Lý thuyết và mô hình hóa quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học nguyễn xuân nguyên, phạm hồng hải

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một quá trình công nghệ phức tạp bởi vì đó là quá trình phát triển của vi sinh vật xảy ra trong thiết bị bị ràng buộc bởi các hiện tượng hoá

BẰNG PHUONG PHẤP SINH HỌC

NGUYÊN XUÂN NGUYÊN, PHẠM HỒNG HẢI

LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2003

LỜI NÓI ĐẦU

Trước yêu cầu của công tác bảo vệ môi trường những năm gần đây đã xuất bản một số cuốn sách về công nghệ xử lý nước thải Những cuốn sách

đó trang bị cho bạn đọc kiến thức cơ bản về quá trình và thiết bị công nghệ

xử lý nước thải, phục vụ đắc lực cho cộng tác giảng dạy, nghiên cứu và sản xuất

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một quá trình công nghệ phức tạp bởi vì đó là quá trình phát triển của vi sinh vật xảy ra trong thiết bị bị ràng buộc bởi các hiện tượng hoá lý liên quan đến chuyển chất và năng lượng Tính phức tạp còn tăng thêm do các quá trình ở mức độ vi mô (các hiện tượng trong tế bào, trong quần thể vi sinh vật) xảy ra đồng thời với các quá trình ở mức độ vĩ mô (các quá trình trao đổi chất và truyền nhiệt phụ thuộc vào điều kiện thuỷ động cụ thể trong thiết bị)

Phương pháp hiện đại để khảo sát các quá trình công nghệ phức tạp là

mô hình hoá toán học với việc sử dụng máy tính Nhờ mô hình toán có thể tiến hành tối ưu hoá quá trình đang hoạt động, điều khiển tự động quá trình sản xuất, thiết kế tối ưu thiết bị và dây chuyền mới với hiệu quả kinh tế hiển nhiên đã được ghi nhận

Trên cơ sở hệ thống hoá các kết quả nghiên cứu mới nhất của nước

ngoài về vấn đề này kết hợp với một số kinh nghiệm vận dụng trong thực tiễn xử lý nước thải những năm vừa qua, chúng tôi biên soạn cuốn sách này nhằm cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cần thiết về lý thuyết và mô hình hoá quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Cuốn sách này có thể làm tài liệu tham khảo cho cán bộ làm công tác nghiên cứu tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các ngành quá trình thiết bị công nghệ hoá học

và công nghệ môi trường

Quá trình biên soạn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc Thư từ xin gửi về:

1 Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội

2 Liên hiệp Khoa học-sản xuất Công nghệ hoá học (UCE), 18 Hoàng Quốc Việt - Hà Nội

3 Trung tâm Tư vấn chuyển giao Công nghệ nước sạch và Môi trường (CTC), 1001 Hoàng Quốc Việt - Hà Nội

Các tác giả

3

LỜI GIỚI THIỆU

Trung tâm Tư vấn chuyển giao Công nghệ nước sạch và Môi trường (CTC) thuộc Ban chỉ đạo Quốc gia về Cung cấp nước sạch và Vệ sinh môi trường là một tổ chức khoa học, công nghệ có chức năng đào tạo nâng cao trình độ cho cán bộ khoa học và cồng nghệ, cán bộ quản lý và công nhân

kỹ thuật theo các Chương trình của Ban chỉ đạo Quốc gia về Cung cấp nước sạch và Vệ sinh môi trường, trong lĩnh vực phòng chống ô nhiễm công nghiệp

Xin trân trọng giới thiệu cuốn sách “L ý thuyết và mô hình hóa quá trình x ử lý nước thải bằng phương pháp sinh học” của tác giả Nguyễn

Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, gồm có nám chương:

Chương /: Trình bày lý thuyết quá trình xử lý nước thải bằng phương

pháp sinh học hiếu khí

Chương II: Trình bày mô hình hóa quá trình xử lý nước thải bằng

phương pháp sinh học hiếu khí

Chương 111: Mô hình hóa quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp

sinh học kỵ khí

Chương IV: Xác định các thông số của mô hình động học xử lý nước

thải bằng phương pháp sinh học

Chương V: Sử dụng mạng nơron trong phân tích và dự báo quá trình

xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính

Cuốn sách này là một trong những tài liệu nằm trong chương trình đào tạo nói trên được Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật xuất bản, là tài liệu tham khảo hết sức hấp dẫn và bổ ích cho các cán bộ khoa học, cán bộ giảng dạy và sinh viên chuyên ngành hóa sinh, đặc biệt cho các cán bộ khoa học thuộc lĩnh vực xử lý nước thải và vệ sinh môi trường

Xin giới thiệu cùng bạn đọc

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

MỤC LỤC

Chương I Lý thuyết quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

1.1.1 Xác định nhu cầu oxy hoá học COD 91.1.2 Xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD 151.1.3 Xác định nhiễm bẩn hữu cơ ở dạng Chc 211.1.4 Mối liên hệ giữa ThOD, COD, BOD và Chc 221.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí với việc sử dụng

1.2.1 Sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật 261.2.1.1 Các hệ một pha Đường cong tăng trưởng 271.2.1.2 Các hệ liên tục không có tuần hoàn sinh khối 331.2.1.3 Sử dụng phương trình Monod với giống dị thể

1.2.2 Động học khử các chất hữu cơ trong nước thải 391.2.3 Quá trình làm sạch hiếu khí và bùn hoạt tính 481.2.3.1 Bùn hoạt tính có khả năng tạo bông 501.2.3.2 Bùn hoạt tính không có khả năng bông tụ

1.2.3.3 Sự trương phồng của bùn hoạt tính 5 31.2.4 Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình làm sạch hiếu khí 571.2.5 Các phương pháp cơ bản nuôi cấy bùn hoạt tính 59

1.2.6.2 Tính nồng độ và lượng bùn hoạt tính 73

1.2.7.1 Các phản ứng trong aeroten liên quan đến sử dụng oxy 77

1.2.7.5 Tính công suất oxy hoá cần thiết và cường độ sục khí 83

Chương II Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp

2.1.1 Mô hình toán khuấy trộn dọc trong kênh hạn chế với một vài

2.1.2 Thí nghiệm nghiên cứu thuỷ động học trong aeroten 95

2.1.3.2 Mô hình khuếch tán một tham số 1062.1.3.3 Mô hình của aeroten với cấp phân tán nước thải 1082.1.3.4 Mô hình của aeroten với thông khí cơ học 1112.1.4 Động học quá trình sử dụng cơ chất bởi vị sinh vật 1142.2 Mô hình toán của quá trình xử lý nước thải bằng biofin 1222.3 Mô hình toán của thiết bị phản ứng sinh hoá lên men hiếu khí 1242.4 Mô hình toán đầy đủ của thiết bị phản ứng sinh hoá 1322.5 Xác định nồng độ vi sinh vật cố định trên chất mang 1402.6 Thiết bị phản ứng sinh hóa airlift với đệm trôi nổi và vi sinh vật

2.6.1 Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả 147

2.8 Mô hình toán của quá trình làm sạch nước thải bằng phương pháp

2.10 Tổ chức dòng trong aeroten làm sạch nước thải bằng phương pháp

2.10.1 Cấp tập trung nước thải và bùn hoạt tính 1732.10.2 Cấp phân tán đều nước thải và cấp tập trung bùn hoạt tính 1752.10.3 Cấp phân tán không đều nước thải và cấp tập trung bùn

3.2.6.2 Phưcmg trình cân bằng cơ chất 198

3.2.6.5 Phương trình cân bằng theo vi sinh vật 201

3.2.6.8 Tóm tất mô hình toán của thiết bị UASB 206

Chương IV. Xác định các thông số của mô hình động học xử lý

Chương V. Sử dụng mạng nơron trong phân tích và dự báo quá trình

5.2 Cân bằng sinh khối và cơ chất trong trạng thái ổn định của quá trình 223

7

5.3 Đồ thị hoạt động và mô hình của bể lắng 226

5.4 Mô hình toán và điều khiển quá trình bằng các thông số công nghệ 2345.5 Hoạt động của quá trình với tải trọng dưới tới hạn 2375.6 Sử dụng mạng nơron để khảo sát quá trình xử lý nước thải bàng bùn

CHƯƠNG I

LỶ THUYẾT QUÁ TRÌNH xử LỶ NUÓC THẢI

BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIỂU KHÍ

1.1 Xác định các chất hữu cơ trong nưóc thải

Thông thường nước thải chứa hỗn hợp các chất hữu cơ khác nhau Việc phân tích định tính và định lượng các hợp chất riêng biệt đòi hỏi chi phí lớn về lao động và thời gian, cho nên những phân tích này không được

tiến hành Chỉ trong một vài trường hợp người ta mới xác định những nhóm

chất riêng, ví dụ, phenol, các axit béo dễ bay hơi, các thành phần anion hoạt tính Do người ta thường nhận dạng nhóm hợp chất giống nhau nhờ một phép chuẩn nào đó mà cách xác định như vậy gọi là xác định nhóm.Liệt vào xác định nhóm còn cả các phương pháp xác định lượng tổng tất cả các hợp chất hữu cơ, dựa trên cơ sở đo lượng oxy tiêu thụ cho việc oxy hoá chúng Trong trường hợp sử dụng phương pháp trên cơ sở oxy hoá

hoá học, người ta xác định nhu cầu oxy hoá học (COD - Chemical Oxygen Demand) Phương pháp trên cơ sở oxy hoá sinh hoá cho phép tính được nhu cầu oxy sinh hoá (BOD - Biochemỉcal Oxygen Demand) Vì cả hai

phương pháp được sử dụng rộng rãi ở tất cả các nước trên thế giới nên cần

có sự chuẩn hoá quốc tế Một phương án khác xác định hàm lượng tổng tất

cả các chất hữu cơ trong nước là xác định tổng cacbon hữu cơ (TOC - Total Organic Carbon) Việc hoàn thiện và phổ biến loại phân tích này phụ

thuộc vào sự phát triển các phương pháp hoá phân tích hiện đại

1.1.1 Xác định nhu cầu oxy hoá học COD

Đối với mỗi một hợp chất hữu cơ có thể tính nhu cầu oxy lý thuyết

riêng (ThOD - Theoreticaỉ Oxygen Demand) là lượng oxy (biểu diễn bằng

g) cần để oxy hoá hoàn toàn (theo hệ thức tỉ lượng) 1 g hợp chất hữu cơ Nhu cầu oxy lý thuyết riêng ThOD thường phụ thuộc vào thành phần nguyên tố của hợp chất và những sản phẩm oxy hoá giả định Axit oxalic

9

có ThOD riêng nhỏ nhất bằng 0,178g/g, metan có ThOD riêng lớn nhất bằng 4 g/g.

Đối với mỗi một hợp chất thành phần chung CaHbOc có thể viết phương trình phản ứng oxy hoá:

n 0 D = (í H± -2c)8

M

M - khối lượng phân tử của hợp chất

Nếu trong phân tử của hợp chất chứa nitơ mà trong điều kiện oxy hoá nitơ được giải phóng ở dạng amoniac thì phương trình phản ứng oxy hoá có dạng:

CaH bOcN d + 2a +(b -3 d )

1 A I

o = aC 0 2 + ———H 20 + dNH3 (1.2)Trong trường hợp này giá trị của ThOD riêng (g/g) sẽ bằng:

(4a + b - 2 c - 3 d ) 8ThOD =

MNếu trong phân tử của hợp chất ngoài nitơ còn có lưu huỳnh thì phương trình phản ứng oxy hoá có dạng:

CaH bOcN dSe +

b - 3 d

„ b - 3 d2a + — - c + 3e 0 =

aC 0 2 + H 20 + dNH3 + e S 0 3ThOD riêng (g/g) được tính theo công thức:

ThOD Í4a + b - 2c - 3d + 6e)8

M

(1.3)

Rõ ràng giá trị ThOD riêng của các hợp chất hữu cơ mà trong phân tử ngoài oxy còn có các nguyên tử khác phụ thuộc vào các sản phẩm oxy hoá giả định Ví dụ, đối với hợp chất chứa nitơ ađenin (6-aminopuryn) có thể

C5H5N5 + 4 0 2 + 2H20 = 5C02 + 3NH3 + N2 (1.6)ThOD = 0,945 g/g.

Ở phần dưới sẽ chỉ ra rằng oxy hoá ađenin theo phương pháp bicromat xảy ra theo phương trình (1.6)

Phương pháp lý tưởng xác định nhu cầu oxy hoá học COD là phương pháp mà trong đó tất cả các chất hữu cơ được oxy hoá 100% tức là khi COD = ThOD Hiện nay phương pháp bicromat chuẩn là gần phương pháp

lý tưởng hơn cả Khi sử dụng bạc sunfat làm chất xúc tác thì hầu hết các chất hữu cơ oxy hoá được 90 - 100% Tuy nhiên có một vài hợp chất chứa nitơ có tính kiềm như metylamin, etylamin, pyriđin và các dẫn xuất của chúng bị oxy hoá chậm đến nỗi sau 2 h đun sôi theo phương pháp trên mới chỉ oxy hoá được một phần Ví dụ phản ứng oxy hoá của một vài hợp chất hữu cơ chứa nitơ được thể hiện trên hình 1.1

COD, %ThOD

1- butylamin 2- etylamin 3- metylamin 4- pyriđin 5- axit nicotinic

H ình 1.1 Quá trình oxy hoá một vài hợp chất chứa nitơ

Động học oxy hoá có thể mô tả bằng phương trình phản ứng bậc 1.Hằng số tốc độ phản ứng oxy hoá các hợp chất này nhỏ hơn 10 - 100 lẩncác hợp chất dễ bị oxy hoá (bảng 1.1).

Bảng l l

mg/1

ThOD, mg/1

* Giá trị Kj tính cho nửa giờ đầu tiên

Từ những điều đó ta thấy rằng các hợp chất mà trong phân tử có chứa những nhóm trên sẽ oxy hoá không hoàn toàn Ví dụ betaine oxy hoá theo phương trình:

(CH3)3N+ - CH2 - COCT + 3,50 = 2C 02 + H20 + N(CH3)3 (1.7)Tương tự dimetylformamid oxy hoá chỉ một phần:

Trong số các hợp chất dị vòng chỉ có pyriđin và các dẫn xuất của nó

là kém bị oxy hoá bằng phương pháp bicromat (xem bảng 1.1) Những hợp chất dị vòng còn lại với một nguyên tử nitơ trong phân tử ví dụ quinolin, pirrol, prolin và inđol bị oxy hoá 90 - 100% hơn nữa nitơ được giải phóng ở dạng NH3 Các hợp chất dị vòng trong phân tử có từ 2 nguyên tử nitơ trở lên cũng bị oxy hoá rất tốt Tuy nhiên trong trường hợp này chỉ một phần nitơ được tách ra ở dạng NH3, còn lại nitơ được giải phóng ra ở dạng N2 (xem bảng 1.2)

Tuy vậy các hợp chất này cũng như metylamin và pyriđin rất dễ bịoxy hoá bởi permanganat trong môi trường kiềm

dạng NH3, còn 2 nguyên tử khác ở dạng N2; đối với các chất với nhóm

isoalloxasin giải phóng ra 3 nguyên tử nitơ ở dạng NH3, còn 1 nguyên tử ở dạng N2

13

Phần lớn các chất chứa nitơ được oxy hoá khá tốt Lưu huỳnh trong điều kiện phương pháp chuẩn oxy hoá bằng bicromat bị oxy hoá đến SO3

Nhưng trường hợp liên kết -S -C H 3 do bền vững đến nỗi không bị phá huỷ, khi bị oxy hoá tạo thành axit metylsunfonic Ví dụ axit amin metionin được oxy hoá theo phương trình:

CH3 - s - CH2 - CH2 - CH(NH2) - COOH + 5 ,5 0 2 =

= 4 C 0 2 + NH3 + 2H20 + CH3S 03H (1.9)ThOD =1,81 g/g; giá trị COD đo được là 1,80 g/g

Trong điều kiện phương pháp bicromat chuẩn một vài hợp chất vô cơ cũng bị oxy hoá Trước hết đó là clorua (CL) làm sai lệch kết quả bởi hai cách Một mặt ion clo bị oxy hoá đến clo nguyên tố liên quan đến việc tiêu thụ bicromat, mặt khác clo giải phóng ra lại oxy hoá và clo hoá các hợp chất hữu cơ có mặt trong hỗn hợp phản ứng Nếu khi xác định không sử dụng bạc sunfat làm chất xúc tác thì các ion clo bị oxy hoá và có thể hiệu chỉnh sự có mặt của chúng, cứ 1 mg c r ứng với 0,23 mg oxy Nếu trong quá trình oxy hoá sử dụng chất xúc tác bạc sunfat thì các ion clo kết tủa ở dạng AgCl Nhưng một phần ion clo theo giá trị của tích số tan AgCl sẽ nằm ở dung dịch và bị oxy hoá Trong trường hợp này cân bằng AgCl <=> Ag+ + c r bị vi phạm và kèm theo đó là một phần AgCl bị hoà tan và những ion clo mới chuyển vào dung dịch và lại bị oxy hoá Như vậy, dần dần các ion clo bị oxy hoá và khó mà đưa một sự hiệu chỉnh đơn trị Trong quá trình đun sôi 2 h oxy hoá hết 15 đến 30% lượng ban đầu của ion clo có mặt Do vậy người ta đề xuất 30 phút đầu tiên đun sôi mẫu không có xúc tác và chỉ sau khi oxy hoá hết ion clo mới thêm bạc sunfat để oxy hoá lượng còn lại của các hợp chất hữu cơ Nhưng khi sử dụng phương pháp như vậy không thể loại trừ được những sai số gây nên do clo hoá và oxy hoá các chất hữu cơ bởi clo

Ảnh hưởng của ion clo đến quá trình xác định COD có thể loại trừ bằng cách thêm thuỷ ngân sunfat HgS04 Thuỷ ngân sunfat liên kết các ion clo ở dạng hợp chất HgCl2 phân ly rất yếu Trong trường hợp này ion clo không bị oxy hoá Hiệu quả của thủ thuật này phụ thuộc vào tỉ số lượng

Những hợp chất vổ cơ khác bị oxy hoá rất nhanh trong môi trường axit là nitrit, sunfit, tiosunfit, sunfua và sunfoxianua Nếu những chất kể trên có mật ở nồng độ đáng kể thì cũng cần thực hiện phép hiệu chỉnh.

1.1.2 Xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD

Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD) được định nghĩa là lượng oxy cần thiết

mà vi sinh vật sử dụng để phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí Lượng oxy này tỉ lệ với nồng độ các hợp chất hữu cơ có mặt trong nước thải và bị phân huỷ sinh học (hình 1.2)

BOD, mg/g

Nồng độ axit glutamic, g

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của BOD vào nồng độ axit glutamic ở những thời gian ủ khác nhau

Như vậy nhu cầu oxy sinh hoá BOD là số đo hàm lượng chỉ của những chất hữu cơ có thể làm cơ chất tích cực cho vi sinh vật Sự có mặt của những chất không bị phân huỷ sinh học trong mẫu không được phản ánh trong giá trị BOD đo được Đó chính là điều khác biệt của BOD với COD Nhu cầu oxy hoá học COD là đặc trưng về lượng sự có mặt của tất

cả các hợp chất hữu cơ không phụ thuộc vào việc chúng có bị phân huỷ sinh học hay không

Các quá trình xảy ra khi xác định BOD được biểu diễn ở dạng sơ đồ trên hình 1.3

15

C 0 2 + H20 + NH 3 + năng lượng

Trao đổi chất thu nhiêt

Ỷ

Các chất dự trữ Những tế bào mới

H ình 1.3 Sơ đồ biểu diễn các auá trinh xảy ra khi xác đinh BOD

toả qhiệt được loại bỏ ra

khỏi dung dịch trong vòng

thời điểm khử hết cơ chất

gây phản ứng toả nhiệt, nồng độ sinh khối đạt giá trị cực đại Trong quá trình ủ tiếp theo oxy tiêu thụ cho việc oxy hoá các chất dự trữ (sự hô hấp nhiệt), nồng độ của chúng trong tế bào lúc này giảm dần và tương ứng thì nồng độ sinh khối cũng giảm theo

Sự oxy hoá các chất dự trữ và protein được hình thành ở tế bào trong phương pháp chuẩn xác định BOD kéo dài 10 - 20 ngày Nhưng phép phân tích này chiếm quá nhiều thời gian để kết quả của nó có thể có giá trị thực tiễn Do vậy khoảng thời gian xác định được giảm xuống còn 5 ngày Quy trình 5 ngày được đề xuất ở Anh do khoảng thời gian này là thời gian lưu Jđiả dĩ lớn nhất để nước ở các con sông của nước Anh hoà lẫn với nước biển Từ những suy diễn thực tế, thời gian này cũng không hoàn toàn tiện lợi vì trong điều kiện tuần làm việc 5 ngày thì không nên bắt đầu xác định

H ình 1.4 Động học đo BOD, khử cơ chất trong dung dịch và tăng trưởng sinh khối

BOD vào các ngày thứ hai và thứ ba Do vậy ví dụ ở các nước Scanđinavơ người ta xác định BOD7 có nghĩa là việc xác định có thể tiến hành hàng ngày trừ thứ bảy và chủ nhật.

Quá trình tiêu thụ oxy bằng phương pháp sinh hoá thường được mô tả bằng phương trình động học bậc một:

trong đó y - BOD ở thời điểm t; L - BOD hoàn toàn (BODht); K, - hằng số tốc độ sử dụng oxy

Lấy tích phân phương trình (1.10) với các điều kiện đầu t = 0; y = 0

và logarit thập phân ta được:

Một đại lượng rất quan trọng ở phương trình (1.11) là hằng số K| Tiến trình thay đổi BOD và giá trị BOD3 phụ thuộc vào giá trị Kị Trên hình 1.5 mô tả động học BOD đối với các giá trị Kị bằng 0,1 0,2 và 0,3 Ở trường hợp đầu tiên BOD5 bằng 68,4%, trường hợp thứ hai - 90% và trường hợp thứ ba - 96,8% của BODht

Giá trị hằng số Kị phụ thuộc vào cái gì ? Phần lớn tác giả cho rằng

nó phụ thuộc trước hết vào tốc độ oxy hoá sinh học của các chất hữu cơ có mặt trong nước thải có khả năng tham gia vào quá trình này Do vậy, ví dụ đối với những dòng nước thải đô thị chưa làm sạch giá trị Kj (0,15 - 0,20) cao hơn là cho chính dòng nước ấy sau làm sạch bằng biện pháp sinh học (0,10) Đối với một vài loại nước thải sản xuất chứa những chất chậm phản ứng bằng con đường sinh học thì các giá trị Kị có thể nhỏ hơn 0,1 ngày-1 (ng-1)

Hằng số K| phụ thuộc cả vào số vi khuẩn có mặt ban đầu tức là:

Tính biến thiên đáng kể của hằng số Kị chỉ ra rằng không phải BODg cũng như BODht là số đo tương hợp và chính xác của sự ô nhiễm hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh hoá Lấy ví dụ, BODg trung bình của dung dịch chuẩn hỗn hợp glucoza và axit glutamic (1:1) được xác định ở 34 phòng thí nghiệm khác nhau ở Mỹ, đều có độ lệch chuẩn là ± 20% Những ví dụ khác

có thể tìm thấy ở bảng 1.3 tập hợp giá trị riêng BOD5 của metanol, axit axetic và glucoza được xác định ở những phòng thí nghiệm khác nhau Từ các giá trị bảng ta thấy độ lệch chuẩn dao động từ 12 đến 29%

Từ hình 1.4 ta thấy các đại lượng BOD5 và BODht chỉ là số đo tương đối lượng các chất hữu cơ trong nước thải có khả năng bị phân huỷ sinh hoá, bởi vì một phần các chất này bao giờ cũng bị tiêu thụ cho tổng họp sinh khối mới, sự oxy hoá hoàn toàn chúng thực tế không thể đạt được Bảng 1.4 đưa ra những giá trị riêng BOD5, BODht, ThOD và tỉ số của chúng cho một vài họp chất hữu cơ

Bảng 1.3

Từ bảng 1.4 thấy rằng đối với mọi hợp chất ThOD không bằng BODht Chính vì vậy khái niệm BODht không có sự định lượng đơn trị Trên thực tế BODht bằng khoảng 40 - 90% ThOD.

Quá trình xác định BOD và giá trị của các đại lượng BODg và BODht

có thể bị sai lệch do quá trình nitrit hoá Các vi khuẩn nitrit hoá tự dưỡng nhận năng lượng do oxy hoá nitơ ở dạng amoniac và nitrit theo các phương trình:

Trong các sách chuyên môn người ta thường đưa ra khẳng định rằng trong quá trình xác định BOD trước tiên xảy ra quá trình oxy hoá cacbon

và hyđro đến C 0 2 và H20 và chỉ sau đó mới là quá trình nitrit hoá (oxy hoá nitơ dạng amoniac đến nitrit và nitrit đến nitrat) Luận điểm này chỉ đúng cho mẫu nước chứa một lượng ít vi khuẩn nitrit hoá và có nồng độ thấp của nitơ dạng amoniac Ở nồng độ cao của vi khuẩn và amoniac, các quá trình nitrit hoá và cacbon hoá xảy ra song song ngay từ những ngày ủ đầu tiên Thường xảy ra như thế khi xác định BOD của nước sau khi đã làm sạch sinh học, khi mà nitrit hoá đã xảy ra ở aeroten hay biofin Trong trường hợp này tiêu hao oxy cho nitrit hoá có thể tới 50% giá trị BODg

Ảnh hưởng của nitrit hoá đến BODg có thể tính tới hoặc loại bỏ hoàn toàn Khi tính độ hiệu chỉnh người ta xác định lượng nitrit và nitrat trong mẫu nước trước và sau khi ủ Sự khác nhau của các giá trị nhận được cho phép tính lượng oxy tiêu thụ cho nitrit hoá Lượng oxy tìm được trừ đi từ

giá trị tổng BODv Để dập tắt quá trình nitrit hoá người ta sử dụng những vi khuẩn nitrit hoá có độ nhạy cao với nhiều hợp chất chứa hoá học hơn những vi khuẩn còn lại Để ức chế nitrit hoá người ta đề xuất sử dụng xanh metylen, nhôm clorua, tioure, alliltioure và một vài chất khác Khi sử dụng nhôm clorua sự ức chế xảy ra dưới tác động của bản thân cơ chất Nitrit hoá được kìm hãm trong dung dịch NH4C1 0,1M Hiện nay chất ức chế nitrit hoá hiệu quả nhất là alliltiourê khi mà ở nồng độ 0,5mg/l đã ức chế quá trình oxy hoá ion amoni đến nitrit Tuy nhiên oxy hoá nitrit đến nitrat trong những điều kiện này không ngăn cản được.

1.1.3 Xác định nhiễm bẩn hữu cơ ở dạng Cht

Hàm lượng các chất hữu cơ trong nước có thể xác định một cách gián tiếp ở dạng cacbon hữu cơ Nguyên lý xác định dựa trên cơ sở oxy hoá cacbon hữu cơ đến C 0 2 Quá trình oxy hoá có thể thực hiện bằng cách đốt hay nung pha lỏng

Trong trường hợp đốt pha lỏng người ta sử dụng kali bicromat, anhyđrit cromic, kali iođat, kali persuníat, kali manganat (có tính axit) làm chất oxy hoá Sự oxy hoá thường tiến hành trong môi trường axit sunfuric ở nhiệt độ 100-20Ơ’C Nhiệt độ cao hơn đạt được khi thêm axit photphoric Người ta dùng những chất oxy hoá riêng biệt hoặc hỗn hợp của chúng, thường có thêm chất xúc tác Cacbon đioxyt được đẩy ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng oxy, nitơ hay không khí và lượng cacbon đioxyt được xác định bằng các phương pháp trọng lượng, thể tích, cảm ứng hay điện thế Các phương pháp với việc sử dụng oxy hoá pha lỏng cho những kết quả tin cậy nhưng chúng tương đối phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian

Người ta thực hiện đốt nhiệt trong các máy phân tích cacbon hữu cơ

do hãng Berman chế tạo Sự đốt các chất hữu cơ có xúc tác trong trường hợp này được tiến hành ở 900 - 1000°c Cacbon đioxyt sinh ra cùng với dòng khí mang (không khí hay oxy) đi vào máy phân tích, trong đó lượng hấp thụ C 0 2 đặc trưng được ghi lại một cách tự động trong vùng quang phổ hồng ngoại Cacbon vô cơ phải được loại bỏ trước đó khỏi mẫu phân tích hoặc đã được xác định trước Trong trường hợp thứ hai những kết quả xác

21

Tuy rằng hàm lượng cacbon hữu cơ trong nước thải có thể xác định được nhưng nó không phải là chỉ số thuận tiện về độ ô nhiễm của nước thải Đối với các tính toán công nghệ (ví dụ để xác định nhu cầu oxy trong

bể aeroten), và đồng thời đối với tính toán các quá trình tự làm sạch trong các con sông cần phải biểu diễn sự ô nhiễm trong đơn vị oxy Giả sử rằng (lấy làm ví dụ) có hai mẫu nước thải khác nhau với cùng một hàm lượng cacbon hữu cơ bằng 100 mg/1 Thành phần nguyên tố trung bình của các chất hữu cơ ở một mẫu là C6H |20 6 còn ở mẫu khác C6H 120 2 Trong trường hợp như vậy lượng oxy cần để oxy hoá hoàn toàn các chất hữu cơ trong mẫu thứ nhất là 266,8 mg/1, trong mẫu hai là 355,5 mg/1 Từ ví dụ nêu trên thấy rằng các mẫu xem xét từ góc độ tiềm năng tiêu hao oxy thì sự nhiễm bẩn ở mức độ khác nhau tuy chúng có cùng một hàm lượng cacbon hữu cơ

Do vậy để đặc trưng độ ô nhiễm của nước thải ngoài hàm lượng cacbon hữu cơ còn phải biết cả giá trị COD

1.1.4 Mối liên hệ giữa ThOD, COD, BOD và Chc

Giá trị COD đặc trưng cho hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước vừa bị phân huỷ sinh hoá vừa cả không bị phân huỷ sinh hoá Các đại lượng BOD5 và BODht lại chỉ phản ánh phần chất hữu cơ có mặt làm cơ chất cho vi sinh vật Vì thế trong các phép phân tích đúng thì ThOD > COD > BODht > BODg Giữa BODg và COD đối với các loại nước thải khác nhau có những hệ thức sau:

định phải được trừ đi lượng cacbon vô cơ đã tìm thấy trong mẫu Độ nhạycủa phương pháp xác định trên khoảng 0,5 mg/1 Những máy phân tíchcacbon tự động rất tiện lợi cho việc phân tích hàng loạt mẫu

trong đó a và b đặc trưng cho mức độ oxy hoá các chất bẩn

Hệ thức (1.16) đúng đối với những loại nước thải chỉ chứa những

chất dễ bị phân huỷ sinh học và bị oxy hoá hoàn toàn bằng phương pháp hoá học Trong trường hợp này tỉ số BOD5/COD = a dao động từ 0,5 đến 0,7 Hệ thức (1.17) đúng đối với những nước thải mà ngoài những chất dễ

bị phân huỷ (sinh học) còn có những hợp chất không bị phân huỷ hay phân huỷ chậm với COD xấp xỉ bằng b/a Hệ thức (1.18) có thể được tuân thủ đối với những nước thải công nghiệp chứa các chất bị phân huỷ sinh học nhưng không bị oxy hoá trong điều kiện phương pháp bicromat (ví dụ các amin thẳng bậc thấp, pyriđin và những dẫn xuất của nó) Hệ thức này đúng

cả trong những trường hợp khi mà các giá trị BOD5 được xác định với hiệu chỉnh sai số hệ thống cho quá trình nitrit hoá

Nhìn chung tỉ số BOD5/COD là chỉ số rất tốt về độ triệt để phân huỷ sinh học của các hợp chất hữu cơ có trong nước thải công nghiệp Như đã nói ở trên, đại lượng này đối với nước thải bị nhiễm bẩn bằng các chất dễ

bị phân huỷ nằm trong khoảng 0,5 - 0,7 Nếu cùng có nhiều chất không bị phân huỷ sinh học trong nước thải thì tỉ số BOD/COD càng thấp Đối với nước thải trải qua làm sạch sinh học hoàn toàn tỉ số này thường nhỏ hơn

0,1.

Ta xét tiếp các tỉ số ThOD/Chc và COD/Chc đặc trưng mức độ oxy hoá các chất hữu cơ Những đại lượng này càng nhỏ bao nhiêu thì mức độ oxy hoá càng cao Giá trị ThOD/Chc dao động ở khoảng từ 0 (C 02) đến 5,34 (CH4) Tồn tại sự phụ thuộc tuyến tính giữa tỉ số ThOD/Chc và giá trị trung bình của độ oxy hoá cacbon

Trong hoá đại cương tồn tại khái niệm “độ oxy hoá” của nguyên tử các chất phản ứng Trong quá trình oxy hoá độ oxy hoá của nguyên tử tăng lên, còn khi khử thì giảm đi Nó được ký hiệu bằng chữ số La Mã và đặt phía trên bên phải nguyên tố tương ứng (Fe11, s", CIV) Trong các phân tử trung hòa điện tích tổng độ oxy hoá của tất cả các nguyên tử bằng 0 Đối với hyđro trong phần lớn các hợp chất chỉ số này bằng +1, còn oxy là -2 Trong những phân tử các hợp chất hữu cơ với số nguyên tử cacbon lớn hơn, những nguyên tử c riêng biệt có thể có độ oxy hoá khác nhau tuỳ thuộc vào tính chất của liên kết ở những trường hợp này người ta quan tâm tới

độ oxy hoá trung bình của các nguyên tử cacbon Ví dụ đối với axit butyric

23

và phenol ta có các giá trị sau của độ oxy hoá trung bình:

• Axit butyric C4Hg02 8H +8

2 0 - 44C - 4

Độ oxy hoá trung bình -4/6 = -0,67

Giá trị cực đại của độ oxy hoá của nguyên tử cacbon bằng +4 có trong phân tử C 0 2 (hợp chất này có giá trị COD bằng 0), còn giá trị cực tiểu bằng - 4 trong phân tử CH4 Trong bảng 1.5 các hợp chất hữu cơ riêng biệt được sắp xếp theo thứ tự tăng dần giá trị độ oxy hoá cacbon và tương ứng là theo thứ tự giảm dần tỉ số ThOD/Chc Để so sánh đưa cả C 0 2 vào Các chất trong bảng được chọn sao cho thể hiện được toàn bộ vùng giá trị khả dĩ của độ oxy hoá cacbon

Đối với các cơ chất có thành phần biết trước thì giá trị trung bình độ oxy hoá cacbon (ĐOCTB) được tính theo công thức:

trong đó n Ũ2 - số nguyên tử oxy cần để oxy hoá hoàn toàn chất đã cho đến

C 0 2, H20 và NH3; nc - sô' nguyên tử cacbon trong phân tử chất đã cho.Quan hệ giữa ĐOCTB và tỉ số ThOD,/Chc được thể hiện trên hình 1.6

và được mô tả bằng phương trình sau:

25

4 3

1.2 xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí vớì việc sử dụng bùn hoạt tính

1.2.1 Sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật

Các quá trình xảy ra trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học nói chung có thể biểu diễn ở dạng sơ đồ như những quá trình xảy ra khi xác định BOD (xem hình 1.3) Một phần chất hữu cơ bị loại ra khỏi nước thải oxy hoá đến C 0 2 và H20 , còn một phần tiêu thụ cho tổng hợp các chất dự trữ và hình thành tế bào mới Với tư cách là những chất dự trữ, polysacarit và lipit được tổng hợp nên Kết quả của quá trình tổng hợp là xảy ra việc tăng lượng sinh khối và số vi sinh vật ở đây cần phân biệt các khái niệm tăng trưởng và sinh sản Sự tãng trưởng có nghĩa là tăng nồng độ sinh khối và không nhất thiết phải có sự phân chia tế bào Một vài vi sinh vật phát triển về kích thước và khối lượng tế bào mẹ trước giai đoạn phân

năng tăng khối lượng của mình lên 2 lần so với ban đầu trước khi bước vào

sự phân chia tế bào Ngược lại, tồn tại những cơ thể khác tăng trưởng

không có sự tăng sinh khối đáng kể trước đó Ví dụ loại Sphaerotilus natans có khả năng phân chia không có sự tăng đáng kể lượng sinh khối

Đó là sinh sản

1.2.1.1 Các hệ một pha Đường cong tăng trưởng

Yếu tố quan trọng quyết định việc trong hệ một pha sẽ thực hiện sự phân chia tế bào hay chỉ là sự phát triển của tế bào mà không có phân chia

là tỉ số ban đầu của khối lượng cơ chất và sinh khối S0 /X0 Hiên nhiên rằng, ví dụ trong hệ với nồng độ cơ chất ban đầu 0,2 kg/m3 và sinh khối

2 kg/m3 (S0/X0 = 0,1 - là tỉ số thường gặp trong xử lý nước thải) thì sự tãng trưởng đáng kể của vi sinh vật sẽ không có, tuv rằng có thể có sự gia tăng không đáng kể của sinh khối Ngược lại, trong hệ với nồng độ cơ chất ban đầu 10 kg/nr và sinh khối 0,1 kg/m3 (S0 /X0 = 100) sẽ xảy ra sự tăng trưởng cực mạnh của vi sinh vật với việc gia tăng rất lớn của sinh khối.Trong những hệ với tỉ số S0 /X0 ban đầu rất cao, sự phát triển của vi sinh vật ban đầu rất cao, sự phát triển của vi sinh vật bao giờ cũng liên quan đến tăng trưởng Quá trình phát triển có thể biểu diễn bằng đồ thị ở dạng đường cong tăng trưởng Đường cong này phụ thuộc vào tiêu chuẩn tăng trưởng được lựa chọn (số tế bào hay lượng sinh khối) và có dạng khá đặc trưng

Hình dạng cổ điển của đường cong tăng trưởng khi mà X là số vi sinh vật trong một đơn vị thể tích được thể hiện trên hình 1.7 Có thể tách ra 6 giai đoạn khác nhau

Trên đường cong tăng trưởng trong trường hợp khi X là lượng sinh khối có thể tách ra 3 giai đoạn có ý nghĩa thực tiễn Hai giai đoạn đầu (thích nghi và phát triển nhanh) hoà vào cùng với giai đoạn phát triển hàm

mũ Khối lượng vi sinh vật tăng lên cả trước khi chúng bắt đầu phân chia Sau đó là giai đoạn phát triển chậm dần và hoàn toàn không có giai đoạn

ổn định Sau khi hết cơ chất ngoại sinh bắt đầu ngay việc oxy hoá cơ chất nội sinh, do vậy mà lượng sinh khối bị giảm Số vi sinh vật sống tuy vậy trong thời gian nào đó là không đổi Cuối cùng là giai đoạn suy giảm, ở đây việc giảm lượng sinh khối xảy ra chậm hơn nhiều so với việc giảm số

vi sinh vật sống

27

Hình 1.7 Đường cong tăng trưởng của vi sinh vật: ỉ- giai đoạn thích nghi; 2- giai đoạn phát triển nhanh; 3 - giai đoạn phát triển hàm mũ (hay logarit); 4- giai đoạn phát triển chậm dần; 5- giai đoạn

ổn định; 6- giai đoạn suy giảm

tTheo dạng đường cong tăng trưởng, có thể nhận ra ngay rằng không thể mô tả nó bằng một phương trình toán học duy nhất Chỉ có giai đoạn phát triển hàm mũ là tương đối đơn giản trong việc xử lý toán học Tốc độ tăng trưởng ở đây được xác định bằng biểu thức:

Tốc độ tăng trưởng riêng được quyết định bởi nồng độ cơ chất s theo phương trình do Monod đề xuất Phương trình này tương tự phương trình Michaelis mô tả động học enzym:

trị thấp mà cả ở giá trị cao của tỉ số s J X 0.

Trên hình 1.8a đưa ra đường cong tăng trưởng nhận được ở tỉ số S0/X0 ban đầu thấp tức là trong trường hợp điển hình của xử lý nước thải

Từ tính chất của đường cong này thấy rằng sự tăng trưởng sinh khối chỉ xảy ra do việc tổng hợp các chất dự trữ, còn sự sinh trưởng vi sinh vật nói chung là không có Khẳng định cho điều này là sự giảm cơ chất một cách tuyến tính và cả bởi hàm lượng hyđratcacbon trong sinh khối được tăng trưởng đáng kể Sự tích luỹ hyđratcacbon (polysacarit) trong tế bào vi sinh vật dẫn đến hàm lượng protein tính theo phần trăm bị giảm đi

29

H ình 1.8 Các đường cong tăng trưởng sinh khối X và tiêu thụ

cơ chất (glucoza được xác định trong đơn vị của COD) trong

trường hợp nuôi cấy một pha bùn hoạt tính ỏ:

a- hệ liên tục với gradient nồng độ cơ chất gồm tinh bột + pepton và với tái sinh riêng biệt bùn hoạt tính ỞS0/X0 = 3,9 (P - protein, Đ - đường); b- hệ hoạt động liên tục với khuấy trộn lý tưởng và tái sinh riêng biệt bùn hoạt tính ỞSo/X0 = 4,6 (D - thời điểm bắt đầu phân chia đồng bộ tế bào)

ở những giá trị S0 /X0 ban đầu cao hơn thì sau một khoảng thời gian nhất định trong quá trình nuôi cấy hỗn hợp sẽ bắt đầu phân chia tế bào Sự phân chia này thường xảy ra theo phương án gọi là sự phân chia đồng bộ

Ví dụ về sự phân chia như thế được đưa ra trên hình 1.8b trong đó sự gẫy khúc đáng kể của đường cong tăng trưởng và đường cong tiêu thụ cơ chất tương ứng với thời gian điểm phân chia đồng bộ

COD, g/l

Hình 1.9 Đường cong tăng trưởng sinh khối X, sử dụng cơ chất và thay đổi ADN trong trường hợp nuôi cấy bấn liên tục bùn hoạt tính trên hỗn hợp glucoza và dịch chiết nấm men (D - thời điểm phân chia đồng bộ)

31

Còn một ví dụ phân chia đồng bộ vi sinh vật bùn hoạt tính nêu ra trên hình 1.9 Nuôi cấy được tiến hành bằng phương pháp bán liên tục (chu kỳ

24 h) trên cơ chất cấu thành từ glucoza và dịch chiết nấm men Từ đồ thị ta thấy cơ chất ngoại sinh (hàm lượng của nó được đo bằng COD) bị sử dụng (đẩy ra-khởi hệ) với tỉ số ban đầu S0 /X0 = 2 sớm hơn là bắt đầu sự sinh trưởng vi sinh vật Chỉ sau 6 h sau khi đã đẩy cơ chất ngoại sinh mới bắt đầu sự phân chia tế bào mãnh liệt cảm ứng bởi sự tăng nồng độ ADN Nồng độ ADN cực đại đạt được sau 12 h sau khi đã hết kiệt cơ chất ngoại sinh Ngược lại trong hệ với tỉ số ban đầu S0 /X0 = 7 sự phân chia đồng bộ bắt đầu khoảng sau 2,5 h nuôi cấy Điều này được minh chứng bởi sự gẫy khúc của các đường cong tăng trưởng sinh khối và giảm lượng cơ chất, cũng như là bởi sự tăng đáng kể ADN trong chất lỏng nuôi cấy Những quá trình điển hình như vậy xảy ra trong nuôi cấy các giống dị thể tự nhiên trên những hệ mà ở đó ở mức độ cao hay thấp thường xảy ra sự đan xen các chu

kỳ trao đổi chất ngoại sinh và nội sinh (dinh dưỡng - đói dần)

Hình 1.10 Đường cong tăng trưởng sinh khối X và sử dụng cơ chất

ị a - analin xác định trong đơn vị COD) trong trường hợp nuôi cấy một pha bùn hoạt tính trong bểaeroten khuấy trộn hoạt động liên tục

(tinh bột + pepton) với s„ /Xtl

Trong những bể aeroten có khuấy trộn hoạt động không có tái sinh riêng biệt bùn hoạt tính, vi sinh vật ở trạng thái tiếp xúc thường xuyên với một lượng cơ chất ngoại sinh không lớn, vì thế không có sự luân phiên các chu kỳ ngoại sinh và nội sinh Bùn hoạt tính vì thế mà không bị “đói” cho nên không có khả năng phân chia đồng bộ Việc sử dụng bùn này trong những thí nghiệm một pha cho thấy ơ những giá trị thấp của tỉ số S0 /X0 sự sinh sản nhân đôi các tế bào trong giai đoạn sirìdụng cơ chất cũng không

có, còn ở giá trị cao S0 /X0 ta có quan hệ trên hình 1.10 Tính chất của những quan hệ này điển hình cho động học tàng trưởng vi sinh vật mà Monod đã nghiên cứu

1.2.1.2 Các hệ liên tục không có tuần hoàn sinh khối

Đường cong tăng trưởng có thể quan sát được trong trường hợp nuôi cấy một lần Trong hệ hoạt động liên tục các hệ thức có khác đi Trường hợp đơn giản nhất là nuôi cấy không có tuần hoàn vi sinh vật (hình 1.11)

Hình 1.11 Sơ đổ nuôi cấy liên tục không có tuần hoàn vi sinh vật

Sự thay đổi nồng độ vi sinh vật trong một khoảng thời gian ngắn được xác định bằng việc tăng hay giảm số vi sinh vật Việc giảm vi sinh vật xảy ra bằng hai cách Cách thứ nhất là do nước chảy liên tục khỏi thiết

bị, cách thứ hai là do tế bào bị chết đi hoặc bị phân huỷ Việc tăng vi sinh vật được mô tả bằng phương trình (1.21) Việc giảm vi sinh vật liên quan đến nước chảy khỏi thiết bị có thể biểu diễn bằng phương trình:

33

trong đó D = Q/V - tốc độ thay đổi nồng độ tế bào Đây là đại lượng nghịch đảo của thời gian lưu tế bào trong thiết bị (tuổi của tế bào).

Việc giảm vi sinh vật do phân huỷ tế bào có thể được mô tả bằng phưorng trình:

trong đó Kd - hằng số tốc độ phân huỷ

Tổng thay đổi lượng tế bào sau thời gian dt có thể viết như sau:

Trong trường hợp đạt trạng thái cân bằng dX/dt = 0, suy ra p =

D + Kd Trạng thái cân bằng trong hệ hoạt động liên tục bắt đầu khi tổng

D + Kd bằng tốc độ tăng trưởng riêng p Nồng độ vi sinh vật và cơ chất trong thiết bị lúc này không đổi

Hệ liên tục trong những khoảng giá trị xác định của tốc độ pha loãng

có khả năng tự điều chỉnh Chúng ta hãy xem xét trạng thái cân bằng với những thông số sau: ỊJ,[ = Dị + Kd; X j; S|

1 Tốc độ pha loãng giảm từ giá trị D] xuống giá trị D2 Điều đó làm cho vi sinh vật bị đưa ra khỏi thiết bị với tốc độ nhỏ hơn tức là nồng độ vi sinh vật sẽ tăng từ giá trị ban đầu Xị đến x2 Lượng vi sinh vật nhiều hơn

sẽ tiêu thụ cơ chất nhiều hơn do vậy nồng độ cơ chất sẽ giảm từ giá trị ban đầu Sj xuống $2- Tốc độ tăng trưởng riêng sẽ giảm đi tương ứng với nồng

độ cơ chất nhỏ hơn theo phương trình (1.25) và nhận giá trị nhỏ hơn là p2 Như vậy, hệ sẽ chuyển sang trạng thái cân bằng mới với những tham số sau: p2 = D2 + Kd; x2; s2.

2 Tốc độ pha loãng được tăng từ giá trị ban đầu D| đến giá trị D2 Vi sinh vật được đưa ra khỏi thiết bị nhanh hơn, nồng độ của chúng giảm đi Lượng vi sinh vật nhỏ hơn sẽ sử dụng ít cơ chất hơn và do vậy nồng độ cơ chất sẽ tăng Ta xem xét hai trường hợp:

(1.27)

JỴ

— = p X - K (lX -D X

a Nếu p, « Ị.imax thì khi tãng nồng độ cơ chất đến s 3, tốc độ tãng trưởng riêng cũng tăng và đạt giá trị p3 Hệ thống chuyển sang trạng thái cân bằng mới với các tham số: JLL3 = D3 + Kd; X3; s3.

b Nếu jLtj « pmax thì tốc độ tãng trưởng riêng khi tăng nồng độ cơ chất cũng không thể tăng được nữa Vi sinh vật dần dần bị trôi rửa hoàn toàn khỏi thiết bị còn nồng độ Cơ chất trong thiết bị và trong dòng ra sẽ trở nên bằng nồng độ cơ chất dòng vào thiết bị Như vậy, hệ thống liên tục có khả năng tự điều chỉnh chỉ ở những nồng độ cơ chất nhỏ hơn pmax

Những quy luật hoạt động đơn giản nhất của hệ thống liên tục xem xét ở trên chỉ đúng đối với quá trình nuôi cấy giống vi sinh vật thuần chủng Trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học các quy luật phức tạp hơn nhiều, ở đây ta có cơ chất đa cấu tử và hệ giống vi sinh vật dị thể (hỗn hợp) cấu tạo từ nhiều giống vi sinh vật với thời gian sống khác nhau

và tốc độ tăng trưởng riêng khác nhau Hơn nữa sự nuôi cấy hỗn hợp chứa

cả những vi sinh vật bậc cao sử dụng vi sinh vật thường làm thức ãn Sau bể aeroten hệ giống hỗn hợp lúc đầu được tách ra khỏi pha lỏng bằng kết tủa trong bể lắng thứ cấp, còn sau đó ở dạng đặc hơn được đưa trở lại về bể aeroten Sự tăng hệ giống hỗn hợp được loại bỏ khỏi hệ trong trạng thái đặc

ở dạng bùn dư

1.2.1.3 sửdụng phương trình Monod với giống dị thể Sự chọn lọc tự

nhiên của vi sinh vật

ở mục 1.2.1.2 đã chỉ ra khả năng của hệ liên tục nuôi cấy giống sạch (thuần chủng) tự điều chỉnh Bây giờ ta sẽ xem xét nồng độ cơ chất ảnh hưởng đến thành phần giống tương đối của nuôi cấy hỗn hợp

Trong nuôi cấy hỗn hợp bằng cách liên tục ở điều kiện không vô trùng có lượng lớn vi sinh vật các loại khác nhau Sự có mặt của chúng về

cơ bản được quyết định bởi ba yếu tố: thành phần cơ chất, tuổi của giống (trong những hệ không có tuần hoàn là tốc độ pha loãng) và nồng độ tức thời của cơ chất trong thiết bị

Đối với cơ chất có thành phần cho trước và giống có tuổi xác định, nồng độ tức thời của cơ chất phải là yếu tô quyết định ảnh hưởng đến tốc

35

độ tăng trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy hỗn hợp.

Trong khi xác định các giá trị hằng số Ks và pmax đối với nuôi cấy hỗn hợp cần phải hiểu rõ rằng đó là xác định các giá trị trung bình mà Ks

và pmax của những vi sinh vật riêng biệt có thể khác xa những giá trị trung bình đó Các giá trị của cả hai hằng số tìm được trong nuôi cấy hỗn hợp và

cơ chất một cấu tử chỉ ra rằng tồn tại một quan hệ xác định giữa Ks và pmax Từ những giá trị của các hằng số thấy rằng Ks càng lớn thì |Ltmax cũng càng lớn Đối với hệ hai giống vi sinh vật điều đó được chỉ ra bằng đồ thị trên hình 1.12 Những đường cong là biểu diễn đổ thị của hàm số xác định bởi phương trình (1.25)

n, h '1

9

8

7 6

s, g/m3Giả sử rằng đường cong 1 (Ks = 1 g/m3, pmax = 0,5h“1) phản ánh sự thay đổi tốc độ tăng trưởng vi sinh vật A, còn đường cong 2 (Ks = 20 g/m3, pmax = 0,9h“1) là của vi sinh vật B Hoàn toàn lôgic khi giả thiết rằng hàm lượng phần trăm của vi sinh vật trong hỗn hợp tỉ lệ thuận với tốc độ tăng trưởng của nó Ta sẽ phân tích vi sinh vật hai loại trên trong hỗn hợp sẽ ở tỉ

lệ nào từ một nồng độ cơ chất tức thời nào đó trong thiết bị

Từ hình 1.12 thấy rằng ở những nồng độ thấp của cơ chất, tốc độ tăng

trưởng riêng của vi sinh vật A cao hơn nhiều Vậy thì trong hỗn hợp vi sinh vật A chiếm ưu thế Với việc tăng nồng độ cơ chất hai tốc độ tăng trưởng

gần nhau hơn do vậy mà cũng cân bằng dần hàm lượng phần trăm của cả hai loại vi sinh vật Khi đạt được nồng độ nhất định tốc độ tăng trưởng trở nên như nhau và hàm lượng vi sinh vật cũng vậy Trên hình 1.12 tương ứng trạng thái đó là điểm cắt của hai đường cong tăng trưởng ở s = 18 g/m3 Có thể coi điểm này là điểm chuyển hoá Khi tiếp tục tăng nồng độ cơ chất chỉ

có tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật B là tăng, còn tốc độ tăng trưởng của

vi sinh vật A thực tế không tăng vì đã đạt được giá trị lớn nhất của mình Trong nuôi cấy hỗn hợp phần lượng vi sinh vật B sẽ tăng cho đến nồng độ

cơ chất cao và tốc độ tăng trưởng vi sinh vật B thực tế đạt được giá trị lớn nhất Trong trường hợp này phần lượng vi sinh vật hai loại trong hỗn hợp được xác định bằng tỉ số giá trị của pmax của chúng

Từ phân tích trên rút ra kết luận rằng thay đổi nồng độ cơ chất trong thiết bị có thể thay đổi tỉ lệ các vi sinh vật khác nhau trong nuôi cấy hỗn hợp Bằng sự chọn lọc sinh lý tự nhiên này có thể ức chế sự tăng trưởng của những vi sinh vật không mong muốn và ngược lại xúc tiến sự phát triển của những vi sinh vật cần thiết (tất nhiên là trong trường hợp có sự khác nhau

về các đặc trưng tăng trưởng)

Ta hãy xem ví dụ trên hình 1.12 Nếu muốn có trong hỗn hợp chủ yếu là vi sinh vật A chúng ta phải tiến hành nuôi cấy ở những tham số sao cho nồng độ cơ chất trong thiết bị là đủ nhỏ Ngược lại để có chủ yếu là vi sinh vật B thì phải ở nồng độ cơ chất lớn Phương án thứ hai đối với xử lý nước thải là không có lợi bởi nó không phù hợp với yêu cầu của quá trình

xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Những yêu cầu đó là phải đạt được giá trị nhỏ nhất của nồng độ cơ chất trong dòng nước ra khỏi thiết bị

và hiệu quả xử lý cao nhất

Trong trường hợp này người ta hướng tới giải pháp liên quan đến việc thay đổi kiểu thiết bị Nếu chuyển từ thiết bị khuấy trộn lý tưởng trong đó nồng độ cơ chất như nhau trong toàn bộ dung tích thiết bị sang thiết bị với dòng nối tiếp (bể aeroten có hệ thống hành lang với khuấy trộn không đáng

kể) khi mà ở những thông số công nghệ tương ứng có thể giữ được gradient

nồng độ cơ chất theo hướng của dòng tức là với nồng độ cơ chất rất nhỏ ra khỏi thiết bị vẫn giữ được sự tăng trưởng nào đó của vi sinh vật thực tế phát triển nhanh ở nồng độ cao của cơ chất Sự tăng trưởng đáng kể của vi sinh

37

vật sẽ xảy ra chủ yếu ở phần đầu tiên của thiết bị nơi mà nồng độ cơ chất lớn hơn Ở phần còn lại của thiết bị nơi mà nồng độ cơ chất trở nên thấp, sự tăng trưởng tuyệt đối của vi sinh vật với các giá trị Ks và pmax nhỏ sẽ không lớn mặc dù chúng phát triển nhanh bởi vì số lượng tuyệt đối cơ chất

đã sử dụng trong phần này của thiết bị là tương đối nhỏ

Ý nghĩa thực tiễn của các quy luật xem xét ở trên đối vơi quá trình

xử lý nước thải bằng nuôi cấy hỗn hợp (bùn hoạt tính) sẽ trở nên rõ ràng nếu ta tưởng tượng đặc trưng tăng trưởng theo đường cong 1 mô tả trên

hình 1.12 cho các loài vi khuẩn dạng sợi {Sphaerotiỉus, Leucothrix) trong

khi đó đường cong 2 đặc trưng sự phát triển của vi khuẩn dạng keo kết xúc tiến sự bông tụ của những chất lơ lửng nhỏ Sự có mặt của vi khuẩn dạng sợi trong bùn hoạt tính là không mong muốn bởi vì trong trường hợp này bùn khó lắng và tập trung lại Việc xử lý tiếp theo và loại trừ loại bùn như thế trên các công trình xử lý gặp những khó khăn rất lớn Từ đó ta thấy sự tăng trưởng của các vi sinh vật dạng sợi không mong muốn trong nuôi cấy hỗn hợp có thể bị ức chế khi sử dụng thiết bị có cấu trúc tương ứng Điều này được khẳng định bởi những kết quả trong phòng thí nghiệm và kết quả thử nghiệm trên thiết bị quy mô pilot và quy mô sản xuất Trên hình 1.13 biểu diễn ở dạng sơ đồ các hệ xúc tiến cũng như là kìm hãm tăng trưởng vi sinh vật dạng sợi Để kìm hãm phát triển vi shih vật dạng sợi trong bùn hoạt tính, ngoài giải pháp gradient nồng độ âm của cơ chất theo hướng của dòng còn cả việc hồi lưu bùn hoạt tính cũng có tác dụng tốt

Trên hình 1.13a chỉ ra phương pháp kìm hãm trương phồng bùn hoạt tính sinh ra trong trường hợp xử lý nước thải hiếu khí với tải trọng thấp Trong trường hợp này chỉ cần thiết lập bộ lọc trước thiết bị cấu tạo từ 3 đến

5 đơn vị với thời gian lưu của hỗn hợp ở mỗi đơn vị 5-10 phút Bộ lọc như thế khi cần thiết có thể đồng thời sử dụng như là thiết bị đênitrit hoá Trên hình 1.13b và c minh hoạ cải tiến hệ theo hệ thống Gulđơ Trên hình 1.13d chỉ ra rằng có thể chuyển hệ quá tải với trương phồng bùn hoạt tính sang

hệ không có hay có trương phồng hạn chế bùn hoạt tính Thể tích của thiết

bị tái sinh tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể có thể chiếm từ 25 đến 70% dung tích thiết bị

Hình 1.13 Sơ đồ biểu diễn các hệ xúc tiến tăng trưởng (S) và

kìm hãm tăng trưởng (R) một vài vi sinh vật dạng sợi:

1 - thiết bị tái sinh

1.2.2 Động học khử các chất hữu cơ trong nước thải

Sự phân giải các chất hữu cơ bằng vi sinh vật có thể xảy ra theo bốn phương án sau:

a Cơ chất một cấu tử và giống thuần chủng

39

b Cơ chất một cấu tử và giống hỗn hợp.

c Cơ chất đa cấu tử và giống thuần chủng

d Cơ chất đa cấu tử và giống hỗn hợp

Phương án (a) đơn giản nhất thường là đối tượng nghiên cứu của các nhà vi sinh vật học và hoá sinh học khảo sát sự oxy hoá vi sinh và sự đồng hoá Phương án (c) phức tạp hơn bởi vì trong trường hợp này còn có thể có các hiện tượng khác ví dụ tính sinh trưởng kép với việc thứ tự sử dụng từng

cơ chất Các phương án (b) và (d) được quan tâm chủ yếu bởi những chuyên gia xử lý nước thải Phương án (d) chính là xử lý nước thải bằng giống vi sinh vật hỗn hợp

Ở mục 1.2.1 đã chỉ ra rằng sự tăng trưởng vi sinh vật liên quan đến sự loại trừ cơ chất ra khỏi dung dịch Monod đã tìm ra hiệu suất sinh khối tỉ lệ thuận với cơ chất tiêu hao:

khối lượng tế bào tạo thành

khối lượng cơ chất tiêu hao

trong đó Y - hằng số hiệu suất sinh khối hay hệ số sản sinh sinh khối

Nếu ở giai đoạn tăng trưởng và loại trừ cơ chất đại lượng Y giữ giá trị không đổi thì từ các phương trình (1.30), (1.24) và (1.25) có thể rút ra phương trình động học sử dụng cơ chất:

_ M -m ax s

Lấy tích phân phương trình này ta có s = f(t) Khi lấy tích phân cần phân biệt hai trường hợp Trong trường hợp thứ nhất khá đơn giản là trong quá trình loại trừ cơ chất sự sinh trưởng của vi sinh vật không xảy ra tức

X = const (X ở đây ký hiệu là số lượng vi sinh vật) Đối với giá trị ban đầu X0 lấy tích phân và biến đổi tiếp theo ta được quan hệ: