Tài liệu Công nghệ xử lý nước thải xử lý sinh học hiếu khí dính bám vi sinh

CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ DẠNG TĂNG TRƯỞNG DÍNH BÁM 4.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC NHỎ GIỌT (TRICKLING FILTER) 4.1.1 Vật Liệu Lọc Vật liệu lọc có thể bằng đá, than, xỉ, plastic. - Đá + d = 10-25 mm + Chiều cao lớp vật liệu lọc dao động trong khoảng 0,9-2,5 m và thường là 1,8 m. - Plastic + Chiều cao lớp vật liệu lọc dao động trong khoảng 6-9 m và được gọi là tháp lọc sinh học. 4.1.2 Hệ Thống Phân Phối Nước - Sử dụng nguyên tắc phản lực Áp lực tại vòi phun từ 0,5-0,7 m Vận tốc phụ thuộc vào lưu lượng và thường bằng 1 vòng/10 phút; Khoảng cách từ lớp vật liệu lọc đến vòi phun từ 0,2-0,3 m. Tốc độ quay của dàn phân phối nước có thể xác định theo công thức sau: n - 1  R  q  10 3 mm / m   A DR  60  n là tốc độ quay (vòng/phút); q là tải trọng thủy lực của dòng vào (m3/m2.h); R là tỷ số tuần hoàn; A số lượng đường ống phân phối của hệ thống phân phối nước; DR là tốc độ tính bằng mm/đường ống phân phối. 4.1.3 Sàn Đỡ - Sàn đỡ được thiết kế sao cho có thể thu nước đều; Phân phối đều khí; Khoảng cách từ sàn đến đáy dao động trong khoảng 0,6-0,8 m; Đáy bể dốc 1-2% về máng thu trung tâm; Tường giữa đáy và sàn phân phối có đặt cửa sổ thông gió. Tổng diện tích cửa số chiếm 20% diện tích sàn. 4- 1 4.1.4 Cấp Khí Cấp khí tự nhiên phụ thuộc vào sự chênh lệnh nhiệt độ - + Nhiệt độ của nước thấp hơn nhiệt độ của không khí, khi đó nhiệt độ khí trong lỗ rỗng thấp nên khí sẽ đi từ trên xuống và ngược lại; + Khi nhiệt độ nước bằng nhiệt độ không khí, sẽ không có sự trao đổi khí nên cần thổi khí với tốc độ 0,3 m3/m2.phút. 4.1.5 Thiết Kế Trickling Filter  Se n  exp  k 20 D  Qv  Si - Se Si k20 D Qv Q A n : BOD5tc của nước thải sau lắng; : BOD5tc của nước thải vào bể trickling filter; : hằng số phục thuộc vào độ sâu của bể (D) ở 20oC (gal/phút)nft : độ sâu (ft) : lưu lượng tính trên một đơn vị thể tích bể trickling filter (gal/phút.ft2) = Q/A : lưu lượng qua trickling filter, không tuần hoàn (gal/phút) : diện tích tiết diện của trickling filter (ft2); : hệ số thực nghiệm, n = 0,5 D  k2  k1  1   D2  -  x k2 : hằng số ứng với trickling filter có D2 k1 : hằng số ứng với trickling filter có D1 D1 : độ sâu của trickling filter 1 D2 : độ sâu của trickling filter 2 x = 0,5 khi vật liệu là đá và dòng chảy theo phương thẳng đứng; x = 0,3 khi vật liệu là plastic và dòng chảy theo phương ngang. Bảng 4.1 Giá trị k20 đối với tháp trickling filter có độ sâu 20 ft, vật liệu lọc bằng plastic K (gal/phút.ft)0,5 0,065-0,10 0,060-0,08 0,020-0,05 0,030-0,05 0,020-0,04 0,035-0,05 0,020-0,07 Loại nước thải Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt + nước thải thực phẩm Nước thải chế biến trái cây đóng hộp Nước thải chế biến thịt Nước thải giấy Nước thải chế biến khoai tây Nước thải nhà máy lọc dầu Hiệu quả khử BOD5 4- 2 100 E 1  0,4432  - E W V F F - W V F : hiệu quả khử BOD5 của trickling filter và bể lắng 2; : tải trọng BOD5 của trickling filter (kg/ngđ); : thể tích vật liệu lọc (m3); : hệ số tuần hoàn nước 1 R R  1    10  2 R = QT/Q, trong đó QT là lưu lượng tuần hoàn và Q là lưu lượng xử lý Bảng 4.2 Các thông số thiết kế trickling filter Thông số Đơn vị Chiều cao lớp vật liệu lọc m (VLL) Loại vật liệu lọc Tải trọng chất hữu cơ kgBOD5/m3 VLL.ngđ Tải trọng thủy lực m3/m2.ngđ Hệ số tuần hoàn Tải trọng thủy lực bể lắng 2 m3/m2.ngđ Hiệu quả khử BOD5 sau % trickling filter và bể lắng 2 Tải trọng thấp 1-3 Tải trọng cao 0,9-2,5 (đá) 6-8 (plastic) Đá, than, plastic 0,40-1,60 4,1-40,7 0,5-2,0 16 65-85 Đá, than 0,08-0,40 1,0-4,1 0-1,0 25 80-90 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải có sử dụng trickling filter được trình bày trong Hình 4.1. Bùn Xả bùn Nước thải Bể lắng 1 Trickling Filter Nước thải sau xử lý Bể lắng 2 Dự phòng Bùn Tuần hoàn nước a. Trickling filter tải trọng thấp. Xả bùn Bùn Nước thải Bể lắng 1 Bùn Trickling Filter Bể lắng 2 Nước thải sau xử lý Tuần hoàn nước b. Trickling filter tải trọng thấp hoặc cao (khi cần chuyển hóa N-NH3 thành NO3- , tải trọng thấp) Xả bùn Bùn Nước thải Bể lắng 1 Bùn Trickling Filter Tuần hoàn nước 4- 3 Bể lắng 2 Nước thải sau xử lý c. Trickling filter với dàn phun liên tục Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải có sử dụng trickling filter. 4- 4 Đối với hệ thống trickling filter hai bậc, hiệu quả khử BOD của bậc thứ hai được tính theo công thức sau: E2  100 0,4432 W2 1 1  E1 VF Trong đó: - E1 là hiệu quả khử BOD của bể trickling filter thứ 1 (%); E2 là hiệu quả khử BOD của bể trickling filter thứ 2 (%); W2 là tải trọng BOD của bể trickling filter thứ 2 (kg.ngđ). Ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải đến hiệu quả khử BOD có thể được tính theo công thức sau: ET  E20 1,035 T  20 Trong đó: - ET là hiệu quả khử BOD ở nhiệt độ T (%); E20 là hiệu quả khử BOD ở 20oC (%). BÀI TẬP 4.1 Thiết bị lọc nhỏ giọt một bậc đường kính 10 m sử dụng vật liệu lọc bằng plastic dòng chảy ngang với chiều dày lớp vật liệu lọc là 6,1 m. Nước thải đưa vào thiết bị trickling filter có đặc tính như trình bày sau đây. Tính tải trọng thể tích theo BOD và TKN, tải trọng TKN đặc biệt và hiệu quả khử BOD ở 200C. Quá trình nitrate hóa có xảy ra trong hệ thống này không? Đặc tính nước thải vào trickling filter Thông số Lưu lượng BOD TSS TKN Đơn vị m3/ngđ g/m3 g/m3 g/m3 Giá trị 4000 120 80 25 (sinh viên giải bài tập ở nhà, bài tập sẽ được sửa trên lớp) BÀI TẬP 4.2 Nước thải của một khu đô thị có nồng độ BOD 250 g/m 3 được xử lý bằng hệ thống trickling filter hai bậc. Nước thải sau khi xử lý phải có nồng độ BOD 25 g/m 3. Nếu cả hai trickling filter trong hệ thống đều có độ sâu là 1,83 m và hệ số tuần hoàn 2:1, hãy xác định đường kính bể. Các thông số sau đây được sử dụng trong tính toán thiết kế: Lưu lượng nước thải Q = 7570 m3/ngđ; Nhiệt độ của nước thải = 20oC; Hiệu quả khử BOD trong bể lắng đợt 1 đạt 35%; E1 = E2. (sinh viên giải bài tập ở nhà, bài tập sẽ được sửa trên lớp) - 4- 5 BÀI TẬP 4.3 Với đặc tính nước thải trước và sau khi xử lý bằng trickling filter được trình bày sau đây, hãy xác định các thông số cần thiết để thiết kế bể. Biết rằng: - Hai bể trickling filter có độ sâu 6,1 m, Vật liệu lọc bằng plastic dòng chảy ngang có diện tích bề mặt 90 m2/m3; Hệ số n = 0,5 và hệ thống phân phối gồm 2 cánh tay đòn; Tốc độ tưới ướt tối thiểu là 0,5 L/m2.s; Độ sâu của bể lắng 2 là 4,2 m. Điều kiện thiết kế Thông số Lưu lượng BOD TSS Nhiệt độ tối thiểu Đơn vị m3/ngđ g/m3 g/m3 o C Nước thải trước khi xử lý 15.140 125 65 14 Nước thải sau khi xử lý 20 20 (sinh viên giải bài tập ở nhà, bài tập sẽ được sửa trên lớp) 4.2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG ĐĨA TIẾP XÚC SINH HỌC (RBC) 4.2.1 Tổng Quan Đĩa tiếp xúc sinh học đầu tiên được lắp đặt ở Tây Đức vào năm 1960, sau đó du nhập sang Mỹ. Ở Mỹ và Canada 70% số đĩa tiếp xúc sinh học được dùng để khử BOD của các hợp chất carbon, 25% dùng để khử BOD của các hợp chất carbon kết hợp với nitrat hóa nước thải, 5% dùng để nitrat hóa nước thải sau quá trình xử lý thứ cấp. Đĩa sinh học gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng, bằng polystyren hoặc polyvinylclorua (PVC) lắp trên một trục. Các đĩa được đặt ngập trong nước một phần và quay chậm. Trong quá trình vận hành, vi sinh vật sinh trưởng, phát triển trên bề mặt đĩa hình thành một lớp màng mỏng bám trên bề mặt đĩa. Khi đĩa quay, lớp màng sinh học sẽ tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với khí quyển để hấp thụ oxy. Đĩa quay sẽ ảnh hưởng đến sự vận chuyển oxy và đảm bảo cho vi sinh vật tồn tại trong điều kiện hiếu khí. Hình 4.2 Đĩa sinh học (RBC). 4- 6 4.2.2 Thiết Kế Để thiết kế đĩa tiếp xúc sinh học cần lưu ý các thông số sau: cách sắp xếp các đĩa tiếp xúc sinh học, lưu lượng nạp, chất lượng nước thải đầu ra và nhu cầu của bể lắng thứ cấp. Các cách sắp xếp đĩa sinh học Cách sắp xếp các đĩa tiếp xúc sinh học: người ta dùng các vách ngăn để chia bể xử lý thành nhiều ngăn, mỗi ngăn có một đĩa sinh học hoạt động độc lập, hoặc sử dụng nhiều bể chứa các đĩa sinh học nối tiếp nhau. Người ta thường sử dụng các hệ thống xử lý từ ba giai đoạn đĩa sinh học trở lên, việc sử dụng nhiều giai đoạn đĩa sinh học nhằm nitrat hóa nước thải. Lưu lượng nạp: lưu lượng nạp rất quan trọng đối với hiệu suất của đĩa sinh học, nạp quá tải sẽ làm thiếu DO cần thiết cho quá trình, sinh mùi thối do khí H 2S, sinh ra nhiều vi sinh vật hình sợi làm giảm diện tích tiếp xúc bề mặt. Bảng 4.3 Các giá trị tham khảo để thiết kế hệ thống xử lý bằng đĩa sinh học Thông số Lưu lượng nước thải nạp gal/ft2.d Lưu lượng chất hữu cơ nạp Lb SBOD5/103ft2.d Lb TBOD5/103ft2.d Lưu lượng nạp tối đa cho giai đoạn 1 Lb SBOD5/103.d Lb TBOD5/103.d Lưu lượng nạp NH3 lb /103ft2.d Thời gian lưu tồn nước (giờ) BOD5 nước thải sau xử lý mg/L NH3 nước thải sau xử lý mg/L Thứ cấp 2,0 - 4,0 Cấp xử lý Kết hợp nitrat hóa Natrat hóa riêng biệt 0,75 - 2,00 1,0 - 2,5 0,75 - 2,0 2,0 - 3,5 0,5 - 1,5 1,5 - 3,0 0,1 - 0,3 0,2 - 0,6 4-6 8 - 12 0,7 - 1,5 15 - 30 - 4-6 8 - 12 0,15 - 0,3 1,5 - 4,0 7 - 15 <2 0,2 - 0,4 1,2 - 2,9 7 -15 1-2 Nguồn: Metcatf & Eddy, 1991. Ghi chú: gal/ft2.d x 0,0407 = m3/m2.d, lb/103ft2.d x 0,0049 = kg/m2.d Các thiết bị cơ khí cho đĩa sinh học Trục quay. Trục quay dùng để gắn kết các đĩa sinh học bằng plastic và quay chúng quanh trục. Chiều dài tối đa của trục quay là 27 ft (8,23 m) trong đó 25 ft (7,62 m) dùng để gắn các đĩa sinh học. Các trục quay ngắn hơn biến thiên từ 5 - 25 ft (1,52 - 7,62 m). Cấu trúc, đặc điểm của trục quay và cách gắn các đĩa sinh học vào trục phụ thuộc vào cơ sở sản xuất. Đĩa sinh học. Đĩa sinh học được sản xuất từ PE có nhiều nếp gấp để tăng diện tích bề mặt. Tùy theo diện tích bề mặt người ta chia làm 3 loại: loại có diện tích bề mặt thấp (9290 m 2/8,23 m trục), loại có diện tích bề mặt trung bình và loại có diện tích bề mặt cao (11.149 -16.723 m 2/8,23 m trục). Thiết bị truyền động. Thiết bị truyền động để quay các đĩa sinh học người ta có thể dùng motor truyền động gắn trực tiếp với trục hoặc dùng bơm nén khí. Trong trường hợp dùng bơm nén khí các đầu phân phối khí đặt ngầm trong bể, thổi khí vào các chiếc tách hứng khí tạo thành lực đẩy làm quay đĩa sinh học. Bơm nén khí vừa quay đĩa vừa cung cấp thêm oxy cho quá trình. Cả hai loại này đều có độ tin cậy cao. 4- 7 Hình 4.3 Cách sắp xếp RBC. 4- 8 Bể chứa đĩa sinh học. Bể chứa có thể tích 45,42 m 3 cho 9290 m2 đĩa sinh học, lưu lượng nạp 0,08 m3/m2.d thông thường độ sâu của nước là 1,52 m và 40% diện tích đĩa sinh học ngập trong nước thải. Mái che. Mái che có thể làm bằng tấm sợi thủy tinh, có nhiệm vụ bảo vệ đĩa sinh học khỏi bị hư hại bởi tia UV và các tác nhân vật lý khác, giữ nhiệt cần thiết cho quá trình, khống chế sự phát triển của tảo. Các sự cố trong vận hành bao gồm trục quay bị hỏng do thiết kế kém, sự mỏi kim loại, quá nhiều vi sinh vật bám trên đĩa. Đĩa sinh học bị hư do tiếp xúc với nhiệt, các dung môi hữu cơ, tia UV. Ổ bi bị kẹt do thiếu mỡ bò. Mùi hôi do lưu lượng nạp chất hữu cơ quá cao. Để giải quyết các vấn đề trên hiện nay người ta có khuynh hướng đặt các đĩa sinh học sâu hơn trong nước thải để làm giảm tải trọng của trục và ổ bi. Bảng 4.4 Các thông số thiết kế đặc trưng của bể RBC Thông số Đơn vị m3/m2.ngđ g sBOD/m2.ngđ g BOD/m2.ngđ Tải trọng hữu cơ cực g sBOD/m2.ngđ đại của bể xử lý thứ 1 g BOD/m2.ngđ Tải trọng NH3 g N/m2.ngđ Thời gian lưu nước h BOD sau xử lý mg/L NH4-N sau xử lý mg/L Tải trọng thủy lực Tải trọng hữu cơ Cấp xử lý Khử BOD Khử BOD và nirate hóa 0,08-0,16 0,03-0,08 4-10 2,5-8,0 8-20 5-16 12-15 12-15 24-30 24-30 0,75-1,50 0,7-1,5 1,5-4,0 15-30 7-15 <2 Nitrate hóa riêng biệt 0,04-0,10 0,5-1,0 1,-2 1,2-3,0 7-15 1-2 Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003. Các Bước Tính Toán Thiết Kế RBC 1. Xác định nồng độ sBOD của nước thải trước và sau khi xử lý, lưu lượng cần xử lý; 2. Xác định diện tích bể RBC xử lý bậc 1 dựa trên sBOD cực đại từ 12-15 g sBOD/m3.ngđ; 3. Xác định số trục RBC, sử dụng mật độ đĩa tiêu chuẩn 9.300 m2/trục 4. Chọn số dãy (ngăn) để thiết kế, lưu lượng vào mỗi ngăn, số bậc xử lý và diện tích dĩa/trục của mỗi bậc xử lý. Đối với những bậc xử lý tải trọng thấp hơn, mật độ đĩa sẽ cao hơn; 5. Dựa trên giả thiết thiết kế ở bước 4, tính nồng độ sBOD ở mỗi bậc. Xác định nồng độ sBOD sau xử lý có đạt yêu cầu đặt ra không. Nếu chưa đạt, thay đổi số bậc xử lý, số trục/mỗi bậc và/hoặc diện tích đĩa của mỗi bậc xử lý. Nếu sBOD sau xử lý đã đạt yêu cầu, đánh giá các thông số thiết kế tối ưu. 6. Thiết kế bể lắng 2. 7. g/m3.ngđ x 0,0624 = lb/103 ft3.ngđ. 8. Thống kê kết quả thiết kế thành bảng. BÀI TẬP 4.4 Thiết kế hệ thống RBC để xử lý BOD với các thông số ban đầu sau: 4- 9 Thông số Lưu lượng BOD sBOD TSS Đơn vị m3/ngđ g/m3 g/m3 g/m3 Nước thải trước xử lý 4000 140 90 70 Nước thải sau xử lý (sinh viên giải bài tập ở nhà, bài tập sẽ được sửa trên lớp) 4-10 20 10 20