zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

» Môi trường

Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 2: Động học quá trình sinh học

Chia sẻ: Hứa Tung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Báo xấu

49
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 2: Động học quá trình sinh học có nội dung trình bày các kiến thức về cân bằng vật chất, hệ thống dòng chảy nút, các loại phản ứng và tốc độ phản ứng, ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ phản ứng... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết dội dung bài giảng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 2: Động học quá trình sinh học

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
2.1. CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT BK TPHCM Sinh ra rp , V Qin, Cin Qout, C Vào (input) Ra (output) V, C Tiêu thụ rc, V Vaät chaát tích luõy beân trong theå tích kieåm soaùt = Vaä 14 t chaá 44 t ñi4vaø 4 4 o2-4 Vaä 4t 4 chaá 4t 4 ñi4 ra ± Vaät chaát phaûn öùng 3 Vaän chuyeån d (C .V ) = Q.C0 − Q.C + rp .V − rc .V (2.1) dt C – nồng độ tá c chất tại thời điểm nhất định (ML-3); C0 – nồng độ đầu vào của cơ chất (ML-3) V – thể tı́ch của phản ứng (hòa trộn hoàn toàn) (L3); Q – lưu lượng (L3T-1); t – thời gian (T); rp – tốc độ phản ứng của sản phẩm (ML-3T-1); rc – tốc độ phản ứng của chất tiêu thụ (ML-3T-1) 2 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM 2.1. CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT d (C .V ) = Q.C0 − Q.C + rp .V − rc .V (2.1) dt Phương trình (2.1) có thể triển khai vế trái và biểu diễn dước dạng sau : dV dC C. + V. = Q.C0 − Q.C + rp .V + rc .V ( 2. 2 ) dt dt Thể tích bể phản ứng thường là cố định (dV/dt = 0) ta có: dC V. = Q.C0 − Q.C + rp .V − rc .V (2.3) dt 3 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM 2.1. CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT Trạng thái ổn định và trạng thái động học Mô hình toán học của hệ thống có thể xây dựng ở hai điều kiện trạng thái: 9Trạng thái ổn định (steady state); và 9Trạng thái động học (dynamic state) Trạng thái ổn định (steady state) là trạng thái không có tích lũy vật chất trong hệ thống, dC/dt = 0, nghĩa là nồng độ của chất phản ứng trong hệ thống là hằng số. Phương trình (2.3) trở thành: 0 = Q.C0 – Q.C + rp.V – rc.V (2.4) Trạng thái động học (dynamic state) là trạng thái có sự tích lũy khối lượng vật chất trong hệ thống. Vì vậy, dC/dt =/ 0. Nồng độ của chất phản ứng thay đổi theo thời gian và có thể tăng hay giảm. 4 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM 2.1. CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT Hình vẽ : Minh họa sự biến đổi nồng độ theo thời gian của điều kiện trạng thái ổn định và trạng thái động học. 5 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM BAØI TAÄP 2.1 CAÂN BAÈNG HOÙA CHAÁT ÑOÄC HAÏI TRONG HOÀ. Tính toaùn noàng ñoä hoaù chaát ñoäc haïi trong hoà ôû traïng thaùi oån ñònh khi bieát löu löôïng nöôùc thaûi vaøo hoà baèng löu löôïng nöôùc chaûy ra khoûi hoà Qin = Qout = 10 m3/s, noàng ñoä chaát ñoäc haïi trong nöôùc thaûi laø 100 μg/L vaø khối lượng phaân huûy cuûa chaát ñoäc haïi laø 50 kg/ngaøy. 6 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
2.2.1 BEÅ PHAÛN ÖÙNG DAÏNG MEÛ (BACTH REACTOR) BK TPHCM Caùnh khuaáy Phöông trình caân baèng khoái löôïng: dC V = QCin − QC − kCV (2.5) dt Bôûi vì Qin = 0 vaø Q = 0 trong beå phaûn öùng daïng meõ neân phöông trình (2.5) trôû thaønh: dC dC = − kC ( 2 . 6) = − kt (2.7) dt C Giaûi phöông trình vi phaân treân ta ñöôïc: C = Co e − kt (2.8) 7 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK2.2.2 BEÅ PHAÛN ÖÙNG DOØNG CHAÛY LIEÂN TUÏC XAÙO TROÄN HOAØN TOAØN (CFSTR – CONTINUOUS FLOW STIRRED TANK REACTOR) (1) TPHCM Qin, Cin Qout, C V, C Bieán thieân vaät chaát trong theå tích = Vaät chaát vaøo - Vaät chaát ra ± Löôïng tham gia phaûn öùng Δ(VC ) d (VC ) = QinCin − Qout C ± rV ( 2 . 9) = QinCin − Qout C ± rV (2.10) dt dt Phöông trình treân coù theå vieát ôû daïng ñôn giaûn baèng caùc giaû thieát sau: 1. Noàng ñoä doøng vaøo Cin laø haèng soá. 2. Löu löôïng vaøo vaø ra khoâng ñoåi (Qin = Qout = Q= constant) vaø theå tích V laø khoâng ñoåi (dV/dt = 0). 3. Söï bieán thieân noàng ñoä C xaûy ra beân trong beå phuï thuoäc vaøo phaûn öùng baäc 1 (r = -kC, daáu tröø chæ raèng phaûn öùng phaân huûy). dC V = QCin − QC − kCV (2.11) dt 8 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK2.2.2 BEÅ PHAÛN ÖÙNG DOØNG CHAÛY LIEÂN TUÏC XAÙO TROÄN HOAØN TOAØN (CFSTR – CONTINUOUS FLOW STIRRED TANK REACTOR) (2) TPHCM a. Ñoái vôùi tröôøng hôïp hoùa chaát daïng baûo toaøn (khoâng phaûn öùng, r =0): dC V = Q(Cin − C ) (2.12) dt Ñaët θ=V/Q laø thôøi gian löu nöôùc trung bình (giaû söû laø haèng soá), ta coù: 1 dC dt = (2.13) θ Cin − C Giaûi phöông trình vi phaân treân ta ñöôïc: 1 1 − t − t C = Cin (1 − e θ ) + Co e θ (2.14) Neáu Co = 0, ta coù: 1 − t C = Cin (1 − e θ ) (2.15) 9 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM BAØI TAÄP 2.2 BEÅ PHAÛN ÖÙNG CFSTR Xaùc ñònh noàng ñoä theo thôøi gian cuûa moät chaát khueách taùn khoâng phaûn öùng trong moät bể phản ứng xaùo troän hoaøn toaøn vôùi caùc ñieàu kieän sau ñaây: i. Noàng ñoä ñaàu vaøo: Cin = 300 mg/L xaû lieân tuïc ii. Löu löôïng: Q = 700 m3/ngaøy iii. Noàng ñoä ban ñaàu : Co = 50 mg/L iv. Theå tích cuûa bể laø : V = 200 m3 10 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK 2.2.2 BEÅ PHAÛN ÖÙNG DOØNG CHAÛY LIEÂN TUÏC XAÙO TROÄN HOAØN TOAØN (CFSTR – CONTINUOUS FLOW STIRRED TANK REACTOR) (3) TPHCM b. Ñoái vôùi tröôøng hôïp hoùa chaát phaûn öùng (r = -kC) : dC Q Q dC Q Q = Cin − C − kC + ( + k )C = Cin dt V V dt V V Giaûi phöông trình vi phaân treân ta ñöôïc: − ( k +1/ θ )t Cin − ( k +1/ θ )t C = Co e + (1 − e ) (2.16) kθ + 1 ÔÛ traïng thaùi oån ñònh (steady state condition), (dC/dt = 0), ta coù QCin Cin C= = (2.17) Q + kV 1 + kθ 11 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK 2.2.3 DAÕY BEÅ PHAÛN ÖÙNG DOØNG CHAÛY LIEÂN TUÏC XAÙO TROÄN HOAØN TOAØN TPHCM Beå thöù 1 Beå thöù 2 Beå thöù n Q Q Q Q Q Cin C1 C2 Cn-1 Cn V, C1 V, C2 V, Cn Phöông trình caân baèng khoái löôïng cho beå phaûn öùng (hoà) thöù nhaát: dC1 V = QCin − QC1 − kC1V dt Cin Lôøi giaûi cho beå phaûn öùng (hoà) thöù nhaát laø: C1 = (2.18) 1 + kθ Phöông trình caân baèng khoái löôïng cho beå phaûn öùng (hoà) thöù hai: dC2 V = QC1 − QC2 − kC 2V dt Cin Lôøi giaûi cho beå phaûn öùng (hoà) thöù hai laø: C2 = (2.19) (1 + kθ )2 Lôøi giaûi cho beå phaûn öùng (hoà) thöù n laø: C = Cin (2.20) 12 n (1 + kθ )n TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM BAØI TAÄP 2.3 DAÕY BEÅ PHAÛN ÖÙNG CFSTR Moät heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoaït bao goàm daõy 2 hoà sinh hoïc xaùo troän hoaøn toaøn, hoà thöù nhaát coù thôøi gian löu nöôùc laø 10 ngaøy, vaø hoà thöù 2 coù thôøi gian löu nöôùc laø 5 ngaøy. Haõy kieåm tra heä thoáng hoà treân coù ñaùp öùng ñöôïc hieäu quaû xöû lyù loaïi boû 99,9% coliform theo toác ñoä cheát baäc 1 cuûa vi sinh vaät hay khoâng? Bieát raèng haèng soá toác cheát baäc 1, k cuûa vi sinh vaät laø moät haøm cuûa thôøi gian löu nöôùc k = 0,2θ – 0,3. 13 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
2.2.4 HEÄ THOÁNG DOØNG CHAÛY NUÙT (PLUG-FLOW SYSTEM) (1) BK TPHCM Vaøo Ra A QCx QCx+Δx Δ V x x+Δ x ΔV = Δ AΔx Caân baèng khoái löôïng cho xmoät phaân töû theå tích ΔV=AΔx nhö treân hình veõ ∂C ⎡ ∂C ⎤ AΔx = QC ( x ) − Q ⎢C ( x ) + Δx ⎥ + rAΔx (2.21) ∂t ⎣ ∂x ⎦ ∂C Q ∂C Chia 2 veá cho AΔx ta coù : =− +r (2.22) ∂t A ∂x 14 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
2.2.4 HEÄ THOÁNG DOØNG CHAÛY NUÙT (PLUG-FLOW SYSTEM) (2) BK TPHCM Q dC a) Ñoái vôùi traïng thaùi oån ñònh ta coù: =r (2.23) A dx Xeùt toác ñoä phaûn öùng r laø phaûn öùng baäc 1: r = -kC, ta coù: Q dC dC A = − kC = − kdx A dx C Q Ñaët θ=V/Q laø thôøi gian löu nöôùc, vaø (A/Q)dx=d θ, ta coù: dC = − kdθ (2.24) C Giaûi phöông trình vi phaân treân ta ñöôïc: C = Ci e − kθ (2.25) D noàng ñoä chaát oâ nhieãm trong doøng ra (ôû haï löu) laø moät haøm 15 cuûa noàng ñoä doøng vaøo (ôû thöôïng löu) TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
2.2.5 HEÄ THOÁNG DOØNG CHAÛY NUÙT (PLUG-FLOW SYSTEM) (3) BK TPHCM b) Ñoái vôùi traïng thaùi khoâng oån ñònh ta coù: Laáy giôùi haïn phöông trình (2.22) khi Δt → 0 ta coù: ∂C Q ∂C ∂C =− − kC = −u − kC (2.26) ∂t A ∂x ∂x Trong ñoù: u=Q/A laø vaän toác trung bình. 9Ñaây laø phöông trình toång quaùt cuûa beå phaûn öùng doøng chaûy nuùt. 9Noàng ñoä C phuï thuoäc vaøo thôøi gian t vaø khoaûng caùch x. 16 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM BAØI TAÄP 2.4 SO SAÙNH CAÙC HEÄ THOÁNG BEÅ PHAÛN ÖÙNG Quá trình loại bỏ chất ô nhiễm được đánh giá trong các hệ thống bể phản ứng như sau: 1. Một bể CSFTR 2. Dãy hai bể CSFTR 3. Dãy ba bể CSFTR 4. Một bể phản ứng dòng chảy nút So sánh thời gian lưu nước của các hệ thống bể phản ứng trên với các hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm 75, 80, 85, 90 và 95%. 17 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM 2.3. Loại phản ứng và tốc độ phả n ứng 2.3.1 Bậc phản ứng Vận tốc phản ứng của một chất phụ thuộc vào nồng độ của chất phản ứng và phụ thuộc vào nồng độ của một hay nhiều sản phẩm. Tổng quát, tốc độ phản ứng r của các chất tham gia phản ứng A, B, C thường được biểu diễn như sau: r = kC C C a A b B c C (2.27 ) K = hằng số tốc độ phản ứng CA, CB, CC là nồng độ của các chất A, B, C a, b, c là các số mũ, các số mũ này có thể bằng hay không bằng các hệ số tỉ lượng (hệ số cân bằng) của phương trình phản ứng. Phản ứng này có bậc là a đối với chất phản ứng A, và b đối với chất phản ứng B, và c đối với chất phản ứng C. Bậc tổng cộng của phản ứng (a+b+c). Bậc này có thể là số nguyên hay không là số nguyên. 18 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM 2.3. Loại phản ứng và tốc độ phả n ứng 2.3.1 Bậc phản ứng 1/ 2 Ví dụ: r = kC AC B 9Tốc độ của phản ứng A + B → C là: 9Bậc của phản ứng là bậc 1 đối với A và bậc ½ đối với B. Bậc tổng cộng của phản ứng là 3/2. Hằng số tốc độ phản ứng k là hằng số tỷ lệ trong biểu thức tốc độ phản ứng. 19 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM
BK TPHCM 2.3 Ñoäng hoïc phaûn öùng - Toác ñoä phaûn öùng 2.3.1 Bậc phản ứng Vận tốc phản ứng, nồng độ của một chất và bậc phản ứng biển diễn như sau: r = kCn (2.28) r – tốc độ phả n ứng (ML-3L-1) k – hằng số phả n ứng (T-1) C – nồng độ thử (ML-3) n – bậc phản ứng Với các giá trị của n khác nhau ta có các loại phản ứng khác nhau như sau: 9n = 0 phản ứng bậc zero 9n = 1 phản ứng bậc 1 9n = 2 phản ứng bậc 2 20 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.