Quy trình A/O, còn gọi là quy trình MLE là một quy trình sinh học dùng để xử lý nitơ cơ bản nhất, với cấu tạo là bể Anoxic đặt trước bể Aerotank. Đây là chuyên đề được xây dựng để phục vụ tính toán hiệu quả quy trình MLE để xử lý hiệu quả BOD, Nitrat hóa và khử Nitrat hóa. Bao gồm 3 phần chính, 1 là tính toán bể Aerotank, 2 tính toán bể Anoxic, tinh toán bể lắng 2. Bao gồm tính toán cả nhu cầu Oxy và độ kiềm cần cung cấp cho hiệu quả quy trình. Chuyên đề này có đính kèm theo file Excel để phục vụ tính toán nhanh và hiệu chỉnh hiệu quả các kết quả tính toán.
Trang 2MỤC LỤC
I Lý thuyết 4
1.1 Mô tả quy trình chung 4
1.2 Các cân nhắc chung trong thiết kế quy trình 4
1.2.1 SRT hệ thống 4
1.2.2 Tỷ lệ khử nitrat riêng (SDNR) 5
1.2.3 Nồng độ MLSS 5
1.2.4 Nhiệt độ 5
1.2.5 Đặc tính nước thải đầu vào 5
1.2.6 Độ kiềm 5
1.2.7 Yêu cầu năng lượng khuấy trộn 5
1.3 Các yếu tố cân nhắc trong thiết kế 6
1.3.1 Mối quan hệ giữa SDNR và tỷ lệ BOD F/M 6
1.3.2 Hiệu chỉnh nhiệt độ và nội tuần hoàn cho SNDR 6
1.3.3 Cân bằng khối lượng nitơ và nội tuần hoàn 6
II SƠ ĐỒ QUY TRÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU 7
2.1 Sơ đồ quy trình 7
2.2 Biểu đồ 7
2.3 Bảng dữ liệu 9
III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ QUY TRÌNH MLE 11
IV THIẾT KẾ QUY TRÌNH 12
4.1 Yêu cầu tính toán 12
4.2 Các thông số giả định và thực nghiệm: 12
4.3 Tính toán 14
4.3.1 Tính toán bể Aerotank 14
4.3.2 Tính toán bể Anoxic 17
4.3.3 Tính toán bể lắng 20
Trang 4DANG MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Hệ số động học thiết kế bùn hoạt tính để loại bỏ BOD và nitrat hóa ở 20°C 9
Bảng 2: Giá trị hệ số liên quan đến SDNRb với phần trăm rbCOD 9
Bảng 3: Thông tin thiết kế điển hình cho bể lắng thứ cấp cho quy trình bùn hoạt tính 10
Bảng 4: Đặc tính nước thải đầu vào - ra 12
Bảng 5: Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế 12
Trang 5I Lý thuyết
1.1 Mô tả quy trình chung
Quy trình A/O, còn gọi là quy trình MLE là một quy trình sinh học dùng để xử lý nitơ
cơ bản nhất, với cấu tạo là bể Anoxic đặt trước bể Aerotank Trong quy trình tiền thiếu khí[xem Hình 1], nitrat được tạo ra trong vùng hiếu khí và được tuần hoàn trở lại vùng thiếu khíđặt phía trước Vi khuẩn khử nitrat trong vùng tiền thiếu oxy tiêu thụ BOD đầu vào để khửnitrat thành khí nitơ Tốc độ khử nitrat trong vùng tiền thiếu oxy bị ảnh hưởng bởi nồng độrbCOD trong nước thải đầu vào, nồng độ MLSS và nhiệt độ
Có nhiều lợi ích khi sử dụng bể Anoxic đặt trước bể Aerotank Bao gồm các loiej íchnhư sau (1) tính dễ dàng tương đối khi cải tạo các nhà máy hiện có, (2) lợi ích của hoạt độngchọn lọc thiếu khí để kiểm soát vi sinh dạng sợi, (3) tạo ra độ kiềm trước bước nitrat hóa, (4)tiết kiệm năng lượng do sử dụng nitrat để oxy hóa BOD dòng vào và (5) khả năng chuyển đổi
hệ thống xử lý sinh học hiện có sang loại bỏ nitơ với thời gian lưu nước tương đối ngắn đếntrung bình Do những ưu điểm này nên sử dụng vùng tiền thiếu khí cùng với hệ thống bùnhoạt tính được thiết kế cho quá trình nitrat hóa, ngay cả khi không cần loại bỏ nitơ Ngoàiviệc cải thiện SVI và tiết kiệm năng lượng, việc sử dụng quy trình nitrat hóa/khử nitrat đãđược chứng minh là lựa chọn kinh tế hơn so với chỉ nitrat hóa (Rosso và Slenstrom, 2005a).Mặc dù các giá trị SRT dài hơn liên quan đến quá trình nitrat hóa và khử nitrat đòi hỏi phảităng thể tích bể so với các hệ thống chỉ được thiết kế để loại bỏ BOD, nhưng chỉ có một sựgia tăng nhỏ trong kết quả nhu cầu năng lượng tổng thể của Hệ thống xử lý nước thải dựa trêncác giá trị alpha và hiệu quả sục khí được cải thiện cũng như lượng bùn thải cần xử lý giảm(Leu et al., 2012)
1.2 Các cân nhắc chung trong thiết kế quy trình
Mục tiêu chính của thiết kế khử nitơ là xác định thể tích hoặc thời gian cần thiết củavùng thiếu khí Mỗi quy trình khử nitơ đều có những cân nhắc thiết kế và tốc độ khử nitơriêng biệt cho từng loại quy trình được đề cập trong thiết kế quy trình cho từng quy trình khửnitơ Các cân nhắc chung của quy trình là (1) SRT hệ thống, (2) tỷ lệ khử nitrat riêng (SDNR),(3) nồng độ MLSS, (4) nhiệt độ, (5) đặc điểm nước thải đầu vào, (6) độ kiềm và (7) yêu cầutrộn bể thiếu khí
Trang 6và SRT toàn hệ thống gần bằng tổng thể tích (thể tích hiếu khí cộng với thể tích thiếu khí) sovới tỷ lệ thể tích hiếu khí nhân với SRT hiếu khí.
1.2.2 Tỷ lệ khử nitrat riêng (SDNR).
Các giá trị của SDNR đã được sử dụng để mô tả tỷ lệ khử nitrat trong các hệ thốngthiếu oxy khác nhau cũng như để đánh giá tác động của các nguồn carbon bên ngoài khácnhau SDNR trong bể thiếu khí liên quan đến lượng nitrat được loại bỏ trên một đơn vị thờigian, được chuẩn hóa theo nồng độ MLVSS Giá trị SDNR quan sát được đối với các bể thiếukhí đặt trước bể hiếu khí dao động từ: 0,04 đến 0,42 g NO3-N/g MLVSS.d (Burdick et al.,1982; Henze 1991; Bradstreet và Johnson 1994; Reardon et al., 1996; Hong et al., 1997; vàMurakami và Babcock, 1998)
1.2.3 Nồng độ MLSS.
Thể tích vùng thiếu khí cần thiết sẽ ít hơn đối với nồng độ MLSS cao hơn, nồng độMLSS có liên quan đến đặc tính lắng và làm đặc của bùn hoạt tính Vì quá trình khử nitrattiền thiếu khí cũng đóng vai trò là bộ chọn lọc cho hỗn hợp bùn lắng tốt, nên có thể vận hành
ở nồng độ MLSS cao hơn
1.2.4 Nhiệt độ.
Như đã trình bày đối với quá trình nitrat hóa, tốc độ khử nitrat cũng sẽ thấp hơn khivận hành ở nhiệt độ thấp hơn Nhiệt độ duy trì thấp nhất thường được chọn là trường hợp xấunhất cho thiết kế vùng thiếu khí
1.2.5 Đặc tính nước thải đầu vào.
Đặc tính nước thải đầu vào rất quan trọng trong việc ảnh hưởng đến tốc độ khử nitratsinh học trong các quá trình tiền thiếu khí Quá trình khử nitrat phụ thuộc vào việc có đủ chấtcho điện tử nên phải có đủ lượng BOD đầu vào so với lượng nitơ cần loại bỏ Theo nguyêntắc chung, tỷ lệ BOD/TKN đầu vào là 4/1 là cần thiết để cung cấp đủ lượng chất cho điện tử(Randall và cộng sự, 1992)
1.2.6 Độ kiềm.
Vi khuẩn khử nitrat có phạm vi chịu đựng pH rộng hơn vi khuẩn nitrat hóa nên độ kiềmđầu vào không quá quan trọng đối với thiết kế khử nitrat Tuy nhiên, việc xác định lượngnitrat loại bỏ và sản lượng kiềm liên quan đến nó là rất hữu ích để xác định xem nó có thểgiúp duy trì nồng độ kiềm và độ pH thỏa đáng trong vùng nitrat hóa hiếu khí hay không
1.2.7 Yêu cầu năng lượng khuấy trộn.
Yêu cầu công suất điển hình để trộn cơ học trong vùng thiếu oxy phụ thuộc vào thiết
kế máy trộn và hình dạng bể và có thể thấp tới 3 kw/103 m3 đối với máy trộn tốc độ chậm đến
8 kW/103 m3 đối với máy trộn tốc độ cao hơn
Trang 71.3 Các yếu tố cân nhắc trong thiết kế
1.3.1 Mối quan hệ giữa SDNR và tỷ lệ BOD F/M.
Tốc độ phân hủy nội sinh được hiệu chỉnh theo nhiệt độ, giá trị b20 là 0,12 g VSS/gVSS.d và giá trị hệ số nhiệt độ θ là 1,029 Các mối quan hệ trên dựa trên quan sát thực nghiệm
và không tính đến tác động của các thành phần rbCOD khác nhau trong bCOD nước thải đầuvào Giá trị SDNR cao hơn sẽ xảy ra trong vùng tiền thiếu oxy đối với nước thải có tỷ lệrbCOD/bCOD cao hơn Ảnh hưởng của tỷ lệ rbCOD/bCOD, được thể hiện dưới dạng phầntrăm, đối với SDNR được trình bày trên Hình 2
Các giá trị này thường có thể áp dụng và có thể sử dụng cho nước thải có các thànhphần khác nhau của rbCOD (rbCOD/bCOD) và các chất rắn dễ bay hơi trơ không phân hủysinh học Trên Hình 2, tỷ lệ F/Mb và các giá trị SDNRb chỉ dựa trên nồng độ sinh khối dịdưỡng hoạt động trong dịch hỗn hợp, do đó, các tỷ lệ có thể áp dụng cho nhiều tình huống bất
kể lượng chất rắn không phân hủy trong dịch hỗn hợp và SRT Các đường cong thể hiện trênHình 2 dựa trên kết quả mô phỏng mô hình về cân bằng khối lượng sinh khối, NO3-N, rbCOD
và pbCOD trong bể thiếu khí Đối với các giá trị τ thiếu oxy thấp hơn, F/Mb cao hơn, dẫn đếnnồng độ rbCOD lớn hơn trong vùng thiếu khí và do đó tốc độ phản ứng sinh học và SDNRcao hơn
1.3.2 Hiệu chỉnh nhiệt độ và nội tuần hoàn cho SNDR.
Quy trình thiết kế yêu cầu hiệu chỉnh các giá trị SDNR đối với nhiệt độ và tỷ lệ nộituần hoàn Hiệu chỉnh nhiệt độ với giá trị θ là 1,026 SDNR trong bể tiền thiếu khí bị ảnhhưởng bởi tỷ lệ tuần hoàn bên trong, thường được định nghĩa là tỷ lệ tuần hoàn bên trong (IR)
Tỷ lệ IR là lưu lượng tuần hoàn chia cho lưu lượng nước thải đầu vào Ở tỷ lệ IR cao hơn,rbCOD đầu vào được pha loãng nhiều hơn trong bể thiếu khí bởi lượng nước được tuần hoàn
từ bể hiếu khí, dẫn đến tỷ lệ khử nitrat thấp hơn
1.3.3 Cân bằng khối lượng nitơ và nội tuần hoàn.
Cần phải cân bằng khối lượng nitơ để xác định (1) lượng nitrat được tạo ra trong vùngsục khí và (2) tỷ lệ nội tuần hoàn nào phải được sử dụng để đáp ứng nồng độ nitrat đầu ramong muốn Cân bằng khối lượng tính đến lượng nitrat được tạo ra trong vùng hiếu khí Tốc
độ sản xuất nitrat trong vùng hiếu khí dựa trên lưu lượng dòng chảy vào và nồng độ nitơ,lượng tiêu thụ cho quá trình tổng hợp tế bào và nồng độ NH4-N và nitơ hữu cơ hòa tan đầu
ra Ảnh hưởng của tỷ lệ IR đối với nồng độ NO3-N đầu ra đối với một lượng nitrat (NOX) nhấtđịnh được tạo ra và đối với tỷ lệ tái chế RAS là 0,50 được minh họa trên Hình 3 Tỷ lệ nộituần hoàn trong khoảng từ 3 đến 4 là thông thường, nhưng tỷ lệ trong khoảng từ 2 đến 3 cũngđược áp dụng cho nước thải có nồng độ TKN nước thải đầu vào thấp hơn Tỷ lệ nội tuần hoàntrên 4 không được sử dụng cho hệ thống bùn hoạt tính/lắng thứ cấp, vì khả năng loại bỏ NO3-
N tăng thấp và nhiều DO được tuần hoàn từ vùng sục khí vào vùng thiếu khí Như đã lưu ý
Trang 8trước đó, lượng DO được cung cấp cho vùng thiếu khí do dòng tuần hoàn bên trong từ vùnghiếu khí phải được giảm thiểu để khử nitơ hiệu quả.
II SƠ ĐỒ QUY TRÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU
2.1 Sơ đồ quy trình
Hình 1: Sơ đồ của quy trình tiền thiếu khí loại bỏ nitơ sinh học
2.2 Biểu đồ
đối với các giá trị F/M b lên đến 2.
Trang 9Hình 3: Tác động của tỷ lệ nội tuần hoàn lên nồng độ nitrat đầu ra (tỷ lệ RAS = 0,50) đối với quy trình thiếu khí/hiếu khí.
Trang 10Ký hiệu định danh
Giá trị
Ký hiệu định danh
Giá trị
Ký hiệu định danh
aAdapted from Henze et at (1995); Barker and Dold (1997)
b Adapted from U.S EPA (2010)
Phần trăm rbCOD Hệ số phương trình SDNR
Trang 1140 0,242 0,152
Bảng 3: Thông tin thiết kế điển hình cho bể lắng thứ cấp cho quy trình bùn hoạt tính
mực nước, m b
Trung bình
Giải quyết nồng độ P đầu
ra sau khi bổ sung hóa chất
cThỉnh thoảng cần thêm hóa chất.
dCần thêm hóa chất liên tục để làm sạch đầu ra.
Trang 12III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ QUY TRÌNH MLE - S
1 Thiết lập lưu lượng và đặc tính nước thải, bao gồm nồng độ rbCOD và yêu cầu đầu
ra
2 Thực hiện theo quy trình tính toán bể Aerotank (chuyên đề 3.0-CMAS) để tính toán
thể tích bể cho quá trình nitrat hóa
3 Xác định nồng độ sinh khối trong hỗn hợp chất lỏng từ thiết kế nitrat hóa
4 Xác định tỷ lệ tuần hoàn bên trong (IR), sử dụng giá trị NOX xác định ở bước 9 của
thiết kế nitrat hóa và nồng độ đầu ra mong muốn của NO3-N
5 Tính lượng nitrat cung cấp cho bể thiếu khí Thiết kế dựa trên giả định rằng về cơ
bản, toàn bộ nitrat đưa vào vùng thiếu oxy sẽ bị giảm Nồng độ nitrat thấp từ 0,1 đến0,3 mg/L có thể vẫn còn, tùy thuộc vào thiết kế, vì nitrat giới hạn tốc độ phản ứngkhử nitrat chỉ ở nồng độ rất thấp
6 Xác định thể tích bể thiếu khí
7 Tính toán F/Mb dựa trên nồng độ sinh khối xác định cho hỗn hợp chất lỏng trong thiết
kế nitrat hóa
8 Sử dụng công thức và các hiệu chỉnh thích hợp cho nhiệt độ và tỷ lệ IR để có được
SDNRb, cũng dựa trên nồng độ sinh khối, cho bể thiếu oxy
9 Sử dụng SDNRb, nồng độ sinh khối và thể tích thiếu khí để tính lượng nitrat bị loại
bỏ trong bể thiếu khí So sánh lượng loại bỏ cần thiết để loại bỏ tất cả nitrat trongdòng tuần hoàn được đưa vào vùng thiếu khí
10 Đối với các bể thiếu khí đặt sau bể hoieesu khí, tính F/Mb sau khi giảm BOD, bCOD
và rbCOD đầu vào dựa trên lượng nitrat được loại bỏ trong bể tiền thiếu khí
11 Lặp lại các bước thiết kế vùng thiếu khi khi cần thiết để có được thiết kế thỏa đáng
12 Tính toán nhu cầu oxy
13 Xác định xem có cần bổ sung độ kiềm hay không
14 Thiết kế bể lắng thứ cấp
15 Thiết kế hệ thống truyền oxy sục khí
16 Tóm tắt chất lượng nước thải đầu ra cuối cùng
17 Chuẩn bị bảng tóm tắt thiết kế
Trang 13IV THIẾT KẾ QUY TRÌNH
4.1 Yêu cầu tính toán
Thiết kế quy trình MLE (Anoxic – Aerotank- bể lắng) để loại bỏ BOD; nitrat hóa vàkhử Nitơ Với đặc tính nước thải đầu vào như sau:
Bảng 4: Đặc tính nước thải đầu vào - ra
Ký hiệu định danh
Nhiệt độ nước
thải
4.2 Các thông số giả định và thực nghiệm:
Bảng 5: Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế
Trang 14STT Tham số Tra
Ký hiệu định danh
Giá trị
A Các thông số lựa chọn
2 Điểm thoát khí của bộ khuếch tán so
B Các thông số từ những nghiên cứu thực nhiệm
5 Hệ số độ bão hòa DO tương đối với
Trang 15STT Tham số Tra
Ký hiệu định danh
Giá trị
12 Bộ khuếch tán khí bọt mịn với nước
sạch có sục khí với hiệu suất truyền
nbCOD = CODo – bCOD = (350 - 336) g/m3 = 14 g/m3
c Tìm sCOD không phân hủy sinh học đầu ra (nbsCODe)
nbsCODe = sCOD – 1,6 sBOD = (210 g/m3) - (1,6)(126 g/m3) = 8,4 g/m3
VSS
o o
/VSS=4,0 g nbVSS/m3
g Tìm iTSS
iTSS = TSSo – VSSo = (110 - 100) 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 µmax,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 22 o C
- µ max,H,To C = µmax,H (θ) T-20 = 6,0 g/g.d (1,07)22-20 = 6,9 g/g.d
- bH,T o C = bH (θ) T-20 = (0,12 g/g.d)(l,04)22-20 = 0,13 g/g.d
Bước 3 Xác định tốc độ tăng trưởng riêng µAOB cho vi khuẩn oxy hóa amoniac.
Trang 16Sử dụng các giá trị µmax,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 22 o C
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)
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
1 0,13 g/g.d 6,0 d18.000 m /d 0
P X,bio,VSS = 1752,8 kg VSS/d
Trang 17Bước 6 Xác định lượng nitơ bị oxy hóa thành nitrat (NOX) Lượng nitơ bị oxy hóa thànhnitrat có thể được tìm thấy bằng cách thực hiện cân bằng nitơ.
Trang 18b Xác định thời gian lưu nước trong bể Aerotank.
kg MLVSS.d
o H
m d
o
Q BOD V
b Năng suất sinh khối dựa trên TSS
- Xác định lượng bCOD bị loại bỏ theo tính toán
bCODre = Q(So – S N )= (18.000 m3/d)[(336 – 0,36) g/m3](l kg/103 g) = 6041,5 kg/d
ð Năng suất sinh khối dựa trên TSS
,TSS obs,TSS
bCOD
X re
g/d k
R NO
( )
3 3
Trang 19a Xác định lưu lượng cấp vào bể Anoxic
QF-Ano = IRQ + (RT )Q = 3,9 (15.000 m3/d) + 0,5 (15.000 m3/d) = 81.000 m3/d
b Xác định lượng NO3-N cấp vào bể Anoxic
NOx_feed = NOra (QF-Ano) =(6.0 g/m3) (81.000 m3/d) = 486.000 g/d
Bước 13 Xác định thể tích thiếu khí
a Ước tính thời gian lưu theo phần trăm thể tích bể Aerotank – 20%:
τ 0 = 0, 20(6,24 h) = 1,2 h
b Ước tính thời gian lưu (Sử dụng file excel đính kèm để lập lại tính toán và ước tính thời
gian lưu cho phù hợp nhất) Sau kiểm tra ta có thời gian lưu như sau:
e Áp dụng hiệu chỉnh tỉ lệ nội tuần hoàn - IR Sử dụng 1 trong các công thức sau:
Nếu F/Mb ≤ 1 → Không cần hiệu chỉnh
Nếu IR ≤ 1 → Không cần hiệu chỉnh
Nếu IR = 2 thì SDNRadj = SDNRb – 0,0166 ln(F/Mb) – 0,078
Nếu IR = 3-4 thì SDNRadj= SDNRb– 0,029 ln(F/Mb) – 0,012
Ở thiết kế này, giá trị IR = 3,9; cho nên ta có phương trình hiệu chỉnh IR như sau:
SDNRadj = SDNRb,To C – 0,029 ln(F/Mb) – 0,012
Trang 20= 0,412 – 0,029 ln(1,06) – 0,012 = 0,356 g/g.d
f Xác định giá trị SDNR
SDNR =
a ad xic j no
1980 g/m 0,356 g/g.
NOr = (Vanoxic)(SDNR)(Xb) = (4828 m3)(0,426 g/g.d)(1980 g/m3) = 569.451 g/d
ð Phần trăm chênh lệch của khả năng loại bỏ nitrat
x-feed x-feed
Bước 17 Tính nhu cầu O2
Ro = Q(So – S N ) - 1.42P X,bio + 4.57(Q)NO X - 3,86(Q)(NOX – NOra)
Ro = (18.000 m3/d)[(336 – 0,36)g/m3](l kg/103 g) – 1,42(1706,0 kg/d) + 4,57(18.000
m3/d)(32,8 g/m3)(l kg/103 g) – 3,86(18.000 m3/d)[(32,8 – 6) g/m3] (l kg/103g) = 4938,8 kgO2/d = 206 kg O2/h
Bước 18 Thiết kế sục khí bọt mịn
a Xác định nồng độ bảo hòa Oxy trong nước (tra cứu trong file 04.PL-E TK Oxy.elxs)
i Nồng độ bão hòa oxy hòa tan ở nhiệt độ chuẩn (20°C) Cs,20 = 9,092 mg/L
ii Nồng độ bão hòa oxy hòa tan ở nhiệt độ (22°C) Cs,T = 8,74 mg/L
b Xác định áp suất tương đối ở độ cao xây dựng bể Xử lý nước thải zb = 1200 m để hiệuchỉnh nồng độ DO theo độ cao
9,81 m/s 28,97 kg/kg.mole 1200 - 0 m exp
20 ,20
