intTypePromotion=1
ADSENSE

Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 2: Động học quá trình sinh học (tiếp theo)

Chia sẻ: Hứa Tung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:33

21
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 2: Động học quá trình sinh học (tiếp theo) có nội dung trình bày các kiến thức về động học sinh trưởng vi sinh vật, mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn. Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 2: Động học quá trình sinh học (tiếp theo)

  1. BK TPHCM BAØI GIAÛNG MOÂN HOÏC CAÙC QUAÙ TRÌNH SINH HOÏC TRONG COÂNG NGHEÄ MOÂI TRÖÔØNG CHÖÔNG 2: ÑOÄNG HOÏC QUAÙ TRÌNH SINH HOÏC GVHD: TS. Leâ Hoaøng Nghieâm Email: hoangnghiem72@gmail.com hoangnghiem72@yahoo.com
  2. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.1 Tốc độ sinh trưởng riêng (μ) ™ Jackson and Edwards (1975) đã đựa ra TDSTR trong một mẻ nuôi cấy (batch culture) bằng phương trình sau: dX = μX (2.45) dt Ln(Xt) Biomass concentration μ ( t − to ) ⇒ X = Xoe ln X = μ (t − t o ) + ln X o Ln(Xo) μ ln X − ln X o μ= to t Time t − to Trong đó X = Hàm lưọng sinh khối ở thời gian t (mg/L) Xo= Hàm lưọng sinh khối ở thời gian to (mg/L) 2 μ = Tốc độ sinh trưởng riêng (1/h). TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  3. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.1 Tốc độ sinh trưởng riêng (μ) ™ Thông thường, mô hình Monod được sử dụng để đánh giá các động học giữa vi sinh và cơ chất trong nuôi cấy liên tục: μ max S μ = μm (2.46) Specific growth rate ( μ) S + KS μmax time-1 2 ™ Trong đó • μ =Tốc độ sinh trưởng riêng (d-1) K Substrate concentration, mg/ L s • μm =Tốc độ sinh trưởng riêng lớn nhất (d-1) • S = Hàm lượng cơ chất (mg/L) • KS = Hằng số bán vận tốc/hằng số Monod constant (mg/L). 3 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  4. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.1 Tốc độ sinh trưởng riêng (μ) Theo số liệu trình bày trong các tài liệu hiện có thì giá trị của Ks và μmax nằm trong các khoảng sau: • Đối với xử lý sinh học hiếu khí (Metcalf & Eddy, 1991): ™μmax = 1,2 – 6 ngày-1 ™Ks = 25 – 100 mgBOD5/L hay Ks = 15 – 70 mgCOD/L • Đối với xử lý kỵ khí: (van Haandel và Lettinga, 1994; Chernicharo, 1997) ™μmax = 2,0 ngày-1 (vi sinh vật lên men acid acidogenic bacteria) ; ™μmax = 0,4 ngày-1 (vi sinh vật lên men mêtan methanogenic archaea bacteria) ™μmax = 0,4 ngày-1 (sinh khối kết hợp) ™Ks = 200 mgCOD/L (vi sinh vật lên men acid acidogenic bacteria) ™Ks = 50 mgCOD/L (vi sinh vật lên men mêtan methanogenic archaea bacteria) 4 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  5. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.1 Tốc độ sinh trưởng riêng (μ) Ví dụ 2.9: Thiết lập biểu thức tính µ theo µmax cho các điều kiện sau: - Nước thải sinh hoạt: S = 300 mg/L có hệ số Ks = 40 mg/L - Nước thải sinh hoạt: S = 10 mg/L có hệ số Ks = 40 mg/L - Glucose: S = 10 mg/L có hệ số Ks = 0,2 mg/L 5 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  6. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.2. Hô hấp chất nội bào ™ Trong hệ thống xử lý nước thải, phân bố tuổi bùn đồng nhất nên không phải toàn bộ vi sinh vật trong giai đoạn log-phase. ™ Do đó biểu thức biểu diễn tốc độ tăng trưởng phải được hiệu chỉnh cho phần năng lượng yêu cầu phải duy trì hoạt động của tế bào vi sinh vật và các yếu tố khác như tốc độ chết của vinh sinh vật. ™ Thông thường các yếu tố này được gộp chung thành tốc độ suy giảm khối lượng tế bào, nó tỷ lệ với nồng độ của vinh sinh vật hiện đang có mặt trong bể aeroten. ™ Trong các tài liệu chuyên ngành tốc độ suy giảm khối lượng tế bào được gọi là tốc độ phân hủy nội bào và được biểu diễn như sau: dX rd = = −kd X (2.47) ™ Trong đó: dt ™ kd = hệ số phân hủy nội bào, ngày-1 ™ X = nồng độ của sinh khối, KL/TT 6 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  7. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.2. Hô hấp chất nội bào kd = hệ số phân hủy nội bào (ngày-1) • Đối với xử lý hiếu khí: ¾ kd = 0,04 – 0,1 mg VSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở BOD5) (Metcalf & Eddy, 1991; Von Sperling, 1997) hay ¾ kd = 0,05 – 0,12 mgVSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở COD) (EPA, 1993; Orhon và Artan, 1994) • Đối với xử lý kỵ khí: ¾ kd = 0,02 mgVSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở COD) (Lettinga et al., 1994) 7 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  8. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.3. Tăng trưởng ròng (Net bacterial growth) Tăng trưởng ròng đạt được khi tính gộp tăng trưởng tổng và hô hấp nội bào: ™Nuôi cấy dạng mẽ: dX = μX − k d X (2.48) dt ™Nuôi cấy liên tục: dX S = μ max X − kd X (2.49) dt Ks + S 8 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  9. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.4. Sản lượng chất rắn sinh học ™ Tăng trưởng của VSV hay sản lượng sinh khối hay tế bào hình thành có thể được biểu diễn là một hàm của chất nền tiêu thụ như sau: dX dS =Y* (2.50) Trong đó: dt dt Y = hệ số sản lượng hay hệ số sản xuất sinh khối; sinh khối (SS hay VSS sinh ra trên một đơn vị khối lượng chất nền bị loại bỏ (BOD hay COD) (g/g) X = Nồng độ sinh khối, SS hay VSS (mg/L) S = Nồng độ cơ chất (mg/L) ™ Sản lượng chất rắn ròng (Net solid production) dX dS = Y * − kd X (2.51) 9 dt dt TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  10. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.4. Sản lượng chất rắn sinh học ™Y = hệ số sản lượng hay hệ số sản xuất sinh khối = sinh khối (SS hay VSS) sinh ra trên một đơn vị khối lượng chất nền bị loại bỏ (BOD hay COD) (g/g); ™ Đối với xử lý hiếu khí: • Y = 0,4 – 0,8 gVSS/gBOD5 loại bỏ (Metcalf & Eddy, 1991) hay • Y = 0,3 - 0,7 gVSS/gCOD (EPA, 1993; Orhon và Artan, 1994). ™ Đối với xử lý kỵ khí: • Y = 0,15 gVSS/gCOD (vi sinh vật lên men acid acidogenic bacteria) (van Haandel và Lettinga, 1994); • Y = 0,03 gVSS/gCOD (vi sinh vật lên men mêtan methanogenic archaea bacteria) (van Haandel và Lettinga, 1994); • Y = 0,18 gVSS/gCOD (sinh khối kết hợp) (Chernicharo, 1997). 10 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  11. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.4. Sản lượng chất rắn sinh học Ví dụ 2.10: Tính toán sản lượng chất rắn sinh học sinh ra trong hệ thống xử lý nước thải ở trạng thái ổn định biết rằng: ™Thể tích bể phản ứng: V = 9000 m3. ™Thời gian lưu nước: t = 3 ngày ™Nồng độ chất nền trong đầu vào (BOD5): So = 350 mg/L ™Nồng độ chất nền trong đầu ra (BOD5): S = 9,1 mg/L ™Nồng độ sinh khối torng bể phản ứng: Xv = 173,3 mg/L ™Hệ số sản lượng Y = 0,6 mgVSS/mgBOD5. ™Hệ số hô hấp nội bào: Kd = 0,06 ngày-1. 11 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  12. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.5. Tốc độ loại bỏ chất nền ™Trong hệ thống XLNT cần xác định tốc độ chất nền được loại bỏ trong hệ thống. ™Tốc độ loại bỏ lớn, thì thể tích yêu cầu của bể phản ứng nhỏ hay hiệu quả của quá trình cao hơn. ™Phương trình (2.50) viết lại ta có phương trình tốc độ loại bỏ chất nền như sau: dS 1 dX = * (2.52) dt Y dt ™Tốc độ loại bỏ chất nền khi nuôi cấy dạng mẽ dX/dt=µX: dS μX = (2.53) dt Y ™Tốc độ loại bỏ chất nền khi nuôi cấy liên tục: dS S X = μ max (2.54) 12 dt Ks + S Y TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  13. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.6. Tốc độ sinh trưởng khi có chất ức chế ™ Han and Levenspiel (1988) đề nghị mô hình khi kể đến ảnh hưởng chất ức chế sinh học gây ra bởi hàm lượng cơ chất cao, độc chất, ammonia, hàm lượng muối cao,…. n ⎛ I ⎞ S μ = μ m ⎜⎜1 − ⎟⎟ (2.55) ⎝ K I ⎠ S + K ⎛⎜1 − I ⎞⎟ S⎜ ⎟ ⎝ K I ⎠ I = Hàm lưọng chất gây ức chế KI = Hàm lượng cực trị của chất gây ức chế tại đó các phản ứng sinh hóa ngừng lại n = Hằng số 13 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  14. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.6. Tốc độ sinh trưởng khi có chất ức chế ™ Một số mô hình khác : ™ Ghose and Tyagi ⎛ I ⎞ S S μ = μ m ⎜⎜1 − ⎟⎟ = μ obs (2.56) ⎝ KI ⎠ S + KS S + KS ™ Bazua and WilkeHan and Levenspiel 0.5 ⎛ I ⎞ S S μ = μ m ⎜1 − ⎟ ⎜ ⎟ = μobs (2.57) ⎝ KI ⎠ S + KS S + KS ™ Han and Levenspiel ⎛ I ⎞ n S S μ = μ m ⎜⎜1 − ⎟⎟ = μobs (2.58) ⎝ KI ⎠ S + KS S + KS μm = tốc độ sinh trưởng riêng tối đa ở hàm lượng chất ức chế = 0 (I = 0). μobs = tốc độ sinh trưởng riêng tối đa quan sát ở một hàm lưọng của chất ức chế I nào đó (I). 14 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  15. BK TPHCM 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.6. Tốc độ sinh trưởng khi có chất ức chế Observed specific growthrate μmax (μobs ), time-1 n = 0.3 n = 1.0 n = 0.5 KI Inhibitor concentration ( I), mass/ vol Đường cong mô hình tăng trưởng ức chế (n =1: Ghose and Tyagi; n= 0.5: Bazua and Wilke model) 15 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  16. 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng BK TPHCM xáo trộn hoàn toàn 2.6.1. Cân bằng vật chất trong bể phản ứng sinh học ™Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: Tích lũy = Vào – Ra + Sinh ra – Tiêu thụ ™Cân bằng cho chất nền: DÒNG VÀO BỂ PHẢN ỨNG DÒNG RA Chất rắn Xo X Chất nền So X S Q S Q V dS Q Q μ = So − S + 0 − X (2.59) dt V V Y Với S μ = μm (2.60) S + KS dS Q Q S X = So − S − μ max × (2.61) dt V V Ks + S Y 16 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  17. 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng BK TPHCM xáo trộn hoàn toàn 2.6.1. Cân bằng vật chất trong bể phản ứng sinh học ™Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: Tích lũy = Vào – Ra + Sinh ra – Tiêu thụ ™Cân bằng cho chất rắn: : BỂ PHẢN ỨNG DÒNG VÀO DÒNG RA Chất rắn Xo X Chất nền So X S S Q Q V dX Q Q = X o − X + μ .X − kd X (2.62) Hay dt V V dX Q Q S = X o − X + μ max X − kd X (2.63) dt V V Ks + S 17 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  18. BK 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng TPHCM xáo trộn hoàn toàn 2.6.2. Hệ thống có tuần hoàn và không có tuần hoàn chất rắn ™ Bể phản ứng dòng chảy liên tục xáo trộn hoàn toàn có bể lắng nhưng không có dòng tuần hoàn: BỂ PHẢN ỨNG BỂ LẮNG DÒNG VÀO X DÒNG RA Chất rắn Xo S Xe Chất nền So X Q S Q S Q V ™ Bể phản ứng dòng chảy liên tục xáo trộn hoàn toàn có bể lắng nhưng không có dòng tuần hoàn: BỂ PHẢN ỨNG BỂ LẮNG DÒNG VÀO X DÒNG RA Chất rắn Xo S Xe Chất nền So X Q+Qr S Q S Q - Qex V Xr, S, Qr 18 Xr, S, Qex TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  19. BK 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng TPHCM xáo trộn hoàn toàn 2.6.3. Thời gian lưu nước và thời gian lưu chất rắn ™ Thời gian lưu nước t hay θ (hydraulic retention time – HRT) xác định theo: Theå tích nöôùc trong heä thoáng t = HRT = θ = (2.64) Theå tích nöôùc ñi ra khoûi heä thoáng trong moät ñôn vò thôøi gian • Do thể tích nước đi vào bằng thể tích nước đi ra bể phản ứng nên: V t = HRT = θ = (2.65) Q ™ Thời gian lưu chất rắn SRT (solid retention time) hay tuổi bùn θc Khoái löôïng chaát raén trong heä thoáng SRT = θ c = (2.66) Khoái löôïng chaát raén sinh ra trong moät ñôn vò thôøi gian • Ở trạng thái ổn định, lượng chất rắn đi ra khỏi hệ thống bằng lượng chất rắn sinh ra trong hệ thống, khi này tuổi bùn tính theo: Khoái löôïng chaát raén trong heä thoáng SRT = θ c = (2.67) Khoái löôïng chaát raén ñi ra khoûi heä thoáng trong moät ñôn vò thôøi gian 19 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
  20. BK 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng TPHCM xáo trộn hoàn toàn 2.6.3. Thời gian lưu nước và thời gian lưu chất rắn Thời gian lưu chất rắn SRT (solid retention time) hay tuổi bùn θc Khoái löôïng chaát raén trong heä thoáng SRT = θ c = (2.68) Khoái löôïng chaát raén ñi ra khoûi heä thoáng trong moät ñôn vò thôøi gian • Do sản lượng sinh khối được biểu diễn bằng dX/dt, nên (2.68) viết lại như sau: VX X θc = = (2.69) ⎛ dX ⎞ dX / dt V⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠ • Trong phần trước ta có tăng trưởng ròng của vi sinh vật (mẫu số của (2.69) được xác định bởi: dX = μX − k d X = ( μ − kd ) X (2.70) dt • Thay (2.69) vào (2.70) ta có: 1 θc = (2.71) μ − kd 20 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD


intNumView=21

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2