Đề tài Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải

Trong thiết bị cột bọt, quá trình chuyển khối tuân theo thuyết thẩm thấu nghĩa là được thực hiện thông qua khuếch tán và đối lưu. Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng thuyết lớp biên và thuyết thẩm thấu của Linde và Shert cùng định luật Fick tuỳ theo thời gian tiếp xúc nhanh hay lâu. Để xác định thời gian nhanh hay lâu ta dùng DdtE /d2 làm tiêu chuẩn đánh giá. Khi tE > d2/ Dd thì chúng tuân theo định luật lớp biên. Khi thời gian liên kết ngắn ta áp dụng thuyết thẩm thấu khi đó phương trình chuyển khối có dạng: Ơ DG/Fdt = DC Dd/ptE [ 1 + 2ồexp(n2d2/ DdtE )]. n=1 khi t đ 0 ta có: DG/Fdt = DC Dd/ptE Khi thời gian liên kết lâu ta áp dụng thuyết lớp biên và phương trình chuyển khối có dạng: DG/Fdt = DC.Dd/d [ 1 + 2exp(n2d2 DdtE /d2 )]. Khi t đ Ơ ta có DG/Fdt = DC.Dd/d Trong đó: T - Thời gian, tE - Thời gian thẩm thấu; n - Số lượng; d - Chiều dày lớp biên; Dd - Hệ số khuếch tán; Dd/d = bF - Hệ số cấp khối. Để tính toán quá trình chuyển khối trong thiết bị cột bọt ta phải xác định được các thông số như: Hệ số hấp phụ, hệ số chuyển khối, lượng khí được hấp phụ, bề mặt tiếp xúc F, thời gian tiếp xúc t, hệ số cấp khối b và cả sự chênh lệch nồng độ DC, v.v. nói chung đây là một bài toán tương đối phức tạp và tổng hợp. Qua các phân tích trên ta thấy các qúa trình sinh học diễn ra rất phức tạp & phụ thuộc nhiều yếu tố. Để nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong thiết bị lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải, ta không thể không tìm hiểu các lý thuyết về màng. 4. Lý thuyết về màng lọc: Dựa trên kích thước khác nhau của các Ion trong dung dịch nước. Nó là một trong những phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay nhờ giá thành hạ và công suất lớn. Cở sở lý thuyết chủ đạo của phương pháp dựa trên các thuyết sau: Thuyết Mô hình hoà tan và khuếch tán: Theo thuyết này, mỗi một cấu tử trong dung dịch dưới áp suất đều tan trong màng tuân theo định cân bằng khối lượng và khuếch tán qua màng nhờ chênh lệch về nồng độ và áp suất. Dòng cấu tử i qua màng được biểu diễn bằng phương trình: Ji = - ( Dici/RT )gradmi = - ( Dici/RT )( ảmi/ảci + vigradp ) * Trong đó: Ji -Dòng cấu tử i qua màng. Di  - Hệ số khuếch tán qua màng. ci - Nồng độ cấu tử i trong màng. R - Hằng số. T - Nhiệt độ dung dịch, oK vi - Thể tích phầ n mol. Trong thực tế, thường các dung dịch sử dụng thấm lọc ngược có hiệu quả là cácdung dịch có nồng độ Ê 1 mol/lít. Trong trường hợp mà sự chênh lệch nồng độ nước theo chiều dày màng là nhỏ thì phương trình biểu diễn dòng có thể sử dụng là: J1 = - ( D1c1v1/RTDx )(Dp - Dp) ** Trong đó: Dp , Dp Tương ứng là gradien áp suất bên ngoài và trong màng theo chiều dày Dx. Trong nhiều trường hợp, phương trình dòng có dạng: J2 = - D2Dc2m/Dx = - D2KDc2s/Dx *** Trong đó: c2m - Nồng độ chất tan trong màng; c2s - Nồng độ chất tan trong dung dịch; K - Hệ số dịch chuyển chất tan, K = c2m/ c2s. Việc giảm nồng độ chất tan trong quá trình lọc ngược thường được biểu thị bằng SR và SR = 1 – (c’’2s/ c’2s ) = A(Dp - Dp)/(A(Dp - Dp) + Bc’’1s ) với c’’1s là nồng độ của nước trong dung dịch thu được. Như vậy, sự dịch chuyển chất tan cũng như dung môi qua màng là không phụ thuộc vào chiều dày của màng. Tuy nhiên, chiều dày màng cũng là một đặc tính quan trọng vì nó xác định dòng nước trên một đơn vị diện tích màng, thông số này có giá trị rất lớn đối với giá thành của quá trình. Một điều quan trọng là ta phải xác định được nhiệt động học của quá trình thuận ngịch. Phương trình ** và *** chính là một dạng của định luật Fick mà phương trình * chính là dạng tổng quát. Từ các kết quả thực nghiệm ta thu được các phương trình: Jv = Lp (Dp - sDp) và J2 = c2s ( 1 - s )Jv + PDc2s Trong đó: Jv - Dòng thể tích đối với nước Lp - Khả năng lọc cơ học của màng. s - Hệ số Stavermen chỉ mức độ tác động của dòng nước và chất tan trong màng. c2s - Nồng độ chất tan trong dung dịch. P - Hệ số thẩm thấu đối với chất tan ở dòng thể tích 0; P = (J2/Dc2s)Jv = 0. Các hệ số Lp và P thường do chiều dày màng quyết định. Từ các phương trình trên ta có: 1 - exp[- Lp(Dp - sDp)( 1 -s )/P] SR = s ---------------------------------------------- 1 - sexp[- Lp(Dp - sDp)( 1 -s )/P] 1 - exp[- Jv( 1 -s )/P] SR = s ------------------------------- 1 - sexp[- Jv( 1 -s )/P] Khi s xấp xỉ 1 thì: Lp(Dp - Dp) SR = s --------------------------- Lp(Dp - Dp) + P Thuyết mô hình por.: Theo thuyết này, các loại màng cho siêu lọc đều là các màng có cấu trúc por siêu nhỏ và quá trình siêu lọc chỉ xâỷ ra nhờ các phần tử chất tan có kích thước lớn hơn các por. Trường hợp đơn giản nhất là màng por ở dạng trụ hộp, khi đó, dòng nước qua màng được xác định theo định luật Puazeil: J1 = Npr4Dp/8hDx = er2Dp/8hDx Trong đó: J1 - Dòng trên một đơn vị diện tích màng. N - Số por trên một đơn vị diện tích. r - Bán kính por. h - Độ nhớt của nước. e - Độ por, e = Npr2. Dòng nước chuyển qua màng por nhỏ được xác định theo phương trình: u = (-H/e )( dp/dx + f23J2/eM2 ) Trong đó: u - Tốc độ chất lỏng trong por. H - Độ thấm thuỷ lực, H = er2/8h;. f23 - Hệ số tính bằng lực tác đụng lên mỗi một mol chất tan có trọng lượng phân tử M2 mà tác động của nó với màng sẽ xác định tốc độ dòng chất tan trong por. Nếu lực được xác định là nhỏ so với gradien áp suất thì dòng chất tan trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt màng được xác định như sau: J2 = c2mu/b – (D21/b)(dc2m/dx) Với: c2m - Nồng độ chất tan biểu thị bằng khối lượng trên một đơn vị thể tích màng. D21 - Hệ số khuếch tán của chất tan. b = 1 + f23/f21; f21 - Hệ số tính đến tác dụng của chất với nước bên trong por , RT/f21 = D21 Nhiệt động học của quá trình thuận nghịch thường được mô tả theo phương trình: c’2s/c’’2s = (1 - exp[- Jv( 1 -s )/P] )/(1 - s ). Các khái niệm cơ bản về nhiệt động của cân bằng thấm lọc: Thường biểu thị giữa áp suất thấm lọc và hoạt độ của dung dịch theo phương trình: P = (-RT/v1)lna1 Trong đó: P - áp suất thấm lọc. T - Nhiệt độ tuyệt đối, 0K. v1 - Thể tích mol riêng phần. a1 - Hoạt độ của dung dịch, thường a1 = P1/P*1, P*1 - áp suất hơi của chất tan tinh khiết. Khi đó: P = (-RT/v1)ln(P1/P*). Đối với các dung dịch loãng khi mà a1 ằ Z1( phần mol của dung môi ) ta có phương trình: Pv1 = - RTlnZ1 = - RTln(1 - Z2 ) + RT ( Z2 + 1/2Z22 + .... ) ( Z2 - Phần mol chất tan ). Với đa số các dung dịch thì: PV1 = n2RT Trong đó V1 = n1v1 có thể coi là thể tích dung môi hoặc dung dịch. Nói chung là trong mọi trường hợp ta đều sử dụng phương trình Valt - Hoff: P = RTC. Ngoài ra còn một vài thuyết khác giải thích sự thấm lọc trong đó có thuyết “ Mô hình hộp đen “, tuy nhiên ta không đi sâu vào các thuyết này. Trong thực tế tính toán người ta thường sử dụng phương trình tính toán độ chọn lọc sau: Lg(1 - j ) = a - blgf(DH ) Trong đó: a, b - Là các hằng số phụ thuộc vào tính chất của màng và thường tra bảng. 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của quá trình sinh học: Hiệu ứng của các vi sinh vật: Các quá trình sinh học ( lên men ) đều liên quan đến sự sinh khối mà vai trò chủ đạo là các enzym thực hiện các chức năng xúc tác khác nhau. Việc điều chỉnh và thích nghi của các qúa trình sinh học phụ thuộc không chỉ vào lượng enzym mà còn phụ thuộc vào hoạt độ của chúng trong những điều kiện xác định. Trong quá trình tồn tại & phát triển của mình, các enzym, đều thực hiện nhiều quá trình biến đổi sinh hoá theo hướng tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp tuỳ thuộc vào thành phần của mỗi một tế bào sống. Các quá trình xẩy ra trong tế bào thường được thực hiện từ dạng này sang dạng khác, từ thấp đến cao và từ đơn giản đến phức tạp. Đối với các quá trình sinh học trong xử lý nước thải, các nhà nghiên cứu cho rằng, có đến 70-90% các chất hữu cơ được chuyển hoá trong quá trình xử lý. Để nghiên cứu hiệu ứng này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các quá trình bùn hoạt tính, sử dụng thiết bị kỵ khí và điều kiện kỵ khí trong hồ sinh học hiếu khí với các loại vi sinh vật, khuẩn hoặc các enzym protozoa. Các nghiên cứu được cho trong bảng sau: Bảng II.2: Phân tích sinh thái đối với các hệ vi sinh vật: 1 - Hệ có phân định rõ ranh giới 2 - Hiệu lực của các biến đổi hoá học chủ yếu. 3 - Xác địng rõ chất lượng các vi sinh vật 4 - Số các vi sinh vật quan trọng 5 - Phát hiện các phản ứng có sự tham gia của các vi sinh vật quan trọng. 6 - Động học và định lượng các phản ứng xác định 7 - Động lực chính trong các thiết bị sinh học 8 - Tác dụng về môi trường của tất cả các hệ tiến hành nghiên cứu. Các nghiên cứu cho thấy, khi có hai hay nhiều tổ hợp vi sinh vật có khả năng tạo năng lượng từ nguồn chứa Cacbon còn các yếu tố khác là cân bằng thì vi sinh vật có khả năng ( tỷ lệ ) phát triển cao nhất sẽ phát triển và thống trị. Còn nếu hệ là một hệ hoàn toàn mở thì vi sinh vật có tỷ lệ phát triển thấp nhất sẽ bị đào thải khỏi hệ thống. Trong tình huống có vật săn mồi thì vật săn mồi sẽ hoàn toàn chiếm giữ nồng độ mồi. Trong thực tế có thể có nhiều vật săn mồi, lượng và chủng loại phụ thuộc hoàn toàn vào loại mồi có trong nước thải. Trong tình huống có nhiều mồi vi sinh vật thì sẽ có một loài ở trên các loài khác. Trong hoạt động sống của mình, các sinh vật còn có các quan hệ sống ký sinh với nhau. Trong một hệ luôn tồn tại nhiều loại vi sinh vật mà các tác động vi sinh của chúng có thể hỗ trợ hoặc kìm hãm nhau. Các vi sinh vật điển hình thường được nghiên cứu trong xử lý nước thải là: S. Serevisiae, P. Vulgaris, D. Discoideum, B. polymixa hay E. Coli v.v. Các phương trình toán học của hệ thường được lập và giải bằng máy tính. Các kết quả cho thấy: Các vi sinh vật trong hệ liên tục sẽ phát triển với lượng các vi sinh vật sơ khai bị giới hạn bởi các chất dinh dưỡng ở mức độ trung bình. Các loài săn mồi nhỏ hơn sẽ bám trên các vi sinh vật sơ khai và bản thân chúng lại là mồi cho các loài săn mồi lớn hơn. Tại thời điểm đầu, nồng độ các vật săn mồi lớn còn nhỏ nên tác động của chúng đối với hệ là không đáng kể. Khi số lượng các vật săn mồi lớn tăng lên, chúng sẽ ăn thịt các loại nhỏ hơn. Sự vận chuyển ôxy: Đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý. Các nghiên cứu cho thấy rằng: Sục khí trong quá trình sinh học có hai chức năng, một là cấp ôxy cho nhu cầu của vi sinh vật, hai là khuấy trộn tạo hỗn hợp. Vai trò của ôxy trong các quá trình sinh học chủ yếu nhằm tách loại H2S và NH3 cũng như cung cấp ôxy cho hoạt động sống của vi sinh vật. Quá trình cung cấp ôxy là tuân theo định luật Fick biểu diễn bằng phương trình: N = -DLAdc/dy Trong đó: N - Lượng ôxy cung cấp trong một đơn vị thời gian, A - Diện tích mặt cắt ngang của bề mặt cấp khí, dc/dy - Gradient nồng độ tại mặt cắt cấp khí, DL - Hệ số khuếch tán. Thực nghiệm cho thấy, tính chất vật lý, sinh học của quá trình lên men và xử lý nước thải được cho trong bảng II.3 dưới đây: Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi hệ số cấp ôxy tăng thì công suất tiêu thụ cho một đơn vị thể tích thiết bị giảm xuống, quá trình thể hiện rõ nét nhất là trong xử lý nước cống. Ngoài ra, việc cấp ôxy trong quá trình xử lý chất thải công nghiệp là hiệu quả hơn quá lên men. Lý do cơ bản là do nhu cầu ôxy trong xử lý chất thải là thấp và có thể sử dụng một cách tối ưu năng lượng cho việc cấp ôxy tại chỗ và cho tạo hỗn hợp lỏng - khí. Mặt khác, khi nhu cầu ôxy của quá trình còn thấp thì ta dễ dàng xác định được đâu là ôxy cho nhu cầu của vi sinh vật và đâu là ôxy cho tạo hỗn hợp. Bảng II.3: So sánh một vài tính chất lý học & sinh học của quá trình lên men và quá trình xử lý chất thải thứ cấp. Tính chất Xử lý chất thải Lên men công nghiệp Khoảng nhiệt độ, 0C 10 - 30 ± 5 20 - 50 ± 0,5 Khoảng độ nhớt, cp 1- 10 1 - 1000 Nồng độ chất 0,1 - 5 g/lít 5 - 40 g/lít Tải lượng BOD, ppm 100 - 5000 5000 - 40000 Kích thước thiết bị, galon 50.000 - 400.000 250 - 40.000 ảnh hưởng của các chất trong môi trường: Thành phần hoá học cũng như sự sinh trưởng, phát triển của các tế bào vi sinh vật phụ thuộc mạnh vào thành phần của môi trường. Các chất có ảnh hưởng nhất đối với Vi sinh vật là các cetoaxit, các chất cơ photphor , Pentoza, Hectoza, Malat, Acetat và nhiều chất khác. Các chất có ảnh hưởng đến việc tạo thành các phần tử sinh học là các loại Aminoaxit, Mononycleotit, Xacaro, axit béo, các chất họ Glixxerit, các chất chứa Carbon, Canxi v.v. ( 1 ) Các nguyên tố vi lượng như: Ca, Mg, K, Nitơ, Photphor v.v. sẽ thúc đẩy sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật. Theo các nhà nghiên cứu ( 2 ) thì khi phân tử lượng của chất tăng thì khả năng phân huỷ giảm xuống. Nếu các nhóm chức gắn ngay đầu mạch Carbon cơ bản thì phản ứng phân huỷ sinh hoá xẩy ra sẽ không phụ thuộc vào trọng lượng phân tử. Tỷ lệ phân huỷ sẽ giảm khi chiều dài mạch Carbon tăng Khi các nhóm chức nằm trong mạch Carbon thì tỷ lệ phân huỷ sẽ tăng mạnh không phụ thuộc vào vị trí của nhóm chức. Sự có mặt của các nhánh trong mạch thẳng sẽ làm giảm tỷ lệ phân huỷ chỉ trong một số trường hợp, chẳng hạn như butanol - Izobutanol. Sự có mặt của các nối đôi sẽ không cản trở quá trình phân huỷ sinh hoá chẳng hạn Natri Oleat và Natri Stearat. Sự có mặt của các nhóm chức trong cấu tạo phân tử chất sẽ ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật Ngoài sự có mặt của các chất có lợi cho sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật, trong nước thải còn có thể chứa nhiều các chất có độc tính đối với sự phát triển của vi sinh vật. Theo các công trình nghiên cứu ( 2 ), độc tính của một vài chất đối với sự phát triển của khuẩn Escherichia coli, Pseudomonas và nhiều loại khuẩn khác thường là các hợp chất như Chloamine, Quinhydron, p - Aminophenol, Nitroglycerine, Pyrogallol v.v. nhưng các hợp chất loại này thường là ít và chỉ đặc trưng ở một vài loại nước thải. Sự có mặt của một số kim loại nặng như: Cd, Pb, Mn, Cr, As v.v. sẽ kìm hãm sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật. PH của môi trường: pH thích hợp của môi trường cho sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật là 5,5 - 7,5. ảnh hưởng của pH đối với vi sinh vật được biểu thị thông qua ảnh hưởng của pH đối với hàm kìm hãm ( ngăn cản ) được cho trong giản đồ hình 11: Hệ số phát triển đặc trưng m PH = 7,0 PH = 6,5 PH = 6,0 Nồng độ chất tổng, S Hình11: ảnh hưởng của pH đối với hàm kìm hãm 6. Cơ chế tách loại các chất bẩn trong nước thải bằng vi sinh vật: Quá trình tách loại các chất hữu cơ trong nước bằng phương pháp sinh học xẩy ra theo các cơ chế sau: + Sự thấm hút bề mặt: Sự thấm hút giới hạn các chất hữu cơ phân huỷ lên bề mặt chất rắn có hoạt tính sinh học thực hiện được với một số chất hữu cơ và đây không phải là cơ chế ban đầu của việc tách loại các chất hữu cơ. Các nhà nghiên cứu cho rằng, trong sinh khối không thấy được tín hiệu của việc tách loại các chất hữu cơ có độc tính nhưng lại thấy được tín hiệu của việc thấm hút lên chất rắn lơ lửng trong quá trình xử lý sơ bộ. Trong khi việc thấm hút các chất hữu cơ lên sinh khối thường không có ý nghĩa thì nó lại có giá trị đối với các kim loại nặng. Các kim loại sẽ tạo phức với thành tế bào cùng với quá trình sinh khối. Khi nồng độ kim loại trong nước thải là thấp thì hiệu quả tách loại chất hữu cơ nhìn chung sẽ không có giá trị lớn, sự có mặt của chúng trong bùn có thể đánh giá được hiệu quả xử lý bùn và vận hành hệ thống. + Cơ chế tẩy màu: Carbon hữu cơ dễ bay hơi, trong quá trình xử lý sinh học như: Lọc nhỏ giọt, bùn hoạt tính, hồ sinh học v.v. sẽ thoát vào không khí. + Qúa trình thối rữa: Các chất hữu cơ bị vi sinh vật tách khỏi dung dịch bằng hai cách cơ bản sau: Ôxy được vi sinh vật sử dụng cho việc tạo năng lượng và tổng hợp sinh khối mới. Các vi sinh vật cũng chịu sự tự ôxy hoá trong tế bào chất của chúng. Các phản ứng này có thể được diễn tả như sau: Tế bào Chất hữu cơ + aO2 + N + P đ á Tế bào mới + CO2 + H2O + Phần dung dịch không phân huỷ. k Tế bào + bO2 đ + CO2 + H2O + N + P+ Phần dung dịch không phân huỷ. Hiệu quả và chức năng của quá trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ hoặc hỗn hợp các chất hữu cơ trong nước thải được thể hiện ở chỗ: Một phần nhỏ các chất hữu cơ đã tách loại sót lại như là một sản phẩm không bị phân huỷ tương tự như COD chứ không phải BOD. Một phần còn lại của tế bào cũng giống như một phần không thể phân huỷ. Cơ chế của việc tách loại chất hữu cơ trong quá trình ôxy hoá sinh học: Các chất hữu cơ trong nước thải được tách loại chủ yếu bằng các quá trình ôxy hoá sinh học. Sự tách loại BOD bằng quá trình bùn sinh học được thực hiện chủ yếu ở hai pha trong đó phần được tách loại chủ yếu là ở dạng chất lơ lửng hoặc chất keo. Chỉ một phần nhỏ BOD là được tách loại ở dạng hoà tan. Cơ chế chính của quá trình tách loại như sau: Việc tách loại các chất lơ lửng bằng việc kết tụ sinh học. Sự tách loại này là nhanh và diễn ra trong hỗn hợp bùn - nước. Sự tách loại các chất dạng keo bằng sự hấp thụ hoá lý cuả khối kết tụ sinh học. Vi sinh vật thực hiện quá trình hấp thụ sinh học đối với chất hữu cơ hoà tan. Quá trình tách loại này là kết quả của quá trình tổng hợp enzym hoặc nhờ hiệu ứng bề mặt của vi khuẩn hoặc tế bào. Hiệu ứng hấp thụ sinh học được thực hiện khi khối kết tụ tiếp xúc với nước thải trong thời gian 10 - 15 phút và tải lượng được xác định như sau: Tải lượng = mg BOD cung cấp/g VSS Tổng quát, động học của quá trình tách loại được mô tả toán học theo phương trình Monod như sau: - (1/Xv)dS/dt = ( mm/a)(S/(Ks + S )) Trong đó: S - Nồng độ chất, mm - Tốc độ phát triển max của vi sinh vật, Xv - Chất rắn lơ lửng dễ biến đổi, Ks - Hằng số Monod ứng với nồng độ chất bị phân huỷ khi mm = 1/2, a - Hệ số sinh khối. Chất mang Màng sinh học Nước Không khí Lớp yếm khí Lớp hiếu khí BOD CO CO NH3 NO2-, NO3- NH3 N2 H2S SO4-2 H2S Hình 12: Tổng hợp quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng vi sinh vật 7. Mô hình tối ưu & tối ưu hoá hệ thống thiết bị dạng tháp sử dụng bùn hoạt tính: Để nghiên cứu sâu về động học quá trình tạo màng vi sinh vật trong thiết bị lọc sinh học người ta thường phải sử dụng các mô hình toán học & mô hình tối ưu cho hệ thống. Với mục đích này, các nhà nghiên cứu thường sử dụng bài toán: Mô hình hoá và tối ưu hoá đối với hệ thống dạng tháp có sử dụng bùn hoạt tính ( 1 ) theo sơ đồ hình: Thoát khí Bể lắng Thoát khí FN q(l + r) q(l-w) ( Phân loại ) Dòng thải Thải Phân loại N fN FN - 1 fn + 1 Fn n fn Fn - 1 f3 F2 q(r + w) Sinh khối 2 tuần hoàn f2 F1 1 F0 qr qw Không khí Bùn thải Bùn thải F0 = q Dòng vào Không khí Dòng vào Hình13: Sơ đồ tháp xử lý chất thải bằng sinh học Hình14: Sơ đồ quá trình tháp xử lý chất thải với dòng cấp vào mỗi giai đoạn bằng sinh học theo kí hiệu dòng lỏng Hình 13,14 mô tả hệ thống xử lý dạng tháp nhiều bậc có dòng hồi với thiết bị lắng dạng bể aeroten. Việc cung cấp ôxy được thực hiện ổn định & tốt nhờ kết cấu của tấm đáy mỗi bậc là dạng mắt sàng. Việc mô hình hoá và tối ưu hoá hệ thống xử lý kiểu này là đơn giản nhờ sử dụng tốt các mô hình toán học. Mô hình toán học mô tả động học phát triển của quá trình xử lý bằng sinh học cũng như động lực của hệ. Mô hình động học của hệ được xác định theo phương trình Monod trên cơ sở phản ứng enzym Michaelis - Menten như sau: dX/dt = mmaxSX/( KS + S ) - kDX ; - Tỷ lệ phát triển, mg/lít.h. Trong đó: mmax - Hệ số phát triển đặc trưng lớn nhất, h-1 S - Nồng độ chất hữu cơ, mg/lít. X - Nồng độ vi sinh vật hoạt tính, mg/lít. KS - Hằng số bão hoà. kD - Tỷ lệ tiêu hao vi sinh vật nội sinh đặc trưng, h-1. Mô hình toán học của hệ: Thiết lập cho mô hình N bậc có công đoạn phân loại. Bùn tách từ thiết bị phân loại được đưa về hệ thống xử lý bùn, một phần được tuần hoàn. Ký hiệu nồng độ chất dinh dưỡng tại bậc thứ n là Sn & Xn là nồng độ vi sinh vật hoạt tính, fn - tỷ lệ dòng hồi lưu từ bậc thứ n về bậc thứ n - 1, còn Fn là thể tích dòng ra khỏi bậc thứ n, b là hiệu suất phân loại tại thiết bị phân loại. Khi đó, dòng hồi lưu G được xác định như sau: G = fn/Fn = fn/( Fn + fn ) Khi G = 0 tức là không có dòng hồi, khi G đ 0,5 hệ giống như một hệ nhiều bậc. Kí hiệu d là thông số lắng trong mỗi bậc thì d = Xn/Xn với Xn là nồng độ chất sau lắng cặn. Như vậy, tại đầu vào sẽ có cân bằng: F0 = q + qr, F0 - Dòng vào bậc 1 Cân bằng chất hữu cơ : qSf + qrSN = q( 1 + r )S0 = F0S0; Sf- Nồng độ chất hữu cơ đầu. Nếu nồng độ tế bào trong đầu vào bằng 0 thì cân bằng chất hữu cơ: qrbXN = q(1 + r)X0. : X0 = (rbXN)/(1 + r). Cân bằng vật chất tại bậc 1: F0S0 + f2S2 - F1S1 - V1(mmaxS1X1)/Y(KS + S1) = 0. Cân bằng VSV tại bậc 1 : F0X0 + f2X2 - F1X1+V1(mmaxS1X1)/(KS + S1 - kDX1) = 0. Cân bằng dòng : F1 = F0 + f2. Cân bằng vật chất tại bậc i: Fi-1Si-1+ fi+1Si+1- FiSi - fiSi- Vi(mmaxSiXi)/Y(KS + Si)= 0. Cân bằng VSV tại bậc i: Fi-1Xi-1+ fi+1Xi+1- FiXi+Vi(mmaxSiXi)/(KS + Si) - kDXi) = 0. Cân bằng dòng : Fi = Fi-1 + fi+1. Cân bằng vật chất tại bậc N : FN-1SN-1 - fNSN - FNSN - VN(mmaxSNXN)/Y(KS +SN) = 0 Cân bằng VSV tại bậc N : FN-1XN-1- fNXN- FNXN + VN(mmaxSNXN)/(KS+SN)-kDXN)= 0 Cân bằng dòng : FN-1 = FN + fN. Các biến đổi không thứ nguyên được thực hiện như sau: Lấy nồng độ chất thải hữu cơ chia cho nồng độ chất thải hữu cơ ở đầu vào Sf và cho nồng độ VSV, YSf ta có các đại lượng không thứ nguyên: y1i = Xi/Sf; y2i = Xi/Yf Trong đó: y1i , y2i là nồng độ không thứ nguyên của chất hữu cơ & vi sinh vật tại bậc thứ i. Hằng số bão hoà cũng có thể khử thứ nguyên như sau: K1 = KS/Sf. Với K1 - Nồng độ hữu cơ không thứ nguyên khi mmax = 1/2. Khi đó, các cân bằng vật chất không thứ nguyên có thể được viết dưới dạng sau: Cân bằng vật chất tại bậc 1 : F0S0 + f2y12 - F1y11 - V1(mmaxy11y21)/(K1 + Y11) = 0 Cân bằng VSV tại bậc 1: F0y20 + f2y22 - F1y21+Vi(mmaxy11y21)/(K1 + y1) - kDy21) = 0. Cân bằng vật chất tại bậc i: Fi-1y1i-1 + fi+1y1i+1 - Fiy1i - fiy1i - Vi(mmaxy1iy2i)/Y(K1 + y1i) = 0. Cân bằng VSV tại bậc i: Fi-1y2i-1 + fi+1y2i+1 - Fiy2i - fiy2i+ Vi(mmaxy1iy2i)/(K1 + y1i) - kDy2i) = 0 Cân bằng vật chất tại bậc N: FN-1y1N-1 - fNy1N - FNy1N - VN(mmaxy1Ny2N)/Y(K1 + y1N) = 0 Cân bằng VSV tại bậc N: FN-1y2N-1- fNy2N- FNy2N+VN(mmaxy1Ny2N)/(K1 + y1N ) - kDy2N) = 0 III. Mô hình thí nghiệm & kết quả: 1. Đặc tính chung của nước thải sản xuất bia: Như đã phân tích ở trên, các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp lọc sinh học ( màng sinh học ) thường được sử dụng cho xử lý các loại nước thải chứa nhiều tạp chất hữu cơ như: Nước thải của ngành sản xuất bia, sản xuất rượu, sản xuất nước giải khát, công nghệ dược phẩm hoặc các cơ sở gia công chế biến lương thực, thực phẩm, đồ hộp v.v.. Với điều kiện hiện có, đồ án đã lấy nước thải của ngành sản xuất bia làm đối tượng nghiên cứu. Chúng ta đều biết, sản xuất bia chính là sử dụng các loại enzym thích hợp để chuyển các chất trong nguyên liệu ( ngũ cốc ) thành etanol và các chất amin hữu cơ cần thiết khác. Như vậy, bản thân nước thải của ngành sản xuất bia đã chứa đựng các enzym. Trong số đó có những enzym / Vi sinh vật có lợi cho việc xử lý nước thải. Vấn đề là làm sao ta tách loại được các loại enzym này từ nước thải, sinh khối chúng rồi đưa vào lớp chất mang, tạo điều kiện cần thiết cho các loại vi sinh vật này tồn tại, sinh trưởng & phát triển trên lớp mang đó. Đặc tính chung của nước thải bia được đem nghiên cứu cho trong bảng III.1 Đánh giá sơ bộ về nước thải sản xuất bia: Quan sát, theo dõi các dòng thải cũng như các “ hố “ tập trung nước thải của sản xuất bia ta thấy: Chỉ sau vài ngày lưu là trong hố đã sinh một lượng đáng bùn hoạt tính có màu đen với khả năng sinh khối khá lớn. Các chất hữu cơ trong nước thải khi chảy qua lớp bùn này sẽ được chuyển hoá và dễ dàng tách loại bằng các tác động hoá lý cần thiết. Thành phần nước thải sản xuất bia đã có đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật. Các chất độc tố là hầu như không có. Bản thân trong nước thải sản xuất bia đã có sẵn các vi sinh vật cũng như là các loại nấm men, trong đó chủ yếu là các loại thuộc họ: Chacaromyces Serevisive, P. Vulgaris, D. Discoideum, B. polymixa hay E. Coli v.v Bảng III.1: Đặc tính của nước thải sản xuất bia sử dụng cho nghiên cứu Stt Tên chỉ tiêu đơn vị tính Kết quả 1 PH 6 - 6,5 2 COD mg/l 500 - 1500 3 BOD5 mg/l 300 - 800 4 SS mg/l 300 - 700 5 Tổng Nitơ mg/l ằ 65 6 Tổng Phosphor mg/l ằ 38 7 Tổng Canxi mg/l ằ 95 8 Mn mg/l ằ 0,015 9 Zn mg/l ằ 0,170 10 Cd mg/l Vết 11 Pb mg/l Vết 12 Tổng Fe mg/l ằ 0,25 13 Tổng Lưu huỳnh mg/l ằ 0,42 14 Colifform mg/l ằ 105 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật ( khả năng tạo màng sinh học ): Các phân tích lý thuyết ở trên cho ta thấy quá trình hình thành & phát triển màng sinh học phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là bốn yếu tố sau: Nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải. Độ pH của môi trường hoạt động. Lưu lượng nước thải đi qua vật liệu lọc. Lưu lượng không khí cấp cho nước thải. Các yếu tố này cũng đều là các yếu tố luôn thay đổi đối với mỗi loại nước thải nhưng chúng lại có thể điều chỉnh và khống chế được trong quá trình vận hành. Trước hết, tiến hành làm thí nghiệm để lựa chọn vật liệu lọc thích hợp. Các nghiên cứu đã được công bố [3] cho thấy: Các loại vật liệu lọc dùng cho nghiên cứu động học quá trình tạo màng