Quy trình A-O-MBR, còn gọi là quy trình MLE-MBR là một quy trình sinh học dùng để xử lý nitơ, với cấu tạo là bể Anoxic đặt trước bể Aerotank, kết hợp với bể lọc màng MBR để tạo ra nguồn nước thải tốt hơn. 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, tính toán bể MBR. 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. 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.
Lý thuyết
Mô tả quy trình chung
Quy trình A-O-MBR, hay còn gọi là quy trình MLE-MBR, là một phương pháp sinh học hiệu quả trong việc xử lý nitơ Quy trình này bao gồm bể Anoxic được đặt trước bể Aerotank, kết hợp với bể lọc màng MBR, nhằm tạo ra nguồn nước thải chất lượng cao hơn.
Hình 1- 1: Sơ đồ của quy trình Anoxic-Aerotank-MBR loại bỏ nitơ sinh học
Các cân nhắc chung trong thiết kế quy trình MLE
Mục tiêu chính của thiết kế khử nitơ là xác định thể tích hoặc thời gian cần thiết cho vùng thiếu khí Mỗi quy trình khử nitơ có những cân nhắc thiết kế và tốc độ khử nitơ riêng biệt Các yếu tố quan trọng trong thiết kế quy trình khử nitơ bao gồm SRT hệ thống và 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 cầu trộn bể thiếu khí.
1.2.1 SRT h ệ th ố ng Điểm khởi đầu cho tất cả các thiết kế loại bỏ nitơ là cung cấp SRT hiếu khí thích hợp cho quá trình nitrat hóa SRT hiếu khí cần thiết cho quá trình nitrat hóa, sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm mục tiêu nồng độ NH4-N đầu ra, lưu lượng và tính biến thiên tải trọng, nồng độ DO và nhiệt độ SRT hiếu khí cần thiết được sử dụng để tính toán thể tích hiếu khí và SRT toàn hệ thống gần bằng tổng thể tích (thể tích hiếu khí cộng với thể tích thiếu khí) so với tỷ lệ thể tích hiếu khí nhân với SRT hiếu khí.
1.2.2 Tỷ l ệ kh ử nitrat riêng (SDNR)
Giá trị SDNR được sử dụng để mô tả tỷ lệ khử nitrat trong các hệ thống thiếu oxy và đánh giá tác động của các nguồn carbon bên ngoài SDNR trong bể thiếu khí phản ánh lượng nitrat loại bỏ theo thời gian, chuẩn hóa theo nồng độ MLVSS Các giá trị SDNR quan sát được trong các bể thiếu khí trước bể hiếu khí dao động từ 0,04 đến 0,42 g NO3-N/g MLVSS.d, theo nghiên cứu của Burdick et al (1982), Henze (1991), Bradstreet và Johnson (1994), Reardon et al (1996), Hong et al (1997), và Murakami và Babcock (1998).
Thể tích vùng thiếu khí cần thiết giảm khi nồng độ MLSS tăng, vì nồng độ này ảnh hưởng đến đặc tính lắng và làm đặc của bùn hoạt tính Quá trình khử nitrat tiền thiếu khí cũng giúp chọn lọc hỗn hợp bùn lắng tốt, cho phép vận hành hiệu quả ở nồng độ MLSS cao hơn.
Tốc độ khử nitrat giảm khi nhiệt độ vận hành thấp, với nhiệt độ tối thiểu thường được chọn là trường hợp xấu nhất trong thiết kế vùng thiếu khí.
1.2.5 Đặ c tính n ướ c th ả i đầ u vào Đặc tính nước thải đầu vào rất quan trọng trong việc ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrat sinh học trong các quá trình tiền thiếu khí Quá trình khử nitrat phụ thuộc vào việc có đủ chất cho điện tử nên phải có đủ lượng BOD đầu vào so với lượng nitơ cần loại bỏ Theo nguyên tắc 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).
Vi khuẩn khử nitrat có khả năng chịu đựng pH rộng hơn so với vi khuẩn nitrat hóa, do đó độ kiềm đầu vào không quá quan trọng trong thiết kế khử nitrat Tuy nhiên, việc xác định lượng nitrat được loại bỏ và sản lượng kiềm liên quan là cần thiết để đánh giá khả năng duy trì nồng độ kiềm và độ pH phù hợp trong vùng nitrat hóa hiếu khí.
1.2.7 Yêu c ầ u n ă ng l ượ ng khu ấ y tr ộ n
Công suất điển hình cần thiết cho quá trình trộn cơ học trong môi trường thiếu oxy phụ thuộc vào thiết kế của máy trộn và hình dạng của bể Đối với máy trộn tốc độ chậm, công suất có thể giảm xuống chỉ còn 3 kW cho mỗi 10³ m³.
8 kW/10 3 m 3 đối với máy trộn tốc độ cao hơn.
Các yếu tố cân nhắc trong thiết kế
1.3.1 Mố i quan h ệ gi ữ a SDNR và t ỷ l ệ BOD F/M
Tốc độ phân hủy nội sinh được điều chỉnh theo nhiệt độ với giá trị b20 là 0,12 g VSS/g VSS.d và hệ số nhiệt độ θ là 1,029 Các mối quan hệ này dựa trên quan sát thực nghiệm và không xem xét tác động của các thành phần rbCOD khác nhau trong bCOD của nước thải đầu vào SDNR cao hơn xuất hiện trong vùng tiền thiếu oxy đối với nước thải có tỷ lệ rbCOD/bCOD cao hơn Ảnh hưởng của tỷ lệ rbCOD/bCOD, thể hiện dưới dạng phần trăm, đối với SDNR được minh họa trong Hình 2-1.
Các giá trị này có thể áp dụng cho nước thải với các thành phần khác nhau của rbCOD và chất rắn dễ bay hơi không phân hủy sinh học Tỷ lệ F/Mb và giá trị SDNRb chỉ dựa trên nồng độ sinh khối dị dưỡng trong dịch hỗn hợp, cho phép áp dụng cho nhiều tình huống khác nhau Các đường cong trong Hình 2-1 dựa trên mô phỏng mô hình về cân bằng khối lượng sinh khối, NO3-N, rbCOD và pbCOD trong bể thiếu khí Khi giá trị τ thiếu oxy thấp hơn, F/Mb cao hơn dẫn đến nồng độ rbCOD lớn hơn trong vùng thiếu khí, từ đó làm tăng tốc độ phản ứng sinh học và SDNR.
1.3.2 Hi ệ u ch ỉ nh nhi ệ t độ và n ộ i tu ầ n hoàn cho SNDR
Quy trình thiết kế yêu cầu điều chỉnh các giá trị SDNR liên quan đến nhiệt độ và tỷ lệ nội tuần hoàn Nhiệt độ được hiệu chỉnh với giá trị θ là 1,026 SDNR trong bể tiền thiếu khí chịu ảnh hưởng từ tỷ lệ tuần hoàn bên trong, thường được gọi là tỷ lệ tuần hoàn bên trong (IR).
Tỷ lệ IR được xác định bằng lưu lượng tuần hoàn chia cho lưu lượng nước thải đầu vào Khi tỷ lệ IR cao, rbCOD đầu vào sẽ bị pha loãng nhiều hơn trong bể thiếu khí do lượng nước tuần hoàn từ bể hiếu khí, điều này dẫn đến tỷ lệ khử nitrat thấp hơn.
1.3.3 Tỉ l ệ n ộ i tu ầ n hoàn cho quy trình MBR
Cần cân bằng khối lượng nitơ để xác định lượng nitrat trong vùng sục khí và tỷ lệ nội tuần hoàn cần thiết cho nồng độ nitrat đầu ra mong muốn Tốc độ sản xuất nitrat trong vùng hiếu khí phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy vào, nồng độ nitơ, lượng tiêu thụ cho tổng hợp tế bào, và nồng độ NH4-N cùng nitơ hữu cơ hòa tan đầu ra Đối với quy trình MBR, tỷ lệ tuần hoàn bằng với tuần hoàn bùn (RAS), tức là IR = RT.
Tỷ lệ tuần hoàn bên trong cho hệ thống MBR thường được thiết lập ở mức 6,0 để kiểm soát nồng độ MLSS trong bể lọc màng Tuy nhiên, lưu lượng tuần hoàn cao có thể dẫn đến việc cung cấp DO quá mức từ bể tách màng vào bể tiền thiếu oxy, gây ra nồng độ DO cao trong dòng tuần hoàn vào bể Anoxic Điều này có thể làm giảm lượng rbCOD có sẵn để khử NOX, do rbCOD trong nước thải đầu vào bị tiêu thụ Để khắc phục, một bể có thời gian lưu nước ngắn có thể được sử dụng để giữ dòng bùn hoạt tính hồi lưu trước khi vào bể Anoxic, cho phép oxy được tiêu thụ theo nhu cầu từ quá trình phân hủy nội sinh.
1.3.4 Hệ s ố anpha c ủ a h ệ th ố ng s ụ c khí khu ế ch tán áp d ụ ng cho quy trình MBR
Giá trị alpha cho sục khí bọt mịn trong hệ thống MBR bị ảnh hưởng bởi độ nhớt tăng do nồng độ MLSS cao Hình 2-3 minh họa tác động của nồng độ MLSS lên giá trị alpha, với bốn báo cáo về sục khí khuếch tán bọt mịn và một báo cáo về sục khí khuếch tán bọt thô Bảng 1-1 liệt kê các tham chiếu và mối tương quan của alpha theo nồng độ MLSS Giá trị alpha gần đúng cho bộ khuếch tán bong bóng mịn trong bể sục khí MBR là 0,47 tại nồng độ MLSS 8000 mg/L và 0,35 tại nồng độ MLSS 12.000 mg/L.
Bảng 1- 1: Tóm tắt mối quan hệ giữa nồng độ alpha và MLSS trong MBR
Tài liệu tham khảo về Hình
Tính toán hệ số Alpha Tham khảo
FB Ref 1 e-(0.082*MLSS) Guilder and Krauth (1999)
FB Ref 2 e-(0.088*MLSS) Krampe and Krauth (2003)
FB Ref 3 (1.6)e-(0.15*MLSS) MBR Plant 1, Racault et al (2010)
FB Ref 4 (1.0255)e-(0.0946*MLSS) MBR Plant 2, Rocault et al (2010)
CB Ref 5 (1.2888)e-(0.0818*MLSS) MBR, CB Racault etal (2010)Ghi chú: FB - Bộ khuếch tán bọt mịn, CB - Bộ khuếch tán bọt thô.
Các cân nhắc đối với bể lọc màng MBR
Trong quá trình tách màng, việc tách lỏng-rắn được thực hiện thông qua lọc, trong đó nước cần loại bỏ được rút qua một màng tổng hợp mỏng, giúp loại bỏ các chất rắn dạng keo và lơ lửng Hệ thống MBR sử dụng màng ngâm trong hỗn hợp bùn hoạt tính, kết hợp với hệ thống cung cấp khí để tạo dòng chảy tiếp tuyến, ngăn ngừa bám bẩn trên bề mặt màng Các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm: thông số thiết kế MBR, loại màng và đặc điểm của chúng, ứng dụng màng, đặc điểm vận hành, vấn đề bám bẩn màng, và các phương pháp kiểm soát bám bẩn.
Các thông số thiết kế và vận hành chính trong quá trình lọc màng bao gồm thông lượng màng và áp suất xuyên màng (TMP) Thông lượng được định nghĩa là lưu lượng trên một đơn vị diện tích của màng, thường được biểu thị bằng L/m².d Thông lượng càng cao thì diện tích màng cần thiết cho lưu lượng thiết kế càng thấp Độ giảm áp suất chấp nhận được trên màng, hay TMP, là yếu tố quan trọng tại thông lượng thiết kế Sự giảm thông lượng qua màng thường xảy ra do hiện tượng tắc nghẽn.
Lưu lượng tuần hoàn từ vùng lọc màng nằm trong khoảng từ 4 đến 6 lần lưu lượng đầu vào để ngăn ngừa nồng độ MLSS quá mức.
Tốc độ dòng chảy màng là yếu tố thiết kế quan trọng để xác định diện tích bề mặt màng, yêu cầu khí rửa và thể tích bể màng Thông lượng phụ thuộc vào nồng độ MLSS MBR, nhiệt độ, TMP và mức độ bám bẩn của màng Tại một TMP nhất định, thông lượng và độ nhớt có mối quan hệ nghịch đảo, với độ nhớt tăng khi nhiệt độ giảm và nồng độ MLSS tăng Tuy nhiên, việc sử dụng nồng độ MLSS cao hơn có thể dẫn đến tổng thể tích bể nhỏ hơn cho một SRT nhất định, nhưng lại yêu cầu diện tích bề mặt màng lớn hơn.
Hệ thống MBR có khả năng hoạt động hiệu quả ở nồng độ MLSS cao từ 15.000 đến 25.000 mg/L, nhưng nồng độ thiết kế tối ưu từ 8.000 đến 12.000 mg/L lại mang lại hiệu quả chi phí tốt hơn Hình 2-2 minh họa một loạt giá trị thông lượng tiêu biểu cho lưu lượng thiết kế duy trì trung bình và các cài đặt TMP chấp nhận được, cho thấy rằng các giá trị thông lượng thấp hơn thường liên quan đến nồng độ MLSS cao hơn.
Hệ thống MBR yêu cầu xử lý lưu lượng nước thải đầu vào theo các điều kiện thiết kế về nhiệt độ, nồng độ MLSS và TMP Giá trị thông lượng được xác định để tính toán diện tích bề mặt màng cần thiết TMP hoạt động điển hình cho màng sợi rỗng và màng tấm phẳng được trình bày trong Bảng 4-4, cho thấy rằng giảm áp suất cao hơn xảy ra với các màng có kích thước lỗ hiệu dụng nhỏ hơn Ngoài thông lượng thiết kế trung bình, các nhà cung cấp màng cũng chỉ định thông lượng cực đại cho lưu lượng đỉnh trong khoảng thời gian 24 giờ hoặc 6 giờ, có thể gấp 1,5 đến 2,0 lần thông lượng trung bình Diện tích màng và thể tích bể cần thiết phụ thuộc trực tiếp vào lưu lượng duy trì trung bình hoặc lưu lượng đỉnh, trong khi bể cân bằng lưu lượng được xem xét để xử lý lưu lượng tức thời thay vì tăng diện tích bề mặt màng.
1.4.1.2 Các lo ạ i màng và v ậ t li ệ u
Có hai loại màng chính được sử dụng trong xử lý nước thải: màng sợi rỗng và màng dạng tấm phẳng Màng này bao gồm một lớp polyme mỏng với độ xốp cao và kích thước lỗ rỗng được chọn lọc, trên một cấu trúc hỗ trợ dày hơn để đảm bảo độ bền và ổn định Các vật liệu polyme thường được sử dụng bao gồm polyvinylidene difluoride (PVDF), polyethylene (PE), polyethylsulphone (PES) và polypropylene (PP), với các kỹ thuật sản xuất độc quyền từ các nhà cung cấp khác nhau Kích thước lỗ màng nằm trong phạm vi vi lọc (MF) từ 0,01 đến 0,40 µm và siêu lọc (UF) từ 0,01 đến 0,10 µm, với màng vi lọc có khả năng giữ lại vi khuẩn, trong khi siêu lọc có thể giữ lại cả vi khuẩn và virus Để đảm bảo chất lượng nước tái sử dụng, khử trùng nước thải sau lọc thường được áp dụng trong các ứng dụng MBR, nhằm bảo vệ chất lượng đầu ra trong trường hợp màng bị hỏng.
Các màng riêng lẻ được lắp ráp thành một mô-đun, hay còn gọi là thành phần, tạo thành một đơn vị Thiết bị màng, hay cassette, bao gồm nhiều mô-đun trong một khung với các kết nối để rút nước và cấp khí Các nhà sản xuất cung cấp khả năng cấp khí để kiểm soát tình trạng bám bẩn của màng, di chuyển chất rắn ra khỏi bề mặt màng trong khi chất lỏng được hút qua Khoảng cách giữa các màng sợi rỗng hoặc tấm màng phụ thuộc vào lưu lượng cần thiết để kiểm soát sự bám bẩn, thay đổi theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất Màng sợi rỗng có diện tích bề mặt lớn hơn, yêu cầu thể tích bể tách màng nhỏ hơn, với thể tích bổ sung cho các hộp màng dao động từ 3 đến 10 m³ thể tích bể/m³ hộp Tỷ lệ này, dựa trên diện tích bề mặt màng, dao động từ 0,015 đến 0,05 m³ thể tích bể/m² diện tích bề mặt màng, với giá trị nhỏ hơn áp dụng cho màng sợi rỗng.
Hình 1-2 minh họa bể phản ứng sinh học màng, bao gồm: (a) sơ đồ vị trí các bó màng sợi rỗng trong bể phản ứng bùn hoạt tính, (b) bó màng được lắp đặt trong lò phản ứng sinh học màng (do Zenon Environmental, Inc cung cấp), (c) sơ đồ vị trí các mô-đun màng tấm phẳng trong bể phản ứng bùn hoạt tính, và (d) các mô-đun màng tấm phẳng tại vị trí lắp đặt với nước sạch.
Để tích hợp hệ thống bùn hoạt tính với hiệu suất màng và kiểm soát tình trạng bám bẩn, các nhà cung cấp màng cung cấp nhiều thiết bị hỗ trợ ngoài hộp đựng màng Các thiết bị cần thiết bao gồm máy bơm hút nước, bể chứa hóa chất, máy bơm cấp hóa chất và các bộ điều khiển quy trình cho màng, cùng với trung tâm điều khiển Hệ thống hỗ trợ cũng bao gồm hệ thống sục khí và rửa ngược, trong đó hệ thống sục khí sử dụng bộ khuếch tán bọt khí thô để giảm thiểu lắng đọng chất rắn, với nguồn cung cấp không khí thường lấy từ không khí xung quanh trong quy trình bể bùn hoạt tính.
Hiện nay, phần lớn các hệ thống màng sử dụng màng UF sợi rỗng, tiếp theo là màng
Màng tấm phẳng (Yang và cộng sự, 2006) có chiều dài khoảng 2 m, với đường kính ngoài 1,9 mm và đường kính trong 0,8 mm, khoảng cách giữa các màng là 3,0 mm Một số màng có chiều dài lớn hơn chiều cao của khung màng khoảng 10 cm, cho phép chúng uốn cong trong quá trình sục khí, tạo ra lực khuấy mạnh hơn để chống lại sự lắng đọng chất rắn.
Sự bám bẩn màng dẫn đến giảm hiệu suất do lắng đọng các hạt hoặc chất hòa tan trên bề mặt hoặc bên trong cấu trúc lỗ màng Ảnh hưởng của bám bẩn được thể hiện qua sự gia tăng áp suất màng (TMP), làm giảm lưu lượng qua màng TMP là chỉ số quan trọng để theo dõi tình trạng bám bẩn trong hệ thống MBR, giúp xác định thời điểm cần thực hiện quy trình làm sạch để phục hồi hiệu suất Mặc dù giá trị TMP có thể ổn định và tăng chậm, nhưng sau một số điểm tắc nghẽn quan trọng, nó có thể tăng nhanh chóng.
Sự bám bẩn có thể do các nguyên nhân vật lý, hóa học và sinh học như thể hiện trong Bảng 1-2.
Bảng 1- 2: Các thành phần ảnh hưởng đến tình trạng tắc nghẽn màng MBR và phương pháp kiểm soát
Thành phần cụ thể Phương pháp kiểm soát
Vật lý Tóc, vật liệu dạng sợi, thành phần vô cơ dạng keo, MLSS
Sàng lọc tinh Sục khí
Nghỉ gián đoạn trong quy trình lọc
Hóa chất Độ kiềm cao,
Sắt hòa tan, Dầu mỡ
Rửa Axit xitric Rửa Axit xitric Rửa Clo
Sinh học Vật liệu polyme ngoại bào Kiểm soát SRT
Sục khí Rửa Clo Rửa Axit xitric
Sinh học Chất hữu cơ dạng keo Kiểm soát SRT
Rửa ngược Clo Rửa Axit xitric
Nước thải đầu vào chứa nhiều tác nhân gây bám bẩn như tóc, vật liệu xơ, độ kiềm cao, sắt hòa tan và dầu mỡ Dầu và mỡ có tính kỵ nước, dễ bám vào vật liệu màng, nhưng thường không gây lo ngại cho hầu hết dòng nước thải sinh hoạt Tuy nhiên, trong các lưu lượng nhỏ hoặc hệ thống tiếp nhận nước thải từ nhà hàng mà không có biện pháp kiểm soát bẫy mỡ, vấn đề này có thể trở nên nghiêm trọng Sự bám bẩn sinh học là một thách thức trong hoạt động MBR, nhưng có thể được kiểm soát hiệu quả trong xử lý nước thải sinh hoạt bằng cách duy trì SRT và thông lượng trong phạm vi quy định, cùng với các biện pháp kiểm soát bám bẩn từ nhà cung cấp.
Mặc dù có nhiều báo cáo trái ngược về tác động của các thành phần vi khuẩn gây ra tình trạng bám bẩn, nhưng nhìn chung, các đại phân tử, keo và sản phẩm vi khuẩn hòa tan từ sự phát triển và phân hủy của vi khuẩn được coi là những tác nhân chính Các chất bám bẩn do vi khuẩn, hay còn gọi là polyme ngoại bào, bao gồm các đại phân tử bản địa và vật liệu hòa tan như protein và polysaccharides Nghiên cứu cho thấy sản lượng EPS cao hơn và tình trạng bám bẩn gia tăng xảy ra ở các giá trị SRT dưới 10 ngày, trong khi ít bám bẩn hơn được ghi nhận ở SRT cao hơn, với hiệu suất màng tốt nhất ở SRT 30 và 50 ngày Hệ thống MBR thường được thiết kế với SRT lớn hơn 10 ngày.
1.4.2.3 Ph ươ ng pháp ki ể m soát bám b ẩ n màng
Hai phương pháp chính để kiểm soát tình trạng bám bẩn trên màng bao gồm: (1) tiền xử lý bằng lưới lọc mịn và (2) quy trình kiểm soát bám bẩn trong quá trình vận hành.
Phương pháp làm sạch phục hồi yêu cầu xử lý sơ bộ bằng cách sàng lọc qua lưới mịn có kích thước từ 0,8 đến 2 mm để bảo vệ hệ thống màng khỏi hư hỏng Việc sàng lọc không đầy đủ có thể dẫn đến tình trạng tóc và vật liệu dạng sợi bám trên màng và bộ khuếch tán sục khí, gây cản trở quá trình vệ sinh và giảm thông lượng của màng.
1.4.2.4 Ki ể m soát ho ạ t độ ng bám b ẩ n
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU
Biểu đồ
Tỷ lệ khử nitrat riêng (SDNR b) được xác định dựa trên nồng độ sinh khối ở 20°C và tỷ lệ thức ăn trên sinh khối (F/M b) Hình 2-1 minh họa mối quan hệ này đối với các tỷ lệ phần trăm khác nhau của rbCOD so với bCOD trong nước thải đầu vào, với (a) các giá trị F/M b lên đến 20 và (b) thang đo mở rộng cho các giá trị F/M b lên đến 2.
Hình 2- 2: Thông lượng màng giảm khi nhiệt độ giảm Các đường trên và dưới biểu thị các giá trị thông lượng từ nồng độ MLSS thấp đến cao.
Hình 2- 3: Ảnh hưởng của nồng độ MLSS lên giá trị alpha sục khí khuếch tán trong hệ thống MBR.
Bảng dữ liệu
Bảng 2- 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 Ký hiệu định danh
Giá trị Ký hiệu định danh à max g VSS/g
Ko2 mg/L 0,20 Ko2 ,H 0,50 Ko2 ,AOB 0,90
Hệ số điều chỉnh theo nhiệt độ θ à max unitless 1,07 1,072 1,063 b unitless 1,04 1,029 1,029
K NO 2 unitless 1,0 1,0 1,0 aAdapted from Henze et at (1995); Barker and Dold (1997). b Adapted from U.S EPA (2010).
Bảng 2- 2: Giá trị hệ số liên quan đến SDNR b với phần trăm rbCOD
Ph ầ n tr ă m rbCOD Hệ s ố ph ươ ng trình SDNR b 0 b 1
Bảng 2- 3: Thiết kế và đặc điểm vận hành của nhiều hệ thống MBR độc quyền
GE Zenon Kubota Mitsubishi Siemens Huber
Màng Sợi rỗng Tấm Sợi rỗng Sợi rỗng Tấm
Kích thước lỗ lọc, àm
Loại lọc UF MF UF UF UF
Cấu hình Dọc Dọc Ngang Dọc Đĩa quay
Diện tích bề mặt riêng, m 2 /m 3
Trong bể Aerotank hoặc bể riêng
Trong bể Aerotank hoặc bể riêng
Toàn bộ Bể riêng Trong bể
Thô Thô Thô Sục khí bằng tia
Bật/tắt cấp khí, giây/giây
10/10a Liên tục Liên tục Liên tục Liên tục
Thời gian hoạt động lọc/nghỉ, min/min
Cần Không Cần Cần Không
1-2/tuần Không Không 1-2/tuần Không
Rửa ngược bằng axit xitric
1/tuần Không Không Không Không
Tại chỗ Tại chỗ Phải tháo nước
Thực hiện Ngâm Rửa ngược Rửa ngược Ngâm Rửa ngược
Hóa chất Hypochlorite Hypochlorite Hypochlorite Hypochlorite Hypochlorite
Citric acid Citric acid Citric acid Citric acid Citric acid a Phỏng theo một phần từ Yang và cộng sự, (2006), Babcock (2007), và Asano và cộng sự.(2007).
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ QUY TRÌNH MLE - MBR
1 Thiết lập lưu lượng và đặc điểm nước thải, bao gồm nồng độ rbCOD và yêu cầu đầu ra.
2 Tính toán để xác định các thông số sinh khối
3 Chọn giá trị thông lượng thiết kế màng và xác định tổng diện tích bề mặt màng cho thiết kế.
Để xác định thể tích bể lọc màng, cần dựa vào diện tích bề mặt màng cần thiết và tỷ lệ thể tích bể màng hiếu khí so với diện tích bề mặt màng theo yêu cầu của nhà cung cấp.
Xác định nồng độ MLSS trong bể Anoxic và bể Aerotank là rất quan trọng Sử dụng nồng độ MLSS của bể màng đã được chọn cùng với tỷ lệ tuần hoàn bùn hoạt tính trở lại để đảm bảo hiệu quả xử lý nước thải.
Xác định thể tích bể tiền sục khí và nồng độ sinh khối hoạt động là bước quan trọng trong thiết kế nitrat hóa Để xác định nồng độ sinh khối trong vùng thiếu oxy, cần tính toán phần sinh khối trong nồng độ MLSS và nhân kết quả với MLSS đã xác định ở Bước 5.
Sử dụng tỷ lệ bùn hoạt tính hồi lưu đã chọn cùng với giá trị NOX được xác định ở bước 9 trong thiết kế nitrat hóa, tiến hành xác định nồng độ NO3-N đầu ra.
Tính toán lượng nitrat đưa vào bể thiếu khí dựa trên giả định rằng hầu hết nitrat sẽ bị giảm trong vùng thiếu oxy.
9 Chọn thể tích bể Anoxic.
10 Tính toán F/Mb dựa trên nồng độ sinh khối trong vùng thiếu khí.
11 Xác định các hiệu chỉnh thích hợp về nhiệt độ và tỷ lệ IR để thu được SDNRb cho bể thiếu khí.
Sử dụng nồng độ sinh khối SDNRb và thể tích bể Anoxic để tính toán lượng nitrat loại bỏ So sánh lượng nitrat cần loại bỏ để đạt hiệu quả tối ưu trong các luồng tuần hoàn vào vùng thiếu oxy.
Đối với các bể thiếu khí ở hạ lưu, cần tính toán tỷ lệ F/Mb sau khi đã giảm BOD, bCOD và rbCOD đầu vào, dựa trên lượng nitrat được loại bỏ trong bể thiếu khí ở thượng lưu.
14 Lặp lại các bước thiết kế vùng thiếu oxy khi cần thiết để có được thiết kế thỏa đáng.
15 Tính toán nhu cầu oxy tính theo lượng oxy tương đương được cung cấp bởi NO3-N.
16 Xác định xem có cần bổ sung độ kiềm không.
17 Xác định công suất trộn vùng thiếu oxy.
Thiết kế hệ thống truyền oxy sục khí cho bể hiếu khí cần xác định tỷ lệ nhu cầu oxy tổng thể cho bể tiền sục khí và bể lọc màng MBR.
THIẾT KẾ QUY TRÌNH
Yêu cầu tính toán
Thiết kế quy trình MLE-MBR (Anoxic – Aerotank – Bể lọc màng MBR) nhằm mục đích loại bỏ BOD, thực hiện nitrat hóa và khử Nitơ, dựa trên các đặc tính của nước thải đầu vào.
Bảng 4- 1: Đặc tính nước thải đầu vào - ra
Thông số Đơn vị Đầu vào Yêu cầu đầu ra
Giá trị Ký hiệu định danh
BOD g/m 3 160 BODo 30 Se sBOD g/m 3 96 sBOD
COD g/m 3 290 CODo 50 sCOD g/m 3 174 sCOD rbCOD g/m 3 58
TP g/m 3 6 3 Độ kiềm g/m 3 as CaCO3
Nhiệt độ nước thải oC 18 T
Các thông số giả định và thực nghiệm
Bảng 4- 2 : Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế
STT Tham số Tra cứu Đơn vị Ký hiệu định danh
A Các thông số lựa chọn
1 Tỷ lệ tải trọng TKN đỉnh/trung bình
2 Tỷ lệ tuần hoàn bùn Mục 1.3.3 - RT 6
3 DO trong bể sục khí - mg/l DO 2
4 Thông lượng thiết kế qua màng
(theo nhiệt độ nước thải)
5 Tỉ lệ giữa thể tích bể màng và diện tích màng (0,015-0,05)
6 Độ sâu của mực nước trong bể - m Hwa 5,5
7 Điểm thoát khí của bộ khuếch tán so với đáy bể
8 Độ cao của địa điểm xây dựng trạm xử lý nước thải m zb 800
B Các thông số từ những nghiên cứu thực nhiệm
1 Tỉ lệ bCOD/BOD FCOD 1,6
2 Lưu lượng không khí cần cấp để làm sạch màng ( 3 -12 L/min.m 2 )
3 Nồng độ bùn hồi lưu trong bể
4 Hệ số sục khí α sử dụng trong hệ
5 Hệ số độ bão hòa DO tương đối với nước sạch (0,95-0,98)
6 Hệ số làm bẩn bộ khuếch tán F - - F 0,9
7 Gia tốc do trọng lực - m/s 2 g 9,81
8 Khối lượng phân tử của không khí
STT Tham số Tra cứu Đơn vị Ký hiệu định danh
9 Hằng số khí phổ quát - N.m/(mole air.K)
10.Áp suất chuẩn ở mực nước biển m P a 10,33
11.Áp suất khí quyển kPa P air 101.325
12.Bộ khuếch tán khí bọt mịn với nước sạch có sục khí với hiệu suất truyền
13.Yêu cầu năng lượng khuấy trộn bể Anoxic Mục 1.2.7 kW/m 3 P yc.ano 0,008
Tính toán
Bước đầu tiên trong thiết kế là xây dựng các đặc tính nước thải cần thiết Đầu tiên, xác định giá trị bCOD, với bCOD (So) = FCOD (BODo) = 1,6 (160 g/m³) = 256 g/m³ Tiếp theo, tính toán nbCOD bằng công thức nbCOD = CODo – bCOD, cho kết quả là (290 - 256) g/m³ = 34 g/m³ Sau đó, tìm sCOD không phân hủy sinh học đầu ra (nbsCODe) với nbsCODe = sCOD – 1,6 sBOD, cho kết quả là (174 g/m³) - (1,6)(96 g/m³) = 20,4 g/m³ Tiếp theo, tính nbpCOD bằng công thức nbpCOD = CODo - bCOD - nbsCODe, cho kết quả là (290 - 256 – 20,4) g/m³ = 13,6 g/m³ Cuối cùng, cần tìm VSSCOD.
2 1 g C D/g VSS=6,4 g nbVSS/m 3 g Tìm iTSS iTSS = TSSo – VSSo = (110 - 95) g/m 3 = 15 g/m 3
Bước 2 Tính toán các giá trị động học của Vi sinh vật dị dưỡng.
Sử dụng cỏc giỏ trị à max,H , b H ở bảng 2-1 và cỏc hệ số điều chỉnh theo nhiệt độ để hiệu chỉnh các giá trị theo nhiệt độ của nước thải ở18 o C
Bước 3 Xỏc định tốc độ tăng trưởng riờngà AOB cho vi khuẩn oxy húa amoniac.
Sử dụng các giá trị max, AOB, b AOB trong bảng 2-1 cùng với các hệ số điều chỉnh theo nhiệt độ để điều chỉnh các giá trị nhiệt độ của nước thải ở 18 độ C.
- b AOB,T o C =b AOB(1,029) T-20 = (0,17g/g.d)(1,029) 18-20 = 0,161 g/g.d ð Xỏc đị nh t ố c độ t ă ng tr ưở ng riờng à AOB
Bước 4 Xác định SRT lý thuyết và thiết kế. a Tìm SRT lý thuyết.
SRT LT = à = 0,152 g/g.d =6,6 ngày b Xác định SRT thiết kế.
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/m 3 b Giả sử giá trị NOX.
Giả sử nồng độ NO X chiếm 80% của TKN chảy vào, ta có thể áp dụng giải pháp lặp để tính toán giá trị NO X sau khi đã xác định P X,bio.
NO X =80% (TKN) = 0,8 (40 g/m 3 ) = 32 g/m 3 c Xác định sản lượng sinh khối P X,bio,VSS.
Bước 6 là xác định lượng nitơ bị oxy hóa thành nitrat (NOX) thông qua việc thực hiện cân bằng nitơ.
− − NOX = 31,65 g/m 3 ð Lặp lại để tính giá trịP X,bio theo giá trịNO X mới nhận được.
Thay thế giá trị P X, bio và kiểm tra lại phương trình với giá trị NO X là 31,65 g/m³ Do đó, một lần lặp lại là thỏa đáng (xem File Excel đính kèm tính toán) Giá trị PX, bio được tính sau khi trừ đi khối lượng vi khuẩn Nitrat hóa.
Bước 7 Xác định khối lượng của VSS và TSS trong bể sục khí. a Xác địnhP X,VSS
P X,VSS =P X,bio,VSS +Q(nbVSS) = 1308,8 kg/d + (20.000 m 3 /d)(6,4 g/m 3 )(1 kg/10 3 g)
P X,VSS = 1437,8 kg/d b Xác địnhP X,TSS
P = P +Q nbVSS +Q iTSS = 1539,8 kg/d + 129,0 kg/d + (20.000 m 3 /d)(15 g/m 3 )(1 kg/10 3 g) = 1968,7 kg/d
Bước 8 Xác định diện tích bề mặt của màng
Bước 9 Xác định thể tích bể lọc màng. a Xác định thể tích bể lọc màng
Vm = (FMem/be) (Am) = (0,025 m 3 /m 2 )(41.666,7 m 2 ) = 1042 m 3 b Xác định thời gian lưu nước bể lọc màng. m MBR
Bước 10 Thiết lập cân bằng khối lượng MLSS xung quanh bể tiền thiếu khí, bỏ qua lượng chất rắn gia tăng được tạo ra.
= = 10,286 g/m 3 ð Xác định giá trị MLVSS
Bước 11 Xác định thể tích bể sục khí – Aerotank. a Thể tích bể Aerotank
X TSS(V) = (X Ae)V Ae + (X R)V m = (P X,TSS)SRT ó ( 10,286 g/m 3 ) Ae ( 12,000 g/m 3 )( 1042 m 3 ) 1 kg 3 ( kg/d)(10.0 d) g 1968
+ ð VAe = 698,4 m 3 b Thời gian lưu nước trong bể Aerotank.
Bước 12 Xác định nồng độ sinh khối hoạt động. a Xác định sinh khối hoạt động.
ð P X b = 1.090,5 kg/d b Xác định nồng độ sinh khối hoạt động.
7 d kg/ = 0,55 ð Nồng độ sinh khối hoạt động:
Bước 13 Xác định nồng độ NO3-N đầu ra.
Bước 14 Xác định lượng NO3-N cấp vào bể Anoxic
Bước 15: Xác định thể tích thiếu khí Đầu tiên, ước tính thời gian lưu theo phần trăm tổng thể tích bể Aerotank và bể MBR là 20%, cho kết quả τ₀ = 0,20 (2,09 h) = 0,42 h Tiếp theo, sử dụng file excel đính kèm để lập lại tính toán và ước tính thời gian lưu chính xác hơn, kết quả cho thấy τ = 0,35 h = 0,015 ngày Cuối cùng, xác định thể tích ước tính của bể Anoxic.
Bước 17 Xác định SDNR. a Xác định tỉ lệ: rbCOD/bCOD rbCOD/bCOD = (58 g/m 3 )/(256 g/m 3 ) = 0,21 = 23% b Tra bảng 2-2 tìm giá trị b0 và b1 b0= 0,213; b1 = 0,118 c Xác định giá trị SDNRb.
SDNRb=b o +b 1[ln(F/Mb)] = 0,213 + 0,118 [ln(3,0)] = 0,342 g NO3-N/g MLVSS, biomass.d d Hiệu chỉnh giá trị SDNRb theo nhiệt độ 18 o C.
SDNRb,T o C = (SDNRb) (1,026) T-20 = 0,342 (1,026) 18-20 = 0,325 g/g.d e Áp dụng hiệu chỉnh tỉ lệ nội tuần hoàn - IR Vì giá trị IR = RT = 6; nên chúng ta sẽ sử dựng phương trình sau để hiệu chỉnh:
= 0,342 – 0,029 ln(3,0) – 0,012 = 0,282 g/g.d f Xác định giá trị SDNR
0,371 g NO3-N/g MLVSS, biomass.d Bước 18 Xác định lượng NO3-N có thể bị khử tại τ = 0,35 (h):
NO r = (V anoxic)(SDNR)(Xb) = (300 m 3 )(0,371 g/g.d)(5697 g/m 3 ) = 634.406 g/d ð Phần trăm chênh lệch của khả năng loại bỏ nitrat. x-feed x-feed
(Ch ấ p nh ậ n giá tr ị th ờ i gian l ư u ướ c tính, n ế u > 20% thì c ầ n ướ c tính l ạ i th ờ i gian l ư u cho phù h ợ p)
R o = (20.000 m 3 /d)[(256 – 0,34)g/m 3 ](l kg/10 3 g) – 1,42(1272,0 kg/d) + 4,57(20.000 m 3 /d)(31,65 g/m 3 )(l kg/10 3 g) – 3,86(18.000 m 3 /d)[(32,8 – 4,62) g/m 3 ] (l kg/10 3 g) = 4648 kg
Bước 20 trong thiết kế sục khí bọt mịn bao gồm việc xác định nồng độ bảo hòa oxy trong nước Cụ thể, nồng độ bão hòa oxy hòa tan ở nhiệt độ chuẩn 20°C là Cs,20 = 9,092 mg/L, trong khi ở nhiệt độ 18°C, nồng độ này là Cs,T = 9,47 mg/L Ngoài ra, cần xác định áp suất tương đối tại độ cao xây dựng bể xử lý nước thải zb = 800 m để hiệu chỉnh nồng độ DO theo độ cao.
9,81 m/s 28,97 kg/kg.mole 800 - 0 m exp 8314 kg.m kg-mole.K 273,15 18 K
0,91 c Xác định nồng độ oxy ở 20°C (C * ∞,20) tính đến lượng khí thoát ra ở độ sâu bộ khuếch tán.
= 10,85 m d Xác định tốc độ truyền oxy tiêu chuẩn tại địa điểm - SORT.
= 900,6 kg O2/h e Xác định lưu lượng khí i Xác định mật độ không khí ở 18 o C.
= + 1,1035 kg/m 3 ii Xác định lượng Oxy tương ứng theo khối lượng.
O − =ρ =(1,1035 kg/m 3 )(0,2318) = 0,256 kg O2/m 3 air ð Lư u l ượ ng khí là
Bước 21 Xác định lưu lượng không khí cho quá trình làm sạch bề mặt màng
Qair-MBR =Qls (A.m) = 5 (L/min.m 2 )(41.666,7 m 2 màng) = 208,3 m 3 /min
Bước 22 Kiểm tra độ kiềm.
