Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 1: Khái niệm cơ bản về xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học - Lê Hoàng Nghiêm
BK
TPHCM
BAØI GIAÛNG MOÂN HOÏC
CAÙC QUAÙ TRÌNH SINH HOÏC TRONG
KYÕ THUAÄT MOÂI TRÖÔØNG
CHÖÔNG 1
KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN VEÀ XÖÛ LYÙ CHAÁT
THAÛI BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP SINH HOÏC
Bieân soaïn: PGS. Nguyeãn Phöôùc Daân
GVHD: TS. Leâ Hoaøng Nghieâm
Email: [email protected]
BK
TPHCM
Toång quan
å
• Muïc tieâu caùc quaù trình sinh hoïc trong coâng ngheä moâi
tröôøng:
– Bieán ñoåi caùc thaønh phaàn deã phaân huûy sinh hoïc thaønh caùc
saûn phaåm cuoái chaáp nhaän ñöôïc
– Khöû caùc chaát dinh döôõng nhö N, P
– Baét giöõ caùc chaát raén/haïït keo vaøo caùc haït keo vaø haït lô löõng
vaøo boâng buøn sinh hoïc (biological floc) hay maøng sinh vaät
(biofilm)
– Khöû caùc thaønh phaàn/chaát höõu cô veát
(trace
organic/constitutent)
• Boán loaïi chaát caàn xöû lyù (pollutants) cuûa quaù trình
treân: CHC hoøa tan, CHC khoâng tan, chaát voâ cô khoâng
tan vaø chaát voâ cô hoøa tan.
• Vai troø cuûa quaù trình sinh hoaù (biochemical
processes) trong XLNT theå hieän trong sô ñoà sau:
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
2
BK
TPHCM
Toång quan
å
Quaù trình
Xöû lyù baäc
Xöû lyù baäc 1
Preliminary
physical
unitä
Xöû lyù sô boä
Taùch-Laéng
sinh hoùa
Biochemical
process
cao
Preliminary
Physical unitä
Advanced
treatment
physical unitä
Neùn-taùch
Xöû lyù boå sung
Additional
Oån ñònh buøn
Biochemical
processä
Neùn buøn
nöôùc
Thickening
Thickening-
Dewatering
treatment
SOM: Soluble organic matter
IOM: Insoluble organic matter
SIM: Soluble inorganic matter
IIM: Insoluble inorganic matter
Biomass
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
3
BK
TPHCM
Toång quan
å
• Phaân loaïi quaù trình sinh hoùa döïa treân ba quan
ñieåm sau:
– Bieán ñoåi sinh hoùa: (1) chuyeån hoùa (oxy hoùa) caùc
thaønh phaàn coù theå phaân huûy sinh hoïc vaø loaïi boû
chaát dinh döôõng
– Moâi tröôøng sinh hoùa: quaù trình sinh hoùa thöïc hieän
trong ñieàu kieän kò khí, hieáu khí, thieáu khí.
– Hình daïng beå sinh hoïc: chia laøm hai nhoùm chính,
phuï thuoäc hình thaùi sinh tröôûng cuûa vi sinh: Lô löûng
vaø baùm dính treân giaù theå raén
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
4
BK
TPHCM
Toång quan
å
Söï khaùc bieät giöõa quaù trình sinh hoïc vaø hoùa hoïc
– Quaù trình sinh hoïc, ñöôïc thöïc hieän vôùi söï tham gia cuûa vi sinh vaät,
khaùc vôùi quaù trình hoaù hoïc ôû caùc ñieåm sau:
9 Tính phöùc taïp cuûa hoãn hôïp caùc chaát phaûn öùng
9 Söï gia taêng sinh khoái dieãn ra cuøng vôùi söï chuyeån hoaù sinh hoïc
9 Khaû naêng cuûa vi sinh vaät töï toång hôïp caùc xuùc taùc cho rieâng
mình (men vi sinh)
9 Khoù giöõ vaän toác chuyeån hoaù khoâng ñoåi (tính khoâng oån ñònh cuûa
quaù trình)
9 Tieán haønh quaù trình chæ trong pha loûng (nöôùc)
9 Noàng ñoä cô chaát vaø saûn phaåm töông ñoái thaáp
– Taát caû caùc phaûn öùng vi sinh hoïc ñeàu laø dò theå vì chuùng xaûy ra vôùi
söï tham gia cuûa ít nhaát 2 pha: pha raén, laø vi sinh vaät vaø pha loûng
(nöôùc). Ñoâi khi trong quaù trình coù theå tham gia pha khí, pha loûng vaø
pha raén khaùc (khoâng khí hoaëc oxi trong heä thoâng hieáu khí vaø CO2
trong heä kî khí)
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
5
BK
TPHCM
Toång quan (tt)
å
• Öùng duïng cuûa quaù trình sinh hoïc trong lónh vöïc moâi
tröôøng
– Xöû lyù nöôùc thaûi: trong quaù trình naøy vi sinh vaät ñöôïc söû duïng
ñeå chuyeån hoaù chaát thaûi do hoaït ñoäng soáng cuûa con ngöôøi
thaønh saûn phaåm coù giaù trò nhaát ñònh naøo ñoù. Söï chuyeån hoaù
naøy ñaït ñöôïc laø nhôø trong nöôùc thaûi sinh hoaït vaø coâng
nghieäp chöùa moät löôïng lôùn caùc chaát oâ nhieãm coù khaû naêng
phaân huûy sinh hoïc.
– Xöû lyù chaát thaûi raén: chaát thaûi raén sinh hoaït chöùa phaàn lôùn
thaønh phaàn höõu cô coù khaû naêng phaân huûy sinh hoïc. Vi sinh
vaät söû duïng chuùng laøm nguoàn thöùc aên vaø chuyeån hoùa thaønh
phaân compost.
– Tham gia vaøo quaù trình töï laøm saïch moâi tröôøng (ñaát, nöôùc,
khoâng khí).
– Xöû lyù khí thaûi: vi sinh vaät söû duïng caùc chaát oâ nhieãm trong khí
thaûi laøm nguoàn cacbon nhö xöû lyù VOC
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
6
BK
TPHCM
Thaønh phaàn vaø phaân loaïi vi sinh vaät
à ø â ï
ø
ä
• Thaønh phaàn teá baøo vi sinh vaät
– Nöôùc vaø muoái khoaùng
9 Nöôùc coù trong teá baøo VSV khoaûng 75-90%
9 Haøm löôïng chaát khoâ trong teá baøo VSV khoaûng 10-
30%, haøm löôïng muoái khoaùng trong chaùt khoâ
khoaûng 5-10%
– Caùc hôïp chaát höõu cô
9 Caùc loaïi hydrat cacbon: goàm monosacarit vaø
polysacarit
9 Lipit: haøm löôïng môõ vaø caùc chaát b
9 Protit: goàm protein (protit ñôn giaûn)
(protit phöùc taïp)
9 Caùc loaïi axit nucleic
GHIÊM
7
BK
TPHCM
Thaønh phaàn vaø phaân loaïi vi sinh vaät (tt)
ø
à ø â ï
ä
• Caáu truùc teá baøo vi khuaån:
– Maøng nhaày
– Vaùch teá baøo
– Maøng nguyeân sinh chaát
– Nguyeân sinh chaát
– Nhaân
– Tieâm mao
– Baøo töû
HIÊM
8
BK
TPHCM
Thaønh phaàn vaø phaân loaïi vi sinh vaät (tt)
ø
à ø â ï
ä
• Phaân loaïi vi sinh vaät
– Vi khuaån
– Naám
– Taûo: taûo khueâ, taûo lam,...
– Ñoäng vaät nguyeân sinh: truøng roi, thaûo truøng,...
– Thöïc vaät nöôùc baäc cao
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
9
BK
TPHCM
Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng cuûa vi sinh vaät
å á ø ê
ï
û
ä
Quaù trình trao ñoåi chaát ôû VSV bao goàm 2 quaù trình cô
baûn:
– Quaù trình ñoàng hoùa: toång hôïp vaät chaát trong teá baøo
9Naêng löôïng ñöôïc cung caáp bôûi quaù trình di hoùa
9Vaät chaát ñöôïc laáy töø moâi tröôøng vaø ñöôïc toång hôïp xaûy ra
trong teá baøo
– Quaù trình dò hoùa: phaân giaûi vaät chaát trong vaø ngoaøi teá baøo
9Dò hoùa ngoaøi teá baøo cung caáp vaät chaát cho teá baøo nhôø
caùc enzym ngoaïi baøo (ñöôïc toång hôïp trong teá baøo vaø
thöïc hieän caùc phaûn öùng ngoaøi teá baøo)
9Dò hoùa trong teá baøo ñöôïc thöïc hieän nhôø enzym noäi baøo
(ñöôïc toång hôïp trong teá baøo vaø thöïc hieän caùc phaûn öùng
trong teá baøo)
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
10
BK
TPHCM
vaät (tt)
naêng löôïng cuûa vi sinh
Trao ñoåi chaát vaø
ï
û
ä
å á ø ê
Quaù trình trao ñoåi chaát bao goàm:
– Quaù trình chuyeån hoùa vaät chaát töø ngoaøi teá baøo vaøo trong teá
baøo
– Quaù trình toång hôïp vaät chaát trong teá baøo
– Quaù trình thaûi boû caùc chaát dö thöøa töø teá baøo ra moâi tröôøng
Quaù trình trao ñoåi naêng löôïng bao goàm taát caû caùc
quaù trình oxy hoùa phaân huûy coù keøm theo giaûi phoùng
naêng löôïng
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
11
BK
TPHCM
(tt)
ä
t cuûa vi sinh vaät
Quaù trình trao ñoåi chaá
ù
å á
û
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
12
BK
TPHCM
vaät
t trieån cuûa vi sinh
Söï sinh tröôûng vaø phaù
ä
ï
û
ø ù
å û
• Ñieàu kieän nuoâi caáy tónh Æ khoâng theâm dinh döôõng cuõng khoâng
loaïi boû caùc saûn phaåm cuoái cuøng cuûa trao ñoåi chaát
• Quaù trình nuoâi caáy lieân tuïc vaø nuoâi caáy ñoàng boäÆ chaát dinh
döôõng ñöôïc theâm vaøo lieân tuïc vaø caùc saûn phaåm thöøa cuûa trao
ñoåi chaát luoân ñöôïc laáy khoûi moâi tröôøng
• Ñöôøng cong sinh tröôûng cuûa quaàn theå vi khuaån:
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
13
BK
TPHCM
vaät (tt)
t trieån cuûa vi sinh
Söï sinh tröôûng vaø phaù
ø ù
ä
ï
û
å û
Pha lag
– Tính töø luùc baét ñaàu caáy ñeán khi vi khuaån ñaït ñöôïc toác ñoä sinh
tröôûng cöïc ñaïi.
– Trong pha lag vi khuaån chöa phaân chia (chöa coù khaû naêng sinh
saûn) maø thích nghi daàn vôùi ñieàu kieän moâi tröôøng.
– Troïng löôïng vaø theå tích teá baøo taêng leân roõ reät do quaù trình toång hôïp
caùc chaát dieãn ra maïnh meõ.
– Ñoä daøi cuûa pha phuï thuoäc tröôùc heát vaøo tuoåi, gioáng vaø thaønh phaàn
moâi tröôøng.
– Trong pha naøy dieãn ra quaù trình xaây döïng laïi caùc teá baøo nghæ thaønh
teá baøo sinh tröôûng logarit (hoaëc sinh tröôûng theo luõy thöøa).
– Heä soá kinh teá ñaëc tröng cho hieäu suaát söû duïng cô chaát:
Trong ñoù:
Y : Heä soá kinh teá
X
X
X : Löôïng sinh khoái sinh tröôûng, g
S1: Löôïng cô chaát söû duïng, g
So: Löôïng cô chaát ban ñaàu, g
S : Löôïng cô chaát coøn laïi
Y = =
S1 So − S
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
14
BK
TPHCM
vaät (tt)
t trieån cuûa vi sinh
Söï sinh tröôûng vaø phaù
ø ù
ä
ï
û
å û
Pha logaric (Pha taêng tröôûng)
– Trong pha naøy vi khuaån sinh tröôûng vaø phaùt trieån theo haøm luõy thöøa.
Kích thöôùc teá baøo, thaønh phaàn hoùa hoïc, hoaït tính sinh hoïc,... Khoâng
thay ñoåi theo thôøi gian.
– Sinh khoái vaø khoái löôïng teá baøo taêng theo phöông trình N = No.2n
Pha oån ñònh
– Trong pha naøy quaàn theå vi khuaån ôû traïng thaùi caân baèng ñoäng, toác
ñoä sinh tröôûng phuï thuoäc vaøo noàng ñoä cô chaát.
– Nguyeân nhaân toàn taïi pha oån ñònh laø do söï tích luõy caùc saûn phaåm
cuûa trao ñoåi chaát vaø vieäc caïn kieät chaát dinh döôõng.
– Thôøi gian pha oån ñònh seõ khaùc nhau ñoái vôùi moãi loaïi VSV.
Pha töû vong
– Trong pha naøy soá löôïng teá baøo coù khaû naêng soáng giaûm daàn theo
luõy thöøa.
– Caùc teá baøo töû vong bôûi nhieàu nguyeân nhaân: caïn kieät chaát dinh
döôõng, caùc saûn phaåm thöøa cuûa trao ñoåi chaát bò tích luõy laïi, tính
chaát hoùa lyù moâi tröôøng thay ñoåi,...
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
15
BK
TPHCM
Quaù trình sinh hoïc hieáu khí
ï á
ù
Quaù trình sinh hoïc hieáu khí
– Chuyeån hoaù (oxy hoaù) caùc chaát hoaø tan vaø nhöõng chaát deå
phaân huûy sinh hoïc thaønh nhöõng saûn phaåm cuoái cuøng coù theå
chaáp nhaän ñöôïc (humic, fulvic,...);
– Haáp phuï vaø keát tuï caën lô löûng vaø chaát keo khoâng laéng thaønh
boâng sinh hoïc hay maøng sinh hoïc;
– Chuyeån hoaù/khöû chaát dinh döôõng (N vaø photpho)
Vai troø cuûa vi sinh vaät hieáu khí trong xöû lyù nöôùc thaûi
– Khöû caùc chaát hoaø tan, BOD carbon vaø oån ñònh hôïp chaát höõu
cô trong nöôùc thaûi
– Söû duïng nhieàu loaïi vi sinh vaät, chuû yeáu laø vi khuaån.
– Nhöõng VSV oxy hoaù caùc CHCô hoaø tan thaønh nhöõng saûn
phaåm ñôn giaûn vaø taêng sinh khoái.
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
16
BK
TPHCM
Quaù trình sinh hoïc hieáu khí (tt)
ï á
ù
• Quaù trình phaân huûy hieáu khí
Oxi hóa va
̀
hô hấp nội bào
dinh döôõng
õ
CO2
H2O
C.höõu cô
O2
õ
(N,P)
Caën khoâng phaân huûy
ë
â
â
û
sinh hoïc
ï
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
17
BK
TPHCM
Quaù trình sinh hoïc hieáu khí (tt)
ù
ï á
• Quaù trình phaân huûy hieáu khí (tt)
Phân hủy nội bào
N,P
CO2
H2O
O2
Caën khoâng phaân huûy
ë
â
â
û
sinh hoïc
ï
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
18
BK
TPHCM
BOD
Ño ñaïc löôïng DO söû duïng do vi sinh trong quaù trình
oxy hoùa CHC;
3 phaûn öùng sinh hoùa xaûy ra trong BOD test:
– Oxi hoùa/hoâ haáp:
COHNS + O2 Î CO2 + H2O +NH3 + saûn phaåm cuoái +
naêng löôïng
– Toång hôïp:
COHNS + O2 + naêng löôïng Î C5H7NO2
– Hoâ haáp noäi baøo:
C5H7NO2 + 5O2 Î 5 CO2 + NH3 + 2H2O
• BOD 5 ngaøy = 60-70% oxi hoùa hoaøn toaøn CHC
• BOD 20 ngaøy = 95-99% toång löôïng CHC
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
19
BK
TPHCM
Moâ hình hoùa phaûn öùng BOD
â ù û ù
• Moâ hình hoùa döïa treân löôïng CHC coøn laïi ôû
thôøi gian t bieán ñoåi theo haøm baäc nhaát:
dBODr
= −k1 × BODr
dt
BOD r = UBOD × e− k t
1
Trong ñoù:
BODr = Löôïng CHC coøn laïi ôû thôøi gian t (ngaøy) tính theo löôïng oxy
töông ñöông, mg/L
k1 = haèng soá toác ñoä phaûn öùng baäc nhaát, ngaøy-1
UBOD = Toång BOD hay BOD cuoái cuøng (ultimate), mg/L
t = Thôøi gian (ngaøy)
Nhö vaäy BOD söû duïng ôû thôøi gian t:
BODt =UBOD − BODr =UBOD∗(1− e−k1t )
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
20
Tải về để xem bản đầy đủ
68 trang
110587
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 1: Khái niệm cơ bản về xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học - Lê Hoàng Nghiêm", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_cac_qua_trinh_sinh_hoc_trong_ky_thuat_moi_truong_c.pdf
