Tính toán thiết kế xử lý nước thải bằng đất ngập nước

Hệ thống xử lý nước thải là hệ thống được tạo thành từ một số công nghệ xử lý nước đơn lẻ hợp thành, giúp giải quyết các yêu cầu xử lý nước thải cụ thể cho từng nhà máy. Mỗi loại nước thải tùy thuộc vào loại hình sản xuất mà sẽ có các công nghệ xử lý đơn lẻ khác nhau hợp thành, để tạo ra một hệ thống xử lý nước hoàn chỉnh. Một hệ thống xử lý nước thải hiệu quả và được thiết kế tốt sẽ giải quyết: 1. Xử lý được những thành phần gây ô nhiễm trong nước thải. Đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt chuẩn yêu cầu

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ WETLAND DẠNG FWS

a LÝ THUYẾT CHUNG Bãi lọc trồng cây ngập nước(FWS)

- Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay đất ngập nước tự nhiên Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho sự phát triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Dòng nước nước thải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng bãi lọc này thường là kênh dài hẹp, vận tốc dòng chảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạo nên chế độ thuỷ kiểu dòng chảy đẩy ( plug-flow)

 ĐƯỜNG ĐI CỦA CARBON TRONG FWS

 ĐƯỜNG ĐI CỦA CHẤT RẮN

 ĐƯỜNG ĐI CỦA NI-TƠ

 ĐƯỜNG ĐI CỦA PHOSPHOR

 LOẠI BỎ VI KHUẨN

b TÍNH TỐN

Thông số nguồn thải

Lưu lượng: 19.000m3/day

Trước xử lý

BOD5 lấy bằng 70%COD

84 mg O2/l

Tổng phốtpho 1,5(mg PO43-/l) Coliforms 80.000 CFU/100ml

Sau xử lý

TNK 20mg/l

1 Tính diện tích đất ngập nước cần thiết

Chọn thiết kế hệ thống đất ngập nước theo dạng cánh đồng ngập nước bề mặt

- Lưu lượng dòng thải : Q0= 19,000m3/ngàyđêm

- Tải trọng BOD5 trước khi xử lý là : C0 = 84 mg/l

- Tải trọng BOD5 sau xử lý là : C1 = 25 mg/l

- Áp dụng công thức tải lượng bề mặt (ALR) đối với tình trạng lưu lượng trung bình hàng ngày (Q0) để xác định điều kiện giới hạn kích thước của hệ thống Ta có:

W A

C Q ALR 0* 0



Với :

ALR : Tốc độ tải lượng bề mặt (chọn BOD5 = 60kgBOD5/ha.ngày, TSS = 50 kg/ha.ngày (nguồn Donald S Brown et al.(2000), Constructed Wetlands Treatment Of Municipal Wasteqaters, USEPA-NRMRL, September 2000)

Q0 : lưu lượng dòng thải vào (m3/ngày.đêm)

C0 : nồng độ chất thải đầu vào

+ Đối với sản lượng BOD5 :

ALR

C Q

A w 0* 0

kg mg ng

ha kgBOD

l mg m

l ng

m

/ 10

* / 60

/ 84

* / 1000

* / 000 , 19

6 5

3 3

= 26,6 ha + Đối với TSS :

ALR

C Q

A w 0* 0

kg mg ng

ha kgBOD

l mg m

l ng

m

/ 10

* / 50

/ 100

* / 1000

* / 000 , 19

6 5

3 3

= 38 ha + Thể tích đầm lầy:

VW = AW*h

Với :

VW : Thể tích đầm lầy (m3)

h : chiều sâu trung bình của mực nước trong đầm (m)

Chọn độ sâu trung bình của mực nước trong đầm là 0.8m

-> VW = 38ha* 10000m2 /ha* 0 8m= 304.000 m3

+ Tính thời gian lưu nước trên lý thuyết

0

*

*

Q

h A



Với :

T : thời gian lưu nước trong đầm (ngày)

: hệ số độ xốp của wetland

Thông thường người ta chọn rằng độ sâu trung bình là 0.8m (0.8m ở mặt nước thoáng và 1-1.5m ở vùng nước có phủ thực vật) và  = 0.8 [ 10]

/ 19000

8 0

* 8 0

* / 10000

* 38

3

2



ng m

m ha m ha

ngày  chọn 13 ngày + Độ dốc thủy lực nước bề mặt

3

* 1

2

h n

v

S 

Với :

V : vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s)

n : hệ số nhám Manning(s/m1/3), chọn n = 1,4

h : độ sâu trung bình của dòng chảy(m), chọn = 0,8

S : độ dốc thủy lực hoặc độ nghiêng của nước bề mặt

Ta có v được đo trực tiếp từ nguồn thải, chọn v = 0.1 m/s

3

* 1

2

h n

v

S 

= *0.8 3 4

0 1

/ 1

0 m s

=0.1875 ->S = 0.035 = 3.5%

+ Tải trọng thuỷ lực

W A

Q HLR  0

Với :

HLR : mức tải trọng thủy lực (m/ngày)

-> HLR =

ha m ha

ng m

/ 10000

* 38

/ 19000

2

3

= 0.05 m/ngày = 5 cm/ngày + Kiểm tra tải trọng hữu cơ theo BOD5

W A

C Q ALR 0* 0

ha

m kg ng

m

6 , 26

/ 084 0

* /

= 60 kgBOD5 /ha.ngày

+ Hiệu quả loại bỏ BOD5

 N

b tK C

C



 1

1 0

1

Với :

C0 : nồng độ BOD5 đầu vào(mg/l)

C1 : nồng độ BOD5 đầu ra (mg/l)

t(HRT) : thời gian lưu nước (ngày) = 13

Kb : hằng số tốc độ loại bỏ BODriêng (T-1)

T : nhiệt độ (0C)

->  N

b tK

C C



 1

*

1 0

) 04 1 (

* 15 0

* 13 1

/ 84

* 1



 ng

l mg

=25 mg/l

 đđđ đthỏa mãn yêu cầu đề bài cho

-> Hiệu quả xử lý BOD :

% 2 , 70

% 100 84

25 84

% 100 1

0



C

C C H

+ Lưu lượng nước thải sau xử lý

Qe = Q0 + P -I –ET

Vôùi :

Qe : Löu löôïng nöôùc sau xöû lyù ra khoûi ñaàm (m3/ngaøy)

Q0 : löu löôïng nöôùc thaûi vaøo (m3/ngaøy)

P : löôïng möa trung bình (mm/thaùng)

I : toác ñoä thaåm thaáu vaøo nöôùc ngaàm (m3/ngaøy)

ET : toác ñoä bay hôi (mm/thaùng)

Do löu löôïng nöôùc thaûi ñaàu ra sau xöû lyù thay ñoåi theo muøa phuï thuoäc vaøo caùc yeáu toá thôøi tieát neân ta coù:

- Vaøo muøa khoâ

P = 0

ET =130 mm/thaùng = 4.3 ml/ngaøy

-> vôùi dieän tích 38ha (~304.000m3) thì ET = 1.307,2 m3/ngaøy

I = K*AW

Vôùi :

K : heä soá thaám cuûa ñaát(cm/s)  chọn K = 4*10-7cm/s

-> I = 4*10-9 m/s*86400s/ngaøy*38 ha* 10000m2/ha = 131,328

m3/ngaøy

Vaäy vaøo muøa khoâ löu löôïng nöôùc thaûi sau xöû lyù laø:

Qe = 19000 – 131,328 – 1307,2 =17.561.427 m3/ngaøy

- Vaøo muøa möa

P = 330 mm/thaùng = 11 ml/ngaøy

-> vôùi dieän tích 38 hẵ 304.000 m3)thì löôïng möa trung bình laø: P =3344 m3/ngaøy

ET =90 mm/thaùng = 3 ml/ngaøy

-> vôùi dieän tích 38 ha thì ET = 912 m3/ngaøy

I töông töï nhö treân

Vaäy vaøo muøa khoâ löu löôïng nöôùc thaûi sau xöû lyù laø:

Qe = 19000 +3344-131,328-912=23.124.672 m3/ngaøy

Lưu lượng nước thải đầu ra sau xử lý được tính dựa vào lượng mưa tối đa, lượng bốc hơi trung bình, và lượng thấm tối

đa nhằm cân bằng mực nước trong đầm lầy đất ngập nước tốt nhất, tránh nguy cơ tràn nước, khô nước không dự tính trước do sự cố môi trường do mưa quá nhiều hay hạn hán

2 Thiết kế mô hình

Định dạng mô hình thiết kế

- Với tổng diện tích cần thiết của vùng đất ngập nước cần thiết là AW = 38ha

- Phân chia diện tích đất ngập nước sử dụng ra làm 2 đới như (Đới 1< đới 2 từ 2-3 lần)

+ Đới thứ nhất có vai trò như ao oxy hoá nhằm làm giảm nồng độ BOD, COD, TSS và các chất ô nhiễm trước khi đưa vào đới thứ 2 Với diện tích 10 ha

+ Đới thứ hai là vùng có trồng thêm các loài thực vật hấp thụ ô nhiễm, nhằm gia tăng hiệu quả xử lý ô nhiễm Với diện tích 28 ha

- Trong đĩ, đới thứ 2 được chia ra làm 2 khu vực kế tiếp nhau để trồng 2 loài thực vật đó là Sậy và Lục Bình Mục đích của việc đưa hai loại thực vật khác nhau là nhằm tăng hiệu quả xử lý các nguồn ô nhiễm khác nhau Cụ thể như:

+ Nước thải sau khi qua ao oxy hoá thì lượng chất rắn lơ lửng và hòa tan còn cao nên ta bố trí trồng Sậy trước vì Sậy và loài thực vật có bộ rễ cắm vào đáy ao có thân nhô lên khỏi mặt nước nên sẽ tạo sự cản trở làm tăng khả năng lắng của các chất lơ lửng Mặc khác Sậy là loại có khả năng hấp thụ các loại kim loại nặng cao hơn các loài thực vật khác nên bố trí Sậy trước các loài thực vật khác

nhằm làm giảm nồng độ các kim loại trước khi qua các ao xử lý khác nhằm làm giảm nguy cơ chết của các loài thực vật khác do không chịu được nồng độ kim loại cao

+ Tiếp theo nước thải sẽ qua ao Lục Bình vì lúc này trong nước thải chủ yếu chỉ còn các thành phần hữu cơ, Lục Bình là thực vật nổi có rễ trôi nổi trong nước nên sẽ có hiệu quả cao hơn trong việc loại bỏ hữu cơ trong nước

- Chọn tỷ lệ giữa chiều dài và chiều rộng của các vùng xử lý là 5-1 tỷ lệ này là tối ưu từ thực tế các công trình xử lý nước thải bằng đất ngập nước ( Breen, P F& Spears, M

1995, Somes et al 1998, Persson et al 1999)

Đới thứ nhất :

Diện tích 10 ha (100.000m2) -> chiều dài L = 600m , chiều rộng B = 167m

Đới thứ hai :

Diện tích 28 ha, chia làm 2 khu vực trồng Sậy và Lục Bình, mỗi khu vực 14 ha

->Kích thước dài rộng của mỗi khu vực là:

Chiều dài L = 700m, chiều rộng B = 200m

3 Tính toán các công trình khácï

Tính kích thước đê bao

Chọn kích thước mặt đê bao vòng ngoài của khu vực xử lý là 4m, đê ngăn giữa các ao xử lý là 2m

Chọn kích thước đê bao ngoài là 4m nhằm đảm bảo cho các phương tiện cơ giới có thể lưu thông vào khi xảy ra các sự cố như tràn nước thải qua đê hay vỡ đê bao

Kích thước chân đê bao ngoài:

Bb = Tb + 2*(d*z) = 4 + 2*(1.5*1) = 7 m

Trong đó:

Bb : chiều rộng chân đê ( m)

d : chiều cao của đê (m)

Tb : chiều rộng mặt đê (m)

z : hệ số tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng của đê Kích thước chân đê ngăn giữa các ao xử lý

Bn = Tn + 2*(d*z) =2 + 2*(1.5*1) = 5 m

Bn : chiều rộng chân đê ( m)

Tn : chiều rông mặt đê ngăn(m)

3 Tính toán khối lượng thi công

Tính độ sâu và mực nước trong Ao oxy hoá

Độ sâu của ao

h1 = hS1 +hd = 0.5 + 1 = 1.5 m

Trong đó

h1 : độ sâu ao (m)

hS1 : độ sâu đào xuống so với mặt nền (m), chọn hS1 = 0.5

hd : độ cao đê so với mặt nền (m), chọn hd = 1m ( chọn hd

bằng với chiều cao của đê dọc theo mương thoát nước của cụm công nghiệp)

Mực nước trong ao :chọn hn1 = 0.8m

Ao xử lý trồng sậy

Do mực nước trong các ao xử lý bằng thực vật thường thấp hơn1.2m mới đảm bảo hiệu quả xử lý ( EPA, 9-1999), nên chọn mực nước trong các ao xử lý có phủ thực vật là 1m

Độ sâu của ao

h2 = h1+0.2 =1.5+0.2=1.7m

->Độ sâu phải đào xuống là:hS2 =0.7m

Ao xử lý trồng lục bình

h3 = h2 =1.7m

->Độ sâu phải đào xuống là :hS3= 0.7m

Kiểm tra mực nước thực trong các ao xử lý

Do độ chênh địa hình giữa các ao xử lý là 0.1m, nên ta có mực nước thực trong các ao là

hn1 = 0.8m

hn2 = 1 + 0.1 = 1.1m

hn3 = hn2 + 0.1 = 1.2m

Thoả điều kiện mực nước trong các ao có phủ thực vật có mực nước thấp hơn 1.2m

Với

hn1 : mực nước trong ao oxy hóa(m)

hn2 : mực nước trong ao xử lý trồng Sậy(m)

hn3 : mực nước trong ao xử lý trồng Lục Bình ( m)

Khối lượng đất phải đào

R = S1* hS1+ S2* hS2 + S3* hS3

Trong đó

R : thể tích đất phải thi công đào(m3)

S1 : diện tích ao oxy hoá(m2), S1=10 ha = 100.000m2

S2 : diện tích ao xử lý trồng Sậy (m2), S2=14ha = 140.000m2

S3 : diện tích ao xử lý trồng Lục Bình(m2), S3=14ha = 140.000m2

-> R = 100.000*0.5 + 2*140.000*0.7 = 246.000m3

Các thông số thủy lực trong các ao xử lý

Theo Kadlec và Knight (1996) các thông số thủy lực trong các ao xử lý như : thông số độ dốc, tải trọng thủy lực, độ sâu đặt ống thải đầu vào và ra, thời gian lưu nước thực tế trong các ao xử lý có thể được tính như sau:

* Ao xử lý trồng Lục Bình

+ Thông số độ dốc

0

*

d

S L

d 

Trong đó:

L : chiều dài của ao xử lý(m), L = 700 m

Si : độ dốc đáy, Si =0.1/700 (0.1 là độ chênh lệch nền đáy )

Sd : thông số độ dốc

d0 : độ sâu nguồn nước ra(m), d0 = 1.2m

2 1

) 700 / 1 0 (

* 700





d

S

+ Tải trọng thủy lực

135 0 000 140

000 19

3







S

Q

Trong đó:

S3 : diện tích ao xử lý trồng Lục Bình(m2)

+ Thông số tải lượng

a d

L HLR M

*

* 4 0 2

1 

Trong đó:

M1 : thông số tải lượng

a : mật độ thực vật, a = 1*107 d-1m-1

chọn a = 1*107 d-1m-1 nếu vùng có thực vật dày đặc

a = 5*107 d-1m-1 nếu vùng có thực vật thưa thớt

7 4

2

10

* 1

* 2 1

700

* 135





M

Với M1 như trên, chọn tỉ lệ 0.85

0



d

d i

->d i 0.82*1.20.984m

Với di : độ sâu nước đầu vào(m)

+ Vận tốc nước trong ao

5 96 984

0

* 200

19000



i i

d b

Q

Với b : chiều rộng của ao = 200m

+ Thời gian lưu nước thực tế trong ao LB

1 , 7 19000

8 0

* 2 1

* 140000

*

* 0

3



Q

h S

ngày

*Ao xử lý trồng Sậy

+ Thông số độ dốc

0

*

d

S L

d 

Trong đó:

L : chiều dài của ao xử lý(m), L = 700m

Si : độ dốc đáy, Si =0.1/700 (0.1 là độ chênh lệch nền đáy )

Sd : thông số độ dốc

d0 : độ sâu nguồn nước ra(m), d0 = 1.02m

-> 0 1

02 , 1

) 700 / 1 0 (

* 700





d

S

+ Tải trọng thủy lực

135 0 140000

19000

2







S

Q

+ Thông số tải lượng

a d

L HLR M

*

* 4 0

2

1 

Trong đó:

M1 : thông số tải lượng

a : mật độ thực vật, a = 1*107 d-1m-1

7 4

2

10

* 1

* 02 , 1

700

* 135





M

Từ M1 và Sd  chọn tỉ lệ 0.85

0



d

d i

m

d i 0.85*1,020.867

+ Vận tốc nước trong ao

6 , 109 867

0

* 200

19000



i

i b d

Q

+ Thời gian lưu nước thực tế trong ao xử lý trồng Sậy

5 , 6 19000

8 0

* 1 1

* 140000

*

* 0

2



Q

h S

ngày

*Ao oxy hóa: chọn thời gian lưu từ 4-6h Chọn 5h

Dung tích thực tế của khu vực xử lý

VT = S1*hn1 + S2*hn2 + S3*hn3

= 100000*0.8 + 140000*1.1 + 140000*1.2 = 402.000 m3

Hiệu quả xử lý chất ô nhiễm qua các ao.

Ao oxy hoá

_ Nồng độ BOD đầu ra

C

b

/ 44 04

1

* 15 0

* 5 1

84

* 1 1

* 1

20 25

0







Với :

C0 : nồng độ BOD5 đầu vào(mg/l)

t(HRT) : thời gian lưu nước (ngày) chọn là 5 ngày

Kb : hằng số tốc độ loại bỏ BODriêng (T-1)

T : nhiệt độ (0C)

_ Hiệu quả xử lý

% 48

% 100 84

44 84

% 100 1

0



C

C C H

Ao xử lý trồng Sậy.

_ Nồng độ BOD đầu ra(nếu chỉ tính mặt thoáng không phủ thực vật)

C

b

/ 21 04

1

* 15 0

* 5 , 6 1

44

* 1 1

* 1

20 25

0







_ Nồng độ đầu ra trên chưa bao gồm hiệu quả xử lý của thực vật Theo tài liệu nghiên cứa của Kathe Seidel(1976) thì hiệu quả loại bỏ ô nhiễm BOD sau khi qua ao xử lý trồng Sậy là từ 90-100%, với mật độ thông thường từ 80-120 cây/m2, chọn mật độ 100 cây/m2, từ đó ta tính được nồng độ đầu ra thực sau ao xử lý trồng Sậy nếu xem hiệu quả xử lý là 90%

l mg

100

) 90

* 44 (



Với Ctt : nồng độ BOD5 thực tế đầu ra (mg/l)

_ Mật độ thực vật bố trí theo các tài liệu tham khảo nên sẽ điều chỉnh thích hợp theo điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng của từng vùng

Ao xử lý trồng Lục Bình

_ Nồng độ BOD đầu ra (nếu chỉ tính mặt thoáng không phủ thực vật)

C

b

/ 1 , 9 04

1

* 15 0

* 1 7 1

21

* 1 1

* 1

20 25

0







_ Ta có hiệu quả loại bỏ BOD của Lục Bình là từ 80-90%, nếu ta chọn hiệu quả xử lý là 85% thì nồng độ chất BOD đầu ra là

l mg

100

) 85

* 21 (



_ Mật độ bố trí Lục Bình phụ thuộc vào khả năng phát triển cây và các yếu tố về khí hậu Theo các kết quả thực nghiệm sử dụng Lục Bình để xử lý nước bãi rác thì mật độ trồng thí nghiệm khoảng 20-40 cây/m2, chọn mật độ bố trí là

30 cây/m2, mật độ này có thể điều chỉnh khi vận hành tùy theo sự phát triển của cây