Quy trình cấp liệu theo bước, còn gọi là quy trình BNR là một quy trình sinh học dùng để xử lý nitơ, với cấu tạo là bể Anoxic đặt trước bể Aerotank, các bể sẽ xen kẽ nhau với thể tích các bể tương đồng. Đây là chuyên đề được xây dựng để phục vụ tính toán hiệu quả quy trình BNR để xử lý hiệu quả BOD, Nitrat hóa và khử Nitrat hóa. Bao gồm 3 phần chính, 1 là tính toán tổng thể tích bể Hiếu khí + thiếu khí, 2 tính toán các thông số kiểm soát, vận hành và hiệu quả của hệ thống BNR. 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 BNR 4
1.2.1 SRT hệ thống 4
1.2.2 Tỷ lệ khử nitrat riêng (SDNR) 4
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 5
1.4 Các cân nhắc đối với quy trình BNR 5
II SƠ ĐỒ QUY TRÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU 6
2.1 Sơ đồ quy trình 6
2.2 Biểu đồ 6
2.3 Bảng dữ liệu 6
III THIẾT KẾ QUY TRÌNH LOẠI BỎ NITƠ SINH HỌC CẤP LIỆU TỪNG BƯỚC BNR 7 3.1 Yêu cầu tính toán 7
3.2 Các thông số giả định và thực nghiệm: 8
3.3 Tính toán 9
3.3.1 Xác định tổng thể tích cụm bể sinh học A-O 9
3.3.2 Tính toán các thông số cho bể BNR 4 giai đoạn A-O xen kẽ 11
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1- 1: Sơ đồ quy trình loại bỏ nitơ sinh học theo từng bước 4
Hình 2- 1: Tỷ lệ khử nitrat riêng (SDNRb) dựa trên nồng độ sinh khối ở 20°C so với tỷ lệ thức
ăn trên sinh khối (F/Mb) đối với các tỷ lệ phần trăm khác nhau của rbCOD so với nước thảiđầu vào bCOD (a) đối với các giá trị F/Mb lên đến 20 và (b) thang đo mở rộng đối với các giátrị F/Mb lên đến 2 6
Trang 4DANG MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2- 1: Hệ số động học thiết kế bùn hoạt tính để loại bỏ BOD và nitrat hóa ở 20°C 6
Bảng 2- 2: Giá trị hệ số liên quan đến SDNRb với phần trăm rbCOD 7
Bảng 4- 1: Đặc tính nước thải đầu vào - ra 7
Bảng 4- 2 : Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế 8
Trang 5I Lý thuyết
1.1 Mô tả quy trình chung
Quy trình cấp liệu theo bước, còn gọi là quy trình BNR là một quy trình sinh học dùng
để xử lý nitơ, với cấu tạo là bể Anoxic đặt trước bể Aerotank, các bể sẽ xen kẽ nhau với thểtích các bể tương đồng (xem quy trình ở hình 1-1) Bố trí bể thường đối xứng và thể tích ởmỗi bể là bằng nhau
Hình 1- 1: Sơ đồ quy trình loại bỏ nitơ sinh học theo từng bước.
1.2 Các cân nhắc chung trong thiết kế quy trình BNR
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 61.2.3 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
1.3 Các yếu tố cân nhắc trong thiết kế
ð Các cân nhắc thiết kế (hãy xem lại nội dung ở chuyên đề 3.3 thiết kế quy trình
MLE)
1.4 Các cân nhắc đối với quy trình BNR
Các biến liên quan đến thiết kế quy trình loại bỏ nitơ sinh học theo từng bước cho một
bể hiện có là (1) phân phối dòng chảy giữa các lần đi qua, (2) sự phân chia tương đối giữa thểtích thiếu oxy và hiếu khí, và (3) nồng độ MLSS của lần đi qua cuối cùng Việc lựa chọn nồng
độ MLSS của lần đi qua cuối cùng dựa trên việc sử dụng tải chất rắn chấp nhận được cho bểlắng thứ cấp Với giá trị SRT đã biết, có thể xác định được nồng độ sinh khối và vi khuẩnnitrat hóa trong hỗn hợp chất lỏng, sau đó có thể sử dụng để xác định khả năng nitrat hóa vàkhử nitrat của hệ thống Quy trình thiết kế quy trình bao gồm các lần lặp lại liên tiếp với cácthể tích thiếu khí/hiếu khí khác nhau và các phân chia dòng chảy được đánh giá để tìm ra thiết
kế thỏa đáng nhất
Trang 7II SƠ ĐỒ QUY TRÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG DỮ LIỆU
2.1 Sơ đồ quy trình
2.2 Biểu đồ
Hình 2- 1: Tỷ lệ khử nitrat riêng (SDNR b ) dựa trên nồng độ sinh khối ở 20°C so với tỷ
lệ thức ăn trên sinh khối (F/M b ) đối với các tỷ lệ phần trăm khác nhau của rbCOD so với nước thải đầu vào bCOD (a) đối với các giá trị F/M b lên đến 20 và (b) thang đo mở rộng đối với các giá trị F/M b lên đến 2.
Ký hiệu định danh
Giá trị
Ký hiệu định danh
Giá trị
Ký hiệu định danh
VSS.d
Trang 8Y g VSS/g
substrateoxidized
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
Phần trăm rbCOD Hệ số phương trình SDNR
3.1 Yêu cầu tính toán
Xác định lượng nitrat hóa và nitrat loại bỏ trong quy trình loại bỏ nitơ sinh học cấpnước bốn bước Xác định tổng thể tích bể hiếu khí và thiếu khí Với đặc tính nước thải đầuvào như sau:
Bảng 4- 1: Đặc tính nước thải đầu vào - ra
Trang 9Đơn vị
danh
Giá trị
Ký hiệu định danh
Nhiệt độ nước
thải
3.2 Các thông số giả định và thực nghiệm:
Bảng 4- 2 : Các thông số giả định và thực nghiệm phục vụ thiết kế
Ký hiệu định danh
Giá trị
1 Bể sục khí cấp liệu từng bước được chia thành bốn đơn nguyên bằng nhau, với thểtích bằng nhau được sử dụng cho vùng thiếu khí và hiếu khí Lưu lượng chia chomỗi đơn nguyên như sau:
Trang 10STT Tham số Tra
Ký hiệu định danh
Giá trị
6 Nồng độ MLSS trong vùng hiếu khí của
đơn nguyên cuối cùng
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
VSS
8
5g
6 gC
COD
2, OD
//g
mVSS=20,0 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
Trang 11Sử 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 12 o C
- µ max,H,To C = µ max,H (θ)T-20 = 6,0 g/g.d (1,07)12-20 = 3,5 g/g.d
- bH,T o C = bH (θ)T-20 = (0,12 g/g.d)(l,04)12-20 = 0,088 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 12 o C
b Xác định sản lượng sinh khối P X,bio,VSS
˗ Giả sử (S o -S) ≈ S o (Vì các giá trị S theo các tính toán của các chuyên đề trước nhận thấy gí trị khá nhỏ)
( ) ( ) ( ) ( ( ) ) ( )
Trang 12g/m
0
= 13.422 m3
Hiệu quả Nitrat hóa của bể sục khí theo nhiều giai đoạn đã được chứng minh là sẽ nhỏ hơn
bể sực khí 1 giai đoạn (Xem cụ thể ở chuyên đề 3.2 SAT-Thiết kế bể Aerotank-theo giai
đoạn – 2025) Cho nên sẽ sử dụng thể tích bể ở trên = Tổng thể tích của cả bể Aerotank + bể
Anoxic để phục vụ tính toán cho Chuyên đề này, nhằm đánh gia tính hiệu quả của quy trình
xử lý Nitơ theo giai đoạn
3.3.2 Tính toán các thông số cho bể BNR 4 giai đoạn A-O xen kẽ.
Bước 8 Xác định thể tích vùng sục khí và vùng thiếu khí Giả định Thể tích thiếu khí là15%
a Tổng thể tích bể A-O sẽ là:
Trang 13Bước 10 Xác định nồng độ MLSS trong mỗi giai đoạn (xem hình bên dưới).
a Xác định nồng độ bùn cho giai đoạn 1 (X 1) bằng cân bằng khối lượng cho giai đoạn 1:0,10Q(0) + (QRAS)(8000 g/m3) = (RAS + 0,1Q)X 1
Trang 14b Xác định giá trị SRT thực tế theo tính toán của quy trình giai đoạn
Các thành phần MLSS = sinh khối dị dưỡng + mảnh vụn tế bào + sinh khối nitrat hóa + nbVSS + chất trơ vô cơ
Trang 150,45 g/g 224 g/m SRT kg
2
3 H
Trang 16b Xác định Nitơ cho sự phát triển của vi khuẩn nitrat hóa.
i Sinh khối Vi khuẩn nitrat hóa sản sinh hàng ngày
MNi-P = Sản xuất sinh khối + mảnh vụn hàng ngày = 18.617 + 7.040 = 25.657 kg/d
ii Lượng sinh khối thải bỏ hàng ngày
NO SRT M
AOB X Ni
Trang 17Bảng tóm tắt nồng độ sinh khối và nitrat hóa (AOB) trong giai đoạn đi qua bằng cách sử dụng các tỷ lệ từ tính toán phái trên.
Pass MLSSi, g/m 3 MLVSSi, g/m 3 Nitrat hóa (X N,i), g VSS/m 3 Sinh khối (X b,i), g VSS/m 3
Ghi chú: i = 1,2,3 hoặc 4 tương đương với giai đoạn 1 đến 4.
Bước 14 Đánh giá tốc độ nitrat hóa trong mỗi lần đi qua và so sánh với NH4-N được đưavào giai đoạn
a Chuẩn bị tóm tắt lưu lượng và cân bằng khối lượng
- i = 1,2,3 hoặc 4 tương đương với giai đoạn 1 đến 4.
- N i = Nồng độ NH 4 -N cho giai đoạn i, g/m 3
Thay các giá trị đã biết vào phương trình ta sẽ được như sau:
n
N R
Trang 183 3
N N
d Tóm tắt giải pháp cấp liệu từng bước cho NH4-N mỗi lần đi qua
Pass Nitrat hóa
R n,i, g/d
Trang 192 54 9080 15.890 0,738 252.796
Ghi chú: i = 1,2,3 hoặc 4 tương đương với giai đoạn 1 đến 4.
Bước 15 Xác định lượng nitrat loại bỏ trong vùng thiếu khí và nồng độ NO3-N đầu ra
Lượng nitrat đưa vào từng bể thiếu khí cho các giai đoạn 2, 3 và 4 bằng tốc độ nitrat hóa (g/d) ở giai đoạn trước cộng với nitrat không được loại bỏ ở các bể thiếu khí trước đó Đối với bể thiếu khí đầu tiên, lượng nitrat nạp vào bằng nồng độ NO 3 -N đầu ra nhân với lưu lượng RAS (giả sử không có quá trình khử nitrat trong bể lắng 2).
Các bước tính toán được xác định như sau:
a Xác định F/Mb,i
( )
( ),
c Xác định lượng NO3-N được loại bỏ
NOr,i = (Vanoxic)(SDNRi)(Xb,i)
d Lập bảng tóm tắt dữ liệu tính toán:
Trang 20Ghi chú: i = 1,2,3 hoặc 4 tương đương với giai đoạn 1 đến 4.
Bước 16 Cân bằng nitrat và nồng độ NO3-N trong nước thải
a Xây dựng các phương trình cân bằng khối lượng nitrat
Việc cân bằng nitrat cho mỗi giai đoạn đi qua được thực hiện để xác định lượng nitratcòn lại sau bể phản ứng thiếu khí và nồng độ nitơ nitrat đầu ra Lượng nitơ còn lại sau mỗi
bể phản ứng là:
hoặc từ giai đoạn phía trước.
b Xác định nồng độ Nitrat đưa vào giai đoạn 1
NO3-N (s1) = (QRAS)NOe= (RT)(Q) (NOe) = (0,6)(22.700 m3/d)(5 g/m3) = 68.100 g/dTrong đó: NOe = nồng độ NO3-N đầu ra; giả định giá trị ban đầu = 10 g/m3 (thực hiện lặp lại đến khi giá trị giả định bằng giá trị theo tính toán)
c Lập bảng tính để xác định giá trị NO3-N đầu ra sau xử lý
cho các giai
đoạn, g/d a
Khả năng loại bỏ thiếu khí b
NO 3 -N còn lại sau thiếu khí g/d
NO 3 -N được tạo
ra, trong mỗi giai đoạn đi qua, (R n,i ) g/d c
ra, g/d
(1) (2) (3)=(2)-(1) (4) (5)=(3)+(4)
Trang 212 168.889 214.219 0 252.796 252.796
NO3-N đầu ra cuối cùng (g/m3) = 8,37
aNguồn nitrat chảy vào: đối với giai đoạn 1,= RAS; các gia đoạn khá, = giá trị cột (5).
bLấy từ tính toán ở Bước 15
c Lấy từ tính toán ở Bước 14
Giá trị NO e-fi thu được bằng cách sử dụng NO 3 -N đầu ra được hiển thị trong cột (5) cho lần
xử lý thứ 4:
(Q + QRAS)Ne = NO 3 -N đầu ra ở giai đoạn 4 (g/d)
ð Kết quả giá trị NO3-N đầu ra cuối cùng:
NOe-fi = (303.954 g/d)/(Q + 0,6Q) = (303.954 g/d)/(1,6)(22,700 g/m3) =8,37g/m3
