giáo trình kỹ thuật xử lý nước thải chương 5 xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Tốc độ quá trình oxi hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượngcác tạp chất và múc độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý.. CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ 5.

CHƯƠNG 5 XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

A TỔNG QUAN

5.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trongnước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, sunfit, ammonia, nitrate,…dựa trên hoạtđộng của vi sinh vậtđể phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong quá trình này, vi sinhvật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển.Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân chia thành hai loại:

- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiệnkhông có oxy;

- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điềukiện cung cấp oxy liên tục

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật được gọi là quá trình oxi hóasinh hóa Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chấtphân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giaiđoạn chính như sau:

- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt vi sinh vật

- Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bêntrong và bên ngoài tế bào;

- Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tếbào mới

Tốc độ quá trình oxi hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượngcác tạp chất và múc độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý Ở mỗi điềukiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độthủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vilượng

5.2 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT

5.2.1 Sinh trưởng của tế bào (Cell Growth)

Tốc độ sinh trưởng của tế bào vi khuẩn: rg = -µX

 rg: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (khối lượng/thể tích.thời gian);

 µ: tốc độ sinh trưởng đặc biệt (thời gian-1);

 X: nồng độ vi sinh vật (khối lượng/thể tích)

5.2.2 Sinh trưởng trong điều kiện giới hạn

Phương trình Monod:

 µ: tốc độ sinh trưởng đặc biệt (thời gian1-);

 µm: tốc độ sinh trưởng cực đại (thời gian1-);

 S: nồng độ cơ chất giới hạn sự sinh trưởng (khối lượng/thể tích);

 Ks: hằng số tốc độ ½, nồng độ cơ chất ở vị trí có tốc độ sinh trưởng bằng ½ tốc độsinh trưởng cực đại.

5.2.3 Quá trình sinh trưởng của tế bào và sự tiêu thụ cơ chất

rg = -Yrsu

 rg: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (khối lượng/thể tích.thời gian);

 Y: hệ số thu hoạch cực đại (mg/mg) – khối lượng tế bào hình thành/khối lượng cơchất bị tiêu thụ

Y phụ thuộc vào:

 Trạng thái oxi hóa của nguồn carbon và nguyên tố cung cấp dinh dưỡng;

 Mức độ polymer hóa cơ chất;

 Chu trình trao đổi chất;

 Tốc độ sinh trưởng;

 Các thông số vật lý khác của quá trình nuôi cấy vi sinh vật

 rsu: tốc độ tiêu thụ cơ chất (khối lượng/thể tích.thời gian) được xác định theo côngthức sau

5.2.4 Ảnh hưởng của quá trình trao đổi chất nội bào

Tốc độ phân hủy nội bào:

rd = -kdX

 kd: hệ số phân hủy nội bào (thời gian-1);

 X: nồng độ tế bào (khối lượng/thể tích)

 r’

g: tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật (khối lượng/thể tích.thời gian);

µ’

m: tốc độ sinh trưởng đặc biệt thực (thời gian-1)

5.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khoảng dao động Đặc trưng

Nguồn:

5.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ

Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo rahàng trăn sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên, phương trình phản ứngsinh hóa trong điều kiện kị khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kị khí xảy ra theo bốn giai đoạn (Hình 5.1):

Hình 5.1 Quá trình phân hủy kị khí

- Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;

- Giai đoạn 2: acid hóa;

- Giai đoạn 3: acetate hóa;

- Giai đoạn 4: methane hóa

Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo,carbonhydrate, cellulose, lignin,…trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thànhnhững phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóaprotein thành amono acid, carbonhydrate thành đường đơn và chất béo thành các acidbéo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóathành acetic acid, H2 và CO2 Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionicacid và lactic acid Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng đượchình thành trong quá trình cắt mạch carbonhydrate Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ

có thể phân loại một số loại cơ chất nhất định như CO2 và H2, formate, acetate, methanol,methykamines và CO Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

- 4H2 + CO2  CH4 + 2H2O

- 4HCOOH  CH4 + 3H2O + 2H2O

Chất hữu cơ Vi sinh vật CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

- CH3COOH  CH4 + CO2

- 4CH3OH  3CH4 + CO2 + 6H2O + 4NH3

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kị khí thành:

- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếpxúc kị khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kị khí với dòngnước đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB);

- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trìnhlọc kị khí (Anaerobic Filter Process)

B CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ

5.4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ DẠNG TĂNG TRƯỞNG LƠ LỬNG

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau:

- Oxi hóa các chất hữu cơ:

- Tổng hợp tế bào mới:

- Phân hủy nội bào:

Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện

tự nhiên hoặc nhân tạo Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưucho quá trình oxi hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu quả cao hơn rấtnhiều Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí có thểchia thành:

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sửdụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bểphản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí Trong số những quátrình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trìnhbùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitratehóa với màng cố định

5.4.1 Động học quá trình bùn hoạt tính hiếu khí

a Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn và không tuần hoàn (complete – mix reactor without recycle)

Giả thiết: Hỗn hợp trong thiết bị được khuấy trộn hoàn toàn.

CxHyOz + NH3 + O2 Enzyme Tế bào vi khuẩn + CO2 + H2O + C5H7NO2 (-∆H)

V, X, S

Thiết lập cân bằng vật chất cho sinh khối

Tích lũy = Vào – Ra + Sinh trưởng

- Ở trạng thái ổn định

 Ө: thời gian lưu nước

- Nồng độ cơ chất của nước thải sau xử lý:

Thiết lập cân bằng theo cơ chất:

Tích lũy = Vào – Ra – Tiêu thụ

Từ

Hay

b Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn và có tuần hoàn

Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time – HRT)

- Tại bể thổi khí

- Đối với cả hệ thống

Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time)

Giả thiết

- Hỗn hợp trong bể thổi khí được khuấy trộn hoàn toàn;

- Quá trình phân hủy sinh học chỉ xảy ra trong bể thổi khí

Thiết lập cân bằng cho sinh khối

Tích lũy = Vào – Ra + Sinh trưởng

Qr, Xr

Qw, Xr

Cân bằng cơ chất

Tích lũy = Vào – Ra – Tiêu thụ

- Ở trạng thái ổn định

- Nồng độ sinh khối trong nước thải sau xử lý:

5.4.2 Tính toán thiết kế bể thổi khí (Aerotank)

Bể thổi khí thường được làm bằng bê tông cốt thép với bề mặt thoáng tiếp xúc với

không khí Đối với trạm xử lý công suất 0.22 – 0.44 m3/snên thiết kế hệ thống gồm 4 bể thổi khí để thuận tiện trongvận hành và bảo trì bảo dưỡng Những trạm xử lý côngsuất lớn hơn 2.2 m3/s sẽ có từ 6 bể thổi khí trở lên

Nếu sự dụng phương pháp cung cấp oxy bằng cáchkhuếch tán khí, cấu trúc bể sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệuquả thổi khí và mức độ khuấy trộn Trong trường hợp này,chiều dày lớp nước trong bể phải dao động trong khoảng4.5 – 7.5 m nhằm tạo điều kiện tăng tối đa hiệu quả của hệthống khuếch tán khí Chiều cao an toàn thường dao động trong khoảng 0.3 – 0.6 m tính

từ mặt thoáng của lớp nước Tỷ lệ giữa chiều rộng và độ sâu đóng vai trò quan trọng nếu

sử dụng hình thức khuấy trộn dạng dòng chảy xoắn ốc Trong những bể thổi khí này, tỷ lệgiữa chiều rộng và độ sâu bể thổi khí dao động trong khoảng 1.0:1.0 – 2.2:1.0 với giá trịđặc trưng là 1.5:1.0

Đối với các bể sử dụng hệ thống thổi khí cơ học, thuận tiện nhất là sử dụng mộtmáy thổi khí cho một bể Tuy nhiên, tùy theo chiều dài và chiều rộng của từng bể thổi khí

mà bố trí đủ máy thổi khí cho các bể Đối với các bể này, chiều cao an toàn của bể thổikhí dao động trong khoảng 1.0 – 1.5 m Kích thước đặc trưng của các bể thổi khí sử dụngmáy thổi khí được trình bày tóm tắt trong bảng 5.2

Bảng 5.2 Kích thước đặc trưng của các bể thổi khí sử dụng máy thổi khí

Công suất máy thổi khí

(kW) Độ sâu bể (m) Chiều rộng bể (m)

Xác định dung tích bể theo tỷ số F/M (khối lượng cơ chất/khối lượng bùn hoạt tính)

 Q: lưu lượng nước cần xử lý (m3/ngày);

 S0: nồng độ BOD5 trong nước thải (mg/L);

 Z: độ tro của cặn, thường là 0.3 mg/mg

Xác định dung tích bể theo thời gian lưu bùn

 Өc: thời gian lưu bùn (ngày);

 kd: hệ số phân hủy nội bào (ngày-1);

 Y: hệ số thu hoạch (mg bùn/mg BOD5 bị tiêu thụ)

Xác định dung tích bể theo tải trọng cơ chất (kg BOD 5 /m 3 ngđ)

 La: tải trọng chất hữu cơ tính trên một đơn vị thể tích bể (kg BOD5/m3.ngđ)

Đối với một loại nước thải mới, cần nghiên cứu trong mô hình phòng thí nghiệm

để xác định các thông số động học cần thiết cho việc tính toán thiết kế Trong trường hợpkhông thể triển khai mô hình phòng thí nghiệm, có thể tham khảo các thông số trongbảng 5.3 và 5.4

Bảng 5.3 Thông số điển hình tính toán thiết kế bể thổi khí

Loại và chức

năng của

Aerotank

Thời gianlưu bùn(ngày)

F/M BODTải trọng (kg

5/m3.ngđ)

Nồng độbùn trong

bể (mg/L)

Thời gianlưu nước(giờ)

Tỷ lệ tuầnhoàn

Có dòng chảy

đều (plug

aerotank)

3 – 15 0.2 –0.6 0.32 – 0.64 1000 –3000 4 – 8 0.25 –0.75Khuấy trộn

hoàn toàn 0.75 – 15 0.2 –1.0 0.80 – 1.90 800 –4000 3 – 5 0.25 –1.00Nạp nước thải

0.2 –0.5 0.64 – 0.96

1500 –

0.25 –0.75Khử BOD5

bằng bể riêng

0.05– 0.2 0.048 – 0.14

1500 –

0.50 –2.00

Xử lý theo mẻ

kế tiếp nhau 10 – 30 – 0.10.04 0.08 – 0.24 2000 –5000 12 – 50

Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000.

Bảng 5.4 Hệ số động học của quá trình bùn hoạt tính hiếu khí

Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.

Bảng 5.5 Hệ số động học của quá trình bùn hoạt tính hiếu khí thực hiện nitrate hóa

Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.

Các bước tính toán thiết kế hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí để xử lý BOD và thực hiện các quá trình nitrate hóa

1 Thu thập/xác định đặc tính nước thải cần xử lý;

2 Xác định đặc tính nước thải yêu cầu sau xử lý, đặc biệt các thông số NH4-N, TSS vàBOD;

3 Chọn hệ số an toàn đối với quá trình nitrate hóa để thiết kế thời gian lưu bùn trên cơ

sở TKN cực đại/trung bình Hệ số an toàn có thể dao động trong khoảng 1.3 – 2.0;

4 Chọn nồng độ DO tối thiểu cần duy trì trong bể thổi khí Nồng độ DO thấp nhất cầnthiết cho quá trình nitrate hóa là 2.0 mg/L;

5 Xác định tốc độ tăng trưởng đặc biệt cực đại đối với quá trình nitrate hóa (µm) theonhiệt độ và nồng độ DO trong bể thổ khí và tính Kn;

6 Xác định tốc độ tăng trưởng đặc biệt µ và thời gian lưu bùn ở tốc độ này để đạt nồng

độ NH4-N trong nước thải sau xử lý;

7 Xác định giá trị thời gian lưu bùn thiết kế bằng cách áp dụng hệ số an toàn ở bước 6;

8 Xác định tốc độ phát triển sinh khối;

9 Lập cân bằng ni tơ để tính NOx, nồng độ NH4-N bị oxi hóa;

10 Tính khối lượng VSS và TSS trong bể thổi khí;

11 Chọn nồng độ NLSS thiết kế và xác định thể tích bể thổi khí và thời gian lưu nước;

12 Xác định tổng lượng bùn phát sinh và hệ số Yobs:

13 Tính toán nhu cầu oxy;

14 Xác định độ kiềm cần hiệu chỉnh;

15 Thiết kế bể lắng đợt 2;

16 Thiết kế hệ thống thổi khí;

17 Tóm tắt chất lượng nước sau xử lý;

18 Tổng kết số liệu thiết kế vào bảng số liệu

Tuần hoàn bùn hoạt tính

Xác định lưu lượng tuần hoàn bùn theo phương trình

QvXo + QtXt = (Qv + Qt)X

Trong thực tế nồng độ bùn trong nước thải đi vào bể Xo là không đáng kể, ta có:

 α: tỷ lệ tuần hoàn;

 Qv: lưu lượng nước thải đi vào công trình xử lý (m3/h);

 Qt: lưu lượng hỗn hợp bùn tuần hoàn lại (m3/h);

 X: nồng độ bùn hoạt tính cần duy trì trong bể thổi khí (mg/L);

 Xt: nồng độ bùn hoạt tính trong hỗn hợp tuần hoàn hay sau khi lắng ở đáy bể lắng

2 (mg/L);

Xả bùn dư

Lượng bùn dư phải xả được tính dựa trên thời gian lưu bùn

 Qx: lưu lượng bùn xả (m3/ngày);

 V: thể tích bể aerotank (m3);

 Xt: nồng độ bùn hoạt tính trong dòng tuần hoàn (mg/L);

 X: nồng độ bùn hoạt tính trong bể aerotankn (mg/L);

 Xra: nồng độ bùn hoạt tính trong nước ra khỏi bể lắng (mg/L);

 Qra: lưu lượng nước đã xử lý ra khỏi bể lắng (m3/ngày);

 Өc: thời gian lưu bùn (ngày).

Lượng bùn sinh ra hàng ngày

Hệ số tính đến lượng bùn sinh ra hàng ngày

Theo tiêu chuẩn thiết kế của Nga và tiêu chuẩn ngành của Việt Nam, tổng lượng bùn sinh

ra có thể xác địnmh theo công thức:

Mbùn = 0.8 (SS) + 0.3 (BOD5)

 SS: lượng cặn lơ lửng trong nước thải (kg/ngày);

 BOD5: lượng BOD5 (kg/ngày)

5.4.3 Phân loại bể aerotank theo sơ đồ vận hành

Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trìnhphân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục Sục khíliên tục nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trìbùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng Nồng độ oxy hòa tan trong nước ở bể lắng đợt 2 khôngđược nhỏ hơn 2 mg/L Tốc độ sử dụng oxy hòa tan trong bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào:

- Tỷ số giữa lượng thức ăn (chất hữu cơ có trong nước thải) và lượng vi sinh vật: tỷ

lệ F/M;

- Nhiệt độ;

- Tốc độ sinh trưởng và hoạt độ sinh lý của vi sinh vật;

- Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất;

- Lượng các chất cấu tạo tế bào;

- Hàm lượng oxy hòa tan

Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cầnphải hiểu rõ vai trò quan trọng của quần thể vi sinh vật Các vi sinh vật này sẽ phân hủycác chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới,chỉ một phần chất hữu cơ bị oxi hóa hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-,…Một cách

tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm Pseudomonas,

Zoogloea, Achromobacter, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và

hai loại vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas và Nitrobacter Thêm vào đó, nhiều loại vi khuẩn dạng sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum cũng

tồn tại

Yêu cầu chung khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưa vào hệthống cần có hàm lượng SS không được vượt quá 150 mg/L, hàm lượng dầu mỡ khôngquá 25 mg/L, pH = 6.5 – 8.5, nhiệt độ 6oC < toC < 37oC Một số sơ đồ hệ thống bùn hoạttính sinh trưởng lơ lửng được trình bày trong hình 5.2

Bể lắng

Bể lắngNước thải

Bùn

Bể thổi khí

Bùn thảiTuần hoàn bùn

Nước sau

xử lý

a.Quá trình bùn hoạt tính hiếu khí cổ điển với dòng chảy nút (Conventional plug-flow activated process)

b Quá trình bùn hoạt tính hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn (Complete-mix acxtivated process)

c Sơ đồ bể aerotank nạp theo bậc

Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí.

5.5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ DẠNG MẺ

Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểulàm đầy và xả cạn Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt tínhhoạt động liên tục chỉ có điều tất cả xảy ra trong cùng một bể và được thực hiện lần lượttheo các bước: (1) – Làm đầy; (2) – Phản ứng; (3) – Lắng; (4) – Xả cạn; (5) – Ngưng Sơ

đồ hệ thống SBR được trình bày trong hình 5.3

Hình 5.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống SBR.

Bể lắng

Bể lắngNước thải

Bùn

Bùn thảiTuần hoàn bùn

Bể lắngNước thải

Máy thổi

khí

Bùn thảiTuần hoàn

bùn

Khi thiết kế bể SBR, không cần xây dựng bể điều hòa, bể lắng 1 và bể lắng 2.Nước thải chỉ cần qua song chắn rác, bể lắng cát và bể tách dầu nếu cần, rồi nạp thẳngvào bể Số lượng bể, thời gian nạp vào từng bể phụ thuộc vào công suất và sự dao độngtheo thời gian của lượng nước thải Bể SBR luân phiên (liên tục) có thể khử được N và Pkhi vận hành theo đúng các quy trình hiếu khí, thiếu khí và kị khí.

Các thông số cần thiết khi tính toán thiết kế

- Dung tích hữu ích của bể;

- Lượng bùn tích lũy trong bể (theo chu kỳ xả bùn);

- Thể tích chứa bùn trong bể;

- Chiều cao an toàn từ lớp bùn đến mực nước phải xả;

- Chiều cao của lớp nước trong đã lắng trên lớp bùn;

- Lượng oxy cần thiết để khử BOD5 và lượng không khí cần vung cấp;

4 Từ giá trị tổng số chu kỳ có thể hoạt động trên ngày, xác định thể tích nước thải cóthể xử lý trong hệ thống cho mỗi chu kỳ;

5 Chọn nồng độ MLSS và xác định tỷ lệ thể tích nước nạp vào bể so với tổng thểtích bể Xác định độ sâu của lớp nước sẽ được xả sau khi lắng Với giá trị độ sâu tínhtoán, xác định thể tích chứa bùn;

6 Xác định thời gian lưu bùn của thể tích SBR đã thiết kế;

7 Xác định tổng lượng TKN đã được nitrate hóa;

8 Tính nồng độ vi sinh vật cần để thực hiện quá trình nitrate hóa và xác định xemthời gian thổi khí đã chọn có đủ để quá trình nitrate hóa xảy ra hiệu quả;

9 Hiệu chỉnh các giá trị thiết kế cần thiết;

10 Xác định tốc độ bơm xả nước sau xử lý;

11 Xác định lượng oxy cần thiết và tốc độ truyền khí trung bình;

12 Tính tỷ số F/M và tải trọng thể tích theo BOD;

13 Kiểm tra độ kiềm cần thiết;

14 Tổng kết số liệu thiết kế vào bảng số liệu

5.6 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG MƯƠNG OXI HÓA

Mương oxi hóa là dạng cải tiến của aerotank khuấy trộn hoàn toàn, làm việc theochế độ làm thoáng kéo dài, hỗn hợp bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển độngtuần hoàn liên tục trong mương

Khi thiết kế mương oxi hóa, áp dụng các công thức tính toán bể aerotank để xác định thểtích của mương theo các thông số sau:

Mương có mặt cắt ngang của mương có thể hình chữ nhật, hình thang Chiều sâucủa mương tùy thuộc vào công suất bơm của thiết bị làm thoáng để đảm bảo khuấy trộn

và cấp khí đều, đồng thời tạo vận tốc tuần hoàn chảy dọc mương v ≥ 0.25 – 0.3 m/s, cóthể chọn H = 1 – 4 m Chiều rộng trung bình của mương thường trung bình từ 2 – 6 m

Ở những nơi không đủ chiều dài, bố trí mương theo hình zíc zắc, tại khu vực haiđầu mương khi dòng nước đổi chiều, tốc độ nước chảy nhanh ở phía ngoài, chậm ở phíatrong làm cho bùn lắng lại, giảm hiệu quả xử lý Do đó phải xây các tường hướng dòngtại hai đầu mương để tăng tốc độ nước ở phía trong

5.7 CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ DẠNG TĂNG TRƯỞNG DÍNH BÁM

5.7.1 Tính toán thiết kế bể lọc nhỏ giọt (Trickling Filter)

- Áp lực tại vòi phun từ 0.5 – 0.7 m;

- Vận tốc phụ thuộc vào lưu lượng và thường bằng 1 vòng/10 phút;

- Khoảng cách từ lớp vật liệu lọc đến vòi phun từ 0.2 – 0.3 m

Tốc độ quay của dàn phân phối nước được xác định theo công thức sau:

 n: tốc độ vòng quay (vòng/phút);

 q: tải trọng thủy lực của dòng vào (m3/m2.h);

 R: tỷ số tuần hoàn;

 A: số lượng đường ống phân phối của hệ thống phân phối nước;

 DR: tốc độ tính bằng mm/đường ống phân phối

Sàn đỡ

- Sàn đỡ được thiết kế sao cho phải thu nước đều;

- Phân phối đều khí;

- Khoảng cách từ sàn đến đáy dao động trong khoảng 0.6 – 0.8 m;

- Đáy bể dốc 1 – 2% về máng thu trung tâm;

- Tường giữa đáy và sàn phân phối có đặt cửa sổ thông gió Tổng diện tích cửa sốchiếm 20% diện tích sàn

Cấp khí

- Cấp khí tự nhiên phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ

 Nhiệt độ của nước thấp hơn nhiệt độ của không khí, khi đó nhiệt độ khí trong lỗ rỗngthấp nên khí sẽ đi từ trên xuống và ngược lại;

 Khi nhiệt độ nước bằng nhiệt độ không khí, sẽ không có sự trao đổi khí nên cần thổikhí với tốc độ 0.3 m3/m2.phút

Thiết kế Trickling Filter

 Se: BOD5tc của nước thải sau lắng;

 Si: BOD5tc của nước thải vào bể trickling filter;

 k20: hằng số phụ thuộc độ sâu của bể ở 20oC (gal/ft)nft;

 D: độ sâu (ft);

 Qv: lưu lượng tính trên một đơn vị thể tích bể trickling filter (gal/phút.ft2) = Q/A;

 Q: lưu lượng qua trickling filter, không tuần hoàn (gal/phút);

 A: diện tích tiết diện của trickling filter (ft2);

 n: hệ số thực nghiệm, n = 0.5

 k2: hằng số ứng với trickling filter có D2;

 k1: hằng số ứng với trickling filter có D1;

 D1: độ sâu của trickling filter 1;

 D2: độ sâu của trickling filter 2;

 x = 0.5 khi vật liệu là đá và dòng chảy theo phương thẳng đứng;

 x = 0.3 khi vật liệu là plastic và dòng chảy theo phương ngang

Bảng 5.6 Giá trị k20 đối với tháp trickling filter có độ sâu 20 ft, vật liệu lọc bằng plastic

Nước thải sinh hoạt + Nước thải thực phẩm 0.060 – 0.08

Hiệu quả khử BOD5

 E: hiệu quả khử BOD5 của trickling filter và bể lắng 2;

 W: tải trọng BOD5 của trickling filter (kg/ngđ);

 V: thể tích vật liệu lọc (m3);

 F: hệ số tuần hoàn nước

 R = QT/Q, trong đó QT là lưu lượng tuần hoàn và Q là lưu lượng xử lý

Bảng 5.7 Các thông số thiết kế trickling filter

6 – 8 (plastic)

Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải có sử dụng trickling filter được trinh bày trong hình 5.4.

a Trickling filter tải trọng thấp

b Trickling filter tải trọng thấp hoặc cao (khi cần chuyển hóa N-NH3 thành NO3-, tảitrọng thấp)

c Trickling filter với dàn phun liên tục

Hình 5.4 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải có sử dụng trickling filter.

Đối với hệ thống trickling filter hai bậc, hiệu quả khử BOD của bậc thứ hai được tínhtheo công thức sau:

 E1: hiệu quả khử BOD của bể trickling filter thứ 1 (%);

 E1: hiệu quả khử BOD của bể trickling filter thứ 2 (%);

 W2: tải trọng BOD của bể trickling filter thứ 2 (kg.ngđ)

Ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải đến hiệu quả khử BOD có thể được tính theo côngthức sau:

ET = E20(1.035)T-20

Nước thải Bể lắng 1 Trickling Filter Bể lắng 2 Nước thải sau xử lý

Bùn

Dự phòng Tuần hoàn nước

Nước thải Bể lắng 1 Trickling Filter Bể lắng 2 Nước thải sau xử lý

Bùn Tuần hoàn nước

Nước thải Bể lắng 1 Trickling Filter Bể lắng 2 Nước thải sau xử lý

Bùn Tuần hoàn nước

 ET: hiệu quả khử BOD ở nhiệt độ T (%);

 E20: hiệu quả khử BOD ở nhiệt độ 20oC (%)

5.7.2 Xử lý nước thải bằng đĩa tiếp xúc sinh học (RBC)

5.7.2.1 Tổng quan

Đĩa tiếp xúc sinh học đầu tiên được lắp đặt ở Tây Đức vào năm 1960, sau đó dunhập sang Mỹ Ở Mỹ và Canada, 70% số đĩa tiếp xúc sinh học được dùng để khử BODcủa các hợp chất carbon, 25% dùng để khử BOD của các hợp chất carbon kết hợp vớinitrate hóa nước thải, 5% dùng để nitrate hóa nước thải sau quá trình xử lý thứ cấp

Đĩa sinh học gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng bằng polystyrene hoặc polyvinylclorua(PVC) lắp trên một trục Các đĩa được đặt ngập trong nước một phần và quay chậm.Trong quá trình vận hành, vi sinh vật sinh trưởng, phát triển trên bề mặt đĩa hình thànhmột lớp màng mỏng bám trên bề mặt đĩa Khi đĩa quay, lớp màng sinh học tiếp xúc vớichất hữu cơ trong nước thải và với khí quyển để hấp thụ oxy Đĩa quay sẽ ảnh hưởng đến

sự vận chuyển oxy và bảo đảm cho vi sinh vật tồn tại trong điều kiện hiếu khí

5.7.2.2 Thiết kế

Để thiết kế đĩa tiếp xúc sinh học cần lưu ý các thông số sau: cách sắp xếp các đĩatiếp xúc sinh học, lưu lượng nạp, chất lượng nước thải đầu ra và nhu cầu của bể lắng thứcấp

Cách sắp xếp đĩa tiếp xúc sinh học: người ta dùng các vách ngăn để chia bể xử lýthành nhiều ngăn, mỗi ngăn có một đĩa sinh học hoạt động độc lập hoặc sử dụng nhiều bểchứa các đĩa sinh học nối tiếp nhau Người ta thường sử dụng các hệ thống xử lý từ bagiai đoạn đĩa sinh học trở lên, việc sử dụng nhiều giai đoạn đĩa sinh học nhằm nitrate hóanước thải

Lưu lượng nạp: lưu lượng nạp rất quan trọng đối với hiệu suất của đĩa sinh học,nạp quá tải sẽ làm thiếu DO cần thiết cho quá trình, sinh mùi thối do khí H2S, sinh ranhiều vi sinh vật hình sợi làm giảm diện tích tiếp xúc bề mặt

Bảng 5.8 Các giá trị tham khảo để thiết kế hệ thống xử lý bằng đĩa sinh học.

Lưu lượng chất hữu cơ nạp

Nguồn: Metcalf & Eddy, 1991 (gal/ft2.d x 0.0407 = m3/m2.d; lb/103ft2.d x 0.0049 = kg/

m2.d.)

Các thiết bị cơ khí cho đĩa sinh học

Trục quay Trục quay dùng để gắn kết các đĩa sinh học bằng plastic và quay

chúng quanh trục chiều dài tối đa của trục quay là 27 ft (8.23 m) trong đó 25 ft (7.62 m)dùng để gắn các đĩa sinh học Các trục quay ngắn hơn biến thiên từ 5 – 25 ft (1.52 – 7.62m) Cấu trúc, đặc điểm của trục quay và cách gắn các đĩa sinh học vào trục phụ thuộc vào

cơ sở sản xuất

Đĩa sinh học Đĩa sinh học được sản xuất từ PE có nhiều nếp gấp để tăng diện tích

bề mặt Tùy theo diện tích bề mặt người ta chia làm ba loại: loại có diện tích bề mặt thấp(9290 m2/8.23 m trục), loại có diện tích bề mặt trung bình và loại có diện tích bề mặt cao(11149 - 16723 m2/8.23 m trục)

Thiết bị truyền động Thiết bị truyền động để quay các đĩa sinh học người ta có

thể dùng moteur truyền động gắn trực tiếp với trục hoặc dùng bơm nén khí Trong trườnghợp dùng bơm nén khí các đầu phân phối khí đặt ngầm trong bể, thổi khí vào các chiếttách hứng khí tạo thành lực đẩy làm quay đĩa sinh học Bơm nén khí vừa quay đĩa vừacung cấp thêm oxy cho quá trình Cả hai loại này đều có độ tin cậy cao

Nước thải

đầu vào

Hình 5.5 Cách sắp xếp RBC.

Bể chứa đĩa sinh học Bể chứa có thể tích 45.42 m3 cho 9290 m2 đĩa sinh học, lưulượng nạp 0.08 m3/m2.d thông thường độ sâu của nước là 1.52 m và 40% diện tích đĩasinh học ngập trong nước thải

Nước thải đầu raBùn

Bể lắng

Mái che Mái che có thể làm bằng tấm sợi thủy tinh, có nhiệm vụ bảo vệ đĩa sinh

học khỏi bị hư hại bởi tia UV và các tác nhân vật lý khác, giữ nhiệt cần thiết cho quátrình, khống chế sự phát triển của tảo

Các sự cố trong vận hành bao gồm trục quay bị hỏng do thiết kế kém, sự mỏi

kim loại, quá nhiều vi sinh vật bám trên đĩa Đĩa sinh học bị hư do tiếp xúc với nhiệt, cácdung môi hữu cơ, tia UV Ổ bi bị kẹt do thiếu mỡ bò Mùi hôi do lưu lượng nạp chất hữu

cơ quá cao Để giải quyết các vấn đề trên hiện nay người ta có khuynh hướng đặt các đĩasinh học sâu hơn trong nước thải để làm giảm tải trọng của trục và ổ bi

Bảng 5.8 Các thông số thiết kế đặc trưng của bể RBC

Thông số

Cấp xử lý Đơn vị Khử BOD Khử BOD và nitrate hóa Nitrate hóa riêng biệt

Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.( g/m 3 ngđ x 0.0624 = lb/10 3 ft 3 ngđ)

Các bước tính toán thiết kế

1 Xác định nồng độ sBOD của nước thải trước và sau khi xử lý, lưu lượng cần xử lý;

2 Xác định diện tích bể RBC xử lý bậc 1 dựa trên sBOD cực đại từ 12–15gsBOD/

m3ngđ;

3 Xác định số trục RBC, sử dụng mật độ đĩa tiêu chuẩn 9300 m2/trục;

4 Chọn số dãy (ngăn) để thiết kế, lưu lượng vào mỗi ngăn, số bậc xử lý và diện tích đĩa/trục của mỗi bậc xử lý Đối với những bậc xử lý tải trọng thấp hơn, mật độ đĩa sẽ caohơn;

5 Dựa trên giả thiết thiết kế ở bước 4, tính nồng độ sBOD ở mỗi bậc Xác định nồng độsBOD sau xử lý có đạt yêu cầu đặt ra không Nếu chưa đạt, thay đổi số bậc xử lý, sốtrục/mỗi bậc và /hoặc diện tích đĩa của mỗi bậc xử lý Nếu sBOD sau xử lý đã đạt yêucầu, đánh giá các thông số thiết kế tối ưu;

6 Thiết kế bể lắng 2;

7 Thống kê kết quả thiết kế thành bảng.

C CÁC CƠNG TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ

5.8 TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỂ UASB

5.8.1 Cấu tạo

Đây là một trong nhữngquá trình kị khí được ứngdụng rộng rãi nhất trênthế giới do hai đặc điểmchính sau:

- Cả ba quá trình, phânhủy – lắng bùn – táchkhí, được lắp đặttrong cùng một cơngtrình;

- Tạo thành các loạibùn hạt cĩ mật độ visinh vật rất cao và tốc

độ lắng vượt xa so vớibùn hoạt tính hiếu khídạng lơ lửng

Bên cạnh đĩ, quá trình

xử lý sinh học kị khí sửdụng UASB cịn cĩnhững ưu điểm so vớiquá trình bùn hoạt tínhhiếu khí như:

- Ít tiêu tốn năng lượngvận hành;

- Ít bùn dư, nên giảmchi phí xử lý bùn;

- Bùn sinh ra dễ táchnước;

- Nhu cầu dinh dưỡngthấp nên giảm đượcchi phí bổ sung dinhdưỡng;

- Cĩ khả năng thu hồi năng lượng từ khí methane;

- Cĩ khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kị khí cĩ thể hồi phục và hoạt được sau mộtthời gian ngưng nạp liệu

Sơ đồ bể UASB được trình bày trong hình 5.2 Nước thải được nạp liệu từ phíađáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xảy ra khi các chất hữu cơ cĩ trong nước thải tiếpxúc với bùn hạt Khí sinh ra trong điều kiện kị khí (chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo nêndịng tuần hồn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt.Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt

Lan can bảo vệ

Ống thu nước sau xử

ly ù

Sàn công tác Máng thu nước dạng răng cưa Thiết bị tách pha khí – lỏng - rắn

Vách hướng dòng hình côn

Cầu thang Vỏ thiết bị

Hỗn hợp nước thải