Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 2, Phần 2: Động học quá trình sinh học - Lê Hoàng Nghiêm

BK
TPHCM
BAØI GIAÛNG MOÂN HOÏC
 CAÙC QUAÙ
TRÌNH SINH HOÏC TRONG COÂNG 
NGHEÄ
MOÂI TRÖÔØNG
 CHÖÔNG 2: ÑOÄNG HOÏC QUAÙ
TRÌNH SINH HOÏC
GVHD: TS. Leâ
Hoaøng
Nghieâm
Email: hoangnghiem72@gmail.com
hoangnghiem72@yahoo.com
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM2
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.1 Tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
(μ)
™ Jackson and Edwards (1975) đã đựa ra TDSTR trong
một mẻ nuôi cấy (batch culture) bằng phương trình sau:
Trong
đó X = Hàm lưọng
sinh
khối
ở
thời gian
t (mg/L)
Xo
= Hàm
lưọng
sinh
khối
ở
thời gian
to
(mg/L)
μ
= Tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
(1/h).
).( 452X
dt
dX μ=
)( ott
oeXX
−=⇒ μ
oo XttX ln)(ln +−= μ
o
o
tt
XX
−
−= lnlnμ Time
B
i
o
m
a
s
s
c
o
n
c
e
n
t
r
a
t
i
o
n
Ln(Xt)
Ln(Xo)
to t
μ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM3
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.1 Tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
(μ)
™ Thông thường, mô hình Monod được sử dụng để đánh
giá các động học giữa vi sinh và cơ chất trong nuôi cấy
liên tục:
™ Trong đó
•
μ =Tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
(d-1)
•
μm
=Tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
lớn nhất (d-1)
•
S = Hàm
lượng
cơ
chất
(mg/L) 
•
KS
= Hằng
số
bán
vận tốc/hằng
số
Monod constant (mg/L).
).( 462
S
m KS
S
+= μμ
Substrate concentration, mg/L
S
p
e
c
i
f
i
c
g
r
o
w
t
h
r
a
t
e
(
μ
)
t
i
m
e
-
1
μmax
μmax
2
Ks
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM4
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.1 Tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
(μ)
Theo số
liệu
trình
bày
trong
các
tài
liệu hiện có thì giá trị
của Ks
và
 μmax
nằm
trong
các
khoảng
sau:
•
Đối với xử
lý
sinh
học hiếu khí (Metcalf & Eddy, 1991):
™μmax = 1,2 – 6 ngày-1
™Ks = 25 – 100 mgBOD5/L hay Ks = 15 – 70 mgCOD/L
•
Đối với xử
lý
kỵ
khí:
(van Haandel
và
Lettinga, 1994; Chernicharo, 
1997)
™μmax = 2,0 ngày-1 (vi sinh vật lên men acid acidogenic bacteria) ; 
™μmax = 0,4 ngày-1 (vi sinh vật lên men mêtan methanogenic
archaea bacteria) 
™μmax = 0,4 ngày-1 (sinh khối kết hợp)
™Ks = 200 mgCOD/L (vi sinh vật lên men acid acidogenic bacteria)
™Ks = 50 mgCOD/L (vi sinh vật lên men mêtan methanogenic
archaea bacteria)
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM5
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.1 Tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
(μ)
Ví
dụ
2.9: Thiết lập biểu thức tính µ theo µmax
cho
các
điều
 kiện sau:
- Nước thải sinh hoạt: S = 300 mg/L có
hệ
số
Ks
= 40 mg/L
- Nước thải sinh hoạt: S = 10 mg/L có
hệ
số
Ks
= 40 mg/L
-
Glucose: S = 10 mg/L có
hệ
số
Ks
= 0,2 mg/L
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM6
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.2. Hô
hấp chất nội bào
™ Trong hệ thống xử lý nước thải, phân bố tuổi bùn đồng nhất nên
không phải toàn bộ vi sinh vật trong giai đoạn log-phase. 
™ Do đó biểu thức biểu diễn tốc độ tăng trưởng phải được hiệu chỉnh
cho phần năng lượng yêu cầu phải duy trì hoạt động của tế bào vi 
sinh vật và các yếu tố khác như tốc độ chết của vinh sinh vật. 
™ Thông thường các yếu tố này được gộp chung thành tốc độ suy giảm
khối lượng tế bào, nó tỷ lệ với nồng độ của vinh sinh vật hiện đang có
mặt trong bể aeroten. 
™ Trong các tài liệu chuyên ngành tốc độ suy giảm khối lượng tế bào
được gọi là tốc độ phân hủy nội bào và được biểu diễn như sau:
™ Trong đó:
™ kd = hệ số phân hủy nội bào, ngày-1
™ X = nồng độ của sinh khối, KL/TT
).( 472Xk
dt
dXr dd −==
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM7
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.2. Hô
hấp chất nội bào
kd
= hệ
số
phân
hủy nội
bào
(ngày-1)
•
Đối với xử
lý
hiếu khí:
¾kd = 0,04 – 0,1 mg VSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở
BOD5) (Metcalf & Eddy, 1991; Von Sperling, 1997) hay 
¾kd = 0,05 – 0,12 mgVSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở
COD) (EPA, 1993; Orhon và Artan, 1994)
•
Đối với xử
lý
kỵ
khí:
¾kd = 0,02 mgVSS/mgVSS.ngày (tính trên cơ sở COD) 
(Lettinga et al., 1994)
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM8
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.3. Tăng
trưởng
ròng
(Net bacterial growth)
Tăng
trưởng
ròng
đạt
được
khi
tính
gộp tăng
trưởng
 tổng
và
hô
hấp nội
bào:
™Nuôi cấy dạng mẽ:
™Nuôi cấy liên tục:
).( 482XkX
dt
dX
d−= μ
).(max 492XkXSK
S
dt
dX
d
s
−+= μ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM9
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.4. Sản lượng
chất rắn sinh học
™ Tăng trưởng của VSV hay sản lượng sinh khối hay tế
bào hình thành có thể được biểu diễn là một hàm của
chất nền tiêu thụ như sau:
Trong
đó:
Y = hệ
số
sản lượng
hay hệ
số
sản xuất sinh khối; sinh
khối
(SS hay VSS 
sinh
ra
trên
một
đơn vị
khối lượng
chất nền bị
loại bỏ
(BOD hay COD) 
(g/g)
X = Nồng
độ
sinh
khối, SS hay VSS (mg/L)
S = Nồng
độ
cơ
chất (mg/L) 
™ Sản lượng chất rắn ròng (Net solid production)
).(* 502
dt
dSY
dt
dX =
).(* 512Xk
dt
dSY
dt
dX
d−=
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM10
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.4. Sản lượng
chất rắn sinh học
™Y = hệ số sản  ... Y = 0,18 gVSS/gCOD
(sinh
khối kết hợp) (Chernicharo, 1997).
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM11
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.4. Sản lượng
chất rắn sinh học
Ví
dụ
2.10: Tính
toán
sản lượng
chất rắn sinh học sinh ra
 trong
hệ
thống
xử
lý
nước thải
ở
trạng
thái
ổn
định
biết
 rằng:
™Thể tích bể phản ứng: V = 9000 m3.
™Thời gian lưu nước: t = 3 ngày
™Nồng độ chất nền trong đầu vào (BOD5): So = 350 mg/L
™Nồng độ chất nền trong đầu ra (BOD5): S = 9,1 mg/L
™Nồng độ sinh khối torng bể phản ứng: Xv = 173,3 mg/L
™Hệ số sản lượng Y = 0,6 mgVSS/mgBOD5.
™Hệ số hô hấp nội bào: Kd = 0,06 ngày-1.
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM12
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.5. Tốc
độ
loại bỏ
chất nền
™Trong hệ thống XLNT cần xác định tốc độ chất nền
được loại bỏ trong hệ thống. 
™Tốc độ loại bỏ lớn, thì thể tích yêu cầu của bể phản ứng
nhỏ hay hiệu quả của quá trình cao hơn. 
™Phương trình (2.50) viết lại ta có phương trình tốc độ
loại bỏ chất nền như sau:
™Tốc độ loại bỏ chất nền khi nuôi cấy dạng mẽ dX/dt=µX:
™Tốc độ loại bỏ chất nền khi nuôi cấy liên tục: 
).(* 5221
dt
dX
Ydt
dS =
).( 532
Y
X
dt
dS μ=
).(max 542Y
X
SK
S
dt
dS
s +
= μ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM13
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.6. Tốc
độ
sinh
trưởng
khi
có
chất
ức chế
™ Han and Levenspiel (1988) đề nghị mô hình khi kể đến
ảnh hưởng chất ức chế sinh học gây ra bởi hàm lượng
cơ chất cao, độc chất, ammonia, hàm lượng muối
cao,.
I
= Hàm
lưọng
chất gây ức chế
KI
= Hàm
lượng
cực trị
của chất
gây
ức chế
tại
đó
các
phản
ứng
sinh
hóa
 ngừng
lại
n
= Hằng
số
).( 552
1
1
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −+
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −=
I
S
n
I
m
K
IKS
S
K
Iμμ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM14
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.6. Tốc
độ
sinh
trưởng
khi
có
chất
ức chế
™Một số mô hình khác :
™ Ghose and Tyagi
™ Bazua and WilkeHan and Levenspiel
™ Han and Levenspiel
μm
= tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
tối
đa
ở
hàm
lượng
chất
ức chế
= 0 (I = 0).
μobs
= tốc
độ
sinh
trưởng
riêng
tối
đa
quan
sát
ở
một
hàm
lưọng
của chất
 ức chế
I nào
đó (I).
).( 5621
S
obs
SI
m KS
S
KS
S
K
I
+=+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −= μμμ
).(
.
5721
50
S
obs
SI
m KS
S
KS
S
K
I
+=+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −= μμμ
).( 5821
S
obs
S
n
I
m KS
S
KS
S
K
I
+=+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −= μμμ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM15
2.5 Ñoäng
hoïc
sinh
tröôûng
vi sinh
vaät
2.5.6. Tốc
độ
sinh
trưởng
khi
có
chất
ức chế
Inhibitor concentration ( I), mass/vol
O
b
s
e
r
v
e
d
s
p
e
c
i
f
i
c
g
r
o
w
t
h
r
a
t
e
(
μ
o
b
s
)
,
t
i
m
e
-
1
KI
μmax
n = 0.3
n = 0.5n = 1.0
Đường
cong mô
hình
tăng
trưởng
ức chế
(n =1: Ghose
and 
Tyagi; n= 0.5: Bazua
and Wilke
model) 
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM16
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.1. Cân
bằng
vật chất
trong
bể
phản
ứng
sinh
học
™Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:
Tích
lũy = Vào – Ra + Sinh ra – Tiêu thụ
™Cân bằng cho chất nền:
Với
).( 5920 X
Y
S
V
QS
V
Q
dt
dS
o
μ−+−=
).( 602
S
m KS
S
+= μμ
).(max 612Y
X
SK
SS
V
QS
V
Q
dt
dS
s
o ×+−−= μ
DÒNG RA
X
S
DÒNG VÀO
Chất rắn Xo
Chất nền So
Q Q
X
S
V
BỂ
PHẢN ỨNG
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM17
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.1. Cân
bằng
vật chất
trong
bể
phản
ứng
sinh
học
™Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:
Tích
lũy = Vào – Ra + Sinh ra – Tiêu thụ
™Cân bằng cho chất rắn: :
Hay
DÒNG RA
X
S
DÒNG VÀO
Chất rắn Xo
Chất nền So
Q Q
X
S
V
BỂ
PHẢN ỨNG
).(. 622XkXX
V
QX
V
Q
dt
dX
do −+−= μ
).(max 632XkXSK
SX
V
QX
V
Q
dt
dX
d
s
o −++−= μ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM18
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.2. Hệ
thống
có
tuần
hoàn
và
không
có
tuần hoàn chất rắn
™ Bể phản ứng dòng chảy liên tục xáo trộn hoàn toàn có bể lắng
nhưng không có dòng tuần hoàn:
™ Bể phản ứng dòng chảy liên tục xáo trộn hoàn toàn có bể lắng
nhưng không có dòng tuần hoàn:
DÒNG RA
Xe
S
Q
BỂ
PHẢN ỨNG
X
S
Q
DÒNG VÀO
Chất rắn Xo
Chất nền So
Q
X
S
V
BỂ
LẮNG
Xr
, S, Qex
Xr
, S, Qr
DÒNG RA
Xe
S
Q -
Qex
BỂ
PHẢN ỨNG
X
S
Q+Qr
DÒNG VÀO
Chất rắn Xo
Chất nền So
Q
X
S
V
BỂ
LẮNG
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM19
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.3. Thời gian lưu nước và thời gian lưu chất rắn
™ Thời gian lưu nước t hay θ (hydraulic retention time – HRT) xác định theo:
•
Do thể
tích
nước
đi vào bằng
thể
tích
nước
đi ra bể
phản
ứng
nên:
™ Thời gian lưu chất rắn SRT (solid retention time) hay tuổi bùn θc
•
Ở
trạng
thái
ổn
định, lượng
chất rắn
đi ra khỏi hệ
thống
bằng
lượng
chất rắn sinh ra
trong
hệ
thống, khi
này
tuổi
bùn
tính
theo: 
).( 642
gianthôøivòñônmoättrongthoángheäkhoûirañinöôùctíchTheå
thoángheätrongnöôùctíchTheåHRTt === θ
).( 652
Q
VHRTt === θ
).(
sinh
662
gianthôøivòñônmoättrongraraénchaátlöôïngKhoái
thoángheätrongraénchaátlöôïngKhoáiSRT c ==θ
).( 672
gianthôøivòñônmoättrongthoángheäkhoûirañiraénchaátlöôïngKhoái
thoángheätrongraénchaátlöôïngKhoáiSRT c ==θ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM20
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.3. Thời gian lưu nước và thời gian lưu chất rắn
Thời gian lưu chất rắn
SRT (solid retention time) hay tuổi
bùn
θc
•
Do sản lượng
sinh
khối
được biểu diễn bằng
dX/dt, nên
(2.68) viết lại như
sau:
•
Trong
phần trước ta có tăng
trưởng
ròng
của vi sinh vật (mẫu số
của
(2.69) được
 xác
định
bởi:
•
Thay
(2.69) vào
(2.70) ta
có:
).( 682
gianthôøivòñônmoättrongthoángheäkhoûirañiraénchaátlöôïngKhoái
thoángheätrongraénchaátlöôïngKhoáiSRT c ==θ
).(
/
692
dtdX
X
dt
dXV
VX
c =
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=θ
).()( 702XkXkX
dt
dX
dd −=−= μμ
).( 7121
d
c k−= μθ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM21
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.3. Thời gian lưu nước và thời gian lưu chất rắn
Ví
dụ
2.11: Xác
định
thời gian lưu nước và tuổi
bùn
của hệ
 thống
XLNT biết thể
tích
bể
phản
ứng
là
V = 9000 m3
và
 các
thông
số
sau:
•
Lưu lượng
nước thải
vào: Q = 3000 m3/ngày
•
Nồng
độ
chất nền
trong
đầu vào (BOD5
): So
= 350 mg/L
•
Nồng
độ
chất nền
trong
đầu ra (BOD5
): S = 9,1 mg/L
•
Tốc
độ
tăng
trưởng
riêng
cực
đại: µmax
= 3,0 ngày-1.
•
Hệ
số
sản lượng
Y = 0,6 mgVSS/mgBOD5
.
•
Hệ
số
hô
hấp nội bào: Kd
= 0,06 ngày-1.
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM22
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.3. Thời gian rửa trôi tế
bào
(Cell wash-out time)
™ Thời gian lưu tế bào trong bể phản ứng (θc) phải lớn hơn thời gian
cần thiết để tế bào vi sinh vật tự nhân đôi, nếu không tế bào sẽ bị
rửa trôi ra ngoài khỏi hệ thống trước khi nó tự nhân đôi. 
™ Điều này dẫn đến kết quả là nồng độ sinh khối trong bể phản ứng giảm
dần và hệ thống sẽ đi đến sụp đổ hoàn toàn.
™ Ta có tăng trưởng ròng của vi sinh vật được xác định bởi:
Hay:
™ Lấy tích phân hai vế phương trình này từ t =0 đến t = t, ta có:
Trong
đó:
X = nồng
độ
vi sinh
vật
ở
thời
điểm t
Xo
= nồng
độ
vi sinh
vật
ở
thời
điểm t = 0
).()( 492Xk
dt
dX
d−= μ ).()( 722dtk
X
dX
d−= μ
).()(ln 732tk
X
X
d
o
−= μ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM23
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.3. Thời gian rửa trôi tế
bào
(Cell wash-out time)
™ Đây là giai đoạn tăng trưởng theo quy luật hàm mũ, nếu vẽ trên hệ trục
logarit thì nó là tăng trưởng theo đường thẳng. Thời gian để vi sinh vật
nhân đôi tức là thời gian cần thiết để X = 2Xo, hay:
™ Do đó thời gian nhân đôi (duplication time) được tính theo:
).()(ln 742tk
X
X
d
o
−= μ
).()(ln 7522 tkd−= μ
).(ln 7622
d
dup k
t −= μ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM24
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.3. Thời gian rửa trôi tế
bào
(Cell wash-out time)
Trên
cơ
sở
thời gian lưu nước, thời gian lưu
bùn
và
thời gian cần thiết
 nhân
đôi, các
lưu ý sau đây
phải
được
xem
xét
khi
thiết kế
hệ
thống
xử
 lý:
™ Hệ thống tăng trưởng lơ lững không có dòng tuần hoàn (t = θc):
trong trường hợp này thời gian lưu nước cần lớn hơn thời gian cần thiết
để nhân đôi tế bào. Điều kiện này cần áp dụng cho các hồ thổi khí xáo
trộn hoàn toàn, tức là kích thước hồ phải thỏa mãn yêu cầu này.
™ Hệ thống tăng trưởng lơ lững có dòng tuần hoàn (θc > t): trong các
hệ thống này lưu lượng xả bùn dư phải điều chỉnh sao cho duy trì θc > 
tdup, trong khi thời gian lưu nước vẫn có thể duy trì ở mức nhỏ nhất (thể
tích bể phản ứng nhỏ nhất). Tuần hoàn bùn là cách làm tăng θc mà
không cần tăng t (hay V).
™ Đặc biệt trong các hệ thống lên men methane trong điều kiện kỵ khí
và hệ thống oxy hóa ammonia trong điều kiện kỵ khí, thời gian lưu chất
rắn phải đảm bảo lớn hơn nhiều, bởi vì tốc độ tăng trường của vi khuẩn
lên men mêtan hóa và vi khuẩn nitrate hóa rất chậm. Điều này làm cho
tế bào vi sinh vật có nguy cơ cao trôi ra khỏi bể phản ứng.
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM25
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.4. Nồng
độ
chất rắn lơ
lững
trong
bể
phản
ứng
Nồng
độ
chất rắn lơ
lững
trong
bể
phản
ứng
có
tuần
hoàn
chất rắn
ở
 trạng
thái
ổn
định:
Trong
bể
phản
ứng
không
có
dòng
tuần
hoàn
chất rắn thì θc
= t, công
 thức trên trở
thành: 
).()( 772
1
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
+
−=
tk
SSYX c
cd
o θ
θ
).()( 782
1 cd
o
k
SSYX θ+
−=
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM26
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.4. Nồng
độ
chất rắn lơ
lững
trong
bể
phản
ứng
Ví
dụ
2.12: Xác
định
nồng
độ
chất rắn
trong
bể
phản
ứng
với
 các
điều kiện sau đây: 
•
Hệ
thống
hồ
thổi
khí
xáo
trộn
hoàn
toàn
không
dòng
tuần
 hoàn: t = θc
= 5 ngày.
•
Hệ
thống
bùn
họat
tính
thông
thường
có
dòng
tuần
hoàn: t = 
0,25 ngày
và
θc
= 5 ngày.
•
Các
thông
số động
học: Y = 0,6; kd
= 0,07 ngày-1; So = 300 
mg/L; S = 15 mg/L.
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM27
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.5. Nồng
độ
chất nền
trong
đầu ra
™ Ta có tuổi bùn tính theo công thức (2.71): 
Hay:
Suy
ra: 
™ Về mặt toán học, ta thấy nồng độ BOD đầu ra S không phụ
thuộc vào nồng độ BOD đầu vào So và các thông số động
học Ks, Kd, µmax là hằng số nên S chỉ phụ thuộc vào θc. 
).().( 79217121 d
cd
c kk
−=⇒−= μθμθ
).(max 802
1
d
sc
k
SK
S −+= μθ
( )[ ]
( )[ ] ).(/
/
max
812
1
1
dc
dcs
K
KKS +−
+= θμ
θ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM28
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.5. Nồng
độ
chất nền
trong
đầu ra
™ Về mặt lý thuyết, nồng độ cơ chất nhỏ nhất có thể đạt được
trong hệ thống khi tuổi bùn θc tiến đến vô cực. Khi này 1/θc 
tiến đến zero, 
™ Thay vào (2.81) ta sẽ có được nồng độ BOD đầu ra nhỏ
nhất có thể Smin. Smin không phụ thuộc vào sự có mặt của
dòng tuần hoàn mà chỉ phụ thuộc vào các hệ số động học.
( )[ ]
( )[ ] ).(/
/
max
812
1
1
dc
dcs
K
KKS +−
+= θμ
θ
).(
max
min 822
d
ds
K
KKS −= μ
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM29
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.6. Tải trọng
bùn
hay tỷ
số
F/M (Food-to-microorganism ratio)
•
Một
đại lượng
được sử
dụng
rộng
rãi
trong
thiết kế
và
vật
hành
nhà
máy
 xử
lý
nước thải là tải trọng
bùn
hay tỷ
số
F/M. 
•
F/M đặc trưng
cho
lượng
thực phẩm
hay chất nền có sẵn tính trên một
 đơn vị
khối lượng
vi sinh
vật
(sinh
khối). 
•
Tải lượng
thức
ăn
cung
cấp
tính
theo
công
thức:
•
F = Q.So
(2.83)
•
Khối lượng
sinh
khối
tính
theo
công
thức:
M = V.Xv
(2.84)
Xv
= Nồng độ
chất rắn lơ lững bay hơi (g/m3)
•
Do đó, F/M tính theo công thức:
F/M là
tải trọng bùn tính bằng gBOD5
cung cấp/gVSS.ngày
•
Ta có
Q/V = 1/t = 1/θ, thế
vào
9.51 ta có
:
).( 852
v
o
VX
QS
M
F =
).( 862
v
o
X
S
M
F
θ=
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM30
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.6. Tải trọng
bùn
hay tỷ
số
F/M (Food-to-microorganism ratio)
™ Nói một cách chính xác, tỷ số F/M không phản ánh trực tiếp hiệu quả
loại bỏ chất hữu cơ xảy ra trong bể phản ứng bởi vì tỷ số F/M chỉ phản
ánh tải trọng có sẵn áp dụng cho bể phản ứng. 
™ Công thức biểu diễn quan hệ giữa chất nền có sẵn và chất nền loại bỏ là
tốc độ sử dụng chất nền U, thay So bằng So – S trong công thức tính F/M 
ta có:
Trong đó : S = nồng độ BOD trong đầu ra (g/m3)
™ U và F/M liên hệ với nhau qua hiệu quả xử lý E như sau: 
Trong
đó: E = (So
–S)*100/So
).()()( 872
v
o
v
o
X
SS
VX
SSQU θ
−=−=
).()/( 892
100
EMFU =
).()( 882
v
o
UX
SSQV −=⇒
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM31
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.6. Tải trọng
bùn
hay tỷ
số
F/M (Food-to-microorganism ratio)
Ví
dụ
2.13: Tính toán giá
trị
F/M và
U trong nhà
máy xử lý nước thải có
 tuần hoàn bùn với các số
liệu sau:
™So = 300 gBOD5/m3
™S = 15 gBOD5/m3
™t = 0,25 ngày
™Xv = 2540 gVSS/m3
Ví
dụ
2.14: Tính
toán
thể
tích
của hệ
thống
aeroten
thổi
khí
kéo
dài, 
biết
các
thông
số
kỹ
thuật và vận hành như
sau:
™U = 0,12 kgBOD5/kgVSS.ngày
™Q = 5000 m3/ngày
™So = 340 mg/L
™S = 5 mg/L
™Xv = 3500 mg/L
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM32
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.7. Tải trọng
hữu cơ
thể
tích
(volumetric organic load)
™ Tải trọng hữu cơ thể tích là lượng BOD hoặc COD được sử dụng
trên thể tích bể làm thoáng mỗi ngày
Trong
đó
Lorg
= Tải lượng
hữu cơ
thể
tích, g BOD5
/m3.ngày
Q = Lưu lượng
nước thải
vào, m3/ngày
So
= Nồng
độ
BOD5
vào, g/m3
V = Thể
tích
bể
làm
thoáng
(aeration tank), m3
™ Nếu chọn được tải trọng hữu cơ thể tích thiết kế của bể phản ứng
thì có thể tính thể tích bể theo công thức sau:
).( 902θ
oo
org
S
V
QSL ==
).( 912
org
o
L
QSV =
BK
TPHCM
TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM33
2.6 Mô
hình
hóa
chất nền và sinh khối
trong
bể
phản
ứng
 xáo
trộn hoàn toàn
2.6.7. Tải trọng
hữu cơ
bề
mặt
(Surface organic load)
™Các hồ sinh học hiếu khí, tùy tiện hay kỵ khí được thiết kế
dựa trên tải trọng hữu cơ bề mặt (surface loading rate - Ls). 
Tải trọng hữu cơ bề mặt được tính như sau:
Trong
đó:
Ls
= tải trọng
hữu cơ
bề
mặt (kgBOD/m2.ngày hay kgBOD/ha.ngày)
So
= Nồng
độ
BOD5
vào, g/m3
Q = Lưu lượng
nước thải
vào, m3/ngày
A = Diện tích hồ, m2 hay ha
).( 922
A
QSL os =