kg thức ăn

 Hòa tan dinh dưỡng

 Không sục khí bên trong

 Tổn thất năng lượng

Aquaculture Systems Technologies, (New Orleans, LA, USA)

4 Lọc giá thể chuyển động

Sơ đồ trại nuôi cá rô phi 300 tấn

Lọc trống

Oxy lỏng

Giá thể chuyển động Chất thải rắn

Son en Breugel, The Netherlands

Phân bón

Bể khử nitrate (Phản nitrate hóa)

Retour water flow

Bể lọc sinh học (Nitrate hóa)

Hiệu quả của lọc giá thể chuyển động

Hiệu quả loại bỏ TAN của giá thể Kaldness K1,

Ư u điểm của lọc giá thể chuyển động

Chiếm diện tích nhỏ

Sử dụng toàn bộ thể tích bể (không bị góc chết)

5 Lọc dòng đáy

Các bước thiết kế bể lọc dòng đáy

- Xác định TAN đầu vào

- Xác định thể tích cát

dựa vào tỉ lệ loại bỏ TAN/m3 cát

- Chọ độ sâu thiết kế cho giá thể cát

- Xác định diện tích tiết diện bể lọc

- Chọn cỡ cát liên quan đến tốc độ dòng

- Xác định tốc độ dòng nước

- So sánh tốc độ dòng cho điều khiển chất lượng nước trong bể cá, điều chỉnh diện tích tiết diện nếu cần thiết

- Kiểm tra cân bằng oxy hòa tan

- Thiết kế hệ thống phân phối nước

Q (m3/min)= tốc độ dòng đáy (m/s) x A(m2) x 60 s/min (For design see Timmons et al, 2001)

Đặ c điểm của bể lọc dòng đáy

BÓN VÔI

MỤC TIÊU

1 Sử dụng vôi trong nuôi trồng thủy sản

2 Khái niệm giá trị trung hòa và hiệu quả

của vôi

3 Khái niệm về trao đổi acid

4 Tính toán nhu cầu vôi cần bón

Bón vôi

Mục đích của việc bón vôi

– Tăng pH của nước

– Tăng pH của bùn – tăng nguồn PO4

3-– Cải thiện hoạt động của vi sinh vật trong bùn

– Cải thiện năng suất động vật đáy

– Tăng độ kiềm – nguồn carbon cho quá trình QH – Tăng độ kiềm – tăng hệ đệm

Bón vôi

Khi nào nên bón vôi

– Bón phân không có tác dụng – pH thấp và độ kiềm thấp

– Độ kiềm thấp

– pH biến động

Bón vôi

Vôi có lẫn tạp chất giá trị trung hòa (NV) thấp hơn vôi tinh khiết

Giá trị trung hòa (%) = [(V-T) (N) (5000)]/S

Trong đó: V: thể tích của acid HCl (mL)

T: thể tích của NaOH (mL) N: nồng độ đương lượng gam (nên giống nhau giữa acid và bazơ)

S: khối lượng mẫu (mg)

Bón vôi

Thí dụ:

Chuẩn độ bằng NaOH 1N với chỉ thị phenolphthalein Giả sử dùng 16 mL NaOH khi chuẩn độ

Bón vôi

24% qua sàng 20 không qua sàng 60 24 x 0,522 = 12,5 14% qua sàng 10 không qua sàng 20 14 x 0,126 = 1,8

Hiệu suất (ER) của vôi phụ thuộc vào cỡ hạt

Bón vôi

Tính lượng vôi thực tế cần bón:

Lượng vôi thực tế = Lượng vôi theo lý thuyết/(NV%*ER%)

Thí dụ: giả định rằng chúng ta cần bón vôi 2000 kg/ha

CaCO3 với vôi nông nghiệp có giá trị trung hòa là 86% và hiệu suất là 72%:

2000Lượng vôi sử dụng = - = 3230 kg/ha

(86% x 72%)

Trao đổi acid trong bùn

Độ thiếu bão hòa bazơ (Al3+) = 3,25/5 = 0,65

Độ bão hòa bazơ (Ca2+, K+, Na+) = 1,75/5= 0,35

Trao đổi cation

Trao đổi cation

Cation keo đất ↔ Cation trong dịch đấtKhả năng trao đổi cation (CEC= cation exchange capacity)CEC = meq (cation trong keo đất)/100g bùnSét, hữu cơ > cát

Cation acid = Al3+, Fe3+, H+

Cation kiềm = Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+

Bón vôi

1 ½ Ca2+ + 1 ½ CO2 + 1 ½ H2O

Al-mud ⇔ Al3+ + 3H2O ⇔ Al(OH)3↓ + 3H+

1½CaCO3

Trung hòa trao đổi acid:

Ít Al 3+ bị hấp thụ trong bùn (acidic ion) và nhiều Ca 2+ hấp thụ trong bùn (basic ion) ⇒ độ bão hòa bazơ↑ (Thiếu bảo hòa bazơ↓)

− Cho 20 g bùn khô vào 40 mL dung dịch đệm, ngâm trong

1 giờ, đo pH và xác định nhu cầu vôi

Bón vôi

Tính toán:

pH thay đổi 0,1 tương đương với 0.16 meq H+

Thí dụ: pH dung dích đệm giảm xuống 7,5 sau khi cho 20

g bùn khô (giảm 0,5)0,5 * 0,16 = 0,8 meq H+

50 mg * 0.8 = 40 mg CaCO3/20g bùnKhối lượng bùn ao nuôi thủy sản là 150 kg/m2

Tính lượng vôi cần bón??

Đấ t phèn

KFe33(SO44))22(OH)66 FeS2

Quá trình oxy hóa đất phèn

Pyrite bị oxy hóa trong điều kiện tiếp xúc với không khí trong điều kiện ẩm.

2FeS2 + O2 + 2H2O → FeSO4 + 2H2SO4

4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 → 2Fe2(SO4)3 + H2O

FeS2 + 7Fe2(SO4)3 + 8H2O → 15FeSO4 + 8H2SO4

Fe2(SO4)3 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 3H2SO4

Nhận diện đất phèn

Đấ t phèn khi chưa bị oxy hóa

– Màu xám đen hay đen

– Có mùi trứng thối

Đấ t phèn sau khi bị oxy hóa:

– pH thấp

– Hiện diện những sọc vàng (jarosite

-KFe3(SO4)2(OH)6

– Sắt kết tủa (vàng cam/nâu)

– Thực vật không phát triển

– Mùi khó chịu

Xác định nhu cầu vôi cho đất phèn

− Phơi khô và nghiền mịn đất đáy ao

− Sàng qua sàng No 60 (0,25 mm)

− Cho 5 g đất đáy ao vào cốc thủy tinh 500 mL

− Thêm 20 mL H2O2 30%, đun lên 40oC cho phản ứng xảy ra hoàn toàn

− Tiếp tục thêm 10 mL H2O2 30%, đun lên 40oC cho

phản ứng xảy ra hoàn toàn, lặp lại cho đến khi không còn phản ứng xảy ra

− Thêm 100 mL nước cất, đung 90-95oC trong 30 phút

để loại bỏ H2O2

Xác định nhu cầu vôi cho đất phèn

− Để nguội, thêm vài giọt phenolphthalein (không màu)

− Dùng NaOH 0,01-0,05N chuẩn độ khi dung dịch

chuyển sang màu hồng

− Tính độ acid theo công thức:

s

W

000g) NaOH)(N)(1

(mL /kg

H

N: nồng độ của NaOH Ws: Khối lượng mẫu đất

Để trung hòa 1 meq H+ dùng 50 mg CaCO3

QUÁ TRÌNH PHẢN NITRATE HÓA

Nội dung

• Nguồn NO3- trong hệ thống thủy sản

• Quá trình phản nitrate và các sản phẩm trung gian

• Sức sản xuất thu được từ quá trình phản nitrate

• Nguồn carbon cho quá trình phản nitrate

• Ảnh hưởng của phản nitrate lên độ kiềm

• Nhân tố ảnh hưởng đến quá trình phản nitrate

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Nội dung

• Các hợp chất của P trong hệ thống nuôi thủy sản

• Quá trình chuyển hóa của các hợp chất

P trong hệ thống nuôi thủy sản

• Nguyên lý của các biện pháp làm giảm P trong hệ thống nuôi thủy sản

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

NO3

Chuyển hóa vật chất năng lượng

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Sức sản xuất =0.47kg sinh khối/kg vật chất hữu cơ

Sức sản xuất=0.44kg sinh khối/kg Vật chất hữu cơ

Nguồn carbon

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Nguồn carbon = chất cho điện tử

1 Chất thải

2 Sản phẩm phân hủy

3 Nguồn ngoài

-Nhân tố ảnh hưởng đến phản nitrate

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

• Nguồn năng lượng

• Nhiệt độ

• pH

• Oxy hòa tan

Nhân tố ảnh hưởng đến phản nitrate

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Năng lượng = chất nền carbon

Nguồn carbon ngoại sinh Sử dụng nguồn nội sinh

Methanol Acetate Thất thải

Xác sinh vật

Sinh trưởng tối đa

Oxit nitơ gây độc

Ả nh hưởng của nhiệt độ

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Ả nh hưởng của oxy hòa tan

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Oxy hòa tan ảnh hưởng đến phản nitrate theo 2 trường hợp:

Ức chế hoạt động khử (DO<0.2 mg/L)

DO>2.5 - 5 mg/L Tích tụ các dạng trung gianNO

-2, NO2, N2O

Phản nitrate ảnh hưởng đếnđộ kiềm

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Bài tập

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

-PO4

Lơ lửng

(51-59%) FAO, 1992

? Phóng thích từ nền đáyLắng tụ

Loại bỏ phốt-pho

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

• Hấp thụ phốt-pho trong sinh khối thông thường

• Kết tủa bằng các ion kim loại

• Tích lũy sinh học trong sinh khối

Loại bỏ phốt pho

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Hấp thụ trong sinh khối thông thường

Biomass formula: C5H7O2NP0.1

2 to 3% P trong sinh khối (khối lượng khô)

Loại bỏ phốt-pho

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Al Ca

Loại bỏ Phốt-pho

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Tích lũy sinh học (Acinetobacter)

* PHB=polyhydroxybutyrate

Kỵ khí

Hiếu khí

(O2 hay NO3- )

Loại bỏ phốt-pho (sinh học)

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Loại bỏ phốt-pho (sinh học)

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Dự trữ trong tế bào

Ả nh hưởng của chuyển hóa P đến độ kiềm

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Nhân tố ảnh hưởng đến loại bỏ

• Thay đổi điều kiện hiếu khí/kỵ khí

• Nitrate trong điều kiện kỵ khí

Tương tự như quá trình phản nitrate và hoạt động của vi

khuẩn dị dưỡng

Nhân tố ảnh hưởng đến loại bỏ

Khả năng loại bỏ P giảm

(Chất hữu cơ giảm)

Không tích lũy polyphosphate