4.0-Thiết kế quy trình lọc nhỏ giọt TF-2025

Khái quát về lý thuyết và các ứng dụng cơ bản của quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dinh bám với công nghệ Lọc nhỏ giọt - Trickling Filter (gọi tắt là quy trình TF). Nội dung của tài liệu bao gồm: Sơ đồ của quy trình xử lý; các biểu đồ và bảng biểu động học phục vụ tra cứu. Tài liệu mô tả chi tiết Quy trình tính toán Bộ lọc nhỏ giọt. Tài liệu có kèm theo File Excel, được lập, tối ưu hóa để phục vụ cho quá trình tính toán được nhanh, đáp ứng các ứng dụng tứ thời.

NĂM 2025

MỤC LỤC

I Lý thuyết 4

1.1 Mô tả quy trình chung 4

1.2 Mô tả về màng sinh học 5

1.3 Phân loại bộ lọc nhỏ giọt 5

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của bộ lọc nhỏ giọt 6

1.5 Cơ sở vật chất cho thiết kế 7

1.5.1 Vật liệu đệm 7

1.5.2 Hệ thống truyền động phân phối 8

1.5.3 Hệ thống thu nước 8

1.5.4 Cung cấp oxy bằng phương pháp thông gió cưỡng bức 9

1.6 Những cân nhắc cần thiết trong thiết kế quy trình lọc nhỏ giọt 12

1.6.1 Tiêu chí tải trọng thể tích 12

1.6.2 Tuần hoàn trong bộ lọc 12

1.6.3 Bể lắng 2 13

II SƠ ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU 14

2.1 Sơ đồ 14

2.2 Bảng dữ liệu 16

III THIẾT KẾ QUY TRÌNH 18

3.1 Đặc tính nước thải đầu vào 18

3.2 Các thông số giả định và thực nghiệm: 19

3.3 Tính toán 20

3.3.1 Tính toán bể lọc nhỏ giọt thiết kế để xử lý BOD 20

3.3.2 Kiểm tra hiệu quả Nitrat hóa 22

3.3.3 Tính toán bể lắng 22

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Bộ lọc nhỏ giọt điển hình: (a) hình ảnh mặt cắt mô phỏng của bộ lọc nhỏ giọt bằng

đá (b) hình ảnh của bộ lọc nhỏ giọt chứa đầy đá thông thường và (c) hình ảnh của tháp lọcnhỏ giọt với giá thể nhựa 4Hình 2: Vật liệu đệm điển hình cho các bộ lọc nhỏ giọt: (a) đá, (b) và (c) vật liệu nhựa dòngchảy ngẫu nhiên, (d) và (e) vật liệu nhựa có dòng chảy ngang và (f) vật liệu nhựa có dòngchảy dọc Đặc điểm của vật liệu đệm được tóm tắt trong Bảng 2 7Hình 3: Các hệ phân phối điển hình được sử dụng để cung cấp nước thải cho bộ lọc nhỏ giọt:(a) hình ảnh của bộ phân phối quay hình chữ nhật thon hai cánh tay cho bộ lọc nhỏ giọt tháp,(b) hình ảnh nhìn từ trên đỉnh tháp của bộ lọc nhỏ giọt với bộ phân phối quay bốn tay (tianước ở phía bên trái được sử dụng để làm chậm tốc độ quay của bộ phân phối), (c) hình ảnhcủa các tấm chắn nước được sử dụng để phân phối nước trên các vật liệu đệm và (d) hình ảnhcủa động cơ điện có tốc độ thay đổi cho các cánh tay phân phối 8Hình 4: Hệ thống thoát nước dưới bộ lọc nhỏ giọt điển hình: (a) sơ đồ hệ thống thoát nướcngầm cho bộ lọc đá nhỏ giọt, (b) hình ảnh hệ thống thoát nước ngầm bằng dầm bê tông cho

bộ lọc đá, (c) hình ảnh hệ thống thoát nước ngầm bằng khối đất sét thủy tinh cho bộ lọc nhỏgiọt bằng đá, (d) mặt cắt xuyên qua bộ lọc nhỏ giọt của tháp (lưu ý cổng thông gió, giá đỡ vậtliệu đáy dốc và rãnh thu nước thải) và (e) hình ảnh toàn thể hệ thống thoát nước bên dưới hiểnthị các cột đỡ vật liệu đệm [Khoảng cách giữa giá đỡ vật liệu đệm và sàn là 1,25 m để chophép bảo trì hệ thống thoát nước.] 9Hình 5: Ví dụ về hệ thống thông khí cưỡng bức: (a) sơ đồ hệ thống thông khí cưỡng bức dòngxuống, (b) sơ đồ hệ thống thông khí cưỡng bức dòng lên, (c) hình ảnh quạt được sử dụng đểthổi không khí vào đầu bộ lọc nhỏ giọt bằng đá có mái che, (d) hình ảnh bộ lọc nhỏ giọt củatháp có mái che với không khí được hút lên qua bộ lọc bằng hệ thống hút chân không dẫn đến

hệ thống xử lý không khí hôi, (e) hình ảnh các quạt lớn được sử dụng để kéo không khí qua

bộ lọc nhỏ giọt dưới ống thoát nước của tháp và thải nó ra khí quyển, và (f) hình ảnh của bộlọc nhỏ giọt trong tháp có mái che với các quạt lớn dùng để thổi không khí vào phía trên bộlọc và hút không khí từ hệ thống thoát nước phía dưới để xử lý 12Hình 6: Sơ đồ quy trình lọc nhỏ giọt điển hình: (a) bộ lọc nhỏ giọt đơn với bùn thải đến bểlắng sơ cấp, (b) bộ lọc nhỏ giọt đơn có tuần hoàn và bùn thải đến bể lắng sơ cấp, (c) bộ lọcnhỏ giọt hai giai đoạn với bùn thải đến bể lắng sơ cấp và (d) bộ lọc nhỏ giọt hai giai đoạn với

bể lắng trung gian Lưu ý rằng nhiều sơ đồ dòng chảy khác đã được sử dụng (Tchobanoglous

và cộng sự, 2003) 14Hình 7: Tốc độ tràn bề mặt bể lắng thứ cấp điển hình phụ thuộc vào độ sâu của nước bể lắng 15

DANG MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1:Ứng dụng quy trình lọc nhỏ giọt và thông số thiết kế đại diện khi xử lý nước thải sơcấp (a) 16Bảng 2:Tính chất vật lý của vật liệu đệm cho bộ lọc nhỏ giọt (a) 17Bảng 3: Hướng dẫn về liều lượng bộ lọc nhỏ giọt theo hàm lượng BOD (a) 17Bảng 4: Giá trị k20AS của phương trình Germain chuẩn hóa cho vật liệu tiếp xúc nhựa (100

m2/m3) cho các loại nước thải khác nhau 18Bảng 5:Tốc độ tràn bề mặt được khuyến nghị (SOR) là hàm số của độ sâu mực nước (SWD)đối với bể lắng của bộ lọc nhỏ giọt có độ dốc sàn ≥1:1.2a 18Bảng 6: Đặc tính nước thải đầu vào - ra 18Bảng 7: Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế 19

I Lý thuyết

1.1 Mô tả quy trình chung

Bộ lọc nhỏ giọt là một bể phản ứng sinh học màng cố định không ngập nước sử dụng đáhoặc nhựa đóng gói để nước thải được phân phối liên tục

Đặc điểm vật lý: Ba đặc điểm chính của bộ lọc nhỏ giọt, như được minh họa trên Hình

1(a), là (1) vật liệu lọc, (2) hệ thống phân phối nước thải và (3) hệ thống thu nước sau xử lý

Hình 1: Bộ lọc nhỏ giọt điển hình: (a) hình ảnh mặt cắt mô phỏng của bộ lọc nhỏ giọt bằng đá (b) hình ảnh của bộ lọc nhỏ giọt chứa đầy đá thông thường và (c) hình ảnh của tháp lọc nhỏ giọt với giá thể nhựa.

Vật liệu lọc: Vật liệu lý tưởng là vật liệu có diện tích bề mặt riêng cao (m2bề mặt tiếpxúc/m3 thể tích), chi phí thấp, độ bền cao, có độ xốp đủ cao để tránh tắc nghẽn và cho phépthông gió tốt bằng cách tự nhiên Hầu như tất cả các bộ lọc nhỏ giọt mới ở Hoa Kỳ hiện nayđều được sử dụng vật liệu đệm nhựa theo kiểu tháp Quá trình lắng sơ cấp được sử dụng trướckhi đưa nước thải vào bể lọc nhỏ giọt để tránh tắc nghẽn, mặc dù trong một số trường hợp,quá trình lắng sơ bộ đã bị bỏ qua khi sử dụng hệ thống tách rác mịn.

Hệ thống phân phối: Bộ phân phối được sử dụng với mục đích đưa nước thải cần xử lý

phân phối đều lên bề mặt vật liệu lọc Bộ phân phối quay được điều khiển bởi dòng chảy đểlọc nhỏ giọt đã trở thành tiêu chuẩn cho quy trình vì nó thuận tiện và dễ bảo trì Bộ phân phốibao gồm hai hoặc nhiều cánh tay được gắn trên một trục ở giữa bộ lọc và quay trong mặtphẳng nằm ngang [xem Hình 1(b)] Các cánh tay rỗng và chứa các vòi phun, qua đó nước thảiđược xả qua lớp lọc Bộ phận phân phối có thể được điều khiển bằng phản ứng động của nướcthải xả từ vòi phun hoặc bằng động cơ điện

Hệ thống thu nước sau xử lý: Chức năng của hệ thống thu nước bao gồm hai phần: (1)

thu gom nước thải đã đi qua bộ lọc, cùng với màng sinh học bong ra khỏi vật liệu lọc và (2)

để cung cấp một không gian thoáng cho sự chuyển động của không khí, bằng gió tự nhiênhoặc bằng không khí cưỡng bức, cần thiết cho việc xử lý nước thải

1.2 Mô tả về màng sinh học

Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động, độ dày của màng sinh học có thể đạt tới 10 mm Ởphần bên ngoài của màng sinh học (0,1 đến 0,2 mm), chất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinhvật hiếu khí Khi vi sinh vật phát triển và độ dày màng sinh học tăng lên, oxy sẽ được tiêu thụtrước khi nó có thể xâm nhập vào toàn bộ độ sâu và môi trường kỵ khí được thiết lập gần bềmặt của vật liệu đệm Khi độ dày màng sinh học tăng lên, chất nền trong nước thải được sửdụng trước khi nó có thể xâm nhập vào độ sâu bên trong của màng sinh học, nơi màng sinhhọc sau đó chuyển sang trạng thái hô hấp nội sinh và mất khả năng bám vào bề mặt vật liệuđệm

Khi các vi sinh vật không thể bám vào vật liệu nữa, nước thải cấp vào sẽ rửa sạch màngsinh học khỏi vật liệu đệm và lớp màng sinh học mới bắt đầu phát triển Tải trọng thủy lựcảnh hưởng đến vận tốc lọc và tải trọng hữu cơ ảnh hưởng đến tốc độ trao đổi chất và tốc độphát triển màng sinh học

Quần thể sinh học trong màng sinh học rất đa dạng và bao gồm vi khuẩn hiếu khí và tùynghi, động vật nguyên sinh, nấm và tảo

1.3 Phân loại bộ lọc nhỏ giọt

Bộ lọc nhỏ giọt thường được phân loại theo tải lượng hữu cơ được áp dụng được biểu thị bằng

kg BOD áp dụng/m3 thể tích vật liệu.ngày

˗ Loại bỏ BOD bằng thông khí tự nhiên (hiện nay ít được sử dụng).

˗ Loại bỏ BOD bằng thông khí cưỡng bức

+ Tăng tải lượng BOD khi xử lý

+ Tăng chiều cao tháp lọc, giảm diện tích xây dựng

˗ Loại bỏ BOD và Nitrat hóa bằng thông khí cưỡng bức

+ Cả việc loại bỏ BOD và quá trình nitrat hóa đều có thể được thực hiện trong các

bộ lọc nhỏ giọt ở tải lượng BOD thấp

+ Tải trọng thủy lực áp dụng >= 1,8 m3/m2.h

+ Để tránh ruồi phát triển và đảm bảo làm ướt vật liệu lọc Tỷ lệ tuần hoàn (QR/Q)được sử dụng nằm trong khoảng từ 0,5 đến 4,0

˗ Loại bỏ một phần BOD bằng thông khí cưỡng bức

+ Thường kết hợp quy trình bùn hoạt tính

+ Ở mức tải hữu cơ thường lớn hơn 1,6 kg BOD/m3.d, các bộ lọc nhỏ giọt đã được

sử dụng để loại bỏ một phần BOD trong khoảng từ 50 đến 70%

+ Yêu cầu năng lượng động từ 2 đến 5 kg BOD/kWh so với 1,2 đến 2,4 kg BOD/kWhđối với xử lý bùn hoạt tính

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của bộ lọc nhỏ giọt

Ưu điểm:

- Cần ít năng lượng hơn

- Vận hành đơn giản hơn mà không gặp vấn đề về kiểm soát bùn dư và thải bỏbùn

- Không có vấn đề về bùn cặn ở bể lắng thứ cấp

- Khả năng làm đặc bùn tốt hơn

- Ít nhu cầu bảo trì thiết bị hơn

- Phục hồi tốt hơn sau khi bị sốc tải và sốc chất độc

1.5 Cơ sở vật chất cho thiết kế

1.5.2 Hệ thống truyền động phân phối

Hình 3: Các hệ phân phối điển hình được sử dụng để cung cấp nước thải cho bộ lọc nhỏ giọt: (a) hình ảnh của bộ phân phối quay hình chữ nhật thon hai cánh tay cho bộ lọc nhỏ giọt tháp, (b) hình ảnh nhìn từ trên đỉnh tháp của bộ lọc nhỏ giọt với bộ phân phối quay bốn tay (tia nước ở phía bên trái được sử dụng để làm chậm tốc độ quay của bộ phân phối), (c) hình ảnh của các tấm chắn nước được sử dụng để phân phối nước trên các vật liệu đệm và (d) hình ảnh của động cơ điện có tốc độ thay đổi cho các cánh tay phân phối.

1.5.3 Hệ thống thu nước

Hệ thống thu gom nước thải trong bộ lọc nhỏ giọt bao gồm các ống thoát nước ngầm

để thu nước thải đã xử lý và chất rắn thải ra từ bộ lọc để vận chuyển đến bể lắng cuối cùng

Độ dốc của sàn và cống thoát nước tới kênh thoát nước trung tâm hoặc ngoại vi ở mức 1 đến5% Các kênh nước thải có kích thước để tạo ra vận tốc tối thiểu 0,6 m/s ở tốc độ dòng chảytrung bình hàng ngày (WPCF, 1988)

Hệ thống thoát nước ngầm và hỗ trợ cho đệm nhựa bao gồm dầm và cột hoặc lưới Một

hệ thống thoát nước ngầm điển hình cho bộ lọc tháp sinh học được thể hiện trên Hình 4(d)

Hệ thống dầm và cột thường có dầm bê tông đúc sẵn được đỡ bởi cột hoặc trụ [xem Hình4(e)] Lớp đệm nhựa được đặt trên các dầm, có các rãnh ở phía trên để đảm bảo dòng nước

thải và không khí tự do Các cổng thông gió trên tháp lọc nhỏ giọt được đặt xung quanh ngoại

vi của bộ lọc

Hình 4: Hệ thống thoát nước dưới bộ lọc nhỏ giọt điển hình: (a) sơ đồ hệ thống thoát nước ngầm cho bộ lọc đá nhỏ giọt, (b) hình ảnh hệ thống thoát nước ngầm bằng dầm bê tông cho bộ lọc đá, (c) hình ảnh hệ thống thoát nước ngầm bằng khối đất sét thủy tinh cho bộ lọc nhỏ giọt bằng đá, (d) mặt cắt xuyên qua bộ lọc nhỏ giọt của tháp (lưu ý cổng thông gió, giá đỡ vật liệu đáy dốc và rãnh thu nước thải) và (e) hình ảnh toàn thể hệ thống thoát nước bên dưới hiển thị các cột đỡ vật liệu đệm [Khoảng cách giữa giá đỡ vật liệu đệm và sàn là 1,25 m để cho phép bảo trì hệ thống thoát nước.]

1.5.4 Cung cấp oxy bằng phương pháp thông gió cưỡng bức

Nên sử dụng quạt gió cưỡng bức cho các thiết kế bộ lọc nhỏ giọt để cung cấp đủ nguồnoxy Gần đúng, khuyến nghị luồng không khí là 0,3 m3/m2.min trong khu vực bộ lọc theo cảhai hướng Đối với dòng xử lý nước thải 3800 m3/d, yêu cầu năng lượng ước tính chỉ khoảng0,15 kW (0,2 hp) (WEF, 2000) Cả hai hệ thống thông khí cưỡng bức dòng lên và dòng xuốngđều được sử dụng (xem Hình 5) Hướng dòng chảy xuống được ưu tiên hơn vì nó mang lạithời gian tiếp xúc để xử lý các hợp chất có mùi thoát ra ở phía trên bộ lọc và nguồn cung cấpkhông khí tốt hơn ở phía trên nơi có nhu cầu oxy cao nhất [Hình 5(a) và (c)] Nếu sử dụnghướng không khí thổi lên, bộ lọc nhỏ giọt phải được đậy lại để thu khí thải có mùi [Hình 5(b)

và (d)] Thiết kế không khí cưỡng bức phải cung cấp nhiều điểm phân phối không khí bằngcách sử dụng quạt xung quanh ngoại vi của tháp [Hình 5 (d) và 5(e)] hoặc sử dụng các lỗ

thông khí bên dưới vật liệu đóng gói có lực hút từ phía trên bộ lọc [xem Hình 9-8(d)] ./ Lỗ

mở trong đường ống phân phối luồng không khí phải được chọn để cung cấp sự phân phốiluồng không khí đồng đều Tốc độ luồng không khí trong đường ống trong khoảng từ 1100đến 2200 m/h thường được sử dụng để thúc đẩy hơn nữa sự phân phối luồng không khí đồngđều (WEF, 2011)

Hình 5: Ví dụ về hệ thống thông khí cưỡng bức: (a) sơ đồ hệ thống thông khí cưỡng bức dòng xuống, (b) sơ đồ hệ thống thông khí cưỡng bức dòng lên, (c) hình ảnh quạt được

sử dụng để thổi không khí vào đầu bộ lọc nhỏ giọt bằng đá có mái che, (d) hình ảnh bộ lọc nhỏ giọt của tháp có mái che với không khí được hút lên qua bộ lọc bằng hệ thống hút chân không dẫn đến hệ thống xử lý không khí hôi, (e) hình ảnh các quạt lớn được

sử dụng để kéo không khí qua bộ lọc nhỏ giọt dưới ống thoát nước của tháp và thải nó

ra khí quyển, và (f) hình ảnh của bộ lọc nhỏ giọt trong tháp có mái che với các quạt lớn dùng để thổi không khí vào phía trên bộ lọc và hút không khí từ hệ thống thoát nước phía dưới để xử lý.

1.6 Những cân nhắc cần thiết trong thiết kế quy trình lọc nhỏ giọt

1.6.1 Tiêu chí tải trọng thể tích

Loại bỏ BOD

Tải lượng BOD theo thể tích có mối tương quan tốt với hiệu suất xử lý đối với cả loại

bỏ BOD và quá trình nitrat hóa trong các thiết kế bộ lọc nhỏ giọt kết hợp BOD và quá trìnhnitrat hóa Ở mức tải BOD thấp, hiệu suất loại bỏ BOD đạt mức ổn định tối đa khoảng 90%

Kết hợp loại bỏ BOD và nitrat hóa.

Trong các bộ lọc nhỏ giọt kết hợp loại bỏ BOD và nitrat hóa, vi khuẩn dị dưỡng sẽcạnh tranh tốt hơn vi khuẩn nitrat hóa về diện tích bề mặt vật liệu do tốc độ tăng trưởng nhanhhơn và năng suất sinh khối cao hơn Tải lượng BOD thấp hơn nhiều so với chỉ dùng để loại

bỏ BOD được sử dụng trong các bộ lọc nhỏ giọt kết hợp loại bỏ BOD và quá trình nitrat hóa

để cung cấp thêm diện tích vật liệu đệm cho vi khuẩn nitrat hóa Để đạt hiệu suất nitrat hóa90%, lượng BOD được khuyến nghị nhỏ hơn 0,08 kg BOD/m3.d Một đánh giá về quá trìnhnitrat hóa trong một hệ thống kết hợp sử dụng đệm dòng chảy chéo, mật độ thấp của Daigger

và cộng sự (1994) đã đề xuất tải dưới 0,20 kg BOD/m3.d để đạt 90 % hiệu suất nitrat hóa.Daigger và cộng sự (1994) phát hiện ra rằng quá trình oxy hóa BOD và amoniac-N trong các

bộ lọc nhỏ giọt có vật liệu đệm bằng nhựa có thể được đặc trưng bởi tốc độ oxy hóa thể tích,tốc độ oxy hóa thể tích đã được xác định và nằm trong khoảng từ 0,4 đến 1,3 kg/m3.d

1.6.2 Tuần hoàn trong bộ lọc

Tuần hoàn là một khía cạnh quan trọng của thiết kế bộ lọc nhỏ giọt, ảnh hưởng đếnhiệu quả làm ướt, kiểm soát độ dày màng sinh học và giúp duy trì các điều kiện hiếu khí ởphần trên, phần chịu tải cao hơn của tháp sinh học Hiệu suất làm ướt, được định nghĩa là tỷ

lệ giữa diện tích được làm ướt với diện tích bề mặt riêng, dao động từ 0,2 đến 0,6 với giá trịthấp nhất đối với vật liệu đóng gói ngẫu nhiên mật độ cao trong nghiên cứu của Crine và cộng

sự, (1990) Tổng tải trọng thủy lực (dòng chảy vào cộng với dòng tuần hoàn) được khuyếnnghị lớn hơn 0,5 L/m2.s cho môi trường nhựa dòng chảy thẳng đứng Vật liệu nhựa dòng chảy

ngang có thể mang lại hiệu quả làm ướt và đã được vận hành ở tốc độ khoảng 0,25 L/m2.strong các ứng dụng lọc nhỏ giọt nông.

1.6.3 Bể lắng 2

Với chức năng lắng các màng sinh học bong tróc từ bể lọc sinh học Chúng khác với

bể lắng bùn hoạt tính ở chỗ bể lắng có hàm lượng chất rắn lơ lửng thấp hơn và không cầnthiết phải làm đặc và tuần hoàn bùn Để đảm bảo hiệu quả lắng bùn tốt, cần thiết kế bể lắngcho các bộ lọc nhỏ giọt phải tương tự như thiết kế được sử dụng cho các bể lắng trong quytrình bùn hoạt tính