Xây dựng thí điểm mô hình ứng dụng công nghệ xử lý nước thải phi tập trung (DEWATS) để xử lý nước thải, chất thải chăn nuôi lợn quy mô vừa và nhỏ tại khu vực đồng bằng bắc bộ

Xây dựng thí điểm mô hình ứng dụng công nghệ xử lý nước thải phi tập trung (DEWATS) để xử lý nước thải, chất thải chăn nuôi lợn quy mô vừa và nhỏ tại khu vực Đồng bằng Bắc Bộ. Công trình xử lý nước thải là hệ thống xử lý nước thải phân tán DEWATS được lựa chọn là công nghệ đã được ứng dụng nhiều nơi trên thế giới như ấn Độ, Indonesia, Nam Phi và đã chứng tỏ được tính đơn giản, hiệu quả trong việc xử lý nước thải. Một ưu điểm nổi bật của công nghệ xử lý nước thải này là việc có thể khống chế chất lượng nước thải đầu ra

NHIỆM VỤ MÔI TRƯỜNG

Năm 2015

TÊN NHIỆM VỤ:

Xây dựng thí điểm mô hình ứng dụng công nghệ xử lý nước thải phi tập trung (DEWATS) để xử lý nước thải, chất thải chăn nuôi lợn quy mô vừa và nhỏ tại khu vực Đồng bằng Bắc Bộ

BÁO CÁO Tính toán thiết kế công nghệ, ổn định, kết cấu

MÔ HÌNH MH 04

Địa điểm: xã Trực Thái – huyện Trực Ninh – tỉnh Nam Định

Chủ trì nhiệm vụ: Ths Vũ Hải Nam

Tổ chức thực hiện: Trung tâm Đào tạo và Hợp tác quốc tế

Tổ chức chủ trì: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Cơ quan quản lý: Vụ Khoa học, Công nghệ & Môi trường

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

Hà Nội, Tháng 7/2015

NHIỆM VỤ MÔI TRƯỜNG

Năm 2015

TÊN NHIỆM VỤ:

Xây dựng thí điểm mô hình ứng dụng công nghệ xử

lý nước thải phi tập trung (DEWATS) để xử lý nước

thải, chất thải chăn nuôi lợn quy mô vừa và nhỏ tại

khu vực Đồng bằng Bắc Bộ

BÁO CÁO Tính toán thiết kế công nghệ, ổn định, kết cấu

MÔ HÌNH MH 04

Địa điểm: xã Trực Thái – huyện Trực Ninh – tỉnh Nam Định

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO VÀ HỢP TÁC QUỐC

TẾ GIÁM ĐỐC

Mục lục

1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ 1

1.1 Các tài liệu sử dụng để tính toán 1

1.2 Các dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán 2

1.3 Thiết kế qui mô các hạng mục: 2

1.4 Kết luận: 6

1.5 Phụ lục - Các bảng tính: 8

2 TÍNH TOÁN KẾT CẤU 12

2.1 Các tài liệu sử dụng để tính toán 12

2.2 Tính toán sức bền – kết cấu 12

3 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN MÓNG 22

3.1 Lựa chọn trường hợp tính toán ổn định: 22

3.2 Tính toán ổn định nền móng 23

3.3 Kết quả tính toán nội lực bằng phần mềm SAP 2000 25

1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ

1.1 Các tài liệu sử dụng để tính toán

Công trình xử lý nước thải là hệ thống xử lý nước thải phân tán DEWATS được lựachọn là công nghệ đã được ứng dụng nhiều nơi trên thế giới như ấn Độ, Indonesia,Nam Phi và đã chứng tỏ được tính đơn giản, hiệu quả trong việc xử lý nước thải Một

ưu điểm nổi bật của công nghệ xử lý nước thải này là việc có thể khống chế chất lượngnước thải đầu ra Thông số này sẽ được đưa vào như là một thông số đầu vào cho quátrình thiết kế hệ thống xử lý

Các tiêu chuẩn và tài liệu sử dụng:

- TCVN 7947:2008: Thoát nước – mạng lưới bên ngoài và công trình – Tiêuchuẩn thiết kế

- Qui chuẩn Quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT

- Tài liệu hướng dẫn thiết kế DEWATS của tổ chức BORDA

Tài liệu hướng dẫn thiết kế DEWATS của tổ chức BORDA dựa trên kết quả nghiêncứu về khả năng xử lý nước thải của các module của công nghệ DEWATS và đượcphát triển thành phần mềm trên nền Micosoft Exel để tính toán Phần mềm thiết kếDEWATS được viết với giao diện Microsoft Exel rất tiện lợi trong việc xử dụng đểtính toán thiết kế và kiểm tra Phần mềm có bảo mật để người dùng không thể thay đổithuật toán tính toán của chương trình Nguyên lý tính toán DEWATS là tính toán hiệuquả xử lý nước thải theo các chỉ tiêu COD, BOD5 Phần mềm còn có ưu điểm là ngoàiviệc tính toán hiệu quả xử lý còn tính toán được kích thước của các module Và việclàm việc với giao diện Micosoft Exel rất thuận tiện cho người thiết kế Chi tiết vềnguyên lý tính toán và phần mềm được nêu trong tài liệu DEWATS của BORDA

1.2 Các dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán

Lưu lượng nước thải hoạt động chăn nuôi theo kết quả khảo sát tại trang trại là trungbình 25 l/con/ngày Như vậy, lưu lượng nước thải chăn nuôi trong 01 ngày đêm cầnphải xử lý sẽ là:

Q = n x q / 1000Trong đó:

Q: Lưu lượng nước thải cần xử lý (m3/ngày đêm)

n: Số đầu lợn thường xuyên trong trang trại, n = 400

q: lượng nước hàng ngày cho mỗi đầu lợn, q = 25 l/con/ngày đêm

Thay số ta có:

Q = 400 x 25 / 1000 = 10 (m3/ngày đêm)

Do đó, chọn công suất thiết kế Q = 10 (m3/ngày đêm) làm cơ sở để tính toán thiết kế

Đối với nước thải ô nhiễm hữu cơ, việc tính toán hiệu quả xử lý dựa trên nền COD vàBOD5 Nồng độ COD và BOD5 của nước thải chăn nuôi theo kết quả phân tích tạitrang trại thì chất lượng nước thải sau hầm biogas hiện có như sau:

COD = 1.155 (mg/l); BOD5 = 822 (mg/l)

1.3 Thiết kế qui mô các hạng mục:

Sơ đồ đề xuất của hệ thống DEWATS dùng để xử lý nước thải cho trang trại chăn nuôi

mô hình MH 04 bao gồm các hạng mục sau:

- Nguồn tiếp nhận là kênh thủy lợi bên cạnh trang trại

Hình 1: Sơ đồ hệ thống DEWATS cho mô hình MH 04

Dữ liệu đầu vào:

- Nhu cầu ôxi sinh học dòng vào : BOD5 = 822 mg/l

- Nhu cầu ôxi hoá học dòng vào : COD = 1.155 mg/l

- Thời gian lưu nước trong bể: chọn TBL = 2,0h;

- Thời gian xả thải: Txả = 8 giờ

- Lưu lượng dòng thải: Q = 10 m3/ngày đêm

- Thời gian định kỳ cần hút bùn: TBùn = 9 tháng

- Chiều rộng bể lắng: chọn WBL = 1,5 m

- Độ sâu mực nước tại cửa xả: chọn HBL = 1,6m

Kết quả tính toán:

- Tỉ lệ loại bỏ COD qua bể lắng: 18%

 Hàm lượng COD tại cửa ra của bể lắng: 953 mg/l

- Hàm lượng BOD5 tại cửa ra của bể lắng: 670 mg/l

- Chiều dài ngăn thứ nhất: LBL1 = 1,20m

- Chiều dài ngăn thứ hai: LBL2 = 0,80m

Dữ liệu đầu vào:

Dữ liệu đầu vào để thiết kế bế xử lý vách ngăn kỵ khí dòng hướng lên là chất lượngnước đầu ra của bể lắng:

- Nhu cầu ôxi sinh học dòng vào :BOD5 = 670 mg/l

- Nhu cầu ôxi hoá học dòng vào : COD = 953 mg/l

- Lưu lượng dòng thải: Q = 10 m3/ngđ

- Thời gian xả thải: Txả = 8h

- Tỉ lệ loại bỏ BOD5 qua bể BR: 84%

 Hàm lượng BOD5 tại cửa ra của bể BR: 109 mg/l

- Tỉ lệ loại bỏ COD qua bể BR: 81%

 Hàm lượng COD tại cửa ra của bể BR: 183 mg/l

- Chiều dài mỗi ngăn bể ABR: LBR = 0,8m

- Thời gian lưu nước trong bể: 26h

Dữ liệu đầu vào:

Tương tự như tính toán bể ABR, dữ liệu đầu vào để thiết kế bể AF là chất lượng nướcđầu ra của bể ABR

- Nhu cầu ôxi sinh học dòng vào : BOD5 = 109 mg/l

- Nhu cầu ôxi hoá học dòng vào : COD = 183 mg/l

- Lưu lượng dòng thải: Q = 10 m3/ngđ

- Thời gian xả thải: Txả = 8giờ

- Nhiệt độ thấp nhất trong bể AF : T = 250C

- Độ rỗng của vật liệu lọc: 35%

- Bề rộng bể AF = 1,5 m

- Độ sâu mực nước tại cửa xả: HAF = 1,6m

- Số ngăn trong bể lọc kỵ khí: n = 3 ngăn

Kết quả tính toán:

- Tỉ lệ loại bỏ BOD5 qua bể AF: 68%

 Hàm lượng BOD5 tại cửa ra của bể AF: 35 mg/l

- Tỉ lệ loại bỏ COD qua bể BR: 62%

 Hàm lượng COD tại cửa ra của bể BR: 70 mg/l

- Thời gian lưu nước trong bể: 16,1h

- Chiều dài mỗi ngăn bể BR: LBR = 1,20m

- Chiều cao lớp vật liệu lọc = 0,55m

Gravel Filter)

Dữ liệu đầu vào:

Tương tự như tính toán bể ABR và bể AF, dữ liệu đầu vào để thiết kế bãi lọc ngangHGF là chất lượng nước đầu ra của bể AF

- Nhu cầu ôxi sinh học dòng vào :BOD5 = 35 mg/l

- Nhu cầu ôxi hoá học dòng vào : COD = 70 mg/l

- Lưu lượng dòng thải: Q = 10 m3/ ngày đêm

- Nhiệt độ tính toán trong bãi lọc ngang: T = 250C

- Độ dốc ngang: 1,0%

- Độ sâu tầng lọc: 0,5 m

Kết quả tính toán:

- Tỉ lệ loại bỏ BOD5 qua bãi lọc ngang HGF: 15%

 Hàm lượng BOD5 tại cửa ra của bãi lọc ngang: 30 mg/l

- Tỉ lệ loại bỏ COD qua bãi lọc ngang HGF: 14%

 Hàm lượng COD tại cửa ra của bãi lọc ngang: 60 mg/l

- Thời gian lưu nước trong bể: 1,08 ngày

- Chiều dài bãi lọc ngang: LHGF = 11,90m

- Bề rộng bãi lọc ngang: WHGF = 3,50 m

1.4 Kết luận:

- DEWATS được tính toán thiết kế dựa trên nền COD và BOD5 Từ các côngtrình DEWATS được xây dựng tại các nước trên thế giới và các công trìnhDEWATS được xây dựng ở Việt Nam đã kiểm chứng rằng kết quả tính toán cácchỉ tiêu COD và BOD5 là tin cậy

- Về hiệu quả xử lý N và P:

Việc loại bỏ N xảy ra theo các bước: Oxi hóa amoni, nitrat hóa và khử Nitrat.Trong quá trình này, dưới tác dụng của các nhóm vi khuẩn như Nitrosoma vàNitrobacter thì NH3 bị thành Nitrit (NO2), nitrate (NO3) và cuối cùng thành N tự

do và được hấp thụ bởi các loại cây trồng có khả năng hấp thụ N cao TrongDEWATS, hiệu quả xử lý N phụ thuộc điều kiện phát triển của hệ vi sinh vậtnói trên và khả năng hấp thụ của các loại cây trồng

Nguyên tắc xử lý P trong nước thải của DEWATS là phương pháp sinh học dựatrên khả năng tích lũy hợp chất P Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra cácphần tích lũy dư thừa (nhóm vi khuẩn Acinetobactor chẳng hạn) Photpho đượctách ra khỏi nước thải qua bùn dư hoặc muối kết tủa Hiệu quả loại bỏ P trongnươc thải phụ thuộc vào điều kiện phát triển của các nhóm vi khuẩn này và xảy

ra đồng thời với quá trình loại bỏ COD, BOD5

Trong tính toán DEWATS không tính được chính xác hiệu quả xử lý N và P ởmodule này Tuy nhiên, kết quả từ việc xử lý N, P thông qua các công trình

DEWATS được thiết kế theo đúng hướng dẫn có thể đạt tới gần 90% (Tổng Nđầu vào = 16,6mg/l; tổng N đầu ra = 1,85 mg/l – Mẫu nước quan trắc tại côngtrình DEWATS bệnh viện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam ngày 30/7/2007).

Như vậy, kết quả tính toán thiết kế công nghệ nước thải đầu ra như sau:

1.5 Phụ lục - Các bảng tính:

General spread scheet for tow-chamber settler (ST)

COD inflow BODinflow 5

HRT inside tank

settleable

SS / COD inflow

settleable

SS / COD outflow

COD outflow outflowBOD5 given given calcul. given given chosen given calcul calcul calcul m³/day h m³/h mg/l mg/l h mg/l / mg/l mg/l / mg/l mg/l mg/l

inner length of first chamber length of second chamber

volume incl

sludge

actual volume of septic tank

COD removal rate

chosen chosen chosen requir. chosen requir. chosen requir. check ! calcul.

settleable

SS / COD ratio

lowest digester temp.

depth at outlet

length of downflow shaft

number of upflow chambers

given given given given given given chosen required chosen chosen required chosen chosen

max peak flow per hour

actual upflow velocity

actual volume of baffled reactor

HRT in baffled tank

org load (BOD 5 )

biogas ( ass: CH 4

70%; 50% dissolved)

chosen calculated according to graphs 86% max.! calcul calcul calcul calcul calcul.

total BOD 5

rem.rate

COD / BOD removal factor

total COD rem.rate COD out BOD outcalcul calcul calcul calcul calcul.

4 baffled tanks are shown, actual number chosen is 6 cross section

gas release inlet

1 Fill in all figures in bold (until A12) 2 Check your effluent quality whether CODout or

BODout is sufficient 3 Check whether the total length of the tank suits your site 4 If

the result is not satisfying increase or reduce the number of chambers (M6) first 5 If

the result is still not satisfying increase or reduce the depth (G6).

intermediate and secondary results

lowest digester temper.

specific surface of filter medium

voids in filter mass

depth of filter tanks

length of each tank

number of filter tanks

width of filter tanks

given given given given given given given given chosen chosen chosen chosen

BOD 5

removal rate

COD outflow of AF

BOD 5

outflow of AF

h m/h f-temp f-load f-strenght f-surface f-HRT f-chamb % % mg/l mg/l

filter height

net volume of filter tanks

biogas pro- duction

calcul calc calcul calcul calcul calcul.

calculated according to graphs

general data dimensions

factors to calculate COD removal rate of anaerobic filter

55

1.5.4 Bảng tính thiết kế bãi lọc ngang trồng cây

General spread sheet for planted gravel filter, input and treatment data

hydraulic conduct

Ks

bottom slope

depth of filter at inlet

BOD 5

rem rate COD rem COD out

given given given calcul. wanted given given chosen chosen calcul calcul calcul.

width of filter basin chosen width

surface area required

length of filter basin chosenlength

actual surface area chosen

hydr load

on chosen surface

org load

on chosen surface calcul calcul calcul calcul calcul. chosen required calcul. chosen check ! calcul calcul.

plantation, preferably phragmites

2 TÍNH TOÁN KẾT CẤU

2.1 Các tài liệu sử dụng để tính toán

Các tiêu chuẩn và tài liệu sử dụng:

- Sổ tay kỹ thuật thủy lợi Phần 1 Tập 1,2,3

- Phụ lục tính toán thiết kế công nghệ

2.2 Tính toán sức bền – kết cấu

Trong các module của hệ thống xử lý thì các hạng mục của bể lắng làm việc bất lợinhất Lý do là: ngoại lực phân bố của các kết cấu phần trên của các module như nhaunhưng khẩu độ của bể lắng lớn nhất nên trong các cấu kiện sẽ xuất hiện nội lực lớnnhất Do vậy, chọn hạng mục bể lắng làm mô hình tính toán sức bền - kết cấu

- Tính toán kết nội lực mái bể lắng:

Cắt mái bể lắng theo chiều dọc với bề rộng 1m để tính toán Lực tác dụng lên cấu kiệntính toán như sau:

+ Tải trọng tiêu chuẩn:

Tải trọng bản thân cấu kiện qtc = 0,15x1x1x2.500 = 375 kG/m

+ Tải trọng tính toán:

Tải trọng bản thân cấu kiện qtt = 1,05 x 375 = 394 kG/m

Sơ đồ chịu lực của mái bể lắng là sơ đồ dầm liên tục 2 nhịp như hình vẽ sau:

1,08m 1,48m

q=394kg/m

Sử dụng phần mềm SAP 2000 để tính toán nội lực cho kết quả như sau:

Mô men lớn nhất trong dầm: M = 73,73 kG.m

Ứng suất lớn nhất trong dầm: σmax= M

W

Trong đó:

M: Mô mem uốn lớn nhất trong dầm, M = 73,73 kG.m

W: Mô đun chống uốn, W =b.h2

6 =1 x0,15

2

6 =0,00375m3.Thay số ta được:

σmax= M W =73,73 0,00375=19.661

kG/m2= 1,9661 kG/cm2.BTCT M250 có [] = 130 kG/cm2

Ta thấy max = 1,9661 kG/cm2 < [] = 130 kG/cm2 Vậy kết cấu đảm bảo điều kiệnbền

- Tính toán kết nội lực dầm, cột bể lắng:

Sơ đồ tính toán nội lực dầm, cột bể lắng như sau:

+ Tải trọng tiêu chuẩn:

Tải trọng phân bố trên dầm qdtc = (0,15x1+0,1x0,2)x2.500 = 425 kG/m

Tải trọng phân bố dọc cột: qctc = 0,2x0,2x2.500 = 100 kG/m

+ Tải trọng tính toán:

Tải trọng phân bố trên dầm qd = 1,05 x 425 = 446,25 kG/m

Tải trọng phân bố trên cột qctt = 1,05 x 100 = 105 kG/m

Sơ đồ chịu lực của mái bể lắng là sơ đồ dầm liên tục 2 nhịp như hình vẽ sau:

F: Diện tích tiết diện cột, F = 0,2 x 0,2 = 0,004 m2.

W: Mô đun chống uốn, W =b.h6 2=0,2 x 0,26 2=0,001

m3.Như vậy, ứng suất lớn nhất trong cột là:

Nội lực Điểm

 (kg/cm2) 2,87 4,55 2,45 2,70 2,14 3,21Như vậy, ứng suất lớn nhất trong cột tại điểm B là max = 4,55 (kg/cm2)

M: Mô mem uốn lớn nhất trong dầm, M = 62,09 kG.m

W: Mô đun chống uốn, W =b.h2

6 =0,2 x 0,25

2

6 =0,002m3.Thay số ta được:

Để tính toán nội lực trong bản đáy bể, ta cắt ra 1 dải b=1m Sơ đồ chịu lực của bản đáy

sơ đồ dầm trên nền đàn hồi

+ Trong lượng khối nước trong bể và trọng lượng bản thân của bản đáy

+ Nội lực của các cấu kiện bên trên truyền xuống bản đáy qua các chân móng A, B, C,

D, E F, G, H

+ Trọng lượng bản thân bản đáy

- Tải trọng tiêu chuẩn:

Tải trọng nước trong bể qntc = 1x2,4x1.000 = 2.400 kG/m

Tải trọng bản thân: qđtc = 0,2x1x1x2.500 = 500 kG/m

- Tải trọng tính toán:

Tải trọng phân bố trên bản đáy qđ = 1,05 x 500 = 525 kG/m

Tải trọng phân bố của nước qctt = 1,05 x 2.400 = 2.520 kG/m

Tổng tải trọng phân bố tính toán: qtt = 3045 kG/m

+Các tải trọng tập trung tại các điểm chân móng được tính toán thông qua phần mềmSAP 200 cho kết quả như sau

ks = 24(cNc + γDNq+0.4γBNγ)Trong công thức trên:

kS: Hệ số nền

c: Lực dính của đất nền, c = 0,14 kG/cm2 = 1,14 T/m3

γ: Trọng lượng riêng cuả đất phía trên điểm tính ks γ = γđn = 0,60 T/m3

φ: góc ma sát trong của đất φ = 9012’

D: chiều sâu tính kS D =  ruộng - đáy móng = 5,42 – 2,27 = 3,15m

Các giá trị Nc; Nq; Nγ là các hệ số không thứ nguyên tra bảng 2.67 Sổ tay kỹ thuậtthủy lợi Phần 1 tập 3 theo φ Với φ = 9012’ tra được N = 9,19; Nq = 2,49; Nc = 0,46.Thay các giá trị tìm được vào công thức tính toán hệ số nền ta được kS = 440,62 T/m3

= 440620 kG/m3

Sử dụng phần mềm SAP 2000 để tính toán nội lực cho kết quả như sau:

Nội lực trong dầm:

- Mô men dương lớn nhất trong dầm: M1 = 2.376,80 kG.m

- Mô men âm lớn nhất trong dầm: M2 = -1.650,32 kG.m

Ứng suất lớn nhất trong dầm: σmax= M

W

Trong đó:

M: Mô mem uốn lớn nhất trong dầm, M = 2.376,80 kG.m

W: Mô đun chống uốn, W =b.h2

6 =1 x0,20

2

6 =0,0067m3.Thay số ta được: