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

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 BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM2 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: Trong đó X = Hàm lưọng sinh khối ở thời gian t (mg/L) Xo = Hàm lưọng sinh khối ở thời gian to (mg/L) μ = Tốc độ sinh trưởng riêng (1/h). ).( 452X dt dX μ= )( ott oeXX −=⇒ μ oo XttX ln)(ln +−= μ o o tt XX − −= lnlnμ Time B i o m a s s c o n c e n t r a t i o n Ln(Xt) Ln(Xo) to t μ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM3 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: ™ Trong đó • μ =Tốc độ sinh trưởng riêng (d-1) • 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). ).( 462 S m KS S += μμ Substrate concentration, mg/L S p e c i f i c g r o w t h r a t e ( μ ) t i m e - 1 μmax μmax 2 Ks BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM4 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) BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM5 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 BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM6 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: ™ Trong đó: ™ kd = hệ số phân hủy nội bào, ngày-1 ™ X = nồng độ của sinh khối, KL/TT ).( 472Xk dt dXr dd −== BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM7 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: ¾kd = 0,04 – 0,1 mg VSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở BOD5) (Metcalf & Eddy, 1991; Von Sperling, 1997) hay ¾kd = 0,05 – 0,12 mgVSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở COD) (EPA, 1993; Orhon và Artan, 1994) • Đối với xử lý kỵ khí: ¾kd = 0,02 mgVSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở COD) (Lettinga et al., 1994) BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM8 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: ™Nuôi cấy liên tục: ).( 482XkX dt dX d−= μ ).(max 492XkXSK S dt dX d s −+= μ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM9 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: Trong đó: 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) ).(* 502 dt dSY dt dX = ).(* 512Xk dt dSY dt dX d−= BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM10 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). BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM11 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. BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM12 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: ™Tốc độ loại bỏ chất nền khi nuôi cấy dạng mẽ dX/dt=µX: ™Tốc độ loại bỏ chất nền khi nuôi cấy liên tục: ).(* 5221 dt dX Ydt dS = ).( 532 Y X dt dS μ= ).(max 542Y X SK S dt dS s + = μ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM13 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,. 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 ).( 552 1 1 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= I S n I m K IKS S K Iμμ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM14 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 ™ Bazua and WilkeHan and Levenspiel ™ Han and Levenspiel 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). ).( 5621 S obs SI m KS S KS S K I +=+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= μμμ ).( . 5721 50 S obs SI m KS S KS S K I +=+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= μμμ ).( 5821 S obs S n I m KS S KS S K I +=+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= μμμ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM15 2.5 Ñoäng hoïc sinh tröôûng vi sinh vaät 2.5.6. Tốc độ sinh trưởng khi có chất ức chế Inhibitor concentration ( I), mass/vol O b s e r v e d s p e c i f i c g r o w t h r a t e ( μ o b s ) , t i m e - 1 KI μmax n = 0.3 n = 0.5n = 1.0 Đường cong mô hình tăng trưởng ức chế (n =1: Ghose and Tyagi; n= 0.5: Bazua and Wilke model) BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM16 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng 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: Với ).( 5920 X Y S V QS V Q dt dS o μ−+−= ).( 602 S m KS S += μμ ).(max 612Y X SK SS V QS V Q dt dS s o ×+−−= μ DÒNG RA X S DÒNG VÀO Chất rắn Xo Chất nền So Q Q X S V BỂ PHẢN ỨNG BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM17 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng 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: : Hay DÒNG RA X S DÒNG VÀO Chất rắn Xo Chất nền So Q Q X S V BỂ PHẢN ỨNG ).(. 622XkXX V QX V Q dt dX do −+−= μ ).(max 632XkXSK SX V QX V Q dt dX d s o −++−= μ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM18 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng 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 dòng chảy liên tục xáo trộn hoàn toàn có bể lắng nhưng không có dòng tuần hoàn: DÒNG RA Xe S Q BỂ PHẢN ỨNG X S Q DÒNG VÀO Chất rắn Xo Chất nền So Q X S V BỂ LẮNG Xr , S, Qex Xr , S, Qr DÒNG RA Xe S Q - Qex BỂ PHẢN ỨNG X S Q+Qr DÒNG VÀO Chất rắn Xo Chất nền So Q X S V BỂ LẮNG BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM19 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng 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: • Do thể tích nước đi vào bằng thể tích nước đi ra bể phản ứng nên: ™ Thời gian lưu chất rắn SRT (solid retention time) hay tuổi bùn θc • 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: ).( 642 gianthôøivòñônmoättrongthoángheäkhoûirañinöôùctíchTheå thoángheätrongnöôùctíchTheåHRTt === θ ).( 652 Q VHRTt === θ ).( sinh 662 gianthôøivòñônmoättrongraraénchaátlöôïngKhoái thoángheätrongraénchaátlöôïngKhoáiSRT c ==θ ).( 672 gianthôøivòñônmoättrongthoángheäkhoûirañiraénchaátlöôïngKhoái thoángheätrongraénchaátlöôïngKhoáiSRT c ==θ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM20 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng 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 • Do sản lượng sinh khối được biểu diễn bằng dX/dt, nên (2.68) viết lại như sau: • Trong phần trước ta có tăng trưởng ròng của vi sinh vật (mẫu số của (2.69) được xác định bởi: • Thay (2.69) vào (2.70) ta có: ).( 682 gianthôøivòñônmoättrongthoángheäkhoûirañiraénchaátlöôïngKhoái thoángheätrongraénchaátlöôïngKhoáiSRT c ==θ ).( / 692 dtdX X dt dXV VX c = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=θ ).()( 702XkXkX dt dX dd −=−= μμ ).( 7121 d c k−= μθ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM21 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.3. Thời gian lưu nước và thời gian lưu chất rắn Ví dụ 2.11: Xác định thời gian lưu nước và tuổi bùn của hệ thống XLNT biết thể tích bể phản ứng là V = 9000 m3 và các thông số sau: • Lưu lượng nước thải vào: Q = 3000 m3/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 • Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại: µmax = 3,0 ngày-1. • Hệ số sản lượng Y = 0,6 mgVSS/mgBOD5 . • Hệ số hô hấp nội bào: Kd = 0,06 ngày-1. BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM22 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.3. Thời gian rửa trôi tế bào (Cell wash-out time) ™ Thời gian lưu tế bào trong bể phản ứng (θc) phải lớn hơn thời gian cần thiết để tế bào vi sinh vật tự nhân đôi, nếu không tế bào sẽ bị rửa trôi ra ngoài khỏi hệ thống trước khi nó tự nhân đôi. ™ Điều này dẫn đến kết quả là nồng độ sinh khối trong bể phản ứng giảm dần và hệ thống sẽ đi đến sụp đổ hoàn toàn. ™ Ta có tăng trưởng ròng của vi sinh vật được xác định bởi: Hay: ™ Lấy tích phân hai vế phương trình này từ t =0 đến t = t, ta có: Trong đó: X = nồng độ vi sinh vật ở thời điểm t Xo = nồng độ vi sinh vật ở thời điểm t = 0 ).()( 492Xk dt dX d−= μ ).()( 722dtk X dX d−= μ ).()(ln 732tk X X d o −= μ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM23 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.3. Thời gian rửa trôi tế bào (Cell wash-out time) ™ Đây là giai đoạn tăng trưởng theo quy luật hàm mũ, nếu vẽ trên hệ trục logarit thì nó là tăng trưởng theo đường thẳng. Thời gian để vi sinh vật nhân đôi tức là thời gian cần thiết để X = 2Xo, hay: ™ Do đó thời gian nhân đôi (duplication time) được tính theo: ).()(ln 742tk X X d o −= μ ).()(ln 7522 tkd−= μ ).(ln 7622 d dup k t −= μ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM24 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.3. Thời gian rửa trôi tế bào (Cell wash-out time) Trên cơ sở thời gian lưu nước, thời gian lưu bùn và thời gian cần thiết nhân đôi, các lưu ý sau đây phải được xem xét khi thiết kế hệ thống xử lý: ™ Hệ thống tăng trưởng lơ lững không có dòng tuần hoàn (t = θc): trong trường hợp này thời gian lưu nước cần lớn hơn thời gian cần thiết để nhân đôi tế bào. Điều kiện này cần áp dụng cho các hồ thổi khí xáo trộn hoàn toàn, tức là kích thước hồ phải thỏa mãn yêu cầu này. ™ Hệ thống tăng trưởng lơ lững có dòng tuần hoàn (θc > t): trong các hệ thống này lưu lượng xả bùn dư phải điều chỉnh sao cho duy trì θc > tdup, trong khi thời gian lưu nước vẫn có thể duy trì ở mức nhỏ nhất (thể tích bể phản ứng nhỏ nhất). Tuần hoàn bùn là cách làm tăng θc mà không cần tăng t (hay V). ™ Đặc biệt trong các hệ thống lên men methane trong điều kiện kỵ khí và hệ thống oxy hóa ammonia trong điều kiện kỵ khí, thời gian lưu chất rắn phải đảm bảo lớn hơn nhiều, bởi vì tốc độ tăng trường của vi khuẩn lên men mêtan hóa và vi khuẩn nitrate hóa rất chậm. Điều này làm cho tế bào vi sinh vật có nguy cơ cao trôi ra khỏi bể phản ứng. BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM25 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.4. Nồng độ chất rắn lơ lững trong bể phản ứng Nồng độ chất rắn lơ lững trong bể phản ứng có tuần hoàn chất rắn ở trạng thái ổn định: Trong bể phản ứng không có dòng tuần hoàn chất rắn thì θc = t, công thức trên trở thành: ).()( 772 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + −= tk SSYX c cd o θ θ ).()( 782 1 cd o k SSYX θ+ −= BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM26 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.4. Nồng độ chất rắn lơ lững trong bể phản ứng Ví dụ 2.12: Xác định nồng độ chất rắn trong bể phản ứng với các điều kiện sau đây: • Hệ thống hồ thổi khí xáo trộn hoàn toàn không dòng tuần hoàn: t = θc = 5 ngày. • Hệ thống bùn họat tính thông thường có dòng tuần hoàn: t = 0,25 ngày và θc = 5 ngày. • Các thông số động học: Y = 0,6; kd = 0,07 ngày-1; So = 300 mg/L; S = 15 mg/L. BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM27 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.5. Nồng độ chất nền trong đầu ra ™ Ta có tuổi bùn tính theo công thức (2.71): Hay: Suy ra: ™ Về mặt toán học, ta thấy nồng độ BOD đầu ra S không phụ thuộc vào nồng độ BOD đầu vào So và các thông số động học Ks, Kd, µmax là hằng số nên S chỉ phụ thuộc vào θc. ).().( 79217121 d cd c kk −=⇒−= μθμθ ).(max 802 1 d sc k SK S −+= μθ ( )[ ] ( )[ ] ).(/ / max 812 1 1 dc dcs K KKS +− += θμ θ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM28 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.5. Nồng độ chất nền trong đầu ra ™ Về mặt lý thuyết, nồng độ cơ chất nhỏ nhất có thể đạt được trong hệ thống khi tuổi bùn θc tiến đến vô cực. Khi này 1/θc tiến đến zero, ™ Thay vào (2.81) ta sẽ có được nồng độ BOD đầu ra nhỏ nhất có thể Smin. Smin không phụ thuộc vào sự có mặt của dòng tuần hoàn mà chỉ phụ thuộc vào các hệ số động học. ( )[ ] ( )[ ] ).(/ / max 812 1 1 dc dcs K KKS +− += θμ θ ).( max min 822 d ds K KKS −= μ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM29 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.6. Tải trọng bùn hay tỷ số F/M (Food-to-microorganism ratio) • Một đại lượng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế và vật hành nhà máy xử lý nước thải là tải trọng bùn hay tỷ số F/M. • F/M đặc trưng cho lượng thực phẩm hay chất nền có sẵn tính trên một đơn vị khối lượng vi sinh vật (sinh khối). • Tải lượng thức ăn cung cấp tính theo công thức: • F = Q.So (2.83) • Khối lượng sinh khối tính theo công thức: M = V.Xv (2.84) Xv = Nồng độ chất rắn lơ lững bay hơi (g/m3) • Do đó, F/M tính theo công thức: F/M là tải trọng bùn tính bằng gBOD5 cung cấp/gVSS.ngày • Ta có Q/V = 1/t = 1/θ, thế vào 9.51 ta có : ).( 852 v o VX QS M F = ).( 862 v o X S M F θ= BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM30 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.6. Tải trọng bùn hay tỷ số F/M (Food-to-microorganism ratio) ™ Nói một cách chính xác, tỷ số F/M không phản ánh trực tiếp hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ xảy ra trong bể phản ứng bởi vì tỷ số F/M chỉ phản ánh tải trọng có sẵn áp dụng cho bể phản ứng. ™ Công thức biểu diễn quan hệ giữa chất nền có sẵn và chất nền loại bỏ là tốc độ sử dụng chất nền U, thay So bằng So – S trong công thức tính F/M ta có: Trong đó : S = nồng độ BOD trong đầu ra (g/m3) ™ U và F/M liên hệ với nhau qua hiệu quả xử lý E như sau: Trong đó: E = (So –S)*100/So ).()()( 872 v o v o X SS VX SSQU θ −=−= ).()/( 892 100 EMFU = ).()( 882 v o UX SSQV −=⇒ BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM31 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.6. Tải trọng bùn hay tỷ số F/M (Food-to-microorganism ratio) Ví dụ 2.13: Tính toán giá trị F/M và U trong nhà máy xử lý nước thải có tuần hoàn bùn với các số liệu sau: ™So = 300 gBOD5/m3 ™S = 15 gBOD5/m3 ™t = 0,25 ngày ™Xv = 2540 gVSS/m3 Ví dụ 2.14: Tính toán thể tích của hệ thống aeroten thổi khí kéo dài, biết các thông số kỹ thuật và vận hành như sau: ™U = 0,12 kgBOD5/kgVSS.ngày ™Q = 5000 m3/ngày ™So = 340 mg/L ™S = 5 mg/L ™Xv = 3500 mg/L BK TPHCM TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM32 2.6 Mô hình hóa chất nền và sinh khối trong bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn 2.6.7. Tải trọng hữu cơ thể tích (volumetric organic load) ™ Tải trọng hữu cơ thể tích là lượng BOD hoặc COD được sử dụng trên thể tích bể làm thoáng mỗi ngày Trong đó Lorg = Tải lượng hữu cơ thể tích, g BOD5 /m3.ngày Q = Lưu lượng nước thải vào, m3/ngày So = Nồng độ BOD5 vào, g/m3 V = Thể tích bể làm thoáng (aeration tank), m3 ™ Nếu chọn được tải trọng hữu cơ thể tích thiết kế của bể phản ứng thì có thể tính thể tích bể theo công thức sau: ).( 902θ oo org S V QSL == ).( 912 org