Xu ly nuoc thai bang phuong phap loc sinh hoc hoa 183220

Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Mục lục I - Mở đầu II - Tổng quan xử lý nớc thải phơng pháp sinh häc - Mµng sinh häc - Các loại màng - Cơ chế hoạt động màng sinh học Các quan hệ động học - Mô hình điều kiện ổn định 12 - Mô hình động học cho thiết bị yếm khí 14 - Mô hình thiết bị dạng cột bọt 18 Sự hình thành bọt khí 18 Sự hình thành bọt qua hệ thống lỗ 19 Quá trình truyền nhiệt 21 Quá trình chuyển khối 23 - Lý thuyết màng lọc 24 Thuyết mô hình hoà tan khuếch tán 24 Thuyết mô hình por 26 - Các yếu tố ảnh hởng đến hoạt động trình sinh 28 häc:  HiÖu øng vi sinh vËt 28  Sự vận chuyển ôxy 29 ảnh hởng chất môi trờng 30 ảnh hởng pH 31 - Cơ chế tách loại chất bẩn níc th¶i b»ng vi sinh 31 vËt:  Sù thấm hút bề mặt 31 Cơ chế tẩy màu 32 Quá trình thối rữa 32 Cơ chế việc tách loại chất hữu trình 32 Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải ôxy hoá sinh học - Mô hình tối u & tối u hoá hệ thống thiết bị dạng tháp sử 35 dụng bùn hoạt tính: III - Mô hình thí nghiệm & kết 38 1- Đặc tÝnh chung cđa níc th¶i s¶n xt bia 38  Đánh giá sơ nớc thải sản xuất bia 38 Các yếu tố ảnh hởng đến sinh trëng & ph¸t triĨn 40 cđa vi sinh vËt 2- Nghiên cứu lựa chọn vật liệu lọc làm chất mang 40 Vật liệu lõi ngô 40 Vật liƯu lµ mïn ca 40  VËt liƯu lµ sái, đá dăm 41 Vật liệu PE 41 Vật liệu Xốp PolyStyrol 41 3- Mô hình qui trình thí nghiệm 42 4- ảnh chụp hình thành & Phát triển vi sinh vật lớp 45 mang 5- 6- KÕt qu¶ thÝ nghiƯm 46  Thay đổi nồng độ chất hữu có nớc thải 46 Thay đổi lu lợng khí cấp 49 Thay đổi pH môi trờng 51 Thay đổi lu lợng nớc thải qua lớp lọc 53 Mô hình thực nghiệm nghiên cứu tạo màng vi sinh vËt 55 xư lý níc th¶i  Ma trËn thÝ nghiƯm 56  Ma trËn kÕ ho¹ch thùc nghiêm 57 Ma trận kế hoạch có tính đến hiƯu øng t¸c dơng kÐp 58  KiĨm tra tÝnh tơng hợp phơng trình 59 Chuyển phơng trình biến thực 61 Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Kết luận 62 Tài liệu tham khảo 64 i Mở đầu Thực trạng môi trờng nớc nớc ta ngày bị ô nhiễm nặng nớc thải khu dân c nh sở sản xuất thải môi trờng mà cha qua xử lý Chỉ tính riêng Thành phố Hà nội, lợng nớc thải cha qua xử lý đổ môi trờng hàng trăm ngàn m3 nớc thải ngày Để giải vấn đề nớc thải, Việt nam nh Thế giới, nhà khoa học đà đa nhiều giải pháp kỹ thuật đa dạng, đồng cho xử lý nớc thải Các phơng pháp phổ biến đợc áp dụng là: Phơng pháp Sinh - Hoá Hoá - Sinh kết hợp; Phơng pháp lọc sinh học - kết hợp hoá học; Phơng pháp Aeroten; Phơng pháp bùn hoạt tính; Hồ sinh học kỵ khí v.v Phơng pháp hoá - lý thông thờng Mỗi phơng pháp xử lý có u, nhợc điểm định: Phơng pháp AEROTEN - Hoá nh phơng pháp UBSA - Hoá cho hiệu xử lý nớc thải tơng đối nhng lại cần diện tích lớn, đầu t ban đầu cao Bên cạnh đó, việc ứng dơng c¸c tiÕn bé cđa Khoa häc Kü tht ë ViƯt nam cha ®ång bé thiÕu thèn vỊ kinh phí nh kinh nghiệm đặc diểm khí hậu ôn đới Miền Bắc Việt nam ( đặc biệt Mùa Đông ) đà làm giảm đáng kể hiệu phơng pháp xử lý Phơng pháp hoá lý phơng pháp đơn giản, giá thành đầu t vừa phải nhng lại áp đợc cho xử lý loại nớc thải chứa chất thải vô hữu dễ tách loại với chi phí hoá chất tơng đối cao Phơng pháp lọc sinh học - hoá học mà sở việc tạo màng lọc sinh học với giá thành đầu t không cao, phơng pháp sử dụng đơn giản, đặc biệt diện tích mặt cần cho khu xử lý khiêm tốn Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải phơng pháp xử lý đợc quan tâm giới, cho xử lý nớc thải Thành phố lớn, khu chật hẹp thiếu diện tích Tuy nhiên, trình sinh học trình phức tạp cần điều kiện thích hợp Nghiên cứu động học trình tạo màng vi sinh vật xử lý nớc thải xác định đợc yếu nh điều kiện thích hợp cho sinh trởng, phát triển vi sinh vật để hình thành màng lọc sinh học Sự hình thành màng lọc sinh học c¬ së khoa häc quan träng cho viƯc lùa chän phơng pháp xử lý nớc thải nh việc chọn mô hình thiết bị trạm xử lý nớc thải cho tõng ®iỊu kiƯn thùc tÕ ii Tỉng quan vỊ xử lý nớc thải phơng pháp sinh học: Các trình sinh học thờng sử dụng cho xử lý nớc thải là: Quá trình bùn hoạt tính; Läc nhá giät; Ph©n hủ m khÝ; Hå sinh häc v.v Về trình liên quan tới loại thiết bị sử dụng, tiếp xúc vi sinh vật với pha lỏng, mức độ tạo hỗn hợp v.v Theo quan điểm sinh học, đa số trình đợc phân chia theo nhiều cách, chẳng hạn: Theo dòng hồi lu; Theo mức độ làm giàu vi sinh vật có đặc tính xác định tính chất nớc thải; Theo điều kiện môi trờng thiết kế vận hành v.v Tuỳ theo mức độ phổ biến hoàn thiện, trình đợc chia thành: Quá trình hiếu khí, yếm khí quang hợp Kiến thức tế bào học cần thiết cho việc tính toán lợng nớc thải, nhu cầu ôxy, lợng khí sinh nh trao đổi chất loại vi sinh vật Kiến thøc vỊ ho¸ nhiƯt sư dơng cho tÝnh to¸n nhiƯt độ đạt đợc trình Quan hệ động học đợc xác định Nhiều phản ứng trình sinh học tự động thờng đợc đợc giả định quan hệ nồng độ nớc thải sinh trởng vi sinh vật Việc xây dựng quan hệ tế bào học, nhiệt hoá quan hệ động học thờng liên quan tới yếu tố môi trờng nh: pH, ánh sáng, môi trờng ion hoá v.v Các phản ứng sinh học đợc phân thành: Phản ứng hiếu khí, yếm khí quang hoá tuỳ theo loại vi sinh vật hoạt động, tuỳ theo trình sinh học sử dụng cho xử lý nớc thải Các trình hoạt động vi sinh vật thờng đợc phân thành: Quá trình hoạt động vi sinh vật ®iỊu kiƯn m khÝ Nghiªn cøu ®éng häc cđa trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Quá trình hoạt động cđa vi sinh vËt ®iỊu kiƯn hiÕu khÝ  Quá trình quang hoá Để sâu nghiên cứu động học trình tạo màng vi sinh vật xử lý nớc thải, trớc hết ta xét: Màng lọc sinh học: Phần lớn vi sinh vật có khả xâm chiếm bề mặt vật rắn môi trờng có hợp chất hữu cơ, muối khoáng ôxy Việc cố định đợc thực nhờ vi sinh vËt tiÕt mét chÊt d¹ng keo cã nguồn gốc từ exopolyme Bên chất keo đó, vi sinh vật có chuyển động định Việc xâm chiếm bề mặt lúc đầu đợc thực số điểm phát triển dần đến bao bọc toàn bề mặt vật rắn Từ trở đi, tế bào sinh bao phủ lên lớp ban đầu Giữa lớp tế bào có lỗ xốp trống, vi sinh vật chuyển động hình thành lớp màng sinh học Các loại màng sinh học: Trong tự nhiên, tồn ba dạng màng sinh học chủ yếu là: Màng sinh học dạng hỗn tạp: Màng gồm hai lớp: + Lớp lớp mỏng ( khoảng m ) hình thành vi sinh vật bám vào bề mặt vật rắn + Lớp thứ hai vi sinh vật dính kết với nhê hỵp chÊt keo exopolyme vi sinh vËt tiÕt bao quanh vi sinh vật thuộc lớp thứ ( lớp thờng dày khoảng 100 m ) Màng sinh học hình nấm: Màng đợc tạo thành từ quần thể vi sinh vật bó kết lại với thành hình dạng giống nh nấm Màng sinh học nhiều lớp: Màng đợc hình thành từ nhiều lớp vi sinh vật chồng lên Cơ chế hoạt động màng sinh học: Các chất dinh dỡng đồng hoá đợc với ôxy nớc cần xử lý vận chuyển khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh học chừng mà đám tế bào vùng sâu không tiếp xúc Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải đợc với chất dinh dỡng ôxy Sau thời gian xuất phân tầng vi sinh vật: Ngoài lớp a khí: có khuếch tán ôxy - Vi sinh vật hiếu khí hoạt động Lớp sau lớp kỵ khí: khuếch tán ôxy - Vi sinh vật kỵ khí hoạt động Sự hình thành mức độ tồn lớp thay đổi theo loại chất phản ứng ( dinh dỡng ) chất Về bản, phản ứng sinh học chủ yếu xử lý nớc thải đợc thể theo sơ ®å h×nh 1: C, O, H, N, P, S, sinh vËt Kho¸ng chÊt, Vitamin kÕt tđa vi sinh vËt Hoá chất Phân huỷ vi sinh Nhng không mang nhiƯt ChÊt nhËn Hidro phÈm th¶i ( O2, SO4-2, NO2-, Chất không phân huỷ NO3-, Các vi Vi sinh vật ADP Vật liệu hữu hốn hợp ATP ánh Hô hấp sáng Sản Nhiệt CO2, v,v, ) Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải NH4 , SO4 , + -2 NO2 , PO4 , S - -3 O2, CH4, c¬, ancol, amin v.v CO 2, H2O, NO 3-, CO2, H 2, N2, H2S, acid hữu Hình 1: Các phản ứng sinh học chủ yếu xử lý nớc thải Với sơ đồ trên, chất có nớc thải nh: Carbon, Oxy, Hidro, Nitơ Photphor nh chất vô, hữu khác, ban đầu đợc vận chuyển đến lớp lọc dạng hoà tan Tỷ lệ hoà tan việc chuyển khối lớp lọc làm hạn chế mức độ phản ứng Các chất nhận Hidro vi sinh vật hiếu khí sử dụng ôxy cho mục đích này, vi sinh vËt m khÝ sÏ sư dơng c¸c ngn Sulphat, Nitrat, Carbon diocid hợp chất hữu Năng lợng đợc cung cấp dạng lợng có hợp chất hoá học nhờ gradient nhiệt ánh sáng Phần lợng đợc sử dụng cho phản ứng tổng hợp để sinh khối, phần lại tiêu tán phát nhiệt Hiệu ứng nhiệt thiết bị thờng bỏ qua nồng độ chất hữu nớc thải nhỏ Các dạng sản phẩm thải khác tuỳ theo loại vi sinh điều kiện môi trờng Trong chủ yếu loại khí nh: Carbondiocid, Nitơ, Oxy Methane số khí khác nh: HidroSulphua, Amoniắc, Mercaptan v.v Một yêu cầu đặc biệt cho nhiều trình sinh học sử dụng xử lý nớc thải việc tạo vi sinh vật trôi dễ dàng tách loại khỏi nớc trình hoá học nh lắng, lọc v.v Theo quan điểm kiểm soát môi trờng vi sinh vật sinh đợc xem nh sản phẩm thải, chúng làm tăng ô nhiễm nguồn nớc Một điều quan trọng vi sinh vật sử dụng cho xử lý nớc thải chúng phải dễ dàng phân lập đợc khỏi pha lỏng phân huỷ đợc trình tự ôxy hoá Tại ranh giới pha lỏng, phản ứng sinh học đợc coi phản ứng hoá học Cũng theo nhà nghiên cứu thì: Các phản ứng sinh học chịu ảnh hởng mạnh loại vi sinh vật có môi trờng xẩy phản ứng Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Các trình hiếu khí, kỵ khí quang tổng hợp biểu thị nh sau: Hiếu khí: Chất hữu + O2 H2O Yếm khí: Chất hữu + O2 H2O + CH4 Vi sinh vật hiÕu khÝ Vi sinh vËt hiÕu khÝ + CO + Làm xúc tác Vi sinh vật yếm khí Vi sinh vËt m khÝ + CO + Lµm xóc tác Quang tổng hợp: Vi sinh vật quang tổng hợp H2O + CO2 Vi sinh vËt quang tỉng hỵp + O2 Làm xúc tác Có thể xẩy ba loại phản ứng thiết bị, chẳng hạn hồ phản ứng quang tổng hợp, hiếu khí yếm khí xẩy tơng ứng mặt hồ, hồ dới đáy Nhợc điểm phản ứng quang tổng hợp so với phản ứng khác Carbon vô chuyển thành Carbon hữu - nguồn ô nhiễm Một ví dụ cho trình hiếu khí chất hữu ( gluco chẳng hạn ) đợc chuyển hoá nh sau: Quá trình hô hấp ( hấp thụ Ô2 ): C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Tỉng hỵp: 5C6H12O6 + 6NH4+ C5H7NO2 + 18H2O + 6H+ Gi¶ sư r»ng cã tû lƯ 0,5 mol vi sinh vËt/ 01 mol Gluco th×: C6H12O6 + 0,5NH4+ + 3,5O2 0,5 C5H7NO2 + 3,5CO2 + 5H2O + 0,5H ( C5H7NO2 - Ký hiệu thành phần vi sinh vật ) + Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Một phơng trình tự ôxy ho¸ cđa vi sinh vËt phỉ biÕn nhiỊu qu¸ trình sinh học sử dụng cho xử lý nớc thải trình phân rà vi sinh vật:: 5C5H7NO2 + 5O2 + H+ NH4+ + 5CO2 + H2O VÒ mặt toán học, quan hệ lợng chất hữu bị phân huỷ lợng vi sinh vật sinh thờng theo phơng trình: dX/dt = -YdS/dt Trong đó: X - Nång ®é vi sinh vËt S - Nång ®é chÊt T - Thêi gian Y - HÖ sè, Y hàm lợng vi sinh vật, loại chất cần phân huỷ điều kiện môi trờng Thờng với trình xử lý nớc thải sinh học lấy Y số Các yếu tố làm tăng Y thờng chất họ glucogen polyhidroxibutyrat, chất cung cấp lợng cho trì chuyển ®ỉi c¸c vi sinh vËt C¸c quan hƯ ®éng häc bản: Giản đồ sinh trởng vi sinh vật ®ỵc thiÕt lËp ®iỊu kiƯn nhiƯt ®é, pH v.v số nh sau: Mật độ vi sinh vật I HÖ sè nhá II HÖ sè Sinh T ổn định III Hệ số sinh trởng giảm IV Phân rà Thời gian Hình 2: Giản đồ sinh trởng vi sinh vật Nghiên cứu động học trình tạo màng lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Giai đoạn 1- Giai đoạn tiềm tàng: Trong giai đoạn này, tế bào tổng hợp enzym cần thiết cho chuyển hoá chất Giai đoạn quan trọng việc xử lý loại nớc mà không đợc cấy vi sinh vật trớc Trong giai đoạn tái tạo tế bào X = X0 = C X0 - Mật độ tế bào thời điểm t = 0; C - H»ng sè Nh vËy, tèc ®é sinh trởng tế bào dX/dt = Giai đoạn - Giai đoạn hệ số sinh trởng ổn định: Giai đoạn đạt đợc tỷ lệ tái tạo tế bào mức cao giữ không đổi với nồng độ không hạn chế chất Trong giai đoạn này, tốc độ sinh trởng dX/dt tăng tỷ lệ với X (1/X)dX/dt = max Giai đoạn - Giai đoạn hệ số sinh trởng giảm: Giai đoạn ứng với cạn kiệt dần môi trờng nuôi cấy với biến nhiều phÇn tư cÇn thiÕt cho sù sinh trëng cđa vi sinh vật Giai đoạn - Giai đoạn phân rÃ: Mật độ tế bào giảm xuống tỷ lệ tế bào chết tăng lên Tổng quát, trình đợc biểu thị phơng trình: dX/dt = X Trong đó: - Hệ số phát triển đặc trng Theo Michaelis - Menton th×  = max ( S/( KS + S )) max - HƯ sè ph¸t triĨn ®Ỉc trng lín nhÊt KS = a - h»ng sè bÃo hoà, nồng độ Nitơ giới hạn K S = max/2 Quan hệ nồng độ Nitơ ngng tụ hệ số phát triển đợc biểu diễn qua đồ thị: Hệ số phát triển đặc trng,