6. 1. Các quá trình ��ng h�c c�s�
Các hi�n t��ng, m�i liên h� gi�a các ph�n�ng hóa h�c, ph�n�ng sinh hóa; ho�t tính c�a vi sinh liên quan ��n các quá trình ��ng hóa, d� hóa trong m�i t�ơng quan v�i quá trình s�n xu�t n�ng l��ng, t�ng h�p t�bào ���c trình bày trong ph�n 5 là hi�n t��ng � tr�ng thái cân b�ng, không bao hàm y�u t� th�i gian, t�c là th�i gian �� x�y ra các hi�n t��ng�ó là ��dài �� thi�t l�p ���c tr�ng thái cân b�ng.
Trong th�c t� y�u t� t�c �� c�a m�t quá trình nào �ó �ôi khi
�óng vai trò “n�ng cân” hơn ho�c mang tính ch�t quy�t ��nh khi xét v�ph�ơng di�n k�thu�t và hi�u qu�kinh t�.
Nghiên c�u t�c �� di�n bi�n m�t quá trình là tìm các t�ơng quan, các y�u t�kìm hãm hay thúc ��y quá trình �ó, thông qua �ó
�� �ánh giá cơch� c�a quá trình. Tuy nhiên, quan tr�ng hơn c�là các nghiên c�u ��ng h�c cho phép thu th�p các s� li�u ��c tr�ng (h�ng s� t�c ��, h� s� t�ơng quan, thông s� �nh h��ng) c�a m�t quá trình �� t� �ó thi�t k� các sơ �� công ngh� có th� tri�n khai trong th�c ti�n s�n xu�t.
Di�n bi�n c�a m�t quá trình x� lý n��c th�i r�t ph�c t�p do trong �ó x�y ra ��ng th�i nhi�u quá trình khác nhau: di�n bi�n c�a t�p �oàn vi sinh v�t, di�n bi�n c�a các ph�n �ng hóa h�c và s�
ràng bu�c gi�a hai quá trình trên.
Vi sinh v�t là d�ng cơ th� s�ng tr�i qua các giai �o�n: sinh ra, l�n lên và ch�t�i. �� sinh s�n và phát tri�n chúng c�n có ngu�n cơ ch�t, ch�t dinh d��ng (có s�n trong n��c th�i ho�c b�sung thêm) cùng m�t lo�t các �i�u ki�n khác t�môi tr��ng. Ch�ng lo�i vi sinh v�t r�t �a d�ng, t�n t�i và phát tri�n theo nhi�u ph�ơng th�c khác nhau, do �ó�òi h�i các �i�u ki�n c�ng khác nhau m�c dù cùng t�n t�i trong m�t h�.
6. 1. 1. S phát tri n c a vi sinh v t
Ph�ơng th�c sinh tr��ng ch� y�u c�a vi sinh v�t là t�nhân �ôi t�
bào, t� m�t t� bào nhân thành hai trong m�t th�i gian nh�t ��nh.
Th�i gian ��nhân �ôi t�bào ���c g�i là th�i gian sinh tr��ng, có giá tr�khác nhau ��i v�i t�ng ch�ng lo�i, bi�n��ng t�20 phút ��n nhi�u ngày. Gi�s�m�t lo�i vi khu�n có th�i gian sinh tr��ng là 30 phút, trong �i�u ki�n không b� h�n ch� b�i b�t k�y�u t�c�n thi�t nào s�s�n sinh ra 16.772.216 t�bào trong th�i gian 12 gi�[1].
Trong môi tr��ng nuôi c�y t�nh, s�l��ng vi khu�n s�ng có th�
��m���c theo th�i gian có di�n bi�n nh�sau:
- Trong giai �o�n ng�n ban ��u, s�l��ng vi sinh v�t t�ng tr��ng r�t ch�m ch�p do chúng c�n ph�i thích nghi v�i môi tr��ng m�i.
- Giai �o�n phát tri�n� �t t�ơng�ng v�i th�i gian sinh tr��ng.
- Giai �o�n phát tri�n�n��nh, s�l��ng vi sinh s�ng không thay
��i theo th�i gian do h�n ch� v� �i�u ki�n dinh d��ng (�ã b�
tiêu hao tr��c�ó) và hao h�t do b�ch�r c�a vi sinh v�t có tu�i cao. T�c��sinh tr��ng và hao h�t ngang nhau.
- Giai �o�n suy thoái bi�u hi�n s�s�t gi�m s�l��ng vi sinh s�ng so v�i giai �o�n �n ��nh. Quá trình suy gi�m x�y ra l�n hơn quá trình sinh tr��ng. T�c �� suy gi�m ph� thu�c vào m�t ��
vi sinh và �i�u ki�n môi tr��ng.
Trong công ngh� x�lý n��c th�i, m�t�� vi sinh ho�c s�l��ng vi sinh không ���c xác ��nh theo ph�ơng pháp ��m mà th��ng
���c ��nh l��ng b�ng ph�ơng pháp �o kh�i l��ng, trong �ó bao g�m c� kh�i l��ng c�a vi sinh �ã ch�t và các t�p ch�t khác. Quan sát s�phát tri�n sinh kh�i theo th�i gian c�ng có th�nh�n bi�t b�n giai �o�n ti�n tri�n:
- Giai �o�n thích nghi v�i môi tr��ng s�ng, sinh kh�i t�ng ch�m nh�ng v�i chu k� ng�n hơn so v�i ph�ơng pháp quan sát s�
l��ng do t�ng tr��ng c� v� kích th��c c�a t�ng cá th� l�n s�
l��ng.
- Giai �o�n phát tri�n � �t liên quan ch�t ch� �i�u ki�n d�th�a dinh d��ng c�a môi tr��ng, t�c �� t�ng tr��ng ph�thu�c vào kh�n�ng trao ��i ch�t c�a vi sinh v�t.
- Giai �o�n suy gi�m th� hi�n � kh�i l��ng vi sinh gi�m, ch�
y�u là do thi�u�i�u ki�n dinh d��ng.
Chương 6. Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh 97 - Giai �o�n phân h�y n�i sinh x�y ra khi ngu�n dinh d��ng c�n ki�t, vi sinh v�t khi �ó t�n t�i trên cơs� s�d�ng ch�t nguyên sinh c�a chính chúng mà không ���c bù ��p l�i. Trong giai
�o�n này có th� x�y ra hi�n t��ng phân h�y vi sinh, ch�t dinh d��ng t� các t� bào ch�t ���c th�i ra môi tr��ng �� nuôi d��ng vi sinh �ang còn s�ng.
S�phát tri�n và phân h�y vi sinh v�t theo th�i gian có th�mô t�
theo m�t quy lu�t��ng h�c nào �ó [1, 2, 3] nh�ng ph�bi�n hơn c�
là s� d�ng mô hình ��ng h�c Monod. Mô hình ��ng h�c Monod c�ng chính là n�n t�ng �� xây d�ng các mô hình x� lý bùn ho�t tính hi�n ��i nh� ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3 c�a nhóm khoa h�c qu�c t�v�mô hình hóa h�th�ng x�lý n��c th�i b�ng ph�ơng pháp sinh h�c [4]. Tuy v�y c�ng c�n ph�i nhìn nh�n r�ng t�t c�các mô hình ��ng h�c��u có nh�ng h�n ch�nh�t��nh v�tính �n��nh và ph� quát so v�i các quá trình hóa h�c hay v�t lý b�i s� t�ơng tác ��ng th�i c�a nhi�u y�u t�x�y ra trong h�[4].
G�i X là n�ng �� hay m�t �� sinh v�t trong m�t h� x� lý t�nh hay ��ng (liên t�c), t�c �� sinh tr��ng vi sinh (t� bào) vg ���c
��nh ngh�a và có d�ng:
vg= X
dt
dX =à. (6-1)
T�(6-1) cho th�y, t�c �� t�ng tr��ng m�t�� vi sinh t�l�thu�n v�i chớnh m�t �� hi�n cú c�a chỳng trong h�. à là h� s� t�ơng quan ��c tr�ng cho t�ng ch�ng lo�i vi sinh, lo�i phát tri�n nhanh thỡ giỏ tr�c�a à l�n và ng��c l�i. à ���c coi là h�ng s�phỏt tri�n riờng. �ơn v� �o c�a [vg] = g. l-1. d-1, [à] = d-1 và c�a [X] = g. l-1 (d là �ơn v� th�i gian �o theo ngày ho�c �o theo gi� (h) ho�c phút (min)).
Trong m�t h�x�lý, nhu c�u v�v�t ch�t��vi sinh v�t phát tri�n phù h�p v�i bi�u th�c (6-1) r�t ít khi ���c th�a mãn. Khi mà m�t trong nh�ng nhu c�u chính không �áp �ng ���c thì t�c �� sinh tr��ng s� gi�m. M�c�� suy gi�m���c qui v�cho s�bi�n ��i giá tr�h�ng s�phỏt tri�n riờng à. Theo Monod, àcú th� ���c tớnh toỏn theo:
à=àm.
S K
S
S + (6-2)
àm là h�ng s�phỏt tri�n riờng c�c��i, nú chớnh là giỏ tr� à khi m�i�i�u ki�n v�nhu c�u c�a vi sinh v�t���c�áp �ng��y��. S là n�ng �� c�a các y�u t� chính liên quan ��n s� phát tri�n c�a vi sinh v�t, ví d�BOD, NH3, O2. Kslà h�ng s�bán bão hòa, nó chính b�ng S mà t�i�úà = 0,5àm. Ph�ơng trỡnh (6-2) ���c th�hi�n trờn hình 6. 1.
T� hình 6.1 cho th�y khi n�ng�� c�a S th�a mãn, t�c �� phát tri�n c�a vi sinh v�t��t m�c t�i�a, gi�m khi S gi�m.
àm
à
Ks S
0,5àm
Hình 6. 1. T c phát tri n c a vi sinh v t ph thu c vào n ng c ch t.
T�i�i�m S = Ksthỡ à= 0,5àm, t�c�� phỏt tri�n ch�b�ng 50%.
Ksthay ��i��i v�i t�ng lo�i cơch�t S, t�ng lo�i vi sinh c�ng nh�
các thông s�quá trình nh�pH, nhi�t��.
Ví d� ��i v�i lo�i vi sinh d�d��ng x�lý BOD t�i 20oC, KBOD = 60 mgBOD/l, t�i 15oC có giá tr� là 39 mg BOD/l. ��i v�i lo�i vi sinh t� d��ng Nitrosomonas oxy hóa amoni thì các giá tr� t�ơng
�ng KNlà 0,74 mgN/l và 0,39mgN/l. Oxy hòa tan, DO c�ng là y�u t� �nh h��ng ��n t�c �� phát tri�n c�a vi sinh v�t. ��i v�i Nitrosomonas giá tr�KDO là 1 mgO2/l, giá tr� �ó là s�th�a nh�n vi sinh v�t trên phát tri�n�m�c t�i�a v�ph�ơng di�n oxy hòa tan là 2 mg/l. [5].
K�t h�p hai ph�ơng trình (6-1), (6-2) ta có:
vg=
S K
S X
s m
+ .
à . (6-3)
Chương 6. Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh 99 Ph�ơng trình (6-1) th�t ra là tr��ng h�p riêng c�a (6-3) khi n�ng��c�a m�t cơch�t (ch�t cơb�n xây d�ng t�bào) S>>Ks, khi
�úà àm.
T�ơng quan d�ng ��ng h�c Monod không ch� áp d�ng cho s�
h�n ch� c�a m�t lo�i cơch�t mà còn áp d�ng cho tr��ng h�p hai ho�c nhi�u cơ ch�t thi�u ��ng th�i. Ví d� ��i v�i ch�ng vi sinh Nitrosomonas, cơch�t h�n ch� ��ng th�i là DO và amoni, khi �ó:
à=àm.
+
+ N DO
N N
K DO
DO K
S
S . (6-4)
SN là n�ng �� amoni, DO là oxy hòa tan, KN, KDO là h�ng s�
bán bão hòa c�a amoni và DO.
6. 1. 2. Quan h gi a vi sinh v t và c ch t trong h
Vi sinh v�t phát tri�n ���c trên cơs�tiêu hao m�t l��ng v�t ch�t, ch�ng lo�i v�t ch�t mà nó c�n r�t�a d�ng, t�ơng �ng v�i các thành ph�n hóa h�c trong t�bào (xem b�ng 5-2). Tuy v�y khi nghiên c�u
��ng h�c ng��i ta th��ng ch� t�p trung vào m�t s�l��ng gi�i h�n các ��i t��ng. ��i t��ng ho�c nh�ng ��i t��ng ���c quan tâm g�i là cơch�t.
Cơ ch�t ���c vi sinh v�t s�d�ng �� t�ng h�p t� bào, còn m�t ph�n tham gia ph�n �ng hóa h�c (sinh hóa) �� t�o ra n�ng l��ng (xem ph�n 5. 2.2).
Hi�n nhiên, s� l��ng t�bào vi sinh t�o thành t�ơng �ng v�i s�
hao h�t, suy gi�m c�a cơch�t trong h�.
G�i t�c�� suy gi�m cơch�t là vsu (t�c�� gi�m n�ng �� cơch�t trên m�t�ơn v�th�i gian, trong m�t�ơn v�th�tích) ta có:
vg= -Y. vsu (6-5)
Y là hi�u su�t sinh kh�i t�o thành, mang ý ngh�a là khi tiêu hao m�t l��ng cơ ch�t s� sinh ra ���c m�t l��ng sinh kh�i nào �ó (g/g). D�u (-) ch�hai quá trình ng��c nhau: sinh kh�i t�o thành và cơch�t suy gi�m. Hi�u su�t sinh kh�i Y ph�thu�c vào ch�ng lo�i vi sinh hi�n h�u và b�n ch�t c�a cơch�t (xem 5. 2. 3)
M�c tiêu x�lý n��c th�i là làm gi�m n�ng �� ch�t gây ô nhi�m, t�c là gi�m n�ng �� cơch�t, vì v�y t�c�� gi�m cơch�t là ��i t��ng quan tâm ��u tiên. K�t h�p các ph�ơng trình (6-3), (6-5) ta ���c:
vsu =
) (
. .
S K Y
S X
s m
+
à (6-6)
T�(6-6) cho th�y t�c��suy gi�m cơch�t t�l�thu�n v�i m�t��
vi sinh (X), v�i n�ng ��cơch�t (S) v�i ho�t tính (kh�n�ng x�lý) c�a vi sinh v�t àmvà hi�u su�t sinh kh�i Y. Do liờn quan ��n ho�t tớnh c�a vi sinh v�t, hai ��i l��ngàm và Y ���c k�t h�p v�i nhau theo ��nh ngh�a:
k =àm/Y (6-7)
k���c g�i là h�s�tiêu th�cơch�t riêng c�a m�t ch�ng lo�i vi sinh nào �ó, t�c là kh� n�ng tiêu th� cơch�t trên m�t�ơn v� sinh kh�i hình thành [d-1]. Khi �ó:
vsu =
S K
S X k
s + .
. (6-8)
6.1. 3. Quá trình phân h y n#i sinh
T�p �oàn vi sinh trong h� x�lý n��c th�i có tu�i khác nhau, lo�i tu�i cao s� suy thoái, ch�t và b� phân h�y. Các ph�ơng trình � ph�n trên ch�mô t�quá trình phát tri�n mang tính ch�t t�ng s�ch�
không ph�i là s� li�u th�c có th� “cân �ong” ���c vì ch�a chú ý t�i hi�u�ng gi�m�i c�a chúng. S�suy gi�m (t�nhiên) do các quá trình sinh hóa (không ph�i do v�n hành ch� ��ng nh� th�i b�t ra kh�i h� th�ng) ���c g�i là quá trình phân h�y n�i sinh. T�c ��
phân h�y n�i sinh vp���c mô t�:
vp = kp.X (6-9)
X là n�ng��vi sinh, kplà h�ng s�phân h�y n�i sinh [d-1].
T�c �� t�ng tr��ng sinh kh�i th�c vg’ chính là l��ng t�ng sinh ra tr� �i l��ng sinh kh�i b�phân h�y n�i sinh.
vg’ = vg- vp=
S K
S X
s m
+ . à . - k
p.X (6-10)
hay
vg’ = - Y.vsu - kp.X (6-11) H�ng s�phỏt tri�n riờng th�c, à’ cú d�ng:
Chương 6. Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh 101 à’ =àm.
S K
S
s + - kp (6-12)
Hi�u su�t sinh kh�i th�c Y’ ���c tính:
Y’ =
su g
v v,
(6-13) V� nguyên t�c có th� tích phân ph�ơng trình (6-8), (6-11) ��
tìm m�i t�ơng quan gi�a di�n bi�n n�ng ��cơ ch�t trong h� theo th�i gian ph� thu�c vào các thông s� ��ng h�c (k, Ks, kp) [6]. Ví d�t�ph�ơng trình (6-8) ta có:
vsu =
S K
S X k dt dS
S +
= . .
(6-14) Tích phân (6-14) v�i �i�u ki�n ban ��u t=0, S=So và v�i gi�
thi�t m�t �� vi sinh trong su�t th�i gian ph�n �ng không ��i (X=h�ng s�) ta có:
Ksln(So/S) + So- S = k.X.t (6-15) Do Ks<<Sotrong ph�n l�n các tr��ng h�p nên có th�b�qua s�
h�ng��u c�a ph�ơng trình (6-15), khi �ó:
S = So- k.X.t (6-16)
L�i gi�i (6-16) là d�ng c�a m�t ph�n�ng ��ng h�c b�c không v�i��c tr�ng là t�c ��ph�n�ng không ph�thu�c vào n�ng ��
c�a cơ ch�t. M�c �� gi�m n�ng �� cơ ch�t (So-S) t� l� thu�n v�i th�i gian. Tính ch�t ch�c�a các ph�ơng trình ��ng h�c và l�i gi�i c�a các h� x� lý vi sinh không cao vì trong h� x�y ra ��ng th�i nhi�u quá trình chuy�n hóa ���c th�c hi�n b�i nhi�u ch�ng lo�i vi sinh v�i t�c �� r�t khác nhau, vì v�y các thông s� ��ng h�c thu
���c c�ng mang tính ch�t “��c tr�ng” th�p.
Ngoài các ph�ơng trình ��ng h�c �ã nêu, r�t nhi�u d�ng ph�ơng trình kinh nghi�m ���c�� xu�t �� mô t� m�i t�ơng quan gi�a m�c��suy gi�m cơch�t v�i m�c�� t�ng tr��ng c�a vi sinh v�t. M�i ph�ơng trình ch� có giá tr� nh�t ��nh nào �ó trong t�ng tr��ng h�p c� th�. M�t s� ph�ơng trình ��ng h�c (d�ng vi phân)
���c��xu�t có d�ng [1]:
vsu = - k (6-17)
vsu = - k.S (6-18)
vsu = - k.X.S (6-19)
vsu = - k.X.S/So (6-20) M�c dù thi�u tính ch�t ch�v� m�t t�ơng quan toán h�c nh�ng các ph�ơng trình kinh nghi�m c�ng giúp ích ít nh�t cho vi�c theo dõi ��nh l��ng m�t quá trình x�lý.
6. 1. 4. %nh h&'ng c a nhi t(#
�� xác ��nh ���c�nh h��ng c�a nhi�t�� lên t�c�� m�t ph�n�ng c�n ph�i�ánh giá �nh h��ng c�a nó lên các h�ng s�t�c�� ph�n�ng, t� �ó tính ra ���c n�ng l��ng ho�t hóa theo ph�ơng trình Arhenius:
k = ko. e-E/RT (6-21)
k là h�ng s�t�c��, E là n�ng l��ng ho�t hóa, R là h�ng s�khí.
N�ng l��ng ho�t hóa E (E > 0) càng có giá tr� cao thì �nh h��ng c�a nhi�t��lên t�c��ph�n�ng càng l�n.
Trong m�t h�x� lý vi sinh, s�thay ��i nhi�t ��tác ��ng ��ng th�i lên r�t nhi�u quá trình: trao ��i ch�t c�a cơ th� vi sinh v�t, ph�n�ng sinh hóa, quá trình v�t lý (ví d�chuy�n kh�i do khuy�ch tán). Vì lý do �ó�ánh giá tác ��ng c�a nhi�t��thông qua h�ng s�
t�c��ph�n�ng.
Bài toán trên ���c gi�i theo ���ng vòng: �ánh giá t�c�� c�a m�t quá trình c�th�t�i các nhi�t �� khác nhau và x�lý các s� li�u theo m�t m�i t�ơng quan nào �ó, th��ng là l�y m�t�i�m g�c (giá tr�t�c
�� t�i m�t nhi�t�� nào �ó) và tính t�c�� t�i các nhi�t�� khác theo nó.
Ví d�:
vT= v20. A(T-20) (6-22)
vT: t�c��t�i nhi�t��T (oC) v20: t�c��t�i 20oC
A: h�s� nhi�t �� (ví d� cho quá trình bùn ho�t tính A = 1,04;
ao s�c khí A = 1,08; l�c nh�gi�t A = 1,035).
�nh h��ng c�a nhi�t��có th� �ánh giá thông qua m�i quan h�
(6-22), trong m�t s� tr��ng h�p c�ng có th� �ánh giá thông qua
Chương 6. Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh 103 t�ng h�ng s�t�c��c�a ph�n �ng, ví d�s�ph� thu�c c�a h�ng s�
phát tri�n riêng c�c ��i c�a ch�ng vi sinh t�d��ng Nitrosomonas vào nhi�t��:
àm, N = 0,47. e0,098(T-15)
��i v�i lo�i vi sinh d�d��ng (oxy hóa BOD) các h�ng s�t�c��
Ks, k, kp, s�ph�thu�c vào nhi�t��theo m�i quan h�[5]:
kp,T = kp,20. (1,04)(T-20) (6-23) kT= k20. (1,09)(T-20) (6-24) Ks,T = Ks,20. (1,09)(T-20)
Các giá tr�h�ng s�t�i nhi�t ��T(oC) ���c tính theo giá tr�c�a nó t�i 20oC.
6. 2. Xác ��nh thông s� ��ng h�c t�th�c nghi�m
Khi tính toán thi�t k� m�t h� x� lý n��c th�i theo mô hình ��ng h�c thì c�n ph�i bi�t các giá tr� c�a các h�ng s� ��ng h�c. Các giá tr� ��c tr�ng cho quỏ trỡnh ��ng h�c g�m k (àm/Y), Ks, kpch� cú th�xác ��nh t�th�c nghi�m��i v�i m�t h�c�th�.
Thi�t b� thí nghi�m �� xác ��nh các h�ng s� ��ng h�c là m�t bình ph�n�ng ch�a n�ng ��vi sinh X, ���c khu�y tr�n��u ho�t
��ng liên t�c (t�c �� dòng vào b�ng dòng ra), sinh kh�i ���c h�i l�u tr� l�i bình ph�n �ng. N�ng �� cơ ch�t � dòng vào là So, t�i
��u ra là S. N�ng ��vi sinh t�i��u vào là Xo, t�i��u ra là Xe. Th�i gian l�u th�y l�c c�a h� thí nghi�m là và ���c ��nh ngh�a:
= Q
V (6-25)
Th�i gian l�u bùn (tu�i bùn, th�i gian l�u t� bào) ���c ��nh ngh�a nh�tên g�i c�a nó, chính là th�i gian t�n t�i c�a vi sinh v�t trong h� x�lý (ch� � giai �o�n ph�n�ng, không bao g�m các giai
�o�n khác nh� �b�l�ng th�c�p). �� duy trì m�t m�t��sinh kh�i
�n��nh trong h�x�lý (ví d�3 g/l) trong quá trình x�lý, l��ng vi sinh s�t�ng theo th�i gian, m�c��t�ng càng l�n khi ho�t tính c�a vi sinh càng cao (àm,Y l�n) nờn c�n ph�i th�i b�t, tỏch ra kh�i h�
th�ng l��ng d� th�a (v� b� � bùn ch�ng h�n). S� l��ng bùn th�i
tính theo ngày, ví d�30 kg bùn/ngày. Th�i gian tính theo ngày ��
th�i kh�i l��ng bùn�úng b�ng kh�i l��ng có trong kh�i ph�n�ng g�i là th�i gian l�u t�bào hay tu�i bùn.
Ví d� trong m�t b� x� lý có 100 kg bùn (sinh kh�i), �� duy trì m�t ��vi sinh �n ��nh là 3 g/l trong h�x� lý, m�i ngày ph�i th�i 20 kg ra kh�i h� th�ng.Gi� s� n��c sau khi x� lý thoát ra t� b�
l�ng không ch�a sinh kh�i thì th�i gian l�u t�bào là 5 ngày. �ó là
��nh ngh�a th�i gian l�u t� bào v� ph�ơng di�n cơ h�c hay theo ph�ơng th�c v�n hành, th�c ch�t là th�hi�n ho�t tính c�a vi sinh v�t, ho�t tính c�a vi sinh v�t càng l�n thì tu�i bùn càng nh�.
V�i m�t h�ho�t��ng liên t�c, có h�i l�u bùn, tu�i bùn c���c
��nh ngh�a:
c=
e e r
w X Q X
Q
X V
. .
.
+ (6-26)
Qw là l�u l��ng dòng th�i h�n h�p n��c-bùn v� b� � bùn (th��ng cùng ���ng v�i dòng h�i l�u bùn).
Qelà l�u l��ng thoát ra kh�i h�ph�n�ng.
V: th�tích c�a kh�i ph�n�ng.
X, Xe, Xr là n�ng �� vi sinh trong kh�i ph�n �ng, trong dòng th�i và dòng h�i l�u (xem hình 7. 2).
S�d�ng m�t h�thí nghi�m liên t�c, khu�y tr�n lý t��ng và có h�i l�u sinh kh�i, ph�ơng trình th�ng b�ng ch�t mô t�bi�n��ng c�a m�t
�� sinh kh�i và c�a n�ng �� cơch�t���c thi�t l�p trên cơs�:
Bi�n��ng l��ng sinh kh�i trong thi�t b�ph�n �ng = l��ng ��u vào - l��ng ��u ra + l��ng th�c do sinh tr��ng.
Mô t�toán h�c quan h�trên có d�ng:
V Q.Xo [Qw.Xr Qe.Xe] V.v,g dt
dX = + + (6-27)
Q: L�u l��ng ��u vào (b�ng Qe).
Xo: N�ng ��vi sinh �dòng vào.
vg’: Xem bi�u th�c (6-10), (6-11).
V: th�tích kh�i ph�n�ng.
Trong tr�ng thái v�n hành �n��nh v�i m�t��vi sinh X, m�t��
X không thay ��i theo th�i gian thì dX/dt = 0. N�ng��Xot�i dòng vào th��ng r�t nh�nên Xo= 0.
Chương 6. Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh 105 S�d�ng các �i�u ki�n nêu trên, tính vg’ t� ph�ơng trình (6-11) ta có:
p su e
e r
w k
X Y v X
V
X Q X
Q + =
. . .
. (6-28)
V� trái c�a ph�ơng trình (6-28) chính là ��i l��ng ngh�ch ��o c�a tu�i bùn c.
su p c
X k Y v
= .
1 (6-29)
T�c�� suy gi�m cơch�t S���c tính nh�sau:
S S S
V S
vsu = Q( o )= o (6-30)
S, So: n�ng��cơch�t ban ��u và t�i th�i�i�m t.
K�t h�p ph�ơng trình (6-8) và (6-30):
S S S K
S X
v k o
s
su =
= . +.
(6-31) Chia c�hai v�cho X ta có:
X S S S K
S
k o
s .
. =
+ (6-32)
Tuy�n tính hóa (6-32) b�ng cách ngh�ch ��o:
k S k
K S S
X s
o
1 .
. = + (6-33)
N�u coi v� trái c�a (6-33) là hàm s� và 1/S là bi�n s� thì thu
���c m�t ph�ơng trình ���ng th�ng có �� d�c (là Ks/k và �o�n c�t tr�c tung là 1/k, t� �ó tính ra k, Ks. Giá tr� c�a kp và Y ���c xác
��nh nh�sau:
S�d�ng m�i quan h�t�bi�u th�c (6-29) và ��t 1/ c là hàm s�, vsu/X là bi�n s�, t� �ó xác ��nh ���c Y và kp. S�d�ng giá tr�vsu t�
ph�ơng trình (6-31) ta có:
o p c
X k S Y S
= . .
1 (6-34)
�� thu nh�n ���c thông s� ��ng h�c tin c�y, thí nghi�m c�n
���c ti�n hành v�i S bi�n ��ng trong kho�ng r�ng, t�c là v�i giá tr� c r�t khác nhau (không ít hơn 5 giá tr�) v�i tr� s� t� 1 - 10 ngày). Các s� li�u Q, So, S, X, vsu c�n có tính ��i di�n cao (s�li�u trung bình c�a nhi�u l�n thí nghi�m).
Ph�ơng pháp xác ��nh các h�ng s� t�c �� theo ph�ơng pháp tuy�n tính hóa �ơn gi�n d� th�c hi�n nh�ng cho �� chính xác v�
m�t tính toán không cao. C�ng t� các s� li�u trên có th� tính các thông s� ��ng h�c thông qua ph�ơng pháp t�i �u d�a trên cơ s�
nguyên t�c bình ph�ơng c�c ti�u sai s�c�a s�li�u th�c nghi�m và s�li�u tính toán. [5].
6. 3. M�t vài so sánh v�t�c�� x�lý vi sinh
Trong ph�n 5 �ã trình bày v� ho�t ��ng c�a vi sinh v�t v�
ph�ơng di�n sinh hóa, trao ��i ch�t liên quan ��n quá trình t�ng h�p t� bào, s�n xu�t n�ng l��ng. Ch�ng lo�i vi sinh có
�u th� phát tri�n (t�ng tr��ng) liên quan tr�c ti�p t�i hi�u qu� s�n xu�t n�ng l��ng c�a chúng thông qua các ph�n �ng hóa h�c (d� hóa) nh� oxy hóa kh�, ph�n �ng lên men. M�c
�� s�n xu�t n�ng l��ng l�n ��ng ngh�a v�i hi�u su�t sinh tr��ng cao. T�c �� sinh tr��ng c�a vi sinh v�t, kéo theo t�c
�� x� lý cơ ch�t c�ng liên quan khá ch�t ch� v�i các quá trình s�n xu�t n�ng l��ng. Tuy v�y trong th�c t�, m�i quan h� gi�a m�c �� s�n xu�t n�ng l��ng hay t�ng tr��ng sinh kh�i v�i hi�u qu� x� lý ch�t ô nhi�m không ph�i khi nào c�ng t� l� thu�n v�i nhau vì quá trình x� lý b� chi ph�i r�t m�nh b�i các ��c tr�ng ��ng h�c c�a quá trình. M�i quan h�
t� l��ng c�a m�t quá trình không ph�i b�t k� khi nào c�ng th� hi�n trong th�c t�, t�c là chúng không ��t t�i ���c tr�ng thái cân b�ng do b� kh�ng ch� b�i các y�u t� k� thu�t và kinh t� trong ho�t ��ng th�c ti�n, nh�t là v�i h� th�ng x� lý n��c th�i là m�t h� bao g�m nhi�u quá trình x�y ra ��ng th�i.
V�i cùng m�t ch�ng lo�i vi sinh v�t, ví d� lo�i d� d��ng hi�u khí có ch�c n�ng x� lý ch�t h�u cơ carbon (BOD), t�c �� x� lý các ch�t h�u cơkhác nhau s� r�t khác nhau do ��c tr�ng d� ho�c khó sinh h�y c�a cơch�t. Nhìn chung các phân t� cơ ch�t h�u cơ
Chương 6. Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh 107 m�ch th�ng có t�c �� chuy�n hóa cao hơn lo�i m�ch nhánh và m�ch vòng. Cơ ch�t có cùng c�u trúc hóa h�c thì lo�i có phân t�
l��ng th�p có t�c�� chuy�n hóa nhanh hơn lo�i có phân t�l��ng cao. Trong h� x� lý n��c th�i ��ng th�i x�y ra nhi�u quá trình:
sinh hóa, hóa h�c thu�n túy (th�y phân) và v�t lý (chuy�n kh�i).
N�u chúng x�y ra ��c l�p thì t�c �� quá trình x� lý cơch�t do vi sinh v�t ch�b� �nh h��ng b�i các y�u t�thi�u (kìm hãm) quá trình, ví d� do thi�u oxy tan. N�u trong h� x�y ra các quá trình k� ti�p nhau thì t�c ��x�lý cơ ch�t���c quy�t��nh b�i chính giai �o�n ch�m nh�t. Ví d� trong h� x� lý n��c th�i, vi sinh v�t ch� có th�
chuy�n hóa cơ ch�t có phân t� l��ng th�p, cơ ch�t có kh� n�ng sinh h�y l�i���c chuy�n hóa t�t�p ch�t có phân t�l��ng l�n hơn ho�c t�m�t d�ng ch�t r�n nào �ó do quá trình th�y phân hóa h�c.
Khi �ó giai �o�n ch�m nh�t (ví d� quá trình th�y phân hóa h�c)
�óng vai trò kh�ng ch� t�c �� toàn b� quá trình. Quá trình x� lý y�m khí (b� ph�t) c�a vi sinh d� d��ng y�m khí bao g�m ba giai
�o�n ch� y�u: th�y phân (b�g�y) các phân t� l�n (r�n) thành các phân t�nh�, t�o thành các axit béo d�bay hơi (volatile fatty acids VFA) và cu�i cùng là giai �o�n t�o metan. Giai �o�n t�o metan th��ng là ch�m nh�t, tuy v�y khi�ánh giá v�t�c��x�lý y�m khí thông qua các thông s� ��ng h�c thì th��ng ch�nói v�t�c��x�lý y�m khí chung mà thôi. Trong th�c t� r�t có th� giai �o�n th�y phân l�i là b��c ch�m nh�t [7, 8].
Trong m�t h�th�ng x�lý n��c th�i, t�p ch�t (cơch�t) c�n x�lý là m�t h�n h�p nhi�u thành ph�n v�i kh� n�ng sinh h�y r�t khác nhau do b�n ch�t c�a n��c th�i hay do di�n bi�n c�a nó tr��c khi t�i h�th�ng x�lý. Do v�y h�ng s�t�c��c�ng ch�có tính ��i di�n th�p khi so sánh t�c �� x� lý c�a các lo�i n��c th�i có b�n ch�t khác nhau (b�ng 6.1).
Ho�t tính c�a vi sinh v�t cùng ch�ng lo�i trong cùng m�t h�
th�ng x� lý c�ng có th� thay ��i do các y�u t� ngo�i c�nh nh�
th�ng giáng nhi�t �� gi�a ngày và �êm, v�n hành b� ng�t quãng hay do xu�t hi�n các y�u t� gây ��c ��i v�i chúng. T�i l��ng ô nhi�m thay ��i c�ng �nh h��ng��n các h�ng s�t�c��ph�n�ng.
�ó là nh�ng ��c �i�m c�n chú ý khi so sánh gi�a các thông s�
��ng h�c c�a các h�khác nhau khi s�d�ng các thông s� ��ng h�c
�� thi�t k�h�th�ng x�lý.