Chuong2 2 QTSH DH sept2010

BK
TPHCM

BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG CÔNG
NGHỆ MÔI TRƯỜNG
CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

GVHD: TS. Lê Hoàng Nghiêm
Email:



BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.1 T c sinh tr

ng riờng ()

Jackson and Edwards (1975) ó a ra TDSTR trong
m t m nuụi c y (batch culture) b ng ph ng trỡnh sau:

X = Xoe

Biomass concentration

dX
= X (2.45)

dt
( t to )

ln X = (t t o ) + ln X o

Ln(Xt )


Ln(Xo)

ln X ln X o
=
t to
Trong ú
2

X = Hm l
Xo= Hm l

to

t

Time

ng sinh kh i

th i gian t (mg/L)

ng sinh kh i

th i gian to (mg/L)

= T c sinh tr

ng riờng (1/h).

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.1 T c sinh tr ng riờng ()
Thụng th ng, mụ hỡnh Monod c s d ng ỏnh
giỏ cỏc ng h c gi a vi sinh v c ch t trong nuụi c y

liờn t c:

S
= m
(2.46)
S + KS




3

Specific growth rate ( )
time-1

max

max
2

Trong ú
=T c sinh tr ng riờng (d-1)
K
Substrate concentration, mg/ L
m =T c sinh tr ng riờng l n nh t (d-1)
S = Hm l ng c ch t (mg/L)
KS = H ng s bỏn v n t c/h ng s Monod constant (mg/L).
s

TS.Lấ HONG NGHIấM


2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

BK
TPHCM

2.5.1 T c sinh tr ng riờng ()
Theo s li u trỡnh by trong cỏc ti li u hi n cú thỡ giỏ tr c a Ks v
max n m trong cỏc kho ng sau:

i v i x lý sinh h c hi u khớ (Metcalf & Eddy, 1991):
max

= 1,2 6 ngy-1

Ks = 25 100 mgBOD5/L hay Ks = 15 70 mgCOD/L


i v i x
1997)
max

lý k khớ: (van Haandel v Lettinga, 1994; Chernicharo,

= 2,0 ngy-1 (vi sinh v t lờn men acid acidogenic bacteria) ;

= 0,4 ngy-1 (vi sinh v t lờn men mờtan methanogenic
archaea bacteria)
max

max

= 0,4 ngy-1 (sinh kh i k t h p)

Ks = 200 mgCOD/L (vi sinh v t lờn men acid acidogenic bacteria)
Ks = 50 mgCOD/L (vi sinh v t lờn men mờtan methanogenic
archaea bacteria)
4

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt
2.5.1 T c sinh tr

ng riờng ()

Vớ d 2.9: Thi t l p bi u th c tớnh à theo àmax cho cỏc i u
ki n sau:
- N c th i sinh ho t: S = 300 mg/L cú h s Ks = 40 mg/L
- N c th i sinh ho t: S = 10 mg/L cú h s Ks = 40 mg/L
- Glucose: S = 10 mg/L cú h s Ks = 0,2 mg/L

5

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật
2.5.2. Hơ h p ch t n i bào

Trong h th ng x lý n c th i, phân b tu i bùn đ ng nh t nên
khơng ph i tồn b vi sinh v t trong giai đo n log-phase.

Do đó bi u th c bi u di n t c đ t ng tr ng ph i đ c hi u ch nh
cho ph n n ng l ng u c u ph i duy trì ho t đ ng c a t bào vi
sinh v t và các y u t khác nh t c đ ch t c a vinh sinh v t.
Thơng th ng các y u t này đ c g p chung thành t c đ suy gi m
kh i l ng t bào, nó t l v i n ng đ c a vinh sinh v t hi n đang có
m t trong b aeroten.
Trong các tài li u chun ngành t c đ suy gi m kh i l ng t bào
đ c g i là t c đ phân h y n i bào và đ c bi u di n nh sau:

Trong đó:

dX
rd =
= −kd X
dt

(2.47)

kd = h s phân h y n i bào, ngày-1
X = n ng đ c a sinh kh i, KL/TT
6

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.2. Hụ h p ch t n i bo
kd = h s phõn h y n i bo (ngy-1)


iv ix

lý hi u khớ:

kd = 0,04 0,1 mg VSS/mgVSS.ngy (tớnh trờn c s
BOD5) (Metcalf & Eddy, 1991; Von Sperling, 1997) hay
kd = 0,05 0,12 mgVSS/mgVSS.ngy (tớnh trờn c
COD) (EPA, 1993; Orhon v Artan, 1994)



iv ix

lý k khớ:

kd = 0,02 mgVSS/mgVSS.ngy (tớnh trờn c
(Lettinga et al., 1994)

7

s

s

COD)

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.3. T ng tr

ng rũng (Net bacterial growth)

T ng tr ng rũng t c khi tớnh g p t ng tr
t ng v hụ h p n i bo:

ng

Nuụi c y d ng m :

dX
= X k d X
dt

(2.48)

Nuụi c y liờn t c:

S
dX
X kd X

= max
dt
Ks + S
8

(2.49)

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.4. S n l ng ch t r n sinh h c
T ng tr ng c a VSV hay s n l ng sinh kh i hay t
bo hỡnh thnh cú th c bi u di n l m t hm c a
ch t n n tiờu th nh sau:
Trong ú:

dX
dS
=Y*
dt
dt

(2.50)

Y = h s s n l ng hay h s s n xu t sinh kh i; sinh kh i (SS hay VSS

sinh ra trờn m t n v kh i l ng ch t n n b lo i b (BOD hay COD)
(g/g)
X = N ng sinh kh i, SS hay VSS (mg/L)
S = N ng c ch t (mg/L)

S nl

9

ng ch t r n rũng (Net solid production)

dX
dS
= Y * kd X
dt
dt

(2.51)
TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.4. S n l ng ch t r n sinh h c
Y = h s s n l ng hay h s s n xu t sinh kh i = sinh
kh i (SS hay VSS) sinh ra trờn m t n v kh i l ng
ch t n n b lo i b (BOD hay COD) (g/g);

i v i x lý hi u khớ:
Y = 0,4 0,8 gVSS/gBOD5 lo i b (Metcalf & Eddy, 1991) hay
Y = 0,3 - 0,7 gVSS/gCOD (EPA, 1993; Orhon v Artan, 1994).

i v i x lý k khớ:
Y = 0,15 gVSS/gCOD (vi sinh v t lờn men acid acidogenic
bacteria) (van Haandel v Lettinga, 1994);
Y = 0,03 gVSS/gCOD (vi sinh v t lờn men mờtan methanogenic
archaea bacteria) (van Haandel v Lettinga, 1994);
Y = 0,18 gVSS/gCOD (sinh kh i k t h p) (Chernicharo, 1997).

10

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 Động học sinh trưởng vi sinh vật
2.5.4. S n l

ng ch t r n sinh h c

Ví d 2.10: Tính tốn s n l ng ch t r n sinh h c sinh ra
trong h th ng x lý n c th i tr ng thái n đ nh bi t
r ng:
Th tích b ph n

ng: V = 9000 m3.

Th i gian l u n

c: t = 3 ngày

N ng đ ch t n n trong đ u vào (BOD5): So = 350 mg/L
N ng đ ch t n n trong đ u ra (BOD5): S = 9,1 mg/L
N ng đ sinh kh i torng b ph n
H s s nl

ng: Xv = 173,3 mg/L

ng Y = 0,6 mgVSS/mgBOD5.

H s hơ h p n i bào: Kd = 0,06 ngày-1.
11

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.5. T c lo i b ch t n n
Trong h th ng XLNT c n xỏc nh t c ch t n n
c lo i b trong h th ng.
T c lo i b l n, thỡ th tớch yờu c u c a b ph n ng
nh hay hi u qu c a quỏ trỡnh cao h n.

Ph ng trỡnh (2.50) vi t l i ta cú ph ng trỡnh t c
lo i b ch t n n nh sau: dS 1 dX

dt

=

Y

*

dt

(2.52)

T c lo i b ch t n n khi nuụi c y d ng m dX/dt=àX:

dS X
=
Y
dt

12

(2.53)

T c lo i b ch t n n khi nuụi c y liờn t c:
dS
S X
(2.54)

= max
dt
Ks + S Y

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.6. T c sinh tr ng khi cú ch t c ch
Han and Levenspiel (1988) ngh mụ hỡnh khi k n
nh h ng ch t c ch sinh h c gõy ra b i hm l ng
c ch t cao, c ch t, ammonia, hm l ng mu i
cao,.
n

I
S
= m 1
(2.55)
K I S + K 1 I
S

K
I

I

= Hm l

ng ch t gõy c ch

KI = Hm l ng c c tr c a ch t gõy c ch t i ú cỏc ph n ng sinh húa
ng ng l i
n = H ng s

13

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt

2.5.6. T c sinh tr ng khi cú ch t c ch
M t s mụ hỡnh khỏc :

I S
S
Ghose and Tyagi
= m 1
(2.56)
= obs
S + KS
KI S + KS

Bazua and WilkeHan and Levenspiel
0.5

I
S
S


= m 1
(2.57)
= obs
S + KS
KI S + KS
n
Han and Levenspiel


I
= m 1



S
S
= obs
(2.58)
KI S + KS
S + KS

m = t c sinh tr ng riờng t i a hm l ng ch t c ch = 0 (I = 0).

obs = t c sinh tr ng riờng t i a quan sỏt m t hm l ng c a ch t
c ch I no ú (I).

14

TS.Lấ HONG NGHIấM


BK
TPHCM

2.5 ẹoọng hoùc sinh trửụỷng vi sinh vaọt
2.5.6. T c sinh tr

ng khi cú ch t

c ch

( obs ), time-1

Observed specific growthrate

max

n = 0.3

n = 1.0

n = 0.5

Inhibitor concentration ( I) , mass/ vol

KI

ng cong mụ hỡnh t ng tr ng c ch (n =1: Ghose and
Tyagi; n= 0.5: Bazua and Wilke model)
15

TS.Lấ HONG NGHIấM


2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hoàn toàn
2.6.1. Cân b ng v t ch t trong b ph n ng sinh h c
Ph ng trình cân b ng v t ch t t ng quát:
Tích l y = Vào – Ra + Sinh ra – Tiêu th
B PH N NG
Cân b ng cho ch t n n: DÒNG VÀO
DÒNG RA

BK
TPHCM

Ch t r n Xo
Ch t n n So
Q

V i

X

S
V

Q

μ
dS Q
Q
= So − S + 0 − X (2.59)
dt V
V
Y
S
μ = μm
(2.60)
S + KS
dS Q
Q
S
X
= So − S − μ max
×
dt V
V
Ks + S Y

16

X
S

(2.61)
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM


2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hoàn toàn
2.6.1. Cân b ng v t ch t trong b ph n ng sinh h c
Ph ng trình cân b ng v t ch t t ng quát:
Tích l y = Vào – Ra + Sinh ra – Tiêu th

BK
TPHCM

Cân b ng cho ch t r n: :
DÒNG VÀO
Ch t r n Xo
Ch t n n So
Q

Hay

B PH N

NG
DÒNG RA
X
S

X

S
V

Q

dX Q
Q
= X o − X + μ .X − kd X (2.62)
dt V
V
Q
dX Q
S
X − kd X (2.63)
= X o − X + μ max
V
Ks + S
dt V

17

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM


2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n
xáo tr n hoàn toàn

BK
TPHCM

ng

2.6.2. H th ng có tu n hoàn và không có tu n hoàn ch t r n
B ph n ng dòng ch y liên t c xáo tr n hoàn toàn có b
nh ng không có dòng tu n hoàn:
B PH N
DÒNG VÀO
Ch t r n Xo
Ch t n n So
Q

NG

B L NG
X
S
Q

X
S
V

DÒNG RA
Xe
S
Q

B ph n ng dòng ch y liên t c xáo tr n hoàn toàn có b
nh ng không có dòng tu n hoàn:
DÒNG VÀO

Ch t r n Xo
Ch t n n So
Q

18

B PH N

NG

Xr, S, Qr

l ng

B L NG
X
S
Q+Qr

X
S
V

l ng

DÒNG RA
Xe
S
Q - Qex

Xr, S, Qex

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM


2.6 Mơ hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hồn tồn
2.6.3. Th i gian l u n c và th i gian l u ch t r n

BK
TPHCM

(hydraulic retention time – HRT) xác đ nh theo:
Thể tích nước trong hệ thống
t = HRT = θ =
(2.64)
Thể tích nước đi ra khỏi hệ thống trong một đơn vò thời gian
Th i gian l u n

• Do th tích n

c t hay

c đi vào b ng th tích n

c đi ra b ph n ng nên:

V
t = HRT = θ =
(2.65)

Q
Th i gian l u ch t r n SRT (solid retention time) hay tu i bùn
SRT = θ c =
•

19

Khối lượng chất rắn trong hệ thống
(2.66)
Khối lượng chất rắn sinh ra trong một đơn vò thời gian

tr ng thái n đ nh, l ng ch t r n đi ra kh i h th ng b ng l
trong h th ng, khi này tu i bùn tính theo:

SRT = θ c =

c

ng ch t r n sinh ra

Khối lượng chất rắn trong hệ thống
(2.67)
Khối lượng chất rắn đi ra khỏi hệ thống trong một đơn vò thời gian
TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


2.6 Mơ hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hồn tồn
2.6.3. Th i gian l u n c và th i gian l u ch t r n

BK
TPHCM

Th i gian l u ch t r n SRT (solid retention time) hay tu i bùn
SRT = θ c =

• Do s n l

Khối lượng chất rắn trong hệ thống
(2.68)
Khối lượng chất rắn đi ra khỏi hệ thống trong một đơn vò thời gian

ng sinh kh i đ

• Trong ph n tr
xác đ nh b i:

•

20

c

c bi u di n b ng dX/dt, nên (2.68) vi t l i nh sau:

VX
X
θc =
(2.69)
=

dX
⎛
⎞ dX / dt
V⎜
⎟
dt
⎝
⎠
c ta có t ng tr ng ròng c a vi sinh v t (m u s c a (2.69) đ

c

dX
= μX − k d X = ( μ − kd ) X (2.70)
dt
1
Thay (2.69) vào (2.70) ta có:
θc =
(2.71)
μ − kd
TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hoàn toàn
2.6.3. Th i gian l u n c và th i gian l u ch t r n

BK
TPHCM

Ví d 2.11: Xác đ nh th i gian l u n c và tu i bùn c a h
th ng XLNT bi t th tích b ph n ng là V = 9000 m3 và
các thông s sau:
• L u l ng n c th i vào: Q = 3000 m3/ngày
• N ng đ ch t n n trong đ u vào (BOD5): So = 350 mg/L
• N ng đ ch t n n trong đ u ra (BOD5): S = 9,1 mg/L
• T c đ t ng tr ng riêng c c đ i: µmax = 3,0 ngày-1.
• H s s n l ng Y = 0,6 mgVSS/mgBOD5.
• H s hô h p n i bào: Kd = 0,06 ngày-1.

21

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM


2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hoàn toàn
2.6.3. Th i gian r a trôi t bào (Cell wash-out time)

BK
TPHCM

Th i gian l u t bào trong b ph n ng ( c) ph i l n h n th i gian
c n thi t đ t bào vi sinh v t t nhân đôi, n u không t bào s b
r a trôi ra ngoài kh i h th ng tr c khi nó t nhân đôi.
i u này d n đ n k t qu là n ng đ sinh kh i trong b ph n
d n và h th ng s đi đ n s p đ hoàn toàn.
Ta có t ng tr

ng ròng c a vi sinh v t đ

dX
= ( μ − k d ) X (2.49)
Hay:
dt
L y tích phân hai v ph

ng gi m

c xác đ nh b i:

dX
= ( μ − k d )dt (2.72)
X

ng trình này t t =0 đ n t = t, ta có:

X
= ( μ − kd )t (2.73)
ln
Xo

Trong đó:
X = n ng đ vi sinh v t th i đi m t
Xo = n ng đ vi sinh v t th i đi m t = 0
22

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hoàn toàn
2.6.3. Th i gian r a trôi t bào (Cell wash-out time)

BK
TPHCM

X
ln
= ( μ − kd )t (2.74)
Xo
ây là giai đo n t ng tr ng theo quy lu t hàm m , n u v trên h tr c
logarit thì nó là t ng tr ng theo đ ng th ng. Th i gian đ vi sinh v t
nhân đôi t c là th i gian c n thi t đ X = 2Xo, hay:

ln 2 = ( μ − kd )t (2.75)
Do đó th i gian nhân đôi (duplication time) đ

tdup
23

ln 2
=
μ − kd

c tính theo:

(2.76)
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n
xáo tr n hoàn toàn

BK
TPHCM

ng

2.6.3. Th i gian r a trôi t bào (Cell wash-out time)

Trên c s th i gian l u n c, th i gian l u bùn và th i gian c n thi t
nhân đôi, các l u ý sau đây ph i đ c xem xét khi thi t k h th ng x
lý:
H th ng t ng tr ng l l ng không có dòng tu n hoàn (t = c):
trong tr ng h p này th i gian l u n c c n l n h n th i gian c n thi t
đ nhân đôi t bào. i u ki n này c n áp d ng cho các h th i khí xáo
tr n hoàn toàn, t c là kích th c h ph i th a mãn yêu c u này.
H th ng t ng tr ng l
h th ng này l u l ng x
tdup, trong khi th i gian l u
tích b ph n ng nh nh
không c n t ng t (hay V).

24

l ng có dòng tu n hoàn ( c > t): trong các
bùn d ph i đi u ch nh sao cho duy trì c >
n c v n có th duy trì m c nh nh t (th
t). Tu n hoàn bùn là cách làm t ng c mà

c bi t trong các h th ng lên men methane trong đi u ki n k khí
và h th ng oxy hóa ammonia trong đi u ki n k khí, th i gian l u ch t
r n ph i đ m b o l n h n nhi u, b i vì t c đ t ng tr ng c a vi khu n
lên men mêtan hóa và vi khu n nitrate hóa r t ch m. i u này làm cho
t bào vi sinh v t có nguy c cao trôi ra kh i b ph n ng. TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM


2.6 Mô hình hóa ch t n n và sinh kh i trong b ph n ng
xáo tr n hoàn toàn
2.6.4. N ng đ ch t r n l l ng trong b ph n ng

BK
TPHCM

N ng đ ch t r n l l ng trong b ph n ng có tu n hoàn ch t r n
tr ng thái n đ nh:

Y (So − S ) ⎛ θ c ⎞
X=
⎜ ⎟
1 + k dθ c ⎝ t ⎠

(2.77)

Trong b ph n ng không có dòng tu n hoàn ch t r n thì
th c trên tr thành:

Y (So − S )
X=

1 + kdθ c
25

c

= t, công

(2.78)

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM