3.1.SBR- Thiết kế bể SBR-2025

Khái quát về lý thuyết và các ứng dụng cơ bản của quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí với công nghệ Bùn hoạt tính theo mẻ (gọi tắt là quy trình SBR).Quy trình này được thiết kế để xử lý tốt BOD và Nitrat hóa Amoni,và quy trình khử Nito. 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 Công nghệ SBR. 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 tức thời.

HIẾU KHÍ TĂNG

TRƯỞNG LƠ LỬNG

THIẾT KẾ QUY TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH THEO MẺ

– XỬ LÝ BOD VÀ NH4-N (QUY TRÌNH SBR)

PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

MỤC LỤC

I Lý thuyết 4

1.1 Mô tả quy trình chung 4

1.2 Cân nhắc chung về thiết kế quy trình 4

II SƠ ĐỒ QUY TRÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU 5

2.1 Sơ đồ quy trình 5

2.2 Biểu đồ 6

2.3 Bảng dữ liệu 7

III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỂ THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG THEO MẺ 8

IV THIẾT KẾ QUY TRÌNH 9

4.1 Yêu cầu tính toán 9

4.2 Các thông số giả định và thực nghiệm: 9

4.3 Tính toán 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Quá trình bùn hoạt tính của bể phản ứng theo mẻ (SBR) theo trình tự: (a) sơ đồ nguyên

lý và (b) hình ảnh của một bể phản ứng SBR điển hình và hình ảnh về thiết bị di động được sử dụng để gạn nước trong sau giai đoạn lắng trong bể phản ứng SBR Thiết bị gạn nằm ở phía xa của bức tường ngăn thứ hai như ở (c) Các bức ảnh được chụp tại Úc 5 Hình 2: Tỷ lệ nạp/gạn được khuyến nghị cho bể phản ứng theo mẻ như một hàm số của nồng

độ MLSS thiết kế ở thể tích đầy và SVI 6

DANG MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Mô tả các bước vận hành cho bể phản ứng theo mẻ (SBR) 7

Bảng 2: Hệ số động học thiết kế bùn hoạt tính để loại bỏ BOD và nitrat hóa ở 20°C 7

Bảng 4: Đặc tính nước thải đầu vào - ra 9

Bảng 4: Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế 9

I Lý thuyết

Việc xử lý trong hệ thống SBR được thực hiện qua một loạt các bước thời gian trong một bể phản ứng, xem quy trình trên Hình 1 Quy trình phản ứng theo mẻ (SBR) sử dụng bể phản ứng nạp nước, rút nước, quá trình sục khí trong cùng một bể Tất cả các hệ thống SBR đều có năm bước chung, được thực hiện theo trình tự sau: (1) làm đầy, (2) phản ứng (sục khí), (3) lắng, (4) rút (gạn) và (5) pha chờ Đối với các ứng dụng dòng chảy liên tục, phải cung cấp ít nhất hai bể SBR để một bể tiếp nhận dòng chảy trong khi bể kia hoàn thành chu trình xử lý của

nó Một tính năng độc đáo của hệ thống SBR là không cần hệ thống bùn hoạt tính hồi lưu (RAS), vì cả quá trình sục khí và lắng đều diễn ra trong cùng một bể

Các vấn đề cụ thể đối với quy trình SBR bao gồm (1) thải bỏ bùn, (2) ứng dụng động học quy trình và (3) lựa chọn các điều kiện vận hành chính bao gồm tỷ lệ phần trăm của các thành phần trong bể cần loại bỏ trong quá trình gạn và thời gian lắng, gạn và sục khí

Thải bùn là một bước quan trọng khác trong hoạt động SBR cần thiết để kiểm soát SRT

và ảnh hưởng lớn đến hiệu suất Quá trình thải bùn không được đưa vào như một trong năm bước cơ bản của quy trình vì không có khoảng thời gian cố định trong chu trình dành riêng cho quá trình thải bùn Lượng và tần suất thải bùn được xác định theo yêu cầu về hiệu suất, giống như hệ thống dòng chảy liên tục thông thường Trong quá trình vận hành SBR, việc thải bỏ bùn thường xảy ra trong giai đoạn phản ứng để xả đồng đều các chất rắn (bao gồm vật liệu mịn và các hạt bông lớn)

Các điều kiện vận hành chính phải được lựa chọn là (1) tỷ lệ phần trăm lượng chất chứa trong bể được loại bỏ trong quá trình gạn và (2) thời gian lắng, gạn và sục khí Vì thể tích làm đầy bằng thể tích gạn, nên phần thể tích gạn bằng phần thể tích bể SBR được sử dụng cho thể tích làm đầy mỗi chu kỳ và được định nghĩa là phần làm đầy hoặc tỷ lệ thể tích làm đầy trên tổng thể tích Tỷ lệ thể tích làm đầy là một thông số thiết kế SBR quan trọng được sử dụng để xác định thể tích của bể SBR Tỷ lệ cho phép dựa trên việc có đủ lượng chất lỏng nổi phía trên chất rắn lắng trong quá trình gạn

II SƠ ĐỒ QUY TRÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU

Hình 1: Quá trình bùn hoạt tính của bể phản ứng theo mẻ (SBR) theo trình tự: (a) sơ đồ nguyên lý và (b) hình ảnh của một bể phản ứng SBR điển hình và hình ảnh về thiết bị di động được sử dụng để gạn nước trong sau giai đoạn lắng trong bể phản ứng SBR Thiết

bị gạn nằm ở phía xa của bức tường ngăn thứ hai như ở (c) Các bức ảnh được chụp tại Úc.

2.2 Biểu đồ

Hình 2: Tỷ lệ nạp/gạn được khuyến nghị cho bể phản ứng theo mẻ như một hàm số của nồng độ MLSS thiết kế ở thể tích đầy và SVI.

2.3 Bảng dữ liệu

Bảng 1: Mô tả các bước vận hành cho bể phản ứng theo mẻ (SBR)

Bước vận

hành

Mô tả

Pha làm đầy Trong thời gian làm đầy, nước thải thô hoặc nước thải sơ cấp được thêm

vào bể phản ứng Trong bước nạp, mức chất lỏng trong lò phản ứng thường tăng từ 75 phần trăm (vào cuối giai đoạn chờ) lên 100 phần trăm thể tích chất lỏng tối đa, khi sử dụng hai bể, thời gian cho quá trình nạp có thể kéo dài khoảng 50 phần trăm thời gian của toàn bộ chu kỳ Trong quá trình làm đầy, bể phản ứng có thể chỉ được khuấy trộn hoặc khuấy trộn và sục khí để thúc đẩy các phản ứng sinh học với nước thải chảy vào Chỉ cần khuấy trộn

ít nhất 50 phần trăm sẽ thúc đẩy kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn dạng

sợi và cải thiện quá trình lắng và làm đặc bùn.

Pha phản

ứng

Trong giai đoạn phản ứng, sinh khối tiêu thụ chất nền trong điều kiện môi trường được kiểm soát, có thể chỉ sục khí hoặc sục khí kết hợp khuấy trộn

để thúc đẩy quá trình nitrat hóa và khử nitrat sinh học để loại bỏ nitơ

Pha Lắng Chất rắn tách khỏi chất lỏng trong điều kiện tĩnh, tạo ra nước thải trong

hơn

Pha gạn Nước thải trong được xả ra trong giai đoạn gạn Có thể sử dụng nhiều loại

cơ chế gạn, phổ biến nhất là thiết bị gạn nối hoặc thiết bị gạn có thể điều chỉnh

Pha chờ Khoảng thời gian không hoạt động được sử dụng trong hệ thống nhiều bể

để cung cấp thời gian cho một bể phản ứng hoàn thành giai đoạn nạp đầy trước khi chuyển sang bể khác Nó cũng cung cấp khả năng xử lý lưu lượng cao hơn có thể xảy ra do thời tiết mưa nhiều hoặc tải trọng theo mùa

Bảng 2: Hệ số động học thiết kế bùn hoạt tính để loại bỏ BOD và nitrat hóa ở 20°C

Thông

số

Đơn vị Oxy hóa COD a Oxy hóa NH 4 Oxy hóa NO 2

Giá trị Ký hiệu định

danh

Giá trị định danh Ký hiệu Giá trị Ký hiệu định

danh

µmax g VSS/g

VSS.d 6,0 µ

max,H 0,90 µmax,AOB 1,0

substrate oxidized

0,45 Y H 0,15 Y AOB 0,05

b g VSS/g

VSS.d

0,12 b H 0,17 bAOB 0,17

Ko2 mg/L 0,20 Ko2 ,H 0,50 Ko2 ,AOB 0,90

Hệ số điều chỉnh theo nhiệt độ θ

K S , KNH 4+,

KNO 2

a Adapted from Henze et at (1995); Barker and Dold (1997)

b Adapted from U.S EPA (2010)

III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỂ THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG THEO MẺ

Mục Description/ Mô tả

1 Thu thập dữ liệu đặc tính nước thải đầu vào, xác định yêu cầu về nước thải đầu ra và xác định các hệ số an toàn

2 Chọn số lượng bể SBR

3 Chọn thời gian phản ứng/sục khí, lắng và gạn Xác định thời gian làm đầy và tổng thời gian cho mỗi chu kỳ Xác định số chu kỳ mỗi ngày

4 Từ tổng số chu kỳ mỗi ngày, xác định thể tích làm đầy cho mỗi chu kỳ

5 Chọn nồng độ MLSS và xác định phần thể tích nạp so với tổng thể tích bể Xác định

độ sâu gạn Sử dụng độ sâu đã tính toán, xác định thể tích bể SBR

6 Xác định SRT cho thiết kế quy trình SBR đã phát triển

7 Xác định lượng TKN được thêm vào được nitrat hóa

8 Tính toán nồng độ sinh khối nitrat hóa và xác định xem thời gian sục khí đã chọn có

đủ cho hiệu suất nitrat hóa cần thiết hay không

IV THIẾT KẾ QUY TRÌNH

Thiết kế quy trình SBR Với đặc tính nước thải sinh hoạt đầu vào như sau:

Bảng 3: Đặc tính nước thải đầu vào - ra

Thông số Đơn

vị

Đầu vào Yêu cầu đầu ra Giá trị Ký hiệu định

danh

Giá trị

Ký hiệu định danh

Lưu lượng m3/d 7570 Qd

Độ kiềm g/m3 200 as

CaCO3

Nhiệt độ nước

thải

Bảng 4: Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế

STT Tham số Tra

cứu Đơn vị hiệu Ký

định danh

Giá trị

A Các thông số lựa chọn

1 Độ sâu của mực nước trong bể khi

làm đầy

2 Số lượng bể SBR được sử dụng - nể nbe 2

3 Phần trăm mực nước trong bể cần gạn

sau khi lắng

4 Nồng độ MLSS trong bể sục khí - g/m3 XTSS 3500

5 Phần trăm Amoni bị oxy hóa (NOX) - % Nper 80

B Các thông số từ những nghiên cứu thực nhiệm

1 Sử dụng các thông số động học ở

bảng 2

Bảng 2

3 Tốc độ phân rã nội sinh của vi khuẩn

Nitrat hóa trong môi trường thiếu khí

ở 20oC

- g/g.d bAOB,Ano 0,07

Bước 1 Xây dựng các đặc tính nước thải cần thiết cho thiết kế

a Tìm giá trị bCOD

bCOD (So) = FCOD (BODo) = 1.6 (220 g/m3) = 352 g/m3

b Tìm sCOD không phân hủy sinh học đầu ra (nbsCODe)

68,4 g nbVSS/m3

f Tìm iTSS

iTSS = TSSo – VSSo = (240 - 220) g/m3 = 20 g/m3

Bước 2 Xác định chu trình vận hành SBR

 TC = Tổng thời gian của 1 mẻ = t F + t A + t S + t D + t I

 tF = Thời gian làm đầy

 tA = Thời gian phản ứng

 tS = Thời gian lắng

 tD = Thời gian gạn

 tI = Thời gian chờ

 Cần ít nhất 2 bể để khi một bể trong giai đoạn nạp đầy (tF), các giai đoạn sau sẽ diễn ra trong bể còn lại: chu trình sục khí tA, lắng tS và gạn tD Không sử dụng pha chờ trong tính toán này

 t F = t A + t S + t D

a Chọn thời gian cho các pha:

t A = 2,0 h

t S = 0,50 h

t D = 0,50 h

t I = 0

 t F = t A + t S + t D = 2,0 + 0,50 + 0,50 = 3,0 h

(Lưu ý: Một số quá trình sục khí cũng có thể được thực hiện trong thời gian làm đầy, nhưng

nếu quá trình sục khí diễn ra trong hơn 50% thời gian làm đầy, thì có thể khuyến khích quá trình tạo bọt dạng sợi.)

b Tổng thời gian của 1 mẻ

T C = t F + t A + t S + t D = 6,0 h

c Xác định số mẻ cho 1 bể

NCbe = = 4 mẻ => Số mẻ cho 1 ngày NoC d = 8 mẻ/d

d Xác định lưu lượng nạp đầy cho 1 mẻ

946,3 m3

Bước 3 Xác định thể tích bể và tổng thời gian lưu nước τ

 Độ sâu mực nước trong bể Hđ = 6 m

 Độ sâu của mực nước được gạn đi sau khi lắng:

HG = Dper (Hđ) = 20% (6,0 m) = 1,2 m

a Xác định thể tích của mỗi bể SBR

4732 m3/tank

b Xác định tổng thời gian lưu nước

30,0 h Bước 4 Xác định SRT

a Phát triển dữ liệu để xác định giá trị SRT

i Xác định tốc độ phân rã nội sinh chung của quá trình nitrat hóa

 Hiếu khí:

bAOB,Ae,ToC = bAOB (1,029)T-20 = 0,17 g/g.d(1,029)12-20 = 0,135 g/g.d

 Thiếu khí:

bAOB,Ano,ToC = bAOB,Ano (1,029)T-20 = 0,07 g/g.d(1,029)12-20 = 0,056 g/g.d

 Giá trị trung bình của bAOB,T o C

bAOB,T o C = bAOB,Ae,T o C (t A /T C ) + bAOB,Ano,T o C (1- t A /T C) =

= (0,135 g/g.d)(0,33) + (0,056 g/g.d)(0,67) = 0,082 g/g.d

ii Xác định tốc độ phân rã nội sinh quá quá trình tiêu thụ BOD

bH,T o C = bH (θ)T-20 = (0.12 g/g.d)(l.04)12-20 = 0,088 g/g.d

iii Xác định giá trị lưu lượng (vì đang sử dụng 2 bể); cho nên

Q = Qd/2 = 3785 m3/tank.d

iv Giả định giá trị NOX

NOX = 80% (TKN) = (0.80)(35 g/m3) = 28 g/m3

v Giả sử So ≈ So – S (Vì giá trị S theo tính toán khá nhỏ)

b Tìm giá trị SRT

(P X,TSS ) SRT = (V T )(XTSS) = (4732 m3)(3500 g/m3) = 16,562,000 g

Từ mối quan hệ này, dùng Solver addin trong Excel để xác định giá trị SRT (hoặc có thể dùng phương pháp lặp lại), phương trình được sử dụng như sau:

 Giá trị SRT sau khi tính toán:

SRT = 26,4 d

Bước 5 Xác định nồng độ MLVSS

a Xác định MLVSS

(P X,VSS )SRT = V T (XVSS)

Sau khi thay thế các giá trị động học ở bảng 2 và SRT vào phương trình ta được phương trình tương đương như sau: 

 13.396.964 g = V T (XVSS) = (4732 m3)(XVSS)

=> XVSS = 2831 g/m3

b Xác định tỉ lệ MLVSS

0,81 Bước 6 Xác định lượng NH4-N bị oxy hóa thành nitrat (NOX)

a Xác định giá trị P X,bio

P X,bio = 248.465 g/d = 248,5 kg/d

b Xác định lượng NH4-N bị oxy hóa thành nitrat (NOX) Lượng nitơ bị oxy hóa thành nitrat

có thể được tìm thấy bằng cách thực hiện cân bằng nitơ

NO X = (35,0 – 1, 0 – 7,9)g/m3 = 26,1 g/m3

c Lặp lại phép tính ở a và b để khẳng định giá trị NOX

Lưu ý: lặp lại bằng cách thay thế 26,1 thay cho 28 g/m 3 giả định cho NO X trong ở trên sẽ cho kết quả là NOX = 26.1 g/m 3 (xem File Excel đính kèm tính toán).

Giá trị NO X = 26,1 g/m3

Bước 7 Kiểm tra mức độ nitrat hóa để xác định xem NH4-N có được loại bỏ đến mức 1,0 g/m3 trong thời gian sục khí 2 giờ hay không

a Xác định lượng N dễ oxy hóa có sẵn (Giả sử tất cả nitơ hữu cơ được chuyển đổi thành NH

4-N)

i Khối lượng NH4-N bị oxy hóa được thêm vào/chu kỳ:

VF(NOX) = 946,3 m3/cycle (26,1 g/ m3) = 24.697 g

ii Khối lượng NH4-N còn lại trước khi nạp nước

VS (Ne) = (Ne)(VT - VF) = (1,0 g/m3)[(4732 – 946,3) m3] = 3785,8 g

iii Tổng lượng N có thể oxy hóa ở đầu chu kỳ

1 g/m3

ii Xác định thời gian phản ứng

Giá trị µAOB tại T = 12°C

µAOB,ToC = µmax,AOB (1,072)T-20 = (0,90 g/g.d)(1,072)12-20 = 0,516 g/g.d





t = 0,08 d = 1,95 h

Kết luận: t = 1,95 h < tA cho nên thời gian sục khí đủ để Nitrat hóa.

Bước 8 Xác định tốc độ bơm gạn

Thể tích gạn = thể tích nạp

 V G = 946,3 m3

 Lưu lượng cần gạn theo thời gian là

31,5 m3/min Bước 9 Tính nhu cầu O2

a Xác định tổng lượng Oxy

Ro = Q(So – S) – 1,42PX,bio + 4,57(Q)NOX

R o = (3785 m3/d)(352 g/m3)(l kg/103 g) + 1,42(248,0 kg/d) + 4,57(26,1 g/m3)(3785 m3/d)(l kg/103 g) = 1431 kg O2/d

b Xác định lượng Oxy cần thiết cho mỗi mẻ

358 kg O2/cycle

c Xác định lượng Oxy cần thiết cho thời gian sục khí

Ro.h = 447 kg O2/h

Tốc độ truyền oxy nên được nhân với hệ số từ 2,0 đến 3,0 để cung cấp đủ oxy khi bắt đầu chu kỳ và xử lý tải trọng đỉnh

=> Để tính toán hệ thống phân phối khí bọt mịn – Hãy xem chuyên đề 3.0 Thiết kế bể CMAS.

Bước 10 Xác định năng suất sinh khối

a Năng suất sinh khối dựa trên TSS

- Xác định giá trị PX,TSS

1254,7 kg/d

- Xác định lượng bCOD bị loại bỏ theo tính toán

bCODre = Qd(So – S)= (7570 m3/d)(352 g/m3)(1 kg/103 g) = 2665 kg/d

 Năng suất sinh khối dựa trên TSS

0,47 g TSS/ g bCOD = 0,75 g TSS/g BOD

b Năng suất sinh khối dựa trên VSS

0,75 (0,81) = 0,38 gVSS/g bCOD = 0,61 g VSS/g BOD