Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Thực trạng môi trường nước ở nước ta ngày càng bị ô nhiễm nặng do nước thải tại các khu dân cư cũng như các cơ sở sản xuất thải ra môi trường mà chưa qua xử lý. Chỉ tính riêng Thành phố Hà nội, lượng nước thải chưa qua xử lý đổ ra môi trường là hàng trăm ngàn m3 nước thải mỗi ngày. Để giải quyết vấn đề nước thải, tại Việt nam cũng như trên Thế giới, các nhà khoa học đ• và đang đưa ra nhiều giải pháp kỹ thuật đa dạng, đồng bộ cho xử lý nước thải. Các phương pháp phổ biến được áp dụng là: • Phương pháp Sinh - Hoá hoặc Hoá - Sinh kết hợp; • Phương pháp lọc sinh học - kết hợp hoá học; • Phương pháp Aeroten; Phương pháp bùn hoạt tính; Hồ sinh học hoặc kỵ khí v.v. • Phương pháp hoá - lý thông thường . Mỗi phương pháp xử lý đều có những ưu, nhược điểm nhất định: • Phương pháp AEROTEN - Hoá cũng như phương pháp UBSA - Hoá cho hiệu quả xử lý nước thải là tương đối nhưng lại cần một diện tích rất lớn, đầu tư ban đầu cao. Bên cạnh đó, việc ứng dụng các tiến bộ của Khoa học Kỹ thuật ở Việt nam chưa đồng bộ do thiếu thốn về kinh phí cũng như kinh nghiệm và nhất là đặc diểm khí hậu ôn đới ở Miền Bắc Việt nam ( đặc biệt về Mùa Đông ) đ• làm giảm đáng kể hiệu quả của các phương pháp xử lý này. • Phương pháp hoá lý là phương pháp đơn giản, giá thành đầu tư vừa phải nhưng lại chỉ áp được cho xử lý các loại nước thải chứa các chất thải vô hoặc hữu cơ dễ tách loại với chi phí hoá chất tương đối cao. • Phương pháp lọc sinh học - hoá học mà cơ sở là việc tạo màng lọc sinh học với giá thành đầu tư không cao, phương pháp sử dụng đơn giản, đặc biệt diện tích mặt bằng cần cho khu xử lý rất khiêm tốn hiện đang là phương pháp xử lý được quan tâm trên thế giới, nhất là cho xử lý nước thải tại các Thành phố lớn, các khu chật hẹp thiếu diện tích. Tuy nhiên, các quá trình sinh học luôn là quá trình phức tạp và cần các điều kiện thích hợp. Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước thải là xác định được các yếu cũng như điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật để hình thành màng lọc sinh học. Sự hình thành màng lọc sinh học là cơ sở khoa học quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải cũng như việc chọn mô hình thiết bị và trạm xử lý nước thải cho từng điều kiện thực tế.

Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Mục lục I - Mở đầu 4 II - Tổng quan về xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học 5 1 - Màng sinh học 5 2 - Các loại màng 6 3 - Cơ chế hoạt động của màng sinh học 6 Các quan hệ động học cơ bản 9 1 - Mô hình điều kiện ổn định 12 2 - Mô hình động học cho một thiết bị yếm khí 14 3 - 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 4 - Lý thuyết về màng lọc 24 Thuyết mô hình hoà tan và khuếch tán 24 Thuyết mô hình por 26 5 - Các yếu tố ảnh hởng đến hoạt động của quá trình sinh học: 28 Hiệu ứng vi sinh vật 28 Sự vận chuyển ôxy 29 ảnh hởng của các chất trong môi trờng 30 ảnh hởng của pH 31 6 - Cơ chế tách loại các chất bẩn trong nớc thải bằng vi sinh vật: 31 Sự thấm hút bề mặt 31 Cơ chế tẩy màu 32 Quá trình thối rữa 32 Cơ chế của việc tách loại chất hữu cơ trong quá trình ôxy hoá sinh học 32 7 - Mô hình tối u & tối u hoá hệ thống thiết bị dạng tháp sử dụng bùn hoạt tính: 35 III - Mô hình thí nghiệm & kết quả 38 1 - Đặc tính chung của nớc thải sản xuất bia 38 Đánh giá sơ bộ về nớc thải sản xuất bia 38 Các yếu tố chính ảnh hởng đến sinh trởng & phát triển của vi sinh vật 40 2 - Nghiên cứu lựa chọn vật liệu lọc làm chất mang 40 Vật liệu là lõi ngô 40 Vật liệu là mùn ca 40 Vật liệu là sỏi, đá dăm 41 Vật liệu là PE 41 Vật liệu là Xốp PolyStyrol 41 3 - Mô hình và qui trình thí nghiệm 42 4 - ảnh chụp sự hình thành & Phát triển của vi sinh vật trên lớp mang 45 1 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải 5 - Kết quả thí nghiệm 46 Thay đổi nồng độ các chất hữu cơ có trong nớc thải. 46 Thay đổi lu lợng khí cấp 49 Thay đổi pH của môi trờng 51 Thay đổi lu lợng nớc thải qua lớp lọc 53 6 - Mô hình thực nghiệm nghiên cứu sự tạo màng vi sinh vật trong xử lý nớc thải 55 Ma trận thí nghiệm 56 Ma trận kế hoạch thực nghiêm 57 Ma trận kế hoạch có tính đến hiệu ứng tác dụng kép 58 Kiểm tra tính tơng hợp của phơng trình 59 Chuyển phơng trình về biến thực 61 Kết luận 62 Tài liệu tham khảo 64 i. Mở đầu Thực trạng môi trờng nớc ở nớc ta ngày càng bị ô nhiễm nặng do nớc thải tại các khu dân c cũng nh các cơ sở sản xuất thải ra môi trờng mà cha qua xử lý. Chỉ tính riêng Thành phố Hà nội, lợng nớc thải cha qua xử lý đổ ra môi trờng là hàng trăm ngàn m 3 nớc thải mỗi ngày. Để giải quyết vấn đề nớc thải, tại Việt nam cũng nh trên Thế giới, các nhà khoa học đã và đang đa ra nhiều giải pháp kỹ thuật đa dạng, đồng bộ cho xử lý nớc thải. Các phơng pháp phổ biến đợc áp dụng là: Phơng pháp Sinh - Hoá hoặc Hoá - Sinh kết hợp; Phơng pháp lọc sinh học - kết hợp hoá học; Phơng pháp Aeroten; Phơng pháp bùn hoạt tính; Hồ sinh học hoặc kỵ khí v.v. Phơng pháp hoá - lý thông thờng . Mỗi phơng pháp xử lý đều có những u, nhợc điểm nhất định: Phơng pháp AEROTEN - Hoá cũng nh phơng pháp UBSA - Hoá cho hiệu quả xử lý nớc thải là tơng đối nhng lại cần một diện tích rất lớn, đầu t ban đầu cao. Bên cạnh đó, việc ứng dụng các tiến bộ của Khoa học Kỹ thuật ở Việt nam cha đồng bộ do thiếu thốn về kinh phí cũng nh kinh nghiệm và nhất là đặc diểm khí hậu ôn đới ở Miền Bắc 2 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Việt nam ( đặc biệt về Mùa Đông ) đã làm giảm đáng kể hiệu quả của các phơng pháp xử lý này. Phơng pháp hoá lý là phơng pháp đơn giản, giá thành đầu t vừa phải nhng lại chỉ áp đ- ợc cho xử lý các loại nớc thải chứa các chất thải vô hoặc hữu cơ dễ tách loại với chi phí hoá chất tơng đối cao. Phơng pháp lọc sinh học - hoá học mà cơ sở là việc tạo màng lọc sinh học với giá thành đầu t không cao, phơng pháp sử dụng đơn giản, đặc biệt diện tích mặt bằng cần cho khu xử lý rất khiêm tốn hiện đang là phơng pháp xử lý đợc quan tâm trên thế giới, nhất là cho xử lý nớc thải tại các Thành phố lớn, các khu chật hẹp thiếu diện tích. Tuy nhiên, các quá trình sinh học luôn là quá trình phức tạp và cần các điều kiện thích hợp. Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng vi sinh vật trong xử lý nớc thải là xác định đợc các yếu cũng nh điều kiện thích hợp cho sự sinh trởng, phát triển của vi sinh vật để hình thành màng lọc sinh học. Sự hình thành màng lọc sinh học là cơ sở khoa học quan trọng cho việc lựa chọn phơng pháp xử lý nớc thải cũng nh việc chọn mô hình thiết bị và trạm xử lý nớc thải cho từng điều kiện thực tế. ii. Tổng quan về xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học: Các quá trình sinh học cơ bản thờng sử dụng cho xử lý nớc thải là: Quá trình bùn hoạt tính; Lọc nhỏ giọt; Phân huỷ yếm khí; Hồ sinh học v.v Về cơ bản các quá trình đều liên quan tới các loại thiết bị sử dụng, sự tiếp xúc giữa vi sinh vật với pha lỏng, mức độ tạo hỗn hợp v.v. Theo quan điểm sinh học, đa số các quá trình có thể 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 bằng các tính chất của nớc thải; Theo điều kiện môi trờng thiết kế và vận hành v.v. Tuỳ theo mức độ phổ biến và hoàn thiện, các quá trình có thể đợc chia thành: Quá trình hiếu khí, yếm khí và quang hợp. Kiến thức về tế bào học là cần thiết cho việc tính toán lợng nớc thải, nhu cầu ôxy, lợng khí sinh ra cũng nh sự trao đổi chất giữa các loại vi sinh vật. Kiến thức về hoá nhiệt sử dụng cho tính toán nhiệt độ có thể đạt đợc của quá trình. Quan hệ động học cơ bản có thể đợc xác định. Nhiều phản ứng trong quá trình sinh học là tự động và thờng đợc đợc giả định bằng quan hệ giữa nồng độ nớc thải và sự sinh trởng của vi sinh vật. Việc xây dựng các quan hệ về tế bào học, nhiệt hoá và quan hệ động học th- ờng liên quan tới các yếu tố môi trờng nh: pH, ánh sáng, môi trờng ion hoá v.v. Các phản ứng sinh học có thể đợc phân thành: Phản ứng hiếu khí, yếm khí hoặc quang hoá tuỳ theo loại vi sinh vật hoạt động, tuỳ theo quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nớc thải. Các quá trình hoạt động của vi sinh vật thờng đợc phân thành: Quá trình hoạt động của vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. 3 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Quá trình hoạt động của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí. Quá trình quang hoá. Để đi sâu nghiên cứu động học quá trình tạo màng vi sinh vật trong xử lý nớc thải, trớc hết ta xét: 1. Màng lọc sinh học: Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn khi trong môi tr- ờng có các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và ôxy. Việc cố định đợc thực hiện nhờ vi sinh vật tiết ra một chất dạng keo có nguồn gốc từ exopolyme. Bên trong chất keo đó, vi sinh vật vẫn có những chuyển động nhất định. Việc xâm chiếm bề mặt này lúc đầu đợc thực hiện ở một số điểm và phát triển dần đến khi bao bọc toàn bộ bề mặt vật rắn. Từ đó trở đi, các tế bào mới sinh ra sẽ bao phủ lên các lớp ban đầu. Giữa các lớp tế bào có các lỗ xốp trống, vi sinh vật luôn chuyển động và hình thành lớp màng sinh học. 2. Các loại màng sinh học: Trong tự nhiên, tồn tại ba dạng màng sinh học chủ yếu là: Màng sinh học dạng hỗn tạp: Màng này gồm hai lớp: + Lớp đầu tiên là một lớp mỏng ( khoảng 5 àm ) hình thành do các vi sinh vật bám vào bề mặt vật rắn. + Lớp thứ hai là do các vi sinh vật dính kết với nhau nhờ hợp chất keo exopolyme do vi sinh vật tiết ra và bao quanh các vi sinh vật thuộc lớp thứ nhất ( lớp này thờng dày khoảng 100 àm ). Màng sinh học hình nấm: Màng này đợc tạo thành từ các quần thể vi sinh vật bó kết lại với nhau thành hình dạng giống nh cây nấm. Màng sinh học nhiều lớp: Màng này đợc hình thành từ nhiều lớp vi sinh vật chồng lên nhau. 3. Cơ chế hoạt động của màng sinh học: Các chất dinh dỡng có thể đồng hoá đợc cùng với ôxy trong nớc cần xử lý sẽ vận chuyển và khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh học cho đến chừng nào mà các đám tế bào ở vùng sâu nhất không tiếp xúc đợc với chất dinh dỡng và ôxy nữa. Sau một thời gian sẽ xuất hiện sự phân tầng vi sinh vật: Ngoài cùng là các lớp a khí: ở đây có sự khuếch tán ôxy - Vi sinh vật hiếu khí hoạt động. 4 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Lớp sau là lớp kỵ khí: ở đây không có sự khuếch tán ôxy - Vi sinh vật kỵ khí hoạt động. Sự hình thành và mức độ tồn tại các lớp này thay đổi theo loại chất phản ứng ( dinh d- ỡng ) và chất nền. Về cơ bản, các phản ứng sinh học chủ yếu trong xử lý nớc thải đợc thể hiện theo sơ đồ hình 1: C, O, H, N, P, S, Các vi sinh vật Khoáng chất, Vitamin . kết tủa vi sinh vật Vi sinh vật ADP ATP Hoá chất hoặc ánh sáng Phân huỷ vi sinh Nhng không mang nhiệt Hô hấp Chất nhận Hidro Vật liệu hữu cơ hốn hợp Sản phẩm thải ( O 2 , SO 4 -2 , NO 2 - , Nhiệt Chất không NO 3 - , CO 2 , v,v, ) phân huỷ CO 2 , H 2 O, NH 4 + , SO 4 -2 , NO 3 - , CO 2 , NO 2 - , PO 4 -3 , S H 2 , N 2 , H 2 S, O 2 , CH 4 , acid hữu cơ, ancol, amin v.v. Hình 1: Các phản ứng sinh học chủ yếu trong xử lý nớc thải Với sơ đồ trên, các chất có trong nớc thải nh: Carbon, Oxy, Hidro, Nitơ và Photphor cũng nh các chất vô, hữu cơ khác, ban đầu sẽ đợc vận chuyển đến lớp lọc ở dạng hoà tan. Tỷ lệ hoà tan hoặc việc chuyển khối trong lớp lọc có thể làm hạn chế mức độ của các phản ứng trên. Các chất nhận Hidro có thể là các vi sinh vật hiếu khí sử dụng ôxy cho mục đích này, còn các vi sinh vật yếm khí sẽ sử dụng các nguồn Sulphat, Nitrat, Carbon diocid hoặc các hợp chất hữu cơ. Năng lợng chỉ đợc cung cấp ở dạng năng lợng có trong các hợp chất hoá học 5 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải hoặc nhờ gradient nhiệt do ánh sáng. Phần năng lợng này đợc sử dụng cho phản ứng tổng hợp để sinh khối, phần còn lại tiêu tán do phát nhiệt. Hiệu ứng nhiệt trong thiết bị thờng có thể bỏ qua khi nồng độ chất hữu cơ trong nớc thải là nhỏ. Các dạng sản phẩm thải cũng khác nhau tuỳ theo loại vi sinh và điều kiện môi trờng. Trong đó chủ yếu là các loại khí nh: Carbondiocid, Nitơ, Oxy hoặc Methane và một số khí khác nh: HidroSulphua, Amoniắc, Mercaptan v.v. Một yêu cầu đặc biệt cho nhiều quá trình sinh học sử dụng trong xử lý nớc thải là việc tạo ra các vi sinh vật trôi nổi có thể dễ dàng tách loại ra khỏi nớc bằng các quá trình hoá học nh lắng, lọc v.v. Theo quan điểm kiểm soát môi trờng thì các vi sinh vật sinh ra cũng có thể đợc xem nh là một sản phẩm thải, chúng có thể làm tăng ô nhiễm nguồn nớc. Một điều quan trọng đối với các vi sinh vật sử dụng cho xử lý nớc thải là chúng phải dễ dàng phân lập đợc khỏi pha lỏng hoặc phân huỷ đợc bằng quá trình tự ôxy hoá. Tại ranh giới pha lỏng, các phản ứng sinh học cũng có thể đợc coi là các phản ứng hoá học. Cũng theo các nhà nghiên cứu thì: Các phản ứng sinh học chịu ảnh hởng mạnh của các loại vi sinh vật có trong môi trờng xẩy ra phản ứng. Các quá trình hiếu khí, kỵ khí và quang tổng hợp có thể biểu thị nh sau: Hiếu khí: Vi sinh vật hiếu khí Chất hữu cơ + O 2 Vi sinh vật hiếu khí + CO 2 + H 2 O Làm xúc tác Yếm khí: Vi sinh vật yếm khí Chất hữu cơ + O 2 Vi sinh vật yếm khí + CO 2 + H 2 O + CH 4 Làm xúc tác Quang tổng hợp: Vi sinh vật quang tổng hợp H 2 O + CO 2 Vi sinh vật quang tổng hợp + O 2 Làm xúc tác Có thể xẩy ra cả ba loại phản ứng trên trong cùng một thiết bị, chẳng hạn trong hồ thì phản ứng quang tổng hợp, hiếu khí và yếm khí cùng xẩy ra tơng ứng trên mặt hồ, giữa hồ và dới đáy. Nhợc điểm của phản ứng quang tổng hợp so với các phản ứng khác là Carbon vô cơ có thể chuyển thành Carbon hữu cơ - nguồn ô nhiễm Một ví dụ cho quá trình hiếu khí là chất hữu cơ ( gluco chẳng hạn ) đợc chuyển hoá nh sau: Quá trình hô hấp ( hấp thụ Ô 2 ): 6 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Tổng hợp: 5C 6 H 12 O 6 + 6NH 4 + 6 C 5 H 7 NO 2 + 18H 2 O + 6H + Giả sử rằng có tỷ lệ 0,5 mol vi sinh vật/ 01 mol Gluco thì: C 6 H 12 O 6 + 0,5NH 4 + + 3,5O 2 0,5 C 5 H 7 NO 2 + 3,5CO 2 + 5H 2 O + 0,5H + ( C 5 H 7 NO 2 - Ký hiệu thành phần vi sinh vật ). Một phơng trình tự ôxy hoá của vi sinh vật phổ biến trong nhiều quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nớc thải là quá trình phân rã vi sinh vật:: 5C 5 H 7 NO 2 + 5O 2 + H + NH 4 + + 5CO 2 + 2 H 2 O. Về mặt toán học, quan hệ về lợng giữa chất hữu cơ bị phân huỷ và lợng vi sinh vật sinh ra thờng theo phơng trình: dX/dt = -YdS/dt Trong đó: X - Nồng độ vi sinh vật. S - Nồng độ chất. T - Thời gian. Y - Hệ số, Y là hàm của lợng vi sinh vật, loại chất cần phân huỷ và điều kiện môi trờng. Thờng với quá trình xử lý nớc thải bằng sinh học thì lấy Y là hằng số. Các yếu tố làm tăng Y thờng là các chất họ glucogen và polyhidroxibutyrat, các chất cung cấp năng lợng cho duy trì và chuyển đổi các vi sinh vật. Các quan hệ động học cơ bản: Giản đồ sinh trởng của vi sinh vật đợc thiết lập trong điều kiện nhiệt độ, pH v.v. là hằng số nh sau: Mật độ vi sinh vật I II III IV Hệ số Hệ số Phân rã nhỏ Hệ số sinh trởng Sinh T. giảm ổn định 7 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải 0 Thời gian Hình 2: Giản đồ sinh trởng của vi sinh vật Giai đoạn 1- Giai đoạn tiềm tàng: Trong giai đoạn này, tế bào tổng hợp các enzym cần thiết cho sự chuyển hoá chất nền. Giai đoạn này là rất quan trọng đối với việc xử lý các loại nớc mà không đợc cấy vi sinh vật trớc. Trong giai đoạn này không có sự tái tạo tế bào. X = X 0 = C X 0 - Mật độ tế bào ở thời điểm t = 0; C - Hằng số. Nh vậy, tốc độ sinh trởng tế bào dX/dt = 0. Giai đoạn 2 - Giai đoạn hệ số sinh trởng ổn định: Giai đoạn này đạt đợc khi tỷ lệ tái tạo tế bào ở mức cao nhất và giữ không đổi với nồng độ không hạn chế của chất nền. Trong giai đoạn này, tốc độ sinh trởng dX/dt tăng tỷ lệ với X và (1/X)dX/dt = à max Giai đoạn 3 - Giai đoạn hệ số sinh trởng giảm: Giai đoạn này ứng với sự cạn kiệt dần của môi trờng nuôi cấy với sự biến mất của một hoặc nhiều phần tử cần thiết cho sự sinh trởng của vi sinh vật. Giai đoạn 4 - Giai đoạn phân rã: Mật độ các tế bào giảm xuống vì tỷ lệ các tế bào chết tăng lên. Tổng quát, quá trình đợc biểu thị bằng phơng trình: dX/dt = àX Trong đó: à - Hệ số phát triển đặc trng. Theo Michaelis - Menton thì à = à max ( S/( K S + S )) à max - Hệ số phát triển đặc trng lớn nhất. K S = a - hằng số bão hoà, khi nồng độ Nitơ là giới hạn thì K S = à max /2. Quan hệ giữa nồng độ Nitơ ngng tụ và hệ số phát triển đợc biểu diễn qua đồ thị: 8 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Hệ số phát triển đặc trng, à à max /2 Nồng độ Nitơ ngng tụ Hình 3: Đồ thị quan hệ giữa nồng độ Nitơ giới hạn và hệ số phát triển đặc trng à Các nghiên cứu chỉ rõ, quan hệ này liên quan chặt chẽ với quá trình hấp phụ, vận chuyển và phân huỷ enzym của tất cả các thiết bị phản ứng. Khi sử dụng mô hình Monod ( mô hình cổ điển nhất nhng cũng là mô hình quen thuộc nhất; Mô hình kinh nghiệm rất gần với định luật Michaelis - Menten ) để nghiên cứu quá trình xử lý sinh học thì điều quan tâm lại là hàm lợng S cũng nh tỷ lệ Nitơ tối thiểu trong nớc. Khi xác định hàm lợng các chất có chứa Carbon ( nguồn năng lợng cho sự sinh trởng và phát triển của vi sinh vật ) cũng nh việc xác định COD, BOD thờng phải quan tâm đến l- ợng Nitơ nhỏ nhất có trong quá trình sinh học hiếu khí. Khả năng xử lý nớc thải của vi sinh vật đợc thể hiện thông qua việc tách loại BOD của n- ớc cũng nh việc thay đổi tỷ lệ vi sinh vật có trong nớc thải., Việc kiểm tra độ tăng tỷ lệ vi sinh vật có thể thực hiện đợc thông qua nhiều chất nh Amôni, Phosphat, Sulphat, Fe, ánh sáng, CO 2 , v.v. Việc kiểm tra bằng Amônni hoặc Phosphat thờng đợc sử dụng trong xử lý nớc thải công nghiệp có chứa nhiều các chất dạng này. Sự phát triển của tảo trong quá trình sinh tổng hợp cũng có thể đợc kiểm tra bằng ánh sáng hoặc CO 2 . Việc kiểm tra quá trình cũng có thể thực hiện đợc bằng việc tính toán các quá trình chuyển khối trong thiết bị cũng nh bằng phản ứng hoá học của các chất có nồng độ rất nhỏ bên trong thiết bị. Atkison và Daoud ( B, Atkison and I. S. Daoud, Trans. Inst. Chem. Engrs - England ), Baillod và Boyle ( C. R. Baillod and W. C. Boyle, J. Sanit. Eng. Div., Proc. Amer. Soc. Civil Engrs ) đã giải thích và diễn tả quá trình sinh học xử lý nớc thải bằng các phơng trình chuyển khối. Còn theo Kornegay và Andrews ( B. H. Kornegay and J. F. Andrews, Characteristics and kinetics of biological fixed film reactor, Environ. Syst. Eng. Dept., 9 Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nớc thải Clemon University, Clemon, S. C. 1970 ) thì có thể sử dụng K s là một đại lợng thay đổi. Một điều quan trọng của quá trình chuyển khối trong các quá trình sinh học xử lý nớc thải là giá trị K s thờng lớn hơn. Trong nhiều quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nớc thải, các vi sinh vật thờng đợc lu lại lâu dài tại vùng mà ở đó các phản ứng tự ôxy hoá và phân rã là chủ yếu. Khi đó, yếu tố đặc trng lại là hệ số phân huỷ vi sinh vật và phơng trình dX/dt = àX có thể đợc viết nh sau: dX/dt = ( à - K d )X K d - Hệ số phân huỷ vi sinh vật. Các loại mô hình sử dụng cho xử lý nớc thải bằng sinh học thờng là: 1. Mô hình điều kiện ổn định Mô hình toán học điều kiện ổn định trong các loại thiết bị sinh học khác nhau có thể đợc phát triển thông qua các cân bằng vật chất trong thiết bị và sử dụng các quan hệ đã thiết lập trên. Cân bằng vật liệu cho các vi sinh, cân bằng vật chất, sản phẩm hoặc các cấu tử khác của hệ. Các dạng cơ bản của cân bằng vật liệu là: Mật độ dòng vật liệu vào thiết bị + Mật độ bề mặt hoặc sự phân rã của vật liệu vào thiết bị = Mật độ dòng vật liệu ra khỏi thiết bị+ Mật độ tổng vật liệu trong thiết bị. Mỗi một thuật ngữ có thể bao gồm nhiều cấu tử. Sơ đồ tổng quát của quá trình nh sau: F, X 0 , S 0 V F, X 1 , S 1 X 1 , S 1 Hình 4: Mô hình dòng liên tục, thiết bị tạo hỗn hợp Trong đó: V - Thể tích thiết bị; lít. F - Mật độ dòng; lít/m 2 .phút. X 0 - Nồng độ vi sinh vật trong dòng vào; mg/l. X 1 - Nồng độ vi sinh vật trong dòng ra; mg/l. S 0 - Nồng độ chất trong dòng vào; mg/l. X 0 - Nồng độ chất trong dòng ra; mg/l. 10