3.2. SAT-Thiết Kế Bể Aerotank-Theo Giai Đoạn - 2025.Docx

Quy trình công nghệ bể Aerotank theo giai đoạn, đáp ứng rất tốt việc Nitrat hóa, từ đó đáp ứng yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về tiêu chuẩn xử lý Amonia. Do đó, các dạng quy trình bùn hoạt tính theo giai đoạn được sử dụng cho quá trình nitrat hóa hiếu khí và thiết kế vùng thiếu khí tại nhiều cơ sở quy mô lớn. Trong file thiết kế có đính kèm fiel Excel, đáp ứng quá trình tính toán nhanh, thay đổi kiểm tra liệu liện tục

HIẾU KHÍ TĂNG

TRƯỞNG LƠ LỬNG

NĂM 2025

THIẾT KẾ

BỂ AEROTANK NHIỀU GIAI ĐOẠN ĐỂ

(QUY TRÌNH SAT)

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

1.3 Các yếu tố cần quan tâm khi thiết kế quy trình bùn hoạt tính theo giai đoạn 4

1.3.1 Nhu cầu oxy trong các quy trình theo giai đoạn 4

1.3.2 Phân phối nhu cầu oxy 5

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 QUY TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH 9

V THIẾT KẾ QUY TRÌNH 10

5.1 Yêu cầu tính toán 10

5.2 Các thông số giả định và thực nghiệm: 10

5.3 Tính toán 11

5.3.1 Tính toán bể Aerotank theo giai đoạn để đáp ứng Nitrat hóa 11

5.3.2 Tính toán bể lắng 17

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ quy trình bùn hoạt tính theo giai đoạn 5 Hình 2: Những thay đổi trong tỷ lệ hấp thụ oxy cho quá trình bùn hoạt tính theo từng giai đoạn 6

DANG MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Hệ số động học thiết kế bùn hoạt tính để loại bỏ BOD và nitrat hóa ở 20°C 7

Bảng 2: Thông tin thiết kế điển hình cho bể lắng thứ cấp cho quy trình bùn hoạt tính 7

Bảng 3: Đặc tính nước thải đầu vào - ra 10

Bảng 4: Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế 10

I Lý thuyết

1.1 Mô tả quy trình chung

Quy trình bùn hoạt tính nhiều gia đoạn (SAT) là các quy trình bùn hoạt tính được thiết

kế với các vách ngăn để cố ý tạo ra một số vùng bùn hoạt tính hỗn hợp hoàn chỉnh hoạt động theo chuỗi (xem Hình 1) Bể sục khí dài, hẹp được gọi là hệ thống bùn hoạt tính dòng chảy cắm cũng có thể có 3 đến 4 giai đoạn hiệu quả tùy thuộc vào cách bố trí bể và đặc điểm trộn sục khí Đối với cùng một thể tích bể phản ứng, một hệ thống có các bể phản ứng nối tiếp có thể cung cấp hiệu suất xử lý cao hơn so với một bể phản ứng đơn lẻ hoặc cung cấp công suất xử lý cao hơn Do đó, các dạng quy trình bùn hoạt tính theo giai đoạn được sử dụng cho quá trình nitrat hóa hiếu khí và thiết kế vùng thiếu khí tại nhiều cơ sở quy mô lớn

1.2 Cân nhắc chung về thiết kế quy trình

Đối với đặc tính nước thải, bCOD, TKN, rbCOD và nbVSS có ý nghĩa quan trọng nhất trong thiết kế quy trình Đối với các quy trình loại bỏ BOD và nitrat hóa, nồng độ bCOD và TKN trong nước thải, nhiệt độ bùn hoạt tính và SRT hiếu khí rất quan trọng để xác định tốc độ nhu cầu oxy Nồng độ rbCOD, TKN và NH4-N rất quan trọng để đánh giá biểu đồ nhu cầu oxy cho quy trình theo giai đoạn Nồng độ bCOD và nbVSS đầu vào ảnh hưởng đến sản lượng bùn quy trình và yêu cầu về thể tích bể sục khí

1.3 Các yếu tố cần quan tâm khi thiết kế quy trình bùn hoạt tính theo giai đoạn

Các biến quy trình quan trọng cụ thể cho thiết kế quy trình bùn hoạt tính theo giai đoạn là (1) nhu cầu oxy, (2) phân phối nhu cầu oxy và (3) nồng độ NH4-N

1.3.1 Nhu cầu oxy trong các quy trình theo giai đoạn.

Nhu cầu oxy thay đổi trong các thiết kế bể phản ứng hỗn hợp hoàn chỉnh theo từng giai đoạn và ở giai đoạn đầu tiên cần như cầu oxy khá cao, điều này thách thức khả năng truyền oxy theo thể tích của thiết bị sục khí Với bộ khuếch tán sục khí bọt mịn mật độ cao, chẳng hạn như các tấm sục khí màng, tốc độ truyền oxy từ 100 đến 150 mg/L.h là có thể đáp ứng được yêu cầu này

Sự thay đổi trong tỷ lệ hấp thụ oxy (OUR) ở mỗi giai đoạn của quy trình bùn hoạt tính bốn giai đoạn (được định nghĩa là hàm số của oxy cần thiết cho quá trình nitrat hóa, loại bỏ rbCOD, COD phân hủy dạng hạt và hô hấp nội sinh) được mô tả trên Hình 2 Hầu hết rbCOD

sẽ được tiêu thụ trong giai đoạn đầu tiên và OUR cho quá trình phân hủy pCOD sẽ giảm dần theo từng giai đoạn theo động học phân hủy Tốc độ nitrat hóa có thể đạt tốc độ động học bậc không tối đa ở giai đoạn đầu tiên và thứ hai, do nồng độ NH4-N cao hơn ở giai đoạn đầu Nhu cầu oxy cho quá trình hô hấp nội sinh sẽ tương đối không đổi theo từng giai đoạn

1.3.2 Phân phối nhu cầu oxy

Phân phối nhu cầu oxy có thể được ước tính để xác định thiết kế sục khí cho các quy trình theo giai đoạn Tỷ lệ phần trăm tổng lượng oxy tiêu thụ có thể dao động từ 40, 30, 20 và

10 phần trăm tương ứng cho hệ thống bốn giai đoạn Một phương pháp thiết kế có thể được sử dụng để ước tính nhu cầu oxy trong hệ thống phân giai đoạn là tính toán nhu cầu oxy tổng thể như được thực hiện đối với quy trình CMAS, sau đó ước tính phân phối nhu cầu oxy có tính đến các thành phần khác nhau được mô tả ở trên

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

2.1 Sơ đồ quy trình

Hình 1: Sơ đồ quy trình bùn hoạt tính theo giai đoạn.

2.2 Biểu đồ

Hình 2: Những thay đổi trong tỷ lệ hấp thụ oxy cho quá trình bùn hoạt tính theo từng giai đoạn.

2.3 Bảng dữ liệu

Bảng 1: 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 b Oxy hóa NO 2 b

Giá trị Ký hiệu định

danh

Giá trị định danh Ký hiệu Giá trị Ký hiệu định

danh

max,H 0,90 µmax,AOB 1,0

K mg/L 8,0 K S 0,50 KNH 4 0,20 KNO 2

substrate oxidized

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)

Bảng 2: Thông tin thiết kế điển hình cho bể lắng thứ cấp cho quy trình bùn hoạt tính

Loại xử lý Tải trọng thủy lực Tải chất rắn Độ sâu

mực nước, m b

m 3 /m 2 d kg/m 2 h Trung

bình

Đỉnh Trung

bình

Đỉnh

Lắng sau khi sục khí bằng

kéo dài)

Bộ chọn lọc, loại bỏ chất

Lắng sau khi sục khí kéo

dài

Giải quyết nồng độ P đầu

ra sau khi bổ sung hóa chất

Tổng P = 0,2-0,5d 12-20

aAdapted in part from Kang (1 987), WEF (2010)

b m × 3.2808 = ft

c Thỉnh thoảng cần thêm hóa chất.

d Cần thêm hóa chất liên tục để làm sạch đầu ra.

III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỂ THIẾT KẾ QUY TRÌNH BÙN HOẠT

TÍNH

1 Thu thập dữ liệu đặc tính nước thải đầu vào.

2 Xác định yêu cầu đầu ra theo nồng độ NH 4 -N, TSS và BOD.

3 Chọn hệ số an toàn Nitrat hóa thích hợp cho SRT thiết kế dựa trên tải trọng TKN

đỉnh/trung bình dự kiến Hệ số an toàn có thể thay đổi từ 1,3 đến 2,0.

4 Chọn nồng độ DO tối thiểu cho hỗn hợp nước trong bể sục khí Nồng độ DO tối thiểu

được khuyến nghị là 2,0 mg/L cho quá trình nitrat hóa.

5 Xác định tốc độ tăng trưởng riêng cực đại của quá trình nitrat hóa (µmax,AOB) dựa trên

nhiệt độ bể sục khí và nồng độ DO; và xác định K N

6 Xác định tốc độ tăng trưởng riêng ròng N và SRT ở tốc độ tăng trưởng này, để đáp ứng

nồng độ NH 4 -N đầu ra.

7 Thu được SRT thiết kế bằng cách áp dụng hệ số an toàn vào Bước 6.

8 Xác định sản lượng sinh khối.

9 Tiến hành cân bằng nitơ để xác định NO X , nồng độ NH 4 -N bị oxy hóa.

10 Tính toán khối lượng VSS và khối lượng TSS cho bể sục khí.

11 Chọn nồng độ MLSS thiết kế và xác định thể tích bể sục khí và thời gian lưu nước.

12 Xác định tổng sản lượng bùn và sản lượng quan sát được.

13 Tính toán đánh giá hiệu quả Nitrat hóa của quy trình theo giai đoạn

14 Tính toán nhu cầu oxy.

15 Xác định xem có cần bổ sung độ kiềm hay không.

16 Tính toán bể lắng thứ cấp

IV.

V THIẾT KẾ QUY TRÌNH

5.1 Yêu cầu tính toán

Thiết kế quy trình bùn hoạt tính trộn hoàn chỉnh chỉ để loại bỏ BOD và để loại bỏ BOD bằng quá trình nitrat hóa Với đặc tính nước thải 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

Độ kiềm g/m3 as

CaCO3

160

Nhiệt độ nước

thải

5.2 Các thông số giả định và thực nghiệm:

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

2 Nồng độ MLSS trong bể sục khí

(2000-3000 mg/l)

B Các thông số từ những nghiên cứu thực nhiệm

2 Nồng độ bùn hồi lưu (4000 – 12.000

mg/L), bùn đặc vừa phải = 9000

mg/L

3 Tải trọng thủy lực của bể lắng (16

3/m2.d SOR 24

5.3 Tính toán

5.3.1 Tính toán bể Aerotank theo giai đoạn để đáp ứng Nitrat hóa

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 (140 g/m3) = 224 g/m3

b Tìm nbCOD

nbCOD = CODo – bCOD = (300 - 224) g/m3 = 76 g/m3

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

nbsCODe = sCOD – 1,6 sBOD = (132 g/m3) - (1,6)(70 g/m3) = 20 g/m3

d Tìm nbpCOD

nbpCOD = CODo - bCOD - nbsCODe = (300 - 224 - 20) g/m3 = 56 g/m3

e Tìm VSSCOD

2,8 g COD/g VSS

f Tìm nbVSS

20 g nbVSS/m3

g Tìm iTSS

iTSS = TSSo – VSSo = (70 - 60) g/m3 = 10 g/m3

Bước 2 Tính toán các giá trị động học của Vi sinh vật dị dưỡng

Sử dụng các giá trị µ max,H , b H ở bảng 1 và các hệ số điều chỉnh theo nhiệt độ để hiệu chỉnh

các giá trị theo nhiệt độ của nước thải ở 16 o C

- µ max,H,To C = µ max,H (θ)T-20 = 6,0 g/g.d (1,07)16-20 = 4,6 g/g.d

- bH,T o C = bH (θ)T-20 = (0,12 g/g.d)(l,04)16-20 = 0,103 g/g.d

Bước 3 Xác định tốc độ tăng trưởng riêng µAOB cho vi khuẩn oxy hóa amoniac

Sử dụng các giá trị µ max,AOB , bAOB ở bảng 1 và các hệ số điều chỉnh theo nhiệt độ để hiệu

chỉnh các giá trị theo nhiệt độ của nước thải ở 16 o C

- µmax,AOB,ToC = µmax,AOB (1,072)T-20 = (0,90g/g.d)(1,072)16-20 = 0,681 g/g.d

- bAOB,ToC = bAOB (1,029)T-20 = (0,17g/g.d)(1,029)16-20 = 0,152g/g.d

 Xác định tốc độ tăng trưởng riêng µ AOB

0,12 g/g.d Bước 4 Xác định SRT lý thuyết và thiết kế

a Tìm SRT lý thuyết

8,0 ngày

b Xác định SRT thiết kế

SRTTK = (SF)(SRTLK) = 1,5 (8,0 d) = 12,0 ngày

Bước 5 Xác định sản lượng sinh khối P X,bio,VSS

a Xác định giá trị bCOD đầu ra có quá trình nitrat hóa theo tính toán (SN)

0,34 g bCOD/m3

b Giả sử giá trị NOX

Giả sử nồng độ NO X trong là một tỷ lệ phần trăm nhất định của TKN chảy vào - Ở đây giả định 80% Sau đó, có thể sử dụng giải pháp lặp để giải cho NO X , sau khi tính toán P X,bio

NOX = 80% (TKN) = 0,8 (38 g/m3) = 30,4 g/m3

c Xác định sản lượng sinh khối P X,bio,VSS

P X,bio,VSS = 824,6 kg VSS/d

Bước 6 Xác định lượng nitơ 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

NOX = 30,9 g/m3

 Lặp lại để tính giá trị P X,bio theo giá trị NO X mới nhận được

P X,bio,check = 825,0 kg VSS/d

Thay 30,9 cho NO X trong phép tính trên lại cho giá trị NO X là 30,9 g/m 3 , do đó một lần lặp lại là thỏa đáng (xem File Excel đính kèm tính toán).

 Giá trị PX,bio (sau khi trừ đi khối lượng vi khuẩn Nitrat hóa)

P X,bio = 800,4 kg VSS/d

Bước 7 Xác định nồng độ và khối lượng của VSS và TSS trong bể sục khí dùng Nitrat hóa

a Xác định P X,VSS và P X,TSS

i Xác định P X,VSS

PX,VSS = PX,bio + Q(nbVSS) = 1050,4 kg/d + Q(nbVSS)

= 825,0 kg/d + (15.000 m3/d)(4,4 g/m3)(1 kg/103 g) = 891,3 kg/d

ii Xác định P X,TSS

= 970,1 kg/d + 66,7 kg/d + (15.000 m3/d)(10g/m3)(1 kg/103 g) = 1261,8 kg/d

b Tính khối lượng VSS và TSS trong bể sục khí

i Tính khối lượng MVSS

(XVSS)(V) = (PX,VSS) SRTTK = (891,3 kg/d)(12,0 d) = 10.695,6 kg

ii Tính khối lượng MLSS

(XTSS)(V) = (PX,TSS) SRTTK = (1261,8 kg/d)(12,0 d) = 15.141,8 kg

Bước 8 Xác định thể tích bể và các thông số của bể sục khí (Aerotank)

a Xác định thể tích bể Aerotank

(XTSS)(V) = 15.141,8 kg

Với XTSS = 3000 g/m3 (Bảng 3)

=5047 m3

 Sử dụng 4 bể nối tiếp – với kích thước như nhau để thực hiện quy trình xử lý theo giai đoạn, mỗi bể có dung tích là

4

1262 m3

b Xác định thời gian lưu nước trong bể Aerotank

8,16 h = 0,34 d

c Xác định MLVSS

FVSS =

MLVSS (XH) = 0,71 (XTSS) = 0,78 (3000 g/m3) = 2130 g/m3

d Xác định F/M

=0,20 g/g.d = 0,20 kg/kg.d

a Xác định tải lượng BOD

0,42 kg/m3.d

b Năng suất sinh khối dựa trên TSS

- Xác định lượng bCOD bị loại bỏ theo tính toán

 Năng suất sinh khối dựa trên TSS.

0,38 g TSS/ g bCOD = 0,60 g TSS/g BOD

c Năng suất sinh khối dựa trên VSS

0,79 (0,78) = 0,30 gVSS/g bCOD = 0,48 g VSS/g BOD Bước 9 Xác định nồng độ vi khuẩn Nitrat hóa và tỉ lệ tuần hoàn bùn

a Xác định nồng độ Vi khuẩn Nitrat hóa

b Xác định tỉ lệ tuần hoàn bùn

Bước 10 Thực hiện cân bằng khối lượng nitơ cho hệ thống bốn giai đoạn được hiển thị trên hình sau bằng cách sử dụng các thể tích bằng nhau cho mỗi giai đoạn

a Xây dựng biểu thức tốc độ Nitrat hóa

Trong đó:

-i = 1,2,3 hoặc 4 tương đương vớ-i g-ia-i đoạn 1 đến 4.

-Ni = Nồng độ NH4-N cho giai đoạn i, g/m3

Thay các giá trị đã biết vào phương trình ta sẽ được như sau:

b Xây dựng hệ phương trình giải tìm nồng độ NH4-N trong các giai đoạn

 Thay các giá trị đã biết vào thì ta có được phương trình sau:

 Sử dụng Sover addin trong Excel để giải ta được các giá trị sau:

=> Giá trị: N

=> Giá trị: N

2 = 1,097

=> Giá trị: N

4 = 0,002

 Cùng SRT và thể tích, hệ thống Bể Aerotank theo giai đoạn sẽ tạo ra nồng độ

NH4-N đầu ra trung bình thấp hơn dưới tải lượng amoniac thay đổi theo ngày.

Bước 11 Tính nhu cầu O2

a Xác định giá trị P X,bio

P X,bio = 800,4 kg/d

b Tính nhu cầu O2

Ro = Q(So – SN) - 1.42PX,bio + 4.57(Q)NOX

Ro = (15.000 m3/d)[(224 – 0,34)g/m3](l kg/103 g) – 1,42(800,4 kg/d) + 4,57(15.000 m3/d) (30,9 g/m3)(l kg/103 g) = 181 kg O2/h

(Để tính toán hệ thống phân phối khí bọt mịn – Hãy xem chuyên đề 3.0 Thiết kế bể

Aerotank - CMAS.)

Bước 12 Kiểm tra độ kiềm

Chuẩn bị cân bằng độ kiềm (Alk): pH ~ 7 = Alk đầu vào (Alkin) - Alk đã sử dụng (Alksd) + Alk cần thêm vào (Alkadd)

- Nồng độ kiềm còn lại cần thiết để duy trì độ pH trong khoảng 6,8-7,0

Alksd = 70 g CaCO3/m3

- Độ kiềm sử dụng cho quá trình nitrat hóa

Alksd = 7,14(NO X) = (7,14 g CaCO3/g NH4-N)(30,9 g/m3) = 220,6 g CaCO3/m3

(Lượng nitơ chuyển đổi thành nitrat: NO X = 28,95 g/m 3 – Xem ở Bước 6)

 Độ kiềm cần bổ sung

Alkbs = 70 - Alkin + Alksd = 70g/m3- 160g/m3 + 220,6 g/m3 = 130,6 g/m3 as CaCO3

 Khối lượng kiềm cần cho 1 ngày

Alkbs = (15.000 m3/d)(130,6 g/m3)(1 kg/103 g) = 1959,4 kg/d as CaCO3

 Xác định độ kiềm cần thiết dưới dạng natri bicarbonate Lượng NaHCO3 cần thiết như sau:

Trọng lượng tương đương của NaHCO3 = 84 g/equivalent

3292 kg/d NaHCO3

5.3.2 Tính toán bể lắng

Bước 13 Xác định đường kính bể lắng

a Chọn độ sâu mực nước trong bể lắng:

Hsd = 4,5 m

b Từ Bảng 3 chọn giá trị SOR trung bình

SOR = 24 m3/m2.h

c Diện tích của bể lắng

625 m2

 Sử dụng nlang = 2 bể lắng

d Đường kính của bể lắng

20 m

e Kiểm tra tải trọng chất rắn

= 4,5 kg MLSS/m2.h (trong phạm vi chấp nhận được của tải trọng chất rắn từ 4 đến 6

kg/m 2 d được đưa ra trong Bảng 2)