Tính toán thiết kế bể Aerotank (nitrat hóa và khử BOD)

Quy trình tính toán và file tính toán bể aerotank vừa khử BOD và nitrat hóa. Thiết lập quy trình tính toán và xây dựng file tính toán dưới dạnh Exel đính kèm, tiện dụng cho việc tính toán. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ AEROTANK (CMAS) (KHỬ BOD VÀ NITRAT HÓA)

PHỐ XANH

TK: Ks HUỲNH MẠNH PHÚC

Đơn vị công tác:

CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN XANH

Địa chỉ: Số 409/3/9, Nguyễn Oanh, Phường 17, Q Gò Vấp, TP.HCM

KHÔNG GIAN XANH

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ

BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ AEROTANK – CMAS (XỬ LÝ BOD VÀ NITRAT HÓA)

I TÓM TẮT QUY TRÌNH THIẾT KẾ

Bảng 1: Phương pháp tính toán để thiết kế quá trình bùn hoạt tính để loại bỏ

BOD và nitrat hóa

Check

Bước 1 Xác định dữ liệu đặc tính nguồn nước thải đầu vào

Bước 2 Xác định các yêu cầu đầu ra về nồng độ NH4-N, TSS và BOD

Bước 3

Chọn hệ số an toàn nitrat hóa thích hợp cho SRT thiết kế dựa trên tải TKN lớn nhất/ trung bình dự kiến Hệ số an toàn có thể thay đổi từ

1,3 đến 2,0

Bước 4 Chọn nồng độ DO tối thiểu trong bể sục khí Nồng độ DO tối thiểu là

2,0 mg / L được khuyến nghị cho quá trình nitrat hóa Bước 5 Xác định tốc độ tăng trưởng riêng tối đa nitrat hóa (µ m ) dựa trên nhiệt

độ bể sục khí và nồng độ DO, và xác định K n

Bước 6 Xác định tốc độ tăng trưởng riêng thực µ và SRT ở tốc độ tăng trưởng

này, để đáp ứng nồng độ NH4-N đầu ra Bước 7 Có được SRT thiết kế bằng cách áp dụng hệ số an toàn cho Bước 6

Bước 8 Xác định sản lượng sinh khối

Bước 9 Thực hiện cân bằng nitơ để xác định NOX, nồng độ của NH4-N bị oxi

hóa Bước 10 Tính khối lượng VSS và khối lượng TSS cho bể sục khí

Bước 11 Chọn nồng độ MLSS thiết kế và xác định thể tích bể sục khí và thời

gian lưu thủy lực Bước 12 Xác định sản lượng bùn tổng thể và sản lượng sinh khối

Bước 13 Tính nhu cầu oxy

Bước 14 Xác định xem có cần bổ sung độ kiềm hay không

Bước 15 Thiết kế hệ thống truyền oxy sục khí

II THIẾT KẾ AEROTANK LOẠI BỎ BOD BẰNG NITRAT HÓA

2.1 Dữ liệu nước thải đầu vào - ra

Bảng 2: Bảng dữ liệu nước thải đầu vào và ra

2.2 Điều kiện thiết kế và giả định

1 Bộ khuếch tán khí bọt mịn với nước sạch có sục

khí với hiệu suất truyền

3 Điểm thoát khí cho bộ khuếch tán gốm cách đáy

bể

5 Cao độ của trạm xử lý so với mực nước biển là H m 500

6 Sục khí có hệ số = 0,50 chỉ để loại bỏ BOD và 0,65

đối với quá trình nitrat hóa; β = 0,95 cho cả hai

điều kiện và hệ số làm bẩn bộ khuếch tán F = 0,90

7 Sử dụng các hệ số động học cho trong Bảng 8-10

và 8-11

9 Nồng độ MLSS XTSS thiết kế = 3000 g / m3; giá

trị từ 2000 đến 3000 g / m3

10 TKN lớn nhất / hệ số an toàn trung bình FS = 1,5 FS 1,5

2.3 Dữ liệu động học phục vụ thiết kế

Bảng 3: Hệ số động học bùn hoạt tính đối với vi khuẩn dị dưỡng ở 20°C

θ value

aAdapted from Henze et al (1987a); Barker and Dold (1997); and Grady et al (1999)

Bảng 4: Hệ số động học nitrat hóa bùn hoạt tính ở 20°C

θ value

aAdapted from Henze et al (1987a); Barker and Dold (1997); and Grady et al (1999)

Bảng 5: Các thông số thiết kế điển hình cho các quy trình bùn hoạt tính thường được sử dụng

xử lý

SRT,

d

F/M kg BOD/kg MLVSS.d

mg/L

Thời gian lưu τ/ h

Tỉ lệ tuần hoàn, %

lb BOD/

1000 ft 3 d

kg BOD/

m 3 d

High-rate aeration/

Sục khí tốc độ cao

plug flow 0.5-2 1.5-2.0 75-150 1.2-2.4 200-1000 1.5-3 100-150

Contact stabilization/

Ổn định tiếp xúc

Plug flow 5-10 0.2-0.6 60-75 1.0-1.3 1000-3000b

6000-10000a

0.5-1b 2-4c

50-150

High-purity oxygen/

Oxy có độ tinh khiết cao

Plug flow 1-4 0.5-1.0 80-200 1.3-3.2 2000-5000 1-3 25-50

Conventional plug flow/

Dòng chảy nút thông thường

plug flow 3-15 0.2-0.4 20-40 0 3-0.7 1000-3000 4-8 25-75b

Step feed/

Cấp thức ăn theo bước

Plug flow 3-15 0.2-0.4 40-60 07-1.0 1500-4000 3-5 25-75

Complete mix/

Hỗn hợp hoàn chỉnh

CMAS 3-15 0.2-0.6 20-100 0.3-1.6 1500-4000 3-5 25-100f

Extended aeration/

Sục khí mở rộng

Plug flow 20-40 0.04-0.10 5-15 0.1-0.3 2000-5000 20-30 50-150

Oxidation ditch/

Mương oxy hóa

Plug flow 15-30 0.04-0.10 5-15 0.1-0.3 3000-5000 15-30 75-150

Batch decant/

Sục khí mở rộng

Batch 12-25 0.04-0.10 5-15 0.1-0.3 2000-5000d 20-40 NA

Sequencing batch reactor/

Bể phản ứng theo mẻ

Batch 10-30 0.04-0.10 5-15 0.1-0.3 2000-5000a 15-40 NA

Countercurrent aeration

system (CCAS™)/

Hệ thống sục khí ngược dòng

Plug flow 10-30 0.04-0.10 5-10 0.1-0-3 2000-4000 15-40 25-75

a Adapted from WEF (1998); Crites and Tchobonoglous (1998)

b MLSS and detention time in contact basin

c MLSS and detention time in stabilization basin

d Also used at intermediate SRTs

e Based an average flow

f For nitrification, rates may be increased by 25 to 50%

NA = not applicable

III TÍNH TOÁN

Bước 1 Tính toán các đặc tính nước thải cần thiết cho thiết kế

a Xác định lượng bCOD: bCOD = 1,6(BOD) = 1,6× 140 = 224 mg/l

b Xác định lượng nbCOD: nbCOD = COD – bCOD = 300 – 224 = 76 mg/l

c Xác định lượng sCODe: sCODe = sCOD – 1,6 sBOD = 132 - 1,6×70 = 20 mg/l

d Xác định lượng nbVSS: nbVSS = (1 - bpCOD/pCOD) VSS = (1 – 0,67)×60 = 20 mg/l

Với:

300 132 /  0,67

/ 70 140 6 , 1 ) (

6 , 1

3

3















m g

m g sCOD

COD

sBOD BOD

pCOD

bpCOD

e Xác định iTSS: iTSS = TSS – VSS = 70 - 60= 10 mg/l

Bước 2 Thiết kế bể Aerotank để loại bỏ BOD Xác định sản lượng sinh khối:

a Xác định giá trị S:

3

3

20 g/m [1 (0,178 g/g.d) 5d ] [1 ( ) ]

0, 7 gCOD/m ( ) 1 5d (11,8 0,178 )g/g.d 1

S





Trong đó:

 K s = 20 g/m3

 µ m,T = µ m

20



 ;µ m,12 o

C = 6,0 g/g.d(l,07)30-20 = 11,8g/g.d

 k d,T = k d θ T-20 ; k d,12 o C = (0,12 g/g.d)(l,04)30-20 = 0,178 g/g.d

b Xác định sản lượng sinh khối:

 

 

,

500 m /d 0,40 g VSS/g bCOD 224 0,7 g/m

1 0,178 g/g.d 5d 0,15 g/g 0,178 g/g.d 500 m /d 0,40 g VSS/g bCOD 224 0, 7 g/m 5d

1 0,178 g/

X bio

P







d

g.d 5d

27 g = k VSS/

Trong đó:

 Q = Lưu lượng nước thải, Q = 500 m3/d;

 Y = 0,40 g VSS/g bCOD (Bảng 3);

 S o = 224 g bCOD/m3;

Bước 3 Xác định khối lượng VSS và TSS trong bể sục khí

a Xác định P X,VSS and PX,TSS :

P X,VSS = 27 kg/d + Q(nbVSS)

= 27 kg/d + (500 m3/d)(20 g/m3)(l kg/103 g)

= 36,8 kg/d

b Xác định, PX,TSS:

PX,TSS = [(PX,bio)/0,85] + Q(nbVSS) + Q(TSS0 - VSS0)

= 27 kg/d + 10 kg/d + (500 m3/d)(10g/m3)(l kg/103g) = 46,5 kg/d

c Tính khối lượng VSS và TSS trong bể sục khí

 Xác định khối lượng MLVSS:

(XVSS)(V) = (PX,VSS)SRT = (36,8 kg/d) (5 d) = 184 kg

 Xác định khối lượng MLSS:

(XTSS)(V) = (PX,TSS)SRT = (46,5 kg/d) (5,0 d) = 233 kg

Bước 4 Chọn nồng độ khối lượng MLSS thiết kế và xác định thể tích bể sục khí và thời lưu nước

bằng cách sử dụng khối lượng TSS được tính ở Bước 3:

a Xác định thể tích bể sục khí bằng cách sử dụng mối quan hệ từ Bước 3b

(XTSS)(V) = 233 kg

Tại giá trị: XTSS = 3000 g/m3

3

3 3

233 kg 10 g/kg

3000 g/m

b Xác định thời gian lưu nước trong bể sục khí

3 3

78 m 24 h/d V

3, 7 h

Q 500 m /d

c Xác định giá trị MLVSS:

Tỉ lệ VSS VSS

TSS

(X )V 184 kgVSS

0,8 (X )V 233 kgTSS

MLVSS = 0,8(3000 g/m3) = 2400 g/m3

Bước 5 Xác định F / M và tải lượng BOD

a Xác định giá trị F/M:

3 3

500 m /d 140 g/m

kg BOD

kg MLVSS.d 2400 g/m 78 m

O

QS XV

b Xác định giá trị tải lượng BOD:

3

500 m /d 140 g/m

kg BOD

0,90 kg/m d

m d 78 g/m 10 g/kg

O

QS V

Bước 6 Xác định hệ số sinh khối dựa trên TSS và VSS:

a Xác định lượng BCOD bị loại bỏ:

bCOD removed = Q(S o - S) = (500 m3/d)[(224 - 0,7) g/m3](1 kg/l03 g) = 111,7 kg/d

b Xác định sản lượng sinh khối dựa trên TSS:

PX,VSS = 36,8 kg/d

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ

BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ AEROTANK – CMAS (XỬ LÝ BOD VÀ NITRAT HÓA)

,

36,8 kg/d 0,33 kg TSS 0,33 g TSS Y

111,7 kg/d kg bCOD g bCOD

0,33 g TSS 1,6 g bCOD

0, 67g TSS/g BOD

g bCOD g BOD

Xác định sản lượng sinh khối dựa trên VSS:

Yobs,VSS: VSS/TSS = 0,80 (xem bước 4c)

0,67 g TSS 0,80 g VSS

0,53g VSS/g BOD

g BOD g TSS

Bước 7 Tính nhu cầu O2:

= (500 m3/d)[(224 – 0,7) g/m3] (1kg/103 g) – 1,42(27 kg/d)

= 73,6 kg/d = 3,1 kg/h

Bước 8 Thiết kế sục khí bọt mịn-xác định lưu lượng không khí ở lưu lượng thiết kế trung bình:

Dựa vào công thức:

AOTR = SOTR     F

C

C

s

L H T s



20 ,

, ,

024 ,

1 















Trong đó:

 AOTR = tốc độ truyền oxy thực tế trong điều kiện hiện trường, kg O2/h;

 SOTR = tốc độ truyền oxy tiêu chuẩn trong nước máy ở 20°C và oxy hòa tan bằng không,

kg O2/h

a Xác định Cṡ.T.H nồng độ bão hòa oxy hòa tan trung bình trong nước sạch trong bể sục khí ở nhiệt

độ T và độ cao H dựa vào công thức:

, , , ,

atm

1

P

i Dựa vào Phụ lục D1 - Xác định giá trị nồng độ oxy bảo hòa theo nhiệt độ

C20 = 9,08 mg/L

C30 = 7,54 mg/L

ii Xác định áp suất tương đối ở độ cao 500 m để hiệu chỉnh nồng độ DO cho độ cao:

2

2 2

9,81 m/s 28,97 k/kg.mole 500-0 m

8314 kg.m /s kg.mole.K 273,15+30 K

d atm

P



 Nồng độ oxy ở độ cao 500 m và nhiệt độ 30oC

C s,T,H = C30 × (Pd/Patm) = 7,13 (mg/L) iii Xác định áp suất khí quyển (m nước) ở độ cao 500 m (xem Phụ lục B và C)

,

kN/m 0,95 101.325 kN/m

9, 77m kN/m 9.802 kN/m

atm H atm H

P P



iv Xác định nồng độ oxi giả sử nồng độ phần trăm oxi đi ra khỏi bể sục khí là 19%

, , , ,

,

1

1 9,77 m + (4,9 - 0,5) m 19 7,13 mg/L 8,39 mg/L

atm H

P

 

a Xác định SOTR bằng cách sử dụng α = 0,50, β = 0,95 và hệ số tắc nghẽn của bộ khuếch tán F = 0,9

SOTR = AOTR ,20  20 

, ,

1, 024

s T H

C



   

3

20-30

9,08 g/m

0,50 0,9 0,95 8,39 g/m - 2,0 g/m

b Xác định lưu lượng khí:

Sử dụng dữ liệu đưa ra trong Phụ lục B, mật độ không khí ở 30°c và áp suất 95,8 kPa (0,945×101,325 kPa) là 1,1008 kg/m3 Lượng oxy tương ứng tính theo trọng lượng là 0,255 (0,2318×1,1008 kg /m3) Do đó, lưu lượng không khí cần thiết là

3 2

3 3

2

SOTR kg/h 60min/h kgO /m air 8,2 kg/h

1, 5 m /min 0,35 60 min/h 0,255 kgO /m air

Khongkhi

Q

E



Part B, BOD Removal and Nitrification

Bước 9 Xác định tốc độ tăng trưởng cực đại µn của các sinh vật nitrat hóa

a Tìm µ n,m tại T = 30°C

,30o

 = 0,75 g/g.d (1,07)30-20 = 1,48 g/g.d

b Tìm K n , tại T = 30oC

,30o

K = 0,74 g/m3 (1,053)30-20 = 1,24 g/ m3

c Tìm k dn , tại T = 30°C

,30o

k = (0,08 g/g.d) (1.04)30-20 = 0,12 g/g.d

d Substitute the above and given values in Eq (7-93) and solve for µ n

N = 0,50 g/m3, DO = 2.0 g/m3, Ko = 0,50 g/m3

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ

BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ AEROTANK – CMAS (XỬ LÝ BOD VÀ NITRAT HÓA)

,

3 3

1,48 g/g.d 0,50 g/m 2, 0g/ m

0,50 2 g/ m 1,24 0,50 g/ m

0, 22g/g.d

n m

k



   





Bước 10 Xác định giá trị SRT

a Tìm giá trị SRT lý thuyết:

1 1 SRT 4, 53 d

0,22 g/g.d

n



b Tìm SRT thiết kế;

SRTtk = (FS)×SRT = 1,5× 4,53 = 6,8 d

Trong đó: FS = TKN cực đại/TKN trung bình = 1,5

Bước 11 Xác định sản lượng sinh khối

a Tìm giá trị S:

3

3

20 g/m [1 (0,178 g/g.d ) 6,8d ] [1 ( ) ]

0, 6 g bCOD/m ( ) 1 6,8d (11,8 0,178)g/g.d 1

S





Trong đó:

 k d = 0,178 g/g.d (Bước 2a)

 µ m = 11,88 g/g.d (Bước 2a)

b Giải tìm P X,bio:

 

,bio

( )

500 m /d)(0,40g/g.)[ (224 - 0.6)g/m ](l kg/10 g) =

[1 + (0,178 g/g.d)(6.8d)]

(0,15 g/g)(0,178 g/g.d)(0,40g/g)(5

X

P



00 m /d)[(224 - 0,6) g/m ](6,8 d)(l kg/10 g) [1 + (0,178 g/g.d)(6,8 d)]

(500 m /d)(0,12g/g)(28 g/m )(l kg/10 g)

[1 + (0,178 g/g.d)(6,8 d)]

P X,bio = 26 kg VSS/d

Trong đó:

 Q = 500 m3/d

 Y = 0,40 VSS/g bCOD

 S o = 224 g bCOD/m3 (Bước 1)

 S = 0,6 g bCOD/m3 (Bước 11a)

 k d = 0,178 g/g.d (Bước 2a)

 µ m = 11,8 g/g.d (Bước 2a)

 NO x = 0,80(35 g/m3) = 28 g/m3 (Giả sử NOx 80% (TKN))

 Y n = 0,12 g VSS/g NOx (Bảng 4)

Bước 12 Xác định lượng nitơ bị oxi hóa thành nitrat

NOx = TKN – N e – 0,12P X,bio /Q

= (35,0 – 0,50) g/m3 - ((0,12 g N/g VSS)(26 kg VSS/d)(103 g/kg))/(500 m3/d)

= 28,5 g/m3

Bước 13 Xác định nồng độ và khối lượng VSS và TSS trong bể sục khí

a Tính nồng độ VSS và TSS trong bể sục khí:

i Xác định P X,VSS:

P X,VSS = 26 kg/d + Q(nbVSS)

= 26 kg/d + (500 m3/d) (20 g/m3)(l kg/103 g)

= 34,8 kg/d

ii Xác định P X,TSS:

P X,TSS = [(26 kg/d)/0,85] + Q(nbVSS) + Q(TSSo – VSSo)

= 44,2 kg/d

b Tính khối lượng của VSS và TSS trong bể sục khí:

i Khối lượng của MLVSS:

(V)(X VSS ) = (P X,VSS)SRT = (34,8 kg/d) (6,8 d) = 237 kg

ii Khối lượng của MLVSS:

(V)(X TSS ) = (P X,VSS)SRT = (44,2 kg/d)(6,8 d) = 301 kg

Bước 14 Chọn nồng độ khối lượng MLSS thiết kế và xác định thể tích bể sục khí và thời gian lưu nước

bằng cách sử dụng khối lượng TSS được tính ở Bước 6

a Xác định thể tích bể sục khí bằng cách sử dụng mối quan hệ từ Bước 6b

(V)(XTSS) = 301 kg

Với MLSS = 3000 g/m3

V =

3

3 3

(301 kg)(10 g/kg)

100m

3000 g/m 

b Xác định thời gian lưu nước trong bể sục khí

3 3

301m 24 h/d

4,8 h

500 m /d

c Xác định MLVSS:

3

VSS MLSS 0,

M 79 3000 2360 g/m

TS

LVSS

S

Bước 15 Xác định F/M và tải trọng BOD:

a Xác định giá trị F/M

3 3

500 m /d 140 g/m

kg BOD

kg MLVSS.d 2360 g/m 100 m

O

QS XV

b Xác định tải trọng BOD:

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ

BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ AEROTANK – CMAS (XỬ LÝ BOD VÀ NITRAT HÓA)

3

500 m /d 140 g/m

10 g/kg 100 m

O org

QS V

Bước 16 Xác định sản lượng sinh khối dựa trên TSS và VSS

a Xác định lượng bCOD bị loại bỏ:

bCOD loại bỏ = Q(S o - S) = (500 m3/d)[(224 – 0,6) g/m3)](l kg/103 g) = 111,7 kg/d

b Sản lượng sinh khối dựa trên TSS

,

44,2 kg/d 0,40 kg TSS 0,40 g TSS Y

111,7 kg/d kg bCOD g bCOD 0,40 g TSS 1,6 g bCOD

0, 63 g TSS/g BOD

g bCOD g BOD

   

c Sản lượng sinh khối dựa trên VSS

Yobs,VSS: VSS/TSS = 0,80 (Xem bước 4c )

Yobs,VSS = 0,80 (Yobs,TSS) = 0,5 g VSS/g BOD

Bước 17 Tính nhu cầu O2

 o  1,42 X,bio 4,33 ( X )

R     = (500 m3/d)[(224 – 0,6) g/m3] (1kg/103 g) – 1,42(26 kg/d) + (4,33 g O2/g N) (500 m3/d)(28,3 g/m3)(l kg/103 g)

R o = 138,2 kg/d = 5,8 kg/h

Bước 18 Thiết kế sục khí bọt mịn-xác định lưu lượng khí ở lưu lượng thiết kế trung bình

a Xác định SOTR với a = 0,65, β = 0,95 và F = 0,9

,20 20 , ,

3 20-12

1, 024

5,8 kg/h 9,08 g/m 1,024

0,65 0,9 0,95 8,

S

39 g/m - 2,0

OTR = AOTR

g/m

s T H

C





b Xác định lưu lượng không khí

Sử dụng dữ liệu đưa ra trong Phụ lục B, mật độ không khí ở 30°C và áp suất 96,3 kPa (0,95×101,325 kPa) là 1,1763 kg/m3 Lượng oxy tương ứng tính theo trọng lượng là 0,256 (0,2318×1,1763 kg /m3) Do đó, lưu lượng không khí cần thiết là

3 3

2

11,8 kg/h

2,1 m /m in 0,35 60 min/h 0,256 kgO /m air

kk

Bước 19 Kiểm tra độ kiềm:

a Chuẩn bị cân bằng độ kiềm

Độ kiềm để duy trì pH ~ 7 = Độ kiềm đầu vào - Độ kiềm được sử dụng + Độ kiềm được thêm vào

Độ kiềm đầu vào = 140 g/m3 đl CaCO3

Lượng nitơ đã chuyển hóa thành nitrat: NOX = 28,5 g/m3 (bước 12)

Độ kiềm dùng cho quá trình nitrat hóa = (7,14 g CaCO3/g NH4-N)(28,5 g/m3)

= 203,8 g/m3 đl CaCO3

a Tìm độ kiềm cần thiết

Nồng độ kiềm dư cần thiết để duy trì độ pH trong khoảng 6,8-7,0 = 70 to 80 g/m3 đl CaCO3; Chọn giá trị 80 g/m3

80 g/m3 = 140 g/m3 - 203,8 g/m3 + Độ kiềm được thêm vào

Độ kiềm cần bổ sung = 143,8 g/m3 đl CaCO3

= (500 m3/d)(143,8 g/m3)(l kg/103g) = 71,9 kg/d đl CaCO3

b Xác định độ kiềm cần thiết là natri bicacbonat

Khối lượng tương đương của CaCO3 = 50 g/đương lượng

Khối lượng tương đương của Na(HCO3) = 84 g/đương lượng

3

71, 9 kg/dCaCO 84g Na(HCO ) /dl Na(HCO )= 121 kg/d Na(HCO )

50 g CaCO /dl  \

Bước 20 Bảng tóm tắt thiết kế

BOD (Part A)

Xử lý BOD

và Nitrat hóa (Part B)

Diện tích (S) m2 15,8 20,4

Năng suất sinh khối kg TSS/kg bCOD 0,77 0,65

kg VSS/kg BOD 0,61 0,52

Lưu lượng không khí tại lưu lượng nước

thải trung bình

sm3/min

Bổ sung độ kiềm dưới dạng Na(HCO3) kg/d 121