Bài giảng các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường chương 3 quá trình bùn hoạt tính (quá trình sinh trưởng lơ lửng)

MÔ TẢ QUÁ TRÌNH BÙ N HOẠ T TÍNH lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon ™ Quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất của vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng

TPHCM

BÀI GIẢNG

Chương III: QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH

Email: hoangnghiem72@gmail.com

hoangnghiem72@yahoo.com

(QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG LƠ LỮNG) 3.1 Mô tả quá trình bùn hoạt tính.

3.2 Mô hình độâng học quá trình bùn hoạt tính.

3.3 Tính toán quá trình bùn hoạt tính

3.4 Đánh giá các thông số động học quá trình bùn hoạt

tính.

3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bùn hoạt tính.

3.6 Các dạng ứng dụng của quá trình bùn họat tính.

Câu hỏi thảo luận và bài tập chương 3

TPHCMTHUẬ THUẬT NGỮ T NGỮ

Thuật ngữ Định nghĩa

Chức năng trao đổi chất

Quá trình hiếu khí QTrình XLSH xảy ra cĩ hiện diện oxy

Quá trình kị khí Q trình XLSH trong điều kiện khơng cĩ oxy

Quá trình thiếu khí Quá trình chuyển hố Nitơ Nitrat thành khí

Nitơ trong điều kiện khơng cĩ mặt oxy quá trình này cũng được gọi là khử nitrat

(denitrification) Quá trình tùy tiện QT XLSH trong đĩ VSV cĩ thể hoạt động

trong điều kiện cĩ hoặc khơng cĩ oxy.

Quá trình kết hợp hiếu

khí/thiếu khí/kị khí

QT XLSH trong đĩ các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kị khí kết hợp với nhau để thực hiện mục tiêu xử lý riêng.

Quá trình tăng trưởng bám

dính

Vi sinh vật chịu trách nhiệm chuyển hoá những hợp chất hữu cơ, hoặc những thành phần khác trong nước thải thành khí và VS bám dính vào bề mặt VL trơ như: đá, xỉ, hoặc nhựa tổng hợp Quá trình xử lý tăng trưởng bám dính cũng giống như là quá trình màng

cố định.

Quá trình kết hợp Kết hợp quá trình tăng trưởng lơ lửng và

tăng trưởng bám dính.

Quá trình hồ Quá trình xử lý được thực hiện bên trong ao

hay hồ với tỷ lệ cạnh và chiều sâu khác nhau.

Khử photpho bằng sinh học photpho tích lũy trong sinh khối và được tách

ra ở những qúa trình tiếp theo.

Khử BOD (carbon) Chuyển hố những hợp chất hữu cơ chứa

carbon trong nước thải thành tế bào và sản phẩm cuối cùng dạng khí.

Trong quá trình chuyển hố, giả sử rằng nitơ

cĩ mặt trong những hợp chất khác được chuyển thành ammonia

Nitrat hố Quá trình xử lý gồm 2 giai đoạn: đầu tiên

chuyển hố ammonia thành nitrit và sau đĩ từ nitrit thành nitrat

Khử nitrat Quá trình xử lý sinh học để khử nitrat thành khí

nitơ và các khí khác

THUẬT NGỮ

Thuật ngữ Định nghĩa

Ổn định hợp chất hữu cơ chứa trong bùn töôi và ổn định chất

thải bằng phương pháp sinh học, CHC được chuyển hoá thành tế bào và khí

Quá trình này có thể thực hiện dưới điều kiện hiếu khí hay kị khí (gọi là phân hủy kị khí hay hiếu khí).

Cơ chất Hợp chất hữu cơ hoặc chất dinh dưỡng được chuyển

hoá trong QT XLSH

Bể Lắng đợt II

Xử Lý Bậc I:

Loại rác cĩ kích thước to cĩ thể gây tắc ngẽn đường ống, hư hỏng

thiết bị

Loại cặn lơ lững chủ yếu là chất hữu cơ

Song chắn rác, bể lắng cát, bễ lắng I, bể tuyển nổi, vớt dầu mỡ

Xử Lý bậc II:

Khử đi các chất hữu cơ hịa tan hoặc dạng keo

Tớ i xử lý bù n

Nguồ n tiế p nhậ n

Influent

Xử Lý Bậ c I

Cl2

(XỬ LÝ SINH HỌC)

(XỬ LÝ SINH HỌ C)

XỬ LÝ BẬ C II

(QT bùn hoạt tính)

(QT bù n hoạ t tính)

TPHCM 3.1 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH BÙ N HOẠ T TÍNH

lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon

™ Quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất của

vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng

học hiếu khí sinh trưởng lơ lững gồm:

9 Bể bùn hoạt tính (Activated sludge process) hay bể aeroten (Aeration tank)

9 Mương oxy hóa (Oxidation ditch)

9 Bể sinh học hiếu khí dạng mẻ (Sequencing Batch Reactor – SBR)

9 Hồ sinh học hiếu khí làm thoáng cưỡng bức (Aerated lagoon)

™ Quá trình phân hủy CHC xảy ra khi nước thải tiếp xúc

chúng sử dụng CHC như nguồn thức ăn

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

11

BỂ BÙN HOẠT TÍNH – BỂ AEROTEN

™ Quá trình bùn hoạt tính được thực hiện trong bể aeroten

được đưa đến bể lắng đợt 2 và được lắng giữ lại tại đây.

™ Phần lớn bùn hoạt tính (>50%) được tuần hoàn trở lại bể aeroten (gọi là bùn tuần hoàn) để duy trình mật độ VSV đáp ứng khả năng phân hủy CHC tốt.

™ Phần lớn bùn hoạt tính còn lại trong bể lắng ( bùn hoạt tính dư ) được đưa đến bể nén bùn để giảm độ ẩm và sau đó xử lý chúng bằng các phương pháp thích hợp.

Bùn thải

Đầu vào

Bùn tuần hồn

Ra Vào

Bùn tuần hồn

Bùn dư

Bể aeroten

Bể lắng II

Bùn HT là bùn sinh học tập hợp nhiều loại vi sinh chủ yếu là vi khuẩn tự

dưỡng hiếu khí

BHT là sản phẩm của khối quần thể VSV có khả năng ổn định chất thải

dưới điều kiện hiếu khí.

Bông bùn họa tính có kích thước khoảng từ 50 đến 200 μm, có thể được

loại bỏ bằng lắng trọng lực

TPHCM

Quá trình bùn hoạt tính được sử dụng rộng rãi cho xử lý sinh học

thuộc da, thủy sản,…

Thuận lợi: Hiệu quả khử BOD cao

BỂ AEROTEN KHUẾCH TÁN KHÍ

Bộ phận khuếch tán khí

Ống dẩn khí né n

BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ BÙN HOẠT TÍNH AEROTEN

TÁN KHÍ

TRỘN BỀ MẶT

TPHCM

Nonbiodegradable

residue

Cặ n không phân hủ y

sinh họ c

TPHCM

Vi khuẩn

BK

Nấm: Hình sợi, đơn bào

TPHCM

Tăng trưởng của tế bào sinh khối

Trong đó:

rg = tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh vật, KL/TT.TG

μ = tốc độ tăng trưởng riêng, TG-1

X = Nồng độ của vi sinh vật, KL/TT

Tăng trưởng bị hạn chế bởi chất nền

μ = tốc độ tăng trưởng riêng, TG-1

μmax = tốc độ tăng trưởng riêng lớn nhất, TG-1

S = nồng độ của chất nền trong dung dịch, KL/TT

Ks = hằng số bán vận tốc, nồng độ chất nền tương ứng với tốc độ tăng trưởng bằng

50% tóc độ tăng trưởng lớn nhất, KL/TT

)

( 11 3

X dt

dX

)

( 14 3

S K

XS dt

dX r

s

m g

+

=

Tăng trưởng của tế bào vi sinh vật và sử dụng cơ chất

chuyển hóa thành tế bào mới và một phần còn lại bị oxy hóa thành các

sản phẩm vô cơ và hữu cơ cuối cùng Quan hệ giữa tốc độ tiêu thụ chất

r g = tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh vật, KL/TT.TG

trưởng logarit)

) 15

TPHCM3.2 MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH

sinh trưởng có cơ chất giới

hạn.

ở tốc độ tối đa.

rsu- Tốc độ sử dụng cơ chất bởi VSV, g/m3.ngày

KS - Hằng số bán vận tốc, hàm lượng cơ chất ở tốc độ = ½ tốc độ sử dụng cơ

chất lớn nhất, g/m3

S - Hàm lượng cơ chất sinh trưởng giới hạn, g/m3

™ Phương trình mô tả quá trình oxy hóa sinh học các hợp chất hữu cơ

Trong đó: vi là hệ số đẳng lượng

™ Có 3 thông số quan trọng đánh giá động học tăng trưởng vi sinh vậtđó là: hệ số sản lượng, tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ tăng trưởngriêng

Hệ số sản lượng (Y)

9 Xử lý hiếu khí/kị khí khử CHC: g sinh khối/g COD khử

9 Nitrate hoá: g sinh khối/g N-ammonia bị oxi hoá

9 Phân huỷ kị khí VFA: g sinh khối/g VFA sử dụng

9 Sinh khối được đo đạc bằng VSS hoặc COD cặn (Tổng COD –COD hoà tan)

TPHCM3.2 MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH

Tăng trưởng của tế bào vi sinh vật và sử dụng cơ chất

toán theo công thức:

sử dụng chất nền lớn nhất trên một đơn vị khối lượng vi sinh vật:

) 16 3

( )

Y

XS r

s

m su

+

−

) 17 3

(

Y

k = μm

) 18 3

(

S K

kXS

r

s

Ảnh hưởng của trao đổi chất nội bào

giảm khối lượng tế bào, được gọi là tốc độ phân hủy nội bào và được

biểu diễn như sau:

ròng:

) 19

3 (

X k

) 20 3 (

S K

TPHCM3.2 MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH

Ảnh hưởng của trao đổi chất nội bào

) 22 3

(

max

'

d s

k S

K

S

− +

= μ μ

) 23 3 (

'

su

g obs r

r

Các biểu thức động học khác

nền bao gồm:

) 25

3 (

k

r su = −

) 26

3 (

kS

r su = −

) 27

3 (

kXS

r su = −

) 28

TPHCM

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

Ta cĩ:

) 31 3 (

'

r g o

V dt

S K

XS V

QX QX

V dt

dX

d s

m r

o r

μ

) 33 3 (

1

d s

m r

k S

K

S V

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

chất rắn (tế bào sinh khối)

khối lượng vi sinh vật trong bể phản ứng chia cho khối

lượng vi sinh vật thải bỏ ra khỏi hệ thống mỗi ngày

) 33 3 (

1

d s

m r

k S

K

S V

Q

− +

=

θ

) 34 3

(

Q

V QX

X

Vr r

c = =

θ

TPHCM

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

bằng sinh khối ta cĩ:

) 35 3

(

S K

kXS V

QS QS

V dt

dS

s

r o

r = − + +

) 36 3 ( 0

= +

−

−

S K

kXS S

S

s

o θ

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

quả vào (3.36) và đơn giản bằng cách dùng (3.17)

) 33 3 (

1

d s

m r

k S

K

S V

k S

K

S

θ μ

1 1

) 17 3

(

Y

k = μm

) 37 3

( )

1 (

)

( )

1 (

)

(

θ θ

μ

d

o d

o

m

k

S S

Y k

k

S

S X

+

−

= +

−

=

) 38 3

( 1

) (

) 1

k

K S

θ

θ

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

35

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

) 37 3

( )

1 (

)

( )

μ

d

o d

o

m

k

S S

Y k

k

S S

X

+

−

= +

−

1 ) (

) 1

k

K S

θ

θ

Đường biểu diễn nồng độ dịng ra và hiện quả xử lý theo thời gian lưu

chất rắn cho bể phản ứng xáo trộn hồn tồn khơng cĩ dịng tuần hồn

) 39 3

(

obs k

Y Y

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

™ Thời gian lưu nước cho hệ thống θs là:

(

Q

V

V Q

TPHCM3.3 Mô hình hóa và tính toán hệ thống bùn hoạt tính

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

(

e e w

TPHCM3.3 Mô hình hóa và tính toán hệ thống bùn hoạt tính

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

Q’w = Lưu lượng dịng thải từ đường tuần hồn đối với trường

hợp thải bùn từ đường tuần hồn từ bể lắng.

Xr = nồng độ của vi sinh vật trong dịng tuần hồn.

('

e e r

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

Q w , X

Tuần hoàn bùn

Q r , X R , S

Đầu ra (Q -Q w )

TPHCM3.3 Mô hình hóa và tính toán hệ thống bùn hoạt tính

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

[ w e e] g' r ( 3 48 )

o

V dt

) 21 3 (

d

su r

e e

X

r Y X

V

X Q X

⇒

) 50 3 (

1

d

su c

k X

S

S V

Q

o r su

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

) 52 3

( )

1 (

) (

c d

o

c

k

S S

Y X

θ θ

) 1

c d

s

k Yk

k

K S

θ

θ

) 54 3

(

Y Y

θ

+

=

TPHCM3.3 Mô hình hóa và tính toán hệ thống bùn hoạt tính

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

Nếu bùn được thải bỏ trực tiếp từ bể phản ứng aeroten và giả thuyết

nồng độ chất rắn trong đầu ra là khơng đáng kể (bỏ qua nồng độ

chất rắn trong dịng ra Xe), Từ (3.44)

Trong thực tế để cĩ được bùn nén, bùn thường được thải ra từ dịng

tuần hồn từ đáy bể lắng Giả sử rằng Xe rất nhỏ, (3.45) cĩ thể viết

lại:

) 50 3 (

1

d

su c

k X

Q X

S

S X

1

d c

X

V X

Q X Q

X V

w

r c

X e

e w

r c

X e

e r

Q X

Q

X

' ' ( 3 45 ) ⎯ ⎯ → ⎯ = +

= << θ θ

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

Một thuật ngữ lên hệ gần gũi với tốc độ sử dụng cơ chất riêng U và

thường sử dụng trong thiết kế và vận hành là tỷ số thức ăn – vi

sinh vật (F/M):

U và F/M lên hệ với nhau qua hiệu quả xử lý của quá trình E như sau:

Hiệu quả xử lý của quá trình tính tốn theo cơng thức sau:

Trong đĩ: E = hiệu quả xử lý của quá trình, %

So = nồng độ chất nền trong dịng vào

S = nồng độ chất nền trong dịng ra

) 58 3 (

/

X

S M

θ

=

) 59 3

( 100

) /

( F M E

U =

) 60 3 ( 100

E

TPHCM3.3 Mô hình hóa và tính toán hệ thống bùn hoạt tính

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

™ Cĩ thể thấy trên hình vẽ 3.5 rằng cĩ một vài giá trị của θc mà ở đĩ

sự ổn định chất thải khơng diễn ra

™ Giá trị tới hạn này của θc được gọi là thời gian lưu chất rắn nhỏ

nhất θc M là thời gian lưu mà ở đĩ lượng chất rắn bị trơi ra khỏi hệ

thống nhanh hơn lượng chất rắn sinh ra

™ Chú ý rằng khi sự rửa trơi xảy ra thì nồng độ S của dịng ra bằng

với nồng đơ So của dịng vào.

Bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn không có tuần hoàn bùn

™Trong nhiều trường hợp xử lý nước thải trên thực tế So lớn hơn nhiều so

với Ks, khi này (3.63) cĩ viết lại là:

™Để đảm bảo hệ thống xử lý sinh học cĩ đủ khả năng xử lý thường người

thiết kế và vận hành hệ thống với θc= (2 ÷ 20)θcM Tỷ số giữa θcvà θcM gọi

là hệ số an tồn SF:

) 63 3 (

1

d o

s

o M

c

k S

1

d

M c

(

M c

cSF

θ θ

=

TPHCM3.3 Mô hình hóa và tính toán hệ thống bùn hoạt tính

Bể phản ứng dòng chảy nút

Hai giả thuyết đơn giản hĩa mơ hình động học bể bùn hoạt tính dịng chảy

nút là:

1 Nồng độ vi sinh vật trong dịng vào bể phản ứng xấp xỉ nồng độ vi

sinh vật trong đầu ra từ bể phản ứng Giả thuyết này áp dụng khi

θc/θ > 5 Nồng độ trung bình của VSV trong bể phản ứng ký hiệu là

2 Tốc độ tiêu thụ chất nền bằng với lượng chất thải đi qua bể phản

ứng tính theo cơng thức:

™ Thời gian lưu của chất thải trong bể phản ứng tính theo biểu thức sau:

X

) 66 3

(

S K

X

kS r

s o

o c

k S

S K

S S

S S

Yk

− +

S

S

i

• Công thức trên (3.67) giống công thức (3.50) của hệ thống

bùn hoạt tính xáo trộn hoàn toàn; Khác nhau : bể phản ứng

thống xáo trộn hoàn toàn

tán ngang dọc theo phương dòng chảy Khó khăn này cộng

giảm

) 71 3 ( )

/ 10

( )

( 1

1 d c obs d ct

Y Y

hay k

Y Y

θ

+

=

Lượng oxy cần thiết cung cấp

™Lượng oxy cần thiết theo lý thuyết tính toán dựa trên BOD5 của nước thải vàlượng bùn sinh học thải bỏ mỗi ngày từ hệ thống

™Lượng oxy cần thiết theo lý thuyết là lượng oxy cần thiết để chuyển hóa BODL(BODLtính toán từ BOD5 khi biết hệ số tỷ lệ thích hợp) trong nước thải thành sảnphẩn cuối cùng (CO2 và H2O) Biết rằng một phần chất thải BOD được chuyểnhóa thành tế bào vi sinh vật mới và lượng tế bào này thải ra khỏi hệ thống,

™Do đó, lượng oxy cần thiết sẽ bằng lượng oxy chuyển hóa BODL trừ cho lượngoxy tiêu hao cho hoạt động của lượng tế bào vi sinh vật hiếu khí thải ra khỏi bểphản ứng này

™Lượng oxy tiêu thụ bởi tế bào vi sinh vật trong bể bùn hoạt tính:

g

mol

g NO

H C

O

) /

113 (

) /

32 (

5 )

(

)

(

2 2

7 5

Δ Δ

=

TPHCM3.3 Mô hình hóa và tính toán hệ thống bùn hoạt tính

Lượng oxy cần thiết cung cấp

™Vậy lượng oxy cần thiết theo lý thuyết để loại bỏ chất hữu cơ carbon trong nướcthải trong hệ thống bùn hoạt tính tính bằng:

Hay:

™Khi xem xét thực hiện quá trình nitrat hĩa diễn ra trong bể bùn hoạt tính thì lượngoxy cần thiết theo lý thuyết bằng lượng oxy khử carbon BOD cộng lượng oxy cầnthiết để chuyển hĩa N-ammonia thành N-Nitrat như sau:

f

kg g S

S Q ngày

S Q ngày

Hệ số Đơn vị Giá tri ̣

Khoảng giá tri ̣ Đặc trưngk

ks

Y

Kd

g bs COD/g.VSSmgBOD/Lmgbs COD/L

mg VSS/mg BOD

mg VSS/mg bsCODgVSS/gVSS

2 – 10

25 – 100

10 – 600,4 – 0,80,3 – 0,60,06 – 0,15

560400,60,40,1

Bảng 3.1 Hệ số động học đặc trưng của quá trình bùn hoạt tính

trong việc phân hủy chất hữu cơ của nước thải sinh hoạt

™ Thời gian lưu bùn (sludge age):

• Bùn hoạt tính thông thường: θc= 4-10 ngày

• Thổi khí kéo dài (sụt khí mở rộng): θc=18-30 ngày

™ Thời gian lưu nước trong bể phản ứng:

• Bùn hoạt tính thông thường: t=6-8 giờ (<0,3 ngày)

• Sục khí mở rộng: t=16-24 giờ (0,67-1 ngày)

™ Tỉ số F/M :

• Bùn hoạt tính thông thường: F/M=0,3-0,8 kgBOD5/kg VSS.ngày

• Sục khí mở rộng: F/M=0,08-0,15 kgBOD5/kg VSS.ngày

Quá trình tải trọng

BOD [g/(m 3 day)

F/M [day -1 ] bùn tuổi

[day]

HRT [hours] Qr/Q [%] khử H quả BOD

E [%]

Aeroten tăng cường

Ví dụ 3.1: Tính thể tı́ch bể phản ứng theo hệ thống sau:

™ Bùn hoạt tính thông thường: θc= 6 ngày; X = 2500 mg/L

™ Mở rộng sục khí : θc= 22 ngày; X = 3000 mg/L

™ Các thông số:

Q = 1500 m3/ngày

So = 300 mg/L

S = 5 mg/L Y=0,7; k = 6 ngày-1 ; kd=0,09 ngày-1

MLVSS= 0,8 MLSS

Ví dụ 3.2: Tính toán thể tı́ch bể bùn hoạt tính và thời gian lưu

trên.

BK

Aeroten khuấ y trộ n

Ra vào

Bù n tuầ n hoà n Q r

Bù n dư Q w Thể tích V

Cĩ thể kiểm sốt quá trình bùn hoạt tính bằng các thơng số sau đây:

• Hàm lượng chất rắn MLVSS

• Tỉ sớ F/M

• Thời gian lưu bùn (SRT)

• Thử nghiệm lắng và SVI

• Vi sinh

Mổi thơng số địi hỏi phải thử nghiệm và tı́nh tốn

TPHCM

MLSS Cặn lơ lững của hổn hợp bùn HT

MLSS Cặn lơ lững của hổn hợp bùn HT

MLVSS Cặn lơ MLVSS lững bay hơi

Cặn lơ lững bay hơi Cặn Cặn lơ lơ lững lững vô vô cơ cơ

Chất hữu cơ sống

Chất hữu cơ sống chất chất hữu hữu cơ cơ không không sống sống

Q e=(Q-Qr) X e

S=BOD out

y) MLVSS/ngà (kg

ngày trong

thống hệ

khỏi ra

sinh vi

lượng

MLVSS) (kg

thống hệ

trong sinh

w X Q X Q

Q

VX SRT

+

−

=

) (

r w

e w

VX SRT

θ

Thời gian lưu bùn (Solid Retentions Time - SRT)