Nghiên cứu động học quá trình nitrat hóa trong môi trường bị ức chế theo kỹ thuật màng vi sinh chuyển động (TT)

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………

PHẠM THỊ HỒNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA
TRONG MÔI TRƯỜNG BỊ ỨC CHẾ THEO KỸ THUẬT
MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG
Chuyên ngành: Hóa lý và Hóa lý thuyết
Mã số : 62440119

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà nội – 2016


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Lê Văn Cát
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Jean-Luc VASEL

Phản biện 1: TS. Lê Văn Chiều
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Việt Anh
Phản biện 3: GS.TS. Đặng Thị Kim Chi
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa
học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ
..’, ngày … tháng … năm 2016.
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề.
Xử lý và tái sử dụng nước nuôi giống thủy sản là phương thức sản xuất đang
được áp dụng ngày càng trở nên phổ biến để ngành kinh tế phát triển bền vững. Thành
phần gây ô nhiễm trong môi trường nuôi và loài nuôi chủ yếu là hợp chất nitơ, có
nguồn gốc từ nguồn thức ăn và hoạt động của chúng.
Nitrat hóa là quá trình xử lý vi sinh quan trọng nhất trong hệ thống xử lý và tái
sử dụng nước thải. So với xử lý các loại hình nước thải khác, nitrat hóa nước thải trên
luôn phải đối mặt với những yếu tố không thuận lợi: vi sinh vật chức năng có sức hoạt
động thấp, điều kiện môi trường hoạt động của vi sinh bị ức chế, mức độ làm sạch đòi
hỏi rất sâu để đảm bảo an toàn cho loài nuôi.
Nghiên cứu động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế chính là thiết
lập mối tương quan giữa nồng độ amoni theo thời gian phụ thuộc vào các điều kiện ức
chế đó, hay chính là xác định sự ảnh hưởng của độ muối, nồng độ amoni đầu vào, sự
có mặt chất hữu cơ hay nhiệt độ … lên tốc độ phản ứng. Các nghiên cứu trước đây
thường gán cho phản ứng theo bậc 1 (vùng nồng độ thấp) và bậc 0 (vùng nồng độ cao)
gặp phải một số hạn chế không đánh giá được chi tiết khả năng cung cấp cơ chất (bậc
phản ứng) khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động. Một kỹ thuật có ưu
điểm hơn hẳn các kỹ thuật đang áp dụng như lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học hay lọc
tầng tĩnh… Ngoài những yếu tố mang đặc trưng “kỹ thuật” trên, các yếu tố đặc thù
liên quan như quy mô sản xuất, thời vụ, sự phong phú của loài nuôi cũng tác động đến
hiệu quả của công nghệ xử lý.
Với mục đích đóng góp vào việc thiết lập công nghệ tái sử dụng nước thải nuôi
giống thủy sản có hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam, đề tài:
“Nghiên cứu động học quá trình nitrat hoá trong môi trường bị ức chế theo kỹ
thuật màng vi sinh chuyển động” tập trung nghiên cứu các nội dung chính:
 Quá trình động học nitrat hóa trong môi trường bị ức chế.

 Vai trò của các quá trình chuyển khối và tác động của chúng đến hiệu quả nitrat
hóa khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh di động và sử dụng vật liệu mang vi sinh
có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn.
 Nghiên cứu mô hình hóa, mô phỏng quá trình xử lý nước thải nhằm đáp ứng
tính đa dạng của đối tượng nghiên cứu và giảm nhẹ công sức nghiên cứu thực
nghiệm.
 Tiến hành thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá kết quả thu được từ thí nghiệm.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
 Góp phần thiết lập kỹ thuật xử lý có hiệu quả cao, cho nguồn nước thải nuôi
trồng thủy sản có nồng độ ô nhiễm amoni thấp, đòi hỏi xử lý sâu trong môi
trường nước mặn.
 Xây dựng mô hình động học có khả năng mô tả sát quá trình nitrat hoá trong
điều kiện bị ức chế (nồng độ amoni thấp, môi trường nước mặn, có mặt chất
hữu cơ,…).
 Sử dụng công cụ mô hình hóa để tiên đoán hiệu quả của quá trình xử lý nước
thải nuôi giống thủy sản, và trợ giúp khâu vận hành.
3. Đối tượng nghiên cứu.


 Xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải nuôi giống thủy sản.
 Động học quá trình nitrat hóa trong môi trường bị ức chế (độ mặn cao, nồng độ
amoni thấp).
 Chất mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động.
 Các quá trình chuyển khối liên quan đến kỹ thuật màng vi sinh di động.
4. Nội dung nghiên cứu của luận án:
 Thu thập, hệ thống hóa các thông tin, khảo sát, đánh giá hiện trạng ứng dụng
công nghệ lọc sinh học tuần hoàn (dạng tầng tĩnh và dạng tầng chuyển động).
 Nghiên cứu hệ thí nghiệm phù hợp cho kỹ thuật màng vi sinh di động sử dụng
giá thể mang vi sinh có đặc trưng các tính chất (diện tích bề mặt lớn, xốp,
nhẹ…).

 Nghiên cứu thủy động lực học và quá trình chuyển khối của oxy trong kỹ thuật
màng vi sinh di động.
 Nghiên cứu quá trình nitrat hóa dưới ảnh hưởng của các yếu tố: độ mặn, nồng
độ cơ chất thấp, mật độ chất mang, kích thước chất mang, chất hữu cơ, nhiệt
độ....
 Mô hình hóa quá trình nitrat hóa theo kỹ thuật màng vi sinh di động bằng cách
phát triển hai mô hình bùn hoạt tính ASM1 và ASM3 thành ASM1_MBBR,
ASM3_MBBR.
 Đánh giá hiệu quả xử lý amoni đối với nước nuôi giống thủy sản, hiệu chỉnh bộ
thông số của mô hình bằng cách so sánh kết quả giữa chạy mô hình và kết quả
chạy pilot.
5. Phương pháp nghiên cứu:
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
 Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng.
6. Những đóng góp mới của luận án:
 Đóng góp một số kết quả để phát triển kỹ thuật màng vi sinh di động.
 Đã nghiên cứu, xác định và đặc trưng loại vật liệu mang xốp polyuretan có
nhiều ưu điểm trong công nghệ xử lý nước thải.
 Đóng góp vào vấn đề động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế.
 Đã nghiên cứu xử lý số liệu theo nhiều phương pháp khác nhau.
 Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên động học quá trình nitrat hóa. Đặc biệt
đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đó lên hằng số tốc độ phản ứng (k) và bậc
phản ứng (n) – hằng số mà theo các công trình nghiên cứu trước đây vẫn gán
cho các giá trị bậc 0 (vùng nồng độ cao), bậc 1 (vùng nồng độ thấp).
 Đã mô hình hóa quá trình nitrat hóa bằng cách phát triển mô hình bùn hoạt tính
cho mô hình màng vi sinh di động trong điều kiện bị ức chế bởi độ muối, một
mô hình khá mới mẻ trên thế giới, và hoàn toàn mới tại Việt Nam
(ASM1_MBBR; ASM3_MBBR).
7. Giá trị thực tiễn:

 Kết quả đạt được có thể ứng dụng công nghệ màng vi sinh di động để xử lý
không chỉ nước thải nuôi trồng thủy sản mà nhiều loại hình nước thải khác.
 Những kết quả đạt được có thể sử dụng cho việc xử lý để tái sử dụng nước nuôi
thuỷ sản, góp phần sản xuất bền vững.


 Chủ động kiểm soát quá trình sản xuất giống thủy sản.
8. Bố cục của luận án:
Bố cục luận án gồm: phần mở đầu, ba chương nội dung và phần kết luận. Luận
án được trình bày trong 135 trang A4 với 60 hình và 25 bảng cộng với phần phụ lục,
tham khảo 118 tài liệu trong nước và quốc tế. Luận án được cấu tạo gồm 14 trang
danh mục các chữ viết tắt, bảng biểu, hình ảnh và mục lục; 2 trang mở đầu, 43 trang
tổng quan, 17 trang thực nghiệm, 59 trang kết quả và thảo luận và 6 trang kết luận.

NỘI DUNG LUẬN ÁN
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN
Phần tổng quan trình bày :
 Đặc trưng ô nhiễm nguồn nước thải trong nuôi giống thủy sản, xử lý và tái sử
dụng trong hệ nuôi khép kín. Môi trường nuôi giống thường là nước lợ và mặn
(10 – 30%°) bị ô nhiễm bởi các thành phần amoni, nitrit, nitrat, thành phần hữu
cơ, hình thành từ nguồn thức ăn và chất bài tiết từ vật nuôi cùng với một số loại
hóa chất (kháng sinh, hormon) sử dụng trong quá trình nuôi. Xử lý nước thải và
tái sử dụng theo phương thức nuôi khép kín mang lại lợi ích về bảo vệ môi
trường và cả kinh tế cho sản xuất bền vững.
 Màng vi sinh và chất mang vi sinh: Màng vi sinh có một độ dày nhất định, từ
vài chục µm tới vài mm, phụ thuộc vào mật độ sinh khối: tỷ lệ thuận với mật
độ sinh khối và tỷ lệ nghịch với diện tích bên trong của vật liệu mang. Chất
mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh di động gồm có hai loại (xốp và
không xốp), một trong những sản phẩm được sử dụng khá rộng rãi hiện nay là
vật liệu Kaldnes, Biochip và polyuretan.

 Chuyển khối trong hệ sử dụng màng vi sinh gồm hai phần thủy động lực
(chuyển khối ngoài) và khuếch tán trong màng vi sinh. Chuyển khối trong hệ
thống xử lý nước thải đóng vai trò cung cấp “thức ăn” cho vi sinh vật trong lớp
màng. Quá trình chuyển khối bao gồm: chuyển khối đối lưu trong nước,
khuếch tán trong màng thủy lực và khuếch tán trong màng vi sinh. Khuếch tán
trong màng vi sinh thường là giai đoạn có tốc độ chậm nhất và phụ thuộc vào
đặc trưng của chất mang, kỹ thuật xử lý và chế độ vận hành.
 Nghiên cứu lý thuyết về quá trình nitrat hóa: Quá trình oxy hóa amoni với oxy
là tác nhân oxy hóa thành nitrat được gọi là nitrat hóa, xảy ra trong tế bào của
vi sinh vật do hai chủng vi sinh vật là Nitrosomonas và Nitrobacter. Tốc độ
phát triển của vi sinh vật tự dưỡng tuân theo qui luật động học Monod đối với
từng yếu tố ảnh hưởng hay đối với từng loại cơ chất cần thiết cho vi sinh vật.
Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa gồm: nhiệt
độ, pH, nồng độ oxy, nồng độ cơ chất, nồng độ chất hữu cơ (chất ức chế).
 Mô hình hóa và mô phỏng: Mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR bao
gồm hai phần mô hình riêng biệt - cho thành phần vi sinh tồn tại ở dạng huyền
phù (bùn hoạt tính) và cho vi sinh bám dính trong chất mang. Các phương trình
cơ bản trong mô hình ASM được giữ lại và phát triển cho trường hợp màng vi
sinh thành mô hình các quá trình xảy ra trong màng vi sinh hoàn toàn tương tự
các quá trình xảy ra ở dung dịch huyền phù, chỉ khác nồng độ cơ chất khác
(xảy ra quá trình chuyển khối), và mật độ vi sinh khác mật độ vi sinh trong


dung dịch huyền phù thông qua các hệ số trong các phương trình động học
được trình bày ở trên. Hiệu chỉnh mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR
cho hệ màng vi sinh di động trong môi trường bị ức chế bởi sự có mặt của độ
muối được trình bày trong luận án.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp phân tích

Trình bày phương pháp phân tích 6 chỉ tiêu cơ bản sử dụng trực tiếp trong
nghiên cứu này như: amoni, nitrit, nitrat, độ muối, độ oxy hóa, và oxy hòa tan theo
quy chuẩn phân tích tiêu chuẩn của Mỹ, Đức.
2.2. Hóa chất và vật liệu
Liệt kê các loại hóa chất sử dụng để pha chế nguồn nước thải tổng hợp giống
như nguồn nước thải thực thích hợp cho sự phát triển của vi sinh.
Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng sử dụng để tổng hợp nguồn nước thải.
Thành phần
Hàm lượng Đơn vị
(NH4)2CO3
1247
mg
NaHCO3
3500
mg
MgSO4.7H2O 36
mg
Na2HPO4
159
mg
KH2PO4
153
mg
FeCl3.6H2O
5
mg
Nước
140
lít
Chất mang sử dụng cho kỹ thuật màng vi sinh di động.

Hình 2.1 Hình ảnh chất mang vi sinh, polyuretan (PU)
Tiến hành một số thí nghiệm đặc trưng các tính chất của chất mang như:
- Xác định hàm lượng phụ gia CaCO3 trong chất mang.
- Xác định khối lượng riêng thực, biểu kiến và độ xốp.
- Xác định diện tích bề mặt của chất mang bằng phương pháp BET và tính toán
từ ảnh SEM.
- Xác định cấu trúc hình thái vật liệu mang.
Thí nghiệm:


Hai sơ đồ cơ bản được sử dụng để tiến hành nghiên cứu đó là: hệ thí nghiệm
màng vi sinh di động dạng mẻ và hệ thí nghiệm màng vi sinh di động dạng dòng liên
tục.

Hình 2.2 Hệ thí nghiệm màng vi sinh di động dạng mẻ.

Hình 2.3 Hệ thí nghiệm màng vi sinh di động dạng dòng liên tục nối tiếp 2 bình.
Các chỉ tiêu DO, pH, ORP, nhiệt độ được kiểm soát thường xuyên bởi các đầu
đo điện cực trực tiếp trong dung dịch.
Trong quá trình phản ứng, mẫu nước được lấy theo định kỳ để đánh giá các
thông số cần quan trắc.
2.3. Thực nghiệm
2.3.1 Thí nghiệm đánh giá thủy động lực.
Thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá sự phân bố của chất mang trong pha
lỏng dưới tác động của dòng khí cưỡng bức trong bình nhựa hình trụ trong suốt. Chất
mang được nhuộm bởi hai màu xanh và đỏ, tỷ lệ hạt như nhau được ngăn bởi vách
ngăn nhôm và hòa trộn vào nhau khi được cấp nguồn khí. Sử dụng máy camera chụp
liên tục 3 ảnh trong 1 giây ở cùng một vị trí. Phân tích ảnh và quan sát tỷ lệ các hạt
màu xanh và đỏ trong mỗi hình theo thời gian để đánh giá mức độ khuấy trộn trong

bình thí nghiệm.
2.3.2 Thí nghiệm đánh giá quá trình chuyển khối của oxy.
Thí nghiệm đánh giá quá trình chuyển khối của oxy thông qua việc xác định giá
trị hằng số KLa, đại lượng đặc trưng cho hệ số chuyển khối của oxy trong hệ thống
phản ứng.
2.3.3 Thí nghiệm đánh giá tốc độ nitrat hóa.
Thí nghiệm đánh giá tốc độ nitrat hóa với mục đích khảo sát ảnh hưởng của nồng
độ amoni đầu vào, độ muối, thành phần chất hữu cơ và nhiệt độ. Kế hoạch thực
nghiệm bố trí được trình bày trong bảng 2.2. Dung dịch thí nghiệm được pha chế từ


nước máy với các thành phần hóa chất tương ứng cho từng thí nghiệm như trình bày
trong bảng 2.1. Độ kiềm dư (sau khi phản ứng kết thúc) đảm bảo có giá trị cao hơn
120 mg CaCO 3 /l.
Bảng 2.2 Kế hoạch thực nghiệm đánh giá tốc độ nitrat hóa.
Thí nghiệm

Ảnh
Ảnh
Ảnh
Ảnh hưởng Ảnh
hưởng
hưởng độ hưởng
thành phần hưởng của
của nồng muối
mật
độ chất hữu cơ nhiệt độ
Các yếu tố
độ amoni
chất

đầu vào
mang
Thể tích bể vi sinh
6
6
6
6
6
(lít)
Tỷ lệ thể tích vật
20
20
5-40%
20
20
liệu mang (%)
DO
> 6 mg/l
> 6 mg/l
> 6 mg/l
> 6 mg/l
> 6 mg/l
pH
7,5 – 8,5 7,5 – 8,5
7,5 – 8,5 7,5 – 8,5
7,5 – 8,5
Nồng độ amoni đầu 3, 5, 8
5
5
5

5
vào (mg/l)
Độ muối (%°)
10
0 – 40
0
30
30
Tỷ lệ C/N
0
0
0
0,5 – 10
0
Nhiệt độ duy trì 28 – 30
28 – 30
28 – 30
28 – 30
15 – 37
0
trong hệ ( C)
2.3.4 Hệ thí nghiệm qui mô pilot
Thí nghiệm qui mô pilot sử dụng nguồn nước thải lấy từ trạm nuôi tôm giống tại
Quý Kim, Hải Phòng và tiến hành thí nghiệm tại phòng Hóa Môi trường, Viện Hóa
học. Ngoài mục đích đánh giá và so sánh kết quả với các nghiên cứu trên mẫu nước
tổng hợp, các số liệu thu được còn được sử dụng để hiệu chỉnh các thông số cho mô
hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR.
Bảng 2.3 Đặc trưng nước thải từ trại nuôi giống Quý Kim, Hải Phòng.

NH 4  N(mg / l) NO3  N(mg / l) NO2  N(mg / l) pH Kiềm Độ muối %°

3,76
0,021
0,18
8,3 115
23
3,91
0,032
0,24
8,2 119
22
4,05
0,026
0,21
8,3 116
23
Hệ thí nghiệm sử dụng theo kỹ thuật dòng liên tục có hai bình nối tiếp liên tục,
được thực hiện trong ba tháng vào mùa hè từ 1/6/2011 – 1/9/2011. Nguồn nước thải
nuôi tôm giống được sử dụng để xử lý bằng vi sinh đã qua lọc thô. Nguồn vi sinh sử
dụng được lấy từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt Kim Liên – Trúc Bạch, nguồn đó
được thuần dưỡng trong phòng thí nghiệm bởi nguồn nước thải tổng hợp theo tỷ lệ
như trình bày trong bảng 2.1 đến khi hoạt tính vi sinh đạt tối đa, tiếp tục chạy bằng
nguồn nước thải thực đến khi hoạt tính vi sinh không đổi. Khi đó mật độ vi sinh được
xác định là 6,1 g vi sinh khô/1 lít vật liệu mang.
Mẫu được lấy định kỳ tại các điểm đầu ra của bình phản ứng và phân tích các chỉ
tiêu độ muối; độ kiềm; NH 4 ; NO 2 ; NO 3;COD, pH theo phương pháp tiêu chuẩn. Số liệu


được sử dụng để hiệu chỉnh các thông số cho mô hình ASM1_MBBR và
ASM3_MBBR.
2.4 Phương pháp phân tích các số liệu động học.

Quá trình oxy hóa amoni bằng phương pháp sinh học thường được mô tả theo
phương trình động học Monod:
v

Trong đó 

d[C]
XC
 km
dt
KC

(2-1)

d[C]
là tốc độ oxy hóa amoni tại nồng độ C; km là tốc độ tiêu thụ cơ
dt

chất tối đa trên một đơn vị sinh khối; K là hằng số bán bão hòa; X là mật độ sinh khối.
Mặt khác, tốc độ phản ứng hóa học có thể mô tả theo dạng tổng quát:
v

d[C]
  kC n
dt

(2-2)

k là hằng số tốc độ phản ứng và n là bậc phản ứng.
Khi phản ứng xảy ra trong vùng nồng độ amoni thấp thì phương trình (2-2) có

thể chuyển thành phương trình động học bậc nhất theo phương trình (2-3) ứng với
n=1.
v

d[C]
  kC
dt

(2-3)

Giải phương trình (2-2) và (2-3) với nồng độ amoni ban đầu là C0 sẽ thu được:
C = Co e(– kt )
khi n = 1
(2-4)
1–n
1– n
C
– C0
= (n –1)kt
với n ≠ 1
(2-5)
Từ số liệu động học thu được theo kỹ thuật phản ứng dạng tĩnh (cặp giá trị Ci
và ti tương ứng) sẽ tính được tốc độ phản ứng vi tại giá trị nồng độ Ci theo phương
pháp vi phân số và từ đó tính ra k theo (2-3) khi gán cho n = 1 (phương pháp I) hoặc
k, n theo biểu thức (2-2) (phương pháp II).
Tương ứng có thể tính k theo (2-4) khi gán n = 1 (phương pháp III) và đồng
thời k và n từ (2-5) (phương pháp IV) từ Ci, ti theo phương pháp tính hồi qui thích
hợp.
Từ giá trị tốc độ phản ứng (v) tính theo phương pháp vi phân số I, II, III, IV
tương ứng với từng giá trị nồng độ C (mg/l).

Từ tập hợp các cặp dữ liệu (Ci, ti) trên đường động học ta tìm được k và n khi
sử dụng lời giải dạng giải tích theo phương pháp III, IV.
Kết quả chỉ ra rằng sử dụng phương pháp tính đồng thời k và n từ lời giải dạng
giải tích sẽ phản ánh sát nhất kết quả thí nghiệm.
Bảng 2.4 Độ lệch chuẩn của các phương pháp tính khác nhau từ 9 tập hợp dữ liệu.
Phương pháp tính I
II
III
IV
Độ lệch chuẩn
6-75 10-45 1-35 <1


Hình 2.4 Dữ liệu tính toán theo 4 mô hình với các số liệu thực nghiệm (các điểm).
Hình vẽ trên cho thấy giá trị thực nghiệm gần sát với kết quả phân tích theo
phương pháp IV nhất.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Đặc trưng của chất mang
Polyuretan xốp được sử dụng làm chất mang vi sinh trong kỹ thuật màng vi
sinh di động với tiêu chí đặt ra là có độ xốp lớn (94%), diện tích bề mặt cao và dễ
chuyển động trong môi trường chất lỏng. Bốn loại vật liệu mang với ký hiệu M1, M2,
M3, M4 đều là vật liệu polyuretan nhưng có hàm lượng chất phụ gia CaCO3 khác
nhau (0; 9,30; 20,43; 28,25%). Khi sử dụng cho nghiên cứu các quá trình vi sinh thì
chỉ sử dụng loại M1, vi sinh bám vào chất mang và phát triển theo thời gian.

Hình 3.1 Ảnh mẫu M1
(không chứa phụ gia).

Hình 3.2 Vật liệu mang có

vi sinh bám sau 15 ngày.

Hình 3.3 Ảnh màng vi
sinh.

Từ đường đẳng nhiệt hấp phụ (hình 3.4 - 3.6) chỉ ra số liệu diện tích bề mặt
ABET.

Hình 3.4 Đường đẳng nhiệt
hấp phụ của mẫu M1 (K40).

Hình 3.5 Xác định diện
tích bề mặt theo phương

Hình 3.6 Xác định diện
tích bề mặt theo phương


pháp BET của mẫu M1.

pháp Langmuir mẫu M1.

Bảng 3.1 Kết quả đo diện tích bề mặt vật liệu mang bằng chụp BET
Tên vật liệu Ađơn điểm (m2/g) ALangmuir (m2/g)
ABET (m2/g)
K40(M1)
1,6
20,8
3,2
K30

3,7
12,4
5,3
K25
3,3
14,4
5,0
K21
3,2
13,0
4,8
Ký hiệu K40, K30, K25 và K21: là các ký hiệu bán trên thị trường. Chất mang
polyuretan có độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn là một trong những đặc trưng tốt để
làm chỗ bám cho vi sinh có tốc độ phát triển thấp như chủng vi sinh tự dưỡng hiếu
khí để thực hiện quá trình nitrat hóa.
3.2 Thủy động lực học.
3.2.1 Thủy động lực học của pha rắn trong kỹ thuật màng vi sinh di động.
Nghiên cứu thủy động lực học của pha rắn trong kỹ thuật màng vi sinh di động
thực chất là việc đánh giá mức độ khuấy trộn (hỗn loạn) của chất mang vi sinh trong
bể phản ứng.
Các thí nghiệm đánh giá mức độ khuấy trộn theo tốc độ sục khí khác nhau đều
được khởi động với hình 3.7 gồm hai nửa của bình chia đều mỗi bên có cùng lượng
chất mang có màu riêng biệt (đỏ, xanh) bằng vách ngăn giấy bạc.
Để thuận tiện cho việc đánh giá mức độ khuấy trộn bằng cách chia nhỏ bình
phản ứng thành 5 hàng và 4 cột, chia thành 20 phần có diện tích giống nhau, mỗi một
hình chữ nhật được ký hiệu ri,j, dòng thứ i và cột thứ j. Mức độ khuấy trộn được đánh
giá thông qua việc quan sát số lượng các hạt xanh hay đỏ phân bố thay đổi theo thời
gian sục khí (hình 3.8).

Hình 3.7 Hình ảnh ban đầu của tất cả các

thí nghiệm.

Hình 3.8 Bình khuấy trộn sau 7,66 giây
tại tốc độ dòng khí là 8,3 m3h1m3 ).

Tất cả các hình được chụp liên tục tại cùng một vị trí bằng cách sử dụng
camera tự động với ba bức ảnh được chụp lại trong 1 giây. Những bức tranh đó được
phân tích theo phương pháp phân tích ảnh để nhận được kết quả tiệm cận tới một giá
trị không đổi 1 (100%).


Phân tích số lượng các hạt xanh và đỏ và tồng thay đổi theo thời gian trong
một vài hình chữ nhật. Trong đó các hình chữ nhật nhỏ lần lượt được ký hiệu: NX1,2 ;
NĐ1,2; NT1,2; NX1,3; NĐ1,3; NT1,3; NX3,2; NĐ3,2; NT3,2; NX3,3; NĐ3,3; NT3,3; NX5,2; NĐ5,2;
NT5,2; NX5,3; NĐ5,3; NT5,3.
Tỷ lệ của NX trong hai hình chữ nhật 1,2 và 5,2 được xác định theo phương
trình:
1r 

X
X
N1,2
 N5,2

NTmax / 20

;

 tbr 

n
1r   2 r   3r
   ir / n
3
1

(3-1)

Đánh giá mức độ khuấy trộn vật liệu mang () phụ thuộc vào tốc độ cấp khí và
thời gian.

Hình 3.9 Đồ thị sự biến thiên của giá trị tb/max theo thời gian t (s).
Kết quả chỉ ra cho thấy với tốc độ sục khí là 8,3 m3h1m3 sau 14 giây thì phản
ứng đã khuấy trộn gần như hoàn toàn 100%. Sử dụng phương trình bậc nhất để xác
định (t,tb/max) tại tất cả các tốc độ dòng khí:
ln(1 

 tb
 tb
)  kt hoặc
 1  e kt
 max
 max

(3-2)

Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa giá trị của k theo tốc độ dòng khí trong
kỹ thuật màng vi sinh di động có 10% thể tích vật liệu mang.
Tốc độ dòng khí ( m3h1m3 ) Tốc độ dòng khí ( m3h 1m2 ) k (s-1)
8,31

14,16
0,187
13,50
23,00
0,211
18,69
31,86
0,242
23,88
40,71
0,276
29,07
49,56
0,312
34,27
58,41
0,323
39,46
67,26
0,336
44,65
76,11
0,346
Từ giá trị k được biết theo phương pháp tính toán ở trên, tốc độ dòng khí tăng
dẫn đến giá trị k tăng, với tốc độ sục khí 29,07 m3h1m3 thì k đạt giá trị gần tối đa
0,312, khi tăng tốc độ sục khí hơn nữa thì k tăng không đáng kể, với tốc độ sục khí đó
thích hợp sử dụng cho kỹ thuật màng vi sinh di động có 10% vật liệu mang.
3.2.2 Quá trình chuyển khối của oxy trong kỹ thuật màng vi sinh di động và tầng

lưu thể.
KLa là hằng số đặc trưng cho quá trình chuyển khối của oxy, cụ thể trong phạm
vi luận án nghiên cứu trong hai kỹ thuật màng vi sinh di động (MBBR) và tầng lưu thể
(FBR). Đồ thị hấp phụ oxy điển hình được chỉ ra trong hình 3.10, dữ liệu hấp phụ của
oxy thu được tại 294K với pH = 8,0; trong trường hợp không có vi sinh CSO = 0,8
2
3

mol/L, Pkk = 730 kPa.
KLa trong kỹ thuật màng vi sinh di động cao hơn trong kỹ thuật bùn hoạt tính.

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí lên hệ số chuyển khối của oxy.
Trong cả hai trường hợp, kỹ thuật màng vi sinh di động khi có mặt và không có
mặt vi sinh dường như là có giá trị KLa cao hơn trong kỹ thuật bùn hoạt tính.
3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố lên động học quá trình nitrat hóa.
3.3.1 Ảnh hưởng của độ muối
Tốc độ và hiệu quả oxy hóa amoni trước hết phụ thuộc vào độ muối của môi
trường; tác động của yếu tố trên được đánh giá thông qua hiệu suất xử lý. Hiệu suất xử
lý được tính từ biểu thức (3-3):
H (%) = (C0 – C)/C0*100% = [C0 – (C01–n + (n – 1)kt)1/(1-n)]/C0*100%

(3-3)

Trong đó H là hiệu suất của phản ứng; C0 là nồng độ amoni đầu vào; C là nồng
độ amoni tại thời điểm phản ứng t; k là hằng số tốc độ phản ứng và n là bậc phản ứng;
t là thời gian phản ứng.
Ảnh hưởng của độ muối lên hiệu suất xử lý thể hiện rất rõ rệt, ví dụ để đạt hiệu
quả xử lý 80% với độ muối 5 %o cần thời gian khoảng 44 phút và với độ muối 25 %o
thì cần tới 101 phút.

Hình 3.11 Ảnh hưởng của độ muối lên hiệu quả xử lý amoni theo thời gian.
Ảnh hưởng của độ muối lên hiệu suất của phản ứng cũng có thể đánh giá thông
qua thời gian cần thiết để đạt tới một hiệu suất xử lý nhất định:


t = [(C0 – H(%)C0/100)1-n – C01–n]/[(n–1)k]
(3-4)
Bảng 3.3 Thời gian cần thiết (phút) để hiệu suất xử lý đạt 96% với nồng độ ban đầu
5mg/l tại các độ muối khác nhau (ĐKTN) và chế độ thuần dưỡng khác nhau (ĐKTD).
ĐKTD 0%° 15%° 25%° 35%°
ĐKTN
0%°
64
68
70
72
5%°
77
78
80
81
10%°
101 96
93
90
15%°
115 108
104
99
20%°

140 119
116
109
25%°
168 155
143
134
30%°
192 190
173
167
35%°
235 223
196
193
40%°
285 256
197
205
Mô hình hóa ảnh hưởng của độ muối lên bậc phản ứng.
Ảnh hưởng của độ muối lên bậc của phản ứng được đề xuất theo mối quan hệ:
n  aX  b
(3-5)
Trong đó a, b là các hệ số hồi qui và X là nồng độ muối trong môi trường phản
ứng.
Các giá trị a, b biến động theo độ muối trong môi trường thuần dưỡng, có thể
mô tả theo quan hệ:
a = 0,0002 Y – 0,0195 với R2 = 0,957
b = – 0,009 Y + 1,2382 với R2 = 0,993
Y là độ muối của môi trường thuần dưỡng vi sinh. Tổng hợp cả hai yếu tố tác

động, bậc của phản ứng bị chi phối bởi độ muối của môi trường phản ứng (X) và của
môi trường thuần dưỡng (Y):
(3-6)
n  (0,0002Y  0,0195)X  0,009Y  1,2382
Mô hình hóa ảnh hưởng của độ muối lên hằng số tốc độ phản ứng
Mô hình ảnh hưởng của độ muối lên hằng số tốc độ phản ứng được đề xuất như
sau:
k = c.edX
(3-7)
Trong đó X là độ muối trong điều kiện thí nghiệm và c, d là các hệ số hồi qui.
Giá trị c hầu như không đổi trong mọi trường hợp, 0,097 ± 0,001, còn giá trị d
thay đổi khi vi sinh được thuần dưỡng ở những độ muối khác nhau.
Tác động của độ muối trong môi trường phản ứng (X) và của môi trường thuần
dưỡng (Y) đến hoạt tính của vi sinh được đề xuất theo mối quan hệ:

k  0,097e( 0,0003 Y  0,0346 ) X

(3-8)
Sử dụng phương trình động học tổng quát (3-11) với hai thông số động học là k
và n để tính tốc độ phản ứng dưới tác động của độ muối X và Y:

v  0,097e( 0,0003 Y  0,0346 ) XC( 0,0002 Y  0,0195 ) X  0,009 Y 1, 2382 (3-9)


Phương trình hồi quy (3-20) cho phép xác định tốc độ nitrat hóa dưới tác động
của môi trường muối thuần dưỡng và trong môi trường phản ứng.
3.3.2 Ảnh hưởng của vật liệu mang lên tốc độ quá trình nitrat hóa.
Bảng 3.4 Thời gian (phút) để xử lý amoni đạt nồng độ đầu ra 0,2mg/l theo % vật liệu
mang (tính theo thể tích).
% thể tích chất mang t1 (phút) t2 (phút) t3 (phút) ttb (phút)

5%
180
181
181
181
10%
120
119
121
120
15%
102
104
103
103
20%
85
87
86
86
30%
110
108
107
108
40%
108
105
106
106

Kết quả trên cho thấy khi tăng phần trăm vật liệu mang thì hiệu quả quá trình
nitrat hóa tăng (thể hiện ở thời gian để đạt hiệu suất 96% giảm), hiệu quả cao nhất khi
sử dụng 20% vật liệu mang. Nếu tăng phần trăm vật liệu mang hơn nữa, hiệu quả xử
lý không những không tăng mà còn bị giảm.
Theo như kết quả nghiên cứu dưới đây chỉ ra rằng: không những phần trăm
chất mang ảnh hưởng lên hiệu suất quá trình nitrat hóa mà kích thước chất mang cũng
là một trong những yếu tố ảnh hưởng lên hiệu quả của quá trình đó. Kết quả được
trình bày trong hình 3.12.

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hiệu suất oxi hóa amoni vào kích thước vật liệu mang.
Kết quả chỉ ra rằng với kích thước càng nhỏ thì hiệu quả nitrat hóa càng cao,
điều đó được giải thích do sự giảm quãng đường vận chuyển cơ chất amoni và oxy
vào cho màng vi sinh.
3.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ đầu vào
Tốc độ và hiệu quả oxi hóa amoni không những bị ảnh hưởng bởi độ muối mà
còn phụ thuộc vào nồng độ đầu vào: tốc độ phản ứng chậm trong vùng nồng độ thấp.
Tác động của yếu tố trên được đánh giá thông qua giá trị xác định của nồng độ amoni
sau xử lý (tiêu chuẩn thải) hoặc hiệu suất xử lý (%) từ các nồng độ ban đầu (đầu vào)
khác nhau. Nồng độ tại thời điểm t được tính từ biểu thức (3-10):


C = [C01–n + (n–1)kt]1/(1-n)
(3-10)
Sử dụng các thông số k và n để tính toán các đường động học tương ứng, từ đó xác
định C theo biểu thức (3-10).
*Hệ phản ứng tiến hành theo kiểu mẻ gián đoạn.
Hình 3.13 là hình ảnh các đường động học ứng với các nồng độ đầu vào lần lượt
là 8; 5; 3mg/l chạy phản ứng theo mẻ gián đoạn với nồng độ muối của môi trường là
10%°, sử dụng nguồn vi sinh được thuần dưỡng tại độ muối là 35%°.

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ đầu vào lên tốc độ xử lý amoni.
Để nồng độ đầu ra là 0,2mg/l đạt tiêu chuẩn chất lượng nước nuôi thủy sản ứng
với các nồng độ đầu vào là 8; 5; 3mg/l thì cần thời gian tương ứng là 101; 83; 66 phút.
Để đạt tới một hiệu suất xử lý nhất định cần một thời gian phản ứng tương ứng
với các nồng độ đầu vào khác nhau. Từ số liệu động học tính được thời gian cần thiết
(phút) để đạt tới hiệu suất xử lý nào đó, ứng với các nồng độ đầu vào C0:
t = [(C0 – H(%)C0/100)1-n – C01–n]/ [(n – 1)k]
(3-11)
Giả thiết hiệu suất xử lý cần đạt là 96%, với nồng độ ban đầu lần lượt là 8; 5;
3mg/l, thì thời gian cần thiết cho các điều kiện phản ứng khác nhau được trình bày
trong bảng 3.5.
Bảng 3.5 Bảng kết quả thời gian cần thiết để hiệu suất xử lý đạt 96% khi nồng độ đầu
vào (C0 mg/l) khác nhau và khảo sát tại các ĐKTN ( muối %°) khác nhau.
C0 (mg/l)
8
5
3
ĐKTN muối (%°)
10
92
83
75
20
112 94
78
30
217 179 146
Từ số liệu của bảng 3.5 cho thấy: tỷ lệ thời gian giữa chúng là 1,23:1,11:1,00
(độ muối 10%°); 1,44:1,21:1,00 (20%°); 1,49:1,23:1,00 (30%°); trong khi tỷ lệ nồng
độ đầu vào của chúng là 2,67:1,67:1,00. So sánh hai trường hợp của nồng độ đầu vào

là 3 và 8mg/l cho thấy: để đạt hiệu suất 96% thì thời gian cần thiết cho trường hợp sau
cao hơn trường hợp đầu là 23% (10%° độ muối), 44% (20%°), 49% (30%°) trong khi
tỷ lệ nồng độ giữa chúng là 267% (8/3). Từ đó cho thấy nồng độ thấp cũng là yếu tố
kìm hãm tốc độ xử lý. Sử dụng nguồn vi sinh được thuần dưỡng gần giống với môi
trường cần xử lý sẽ cho hiệu quả xử lý cao hơn.


3.3.4 Ảnh hưởng của chất hữu cơ
Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N lên tốc độ oxi hóa amoni.
Sử dụng các giá trị thực nghiệm để tính k và n theo phương pháp IV. Kết quả
thu được về ảnh hưởng của tỷ lệ C/N lên tốc độ nitrat hóa được thể hiện qua thông số
động học k, kết quả được trình bày ở bảng số liệu sau với nguồn vi sinh sử dụng được
thuần dưỡng ở muối 20%° và C/N =0,5.
Bảng 3.6 Kết quả hằng số tốc độ phản ứng và bậc phản ứng khi tỷ lệ C/N thay đổi
C/N
→0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
k
0,030
0,026
0,024
0,022
0,019
0,018
0,016

n
0,985
1,097
1,142
1,170
1,212
1,238
1,308
C/N
3,5
4,0
4,5
5,0
8,0
10,0
k
0,015
0,013
0,013
0,011
0,008
0,007
n
1,352
1,40
1,46
1,547
1,732
1,766
Khi sử dụng nguồn vi sinh được thuần dưỡng ở những tỷ lệ C/N khác nhau sẽ

cho ta kết quả về k và n tại những điều kiện phản ứng tức thời. Nhưng có điểm cần lưu
ý với điều kiện môi trường có tỷ lệ C/N < 2 thì không có sự tích lũy nitrit, khi C/N ≥ 2
thì nitrit bị tích lũy một lượng nhất định phụ thuộc vào tỷ lệ C/N cụ thể.
Từ tập hợp các số liệu C/N và k dùng công cụ toán học tìm được hàm tương
quan giữa hằng số tốc độ phản ứng k và tỷ lệ C/N như sau:
Mô hình: f(x) = 0,0302(1–a*e–b/x)(1+cx+dx2+ex3)
(3-12)
Trong đó f(x) là hằng số tốc độ phản ứng k và x là tỷ lệ C/N,
Khi x → 0 thì f(x) → k0 = 0,0302 như k ≤ k0 đúng khi a, b > 0.
Khi x →∞ thì f(x) → 0 do đó 1–a*e–b/x = 0 vì (1+cx+dx2+ex3) ≠ 0
Mặt khác e–b/x ≈ 1–b/x, do đó 1–a*e–b/x ≈ 1– a(1–b/x) = 0 ↔ a = 1/(1–b/x) =
x/(x–b) > 1 và tiến dần về 1 vì b > 0.
Các hệ số tìm được: a = 0,99; b = 0,11; c = 7,06; d = –1,29; e = 0,071. Với độ
tin cậy của mô hình là R2 = 0,99.
Các hệ số a, b đã tìm được hoàn toàn phù hợp với những lý luận phần trên. Tức
thay các giá trị vào ta có phương trình quan hệ như sau:
k = k0(1 – 0,99  e– 0,11/C/N)(0,071C/N3–1,29C/N2 +7,0C/N +1)
Từ kết quả trên nhận thấy:
Khi C/N → 0 thì k → k0, khi đó tốc độ phản ứng được tính không phụ thuộc
vào chất hữu cơ v = k0Cn.
Khi C/N → ∞ thì k → 0, khi đó tốc độ v = 0.
Sử dụng mô hình trên để tính toán cho các thí nghiệm sử dụng nguồn vi sinh
được thuần dưỡng tại những độ muối khác nhau (10%° và 30%°) với những giá trị k 0
tương ứng khác nhau. So sánh giữa các số liệu tính toán được với các số liệu thực
nghiệm thì sự sai khác không quá 10%. Do vậy, mô hình này có thể được sử dụng một
cách tổng quát cho việc đánh giá ảnh hưởng của chất hữu cơ tới tốc độ phản ứng.


Hình 3.14 Sự thay đổi nồng độ theo thời gian phụ thuộc vào các tỷ lệ C/N đầu vào
khác nhau, vi sinh được thuần dưỡng tại muối 20%° và C/N = 0,5.

Mô hình hóa ảnh hưởng của tỷ lệ C/N lên hằng số tốc độ phản ứng (k)
Mối tương quan giữa k và tỷ lệ C/N (theo biến x = C/N) được đề xuất theo
phương trình (3-13):
Trong đó:
k = f(x) = k0(1 – a.e(–b/x))
(3-13)
Với x = C/N, k0 là hằng số tốc độ trong môi trường không có mặt chất hữu cơ.
Mô hình trên thể hiện tính chất:
Khi x → 0 thì k → k0 nhưng k ≤ k0 chỉ đúng khi a, b > 0.
Khi x →∞ thì k →0 chỉ khi (1-a*exp(-b/x)) = 0
Mặt khác e(–b/x) ≈ 1– (–b/x) =1+b/x, do đó 1–a*e(–b/x) ≈ 1– a.(1+b/x) = 0 tương
đương a = 1/(1+b/x) = x/(x+b) < 1 do b > 0 và a →1 khi b → 0.
Vậy a và b cần thỏa mãn điều kiện: 0< a < 1 và b> 0
Sử dụng các giá trị k, k0 tương ứng với các điều kiện thuần dưỡng và thí nghiệm
cụ thể để tính các thông số của mô hình a, b theo phương pháp tính hồi quy.
Cả hai thông số a và b đều có giá trị hầu như không thay đổi trong mọi điều kiện
thuần dưỡng (a = 0,72 ± 0,003; b = 1,120 ± 0,025). Như vậy giá trị cả a và b phản ánh
mức độ tác động của nồng độ chất hữu cơ lên tốc độ nitrat hóa mà không phụ thuộc
vào lịch sử của bước thuần dưỡng.
Mô hình hóa ảnh hưởng của tỷ lệ C/N lên bậc phản ứng n
Để định lượng ảnh hưởng của nồng độ chất hữu cơ lên bậc phản ứng có thể sử
dụng mô hình sau:
(3-14)
n  f (x)  n 0 .e(cx dx)
Trong đó n0 là bậc phản ứng trong môi trường không có mặt chất hữu cơ.
Để thỏa mãn điều kiện n không âm thì c, d có thể chấp nhận mọi giá trị.
Khi x →∞ khi đó n tăng dần; khi x →0 khi đó n → n0 vì e0 = 1
Sử dụng các giá trị n, n0 tương ứng với các điều kiện thuần dưỡng và thí nghiệm cụ
thể để tính các thông số của mô hình c, d theo phương pháp tính hồi quy.
2

Cả hai thông số c và d đều có giá trị hầu như không thay đổi trong mọi điều kiện
thuần dưỡng (c = - 0,00600±0,00020; d = 0,1200 ± 0,0043). Cả hai giá trị c và d phản
ánh mức độ ảnh hưởng của nồng độ chất hữu cơ lên bậc phản ứng mà không phụ
thuộc vào điều kiện thuần dưỡng. Do vậy bậc phản ứng n được xác định như sau:
n  f (x)  n 0 .e( 0,006x

2

0,12x)

Sử dụng các thông số a, b, c, d thu được từ thực nghiệm để tính toán (theo biểu
thức 3-25). Như vậy mô hình mô tả sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ
chất hữu cơ như sau:


v  k 0 (1  0,72e1,02/x )Cn0 .e

0,006 x 2 0,12 x )

Tốc độ và hiệu quả oxi hóa amoni phụ thuộc rất mạnh vào tỷ lệ C/N; tác động
của yếu tố trên được đánh giá thông qua hiệu suất xử lý. Hiệu suất xử lý được tính từ
biểu thức (3- 15):
H(%) = (C0 – C)/C0*100% = [C0 – (C01–n + (n – 1)k0t(1 – 0,99e–0,11/C/N)
(0,071C/N3–1,29C/N2 +7,06C/N +1))n]/C0100% (3-15)
Trong đó H: hiệu suất của phản ứng; C0: nồng độ amoni đầu vào; C: nồng độ
amoni tại thời điểm phản ứng t; k0: hằng số tốc độ phản ứng khi không có mặt chất
hữu cơ và n: bậc phản ứng; t: thời gian phản ứng.
Từ số liệu động học tính được các thông số n tại mỗi tỷ lệ C/N nhất định, từ các
thông số động học tính được hiệu suất xử lý amoni tại các thời điểm khác nhau, sử

dụng nguồn vi sinh được thuần dưỡng tại muối 30%°.

Hình 3.15 Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N lên hiệu suất xử lý amoni theo thời gian.
Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N lên hiệu suất của phản ứng có thể được đánh giá thông
qua thời gian cần thiết để đạt tới một hiệu suất xử lý nhất định:
t = [(C0 – H(%)C0/100)1-n – C01–n]/[(1 – 0,99e–0,11/C/N)
(0,071C/N3 – 1,29C/N2 +7,06C/N +1))n]) (n – 1)k0]
(3-16)
Để đạt tới một hiệu suất xử lý nhất định cần một thời gian phản ứng tương ứng
với các tỷ lệ C/N khác nhau. Từ số liệu động học tính được thời gian cần thiết (phút)
để đạt tới hiệu suất xử lý nào đó, ứng với tỷ lệ C/N bất kỳ được tính theo (3-16):
Bảng 3.7 Thời gian cần thiết (phút) để xử lý đạt hiệu suất
96% với nồng độ ban đầu 5 mg/l tại tỷ lệ C/N khác nhau.
C/N
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5 4
4,5 5
8
10
t (phút) 147
173 189
209 233 259 288 323 371 416 680 688
Sự có mặt chất hữu cơ của môi trường phản ứng tác động rất lớn đến tốc độ xử
lý. Khi tỷ lệ C/N tăng thì thời gian xử lý để đạt cùng một hiệu suất tăng lên rõ rệt.
Bậc phản ứng (n) là thông số động học đặc trưng cho nhu cầu sử dụng cơ chất

so với nguồn cơ chất cung cấp.
Hằng số tốc độ phản ứng (k) là thông số động học đặc trưng cho hoạt tính của
vi sinh.
Do đó, tại mỗi độ muối nhất định ta sẽ luôn có thể biểu diễn phương trình tốc
độ phản ứng như sau:
v = f(C/N)k0Cn
(3-17)
Trong đó:
f(C/N) = [(1 – 0,99e– 0,11/C/N)(0,071C/N3 – 1,29C/N2+7,06C/N+1))n])(n – 1)k0]
3.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ


Bảng 3.8 Giá trị các thông số động học k và n khi nhiệt độ phản ứng thay đổi.
T°C 15
20
25
28
33
37
k
0,0078
0,0117
0,0176
0,0225
0,0337
0,0468
n
0,719
0,875
1,121

1,221
1,343
1,531
Đồ thị sự phụ thuộc của nhiệt độ lên hằng số tốc độ phản ứng k và bậc phản

hằng số tốc độ phản ứng k

ứng n.
0,05
0,045
0,04
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0

Series1

0

10

20

30

40

Nhiệt độ °C

Hình 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số tốc độ của phản ứng.
Mô hình hóa ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số tốc độ phản ứng
Sử dụng phương trình tính tốc độ phản ứng theo phương trình tổng quát:
v = kCn; trong đó k = f(T) = k20(T–20)
(3-18)
Sử dụng các giá trị k tại các nhiệt độ T(°C) tương ứng ta thu được:
 = 1,085 với độ tin cậy khá cao R2 = 0,976

Hình 3.17 Đồ thị mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ lên bậc của phản ứng.
Mô hình hóa ảnh hưởng của nhiệt độ lên bậc của phản ứng
Tương tự gán cho sự phụ thuộc của n vào nhiệt độ theo phương trình sau:
n = n20’(T–20)
(3-19)
Sử dụng các giá trị n tương ứng tại các nhiệt độ T°C ta thu được: ’ = 1,035
với độ tin cậy tương đối cao R2 = 0,97.
Thông thường nhiệt độ tăng thì tốc độ khuyếch tán cơ chất tăng, nhưng đồng
thời nồng độ oxy bão hòa giảm. Do đó nhu cầu cung cấp cơ chất amoni và oxy sẽ hầu
như không tăng và khi nhiệt độ tăng thì nhu cầu sử dụng cơ chất tăng, do đó bậc phản
ứng sẽ vẫn tăng theo phương trình hàm mũ của giá trị ’.
Mô hình hóa ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng
Tổng hợp hai biểu thức (3-18) và (3-19) thay vào phương trình tính tốc độ phản
ứng tổng quát ta được biểu thức mô tả mối tương quan của nhiệt độ lên tốc độ của
phản ứng, với =1,085; ’=1,035.
v = kCn = (k20 (1,085)(T–20))Cn20*1,035^(T–20)
(3-20)
Từ phương trình (3-18) khi biết nồng độ C, biết hệ điều nhiệt tại nhiệt độ T bất

kỳ thì ta sẽ tính được tốc độ tương ứng tại thời điểm đó.


Hình 3.18 Các số liệu thực nghiệm và tính theo mô hình tại 30°C.
Như vậy, với giả thiết hệ thống vận hành theo từng mùa vụ khác nhau (mùa
đông khoảng 15°C, mùa hè khoảng 30°C, mùa xuân và mùa thu khoảng 25°C) ta sẽ có
thể tính được thời gian để đạt được một hiệu suất nhất định khi hệ thống vận hành
trong những khoảng nhiệt độ ổn định của mùa.
t = [(C0 – H(%)C0/100)1-n – C01–n]/[(n – 1)k]
(3-21)
Thay các giá trị của k và n từ (3-18) và (3-19) vào phương trình (3-21) để áp
dụng tính cho trường hợp: một hệ thống theo kỹ thuật phản ứng dạng mẻ gián đoạn sử
dụng phương pháp màng vi sinh di động (giống với kỹ thuật đang nghiên cứu) xử lý
nguồn nước thải từ trại nuôi giống thủy sản có nồng độ ô nhiễm NH 4 – N là 5 mg/l, độ
mặn 30%°, hệ thống vận hành quanh năm qua những mùa khí hậu khác nhau, chẳng
hạn tại các nhiệt độ: 15, 20, 25, 28, 30, 34, 37°C. Chất lượng nước khi qua hệ thống
xử lý cần đạt nồng độ 0,2 mg/l (đạt hiệu suất 96%). Thay các dữ kiện vào (3 – 21) và
tính được thời gian cần thiết (để đáp ứng đòi hỏi an toàn cho nguồn nước tái sử dụng
trong nuôi trồng thủy sản) ghi lại trong bảng dưới đây.
Bảng 3.9 Thời gian lưu (phút) cần thiết của hệ thống tại các nhiệt
độ khác nhau để hiệu suất xử lý đạt 96%.
Nhiệt độ °C
15
20
25
28
30
34 37
Thời gian (phút) 415 275 185 144 122 90 70
3.4 Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng

3.4.1 Mô hình ASM1_MBBR
Mô hình ASM1_MBBR mô phỏng hệ xử lý vi sinh có giá trị các thông số đầu
vào của mô hình được phân tích và tính giá trị trung bình, một số yếu tố khác được
gán cho một số giá trị.


Bảng 3.10 Đặc trưng của nước thải nuôi trồng thủy sản với độ muối 23%°, là đầu vào của mô hình ASM1_MBBR, ASM3_MBBR.
T
Q
S_S S_NO S_NH TN S_AKL S_I S_ND S_O X_I X_S X_BH X_BA X_P X_ND X_BHad X_BAad
Ngày m3/ngày mg/l mg/l
mg/l
mg/l mg/l
mg/l mg/l
mg/l mg/l mg/l mg/l
mg/l
mg/l mg/l
mg/l
mg/l
0
1,2
10,11 0,35
3,76
4,11 211
0,01 0,01
8,01 0,01 0,01 412
121
0,01 0,01
4421
1091

1
1,2
10,01 0,23
3,85
4,08 202
0,01 0,01
7,98 0,01 0,01 401
113
0,01 0,01
4390
1050
2
1,2
10,12 0,31
3,75
4,06 206
0,01 0,01
8,02 0,01 0,01 423
102
0,01 0,01
4382
1122
3
1,2
11,12 0,35
3,81
4,16 214
0,01 0,01
8,00 0,01 0,01 412
134

0,01 0,01
4403
1103
4
1,2
10,04 0,23
3,91
4,14 221
0,01 0,01
8,04 0,01 0,01 434
125
0,01 0,01
4411
1074
5
1,2
10,07 0,31
3,91
4,22 208
0,01 0,01
7,89 0,01 0,01 392
110
0,01 0,01
4374
1085
6
1,2
10,41 0,36
3,76
4,12 209

0,01 0,01
8,03 0,01 0,01 371
93
0,01 0,01
4395
1156
7
1,2
12,01 0,25
3,85
4,10 201
0,01 0,01
8,01 0,01 0,01 423
86
0,01 0,01
4406
1131
8
1,2
10,12 0,31
3,75
4,06 203
0,01 0,01
8,00 0,01 0,01 401
125
0,01 0,01
4212
1117
9
1,2

10,11 0,23
4,07
4,30 214
0,01 0,01
7,65 0,01 0,01 412
131
0,01 0,01
4207
1098
10
1,2
10,01 0,30
3,71
4,01 206
0,01 0,01
7,74 0,01 0,01 380
115
0,01 0,01
4299
1066
11
1,2
10,13 0,36
3,92
4,28 211
0,01 0,01
7,86 0,01 0,01 391
104
0,01 0,01
4274

1084
12
1,2
10,04 0,23
3,85
4,08 202
0,01 0,01
8,03 0,01 0,01 403
92
0,01 0,01
4355
1045
13
1,2
10,07 0,30
3,95
4,25 206
0,01 0,01
8,04 0,01 0,01 421
121
0,01 0,01
4383
1112
14
1,2
10,41 0,24
3,82
4,06 214
0,01 0,01
8,11 0,01 0,01 390

133
0,01 0,01
4425
1087
15
1,2
10,23 0,27
3,93
4,20 209
0,01 0,01
8,21 0,01 0,01 375
82
0,01 0,01
4406
1068


Sử dụng cùng dòng vào và mô hình hóa những trường hợp khác nhau như trình
bày dưới đây:

Hình 3.19 Kết quả mô hình hóa với thời gian lưu thủy lực trong bể là 2 giờ.
Kết quả trong hình trên cho thấy: thời gian vận hành là 40-50 ngày để hệ đạt
trạng thái ổn định. Những giá trị mật độ sinh khối XND, XBHad, XBAad, XBH, XBA ở đầu
ra là rất nhỏ, chính vì vậy bể lắng thứ cấp sẽ không cần thiết phải xây dựng sau kỹ
thuật màng vi sinh di động. Hiện tượng này được hiểu là do vi sinh có khả năng tự
làm sạch trong các hạt chất mang.

SS (COD trạng thái ổn định)

SNOx (trạng thái ổn định)

SNH (trạng thái ổn định)

SNH (bắt đầu vận hành đến chạy ổn
định)
Hình 3.20 Kết quả mô hình hóa cho hệ thống với thời gian lưu thủy lực là 1 giờ
trong điều kiện muối 20%° và nhiệt độ 28°C.
Kết quả mô hình hóa và kết quả thực nghiệm của một số chỉ tiêu như amoni
S_NH, nitrit+nitrat S_NOx hay chất hữu cơ COD ở trạng thái ổn định có sự sai khác
không nhiều. Điều đó chứng tỏ, mô hình ASM1_MBBR hoàn toàn có thể được sử
dụng để mô hình hóa cho hệ xử lý màng vi sinh di động.
Phân tích tổng sai số địa phương


Hình 3.21 Tổng sai số địa phương của các tham số.
Tổng sai số địa phương cho mỗi hệ số được nhìn thấy chi tiết trong hình 3.21.
Nếu các hệ số chuẩn hóa và mô hình phù hợp thì tổng sai số của các tham số nhỏ.
Trong hình chỉ rõ hệ số K_OH là lớn nhất khoảng 10-2=0,01 tương đối thấp, do đó bộ
tham số trên là thích hợp và tương đối chuẩn hóa cho mô hình.
3.4.2 Mô hình mô phỏng ASM3_MBBR
Mô hình ASM3_MBBR có một số điểm đặc biệt hơn mô hình ASM1_MBBR,
đó là tập trung chủ yếu cho mục đích xử lý nitơ. Nhưng vì đặc trưng nguồn nước thải
nuôi trồng thủy sản có mức độ ô nhiễm amoni và hữu cơ đều không cao dưới 10 mg/l.
Nhưng điều kiện làm sạch rất sâu nên kết quả chạy mô hình hầu như không có sự khác
nhau nhiều.

Hình 3.22 Sơ đồ West của hệ thống xử lý nước nuôi trồng thủy sản.
Với cùng nguồn nước đầu vào như mô hình ASM1_MBBR đã sử dụng để chạy
cho mô hình ASM3_MBBR.
Kết quả thu được hoàn toàn tương tự như mô hình hóa bằng mô hình

ASM1_MBBR và tương đối giống với kết quả chạy thực cho dạng mẻ. Sở dĩ có kết
quả tương đương bởi vì đặc trưng của nước nuôi giống thủy sản không ô nhiễm nặng
nề, amoni khoảng 5 mg/l và ô nhiễm COD gần 10 mg/l. Hàm lượng COD hầu như là
COD dễ tiêu.

Hình 3.23 Kết quả mô hình hóa với thời gian lưu là 2 giờ


Kết quả mô hình hóa bởi mô hình ASM3_MBBR hoàn toàn tương tự kết quả mô
hình hóa bởi mô hình ASM1_MBBR cho nguồn nước thải nuôi giống thủy sản, sau
khi mô hình chạy được 50 – 60 ngày thì hệ đạt trạng thái ổn định. Sau khi đạt trạng
thái ổn định, quá trình mô hình hóa tiếp tục được thực hiện trong 40 ngày để cho ra
các số liệu đầu ra của mô hình và các số liệu thực nghiệm được biểu diễn trên hình
3.24.

Nitrat trạng thái ổn định

SS (COD trạng thái ổn định)

Nitrit ở trạng thái ổn định
S_NH ở trạng thái ổn định
Hình 3.24 Kết quả mô hình hóa cho hệ thống với thời gian lưu thủy lực là 2 giờ
trong điều kiện muối 23%° và nhiệt độ 30°C.
Kết quả quá trình mô hình hóa trong trạng thái ổn định cho thấy giá trị các biến
số amoni, nitrit, nitrat, COD (Mn) dao động trong khoảng 0,07 – 0,09 mg/l; 0,01 –
0,03 mg/l; 2,9 – 3,2 mg/l và 0,4 – 0,6 mg/l so với giá trị thí nghiệm qui mô pilot đã
tính trung bình tương ứng là 0,08 mg/l, 0,02 mg/l, 3,15 mg/l và 0,5 mg/l (hình 3.24).
Các giá trị mô hình hóa và các giá trị thực nghiệm có sự khác biệt không nhiều, điều
đó chứng tỏ mô hình ASM3_MBBR cũng hoàn toàn có thể được sử dụng để mô hình
hóa cho hệ xử lý màng vi sinh di động. Giá trị các biến số đó được đánh giá có khoảng

biến thiên không lớn thông qua việc phân tích độ nhạy của chúng.
Phân tích độ nhạy
Độ nhạy của một số các chỉ tiêu đặc trưng như DO, NH 4 , NO 2 , NO 3 …được trình bày
trong hình dưới đây: