BK TPHCM BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC GVHD: TS Lê Hoàng Nghiêm Email: hoangnghiem72@gmail.com hoangnghiem72@yahoo.com BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vaät 2.5.1 T c đ sinh tr ng riêng (μ) Jackson and Edwards (1975) đ a TDSTR m t m nuôi c y (batch culture) b ng ph ng trình sau: ⇒ X = Xoe Biomass concentration dX = μX (2.45) dt μ ( t − to ) ln X = μ (t − t o ) + ln X o Ln(Xt ) μ Ln(Xo) ln X − ln X o μ= t − to Trong X = Hàm l Xo= Hàm l to t Time ng sinh kh i th i gian t (mg/L) ng sinh kh i th i gian to (mg/L) μ = T c đ sinh tr ng riêng (1/h) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vaät 2.5.1 T c đ sinh tr ng riêng (μ) Thơng th ng, mơ hình Monod đ c s d ng đ đánh giá đ ng h c gi a vi sinh c ch t nuôi c y μ liên t c: S μ = μm (2.46) S + KS • • • • Specific growth rate ( μ) time-1 max μmax Trong μ =T c đ sinh tr ng riêng (d-1) K Substrate concentration, mg/ L μm =T c đ sinh tr ng riêng l n nh t (d-1) S = Hàm l ng c ch t (mg/L) KS = H ng s bán v n t c/h ng s Monod constant (mg/L) s TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật BK TPHCM 2.5.1 T c đ sinh tr ng riêng (μ) Theo s li u trình bày tài li u hi n có giá tr c a Ks max n m kho ng sau: • i v i x lý sinh h c hi u khí (Metcalf & Eddy, 1991): max = 1,2 – ngày-1 Ks = 25 – 100 mgBOD5/L hay Ks = 15 – 70 mgCOD/L • i v i x 1997) max lý k khí: (van Haandel Lettinga, 1994; Chernicharo, = 2,0 ngày-1 (vi sinh v t lên men acid acidogenic bacteria) ; = 0,4 ngày-1 (vi sinh v t lên men mêtan methanogenic archaea bacteria) max max = 0,4 ngày-1 (sinh kh i k t h p) Ks = 200 mgCOD/L (vi sinh v t lên men acid acidogenic bacteria) Ks = 50 mgCOD/L (vi sinh v t lên men mêtan methanogenic archaea bacteria) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật 2.5.1 T c đ sinh tr ng riêng (μ) Ví d 2.9: Thi t l p bi u th c tính µ theo µmax cho u ki n sau: - N c th i sinh ho t: S = 300 mg/L có h s Ks = 40 mg/L - N c th i sinh ho t: S = 10 mg/L có h s Ks = 40 mg/L - Glucose: S = 10 mg/L có h s Ks = 0,2 mg/L TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật 2.5.2 Hô h p ch t n i bào Trong h th ng x lý n c th i, phân b tu i bùn đ ng nh t nên không ph i toàn b vi sinh v t giai đo n log-phase Do bi u th c bi u di n t c đ t ng tr ng ph i đ c hi u ch nh cho ph n n ng l ng yêu c u ph i trì ho t đ ng c a t bào vi sinh v t y u t khác nh t c đ ch t c a vinh sinh v t Thông th ng y u t đ c g p chung thành t c đ suy gi m kh i l ng t bào, t l v i n ng đ c a vinh sinh v t hi n có m t b aeroten Trong tài li u chuyên ngành t c đ suy gi m kh i l ng t bào đ c g i t c đ phân h y n i bào đ c bi u di n nh sau: Trong đó: dX rd = = −kd X dt (2.47) kd = h s phân h y n i bào, ngày-1 X = n ng đ c a sinh kh i, KL/TT TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật 2.5.2 Hô h p ch t n i bào kd = h s phân h y n i bào (ngày-1) • iv ix lý hi u khí: kd = 0,04 – 0,1 mg VSS/mgVSS.ngày (tính c s BOD5) (Metcalf & Eddy, 1991; Von Sperling, 1997) hay kd = 0,05 – 0,12 mgVSS/mgVSS.ngày (tính c COD) (EPA, 1993; Orhon Artan, 1994) • iv ix lý k khí: kd = 0,02 mgVSS/mgVSS.ngày (tính c (Lettinga et al., 1994) s s COD) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật 2.5.3 T ng tr ng ròng (Net bacterial growth) T ng tr ng ròng đ t đ c tính g p t ng tr t ng hô h p n i bào: ng Nuôi c y d ng m : dX = μX − k d X dt (2.48) Nuôi c y liên t c: S dX X − kd X = μ max dt Ks + S (2.49) TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vaät 2.5.4 S n l ng ch t r n sinh h c T ng tr ng c a VSV hay s n l ng sinh kh i hay t bào hình thành có th đ c bi u di n m t hàm c a ch t n n tiêu th nh sau: Trong đó: dX dS =Y* dt dt (2.50) Y = h s s n l ng hay h s s n xu t sinh kh i; sinh kh i (SS hay VSS sinh m t đ n v kh i l ng ch t n n b lo i b (BOD hay COD) (g/g) X = N ng đ sinh kh i, SS hay VSS (mg/L) S = N ng đ c ch t (mg/L) S nl ng ch t r n ròng (Net solid production) dX dS = Y * − kd X dt dt (2.51) TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM 2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật 2.5.4 S n l ng ch t r n sinh h c Y = h s s n l ng hay h s s n xu t sinh kh i = sinh kh i (SS hay VSS) sinh m t đ n v kh i l ng ch t n n b lo i b (BOD hay COD) (g/g); i v i x lý hi u khí: • Y = 0,4 – 0,8 gVSS/gBOD5 lo i b (Metcalf & Eddy, 1991) hay • Y = 0,3 - 0,7 gVSS/gCOD (EPA, 1993; Orhon Artan, 1994) i v i x lý k khí: • Y = 0,15 gVSS/gCOD (vi sinh v t lên men acid acidogenic bacteria) (van Haandel Lettinga, 1994); • Y = 0,03 gVSS/gCOD (vi sinh v t lên men mêtan methanogenic archaea bacteria) (van Haandel Lettinga, 1994); • Y = 0,18 gVSS/gCOD (sinh kh i k t h p) (Chernicharo, 1997) 10 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.3 Th i gian l u n c th i gian l u ch t r n BK TPHCM (hydraulic retention time – HRT) xác đ nh theo: Thể tích nước hệ thống t = HRT = θ = (2.64) Thể tích nước khỏi hệ thống đơn vò thời gian Th i gian l u n • Do th tích n c t hay c vào b ng th tích n c b ph n ng nên: V t = HRT = θ = (2.65) Q Th i gian l u ch t r n SRT (solid retention time) hay tu i bùn SRT = θ c = • 19 Khối lượng chất rắn hệ thống (2.66) Khối lượng chất rắn sinh đơn vò thời gian tr ng thái n đ nh, l ng ch t r n kh i h th ng b ng l h th ng, tu i bùn tính theo: SRT = θ c = c ng ch t r n sinh Khối lượng chất rắn hệ thống (2.67) Khối lượng chất rắn khỏi hệ thống đơn vò thời gian TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.3 Th i gian l u n c th i gian l u ch t r n BK TPHCM Th i gian l u ch t r n SRT (solid retention time) hay tu i bùn SRT = θ c = • Do s n l Khối lượng chất rắn hệ thống (2.68) Khối lượng chất rắn khỏi hệ thống đơn vò thời gian ng sinh kh i đ • Trong ph n tr xác đ nh b i: • 20 c c bi u di n b ng dX/dt, nên (2.68) vi t l i nh sau: VX X θc = (2.69) = dX ⎛ ⎞ dX / dt V⎜ ⎟ dt ⎝ ⎠ c ta có t ng tr ng ròng c a vi sinh v t (m u s c a (2.69) đ c dX = μX − k d X = ( μ − kd ) X (2.70) dt Thay (2.69) vào (2.70) ta có: θc = (2.71) μ − kd TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.3 Th i gian l u n c th i gian l u ch t r n BK TPHCM Ví d 2.11: Xác đ nh th i gian l u n c tu i bùn c a h th ng XLNT bi t th tích b ph n ng V = 9000 m3 thông s sau: • L u l ng n c th i vào: Q = 3000 m3/ngày • N ng đ ch t n n đ u vào (BOD5): So = 350 mg/L • N ng đ ch t n n đ u (BOD5): S = 9,1 mg/L • T c đ t ng tr ng riêng c c i: àmax = 3,0 ngy-1 H s s n l ng Y = 0,6 mgVSS/mgBOD5 • H s hô h p n i bào: Kd = 0,06 ngày-1 21 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.3 Th i gian r a trôi t bào (Cell wash-out time) BK TPHCM Th i gian l u t bào b ph n ng ( c) ph i l n h n th i gian c n thi t đ t bào vi sinh v t t nhân đôi, n u khơng t bào s b r a trơi ngồi kh i h th ng tr c t nhân đôi i u d n đ n k t qu n ng đ sinh kh i b ph n d n h th ng s đ n s p đ hồn tồn Ta có t ng tr ng ròng c a vi sinh v t đ dX = ( μ − k d ) X (2.49) Hay: dt L y tích phân hai v ph ng gi m c xác đ nh b i: dX = ( μ − k d )dt (2.72) X ng trình t t =0 đ n t = t, ta có: X = ( μ − kd )t (2.73) ln Xo Trong đó: X = n ng đ vi sinh v t th i m t Xo = n ng đ vi sinh v t th i m t = 22 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn tồn 2.6.3 Th i gian r a trơi t bào (Cell wash-out time) BK TPHCM X ln = ( μ − kd )t (2.74) Xo ây giai đo n t ng tr ng theo quy lu t hàm m , n u v h tr c logarit t ng tr ng theo đ ng th ng Th i gian đ vi sinh v t nhân đôi t c th i gian c n thi t đ X = 2Xo, hay: ln = ( μ − kd )t (2.75) Do th i gian nhân đôi (duplication time) đ tdup 23 ln = μ − kd c tính theo: (2.76) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n xáo tr n hoàn toàn BK TPHCM ng 2.6.3 Th i gian r a trôi t bào (Cell wash-out time) Trên c s th i gian l u n c, th i gian l u bùn th i gian c n thi t nhân đôi, l u ý sau ph i đ c xem xét thi t k h th ng x lý: H th ng t ng tr ng l l ng khơng có dòng tu n hồn (t = c): tr ng h p th i gian l u n c c n l n h n th i gian c n thi t đ nhân đôi t bào i u ki n c n áp d ng cho h th i khí xáo tr n hồn tồn, t c kích th c h ph i th a mãn yêu c u H th ng t ng tr ng l h th ng l u l ng x tdup, th i gian l u tích b ph n ng nh nh không c n t ng t (hay V) 24 l ng có dòng tu n hồn ( c > t): bùn d ph i u ch nh cho trì c > n c v n có th trì m c nh nh t (th t) Tu n hoàn bùn cách làm t ng c mà c bi t h th ng lên men methane u ki n k khí h th ng oxy hóa ammonia u ki n k khí, th i gian l u ch t r n ph i đ m b o l n h n nhi u, b i t c đ t ng tr ng c a vi khu n lên men mêtan hóa vi khu n nitrate hóa r t ch m i u làm cho t bào vi sinh v t có nguy c cao trôi kh i b ph n ng TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.4 N ng đ ch t r n l l ng b ph n ng BK TPHCM N ng đ ch t r n l l ng b ph n ng có tu n hoàn ch t r n tr ng thái n đ nh: Y (So − S ) ⎛ θ c ⎞ X= ⎜ ⎟ + k dθ c ⎝ t ⎠ (2.77) Trong b ph n ng khơng có dòng tu n hồn ch t r n th c tr thành: Y (So − S ) X= + kdθ c 25 c = t, công (2.78) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.4 N ng đ ch t r n l l ng b ph n ng BK TPHCM Ví d 2.12: Xác đ nh n ng đ ch t r n b ph n ng v i u ki n sau đây: • H th ng h th i khí xáo tr n hồn tồn khơng dòng tu n hồn: t = c = ngày • H th ng bùn h at tính thơng th ng có dòng tu n hồn: t = 0,25 ngày c = ngày • Các thông s đ ng h c: Y = 0,6; kd = 0,07 ngày-1; So = 300 mg/L; S = 15 mg/L 26 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n xáo tr n hoàn toàn 2.6.5 N ng đ ch t n n đ u BK TPHCM ng Ta có tu i bùn tính theo cơng th c (2.71): θc = μ − kd Hay: Suy ra: 27 θc (2.71) ⇒ = μ max θc S − kd Ks + S = μ − kd (2.79) (2.80) K s [(1 / θ c ) + K d ] S= (2.81) μ max − [(1 / θ c ) + K d ] V m t toán h c, ta th y n ng đ BOD đ u S không ph thu c vào n ng đ BOD đ u vào So thơng s đ ng h c Ks, Kd, µmax h ng s nên S ch ph thu c vào c TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n xáo tr n hoàn toàn 2.6.5 N ng đ ch t n n đ u BK TPHCM ng K s [(1 / θ c ) + K d ] S= (2.81) μ max − [(1 / θ c ) + K d ] V m t lý thuy t, n ng đ c ch t nh nh t có th đ t đ c h th ng tu i bùn c ti n đ n vô c c Khi 1/ c ti n đ n zero, Thay vào (2.81) ta s có đ c n ng đ BOD đ u nh nh t có th Smin Smin khơng ph thu c vào s có m t c a dòng tu n hồn mà ch ph thu c vào h s đ ng h c Smin 28 Ks Kd = μ max − K d (2.82) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n xáo tr n hồn tồn BK TPHCM • • • • • ng 2.6.6 T i tr ng bùn hay t s F/M (Food-to-microorganism ratio) M t đ i l ng đ c s d ng r ng rãi thi t k v t hành nhà máy x lý n c th i t i tr ng bùn hay t s F/M F/M đ c tr ng cho l ng th c ph m hay ch t n n có s n tính m t đ n v kh i l ng vi sinh v t (sinh kh i) T i l ng th c n cung c p tính theo cơng th c: • F = Q.So (2.83) Kh i l ng sinh kh i tính theo cơng th c: M = V.Xv (2.84) Xv = N ng đ ch t r n l l ng bay h i (g/m3) Do đó, F/M tính theo công th c: F QS M = o VX v (2.85) F/M t i tr ng bùn tính b ng gBOD5 cung c p/gVSS.ngày • Ta có Q/V = 1/t = 1/ , th vào 9.51 ta có : F So 29 M = θX v (2.86) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n xáo tr n hoàn toàn BK TPHCM ng 2.6.6 T i tr ng bùn hay t s F/M (Food-to-microorganism ratio) Nói m t cách xác, t s F/M khơng ph n ánh tr c ti p hi u qu lo i b ch t h u c x y b ph n ng b i t s F/M ch ph n ánh t i tr ng có s n áp d ng cho b ph n ng Công th c bi u di n quan h gi a ch t n n có s n ch t n n lo i b t c đ s d ng ch t n n U, thay So b ng So – S cơng th c tính F/M ta có: Q(So − S ) (So − S ) = U= VX v θX v (2.87) ⇒ V = Q(So − S ) UX v (2.88) Trong : S = n ng đ BOD đ u (g/m3) U F/M liên h v i qua hi u qu x lý E nh sau: ( F / M )E U= 100 (2.89) Trong đó: E = (So –S)*100/So 30 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n xáo tr n hoàn toàn BK TPHCM ng 2.6.6 T i tr ng bùn hay t s F/M (Food-to-microorganism ratio) Ví d 2.13: Tính tốn giá tr F/M U nhà máy x tu n hoàn bùn v i s li u sau: lý n c th i có So = 300 gBOD5/m3 S = 15 gBOD5/m3 t = 0,25 ngày Xv = 2540 gVSS/m3 Ví d 2.14: Tính tốn th tích c a h th ng aeroten th i khí kéo dài, bi t thông s k thu t v n hành nh sau: U = 0,12 kgBOD5/kgVSS.ngày Q = 5000 m3/ngày So = 340 mg/L S = mg/L Xv = 3500 mg/L 31 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.7 T i tr ng h u c th tích (volumetric organic load) BK TPHCM T i tr ng h u c th tích l ng BOD ho c COD đ th tích b làm thống m i ngày Lorg QSo So = = V θ cs d ng (2.90) Trong Lorg = T i l ng h u c th tích, g BOD5/m3.ngày Q = L u l ng n c th i vào, m3/ngày So = N ng đ BOD5 vào, g/m3 V = Th tích b làm thoáng (aeration tank), m3 N u ch n đ c t i tr ng h u c th tích thi t k c a b ph n có th tính th tích b theo cơng th c sau: QSo V= Lorg 32 ng (2.91) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 2.6 Mơ hình hóa ch t n n sinh kh i b ph n ng xáo tr n hoàn toàn 2.6.7 T i tr ng h u c b m t (Surface organic load) BK TPHCM Các h sinh h c hi u khí, tùy ti n hay k khí đ c thi t k d a t i tr ng h u c b m t (surface loading rate - Ls) T i tr ng h u c b m t đ c tính nh sau: QSo Ls = (2.92) A Trong đó: Ls = t i tr ng h u c b m t (kgBOD/m2.ngày hay kgBOD/ha.ngày) So = N ng đ BOD5 vào, g/m3 Q= L ul ng n c th i vào, m3/ngày A = Di n tích h , m2 hay 33 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM