Đồ án Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải

hoạt động của quá trình sinh học: Hiệu ứng của các vi sinh vật: Các quá trình sinh học ( lên men ) đều liên quan đến sự sinh khối mà vai trò chủ đạo là các enzym thực hiện các chức năng xúc tác khác nhau. Việc điều chỉnh và thích nghi của các qúa trình sinh học phụ thuộc không chỉ vào lượng enzym mà còn phụ thuộc vào hoạt độ của chúng trong những điều kiện xác định. Trong quá trình tồn tại & phát triển của mình, các enzym, đều thực hiện nhiều quá trình biến đổi sinh hoá theo hướng tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp tuỳ thuộc vào thành phần của mỗi một tế bào sống. Các quá trình xẩy ra trong tế bào thường được thực hiện từ dạng này sang dạng khác, từ thấp đến cao và từ đơn giản đến phức tạp. Đối với các quá trình sinh học trong xử lý nước thải, các nhà nghiên cứu cho rằng, có đến 70-90% các chất hữu cơ được chuyển hoá trong quá trình xử lý. Để nghiên cứu hiệu ứng này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các quá trình bùn hoạt tính, sử dụng thiết bị kỵ khí và điều kiện kỵ khí trong hồ sinh học hiếu khí với các loại vi sinh vật, khuẩn hoặc các enzym protozoa. Các nghiên cứu được cho trong bảng sau: Bảng II.2: Phân tích sinh thái đối với các hệ vi sinh vật: 1 - Hệ có phân định rõ ranh giới 2 - Hiệu lực của các biến đổi hoá học chủ yếu. 3 - Xác địng rõ chất lượng các vi sinh vật 4 - Số các vi sinh vật quan trọng 5 - Phát hiện các phản ứng có sự tham gia của các vi sinh vật quan trọng. 6 - Động học và định lượng các phản ứng xác định 7 - Động lực chính trong các thiết bị sinh học 8 - Tác dụng về môi trường của tất cả các hệ tiến hành nghiên cứu. Các nghiên cứu cho thấy, khi có hai hay nhiều tổ hợp vi sinh vật có khả năng tạo năng lượng từ nguồn chứa Cacbon còn các yếu tố khác là cân bằng thì vi sinh vật có khả năng ( tỷ lệ ) phát triển cao nhất sẽ phát triển và thống trị. Còn nếu hệ là một hệ hoàn toàn mở thì vi sinh vật có tỷ lệ phát triển thấp nhất sẽ bị đào thải khỏi hệ thống. Trong tình huống có vật săn mồi thì vật săn mồi sẽ hoàn toàn chiếm giữ nồng độ mồi. Trong thực tế có thể có nhiều vật săn mồi, lượng và chủng loại phụ thuộc hoàn toàn vào loại mồi có trong nước thải. Trong tình huống có nhiều mồi vi sinh vật thì sẽ có một loài ở trên các loài khác. Trong hoạt động sống của mình, các sinh vật còn có các quan hệ sống ký sinh với nhau. Trong một hệ luôn tồn tại nhiều loại vi sinh vật mà các tác động vi sinh của chúng có thể hỗ trợ hoặc kìm hãm nhau. Các vi sinh vật điển hình thường được nghiên cứu trong xử lý nước thải là: S. Serevisiae, P. Vulgaris, D. Discoideum, B. polymixa hay E. Coli v.v. Các phương trình toán học của hệ thường được lập và giải bằng máy tính. Các kết quả cho thấy: Các vi sinh vật trong hệ liên tục sẽ phát triển với lượng các vi sinh vật sơ khai bị giới hạn bởi các chất dinh dưỡng ở mức độ trung bình. Các loài săn mồi nhỏ hơn sẽ bám trên các vi sinh vật sơ khai và bản thân chúng lại là mồi cho các loài săn mồi lớn hơn. Tại thời điểm đầu, nồng độ các vật săn mồi lớn còn nhỏ nên tác động của chúng đối với hệ là không đáng kể. Khi số lượng các vật săn mồi lớn tăng lên, chúng sẽ ăn thịt các loại nhỏ hơn. Sự vận chuyển ôxy: Đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý. Các nghiên cứu cho thấy rằng: Sục khí trong quá trình sinh học có hai chức năng, một là cấp ôxy cho nhu cầu của vi sinh vật, hai là khuấy trộn tạo hỗn hợp. Vai trò của ôxy trong các quá trình sinh học chủ yếu nhằm tách loại H2S và NH3 cũng như cung cấp ôxy cho hoạt động sống của vi sinh vật. Quá trình cung cấp ôxy là tuân theo định luật Fick biểu diễn bằng phương trình: N = -DLAdc/dy Trong đó: N - Lượng ôxy cung cấp trong một đơn vị thời gian, A - Diện tích mặt cắt ngang của bề mặt cấp khí, dc/dy - Gradient nồng độ tại mặt cắt cấp khí, DL - Hệ số khuếch tán. Thực nghiệm cho thấy, tính chất vật lý, sinh học của quá trình lên men và xử lý nước thải được cho trong bảng II.3 dưới đây: Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi hệ số cấp ôxy tăng thì công suất tiêu thụ cho một đơn vị thể tích thiết bị giảm xuống, quá trình thể hiện rõ nét nhất là trong xử lý nước cống. Ngoài ra, việc cấp ôxy trong quá trình xử lý chất thải công nghiệp là hiệu quả hơn quá lên men. Lý do cơ bản là do nhu cầu ôxy trong xử lý chất thải là thấp và có thể sử dụng một cách tối ưu năng lượng cho việc cấp ôxy tại chỗ và cho tạo hỗn hợp lỏng - khí. Mặt khác, khi nhu cầu ôxy của quá trình còn thấp thì ta dễ dàng xác định được đâu là ôxy cho nhu cầu của vi sinh vật và đâu là ôxy cho tạo hỗn hợp. Bảng II.3: So sánh một vài tính chất lý học & sinh học của quá trình lên men và quá trình xử lý chất thải thứ cấp. Tính chất Xử lý chất thải Lên men công nghiệp Khoảng nhiệt độ, 0C 10 - 30 ± 5 20 - 50 ± 0,5 Khoảng độ nhớt, cp 1- 10 1 - 1000 Nồng độ chất 0,1 - 5 g/lít 5 - 40 g/lít Tải lượng BOD, ppm 100 - 5000 5000 - 40000 Kích thước thiết bị, galon 50.000 - 400.000 250 - 40.000 ảnh hưởng của các chất trong môi trường: Thành phần hoá học cũng như sự sinh trưởng, phát triển của các tế bào vi sinh vật phụ thuộc mạnh vào thành phần của môi trường. Các chất có ảnh hưởng nhất đối với Vi sinh vật là các cetoaxit, các chất cơ photphor , Pentoza, Hectoza, Malat, Acetat và nhiều chất khác. Các chất có ảnh hưởng đến việc tạo thành các phần tử sinh học là các loại Aminoaxit, Mononycleotit, Xacaro, axit béo, các chất họ Glixxerit, các chất chứa Carbon, Canxi v.v. ( 1 ) Các nguyên tố vi lượng như: Ca, Mg, K, Nitơ, Photphor v.v. sẽ thúc đẩy sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật. Theo các nhà nghiên cứu ( 2 ) thì khi phân tử lượng của chất tăng thì khả năng phân huỷ giảm xuống. Nếu các nhóm chức gắn ngay đầu mạch Carbon cơ bản thì phản ứng phân huỷ sinh hoá xẩy ra sẽ không phụ thuộc vào trọng lượng phân tử. Tỷ lệ phân huỷ sẽ giảm khi chiều dài mạch Carbon tăng Khi các nhóm chức nằm trong mạch Carbon thì tỷ lệ phân huỷ sẽ tăng mạnh không phụ thuộc vào vị trí của nhóm chức. Sự có mặt của các nhánh trong mạch thẳng sẽ làm giảm tỷ lệ phân huỷ chỉ trong một số trường hợp, chẳng hạn như butanol - Izobutanol. Sự có mặt của các nối đôi sẽ không cản trở quá trình phân huỷ sinh hoá chẳng hạn Natri Oleat và Natri Stearat. Sự có mặt của các nhóm chức trong cấu tạo phân tử chất sẽ ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật Ngoài sự có mặt của các chất có lợi cho sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật, trong nước thải còn có thể chứa nhiều các chất có độc tính đối với sự phát triển của vi sinh vật. Theo các công trình nghiên cứu ( 2 ), độc tính của một vài chất đối với sự phát triển của khuẩn Escherichia coli, Pseudomonas và nhiều loại khuẩn khác thường là các hợp chất như Chloamine, Quinhydron, p - Aminophenol, Nitroglycerine, Pyrogallol v.v. nhưng các hợp chất loại này thường là ít và chỉ đặc trưng ở một vài loại nước thải. Sự có mặt của một số kim loại nặng như: Cd, Pb, Mn, Cr, As v.v. sẽ kìm hãm sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật. PH của môi trường: pH thích hợp của môi trường cho sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật là 5,5 - 7,5. ảnh hưởng của pH đối với vi sinh vật được biểu thị thông qua ảnh hưởng của pH đối với hàm kìm hãm ( ngăn cản ) được cho trong giản đồ hình 11: Hệ số phát triển đặc trưng m PH = 7,0 PH = 6,5 PH = 6,0 Nồng độ chất tổng, S Hình11: ảnh hưởng của pH đối với hàm kìm hãm 6. Cơ chế tách loại các chất bẩn trong nước thải bằng vi sinh vật: Quá trình tách loại các chất hữu cơ trong nước bằng phương pháp sinh học xẩy ra theo các cơ chế sau: + Sự thấm hút bề mặt: Sự thấm hút giới hạn các chất hữu cơ phân huỷ lên bề mặt chất rắn có hoạt tính sinh học thực hiện được với một số chất hữu cơ và đây không phải là cơ chế ban đầu của việc tách loại các chất hữu cơ. Các nhà nghiên cứu cho rằng, trong sinh khối không thấy được tín hiệu của việc tách loại các chất hữu cơ có độc tính nhưng lại thấy được tín hiệu của việc thấm hút lên chất rắn lơ lửng trong quá trình xử lý sơ bộ. Trong khi việc thấm hút các chất hữu cơ lên sinh khối thường không có ý nghĩa thì nó lại có giá trị đối với các kim loại nặng. Các kim loại sẽ tạo phức với thành tế bào cùng với quá trình sinh khối. Khi nồng độ kim loại trong nước thải là thấp thì hiệu quả tách loại chất hữu cơ nhìn chung sẽ không có giá trị lớn, sự có mặt của chúng trong bùn có thể đánh giá được hiệu quả xử lý bùn và vận hành hệ thống. + Cơ chế tẩy màu: Carbon hữu cơ dễ bay hơi, trong quá trình xử lý sinh học như: Lọc nhỏ giọt, bùn hoạt tính, hồ sinh học v.v. sẽ thoát vào không khí. + Qúa trình thối rữa: Các chất hữu cơ bị vi sinh vật tách khỏi dung dịch bằng hai cách cơ bản sau: Ôxy được vi sinh vật sử dụng cho việc tạo năng lượng và tổng hợp sinh khối mới. Các vi sinh vật cũng chịu sự tự ôxy hoá trong tế bào chất của chúng. Các phản ứng này có thể được diễn tả như sau: Tế bào Chất hữu cơ + aO2 + N + P đ á Tế bào mới + CO2 + H2O + Phần dung dịch không phân huỷ. k Tế bào + bO2 đ + CO2 + H2O + N + P+ Phần dung dịch không phân huỷ. Hiệu quả và chức năng của quá trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ hoặc hỗn hợp các chất hữu cơ trong nước thải được thể hiện ở chỗ: Một phần nhỏ các chất hữu cơ đã tách loại sót lại như là một sản phẩm không bị phân huỷ tương tự như COD chứ không phải BOD. Một phần còn lại của tế bào cũng giống như một phần không thể phân huỷ. Cơ chế của việc tách loại chất hữu cơ trong quá trình ôxy hoá sinh học: Các chất hữu cơ trong nước thải được tách loại chủ yếu bằng các quá trình ôxy hoá sinh học. Sự tách loại BOD bằng quá trình bùn sinh học được thực hiện chủ yếu ở hai pha trong đó phần được tách loại chủ yếu là ở dạng chất lơ lửng hoặc chất keo. Chỉ một phần nhỏ BOD là được tách loại ở dạng hoà tan. Cơ chế chính của quá trình tách loại như sau: Việc tách loại các chất lơ lửng bằng việc kết tụ sinh học. Sự tách loại này là nhanh và diễn ra trong hỗn hợp bùn - nước. Sự tách loại các chất dạng keo bằng sự hấp thụ hoá lý cuả khối kết tụ sinh học. Vi sinh vật thực hiện quá trình hấp thụ sinh học đối với chất hữu cơ hoà tan. Quá trình tách loại này là kết quả của quá trình tổng hợp enzym hoặc nhờ hiệu ứng bề mặt của vi khuẩn hoặc tế bào. Hiệu ứng hấp thụ sinh học được thực hiện khi khối kết tụ tiếp xúc với nước thải trong thời gian 10 - 15 phút và tải lượng được xác định như sau: Tải lượng = mg BOD cung cấp/g VSS Tổng quát, động học của quá trình tách loại được mô tả toán học theo phương trình Monod như sau: - (1/Xv)dS/dt = ( mm/a)(S/(Ks + S )) Trong đó: S - Nồng độ chất, mm - Tốc độ phát triển max của vi sinh vật, Xv - Chất rắn lơ lửng dễ biến đổi, Ks - Hằng số Monod ứng với nồng độ chất bị phân huỷ khi mm = 1/2, a - Hệ số sinh khối. Chất mang Màng sinh học Nước Không khí Lớp yếm khí Lớp hiếu khí BOD CO CO NH3 NO2-, NO3- NH3 N2 H2S SO4-2 H2S Hình 12: Tổng hợp quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng vi sinh vật 7. Mô hình tối ưu & tối ưu hoá hệ thống thiết bị dạng tháp sử dụng bùn hoạt tính: Để nghiên cứu sâu về động học quá trình tạo màng vi sinh vật trong thiết bị lọc sinh học người ta thường phải sử dụng các mô hình toán học & mô hình tối ưu cho hệ thống. Với mục đích này, các nhà nghiên cứu thường sử dụng bài toán: Mô hình hoá và tối ưu hoá đối với hệ thống dạng tháp có sử dụng bùn hoạt tính ( 1 ) theo sơ đồ hình: Thoát khí Bể lắng Thoát khí FN q(l + r) q(l-w) ( Phân loại ) Dòng thải Thải Phân loại N fN FN - 1 fn + 1 Fn n fn Fn - 1 f3 F2 q(r + w) Sinh khối 2 tuần hoàn f2 F1 1 F0 qr qw Không khí Bùn thải Bùn thải F0 = q Dòng vào Không khí Dòng vào Hình13: Sơ đồ tháp xử lý chất thải bằng sinh học Hình14: Sơ đồ quá trình tháp xử lý chất thải với dòng cấp vào mỗi giai đoạn bằng sinh học theo kí hiệu dòng lỏng Hình 13,14 mô tả hệ thống xử lý dạng tháp nhiều bậc có dòng hồi với thiết bị lắng dạng bể aeroten. Việc cung cấp ôxy được thực hiện ổn định & tốt nhờ kết cấu của tấm đáy mỗi bậc là dạng mắt sàng. Việc mô hình hoá và tối ưu hoá hệ thống xử lý kiểu này là đơn giản nhờ sử dụng tốt các mô hình toán học. Mô hình toán học mô tả động học phát triển của quá trình xử lý bằng sinh học cũng như động lực của hệ. Mô hình động học của hệ được xác định theo phương trình Monod trên cơ sở phản ứng enzym Michaelis - Menten như sau: dX/dt = mmaxSX/( KS + S ) - kDX ; - Tỷ lệ phát triển, mg/lít.h. Trong đó: mmax - Hệ số phát triển đặc trưng lớn nhất, h-1 S - Nồng độ chất hữu cơ, mg/lít. X - Nồng độ vi sinh vật hoạt tính, mg/lít. KS - Hằng số bão hoà. kD - Tỷ lệ tiêu hao vi sinh vật nội sinh đặc trưng, h-1. Mô hình toán học của hệ: Thiết lập cho mô hình N bậc có công đoạn phân loại. Bùn tách từ thiết bị phân loại được đưa về hệ thống xử lý bùn, một phần được tuần hoàn. Ký hiệu nồng độ chất dinh dưỡng tại bậc thứ n là Sn & Xn là nồng độ vi sinh vật hoạt tính, fn - tỷ lệ dòng hồi lưu từ bậc thứ n về bậc thứ n - 1, còn Fn là thể tích dòng ra khỏi bậc thứ n, b là hiệu suất phân loại tại thiết bị phân loại. Khi đó, dòng hồi lưu G được xác định như sau: G = fn/Fn = fn/( Fn + fn ) Khi G = 0 tức là không có dòng hồi, khi G đ 0,5 hệ giống như một hệ nhiều bậc. Kí hiệu d là thông số lắng trong mỗi bậc thì d = Xn/Xn với Xn là nồng độ chất sau lắng cặn. Như vậy, tại đầu vào sẽ có cân bằng: F0 = q + qr, F0 - Dòng vào bậc 1 Cân bằng chất hữu cơ : qSf + qrSN = q( 1 + r )S0 = F0S0; Sf- Nồng độ chất hữu cơ đầu. Nếu nồng độ tế bào trong đầu vào bằng 0 thì cân bằng chất hữu cơ: qrbXN = q(1 + r)X0. : X0 = (rbXN)/(1 + r). Cân bằng vật chất tại bậc 1: F0S0 + f2S2 - F1S1 - V1(mmaxS1X1)/Y(KS + S1) = 0. Cân bằng VSV tại bậc 1 : F0X0 + f2X2 - F1X1+V1(mmaxS1X1)/(KS + S1 - kDX1) = 0. Cân bằng dòng : F1 = F0 + f2. Cân bằng vật chất tại bậc i: Fi-1Si-1+ fi+1Si+1- FiSi - fiSi- Vi(mmaxSiXi)/Y(KS + Si)= 0. Cân bằng VSV tại bậc i: Fi-1Xi-1+ fi+1Xi+1- FiXi+Vi(mmaxSiXi)/(KS + Si) - kDXi) = 0. Cân bằng dòng : Fi = Fi-1 + fi+1. Cân bằng vật chất tại bậc N : FN-1SN-1 - fNSN - FNSN - VN(mmaxSNXN)/Y(KS +SN) = 0 Cân bằng VSV tại bậc N : FN-1XN-1- fNXN- FNXN + VN(mmaxSNXN)/(KS+SN)-kDXN)= 0 Cân bằng dòng : FN-1 = FN + fN. Các biến đổi không thứ nguyên được thực hiện như sau: Lấy nồng độ chất thải hữu cơ chia cho nồng độ chất thải hữu cơ ở đầu vào Sf và cho nồng độ VSV, YSf ta có các đại lượng không thứ nguyên: y1i = Xi/Sf; y2i = Xi/Yf Trong đó: y1i , y2i là nồng độ không thứ nguyên của chất hữu cơ & vi sinh vật tại bậc thứ i. Hằng số bão hoà cũng có thể khử thứ nguyên như sau: K1 = KS/Sf. Với K1 - Nồng độ hữu cơ không thứ nguyên khi mmax = 1/2. Khi đó, các cân bằng vật chất không thứ nguyên có thể được viết dưới dạng sau: Cân bằng vật chất tại bậc 1 : F0S0 + f2y12 - F1y11 - V1(mmaxy11y21)/(K1 + Y11) = 0 Cân bằng VSV tại bậc 1: F0y20 + f2y22 - F1y21+Vi(mmaxy11y21)/(K1 + y1) - kDy21) = 0. Cân bằng vật chất tại bậc i: Fi-1y1i-1 + fi+1y1i+1 - Fiy1i - fiy1i - Vi(mmaxy1iy2i)/Y(K1 + y1i) = 0. Cân bằng VSV tại bậc i: Fi-1y2i-1 + fi+1y2i+1 - Fiy2i - fiy2i+ Vi(mmaxy1iy2i)/(K1 + y1i) - kDy2i) = 0 Cân bằng vật chất tại bậc N: FN-1y1N-1 - fNy1N - FNy1N - VN(mmaxy1Ny2N)/Y(K1 + y1N) = 0 Cân bằng VSV tại bậc N: FN-1y2N-1- fNy2N- FNy2N+VN(mmaxy1Ny2N)/(K1 + y1N ) - kDy2N) = 0 III. Mô hình thí nghiệm & kết quả: 1. Đặc tính chung của nước thải sản xuất bia: Như đã phân tích ở trên, các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp lọc sinh học ( màng sinh học ) thường được sử dụng cho xử lý các loại nước thải chứa nhiều tạp chất hữu cơ như: Nước thải của ngành sản xuất bia, sản xuất rượu, sản xuất nước giải khát, công nghệ dược phẩm hoặc các cơ sở gia công chế biến lương thực, thực phẩm, đồ hộp v.v.. Với điều kiện hiện có, đồ án đã lấy nước thải của ngành sản xuất bia làm đối tượng nghiên cứu. Chúng ta đều biết, sản xuất bia chính là sử dụng các loại enzym thích hợp để chuyển các chất trong nguyên liệu ( ngũ cốc ) thành etanol và các chất amin hữu cơ cần thiết khác. Như vậy, bản thân nước thải của ngành sản xuất bia đã chứa đựng các enzym. Trong số đó có những enzym / Vi sinh vật có lợi cho việc xử lý nước thải. Vấn đề là làm sao ta tách loại được các loại enzym này từ nước thải, sinh khối chúng rồi đưa vào lớp chất mang, tạo điều kiện cần thiết cho các loại vi sinh vật này tồn tại, sinh trưởng & phát triển trên lớp mang đó. Đặc tính chung của nước thải bia được đem nghiên cứu cho trong bảng III.1 Đánh giá sơ bộ về nước thải sản xuất bia: Quan sát, theo dõi các dòng thải cũng như các “ hố “ tập trung nước thải của sản xuất bia ta thấy: Chỉ sau vài ngày lưu là trong hố đã sinh một lượng đáng bùn hoạt tính có màu đen với khả năng sinh khối khá lớn. Các chất hữu cơ trong nước thải khi chảy qua lớp bùn này sẽ được chuyển hoá và dễ dàng tách loại bằng các tác động hoá lý cần thiết. Thành phần nước thải sản xuất bia đã có đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật. Các chất độc tố là hầu như không có. Bản thân trong nước thải sản xuất bia đã có sẵn các vi sinh vật cũng như là các loại nấm men, trong đó chủ yếu là các loại thuộc họ: Chacaromyces Serevisive, P. Vulgaris, D. Discoideum, B. polymixa hay E. Coli v.v Bảng III.1: Đặc tính của nước thải sản xuất bia sử dụng cho nghiên cứu Stt Tên chỉ tiêu đơn vị tính Kết quả 1 PH 6 - 6,5 2 COD mg/l 500 - 1500 3 BOD5 mg/l 300 - 800 4 SS mg/l 300 - 700 5 Tổng Nitơ mg/l ằ 65 6 Tổng Phosphor mg/l ằ 38 7 Tổng Canxi mg/l ằ 95 8 Mn mg/l ằ 0,015 9 Zn mg/l ằ 0,170 10 Cd mg/l Vết 11 Pb mg/l Vết 12 Tổng Fe mg/l ằ 0,25 13 Tổng Lưu huỳnh mg/l ằ 0,42 14 Colifform mg/l ằ 105 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự sinh trưởng & phát triển của vi sinh vật ( khả năng tạo màng sinh học ): Các phân tích lý thuyết ở trên cho ta thấy quá trình hình thành & phát triển màng sinh học phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là bốn yếu tố sau: Nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải. Độ pH của môi trường hoạt động. Lưu lượng nước thải đi qua vật liệu lọc. Lưu lượng không khí cấp cho nước thải. Các yếu tố này cũng đều là các yếu tố luôn thay đổi đối với mỗi loại nước thải nhưng chúng lại có thể điều chỉnh và khống chế được trong quá trình vận hành. Trước hết, tiến hành làm thí nghiệm để lựa chọn vật liệu lọc thích hợp. Các nghiên cứu đã được công bố [3] cho thấy: Các loại vật liệu lọc dùng cho nghiên cứu động học quá trình tạo màng lọc sinh học trong nội dung của đề tài được nghiên cứu thoả mãn các điều kiện sau: Là loại vật liệu có các đặc tính thích hợp cho các vi sinh vật cư trú, khó bị rửa trôi trong quá trình làm việc và nhất là phải là môi trờng tốt cho vi sinh vật phát triển. Có độ bền và độ ổn định tương đối,thời gian sử dụng hữu ích tương đối dài ( từ vài năm trở lên mới phải thay thế mới). Các thí nghiệm với các loại vật liệu lọc khác nhau là: Lõi ngô, Mùn cưa, Đá ong, Hạt PE và Hạt Polystirol cho thấy: 2. Nghiên cứu lựa chọn vật liệu lọc làm chất mang: Với vật liệu lọc là lõi ngô: Lõi ngô là một loại thực vật với cấu trúc kết khối tương đối xốp có thành phần hoá học sau: Các chất dạng Gluxit: < 19% với chiều dài sơ sợi rất nhỏ. Các chất dạng Polipeptit: Tơng đối nhỏ Một lượng nhỏ mantoza, lignhin, còn lại là nước. Theo các tài liệu khoa học đã được công bố cũng như thực tế đã sử dụng, với các liên kết sơ sợi yếu và dễ dàng bị phá huỷ ( trong môi trường hoá chất cũng như môi trường vi sinh vật ), với nguồn dinh dưỡng là dồi dào cho các loại vi sinh vật sinh trưởng và phát triển ( nhờ mantoza và các chất chứa protein khác ), lõi ngô luôn là một loại vật liệu cổ truyền sử dụng cho các thiết bị lọc sinh học. Tuy nhiên, các thiết bị lọc sinh học này thường là lọc sinh học loại nhỏ giọt - công suất và cường độ không lớn, điều kiện làm việc êm dịu thể hiện bằng vận tốc lọc tương đối nhỏ ( thường chỉ đến 6 m/giờ ), hầu như không có sục khí mạnh, áp suất làm việc là áp suất tự khối chất lỏng tạo thành, bề mặt lọc tĩnh. Với vật liệu lọc mùn cưa: Là loại thực vật có thành phần: Hàm lượng các chất Gluxit: đến 55%. Lượng các chất lignhin: đến 29% Còn lại là các chất dạng polipeptit ( tương đối nhỏ ), các chất dạng xà phòng, este, một phần các chất dễ hoà tan trong nớc, một lượng nước không lớn v.v. Khác với lõi ngô, liên kết trong mùn cưa tương đối bền và khó bị vi sinh vật phân huỷ nhờ các liên kết bền vững của các chất họ lignhin trong gỗ. Giống như lõi ngô, mùn cưa cũng là nơi cư trú và phát triển tốt cho các loại vi sinh vật nên chúng cũng được sử dụng rộng rãi làm vật liệu lọc cho các nghiên cứu về lọc sinh học Với vật liệu lọc là hạt PE: PE - là một loại nhựa tổng hợp có công thức cấu tạo tổng quát: -(- CH2 - CH2 -)n- Với n - Chiều dài mạch. PE có độ thẩm thấu nước và khí tương đối nhỏ. Các hạt nhựa PE cũng là nơi cư trú và sinh trưởng tốt cuả vi sinh vật. Chúng lại không bị trương nở trong nước cũng như môi trờng nước thải, lại không bị vi sinh vật phân huỷ. Với vật liệu đá dăm và cát sỏi: Là các loại vật liệu lọc kinh điển trong xử lý nước sạch. Chúng là các loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên và rất phong phú, dễ kiếm, giá thành rất rẻ. Tuy nhiên, do chúng đều là các chất khoáng vô cơ không thể bị vi sinh vật phân huỷ và cũng không thể là nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển cũng như bề mặt của chúng không thể là chỗ cư trú bền vững được cho vi sinh vật. Với vật liệu lọc là hạt nhựa xốp Polystyrol: Polystyrol cũng là một loại Polymer tổng hợp có công thức cấu tạo tổng quát : -(- CH2 - CH -)n Giống như hạt nhựa PE hạt nhựa xốp Polystyrol có độ thẩm thấu nước và khí tương đối nhỏ. Các hạt nhựa xốp PolyStyrol cũng là nơi cư trú và sinh trưởng tốt cuả vi sinh vật. Chúng lại không bị trương nở trong nước cũng như môi trường nước thải, lại không bị vi sinh vật phân huỷ. Với các kết quả thí nghiệm thu được cùng với các phân tích trên, đề tài đã thực hiện các thí nghiệm nhằm nghiên cứu sự hình thành và phát triển màng sinh học được tiến hành chỉ đối với vật liệu lọc là đá dăm và xốp Polystyrol. Mặt khác, việc quan sát cũng như xác định màng sinh học là tương đối phức tạp và khó khăn nên nghiên cứu đã lấy thông số là sự thay đổi COD của nước thải cũng như là thông số nhiệt độ để đánh giá sự hình thành và phát triển của màng sinh học. Mô hình & qui trình thí nghiệm: Các thí nghiệm được tiến hành trong sơ đồ thí nghiệm theo hình: 4 1 9 8 5 2 6 3 Hình III.1: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu động học quá trình tạo màng vi sinh vật Tháp lọc sinh học làm bằng nhựa cứng PVC có kích thước: Đường kính D = 200 mm; Chiều cao H = 750 mm; Chiều cao lớp vật liệu lọc h = 45 mm 2 - Bơm nước thải thí nghiệm. 3 - Thùng đựng nước thải đầu. 4 - ống tuần hoàn nước thải từ tháp lọc thí nghiệm. 5 - Máy nén khí, đồng hồ đo lưu lượng và cơ cấu sục khí vào thiết bị lọc sinh học. 6 - Giá để thiết bị 7 - Nhiệt kế. 8 - Đồng hồ đo lưu lượng nước. 9 - Đồng hồ đo lưu lượng khí. Mô hình thí nghiệm sử dụng đá dăm cũng giống như mô hình sử dụng xốp Polysstyrol đều sử dụng chung một nguồn nước thải. Để đánh giá khả năng tạo màng của mỗi loại vật liệu ta sử dụng yếu tố nhiệt độ thay đổi và độ tách loại COD trong từng tháp. Các thí nghiệm được thực hiện theo qui trình sau: Nước thải sản xuất bia có pH = 6,5 -7 trong thùng số 3 là loại nước mới thải được lấy từ rãnh thải của xưởng sản xuất. Bơm số 2 sẽ bơm nước thải đi qua toàn bộ tháp lọc theo chiều từ dưới lên. Lưu lượng nước thải cấp ổn định qua tháp là 3,2 lít/phút ( 192 lít/giờ ) tương đương 102 lít/m2 bề mặt.phút. Khí nén cấp cho tháp cũng tại phần dưới tháp với lưu lượng khí 18 lít/phút tương đương 1080 lít/ m2 bề mặt.phút. Toàn bộ lượng nước thải qua tháp sẽ theo ống tuần hoàn 4 trở lại thùng chứa 3. Các thông số theo dõi là: 1 - Thời gian nước thải đi qua lớp vật liệu lọc, h. 2 - Nhiệt độ của nước thải, 0C. 3 - COD của nước thải, yếu tố này chỉ được theo dõi sau khi nước thải đã chảy qua lớp vật liệu lọc ³ 20 giờ và cứ bốn giờ kiểm tra một lần, mg/lít. Các kết quả nghiên cứu được cho trong bảng III.2: Bảng III.2: Sự thay đổi COD của nước thải đối với đá dăm và xốp PolyStyrol: Thời gian, h pH Tháp sử dụng đá dăm Tháp sử dụng xốp Polysstyrol Nhiệt độ, 0C COD, mg/l Nhiệt độ, 0C COD, mg/l 0 6,5 -7 30 1194 30 1194 4 33 - 32 - 8 33 - 34 - 12 33 - 35 - 16 33 - 35 - 20 34 616 36 616 24 36 524 37 524 28 36 466 38 466 32 37 402 39 402 36 37 280 40 280 Nhận xét kết quả thí nghiệm: Các kết quả kiểm tra COD của nước thải sau khi qua lớp vật liệu lọc là đá dăm và xốp PolyStyrol là như nhau vì cùng sử dụng một nguồn nước thải. Vì phản ứng sinh học là phản ứng sinh nhiệt nêếnự phát triển của vi sinh vật trên nền xốp PolyStyrol và trên nền đá dăm được đánh giá thông qua yếu tố thay đổi nhiệt độ trong lòng ( trên lớp vật liệu lọc ) tháp. Trong trường hợp này, rõ ràng sự phát triển của vi sinh vật trên nền xốp PolyStyrol là tốt hơn trên nền đá dăm ( 40/370C ). Lớp màng vi sinh vật trên nền xốp PolyStyrol và nền đá dăm chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử cho thấy: Màng vi sinh vật hình thành trên nền lớp vật liệu đá dăm và nền lớp vật liệu xốp Polystyrol được đem chụp trên kính hiển vi điện tử cho thấy: Lớp màng vi sinh vật hình thành trên nền xốp PolyStyrol là đầy đặn, dễ nhận biết và phân bố đều hơn nhiều lớp màng vi sinh vật hình thành trên nền đá dăm. Chất mang là xốp PolyStyrol cho hiệu quả tốt hơn là chất mang đá dăm. Để nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của màng vi sinh vật, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm bằng mô hình trên, chất mang là xốp PolyStyrol, với bốn yếu tố thay đổi có thể dễ dàng điều chỉnh & khống chế được là: Nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải. Độ pH của môi trường hoạt động. Lưu lượng nước thải đi qua vật liệu lọc. Lưu lượng không khí cấp cho nước thải. 5. Kết quả thí nghiệm: Thay đổi nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải. Đây là yếu tố hoàn toàn có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi độ đặc, loãng của nước thải. Nồng độ chất hữu cơ được đành giá bằng giá COD của nước thải. Sự thay đổi nồng độ chất trong nước thải được nghiên cứu từ giá trị COD ằ 154 mg/l đến COD ằ 1200 mg/lít. Lưu lượng khí là 18 lít/phút tương đương 570 lít/ m2 bề mặt.phút. Lưu lượng nước thải qua tháp là 3,2 lít/phút tương đương 102 lít/m2 bề mặt.phút. Độ pH = 6,5 -7. Kết quả nghiên cứu được cho trong bảng III.3. Bảng III.3: Kết quả thí nghiệm đối với các loại nước có COD ban đầu khác nhau: Thời gian, pH Lưu lượng khí Lưu lượng nước thải Độ giảm COD % Nhiệt độ, 0C ứng với COD h Lít/phút Lít/phút 1080 594 154 1080 594 154 0 6,5-7 18 3,2 0 0 0 27 27 27 4 - 18 3,2 - - - 30 29 28 8 - 18 3,2 - - - 35,5 34,5 32 12 - 18 3,2 - - - 38 36 33 16 - 18 3,2 - - - 42,5 41 34 20 - 18 3,2 51,4 38,7 14,5 45 42,5 35 24 - 18 3,2 60,0 47,5 14,5 45,5 43 36 28 - 18 3,2 65,6 53,7 14,5 46 44 36,5 32 - 18 3,2 68,5 62,8 14,5 46,5 45 36,5 36 - 18 3,2 71,2 71,7 14,5 47 46 37 Biểu diễn bằng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian: Nhiệt độ, 0C 47 1 44 2 39 35 31 3 27 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h Hình III.4: Biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi nồng độ chất gây ô nhiễm ban đầu. Biểu diễn theo độ giảm COD: Độ giảm COD, % 80 70 60 50 40 1 30 20 2 3 10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h HìnhIII.5: Biểu diễn sự giảm COD của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi nồng độ chất gây ô nhiễm ban đầu. ứng với nước thải có chỉ số COD ban đầu, CODđ = 1.080 mg/lít. ứng với nước thải có chỉ số COD ban đầu, CODđ = 594 mg/lít. ứng với nước thải có chỉ số COD ban đầu, CODđ = 154 mg/lít Nhận xét kết quả: Khi lượng các chất có trong nước thải tương đối thấp thấp ( COD nhỏ ) thì khả năng cũng như tốc độ tạo màng sinh học rất thấp thể hiện thông qua việc COD giảm ít và gần như không thay đổi; Nhiệt độ của nước thải sau khi đi qua tháp lọc cũng tăng chậm. Khả năng cũng như tốc độ tạo màng sinh học ( thông qua độ tăng của nhiệt độ nước thải sau khi qua thiết bị lọc sinh học ) tăng tương đối tỷ lệ thuận với lượng các chất có trong nước thải, đây cũng là qui luật thể hiện trong nhiều nghiên cứu về xử lý bằng sinh học đã thực hiện. Với nước thải có chỉ số CODđ thấp, trong thời gian đầu, nhiệt độ của nước sau khi qua tháp hầu như không thay đổi. Với nước thải có COD đầu vào là tương đối ( > 600 mg/lit ) thì khả năng tách loại COD trong nước thải sau khi qua màng lọc sinh học là trên 60%, chứng tỏ sự tạo màng là có hiệu quả. Khi hàm lượng COD càng lớn thì tốc độ tạo màng tăng nhanh hơn. Sau 36 giờ chạy tuần hoàn, sự thay đổi nhiệt độ cũng như COD của nước thải sau khi qua tháp lọc ít biến động chứng tỏ màng đã ổn định. 2. Thay đổi lưu lượng cấp không khí: Đây là yếu tố hoàn toàn có thể điều chỉnh được bằng cách tăng giảm lượng không khí cấp vào thiết bị thông qua lưu lượng kế thuỷ tinh. Nồng độ chất hữu cơ được đành giá bằng giá COD của nước thải. Sự thay đổi lưu lượng không khí cấp vào nước thải được nghiên cứu từ giá trị lưu lượng bằng 0 đến 36 lít không khí/phút. Lưu lượng nước thải qua tháp là 3,2 lít/phút tương đương 102 lít/m2 bề mặt.phút. Thí nghiệm này được thực hiện với nước thải có chỉ số COD đầu là CODđ = 1.200 mg/l; pH = 6,5 -7. Bảng III.4: Kết quả thí nghiệm thay đổi lưu lượng khí Thời gian, pH Giá trị COD đầu Lưu lượng nước thải Độ giảm COD theo lưu lượng khí, l/phút; % Nhiệt độ, 0C ứng với lưu lượng khí, l/phút h mg/lít Lít/phút 0 18 36 0 18 36 0 6,5-7 1.200 3,2 0 0 0 27 27 27 4 - - 3,2 - - - 29 29 30 8 - - 3,2 - - - 30 33,5 34 12 - - 3,2 - - - 32 34,5 37 16 - - 3,2 - - - 34 38 40 20 - - 3,2 25,3 48,4 42,6 37 40 42 24 - - 3,2 27,5 56,0 51,7 38 42 43 28 - - 3,2 31,2 62,6 62,4 39 42,5 44 32 - - 3,2 33,5 66,5 63,7 40 45 46 36 - - 3,2 37,8 69,2 64,1 40 46 46 Biểu diễn bằng đồ thị thay đổi nhiệt độ theo thời gian: Nhiệt độ, 0C 46 2 @ 1 44 39 35 3 31 27 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h HìnhIII.6: Biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi lưu lượng không khí cấp. Biểu diễn theo độ giảm COD: Độ giảm COD, % 100 90 80 70 60 50 40 1 30 20 2 3 10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h Hình III.7: Biểu diễn sự giảm COD của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi lưu lượng không khí cấp. Khi lưu lượng khí sục là 36 lít/phút. Khi lưu lượng khí sục là 18 lít/phút. Khi lưu lượng khí sục là 0 lít/phút. Nhận xét kết quả: Khi không có sục khí thì khả năng cũng như tốc độ tạo màng sinh học là kém hơn thể hiện thông qua việc COD giảm ít và gần như không thay đổi; Nhiệt độ của nước thải sau khi đi qua tháp lọc cũng tăng chậm. Khi có sục khí thì tốc độ và khả năng tạo màng sinh học tăng mạnh. Tuy nhiên, lượng khí sục quá mạnh cũng làm giảm khả năng chuyển hoá COD của nước thải. Sau 18 giờ chạy tuần hoàn, sự thay đổi nhiệt độ cũng như COD của nước thải sau khi qua tháp lọc ít biến động chứng tó màng đã ổn định. 3. Thay đổi pH nước thải qua tháp: pH đầu vào của nước thải được điều chỉnh từ giá trị pH = 4,5 đến giá trị PH = 8. Lưu lượng khí cấp cho thiết bị là 18 lít/phút Chỉ số COD ban đầu của nước là CODđ ằ 600 mg/l Bảng III.5: Kết quả thí nghiệm đối với các loại nước có pH ban đầu khác nhau: Thời gian, CODđ Mg/l Lưu lượng khí Lưu lượng nước thải Độ giảm COD ứng với pH ,% Nhiệt độ, 0C ứng với pH h Lít/phút Lít/phút 4,5 6,5 8 4,5 6,5 8 0 ằ 600 18 3,2 0 0 0 27 27 27 4 - 18 3,2 - - - 28 29 28 8 - 18 3,2 - - - 33 34,5 31 12 - 18 3,2 - - - 34 36 32,5 16 - 18 3,2 - - - 35 41 33 20 - 18 3,2 16,9 38,7 12,1 37,5 42,5 34 24 - 18 3,2 21,4 47,5 23,5 38 43 37 28 - 18 3,2 28,2 53,7 37,8 39 44 39 32 - 18 3,2 31,2 62,8 50,9 39,5 45 40 36 - 18 3,2 33,1 71,7 63,3 40 46 41 Biểu diễn bằng đồ thị thay đổi nhiệt độ theo thời gian: Nhiệt độ, 0C 47 2 44 39 35 3 @ 1 31 27 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h Hình III.8: Biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi pH đầu của nước thải. Biểu diễn theo độ giảm COD: Độ giảm COD, % 80 70 60 50 1 40 2 3 30 20 10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h Hình III.9: Biểu diễn sự giảm COD của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi pH ban đầu của nước thải. Khi pH đầu vào của nước = 8. Khi pH đầu vào của nước = 6,5 - 7. Khi pH đầu vào của nước = 4,5. Nhận xét kết quả: Với các giá trị pH của nước đầu vào là acid yếu ( 4,5 ) hoặc kiềm yếu ( 8 ) thì khả năng cũng như tốc độ tạo màng vi sinh vật là kém. Sau gần 6 giờ tuần hoàn, nhiệt độ của nước thải sau tháp lọc mới bắt đầu tăng và đạt giá trị thấp hơn so với pH trung tính ( 6,5 - 7 ) - 460C ở giai đoạn cuối. Khả năng tạo màng vi sinh vật ( căn cứ trên độ giảm COD của nước thải ) đối với loại nước thải có pH trung tính ( 6,5 - 7 ) là lớn nhất. Khả năng làm giảm COD của nước đối với pH kiềm yếu là lớn hơn ở acid yếu. Tuy nhiên, độ giảm COD này lại thấp hơn hẳn so với độ giảm COD khi nước thải có trị số pH là trung tính. 4.Thay đổi lưu lượng chất lỏng trong tháp: Sự thay đổi lưu lượng nước thải qua tháp được nghiên cứu từ giá trị lưu lượng bằng 0,8 đến 3,2 lít/phút. Lưu lượng nước khí cấp vào tháp duy trì ở 18 lít/phút. Thí nghiệm này được thực hiện với nước thải có chỉ số COD đầu là CODđ ằ 1200 mg/l; pH = 6,5 - phút. Các số liệu thực nghiệm được cho trong bảng III.6: Bảng III.6: Kết quả thí nghiệm thay đổi lưu lượng nước thải qua tháp Thời gian, pH Giá trị COD đầu Lưu lượng khí Độ giảm COD theo lưu lượng nước, l/phút; % Nhiệt độ, 0C ứng với lưu lượng, l/phút h mg/lít Lít/phút 0,8 2,0 3,2 0,8 2,0 3,2 0 6,5-7 1.200 18 0 0 0 27 27 27 4 - - 18 - - - 29 30 30 8 - - 18 - - - 31 31 34 12 - - 18 - - - 31 34 37 16 - - 18 - - - 31 35 40 20 - - 18 3,1 27,0 42,6 32 36 42 24 - - 18 12,0 30,0 51,7 32 37 43 28 - - 18 23,4 48,2 62,4 33 37,5 44 32 - - 18 28,2 60,0 65,7 33 38 46 36 - - 18 35,8 63,6 69,4 34 39 46 Biểu diễn bằng đồ thị thay đổi nhiệt độ theo thời gian: Nhiệt độ, 0C 46 1 44 39 2 35 3 31 27 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h Hình III.10: Biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi lưu lượng nước thải qua tháp lọc. Biểu diễn theo độ giảm COD: Độ giảm COD, % 80 70 60 50 40 1 30 20 2 3 10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thời gian tuần hoàn, h Hình III.11: Biểu diễn sự giảm COD của nước thải theo thời gian tiếp xúc với sự thay đổi lưu lượng nước thải qua tháp lọc. 1 - Khi lưu lượng nước thải qua tháp là 3,2 lít/phút. 2 - Khi lưu lượng nước thải qua tháp là 2,0 lít/phút. 3 - Khi lưu lượng nước thải qua tháp là 0,8 lít/phút. Nhận xét kết quả: Các kết quả thí nghiệm cho thấy sự thay đổi COD của nước thải qua thiết bị lọc sinh học tương đối phù hợp với phương trình Monod: - (1/Xv)dS/dt = ( mm/a)(S/(Ks + S )). Tuy nhiên, sự biến đối này là tương đối phức tạp đối với từng loại nước thải cũng như các thông số khác của Hệ thống như: Lưu lượng nước thải, lưu lượng khí sục v.v. Lưu lượng khí sục trong thiết bị, lưu lượng nước thải qua thiết bị cũng ảnh hưởng mạnh đến sự thay đổi COD cũng như nhiệt độ của nước thải sau khi qua lớp vật liệu lọc. Sự thay đổi này là phức tạp và tương đối phù hợp với phương trình Monod. Sự thay đổi COD cũng như nhiệt độ của nước thải qua thiết bị sinh học ở giá trị pH trung tính và kiềm yếu là tương đối gần nhau. Trong khi đó pH của các loại nước thải có chứa nhiều tạp chất hữu cơ thường là có pH gần với điểm trung tính và việc điều chỉnh pH của nước thải về môi trường trung tính hoặc kiềm yếu là đơn giản và hoàn toàn thực hiện được. Để đơn giản hoá quá trình nghiên cứu ta có thể bỏ qua thông số pH này của nước thải và thực hiện thực nghiệm với các loại mẫu nước thải thí nghiệm có pH là trung tính. 6. Mô hình thực nghiệm nghiên cứu sự tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước thải Các kết quả thí nghiệm cho thấy sự hình thành và phát triển của màng lọc sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chất lượng nước đầu vào, lưu lượng nước đi qua bề mặt lọc, dộ pH, lưu lượng không khí cấp qua bề mặt lọc v,v. Các liên quan này đan xen với nhau. Vì vậy, để xác lập được một cách tổng quát các yếu tố tạo ra một lớp màng lọc sinh học thích hợp cho thực hiện việc xử lý nước thải bằng phương pháp lọc sinh học nhanh và có hiệu quả, ta có thể thiết lập một bài toán tối ưu bằng ma trận thực nghiệm với các thay đổi về chất lượng nước đầu vào, lưu lượng nước thải đi qua lớp lọc, lưu lượng không khí cấp qua lớp học và ngay cả pH, nhiệt độ của nước thải khi cấp qua lớp lọc. Tuy nhiên, các yếu tố về nhiệt độ, pH đều là các yếu tố luôn thay đổi, điều kiện thực nghiệm chưa cho phép nên ta chỉ xét đến sự thay đổi của 3 yếu tố là: Chất lượng nước thải đầu vào, lưu lượng nước cấp qua lớp chất mang và lưu lượng khí cấp qua lớp chất mang. Như vậy, bài toán lập mô hình tối ưu dừng lại với việc thay đổi các yếu tố sau: z1 - Biểu thị nồng độ chất hữu cơ ban đầu của nước thải, z1 được đánh giá thông qua CODđ của nước thải; z1 biến thiên từ 154 - ằ1.080 mg/lít. z01 = 1/2( 1080 + 154 ) = 617 mg/l; D z1 = 1/2( 1080 - 154 ) = 463 mg/l. z2 - Biểu thị lưu lượng khí cấp vào thiết bị; z2 biến thiên từ 0 - 36 lít/phút. z02 = 1/2( 36 + 0 ) = 18 lít/phút; D z2 = 1/2( 36 - 0 ) = 18 lít/phút. z3 - Biểu thị lưu lượng nước thải vào thiết bị; z3 biến thiên từ 0,8 - 3,2 lít/phút. z03 = 1/2( 3,2 + 0,8 ) = 2,0 lít/phút; D z2 = 1/2( 3,2 - 0,8 ) = 1,2 lít/phút. Và các đại lượng không thứ nguyên: x1 - Đại lượng không thứ nguyên; Biểu diễn nồng độ chất hữu cơ của nước khi bắt đầu vào thiết bị lọc. x2 - Đại lượng không thứ nguyên; Biểu diễn lưu lượng nước cấp vào thiết bị lọc. x3 - Đại lượng không thứ nguyên; Biểu diễn lưu lượng không khí cấp vào thiết bị lọc. y - Thông số đầu ra được tính theo sự thay đổi COD của nước thải sau 36 giờ. Với mô hình trên, kế hoạch tiến hành thí nghiệm được thực hiện theo ma trận với các kết quả thí nghiệm sau: Bảng III.7: Ma trận thí nghiệm stt Giá trị các yếu tố tiến hành thực nghiệm Giá trị các yếu tố trong toạ độ không thứ nguyên y z1 z2 z3 x1 x2 x3 % 1 154 0 0,8 - - - 8,3 2 1080 0 0,8 + - - 32,5 3 154 36 0,8 - + - 12,4 4 1080 36 0,8 + + - 39,5 5 154 0 3,2 - - + 14,7 6 1080 0 3,2 + - + 39,8 7 154 36 3,2 - + + 16,6 8 1080 36 3,2 + + + 60,5 Lặp lại ma trận và các kết quả thực nghiệm trên, thêm vào cột biến hằng số x0 = 1ta có ma trận kế hoạch sau: Bảng III.8: Ma trận kế hoạch thực nghiệm stt x0 x1 x2 x3 y 1 +1 - - - y1 2 +1 + - - y2 3 +1 - + - y3 4 +1 + + - y4 5 +1 - - + y5 6 +1 + - + y6 7 +1 - + + y7 8 +1 + + + y8 Với các tính chất sau: N ồ xuixji = 0 u ạ j; u, i = 0, k i = 1 N ồ xji = 0 j = 1, k i = 1 N ồ x2 = N j = 0, k i = 1 Trong đó: K - Yếu tố độc lập. N - Số thí nghiệm, N = 8. Để tính đến hiệu ứng tác động kép ta mở rộng ma trận bảng thành ma trận kế hoạch ở bảng III.9. Bảng III.9: Ma trận kế hoạch có tính đến hiệu ứng tác dụng kép: stt X0 x1 x2 x3 x1 x2 x1 x3 x2 x3 x1 x2x3 y 1 +1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 8,3 2 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 32,5 3 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 12,4 4 +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 39,5 5 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 14,7 6 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 39,8 7 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 16,6 8 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 60,5 9 +1 0 0 0 0 0 0 0 65,7 10 +1 0 0 0 0 0 0 0 62,4 11 +1 0 0 0 0 0 0 0 63,3 Phương trình hồi qui mô hình thống kê biểu diễn động học của quá trình tạo màng vi sinh vật đối với thí nghiệm trên có dạng sau: y = b0 + b1x1 + b2x2+ b3x3+ b12x1 x2 + b13x1 x3 + b23x2 x3+ b123x1 x2 x3 Từ các kết quả thí nghiệm, ta xác định các hệ số của phương trình hồi qui thoả mãn các điều kiện sau: N bj = 1/N ồ xjiyj i = 1 8 b0 =1/8. ồ x0iyi i = 1 Ta tính được: b0 = 28,0 b1 = 15,0 b2 = 4,2 b3 = 4,9 b12 = 2,7 b13 = 2,2 b23 = 1,4 b123 = 2,0 Tổng hợp, phương trình mô tả qui hoạch thực nghiệm trên là: y = 28,0 + 15,0x1 + 4,2x2+ 4,9x3+ 2,7x1 x2 + 2,2x1 x3 + 1,4x2 x3 + 2,0 x1 x2 x3 Kiểm tra tính tương hợp của phương trình: Tính phương sai lặp: m S2bl = ( 1/( m - 1 ) ) ồ ( yoa - yo )2 a=1 m với: yo = ( 1/m )ồ yoa a=1 Trong đó: Sbl - Phương sai tái sinh m - Số thí nghiệm ở tâm. yoa - Giá trị của y ở thí nghiệm thứ a tại tâm; yo - Giá trị trung bình của y tại tâm. Tiến hành 03 thí nghiệm ở tâm kế hoạch ( với x1 = 0, x2 = 0 và x3 = 0 tức Z1 ằ 600 mg/l, z2 = 18 lít không khí/phút và Z3 = 2,0 lít chất lỏng/phút ) thu được kết quả: y01 = 65,7%; y02 = 62,4% và y03 = 63,3 Ta có: yo = ( 65,7 + 62,4 + 61,8)/3 ằ 63,8 % và S2bl = (1/( 3 - 1))[(65,7 - 63,8)2 +(62,4 - 63,8)2 + (63,3 - 63,8)2 ] = 2,91 tức Sbl = 1,706 S2bj = S2bl/8 = 0,364 tức Sbj = 0,603 Với bậc tự do lặp f2 = 3 - 1 = 2 và mức có nghĩa p = 0,05 tra bảng ta được chuẩn số Student t2;0,05 = 4,303. Hệ số bj sẽ có nghĩa khi ẵ bj ẵ > Sbj xt2;0,05 ằ 2,6 Như vậy, các hệ số b13 , b23 và b123 (2,2; 1,4; và 2,0 < 2,6 ) là không có nghĩa và mô hình thống kê biểu diễn động học của quá trình tạo màng vi sinh vật có thể có dạng: y =28,0 + 15,0x1 + 4,2x2+ 4,9x3 + 2,7x1 x2 Tính toán chuẩn số Fisher: Chuẩn số Fisher được xác định theo công thức: F = S2dư/S2bl Với: S2bl = 1,23 N S2dư = ( 1/(N - l ) ) ồ ( yj - yi )2 i=1 N - Số thí nghiệm, N = 8 l - Hệ số trong phương trình *, l = 5 yj - Giá trị thực nghiệm. yi - Giá trị tính theo phương trình *. Ta tính được: S2dư = 34,6 F = S2dư/S2bl = 34,6 /2,91 = 11,89 Với bậc tự do lặp f2 = 3 - 1 = 2, bậc tự do lặp f1 = N - f2 = 8 - 2 = 6. Tra bảng với bậc tự do lặp f1 = 6 và mức có nghĩa p = 0,05 ta được F6;0,05 = 19,30. Như vậy, F = 11,89 < F6;0,05 = 19,30 nghĩa là mô hình tuyến tính hoàn toàn phù hợp với bức tranh thực nghiệm. Vậy phương trình hồi qui mô hình thống kê biểu diễn động học của quá trình tạo màng vi sinh vật là: y = 28,0 + 15,0x1 + 4,2x2+ 4,9x3 + 2,7x1 x2 ** Các hệ số của phương trình hồi qui đều > 0 chứng tỏ khi tăng hàm lượng chất hữu cơ trong nước đầu vào ( biến x1 ) cũng như tăng lưu lượng khí ( biến x2 ) và ngay cả lưu lượng chất lỏng ( biến x3 ) thì khả năng tách loại COD của lớp vật liệu lọc đối với nước thải là tăng lên. Điều này hoàn toàn phù hợp với các kết quả đã nghiên cứu. Chuyển phương trình về biến thực với: x1 = ( z1 - z01 )/ D z1 = 0,002 z1 - 1,333 x2 = ( z2 - z02 )/ D z2 = 0,056 z2 - 1 x3 = ( z3 - z03 )/D z3 = 0,883 z3 - 1,667 ta tìm được phương trình hồi qui biểu diễn mô hình thực tế: Y = - 0,7642 + 0,0246 z1 + 0,1606z2+ 4,3267 z3+ 0,00027 z1 z2 *** Phương trình *** chính là phương trình hồi qui mô hình thống kê biểu diễn động học của quá trình tạo màng vi sinh vật với các biến thực. Các hệ số của phương trình *** đều dương, hàm luôn đồng biến. Tuy nhiên, trong thực tế lưu lượng chất lỏng cũng như lưu lượng không khí đi qua bề mặt lọc phải đảm bảo được các thông số về thuỷ động học đối với lớp lọc, không được quá lớn làm xáo trộn lớp vật liệu làm chất mang cũng như làm nhanh bong các lớp vi sinh vật mới hình thành trên chất mang. Ngoài việc chọn lưu lượng nước và lưu lượng khí qua lớp lọc còn phải tính đến cả yếu tố kinh tế của thiết bị lọc. Với nội dung của nghiên cứu này, với chất lượng nước thải đầu và kết quả thí nghiệm trên cơ sở hệ thống thiết bị thí nghiệm trên chúng tôi chọn lưu lượng nước thải qua bề mặt lọc là 1,8 - 3,2 lít/phút tương đương 57 - 100 lít/m2 bề mặt.phút và lưu lượng không khí cấp vào bề mặt lớp lọc là ằ 18 lít/phút tương đương ằ 570 lít/m2 bề mặt.phút. Sử dụng các thông số về lưu lượng nước thải và không khí cấp qua bề lọc trên, làm các thí nghiệm khảo sát đối với sự thay đổi chất lượng nước thải đầu vào thu được kết quả theo đồ thị hình III.12 như sau: Độ giảm COD, % 80 60 40 20 100 300 500 700 900 1100 COD đầu, mg/l Cùng với các kết quả nghiên cứu ở trên, các kết quả này cho thấy: Với nước thải sản xuất bia có hàm lượng chất hữu cơ ban đầu > 500 mg/lít tốc độ tạo màng là đủ lớn cho việc sử dụng lọc sinh học vào xử lý nước thải sản xuất bia ( độ giảm COD ằ 60% ). Kết luận Qua quá trình nghiên cứu động học của quá trình tạo màng vi sinh vật áp dụng cho xử lý nước thải chúng tôi rút ra kết luận sau: Đã khảo sát được sự hình thành và phát triển của màng sinh học áp dụng cho xử lý nước thải bia với các chất mang ( chất nền ) khác nhau. Các nghiên cứu đã khẳng định: Chất mang là Xốp PolyStyrol cho kết quả tốt nhất trong số các chất mang nghiên cứu. Đã nghiên cứu và thấy được qui luật hình thành, phát triển của màng vi sinh vật trong điều kiện xử lý nước thải sản xuất bia bằng phương pháp lọc sinh học. Xác lập được màng sinh học trên chất mang là đá dăm và Xốp PolyStyrol; Chụp ảnh hiển vi điện tử và thấy được đặc tính của hai lớp màng hình thành trên hai loại chất mang khác nhau. Lập mô hình nghiên cứu để xác định điều kiện thích hợp nhất cho sự hình thành và phát triển của lớp màng vi sinh vật áp dụng cho xử lý nước thải sản xuất bia. Tuy bài toán chưa xác định được điều kiện tối ưu cụ thể, chính xác, nhưng đã xác lập được miền thích hợp cho sự hình thành và phát triển của màng vi sinh vật với loại nước thải sản xuất bia có hàm lượng chất gây ô nhiễm ( thông qua COD ) đến 1200 mg/lít. Với hàm lượng chất hữu cơ ban đầu > 500 mg/lít sẽ là điều kiện tốt để sử dụng phương pháp lọc sinh học cho xử lý nước thải sản xuất bia ( độ giảm COD ằ 60% ). Mặc dù các kết quả thu được trên đây mới chỉ là kết quả giới hạn trong sử dụng nước thải sản xuất bia có thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ tương đối dễ phân huỷ - nguồn thức ăn lý tưởng cho sự hình thành & phát triển của vi sinh vật làm đối tượng nghiên cứu. Giá trị COD của nước nghiên cứu nằm trong khoảng không rộng ( ằ150 - ằ1200 mg/lít ); Bản thân nước thải bia lại chứa sẵn các vi sinh vật có hoạt tính sinh học khá tốt làm tác nhân tạo màng lọc. Các kết quả thu được cũng chưa phải là tối ưu nhưng trên cơ sở các số liệu thu được về các thông số động học cũng như khả năng tách loại COD của nước thải sản xuất bia bằng màng lọc sinh học tự hình thành có thể áp dụng để tính toán, thiết kế được hệ thống lọc sinh học kết hợp với các phương pháp xử lý hoá lý khác áp dụng cho xử lý nước thải sản xuất bia, là loại có tổng hàm lượng chất bẩn không quá lớn ( thường đến 1200 mg/lít ). Trong thực tế sản xuất có rất nhiều loại nước thải khác nhau, trong đó cũng có các loại nước thải chứa nhiều tạp chất hữu cơ với khoảng biến đổi rất lớn ( từ hàng trăm đến hàng ngàn mg/lít ) với các đặc tính khác xa so với đặc tính của nước thải sản xuất bia như nước thải của ngành công nghiệp sản xuất mía đường, sản xuất mì chính, sản xuất dược phẩm, đồ hộp v.v. Ngoài ra, các ngành sản xuất khác như sản xuất da giầy ( nước thải chứa cả Ion kim loại nặng như Mn, Cr v.v. ), dệt nhuộm ( nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ và cả kim loại nặng như Cr, Mn, Pb, Cd, v.v. ) hay như nước thải của các cơ sở gia công kim loại v.v. là môi trường rất khó khăn cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Với những kết quả đã đạt được, đề tài rất cần nghiên cứu tiếp tục theo hướng: Tiếp tục và mở rộng mô hình nghiên cứu động học của quá trình tạo màng vi sinh vật áp dụng cho xử lý nước thải sản xuất bia để tìm được điều kiện thích hợp nhất. Nghiên cứu mô hình động học của quá trình tạo màng vi sinh vật áp dụng cho xử lý nước thải sản xuất chứa nhiều tạp chất hữu cơ. Xác lập điều kiện nuôi cấp vi sinh vật nhằm tạo màng sinh học áp dụng cho xử lý nước thải sản xuất chứa nhiều tạp chất vô cơ, nhất là các Ion kim loại nặng. Thiết lập và xác định mô hình thiết bị lọc sinh học nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất. Vì thời gian nghiên cứu có hạn cũng như trình độ chuyên môn còn nhiều hạn chế, bản luân văn không tránh khỏi còn nhiều thiếu xót cần khắc phục. Tài liệu tham khảo. Biological waste treatment; Raomond P. Canale; New York. London. Sydney. Toronto 1971. Westes, Solids, Liquids and Gases; A Symposium Presented at the last two achema meetings: 1967 - 1970, Frankfủt/main, Germany; Translated from the Germany by Max Wulfinghoff, P.E.; Chemical publishing Co., Inc. New York. N.Y. Báo cáo đề tài: Xử lý nước thải bằng phương pháp lọc sinh học - hoá học, Công ty Bách khoa - Trường ĐHBK Hà nội, Hà nội 2002. Quá trình và thiết bị phản ứng tập 2; TSKH Nguyễn Bin, Khoa quá trình và thiết bị hoá học - Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Hà nội 1992. Industrial water pollution control. W. Wesley Eckenfelder, Jr.. McGraw - Hill Book Company, 1989. Kỹ thuật hệ thống Công nghệ Hoá học; TSKH Nguyễn Minh Tuyển, TS. Phạm văn Thiêm; Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, Hà nội 1997. Otristka Pitevoi i Texnitreskoi Bod. V.Ph. Kozinov. Izdatelstvo Literatur po Stroitelstvo, Moskow 1964. Izlutrenie Ionobomne Matrerialov. A. I. Ivanov. Izdatelstvo Literatur po Stroitelstvo, Moskow 1966. Sổ tay xử lý nước. Dịch từ nguyên bản tiếng Pháp, Nhà xuất bản xây dựng Hà nội 1998. Tính toán, thiết kế các công trình xử lý nớc thải; TS. Trịnh Xuân Lai, Nhà xuất bản xây dựng, Hà nội 2000 . Sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hoá; Nhà xuất bản KHKT Hà nôi 1995. Chemical water & waste water treatment III; Rudolf Klube - Hemann. H. Haln. Mô hình hoá và tối ưu hoá trong công nghệ hoá học; TSKH Nguyễn Minh Tuyển, Đại học Bách khoa Hà nội, 1981. Characteristics and kinetics of biological fixed film reactor; B. H. Kornegay and J. F. Andrews, Environ. Syst. Eng. Dept., Clemon University, Clemon, S. C. 1970. Tekhnologitreskie Prosessư c Primeneniem Membran. L.A. Mazitov, T.M. Mnatsakanian. Izdatelstvo “ Mir “ Moskow 1976. 16. Biokhimia Drozzei; C. A. Konovalov, Izdatelstvo “ Pisevaia promưslenost “ 1980