bai giang ky thuat tuan hoan nuoc 3

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

TRAO ĐỔI KHÍ:

SỤC KHÍ VÀ KHỬ KHÍ

Mục tiêu

Giúp sinh viên nắm vững các nội dung:

• Khái niệm về tổng áp lực và áp lực thành phần khí trong không khí và trong nước

• Khái niệm hệ số chuyển tải (KLa), các yếu tố

ảnh hưởng đến sự chuyển tải khí qua bề mặt tiếp xúc khí-chất lỏng

• Tính hệ số KLa của máy sục khí

• Ảnh hưởng của CO2 đếi pH và độ kiềm

• Cách điều khiển CO2 trong hệ thống tuần hoàn

Gây chết cá Giảm hấp thụ oxy Gây pH thấp

Gây chết cá

Áp lực khí

Định luật Dalton:

2 2

(0,20946)

* ) 760

, 92 5

(0,78)

* ) 760

Độ bão hòa oxy

Độ hòa tan của

Hiệu chỉnh hàm lượng oxy bão hòa

Khi biết áp lực khí:

760

t c

P DO

DO =

DOc: Hàm lượng oxy bão hòa hiệu chỉnh

DOt: Hàm lượng oxy bão hòa ở PA= 760 mmHg (Po2 =

159,2 mmHg)

PA: Áp lực không khí đo được

Giả định: PA tại Lâm Đồng là 730 mmHg, nhiệt độ

là 25oC DOc tại đó là bao nhiêu?

DOc = 8,24 * (730/760) = 7,91 mg/L

Hiệu chỉnh hàm lượng oxy bão hòa

Khi không biết áp lực khí, ước lượng PA theo

cách sau:

Từ 0-600m, PA giảm 4%/300m

Từ 600-1500m, PA giảm 3%/300m

Từ 1500-3000m, PA giảm 2,5%/300mGiả định: PA tại Bảo Lộc có độ cao 250m, nhiệt

độ là 25oC DOc tại đó là bao nhiêu?

PA = 760-{760*[(250*0,04)/300]} = 734,7 mmHg

DOc = 8,24*(734,7/760) = 7,97 mg/L

Trao đổi khí giữa nước và không khí

PP = Áp lực khí thành phần

PPkhông khí > PPnước PPkhông khí < PPnước

Nước Không khí

Trao đổi khí giữa nước và không khí

PP(O2)không khí >

PP(O2)nước PP(COPP(CO2)không khí <

2 )nước

Nước Không khí

Barr Atm

P P

P P

2 2

2

=

= +

+ +

=

Trao đổi khí giữa nước và không khí

Câu hỏi: Trong không khí chứa 300 mgO2/L, trong nước

chứa 11 mgO2/L ⇒ Hướng khuếch tán của O2?

300 mg/L = 100% bão hòa ⇒ PP(O2)Không khí = 159,2 mmHg

11 mg/L = 121,15% bão hòa ⇒ PP(O2)nước = 192,9 mmHg

Chuyển tải oxy qua mặt nước

Đánh giá hiệu quả của máy sục khí

) C

-(C V

A K

dt

dC

m S

CS: Hàm lượng oxy bão hòa

Cm: Hàm lượng oxy đo được

KLa: Hệ số chuyển tải khối lượng (/ngày)

V

A K

a

Làm tăng trao đổi khí

Làm tăng sự trao đổi khí bằng cách:

• Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa khí và

a

Ướ c tính hệ số chuyển tải khí

2 1

L

t - t

lnD -

lnD a

m s

t C - C

D =

Độ thiếu hụt oxy ở thời điểm t (Dt)

Hàm lượng khí N2 trong nước

N2 là khí trơ ⇒ rất khó đo

Tổng áp lực đo bằng áp lực kế

Áp lực khí N2 trong nước:

PN 2 = PT - PO2 – Pco2 – Phơi nước – Pkhí khác

Nhiều cách đo/tính toán
Sai tổng của tất cả

các khí

2 2

O

Ả nh hưởng của oxy hòa tan

Tiêu thụ oxy của cá phụ thuộc vào các nhân tố:

• Loài cá, khối lượng/tuổi, tình trạng hoạt động

• Thức ăn

• Nhiệt độ và hàm lượng oxy

Số liệu về ảnh hưởng của nhiệt độ lên sinh

trưởng, FCR rất hiếm

Ảnh hưởng của nhiệt độ thường khó xác định

DO dưới 80% bão hòa sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng

pH và vận chuyển oxy của máu

CO2 và vận chuyển oxy của máu

Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR

Bước 1: Khử oxy bằng Na2SO3 (8-10mg/L) và xúc tác CoCl2 (0,05-0,1 mg/L)

2 1

L

t-t

lnD-

lnDa

Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR

Bước 2: Xác định KLaT

/60 )

t - (t

lnD -

lnD a

K

70 10

70 10

T

L =

KLaT: Hệ số chuyển tải ở nhiệt độ T (h)

D10: Độ thiếu hụt oxy khi đạt 10% bão hòa (mg/L)

D70: Độ thiếu hụt oxy khi đạt 70% bão hòa (mg/L)

t10: Thời điểm oxy đạt 10% bão hòa (min)

t70: Thời điểm oxy đạt 70% bão hòa (min)

Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR

Bước 3: Hệ số chuyển tải oxy ở nhiệt độ 20oC

20 - T

T L 20

L

1.024

a

K a

Bước 4: Tính tỉ lệ chuyển tải oxy chuẩn (SOTR)

) /

( 10

V) )(

C ( a

K

Bước 5: Hiệu quả sục khí chuẩn (SAE)

) / /

( SOTR/kW

Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR

Tính tỉ lệ chuyển tải oxy của nước ao (AOTR)

) / (

024

1 C

C

C SOTR

S20

m ST

h O

024 ,

1 C

C

C SAE

S20

m ST

h O

Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR

Đơn vị tính của SAE và AAE

Hàm lượng CO2 trong nước

Khi [HCO3- ] = [CO2] thì [H + ] = K1= 10 -6,35

⇒ pH = 6,35 (pH = -lg[H + ])

Trong nước sạch, 25 o C và khí áp là 760mmHg hàm lượng CO2

là 0,46mg/L (~ 10 -5 eq) ⇒ pH = 5,68 Hàm lượng CO2 là 30 mg/L (~ 10 -3,166 eq) ⇒ pH=4,8

CO2 không gây giảm pH dưới 4,5 Khi pH<4,5 là do acid khoáng

Hằng số cân bằng của phương trình trên được trình

bày như sau:

35 , 6 1

2

3

-10

k]

CO[

]HCO][

Hàm lượng CO2 trong nước

Hàm lượng CO2 trong nước

Hàm lượng CO2 trong nước

• CO2 hàm lượng: CO2,, H2CO3, HCO3-, CO32-
khó tính toán

• pH, độ kiềm và nhiệt độ phụ thuộc nhau

• CO2 trong không khí thấp, CO2 trong nước cao

⇒ Chuyển CO2 từ nước sang không khí

• Sử dụng cột khử khí (tripping column)

• Kết hợp với lọc khô (trickling filter)

Hàm lượng CO2 trong nước

Cột khử khí với tỉ lệ G:L

từ 5-10

KHỬ TRÙNG UV VÀ OZONE

MỤC TIÊU

Sinh viên nắm vững các nội dụng sau:

• Chức năng và hoạt động của các

phương pháp khử trùng ứng dụng trong

hệ thống tuần hoàn

• Đánh giá được hiệu quả của các phương pháp khử trùng ứng dụng trong hệ thống tuần hoàn

Phân biệt giữa khử trùng và tiệt trùng

• Khử trùng: Diệt phần lớn vi sinh vật gây bệnh, thường không diệt được bào tử, khử trùng tốt có khả năng làm giảm thấp khả năng lan truyền bệnh

• Tiệt trùng: Diệt toàn bộ vi sinh vật, kể cả bào tử.

1 Khử trùng bằng tia cực tím

Lịch sử phát triển

• Người Hindu cổ (4000 năm trước) biết

phơi nước dưới ánh nắng mặt trời

• 1887: Tính sát trùng của ánh sáng mặt trời

• 1901: Tia UV nhân tạo ra đời (đèn Hg)

• 1910: Khử trùng nước uống lần đầu ở

Marseilles, Pháp.

• Đầu thế kỷ 20: Nghiên cứu về tia UV

Ư u – nhược điểm

Hiệu quả khử trùng cao Tiêu tốn năng lượng cao

Không có dư lượng chất độc Ảnh hưởng không dài

Diệt virus, bào tử, bào xác hiệu

quả cao hơn chlorine

Không đo được hiệu quả xử ngay lập tức

Không hình thành sản phẩm phụ

(DBPs)

Hiệu quả diệt bào tử, bào xác và virus ở liều lượng diệt vi khuẩn Không làm tăng TDS Thiết bị đắt tiền

Phá hủy các hợp chất khó phân

hủy (như NDMA)

Thiết kế thủy học cho hệ thống

UV bị giới hạn

An toàn hơn dùng hóa chất Dễ bị bám bẩn

Không gian xử lý nhỏ

Các loại tia UV

Radio IR Khả kiến UV Tia X

UV-A UV-B UV-C UV chân

không

Khoảng sát trùng

200nm 300nm

λ

Cơ chế tác động của tia UV

vỡ một phần liên kết của AND và ARN

Cơ chế tác động của tia UV

• Tia UV phá vở liên kết của AND và ARN làm cho vi sinh vật không thể nhân đôi, tứ đó làm mật khả năng lây nhiễm lên sinh vật chủ

.

Liều lượng xử lý đối với một số VSV

Bacillus anthracis 13,7 Micrococcus candidus 19,0

B Megatherium sp (veg.) 3,4 Micrococcus sphaeroides 30,0

B Megatherium sp

(spores)

8,0 Neisseria catarrhalis 13,0

B paratyphosus 9,6 Phytomonas tumefaciens 13,0

B subtilis (spores) 36,0 Proteus vulgaris 7,8

Corynebacterium

diphteriae

10,0 Pseudomonas aeruginosa 16,5

Liều lượng xử lý đối với một số VSV

Eberthella typosa 6,3 Pseudomonas fluorescens 10,5

Escherichlia coli 9,0 S typhitmurium 24,0

Sarema lutea 59,0 Staphylococcus aureus 7,8

Seratia marcescens 7,2 Staphylococcus

hemolyticus

6,6

Shigella paradysenteriae 5,2 Staphylococcus lactis 18,0

Spirillum rubrum 13,0 Staphylococcus viridans 6,6

Staphylococcus albus 5,4

Liều lượng xử lý đối với một số VSV

Penicillium expansum (olive) 39,0 Saccharomyces sp. 24,0

Penicillium digitatum (olive) 132,0 Saccharomyces cerevisiae 18,0

Aspergillus glaucus (blue-green) 132,0 Brewing yeast 9,9

Aspergillus flavus ( yellowish) 180,0 Baking yeast 11,7

Aspergillus niger (black) 396,0

Rhisopus nigricans (black) 330,0

Mucer racemosus A (light grey) 51,0

Mucer racemosus B (light grey) 51,0

Oospera lactis (white) 15,0

Yếu tố ảnh hưởng hiệu quả khử trùng

• Tốc độ dòng chảy

• Tỉ trọng của nước

• Vùng chết

• Vật chất lơ lửng

Ả nh hưởng của các thành phần lên

hiệu quả khử trùng

BOD, COD, TOC… Không ảnh hưởng trừ phi hữu cơ cao

Vật chất hữu cơ Hấp thụ mạnh tia UV

Dầu, mỡ Tích tụ trên đèn và ống đèn gây hấp thụ tia

UV TSS Hấp thụ tia UV, che chắn tia UV

Độ kiềm Hòa tan kim loại gây hấp thụ tia UV

Độ cứng Ca, Mg kết tủa trên ống đèn

Ả nh hưởng của các thành phần lên

hiệu quả khử trùng

Fe Hấp thụ mạnh tia UV, kết tủa trên ống đèn

pH Ảnh hướng đế độ hòa tan Fe và Carbonate

2 Khử trùng bằng ozoneMáy tạo ozone

• Hòa tan 12,5 lần so với O2

• Điện thế oxy hóa của O3 (-2,07V) cao hơn HOCl (-1,49V) và Cl2 (-1,36V)

• Loại bỏ các hợp chất dầu, mỡ, nông dược…

• Giảm COD và BOD

• Xử lý nước sinh hoạt (diệt mầm bệnh)

Tác dụng của ozone

Ozone có khả năng sát trùng cao:

• Sát trùng gấp 3000 lần so với chlorine

• Diệt khuẩn gấp 160 lần so với sulfur dioxide

• Diệt khuẩn gấp 37 lần formaldehyde

• Diệt khuẩn gấp 1,7 lần so với hydrocyanic acid

Cơ chế tác động của ozone

Ozone tác động theo cơ chế phản ứng trực tiếp và gián tiếp:

Tác động trực tiếp và gián tiếp của ozone: phá hủy màng tế bào và các emzyme trong tế bào chất

Khử màu

Vật chất hữu cơ Phân hủy Humic, fulvic, tanic acid

Chất tạo màu

O3 phá vỡ các nối đôi gây mất màu nước

Kết tủa kim loại nặng

Xử lý O3 4 ppm

Fe 2+ (hòa tan) O3 Fe 3+ (kết tủa)

Diệt tảo và khử mùi

Dùng ozone để làm giảm số lượng tảo trong

ao nuôi

• Ozone làm tảo chế và nổi lên mặt nước

• Oxy hóa các hợp chất gây mùi hôi

(off-flavor) do tảo tiết ra

Làm giảm độ đục

• Ozone oxy hóa các chất hữu cơ tạo ra

những phân tử phân cực tích điện

• Xử lý ozone làm giảm các hạt keo trong

nước, nước trong hơn

• Liều lượng thường được dùng 0,5 ppm

Phướng pháp xử lý

• Ozone được tạo ra tại chỗ

• Trộn ozone vào nước nhờ thiết bị trộn

Ư u và nhược điểm

Tác dụng trong khoảng pH rộng Chi phí thiết bị và vận hành cao Sát trùng mạnh hơn chlorine Khó bảo trì (kỹ thuật viên)

Phản ứng oxy hóa xảy ra nhanh

trong thời gian ngắn

Sinh ra sản phẩm phụ gây bệnh ung thư (brominate, aldehyde, ketone…)

Lọi bỏ các hợp chất hữu cơ, vô cơ

bà diệt vi sinh vật (VK, virus,

NSĐV…)

Ít tan trong nước, cẩn phải có thiết

bị trộn Cẩn phải khử độ cứng Độc cho người sử dụng, dễ cháy

SỨC TẢI CỦA HỆ THỐNG

Mục tiêu

Sinh viên nắm vững các nội dụng sau:

• Yếu tố xác định lượng thức ăn cung cấp, sinh khối và thể tích nuôi tối đa

• Mối quan hệ giữa kế hoạch sản xuất, sức tải của hệ thống, hiệu quả xử lý, lưu

lượng, điều khiển lưu lượng và chất

lượng nước

Chất thải trong các mô hình nuôi cá

Hệ thống Thải COD (gO 2 /kg BW) Tỉ lệ thải (%)

Thông số kỹ thuật cho nuôi cá

Thông số Đơn vị Cá trê phi Cá tra

Giai đoạn sinh trưởng g 10-1000 10-1000 Năng suất Kg/m 2 /năm 1000-1500 347 Sinh khối trung bình Kg/m 2 bể 170 95

Thông số chính để thiết kế hệ thống

Xây dựng hệ thống

Kích thước nhà trại? Cách ly?

Thông khí?

Năng lượng?

…

Diện tích trại nuôi cá

Tổng diện tích (m 2 ) trại nuôi 100 tấn/năm

Ước tính diện tích trại nuôi cá tra 100 tấn/năm

khoảng 650 m 2

Diện tích bể nuôi

Diện tích (m 2 ) bể, trại nuôi 100 tấn/năm

Ước tính diện tích bể nuôi cá tra 100 tấn/năm

khoảng 280 m 2

Diện tích bề mặt giá thể

Diện tích bề mặt giá thể lọc (m 2 ), trại nuôi 100 tấn/năm

Ước tính diện tích bề mặt giá thể lọc cho trại nuôi

cá tra 100 tấn/năm khoảng 23.000 m 2

Lưu lượng qua bể cá

Lưu lượng (m 3 /ngày) qua bể cá, trại nuôi 100 tấn/năm

Ước tính lưu lượng qua bể cá, trại nuôi cá tra 100

tấn/năm khoảng 4600 m 3 /ngày

Các bước trong thiết kế

hệ thống tuần hoàn

Bước 1 Lập kế hoạch sản xuất

Bước 2 Lượng chất thải (Cân bằng vật chất)

Bước 3 Biến động lượng chất thải theo

ngày-đêmBước 4 Giới hạn chất lượng nước

Bước 5 Ý tưởng thiết kế hệ thống

Bước 6 Đánh giá hiệu quả kinh tế

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

1 Loài cá nuôi? Hệ thống nuôi?

2 Mục tiêu?

3 Kế hoạch thả giống? Thu hoạch?

4 Giai đoạn nuôi? Tỉ lệ chết?

5 Thức ăn và phương pháp cho ăn?

Sinh trưởng và sinh khối?

6 Mật độ thả và thể tích bể nuôi?

Phân cỡ và thả lại?

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

• Dinh dưỡng và sinh trưởng

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

4 Giai đoạn nuôi (tt)

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

5 Thức ăn, phương pháp cho ăn, sinh trưởng

Protein thô chứa 16% N, vì vậy có 44,8 g N/1kg thức ăn

TOD = Tổng COD (g/kg thức ăn + 4,57g O2/gN * 44,8 gN/kg thức ăn TOD = 967,09 + 4,57 * 44,8 = 1171,83g O2/kg thức ăn

Thành phần, loại thức ăn

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Phương pháp cho ăn

• Cho ăn bằng tay dẫn đến sự biến động lượng chất thải theo chu kỳ

• Cho ăn liên tục thì lượng chất thải sinh ra không biến động

• Máy tự động cho ăn liên tục 24 giờ mỗi ngày

Cho ăn bằng tay Tự động cơ học Máy tự động

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Mức cho ăn và FCR

Mức cho ăn (sinh trưởng) phụ thuộc vào nhiệt độ và cỡ cá

Khối lượng cơ thể (g)

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Sinh trưởng và sinh khối

Đường cong sinh trưởng

Thức ăn cho ăn

Mô tả

Sinh khối

Tính lượng thức ăn

Tỉ lệ chết

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Đàn cá Ngày Mức

cho ăn (%)

Sinh trưởng (%)

FCR (g/g)

Khối lượng

cơ thể (g)

Tỉ lệ chết (%/60 ngày)

Số lượng cá

Sinh khối (kg)

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Đàn cá Ngày Khối lượng

cơ thể (g)

Tỉ lệ chết (%/60 ngày)

Số lượng cá

Sinh khối (kg)

Lượng thức ăn (kg/ngày)

II 120 428 7,09 17933 7679 237,7

III 60 120 7,20 19325 2317,7 100,9

Sinh khối tối đa và lượng thức ăn cho ăn mỗi ngày 26871,7 767,2

Lượng thức ăn và sinh khối tối đa vào thời điểm ngày nuôi 180

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Biến động lượng thức ăn trong quá trình nuôi

Thời gian (ngày)

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Khối lượng

cơ thể (g)

Mật độ tối đa (kg/m 3 )

Sinh khối (kg)

Diện tích nuôi (m 2 )

Thể tích nuôi (m 3 )

Mật độ thả, thể tích nuôi và sinh khối tối đa vào thời

điểm ngày nuôi180

Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế

Phân cỡ - thả lại và thu hoạch

Hạn chế của việc phân cỡ thả lại là:

Gây sốc cho cá

Tốn công lao động

Phân cỡ tự động Phân cỡ bằng tay

Tóm tắt kế hoạch sản xuất

1 Mục tiêu sản xuất 100 tấn/năm

3 Số lượng cá khi thu hoạch 16661 con

4 Số cá giống (10g) thả 20826 con

5 Tỉ lệ sống (10-1000g) 75%

5 Thời gian nuôi (10-1000g) 180 ngày

6 Lượng thức ăn tối đa 411 kg/ngày

7 Sinh khối tối đa 26871,1 kg

Cân bằng vật chất

Nguyên lý: Vật chất không tự sinh ra cũng không

tự mất đi

Trang thái thông thường:

Tích lũy = Đầu vào – đầu ra + tạo ra – tiêu thụ

Trạng thái ổn định:

0 = Đầu vào – đầu ra + tạo ra – tiêu thụ

(see Losordo and Westers, 1994; Timmons et al 2001)

Đơn vị thiết kế:

Sản xuất ra g/ngày; nồng độ g/m 3 ; Lưu lượng m 3 /day

Ướ c tính lưu lượng

Ướ c tính lưu lượng

Chú thích:

PTAN : Lượng TAN hình thành

CLimit, TAN : Giới hạn nồng độ TAN

Qin : Lưu lượng nước cấp vào

CTAN, in : Nồng độ TAN cấp vào

Qout : Lưu lượng nước thải ra

Qf : Lưu lượng nước qua hệ thống xử lý

Ướ c tính lưu lượng

Giả định không trao đổi nước Qout = Qin = 0

Ngăn ngừa sự tích lũy TAN bằng cách xử lý hiệu quả

Ướ c tính lưu lượng

Tích lũy = đầu vào – đầu ra + tạo ra – tiêu thụ Giả định trạng thái ổn định ⇒ tích lũy = 0

Ươ c tính lưu lượng

TE = Hiệu quả xử lý (decimal fraction)

Ướ c tính lưu lượng

Tích lũy = Đầu vào – đầu ra + Tạo ra – Tiêu thụ Cân bằng oxygen

Ướ c tính lưu lượng

Cân bằng nitrate

QExchange = PNO3-N /CLimit, NO3-N (m 3 /ngày)

Giả định: PNO3-N = PTAN in g/day và

QNO3-N, IN = 0 g/m 3 và

Không xảy ra quá trình phản nitrate hóa

và không có bể xử lý nitrate hóa

Qexchange : cấp nước mới

(see Bovendeur et al, 1987 and Heinsbroek and Kamstra,1990)

Ướ c tính lưu lượng

PO2, tổng = PO2, cá hô hấp + PO2, vi khuẩn (g/day)

= PO2, cá hô hấp + BOD + 4.57 * TAN

BOD = Tiêu hao oxy sinh hóa học (g/ngày) 4.57 * TAN = 4.57 g O2/gTAN * g TAN/ngày

= Tiêu hao oxy nitrate hóa

Ước tính tổng lượng oxy tiêu thụ