BioWin là phần mềm đƣợc ứng dụng để lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp của quy trình sinh học ứng dụng trong xử lý nƣớc rỉ rác đƣợc sử dụng trong luận văn này, trong phần mềm BioWin sử dụng mô hình ASM 2d.
So với mô hình ASM1 thì ASM2 đƣợc mở rộng đáng kể và phức tạp hơn do bao gồm cả quá trình xử lý photpho. Sự thay đổi đáng kể là vi sinh vật PAO có cấu trúc nội tại liên quan đến sự tích lũy chất hữu cơ và photpho, ngoài tỷ lệ của chủng vi sinh PAO trong tổng sinh khối. Đó là yếu tố tiên quyết trong mô hình xử lý photpho.
Mô hình ASM 2d là sự mở rộng của ASM2, hai quá trình đƣợc đƣa thêm vào để mô tả hiện tƣợng: Vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể sử dụng chất hữu cơ tích lũy để khử nitrat. Trong khi mô hình ASM2 giả thiết là vi sinh vật PAO chỉ phát triển trong điều kiện hiếu khí thì trong mô hình ASM2d, loại vi sinh vật trên tồn tại cả trong môi trƣờng thiếu khí (khử nitrat).
a) Các quá trình động học của ASM2d
ASM2d bao gồm 21 quá trình bao gồm quá trình sinh hóa và kết tủa photpho hóa học đƣợc thể hiện nhƣ sau [24]:
* Quá trình thủy phân: Thực nghiệm chứng minh rằng quá trình thủy phân phụ thuộc vào chất nhận electro sẵn có, dẫn đến sự khác nhau của 3 quá trình thủy phân trong ASM2d dƣới các điều kiện khác nhau.
1. Thủy phân hiếu khí các chất khó phân hủy sinh học dƣới điều kiện hiếu khí (SO2 > 0).
2. Thủy phân thiếu khí các cơ chất chậm phân hủy sinh học dƣới điều kiện thiếu khí (SO2 ≈ 0, SO3 > 0). Quá trình này thƣờng chậm hơn so với thủy phân hiếu khí
3) Thủy phân yếm khí các chất chậm phân hủy sinh học dƣới điều kiện yếm khí (SO2 = 0, SO3 = 0). Đây cũng là quá trình đặc trƣng và có sẻ chậm hơn so với thủy phân hiếu khí. Vận tốc thủy phân ở điều kiện này vẫn còn nghiên cứu tiếp.
* Quá trình tùy tiện vi sinh vật dị dưỡng:
4 và 5. Sự tăng trƣởng hiếu khí của VSV dị dƣỡng trên cơ sở lên men cơ chất SF và sản phẩm lên men SA. Quá trình này đƣợc mô phỏng nhƣ hai quá trình song song đƣợc coi là đốt cháy hai chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học SF và SA.
6 và 7. Phát triển khí của vi sinh vật dị dƣỡng trên cơ chất SF và trên sản phẩm lên men SA; khử Nitrat. Hai quá trình này tƣơng đồng nhƣ quá trình phát triển hiếu khí nhƣng chúng yêu cầu SNO3 là chất nhận electron chứ không phải oxy.
8. Lên men: Dƣới điều kiện yếm khí… giả thiết rằng các VSV dị dƣỡng có khả năng lên men, khi đó các chất dễ phân hủy sinh học SF chuyển thành SA.
9. Phân giải các VSV dị dƣỡng. Quá trình này biểu diễn tổng các quá trình suy giảm và tổn thất của VSV dị dƣỡng: hô hấp nội bào, phân giải… vận tốc quá trình này không phụ thuộc vào điều kiện môi trƣờng.
* Quá trình tích lũy photpho hữu cơ:
10. Tích lũy XPAH: Giả thiết rằng XPAO giải phóng photphat, SPO4 từ poly- photphat, XPP và sử dụng năng lƣợng sẵn có từ thủy phân XPP để tích lũy ngoại bào sản phẩm lên men SA trong hình thức nguyên liệu nội bào APHA. Quá trình này chủ yếu đƣợc thấy ở điều kiện yếm khí.
11 và 12. Tích lũy hiếu khí của poly-photphat. Tích lũy ortho-photphat SPO4 dƣới dạng nội bào, yêu cầu PAO để có đƣợc năng lƣợng điều này trái ngƣợc với việc hô hấp hiếu khí hoặc thiếu khí của XPHA.
13 và 14. Phát triển khí và thiếu khí của PAO. Các VSV này đƣợc giả thiết để phát triển chỉ tiêu tốn sản phẩm tích lũy nội bào XPHA.
15, 16 và 17. Phân giải PAO và các sản phẩm tích lũy của chúng.
* Quá trình nitrat hóa: Nitrat hóa đƣợc giả thiết là một quá trình từ amoni SNH4 trực tiếp đến SNO3-.
18. Phát triển của VSV nitrat hóa. Nitrat làm giảm độ kiềm. 19. Phân hủy VSV nitrat hóa.
* Quá trình kết tủa hóa học của photphate:
20 và 21. Kết tủa và phân rã kết tủa của photphat. Mô hình kết tủa này dựa trên giả thiết là hai quá trình trái ngƣợc nhau, theo đó trạng thái cân bằng đƣợc viết:
XMeOH + SPO4 ↔ XMeP
b) Hệ số tỷ lượng của ASM2d
Hệ số tỷ lƣợng của ASM2d đƣợc tính dựa trên ba thành phần bảo toàn cho COD, điện tích vào Nito. ASM2 và ASM2d bổ sung vào thêm thành phần photpho.
Một công thức bảo toàn có thể áp dụng phù hợp cho tất cả các quá trình j và chất c đƣợc viết:
ở đây:
vj,i - hệ số tỷ lƣợng cho thành phần i ở quá trình j[MiMk-1]
ic,k - hệ số chuyển đổi để chuyển đổi đơn vị của thành phần I sang đơn vị của chất c[MiMk-1].
c) Động học của ASM2d
Biểu thức động học của ASM2d dựa trên sự chuyển đổi hoạt động (hyperbolic) hay bão hòa, hay là biểu thức dạng phƣơng trình Monod, S/(K+S) cho tất cả thành phần hòa tan đƣợc sử dụng. Dạng công thức động học Monod đƣợc sử dụng không chỉ bởi những dẫn chứng về mặt thí nghiệm mà còn bởi vì sự tiện dụng về mặt toán học. Những hoạt động chuyển đổi này sẽ dừng tất cả các hoạt động sinh hóa nhƣ một chất kiểm soát khi quá trình đạt đƣợc nồng độ cận 0.
Bảng 2.2. Biểu thức động học của ASM2d, rj ≥ 0 [22]
TT Quá trình Biểu thức tốc độ động học rj, với rj ≥ 0 Thủy phân 1 Thủy phân hiếu khí 2 Thủy phân thiếu khí 3 Thủy phân yếm khí VSV dị dƣỡng, khử nitrat: XH 4 Phát triển trên chất lên men, SF 5 Phát triển trên sản phẩm lên men SA 6 Khử nitrat với cơ chất lên men SF 7 Khử nitrat với sản phẩm lên men SA 8 Quá trình
TT Quá trình Biểu thức tốc độ động học rj, với rj ≥ 0
lên men 9 Phân giải
Vi sinh vật tích lũy phốt pho: XPAO
10 Tích lũy của XPHA 11 Tích lũy hiếu khí của XPP 12 Tích lũy thiếu khí của XPP 13 Phát triển hiếu khí của XPHA 14 Phát triển thiếu khí của XPP 15 Phân giải của XPAO 16 Phân giải của XPP 17 Phân giải của XPHA
VSV tự dƣỡng, nitrat hóa: XAUT
18 Phát triển hiếu khí của XAUT 19 Phân giải của XAUT
Mô tả kết tủa của phốt pho với sắt III hydroxyt
20 Kết tủa 21 Rã kết tủa
Có nhiều lý thuyết để mô tả quá trình vận chuyển oxi từ không khí vào nƣớc thải nhƣng lý thuyết hai lớp màng đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả [24].
Theo lý thuyết hai lớp màng ta có:
FG= KG.At.(pG - pL) (2.1)
FL = KL.At.(So,sat- So) (2.2) Trong đó:
FG - Tổng lƣợng oxi chuyển qua lớp màng khí, kgm-2s-1 KG - Hệ số vận chuyển oxi trong pha khí, m-3s
At - Tổng diện tích bề mặt, m2
pL - Áp suất riêng phần của oxi trong pha khí, kgm-1s-2
pG - Áp suất riêng phần của oxi tại bề mặt phân chia pha khí - lỏng, kgm-1s-2 FL - Tổng lƣu lƣợng khí xuyên qua lớp màng lỏng, m-1s-1
KL - Hệ số vận chuyển oxi trong pha lỏng, m-3s
So,sat - Nồng độ oxi bão hòa tại bề mặt phân chia pha, kgm-1 SO- Nồng độ oxi trong pha lỏng, kgm-3
Pha khí Bề mặt phân cách khí/ lỏng Pha lỏng Dòng khí pQ pL So,sat So Màng khí Màng lỏng Áp su ất riê ng ph ần ho ặc nồ ng độ ox i Khoảng cách Hai lớp màng
Hình 2.2. Sơ đồ mô tả lý thuyết hai lớp màng đối với quá trình hấp thụ oxi từ pha khí vào pha lỏng [24]
Khi nồng độ oxi trong nƣớc thấp, lực cản của lớp màng lỏng kiểm soát vận tốc của quá trình chuyển khối. Do đó, vận tốc vận chuyển oxi đƣợc định nghĩa nhƣ là vận tốc vận chuyển oxi trên 1 đơn vị thời gian vào thể tích của chất lỏng.
= (2.3)
Ở đây
OTRC - Vận tốc vận chuyển oxi trong nƣớc sạch, kgm-3s-1 V - Thể tích, m3
Công thức (2.3) đƣợc hiệu chỉnh cho phù hợp với hệ thống bùn hoạt tính.
= (2.4)
OTRAS -Vận tốc vận chuyển oxi trong bể bùn hoạt tính, kg(O2)m-3s-1 OURT- Vận tốc phản ứng sinh hóa, kg(O2)m-3s-1