Bài giảng các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường chương 4 quá trình sinh trưởng bám dính (phần 2)

TPHCMTÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC ™ Hội đồng nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ National Research Council -NRC đă xây dựng cơng thức tính tốn dựa trên các số liệu vận h

BÀI GIẢNG

Chương IV: QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH - P2

(Attached-Growth Treatment Processes)

(Biofilm reactor)

GVHD: TS Lê Hoàng Nghiêm

Email: hoangnghiem72@gmail.com

hoangnghiem72@yahoo.com

TPHCMTÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO

CÔNG THỨC NRC

™ Hội đồng nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ (National Research Council

-NRC) đă xây dựng cơng thức tính tốn dựa trên các số liệu vận hành

34 bể lọc sinh học sử dụng giá thể đá để xử lý nước thải từ các căn

cứ quân sự Đối với hệ thống gồm 1 bể sinh học đơn, cơng thức tính

tốn như sau:

™ US:

™ SI:

E 1 – hiệu suất xử lý BOD 5 trong hệ thống bể lọc sinh học đơn và bể

lắng 2.

W – lượng BOD 5 cần chuyển hĩa trong bể lọc, lb/ngày (kg/ngày); khơng

bao gồm BOD 5 của dịng tuần hồn;

V – thể tı́ch tổng cộng của bể lọc sinh học, 1000 ft 3 ( 1000 m 3 );

)

( )

/ (

0561 0

1

1

2 1

( )

/ (

014 0

1

1

2 1

E

+

=

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

3

CÔNG THỨC NRC

cơng thức:

R – Tỉ lệ tuần hồn ( tỉ lệ nước tuần hồn so với

lượng nước dịng vào bể lọc)

δ – hệ số tỉ lệ tính đến lượng giảm cơ chất cho

mỗi lần tuần hồn qua bể lọc = 0,9;

δ

− +

+

=

E 2 – hiệu quả xử lý BOD 5 qua bể lọc thứ hai;

W 2 – lượng BOD 5 lọc được của bể lọc thứ 2, lb/ngày;

2 1

2

2 1

2

2 1

2 1 2

2 2

1

0561 0

1

1

24 4 1

0561 0

( ,

=

F V

W E

E Hay

E F

V W E

2 1 2

2 1 2

2 1 2 1 2

2 2

1

014 0 1

1

25 4 1

014 0 1

( ,

=

F V

W E

E Hay

E F V W E

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

Q – lưu lượng dòng vào, MGD;

S0 – nồng độ cơ chất đầu vào, mg/l;

S1 – nồng độ BOD5 đầu ra từ bể thứ nhất;

) (

) ,

(

1 1

1 0

1 0263

+

=

E

E R

R QS

V

)

( )

)(

(

) , (

1 1

1

1 0 1 0263

0

2

2 1

2

2 1

+

=

E E

E R

R QS

V

TPHCMTÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO

CÔNG THỨC NRC

hai bể lọc để xử lý nước thải cĩ lưu lượng là 2

tổng cộng theo yêu cầu là 90%.

1 mg/L = 8,34 lb/MG (million gallons)

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

7

HỌC THEO CÔNG THỨC NRC

Hầu hết các thiết kế hiệu quả thì thể tı́ch của hai bể lọc phải

giống nhau

Để xác định thể tı́ch này, ta dùng phương pháp thử và sai để

giả thuyết hiệu quả của bể lắng thứ nhất và tı́nh hiệu quả của

bể lắng thứ hai và kết hợp tính thể tı́ch hai bể Khi thể tı́ch hai

bể gần giống nhau, đó la ̀thể tı́ch ta cần tính.

1 Quan hệ giữa E1 và E2 biểu diễn qua hiệu quả khử BOD5:

0

E

E E

−

−

=

TPHCMBÀI GIẢI VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH

HỌC THEO CÔNG THỨC NRC

Cho E1 = 0,8, ta tính thể tı́ch của bể lọc thứ nhất từ phương trình (4.26):

Tính giá tri ̣ E2 rồi từ giá tri ̣ này và phương trình (4.27)

ta tính được thể tı́ch V2 :

Do đó:

[ ] 131 , 95 ( 1000 )

8 , 0 1

8 ,

0 4

1

) 4 )(

1 , 0 ( 1 ) 400 )(

2 )(

0263 ,

0

2 2

+

=

5 ,

0 8

, 0 1

8 , 0 9

0263 ,

0 )(

2 )(

8 , 0 1 )(

400

2 2

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

9

HỌC THEO CÔNG THỨC NRC

Cho E1 = 0,75 ta tính thể tı́ch của bể lọc thứ nhất từ phương trình (4.26):

Tính giá tri ̣ E2 và thể tı́ch V2 :

75 , 0 1

75 ,

0 4

1

) 4 )(

1 , 0 (

1 ) 400 )(

2 )(

0263 ,

0

2 2

+

=

6 ,

0 75

, 0 1

75 , 0 9

75,01(

6,

04

1

)4)(

1,0(1)0263,

0)(

2)(

75,01)(

400

2 2

+

−

=

TPHCMBÀI GIẢI VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH

HỌC THEO CÔNG THỨC NRC

Quá trình tính tốn này cho ta hiệu quả của bể thứ nhất và thứ hai lần lượt là E1 và E2 Và thể tı́ch bằng 74,22 là thể tı́ch được chọn thiết kế.

Tính đường kính của mỗi bể:

Ta cĩ diện tích = thể tı́ch/đợ sâu = 74330/8 = 9288 ft2

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

11

Velz Model

• In 1948 Velz postulated that the BOD removal per unit depth of trickling filter was proportional to the BOD remaining

D = the depth of the trickling filter, length, ft

LD = the BOD remaining in the effluent at depth D, mass/volume, mg/L

L = applied BOD (mass/volume, mg/L) which is removable, not over 0.90 L0

La = applied BOD (mass/volume, mg/L) after dilution by recirculation

Le = effluent BOD, mg/L

R = recirculation ratio = Qr/Q

Qr = recirculation flow rate, volume/time, MGD

Q = influent wastewater flow rate through the trickling filter, volume/time, MGD

BODL may be determined from Equation:

TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO

Howland Models

™ In 1958 Howland proposed that the rate of BOD removal was a function of

contact time (t), giving the performance model

™in which n, k′, and k′′ are constants Therefore, the remaining BOD in the

effluent is obtained by:

™in which kT is the reaction rate at the wastewater temperature T , and n was

determined to be 2/3

T is the wastewater temperature, in degrees Celsius; k20 is the reaction rate at 20◦C:and θ = 1.035 according to Howland (31) The value of θ = 1.020 - 1.072

by Eckenfelder

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

13

Eckenfelder Models

Le = BOD remaining, mass/volume, mg/L

Lo = BOD in raw wastewater, mass/volume, mg/L

k = removal rate constant

Xv = volatile biological solids concentration, mass/volume

t = residence time, time

• In a trickling filter, the mean residence time is defined as

D = trickling filter depth, length, ft

q = hydraulic loading, volume/area/time, mgad

C,m, n = constants which are a function of the filter media and specific surface

m = 1 or 2 in most applications

TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO

Galler and Gotaas Model

La = applied BOD (mass/volume, mg/L) after dilution by recirculation

Q = influent wastewater flow rate through the trickling filter, volume/time, MGD

Qr = recirculation flow rate, volume/time, MGD

A = trickling filter area, ac.

D = trickling filter depth, length, ft

T = wastewater temperature, ◦C

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

15

US Army Design Formulas

For design of the plastic media trickling filters:

D = depth of filter, ft; q = hydraulic loading, gpm/ft2 ;

Le = desired effluent BOD5, mg/L; R = recirculation ratio = Qr/Q;

Lo = influent BOD5, mg/L; a = specific surface area of the media, ft2 /ft 3 ;

n = media factor, determined from laboratory;

Kace = reaction rate constant ranging from 0.0015 to 0.003.

A = surface area of the filter, ft2; and Q = average daily wastewater flow, MGD.

V = volume of filter media, ft3; Ps = sludge produced, lb/d; Lo = influent BOD5, mg/L;

and Fs = sludge production factor, lb solids/lb BOD5 Fs value ranges from 0.42 to

0.65 lb solids/lb BOD5.

TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO

US Environmental Protection Agency Model

V = attached-growth media volume, ft3

Q = wastewater design flow excluding recycle flow, MGD

Le = reactor effluent BOD5, mg/L

Lo = reactor influent BOD5, mg/L

Kp = performance measurement parameter

qw = wastewater surface application rate (wetting rate), gpm/ft2

The values of the performance measurement parameter (Kp) and the applicable wetting rates are presented below:

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

17

US Environmental Protection Agency Model

The values of the performance measurement parameter (Kp) and the applicable

wetting rates are presented below:

TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

™ Khi đĩa quay, lớp màng sinh học sẽ tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với khí quyển để hấp thụ oxy

™ Đĩa quay sẽ ảnh hưởng đến sự vận chuyển oxy và đảm bảo cho

vi sinh vật tồn tại trong điều kiện hiếu khí.

Tới xử lý bù n

™ Màng VS bám dính trên bề mặt VL, hấp phụ và phân hủy CHCơ khi đĩa nhúng trong NT và lấy oxy khi đĩa trên mặt nước

™ Khi màng VS phát triển màng VS dày và tách ra khỏi đĩa, vào bể chứa và tách khỏi NT ở bể lắng II.

™ Ứng dụng: Thích hợp ở những nơi có diện tích hạn chế và NT có nồng độ hữu cơ thấp.

Ống cấp khí

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

21

TPHCM BỂ SINH HỌC TIẾP XÚC QUAY (RBC)

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

23

TPHCM BỂ SINH HỌC TIẾP XÚC QUAY (RBC)

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

Tải trọng hữu cơ g sBOD/m 2 ngày

gBOD/m 2 ngày

4-10 8-20

2,5-8 5-16

0,5-1,0

Tải trọng hữu

bậc 1 tối đa

g sBOD/m 2 ngày gBOD/m 2 ngày

12-15 24-30

12-15 24-30

TPHCM RBC CỦA TÒA NHÀ SAIGON CENTER

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

TPHCM RBC CỦA TÒA NHÀ SAIGON CENTER

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

màng sinh học (biofilm)

trong lớp chất lỏng của bể phản ứng Những giá thể này chuyển động được trong chất lỏng là nhờ hệ thống sục khí cung cấp oxy cho nước thải hay motor khuấy

lý của bể MBBR

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

5 Biofin Chip M Polyetylen 45mm x 3mm 900

Nguồn: Kaldnes MiljФteknologi, 2001.

BK

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

trong MBBR cao hơn gấp vài lần trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính

Ưu điểm của MBBR

™Mật độ vi sinh vật xử lý trên một đơn vị thể tích cao, vì vậy tải trọng hữu cơ của bể MBBR cao hơn.

™Mặt bằng của MBBR nhỏ hơn so với hệ thống xử lý nước thải hiếu khí bùn hoạt tính đối với nước thải đô thị và công nghiệp.

™Hiệu quả xử lý cao.

™Dễ dàng vận hành.

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

35

Bảng : Các giá trị thiết kế điển hình của bể MBBR

TPHCM MÔ HÌNH HÓ MÔ HÌNH HÓA BỂ A BỂ SINH HỌ SINH HỌC (1) C (1)

toán học biểu diễn quá trình xử lý trong bể lọc sinh

sau đây:

(1/X)*(dS/dt) = Tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng của vi sinh vật, kgCOD/(kgVSS.ngày)

dS/dt = Tốc độ tiêu thụ cơ chất, kgCOD/(m 3 ngày)

k = hằng số tốc độ phản ứng, m 3 /(kgVSS.ngày)

S = Nồng độ của cơ chất, kgCOD/m 3

X = Nồng độ vi sinh vật, kgVSS/m 3

)

1

kS dt

dS

−

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

37

™ Lấy tích phân cả hai vế của phương trình (4.1) được:

= Nồng độ trung bình của vi sinh vật trong bể lọc sinh học, kgVSS/m 3

S e = Nồng độ của cơ chất trong dòng nước thải ra sau xử lý, kgCOD/m 3

S o = Nồng độ của cơ chất trong dòng nước thải vào bể, kgCOD/m 3

t = Thời gian tiếp xúc của nước thải với màng vi sinh vật

™ Nồng độ trung bình của vi sinh vật tỉ lệ với diện tích bề mặt riêng của tầng vật liệu lọc A s , hay ~ A s Có thể biễn quan hệ này như sau:

A s – diện tích bề mặt riêng của bể lọc,

)

0

t X k

e e S

=

X

)

m s A

X =

X

TPHCM MÔ HÌNH HÓ MÔ HÌNH HÓA BỂ A BỂ SINH HỌ SINH HỌC (3) C (3)

quanh co theo hình dáng hình học và sự sắp xếp của vật liệu lọc Thời gian tiếp xúc trung bình t được tính toán theo công thức của Howland (1957) như sau:

Q L = Tải trọng thủy lực của nước thải trên bề mặt bể lọc,

m 3 /m 2 xngày, Q L = Q/A

Q - Lưu lượng nước thải theo tính toán thiết kế, m 3 /ngày

A - Diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m 2

C,n - Các hằng số thực nghiệm, n = 0.3 – 0.7

D - Chiều cao lớp vật liệu lọc, m

)

( 10 4

n L Q CD

t =

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

39

™ Thay thế các phương trình (4.9) và (4.10) vào phương trình (4.8):

™ Đặt phương trình K = kA s m C (4.11) sẽ được viết lại:

™ Thông số động học K và hằng số n được xác định dựa trên các số liệu thí nghiệm S e , S o , D, và Q L nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm.

™ K ở nhiệt đợ 20 o C = 0.69/ngày

™ n ở nhiệt đợ 20 o C = 0.67

™ K = hằng sớ tớc đợ phụ thuợc vào nhiều yếu tớ: tính chất nước

thải, thiết kế bể lọc và bể lắng, điều kiện vận hành.

)

(

] /

(

] /

( )

TPHCM MÔ HÌNH HÓ MÔ HÌNH HÓA BỂ A BỂ SINH HỌ SINH HỌC (5) C (5)

lọc sinh học không có tuần hoàn nước sau xử lý

™ Trong trường hợp nước thải sau xử lý được tuần hoàn

để pha loãng nước thải đầu vào, phương trình (4.12) sẽ biến đổi như sau:

S a - Nồng độ cơ chất của hỗn hợp dòng nước thải thô và dòng

tuần hoàn (dòng ra sau xử lý) S a được tính bởi công thức:

S a = (S o + RS e )/(1+R)

R – Tỷ số tuần hoàn, R = Q r /Q

)

( /

Re )

(

/

14

4 1

n L Q

KD R

n L Q

KD e

a S

e

S

−

− +

−

=

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

41

™ Lấy lôgarit cơ số e cả hai vế phương trình (4.12):

™ Đây là phương trình đường thẳng trên hệ trục tọa độ bán logarit có hệ số gốc:

™ Lấy lôgarit cả hai vế phương trình (4.16):

™ Phương trình (4.17) có dạng phương trình đường thẳng y = ax +

b, với:

™ Khi biết được ít nhất 3 cặp giá trị của (x,y) sẽ vẽ được đường thẳng trên hệ tọa độ log-log có hệ số gốc bằng a và giao điểm với trục tung bằng b Khi biết được a,b suy ra giá trị của n và K

) (

L Q

KD o

n L

KQ

)

( ln

ln

K ln b

L Q ln x

n a

s ln

TPHCM MÔ HÌNH THÍ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆ NGHIỆM BỂ M BỂ SINH HỌ SINH HỌC C

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

43

1 Vận hành khởi động mô hình thí nghiệm với loại nước thải cần

nghiên cứu, tải trọng thể tích bề mặt trong giới hạn nhỏ hơn

40L/m 2 /phút , để tạo ra lớp màng vi sinh vật trên bề mặt vật liệu

lọc (còn gọi là giá thể lọc) Để tăng nhanh quá trình tạo màng

vi sinh vật, hỗn hợp nước thải có chứa bùn hoạt tính pha loãng

được sử dụng cho giai đoạn khởi động.

2 Sau giai đoạn khởi động, một lớp màng vi sinh vật được tạo

thành trên bề mặt vật liệu lọc Chọn ít nhất 3 giá trị lưu lượng

(hay tải trọng thể tích bề mặt ) để tiến hành thí nghiệm nghiên

cứu Lần lượt vận hành bể lọc với từng lưu lượng thí nghiệm đã

chọn đến khi bể lọc “đạt trạng thái ổn định” Trạng thái ổn định

là trạng thái mà ở đó nồng độ cơ chất trong nước thải sau xử lý

(COD, BOD, TOC) không thay đổi theo thời gian Khi sử dụng các

vòng hay tấm plastic làm vật liệu lọc thí nghiệm thì tải trọng bề

mặt nên chọn trong khoảng 20 đến 120L/m 2 /phút

TPHCMXÁ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ C ĐỊNH THÔNG SỐ ĐỘ ĐỘNG HỌC CHO BỂ NG HỌ C CHO BỂ SINH HỌ SINH HỌC (2) C (2)

Nội dung thí nghiệm

3 Mẫu nước thải nên lấy ít nhất tại 3 vị trí dọc chiều cao lớp vật

liệu lọc tương ứng với mỗi lưu lượng thí nghiệm Các chỉ tiêu

cần phân tích là COD, BOD (hoặc TOC) cho đến khi đạt được

kết quả thích hợp (trạng thái ổ định) Ngoài ra cũng cần xác

định các chỉ tiêu như pH, độ kiềm, độ acid, nhiệt độ để cung

cấp đầy đủ các cơ sở khoa học của quá trình nghiên cứu.

4 Vẽ các đường biểu diễn của (S o /S e ) (tính bằng BOD ,COD hay

TOC) theo các chiều cao lấy mẫu D cho mỗi lưu lượng Q L dựa

trên phương trình (4.15) trên giấy đồ họa bán logarit sẽ được họ

đường thẳng, mỗi đường thẳng có độ dốc s Tính toán các giá

trị của s.

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

45

Nội dung thí nghiệm

5 Vẽ đường biểu diễn của phương trình (4.16) trên giấy log-log

các giá trị s trên trục tung và các giá trị Q L tương ứng trên trục

hoành Sử dụng phương pháp phân tích hồi qui tuyến tính sẽ

xác định được độ dốc n của đường thẳng hồi qui Giá trị của K

được xác định từ giao điểm của đường thẳng hồi qui và trục

tung.

6 Giá trị của K cũng có thể được xác định chính xác hơn theo

phương pháp sau Do đã biết được giá trị của n, phương trình

(4.15) có thể viết lại:

Vẽ đường thẳng biểu diễn của S e /S o theo Q L n trên giấy bán lôgarit,

K chính là hệ số gốc của đường thẳng này.

D K

o S

e S ln

TPHCMXÁ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ C ĐỊNH THÔNG SỐ ĐỘ ĐỘNG HỌC CHO BỂ NG HỌ C CHO BỂ SINH HỌ SINH HỌC (4) C (4)

Ví dụ 4.1: Xác định các thông số động học quá trình sinh học

bám dính trong bể lọc sinh học Kết quả thí nghiệm xác định

các thông số động học cho nước thải sinh hoạt trên mô hình bể

lọc sinh học ở 20 o C được trình bày ở bảng sau Tải trọng thủy

lực trên bề mặt bể lọc tương ứng với 4 đợt thí nghiệm lần lượt là

0,5; 1,0; 1,5 và 2,0 m 3 /m 2 /ngày.Điểm lấy mẫu để xác định các

chỉ tiêu thí nghiệm lần lượt ở 4 độ cao 1,5; 3,0; 4,5 và 6,0 mét

Xác định các thông số động học K và n trong công thức của

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

47

Theo công thức của Eckenfelder:

Để tìm số mũ n và hằng số tốc độ phản ứng K, lấy logarit cơ số e

cả hai vế phương trình trên:

Vẽ các đường thẳng biểu diễn của S e /S o theo D ứng với mỗi Q L

trên giấy bán lôgarit Họ đường thẳng này được biễu diễn trên hình

vẽ sau Hệ số gốc s của các đường thẳng trên bằng , kết

quả trình bày trong bảng sau.

]

n L Q / KD

[ e o

K o

S

e S

Tải trọng thủy lực

TPHCMXÁ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ C ĐỊNH THÔNG SỐ ĐỘ ĐỘNG HỌC CHO BỂ NG HỌ C CHO BỂ SINH HỌ SINH HỌC (6) C (6)

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

49

Vẽ đường biểu diễn của các giá trị s trên trục tung theo các giá trị

Q L tương ứng trên trục hoành trên giấy log-log (Hình vẽ) Sử dụng

phương pháp phân tích hồi qui tuyến tính sẽ xác định được độ dốc

n của đường thẳng hồi qui

Hình vẽ: Đường hồi qui tuyến tính biểu diễn s theo Q L

57

0 5

0 2

067 0

148

0

, ,

ln ln

, ln ,