Trong thực tế người ta tạo các bọt khí từ hệ thống sục khí qua vật xốp có đường kính lỗ khoảng Imm.. Phần này đọng lại.[r]
Trang 1XỬ LÍ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG ĐIỀU KIỆN NHÂN TẠO VỚI QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH
Chương 13
13.1 C ơ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH
Xử lí sinh học nước thải thực chất là lợi dụng sự sống và hoạt động của các vi sinh vật
để thực hiện các dạng phân huỷ khác nhau Sự phân huỷ chất hữu cơ thường kèm theo sự thoát khí dưới tác dụng của các enzim do vi khuẩn tiết ra
Nhiệm vụ của công trình kĩ thuật xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học là tạo điều kiện sống và hoạt động tốt nhất cho các vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ được nhanh chóng
13.1.1 Vai trò của enziin, năng lượng và chất dinh dưỡng đối với quá trình biến đổi, tăng trưởng của ví sinh
Quá trình biến đổi của vi sinh bao gồm các phản ứng hoá học bên trong tế bào, có 2 phản ứng cơ bản trong quá trình biến đổi là phản ứng dị hoá và phản ứng đồng hoá
- Phản ứng dị hoá bẻ gẫy các mạch, phân chia các phân tử hữu cơ phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn và kèm theo quá trình là sự giải phóng năng lượng
- Phản ứng đồng hoá là hình thành các phân tử phức tạp hơn và đòi hỏi cấp năng lưọng Năng lượng cấp cho phản ứng đồng hoá thường lấy từ năng lượng được giải phóng ra của các phản ứng dị hoá
Vai trò của enzim:
Enzim là chất xúc tác hữu cơ do các tế bào sống sinh ra là các protein hoặc các protein kết họfp với các phân tử vô cơ hoặc hữu cơ có trọng lượng thấp Như một chất xúc tác, enzim có khả năng làm tăng tốọ độ phản ứng hoá học lên gấp nhiều lần nhưng bản chất không bị thay đổi
Có 2 loại enzim: Ngoại tế bào và nội tế bào Enzim ngoại bào là chất do tế bào tiết ra Khi tế bào cần chất nền hay chất dinh dưỡng mà các chất này không thể tự thấm qua vỏ
tế bào được thì enzim sẽ chuyển hoá các chất này thành dạng hợp chất có thể dễ dàng di chuyển vào trong tế bào Enzim nội bào là chất xúc tác cho các phản ứng đồng hoá bên trong tế bào Enzim được biết như là một tác nhân phân loại và chuyển hoá chất nền đến sản phẩm cuối cùng với hiệu suất rất cao Tế bào có thể sản xuất ra các enzim khấc nhau ứng với mỗi loại chất nền khác nhau để sử dụng chúng, và có thể minh hoạ bằng phản ứng sau:
176
Trang 2E + s -> (E)(S) p - E
E n z im Chất nền Tổ liọp eiizini Sán phấm cu ối c ù n g E nziin
và ciiất ncii
Hoạt động của ciizim cliịii anh hường ríứ nhiều bời trị sỏ' pH, nhiệt độ và nồng độ chất nền Mỗi eiưiin có trị số pH và iiliiệi dộ tối ưu riêng
Vưi trò của ìiăn^ hrợiiiỊ:
Cùng với enzim, nâng lirợiig cần tliict cho các phán ứng sinh hoá cỉia tế bào Năng Iượiig cấp clio tế bào là năng lượng được giái phóng ra từ các phán ứng ôxy hoá các chất hữu cơ và vỏ cơ (các phản ứng dị hoá) hoặc do các phản ứiiíĩ quang hợp Năng lượng này được thu nhận và tích trữ trong tế bào bằng các hợp chất hữu cơ nhất định và đươc dùng
để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào inới Khi chât hữu cơ trong nước thải ít dần thì khối lượiig tế bào cũng sẽ bị giảm dần do các châl đã được té bào dùng không được thay thế kịp thời bằng chất mới Nêu tình trạng nù^ kéo dài liên tục thì tế bào không còn khả năng sinh sán mà chí có khả n'>ng đỏng hoá các chất hữu cơ đã hấp thụ được đê cuối cùng còn lại các tế bàn Ti những chất hữu cơ tương đối ổn định Quá trình
tự íỊÌám sinh khối này coi Ti giai đoạn hô hấp nội bào
Vai f’ c : ,ia clìât (linh ilii'ỠNí>:
Vi sinh vật tiêu thụ các chất hữu cơ để sống và hoạt đông \ à đòi hỏi một lượng chất dinh dưỡng đế phát triển, như các ngiivên tố N, s, p, K, Mg, Ca, CI, Fe, Mn, Mo, Ni, Co,
Z n, C li , t rong đ ó N, p và K là các Iiguvên tố cliỉi yếu, cần dược b ả o d á m mộ t krợiig cần
Ihiết trong xử lí sinh hoá
Khi thiếu nitơ lâu dài, ngoài việc cán trơ C|uá trình sinli hoá các c hấ t bẩ n hữu cơ, c òn
tạo ra bùn hoạt tính khó lăng
Khi thiếu photpho dẫn đôìi sự phát tricn vi kliiiấn dạnq sựi, là nguyên nhân chính làm cho bìm hoạt tính bị "phồng lên", klió láng và bị cuốn theo (lòng chảy ra khỏi hệ thống
xử lí, làm giám sinh trưởng cúa bùn hoạt tính và giàin cường độ của quá trình ôxy hoá Hàm lượng các nguyên tô' dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần cỉia nước thải và tí lệ giữa chúng được xác định bằng thực nghiệm Tỉ lệ này thường trong khoáng BOD : N : p = 100 : 5 ; 1 Ngoài ra cần một lượng nhỏ các Iiịỉuyén tố khoáng như canxi, magiè, sắt, đồng, kẽm, niaimaii, Các cliất này thường có đủ trong nước thải sinh hoạt Khi xử lí nước thái cỏim nchiệp bằng vi sinh nhiều trường hợp phái bổ sung N và p và khử trước các kim loại nặng gày độc liại đến nồng độ cho phép,
13.1.2 Sự sinh trưởng của vi khuẩn
Vi sinh vật có thế phát tricii thcin nhiều nhờ sinh sán phâii đôi, sinh sản giới tính và nảy mầm, nhimg chủ yếu cluìim phái triển bằng cácli phàn đôi, lliừi gian cần để phân đôi tế bào thưòlig gọi là thòi oian sinh sán có thê dao động từ dưới 20 phúl đốn hàng ngày Ví dụ: Nếu
thời gian sinli Siin là 30 phút thì một vi khuẩn có thể sinh ra 16 ~ ' l l 2 1 6 vi k h u ẩ n s au thời
Trang 3gian 12 giờ Vi khuẩn không thể tiếp tục sinh sản đến vô tận bởi vì quá trình sinh sản phụ thuộc vào môi trường Khi thức ăn cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài trị số tối ưu, thì việc sinh sản sẽ ngừng lại
Sự sinh trưởng của vi khuẩn diễn ra theo các giai đoạn sau:
- Giai đoạn tiềm tàng hay thích nghi; Trong giai đoạn này tế bào tổng hợp các enziin cần thiết cho sự chuyển hoá của chất nền (chất bẩn hữu cơ), tốc độ sinh trưỏng bằng 0
- Giai đoạn sinh trưcmg theo số mũ: x ả y ra khi tỉ lệ tái tạo tế bào đạt tới mức tối đa Trong giai đoạn này, tốc độ sinh trưcmg tãng tỉ lệ thuận với mật độ tế bào
- Giai đoạn chậm dần: Do chất nền bị cạn kiệt hoăc do sự tích tụ các sản phẩm ức ch ế sinh ra trong quá trình chuyển hoá vi khuẩn, mặc dù mật độ tế bào tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần
- Giai đoạn ổn định: Khi mật độ tế bào đạt tới trị số cực đại thì sự sinh trưởng sẽ dừng lại kể cả trong trường hợp các tế bào vẫn còn một vài hoạt động chuyển hoá nào đó
- Giai đoạn suy giảm (giai đoạn nội sinh); Mật độ các tế bào giảm xuống v'i các tế bào bị chết do các enzim tự tiêu huỷ
1 S ự tăng trưởng sinh khối
Hình 13.1 giới thiệu tổng quát quá trình tăng trưởng của vi sinh vật theo khối lượng
Hình 13.1: ĐườinỊ coníỊ hiểu diễn c ác iỊÌcii doạn lăinỊ siiilì khối tyoìiv, me'Iiiiôi cấy vi klìiuỉn
1 Giai đoạn tiềm tàng (hay giai đoạn tăng trưởng chậm) là giai đóạn vi khuẩn cần thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng
2 Giai đoạn tăng sinh khối theo số mũ luôn có dư thừa thức ăn xung quanh vi khuẩn
và lốc độ trao đổi chất và tăng trưcmg của vi khuẩn chỉ phụ thuộc vào khả nãng xứ lí chất nền của vi khuẩn
3 Giai đoạn tăng trưởng chậm dần: Tốc độ tăng sinh khối giảm đi bởi vì sự cạn kiệt dần các chất dinh dưỡng bao quanh
178
Trang 44 Giai đoạn hố hấp nội bào' Vi Hiuẩn buộ'" phái thực hiện quá trình trao đối chất bằng chính các chất dinh dưỡiig cấp cho tê bào đã bị cạn kièt Trong giai đoạn này xảy
ra hiện tượng giảm dần sinh khối, klii đó các chất dinh dưỡng, c òr lại trong các tê bào đã chết khuếch tán ra ngoài đế cáp cho các tố bào còn sống
2 S ự tăng trưởng trong mói trường hỗn hợp
Phần lớn các quá trình xử lí sinh hoá trong môi trường hỏn hợp gồm nhiều chủng loại
vi sinh tác động lên môi trường và có tác động tương hỗ với nhau Mỗi loại vi khuẩn có đường cong sinh trưởng và tăng trưởng riêng Vị trí và dạng của đường cong tăng trưcmg theo thời gian của mỗi loại trong liệ phụ thuộc vào thức ăn va c hất dinh dưỡng có sẵn và vào các đặc tính của môi trường như pH, nhiệt độ, điều kiện kị khí hay hiếu khí, Có nhiểu loại vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình ổn định các chất hữu cơ có trong nước thải
13.1.3 Đặc tính của chất nền và sự loại bó chất nền
Chất nền gồm toàn thể các vật phấm chứa trong nước mà vi khuẩn có thể sử dụng chúng để phát ti iển,
Các nguyên tố của chât nến có thê phân loại như sau:
- Các nguyên tố chiếm đa số: c , H, 0 , N;
- Các nguyên tố chiếm thiếu sổ; p, K, s và Mg;
- Các vitamin và các hóc môn;
Các pgiivên tố vết hoặc các nguyên tô vi lượng Cu, Fe Ni
Nhìn chung các nguyên tó cua chẫt nén đều có đủ trong hau hết mọi loại nước thải Thường thì phốt pho và nitơ có thc cần bổ sung thêm Đò một nguồn nước thải có thể xử 'í sinh học được nó phải có các đặc tíiih thích hợp như độ pH, Iihiệt độ và không có các
lí sinh học được nó phái có các dặc tíiih tlìíc
sản phẩm độc hại hoặc các sản plìấm ức chế
Sự ô nhiễm chính trong nước ihải cần phải loại trừ là ỏ nhiểiĩi cacbon hữu cơ mà giá trị đặc trưng là BOD - nhu cầu ôxy cho quá trình sinh hoá Ò nhiễm cacbon hữu cơ là nguồn tạo ra chất cơ bản cỉia khối vi sinh (C<;H7N0t)
Các nguồn nitơ sử dụng cho các vi sinh bao gồm toàn bó r itơ hữu cơ và vô cơ Nitơ được chuyển hoá chủ yếu để tao ra các protein, các axit nucleic, các polyme của tế bào ('chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của khối vi sinh nguvên chất) Trong xử lí nước thái, giá trị này thường chiếm khoảng dưới 10%) Trone nước thải người ta phân biệt nitơ ờ dạng khử (nitơ hữu cơ, nitơ amoniac N-NH4) và d ạ ng ỏxy hoá (N-NO2, N-NO3)
Ô nhiễm phốt phát chiếm tỉ lệ 1,5 H- 2% trọng lượng khô của sinh khối, có ở trong nước thải dưới dạng orthophotphat, polyphotphat, hoặc photpho hữu cơ Phốt phát được hoà trộn chủ yếu trong các axít nuclcic các phôtpholipit, các poK'me của màng vi khuẩn Trong một số trường hợp đặc biệt, chúng tập trung trong lế bào, dưới dạng polymêta phốt phát (sự khử phòì phát sinh
Trang 5hoc )-Khi xử lí nước thái, chất nền (chất nhiễm bán hữu cơ) được giám xuống Ban đầu chúng có phản ứng cấp 0 Sau đó khi nồng độ chất nền giảm thấp dưới một giá trị nào đó thì xuất hiện sự thay đối cấp phán ứng và tốc độ giảm chất nền dừng lại Điều đó có nghĩa là ở giai đoạn cuối xử lí nước thải, chất nền còn lại thường khó bị loại bỏ Giai đoạn đầu xảy ra với hiện tượng hấp thụ sinh học và kết bông phức tạp của các chất keo, tiếp theo đó các vi sinh sử dụng chất hữu cơ đế sinh trưởng và hoạt động làm cho chất nền biến mất dần
13.1.4 Vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí
Loại vi khuẩn ưa hoạt động trong môi trưcnig có ôxy ta gọi là vi khuẩn hiếu khí và loại vi khuấn hoạt động trong môi trường không có ôxy ta gọi là vị khuấn kị khí
Nếu có ôxy tham gia vào phán ứng thì sán phẩm tliu được là lượng các bon hữu cơ dưới dạng COt và khối vi sinh Nếu phản ứng xảy ra khi thiếu ôxy không khí thì sản phẩm thu được là lượng các bon hữu cơ dưới dạng CO-,, khí CH4 và khối vi sinh
Nhìn chung, ti lệ sinh sán của các phôi hiếu khí cao hơn các phôi kị khí và quá trình
suy giảm các chất có chứa các bon xảy ra nhanh hon Tuy nhiên, ở quá trình kị khí, bùn
Scin sinh ra ít hơn.
Có 2 giải pháp xỉr lí với vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng và với vi khuấn ở trạng thái giá thê cố định
• Giải pháp với vi khuẩn ở trạng thái lơ lửiig (tự do): ơ đây các vi khuấn được phái triến một cách phân tán dưới dạng kết bông ngay trong lòng chất lỏng cần xỉr lí như giai pháp hiếu khí bùn hoạt tính, lọc sinh học trong điều kiện tự nhiên hoạc giải pháp kị khí như lọc tiếp xúc ở nền bùn
• Giải pháp với vi khuẩn ở tning thái giá thế cố định: Sử dụng các vi khiián có khá
năng sinh sản ra exopolymeres cho phép cố định chúng vào các vật giá thê khác nhau đẻ lạo ra một màng sinh học Cũng giống như vi khiiắn ở trạng thái tự do, vi khuẩn ở trạng thái cố định có thế được dùng cho xử lí hiếu khí và xử lí kị khí
Có một số yếu tố như nồng độ (khối vi sinh, chất nền, ôxy), sự xáu trộn, nhiệt độ và thời gian liru thiiỷ có thê có những tác động đến động hor piian ứng và thậm chí làm cho một số vi kluiân phát triến trội hơn các vi khiuin kliiic
Trong các giải pháp với vi khiiấn đã nêu ơ trên đều có một lượng vi sinh được sinh sán quá mức cần được thu gom, xtV li và sử dụng
13.1.5 Động hoo của q u á tr ìn h xử lí hiếu khí
Đê đảm líảu cho quá trình xử lí sinh học dicn ra có hiệu quá thì phải tạo dựợc các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian lốt nhất cho hệ vi sinh Khi các điều kiện trên được đám bảo thì quá trình xừ lí diễn ra như sau;
Tốc độ tăng trưởng tế bào ở cả hai trường họp nuôi cấy theo từng mẻ hay nuôi cấy trong các bể có dòng chảy liên tục có thế biếu diẻn bằng công thức:
80
Trang 6r, = ^ , x (13.1)
Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg của vi sinh, g/m\.s;
ỊJ.| - Tốc độ tăng trưỏlig riêng, 1/s;
X - Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m^ = mg/1) Công thức (13.1) có thể viết dưới dạng:
dt
1 C hất nền - giới hạn của tăng trưởng
Trong trường hợp nuôi cấy theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ có với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt trước khi quá trình sinh trưỏng ngừng lại
ở trưòíng hợp nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục (chất nền và chất dinh dưỡng cấp liên tục) thì ảnh hưcmg của việc giảm bớt chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất:
(13.3)
Trong đó: |J.| - Tốc độ tăng trường riêng, //s;
- Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại, //s;
s - Nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điếm sự tăng trưởng bị hạn chế;
Kj - Hằng số báii bão hoà, thể hiện ảnh hưởng của nồng dộ chất nền ở thời điểm tốc độ tăng trưởiig bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m^ mg/1
Ánh hưởng của nồng độ chất nền đến tốc độ tăng trưởng riêng thể hiện trên hình 13.2 Thay giá trị |I ở phương trình (13.3) vào phương trình (13.1) ta có:
(13.4)
K , + s
Trong đó: - Tốc độ tăng trưởng cực đại của vi sinh
2 S ự tăng trưởng tế bào vờ sử dụng chất nền
Nếu như tấl cả dinh dưỡng được chuyển hoá thành sinh khối thì tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ bằng tốc độ sinh sản sinh khối Nhưng vì trong cả hai trưòng hợp nuôi cấy theo
mẻ và nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục, một phần chất nền chuyển thành các tế bào mới, một phần được ôxy hoá thành chất vô cơ và hữu cơ ốn định cho nên tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ lớn hơn tốc độ tăng trưởng sinh khối Và do đó có thể thiết lập quan
hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng cliất nền được sử dụng theo phương trình sau:
Trang 7r, = - Y r j ( 1 3 5 )
Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg của tế bào vi sinh, g /m \s;
Y - Hệ số năng suất sử dụng chất nển cực đại, mg/mg (là tỉ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nển được tiêu thụ trong một thời íỊÌan nhất định ở giai đoạn tăng trưỏíng logarit);
- Tốc độ sử dụng chất nền, g/m^.s
Từ phương trình (13.5) và (13.4) ta rút ra:
KXS 'd =
- Y í K ^ + S ) K , + s Y
(13,6)
Hình 13.2: Anh hưàini của sự lìịiii cliếiiồníỊ (lộ cliấí nên dến tốc (ìộ tủnv Irưởiii!, riữnịi
3 Á n h hưởng của hô hấp nội báo
Trong các công trình xử lí nước thải, không phái tất cả các tế bào vi sinh đều có tiiối lớn như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng logarit mà có một số đang ở giai đoạn chết và giai đoạn sinh trưởng chậm Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của tế bào phái tính toán tổ hợp các hiện tượng này Để tính toán, giả thiết rằng: sự giam khối lượnc các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tí lệ với nồng độ vi sinh có trong nước tliải và gọi là sự giảm khối lượiig do phân huỷ nội bào Quá trình hô hấp nội bào có thể biểu diễn bằng phản ứng đơn giản sau:
C5H7O2N + 5O2
Vi khuẩn
tế bào ^ 5 C O , + 2 H tO + N H3 + Ncìng lượng (13.7)
8 2
Trang 8Từ phương trình (13.7) có thè’ tliấy: Nếu tất cá các tế bào bị cxv hoá hoàn toàn thì lượng COD của các tế bào bằng 1,42 nồnc độ của tế bào
Trong đó; - Hệ sô' phân liLiỷ nội bào (phán rã nội sinh)
X - Nồng độ tế bào (nổim độ bùn hoạt tính), g/ni Kết hợp với quá trình phân huý nồi bào, tốc độ tãng trường *hưc tế của tế bào:
( K ,+ S )
Trong đó: r' - Tốc độ tàng trướnu thưc tế của tế bào vi khuán //s
Tố c đ ộ tăng trưởrm riênq thưc tê !à:
^ ' ( K , + S )
Hệ s ố nảng SLUÍI sử dụiig chất nen (hệ số đồng hoá) thực tế là:
4 Ả n h hưỏiig của nhiệt độ
Nhiệt độ nước thái có ánh Iniưng râì lớn tới tốc độ cúa phàn ứng sinh hoá trong quá trìnlì xử lí nước thái Nliiệt dò khònu chi áiih hưởiig đến hoat dòng chuyển hoá của vi sinh vẠl mà còn có tác dộim lớn đèn cỊiiá trình hâp thụ klií ỏxy vcK) nirớc thải và quá trình
láiig c á c bỏiig cặii cliứa c á c VI siiili v;ìl ó l)ể lálìg đọl II Ảnlì hưíĩiìg c ủ a n h iệ t đ ộ đ ốn tốc
d ộ phán ứng sinh hoá trong qu á irình xử lí nirớc ihái biếu diéii bởi c ò n g thức:
Trong đó: f j - Tốc độ tăng trưởng ở nhiòt T ’C;
ĩo,) - Tốc độ tăng tnrờng ở 20''C';
0 - Hệ s ố hoạt độ nc do Iihiệt độ, thường dao động u.r Ị ,02 -r 1,09 (trung bình lấy 1,04);
T - Nhiệt độ nước đo bằiic ‘’c
5 Ả n h hưởng của kim loại nặng
Sự phân huỷ đòi liỏi các đicLi kiện mòi trường khá nghiẽiii Iieặt, Nhiệt độ và độ pH là những yếu tố đóng vai Irò quan trọim Tuy nhiên, trong mòi Irưừng úó cũng không được chứa những chất độc hại hoặc những chất ức chế các hoạt độníỉ c ủa \ i sinh
Trang 9Các kim loại nặng như đồng, crôm, niken, kẽm, thuỷ ngân, chì và các anion như xianua, Aorua, asenat và bicromat tồn tại trong quá trình phân huỷ sẽ gây phản ứng hoặc
là giữ nguyên một số enzim, hoặc là phá huỷ bản chất làm biến đổi tính chất thấm của tế bào vi sinh Vi khuẩn có sự nhạy cảm khác nhau đối với các chất độc hại này Chúng
có thể kết bông dưới dạng hợp chất hữu cơ - kim loại không tan mà không làm rối loạn
sự sinh trưởng của vi khuẩn Tuy nhiên, cần lưu ý rằng lượng kim loại có trong môi trường không được vượt quá mức cho phép Khi vượt quá mức cho phép thì chính bản thân một số chất chuyển hoá trở thành chất ức chế các hoạt động vi sinh
ố N h u cầu ôxy và việc cung cấp ôxy
Để ôxy hoá các chất hữu cơ, các vi sinh vật cần có ôxy và nó chỉ có thể sử dụng ôxy hoà tan Để cung cấp ôxy, người ta tiến hành làm thoáng khuếch tán không khí thành các bọt nhỏ phân phối đều trong khối nước thải
Vì ôxy ít hoà tan trong nước nên có thể bỏ qua trở lực khuếch tán của pha khí và tốc
độ hấp thụ ôxy do trở lực của pha lỏng quyết định Sơ đồ của sự chuyển dịch ôxy từ bọt khí tới tế bào các vi sinh vật được minh hoạ trên hình 13.3
Chiều dày của lớp khuếch tán ỗ, khi chất lỏng vòng bao quanh vật Ihể có kích thước
là L phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D, độ nhớt khối lượng riêng p,, và vận tốc của chất lỏng theo phương trình sau:
\ 1/6
iỉiL
Hình 13.3: Sơ đồ (li chuyển ô.\y tới vi sinìì vật
1 Lớp khuếch tán biên ở phía pha khí; 2 Bề mặt phân pha; 3 Lớp khuếch liín biên ờ phía pha lóng;
4, Quá Irình chuyên ôxy lừ bóng khí tới vi sinh vật; 5 Lớp khuếch tán biên ờ pha lòng bao quanh vi sinh vậl;
6 Quá trình chuyển ôxy vào trong tế bào; 7 Vùng phản ứng giữa phân tứ ôxy với các men (enzim).
Vì các vi sinh vật có kích thước rất nhỏ và chúng chuyển động trong các hệ thống xử
lí với vận tốc bằng vận tốc của nước thải nên chiều dày lớp khuếch tán của chất lỏng ờ thành các tế bào nhỏ hơn rất nhiều so với xung quanh bọt khí, vì vậy trở lực của nó không đáng kể đối với sự di chuyển của ôxy Mặt khác, cũng cần thấy là bề mặt riêng của các vi sinh vật lớn hofn nhiều so vói bề mặt riêng của các bọt khí Do đó có thể nói
184
Trang 10quá trình di chuyển ôxy từ các bọt khí t(JÌ các vi sinh vật được hạn định chủ yếu bởi trở lực khuếch tán của chất lỏng xung quanh bóng khí
Đối với các khí hoà tan kém, hệ số chuyến khối được láy bằng hệ số cấp khối (Kl= Pl
)-Do bề mặt tiếp xúc pha giữa không khí và nước thải trong các hệ thống xử lí là không xác định được, vì vậy trong tính toán người ta sử dụng hé sô' cấp khối thể tích Py
Lượng ôxy được hấp thụ có thể tính theo phương trình cấp khối sau:
Trong đó; M - Lượng ôxy được hấp thụ, kg/s;
py- Hệ số cấp khối thê tích, 1/s;
V - Thể tích nước thải trong hệ thống xử lí, in^
c*, c - Nồng độ càn bằng và nồng đô ôxy ờ trong khối chất lỏng, k g /m \ Biểu thức trên cho thấy, có thể tãng lượng òxy được hấp thụ bằng cách tăng hoặc tăng động lực của quá trình Việc thay đổi động lực của quá trình có thể thực hiện bằng tăng hàm lượng ôxy trong không khí, giảm nồng độ làm \'iệc hoặc tăng áp suất của quá trình hấp thụ Song tất cả các giải pháp trên đều không kinh tế hoặc không làm tăng cường độ của quá trình một cách đáng kể Cách tốt nhất tãng lượng ôxy hoà tan trong nước thải là tăng hệ số cấp khối thể tích [3y, vì:
Trong đó; a = 6<Pk
^boi
ở đây: cpị, - Hàm lượng khí trong dòng nước thải;
d^,„, - Đường kính của bọt khí
Rõ ràng bằng cách tăng hàm lưííng của bọt khí trong dòng thải và giảm đường kính của bọt khí có thê tăng bề mật tiếp xúc pha một cách đáng kê
7 Công thứ c biến đổi tốc độ sử dụng chất nén
Trong mô tả động học của quá trình xử lí nước thải bằng sinh học hiếu khí rút ra đuợc công thức biểu diễn tốc độ sử dụng chất nền bằng khối lượng chất nền giảm đi của đơn
vị thể tích bể trong một đơn vị thời gian (g/m^s)
(13.16)
Y (K, + S)
Từ công thức (13-16') ta có:
X ( K , + S )