Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 4: Quá trình sinh trưởng bám dính (Phần 1) có nội dung giới thiệu về quá trình sinh trưởng bám dính, quá trình xử lý sinh trưởng bám dính, quá trình xử lý sinh trưởng bám dính hiếu khí, dòng cơ chất trong màng sinh học,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết dội dung bài giảng.
BK TPHCM
(Attached-Growth Treatment Processes)
(Biofilm
reactor)
BK TPHCM
GIỚI THIỆU QUAÙ TRÌNH SINH TRÖÔÛNG BAÙM DÍNH
(cid:153) Quá trình sinh học bám dính (STBD) là quá trình trong đó màng sinh học (biological slimes) hình thành trên các giá thể (media) để đồng hóa (assimilate) và oxy hóa (oxidize) các chất ô nhiễm trong nước thải.
2
BK TPHCM
(cid:153) Quaù trình STBD coù theå hoïat ñoäng nhö quaù trình
(cid:153)Giaù theå coá ñònh coù theå ñaët ngaäp trong nöôùc
3
BK TPHCM
QUAQUAÙÙ QUAÙ TRÌNH XÖÛÖÛ TRÌNH X TRÌNH XÖÛ
M DM DÍÍNHNH SINH TRÖÖÔÔÛÛ SINH TR SINH TRÖÔÛNG BAÙM DÍNH NG BAÙÙ NG BA LYLYÙÙ LYÙ
(cid:153) Maøng sinh hoïc goàm coù nhöõng VSV, caën/haït, vaø polymer ngoaïi baøo baùm dính vaø bao phuû beà maët giaù theå (nhöïa, ñaù) .
(cid:153) Ñoä daøy maøng sinh hoïc = 100μm ñeán 10mm.
(cid:153) Trong thöïc teá lôùp maøng sinh hoïc raát phöùc taïp, caáu
truùc khoâng ñoàng ñeàu.
(cid:153) Noàng ñoä VSS cuûa maøng sinh hoïc coù theå khoaûng töø 40
– 100 g/L.
(cid:153) Khoâng coù söï phaùt trieån ñoàng ñeàu cuûa MSH trong lôùp giaù theå vaät lieäu, bôûi vì chuùng seõ bò bong ra khoûi giaù theå theo ñònh kì.
4
BK TPHCM
NH HIEÁÁ M DM DÍÍNH HIE QUAQUAÙÙ QUAÙ
U KHU KHÍÍ SINH TRÖÖÔÔÛÛ SINH TR SINH TRÖÔÛNG BAÙM DÍNH HIEÁU KHÍ NG BAÙÙ NG BA TRÌNH XÖÛÖÛ TRÌNH X TRÌNH XÖÛ GROWTH TREATMENT PROCESSES) (AEROBIC ATTACHED--GROWTH TREATMENT PROCESSES) (AEROBIC ATTACHED (AEROBIC ATTACHED-GROWTH TREATMENT PROCESSES) LYLYÙÙ LYÙ
(cid:153) Quaù trình taêng tröôûng hieáu khí baùm dính ñöôïc söû duïng ñeã khöû chaát höõu cô vaø thöïc hieän quaù trình nitrat hoùa.
(cid:57) Loïc sinh hoïc nhoû gioït (trickling filter)
(cid:57) Loïc sinh hoïc cao taûi (roughing filter)
(cid:57) Beå sinh hoïc tieáp xuùc quay (rotating biological contactor -
(cid:153) Caùc coâng trình söû duïng quaù trình naøy bao goàm:
(cid:57) Beå nitrat hoùa maøng dính baùm (fix-film nitrification reactor)
(cid:57) Beå
(cid:153) Caùc coâng trình naøy coù theå chòu ñöôïc taûi troïng shock
vaø söï thay ñoåi nhieät ñoä.
5
BK TPHCM
C STBD HIEÁÁ C STBD HIE
I BEI BEÅÅ PHAÂN LOAÏÏ PHAÂN LOA PHAÂN LOAÏI BEÅ U KHU KHÍÍ SINH HOÏÏ SINH HO SINH HOÏC STBD HIEÁU KHÍ
hoạt tính
học tiếp
quay (RBC)
học hiếu khí tiếp xúc
oxy hóa
(OD)
•Lọc sinh học •Bể sinh (contact aerator).
học tầng
sinh
giá
– SAF) thể động
•Lọc sinh học •Bể sinh •Lọc sinh học hiếu khí vật liệu ngập (submerged aerated biofilter •Bể (moving bed bioreactor -
MBBR)
6
BK TPHCM
Q, S
(cid:153) Lôùp maøng vi sinh vaät lôùp: Lôùp chia thaønh hai maøng kò khí ôû beân trong vaø lôùp maøng hieáu khí ôû beân ngoaøi.
(cid:153) Maøng vi sinh luoân toàn taïi ñoàng thôøi vi sinh vaät kò khí vaø vi sinh vaät hieáu khí
(cid:153) Oxy hoaø tan trong nöôùc chæ khueách taùn vaøo gaàn beà maët maøng
Q, S+(ΔS/∆z)dz
7
BK TPHCM
dS
dS
AD− s e
−
AD e
s
f dx
x
f dx
x
x Δ+
Sb
Ss
8
Hình veõ: Moâ hình hoùa lôùp maøng vi sinh vaät
BK TPHCM
NG CÔ CHAÁÁ NG CÔ CHA NG SINH HOÏÏ NG SINH HO CC T TRONG MAØØ DODOØØ T TRONG MA DOØNG CÔ CHAÁT TRONG MAØNG SINH HOÏC
(cid:153) Dòng cơ chất xuyên qua lớp nước tĨnh là một hàm số của
hệ số khuếch tán cơ chất và nồng độ cơ chất:
b
s
w
w
(cid:153) Sử dụng dấu (-) vì nồng độ cơ chất giảm dần dọc theo lớp
số
khuếch tán cơ chất trong nước, m2/ngày
Dw = hệ dS/dx
= gradient nồng độ cơ chất, g/m3.m
= nồng độ cơ chất trong khối chất lỏng, g/m3
= nồng độ cơ chất trên bề mặt màng sinh học, g/m3
Sb Ss L = Độ
dày hiệu quả của màng nhầy, m
nước tĩnh và cơ chất được loại bỏ từ khối chất lỏng
9
BK TPHCM
NG CÔ CHAÁÁ NG CÔ CHA NG SINH HOÏÏ NG SINH HO CC T TRONG MAØØ DODOØØ T TRONG MA DOØNG CÔ CHAÁT TRONG MAØNG SINH HOÏC
(cid:153) Qúa trình truyền khối trong màng sinh học được mô tả bởi
định luật Fick’s cho sự khuếch tán trong dung dịch: S ∂
f x ∂ = Tốc độ dòng cơ chất trong màng sinh học do truyền khối, g/m2.ngày
khuếch tán trong màng sinh học, m2/ngày
số
= Hệ
/∂x
= gradient nồng độ cơ chất, g/m3.m
rbf De ∂Sf (cid:153) Tốc độ sử dụng cơ chất trong màng sinh học ở mọi điểm:
−=
).( 34
r su
XkS f SK + s
f
= Tốc độ
sử
dụng cơ chất trong màng sinh học, g/m2.ngày
= Nồng độ cơ chất ở 1 điểm trong màng sinh học, g/m3
rsu 10 Sf
BK TPHCM
NG CÔ CHAÁÁ NG CÔ CHA NG SINH HOÏÏ NG SINH HO T CHO MAØØ T CHO MA CC CAÂN BAÈÈ CAÂN BA CAÂN BAÈNG KHOÁI LÖÔÏNG CÔ CHAÁT CHO MAØNG SINH HOÏC
NG KHOÁÁ NG KHO I LI LÖÖÔÔÏÏ (cid:153) Cân bằng khối lượng cơ chất cho vi phân thể tích xung
quanh (dx) trong màng sinh học:
(cid:153) Trong điều kiện ổn định, cân bằng khối lượng là:
dS
dS
0
−=
+
).( 44
AD e s
AD e s
Tích lũy = vào -
f dx
f dx
XkS f SK + s
f
x
⎛ ⎜ ⎜ ⎝
xA Δ− s
x x Δ+ = Diện tích MSH tiếp xúc với dòng cơ chất, m2
ra + phát sinh ⎞ ⎟ ⎟ ⎠
As ∆x = Khoảng biến thiên, m
11
BK TPHCM
NG CÔ CHAÁÁ NG CÔ CHA NG SINH HOÏÏ NG SINH HO T CHO MAØØ T CHO MA
NG KHOÁÁ NG KHO I LI LÖÖÔÔÏÏ
CC CAÂN BAÈÈ CAÂN BA CAÂN BAÈNG KHOÁI LÖÔÏNG CÔ CHAÁT CHO MAØNG SINH HOÏC (cid:153) Chia 2 vế cho As và dx, và lấy biên từ ∆x đến 0 (cid:206) thu
0
=
−
).( 54
D e
2 Sd f 2
dx
XkS f SK + s
f
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
⎛ ⎜ ⎜ ⎝
được phương trình cho sự thay đổi nồng độ cơ chất trong MSH.
(cid:153) Để giải phương trình trên cần 2 điều kiện biên:
(cid:57)Dòng cơ chất ở bề mặt màng sinh học bằng với dòng cơ
chất xuyên qua lớp màng tĩnh
0=
).( 64
f dx
=Lx
(cid:57)Không có dòng ở bề mặt giá thể. dS
12
BK TPHCM
13
BK TPHCM
Secondary treatment
Primary treatment
disposal
Recycled flow
screenings
grit
scum
Qr
Primary sedimentation tank
Secondary sedimentation tank
Raw sewage
Q, So
Treated effluent Q, S
Grit chamber
Fine bar screens
Primary sludge
High rate trickling filter
Disinfectant (chlorine)
Sludge thickening
Belt press or sludge lagoon
Sludge disposal
Anaerobic digestion
Sludge treatment
14
BK TPHCM
phun VòVòi i phun
liliệệuu lọ lọcc
VVậậtt
hơihơi
thông LôLỗ ̃ thông
nnướướcc thuthu
sàsànn
VàVàoo
RaRa
TTớới i xưxử ̉ lylý ́ bùbù nn
(cid:153) Màng nhầy vi sinh vật phủ lên bề mặt vật liệu lọc. Màng nhầy là quần thể vi
(cid:153) Áp dụng: Tương tự BHT (cid:153) Thuận lợi: Tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí QL và VH thấp (cid:153) Bất lợi: Đòi hỏi diện tích rộng, có mùi hôi. 15
BK TPHCM
16
BK TPHCM
BEBEÅÅ BEÅ
CC C SINH HOÏÏ LOLOÏÏ C SINH HO LOÏC SINH HOÏC
17
BK TPHCM
BEBEÅÅ BEÅ
CC C SINH HOÏÏ LOLOÏÏ C SINH HO LOÏC SINH HOÏC
18
BK TPHCM
19
BK TPHCM
(cid:153) Taûi troïng thuyû löïc hay taûi troïng beà maët (Hydraulic
3
Löu
=
Taûi
troïng
beà =maët
184 .( )
QQ + r A
m 2 ngay
m
löôïng nöôùc thaûi tích Dieän beå loïc
⎡ ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
loading rate - HRT):
R
.( 194 )
Q r= Q
(cid:153) Tæ soá tuaàn hoaøn (Recirculation ratio):
=
Taûi
troïng
höõu
=cô
204 .( )
3
SQ o × V
kgBOD ngay m
Taûi troïng tích Theå
BOD loïc beå
⎡ ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
(cid:153) Taûi troïng höõu cô (Organic loading rate - OLR):
20
BK TPHCM
•
•
•
21
BK TPHCM
Lọc tải trọng (Trickling filter) (1)
(cid:153) Lọc tải trọng thấp tương đối tương giản, bể lọc có hình dạng tròn hoặc hình chữ nhật. Thông thường, lưu lượng được cung cấp từ bể trộn nước thải vào và dòng tuần hoàn.
(cid:153) Bể trộn nhỏ, thường thời gian lưu nước chỉ 2 phút dựa trên lưu lượng thiết kế trung bình, Ở những hệ thống nhỏ, lưu lượng vào ban đêm ít lượng nước đầu vàob ị gián đoạn và dòng tuần hoàn cần thiết để giữ độ ẩm cho giá thể tiếp xúc (US.EPA, 1974).
(cid:153) Nếu dòng vào bể lọc ngừng lâu hơn 1 hoặc 2 giờ, hiệu quả của xử lý của bể lọc kém hơn vì tính chất chất nhờn sinh học thayđổi do thi ếu độ ẩm.
22
BK TPHCM
(cid:153) Phần lớn lọc sinh học tải trọng thấp, giá thể tiếp xúc cao nhất khoảng 0,6 đến 1,2 m sẽ có chất nhờn sinh học đáng kể. Kết quả là những vi trí phía dưới của vật liệu lọc có thể là nơi cư trú của những vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá, oxi hoá ammonia thành dạng nitrit và nitrat.
(cid:153) Nếu mật độ VK nitrat hoá đã thích nghi tốt, và nếu điều kiện khíh ậu vàđặ c tính nước thải thuận lợi thì lọc tải trọng thấp hoạt động tốt có thể xử lý BOD và nitrat hoá hiệu quả cao.
(cid:153) Mùi là vấn đề cần quan tâm, đặc biệt nếu nước thải ôi hoặc gây thối, hoặc nếu thời tiết ấm. Lọc sinh học tải trọng thấp không nên đặc ở những vị trí mà mùi sẽ gây nên mùi khó chịu.
23
BK TPHCM
độ
bình Lọc tốc
(cid:153) Lọc tải trọng cao cũng sử dụng đá hoặc giá thể tiếp xúc plastic. Lọc thường được tuần hoàn và lưu lượng vào liên tục.
(cid:153) Tuần hoàn đầu ra của lọc hay đầu ra cuối cùng với tải trọng hữu cơ cao, cung cấp lưu lượng cao cho lọc để cải thiện sự phân bố nước thải; điều khiển chiều dày lớp nhờn, cung cấp nhiều oxi trong lưu lượng nước thải đầu vào; vàtu ần hoàn những vi sinh vật có thể tồn tại.
(cid:153) Tuần hoàn cũng giúp ngăn chặn và làm giảm mùi và
ruồi (US.EPA, 1974).
(cid:153) Lọc sinh học tải trọng cao và trung bình có thể được
thiết kế là quá trình 1 hoặc 2 bậc.
24
BK TPHCM
25
BK TPHCM
hiện nitrat hoá được yêu cầu.
(cid:153)Hệ thống 1 bậc gồm lọc bậc và bể lắng trung gian làm giảm CBOD, và thực hiện nitrat hoá xảy ra trong bậc 2.
26
BK TPHCM
(cid:153) Cả việc khử BOD và nitrat hoá có thể hoàn toàn trong lọc sinh học nhỏ giọt giá thể tiếp xúc đá hoặc plastic ở tải lượng hữu cơ thấp (Stenquist với cộng sự ,1974; Parker và Richards, 1986).
(cid:153) Vi khuẩn dị dưỡng với hệ số sản lượng cao và tốc độ phát triển nhanh, cạnh tranh nhiều hơn vi khuẩn nitrat hoá đối với khoảng trống trên giá thể tiếp xúc màng cố định. Do đó, nitrat hoá chỉ xảy ra sau khi nồng BOD giảm đáng kể.
(cid:153) Bruce với cộng sự (1975) đã chứng minh rằng BOD đầu ra thấp hơn 30 mg/L thì nitrat hoá mới bắt đầu và BOD <15 mg/L nitrat xảy ra hoàn toàn.
(cid:153) Harremoes (1982) đã xem xét kỹ BOD hoà tan, và đã kết luận rằng nồng độ BOD <20 mg/L cần để nitrat hoá xảy ra.
27
BK TPHCM
28
BK TPHCM
2,5-7,5
1250-1450
60
N
50
Đá (nhỏ)
10-13
800-1000
45
C, CN, N
60
Đá (lớn)
61 x 61 x 122
30-80
90
C, CN, N
>95
Plastic thường
N
>94
61 x 61 x 122
65-95
140
diện mặt
Plastic- bề tích riêng
Thay
30-60
98
80
C, CN, N
đổi
cao tiếp thể Giá plastic xúc tiện- tùy thông thường.
Thay
50 -80
150
70
N
bề
đổi
Diện mặt
tích riêng
29
BK TPHCM
361
510 −×
)(
AL /
)
eD
N
=
,()
Trong
đó:
thủy lực, kg/h
10 33 , ( p D = chiều cao vật liệu lọc, m L tải trọng A = diện tích mặt cắt
ngang
của bể
lọc, m2
(cid:153)Hệ số hiệu chỉnh Np lấy theo bảng sau:
Đá
45
2
Plastic
100
1,3
Plastic
140
1,6
nhiên
Plastic ngẫu
100
1,6
30
