Mô hình hoá quá trình xử lý nướ thải sinh hoạt trên thiết bị tổ hợp aeroten biofilter

Trang 1 Ũ PHƯƠNG THUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI------ LU VẬN ĂN THẠC Ĩ SKHOA HỌCKỸ MÔTHUẬTI TRƯỜNGNGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNGMƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Tra

MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

- -

NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiện nay được xem l phương à pháp phổ biến, được áp dụng ộng r rãi để xử lý hầu h c ết ác loại nước thải giàu hữu c ơ như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp nói chung, nước thải công nghiệp một s ố ngành đ ển h i ình như công nghiệp chế biến thực phẩm, nước thải bệnh viện, nước r …Xác ử lý nước thải bằng phương pháp sinh học thông t ường được chia thành h hai qu trình: xửá lý hiếu í và xkh ử lý yếm íkh ; trong đó xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu í là kh được ử ụng s d

rộng ãi hơ r n c do hiệu quả xử lý cao, triệt để và ôả kh ng g y nhiâ ô ễm thứ cấp Tuy nhiên, c ng nghô ệ xử lý hiếu í lkh ại có nhược đ ểm là i chi ph đầu ư xây í t

dựng, chi ph ậní v hành_đặc biệt là chi ph cho năng lượng cấp khí tương đối í cao Do đó trong thực ế thiết kế c h t ác ệ thống ử lý hiện nay người ta cũng đã x

có nhiều nghiên cứu ứng dụng cho thấy việc thực hiện các quá trình ử lý kết xhợp c kác ỹ thuật ử lý yếm í x kh , hiếu í kh cho phép chúng ta c thể giảm được ó đáng kể c ác chi phí này

Trong khu n khô ổ đề tài này, chúng tôi đã xây dựng mô hình quá trình ử lý xnước thải sinh hoạt êtr n thiết bị t hổ ợp Aeroten – Biofilter (BFA) nhằm tối ưu hoá quá trình ho tan oxy trên cơ ởà s tính toán đồng b Bộ iofilter và Aeroten cao tải, nhằm giảm chi ph ận hành nhí v ưng vẫn đảm b ảo hiệu quả xử lý cao Trong quá trình thực hiện, chúng tôi kh ng trô ánh kh ỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những góp ý c c ủa ác thầy cô và c ác chuy n gia để chúng tôi êtiếp tục hoàn thiện mô hình ày trong thời gian tới, nhằm n cung cấp th m một ê

phương pháp mới trong lĩnh vực xử lý nước thải nở ước ta hiện nay, góp phần

b vảo ệ môi trường ngày àng hiệu quả hơn c

Phần I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1 Tổng quan về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

I.1.1 Cơ sở lý thuyết

Phương pháp sinh học hiếu í là kh phương pháp s dử ụng c ác vi sinh vật hiếu khí để phân huỷ c ác chất hữu c có ơ trong nước thải trong đ ều kiệni được c ấp

đủ oxy và iở đ ều kiện nhiệt độ, pH thích hợp Bản chất của phương pháp này

là quá trình oxy hoá sinh hoá hay qu trình n men bá lê ằng vi sinh vật Các vi sinh vật s dử ụng c ác chất hữu c và mơ ột s ố chất khoáng có trong nước th ảilàm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển Sản phẩm tạo thành ủa cquá trình n men là sinh khối vi sinh vật, các chất đơn giản lê như CO2, H2O,

NH3,…và năng lượng Cơ chế c ủa quá trình ồm ba giai đoạn nh sau: g ư

- Giai đ ạn vi sinh vật oxy o hoá c ác chất hữu c ơ trong nước thải để sinh trưởng:

Men vi sinh vật

CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O2  x CO2 + [(y-3)/2] H2O + NH3 + ΔH (1.1)

- Giai đoạn tổng hợp xây dựng tế bào mới, vi sinh vật phát triển luỹ tiến

về số lượng:

Men vi sinh vật

CxHyOzN + NH3 + O2  x CO2 + C5H7NO2 + ΔH (1.2)

- Giai đoạn chuyển hoá các chất của tế bào (tự oxy hoá) khi không còn

đủ cơ chất cho quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào:

Men vi sinh vật

C5H7NO2 + 5 O2  x CO2 + NH3 + H2O + ΔH (1.3)

Men vi sinh vật Men vi sinh vật

NO3 + O2  HNO2 + O2  HNO3 (1.4)

Như vậy quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải, nồng độ oxy cung cấp cho quá trình oxy hoá cũng như hoạt tính của vi sinh vật

I.1.1.1 Xác định nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải

Nước thải theo định nghĩa là nước được thải ra trong qu trình sinh hoạt, sản á xuất của con người hoặc ước do chảy n qua vùng đất ô nhiễm làm thay đổi thành phần, tính chất ban đầu của nước Tuỳ thuộc ào nguồn g v ốc phát sinh

mà nước thải có c ác thàn phần ô nhiễm khác h nhau Th ng thường ước thải ô nchứa rất nhiều các hợp chất, với s lố ượng và nồng độ cũng rất khác nhau Việc xác định ừng thành phần ô nhiễm cũng như nồng t độ c chúng là r ủa ấtphức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian, c ng sô ức và tiền của Do vậy, người ta thường d vựa ào một s ố chỉ tiêu để xác định ức độ ô nhiễm m

C ác chỉ tiêu để đánh giá định ượng nồng độ c l ác chất hữu c ơ trong nước thải

thường được x ác định ông qua lượng oxy tiêu thụ cho quá th trình oxy hoá c ácchất hữu c ơ đó; nếu là quá trình oxy hoá á hho ọc, người ta xác định nhu cầuoxy hoá học (COD_Chemical Oxygen Demand); nếu là quá trình oxy hoá sinh h , ngọc ười ta xác định nhu cầu oxy sinh hoá (BOD_ Biochemical Oxygen Demand) Ngo ra, người ài ta cũng có thể xác định ồng độ nhiễm n

b hẩn ữu c ôơ th ng qua tổng àm lượng cacbon hữu c h ơ ( TOC_Total Organic Carbon) Một chỉ tiêu nữa ũng thường được ùng để c d đánh giá mức độ nhiễm

b hẩn ữu c là ơ độ oxy hoà tan (DO_Dissolved Oxygen) do trong nước thải oxy được dùng nhiều cho quá trình sinh hoá nên dẫn đến hiện tượng giảm lượng oxy hoà tan, đây cũng là c s ơ ở để x ác định nhu cầu oxy hoá sinh học BOD

a Xác định hàm lượng oxy hoà tan DO

Oxy ho tan là à thành phần kh ng thể thiếu ô trong qu trình ử lý nước thải á x

bằng phương pháp sinh học hiếu íkh , oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh

ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái s ản xuất ở sinh vật

Oxy là chất í ó kh kh tan trong nước, độ ho tan củaà nó phụ thuộc ào nhiều v yếu t ố như áp suất, nhiệt độ, đặc tính ủa ước, chế độ thuỷ lực, các quá trình c n

hô hấp, quang hợp ủa ác loài thuỷ c c sinh…Nồng độ b ão hoà c ủa oxy trong nước ở nhiệt độ cho trước có thể tính theo định luật Henry

Trong nước thải, hàm lượng oxy hoà tan thường rất ấp th do quá trình oxy hoá làm tiêu tốn một lượng oxy đáng kể

Để xác định nồng độ oxy hoà tan trong nước người ta thường ùng phương dpháp iot (hay còn gọi là phương pháp Winkler) Phương pháp ày n d vựa àoquá trình oxy hoá Mn2+ thành Mn4+ trong m i trường kiềm và Mnô 4+ lại có khảnăng oxy hoá I- thành I2 tự do trong môi trường axit Lượng I2 tự do được giải phóng s tẽ ương đương với oxy hoà tan trong nước [3]

- Nếu ôkh ng c oxy: ó

Mn2+ + 2 OH-  Mn(OH)2 ↓ (1.5) (trắng)

- Nếu có oxy:

Mn2+ + 2OH- + ½ O2  MnO2↓ + H2O (1.6) (nâu)

MnO2 + 2I- + 4H+  Mn2+ + I2 + 2H2O (1.7) Ngoài ra, cùng ới s v ự phát triển của khoa học hiện đại người ta cũng có thể xác định được ương đối chính xác hàm lượng oxy ho tan b t à ằng c mác áy đo

b Xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD

Nhu cầu oxy sinh hoá là lượng oxy cần thiết mà vi sinh vật s dử ụng để oxy hoá c ác chất hữu cơ, hay nói cách khác, BOD là ôth ng số biểu thị cho nồng độ

c ác chất hữu c có ơ trong nước thải mà có thể bị phân hu sinh hỷ ọc Khi quá trình oxy hoá x ảy ra, các vi sinh vật s dử ụng oxy và c ác chất hữu c có ơ trong nước thải làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để sinh tổng h c ợp ác sinh chất và t ạo thành ế b m t ào ới

Trong thực tế, để xác định được lượng oxy tiêu t n cho quố á trình oxy hoá hoàn to c chất hữu c c màn ác ơ ần ột khoảng ời gian khá dài, khoảng từ th 10 –

20 ngày thậm chí là lâu hơn, do đó người ta thường chỉ xác định ượng oxy l

c ần thiết trong 5 ngày đầu, ở nhiệt độ ủ 20oC, thông qua xác định ượng ổng l tlượng oxy hoà tan trong mẫu pha loãng ở ngày đầu và ngày thứ 5:

1 2

5

DO -DOBOD =

P mg/l (1.8) trong đó:

- DO1 : nồng độ oxy hoà tan của ẫu nước thải m pha loãng trước khi ủ (mg/l)

- DO2 : nồng độ oxy hoà tan của ẫu nước thải m pha loãng sau khi ủ 5 ngày ở 20°C (mg/l)

s tố ốc độ phản ứng K tăng Tốc độ ủa phản ứng sinh hoá phụ thuộc v c àonhiều yếu t ố nhưđặc tính ủa các chất hữu c c ơ trong nước thải, nồng độ cũng

nh khư ả ă n ng ph n huâ ỷ c ác chất ô nhiễm của vi sinh v , nhiật ệt độ môi trường

Việc xác định nhu c oxy sinh ho BOD trong thầu á ực tế chỉ thu được giá trị tương đối, bởi vì ngo i qu trình oxy ho sinh hoà á á á c ác chất hữu c cơ ũng có thể tồn tại song song qu trình oxy hoá c há ác ợp chất nitơ àm cho nhu cầu oxy l

tăng lên, dẫn đến sai lệch giá trị c ủa BOD Do vậy, để ác định BOD, người x

ta cũng cần phải xác định lượng oxy tiêu thụ cho quá trình itrit hoá n

c Xác định nhu cầu oxy hoá học COD

Nhu cầu oxy hoá học COD l chỉ ốà s biểu thị cho hàm ượng chất hữu c có l ơtrong nước thải, là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học c hác ợp chất hữu c ơ nhờ ự s x t c múc ác ủa ột t ác nh n â oxy hoá mạnh Phương pháp x ácđịnh COD phổ biến hiện nay là phương pháp bicromat Ph ng pháp này s ươ ử

dụng ạc unfat làm chất xúc b s tác, ở nhiệt độ sô à i v trong m i trường axit để ôoxy hoá c ác chất hữu cơ Tuy nhiên phương pháp ày c n ũng có h ạn chế đối với một vài hợp chất chứa nitơ, ví dụ như metylamin, etylamin, pyridin,… bị oxy hoá r ất chậm, trong khi đó cũng có một vài h ợp chất vô c lơ ại bị oxy hoá cùngvới các hợp chất hữu c ơ như ion clorua, nitrit, sunfit, dẫn đến ai lệch trong skết quả

I.1.1.2 Xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

a Quá trình phát triển của vi sinh vật trong môi trường nước thải

Nước thải khi mới thải ra m i trường thườngô có r ất ít vi sinh v , tuy nhiật ên chỉ sau một thời gian rất ngắn vi sinh vật cũng đã có thể phát triển lên gấpnhiều lần Vi sinh v s dật ử ụng các chất hữu c có mơ ặt trong nước th làm ảinguồn dinh dưỡng để tổng ợp sinh chất tế b m h ào ới và t ạo ra năng lượng Như vậy trong qu trình sinh trưởng và phát triển của mình, vi sinh vật đã làm á tiêu hao các ơ chất có trong nước thải, đồng thời t c ạo ra sinh khối vi sinh vật hay bùn hoạt tính Quá trình sinh trưởng của vi sinh v trong mật ôi trường nước thải thường được nhận biết qua khối lượng tăng sinh khối vi sinh vật, bao gồm c ả khối lượng vi sinh vật đã chết và c t ác ạp chất khác Quá trình ày nđược chia thành c ác giai đoạn mô tả như hình 1.1

Hình 1.1: Đường cong sinh trưởng của tế bào và việc sử dụng dinh dưỡng

- Giai đ ạn I: giai đ ạn thích nghi với môo o i trường ống, sinh khối tăng schậm

- Giai đ ạn II: giai đ ạn phát triểo o n lu tiến, vi sinh vật phát triển mạnh ỹ

mẽ trong đ ều kiện d i ư thừa dinh dưỡng của môi trường, ốc đột tăng trưởng phụ thuộc ào khả năng trao đổi chất của vi sinh v hay t v ật ốc độsinh trưởng riêng của từng loại vi sinh vật và được ác định ằng biểu x bthức:

rg dX X

τ

rg: t ốc độ tăng trưởng sinh khối (mg/l.t)

X: nồng c độ ủa sinh khối (mg/l)

µ: hằng s t ố ốc độ sinh trưởng (l/τ)

τ: thời gian

- Giai đ ạn III: giai đ ạn phát triển cho o ậm dần, khối lượng sinh khối tăng

kh ng ô đáng kể, thậm chí đạt ức cân b m ằng do nguồn dinh dưỡng trong

- Giai đ ạn IV: giai đ ạno o phân huỷ nội sinh, khi nguồn dinh dưỡng từ

môi trường ạn kiệt, các chất dinh dưỡng từ tế b c ào chết được th ra ải

môi trường để ônu i dưỡng ác ế b s c t ào ống

Để mô tả cho quá trình sinh trưởng ủa c vi sinh vật người ta thường s dử ụng

mô hình động h Mọc onod, đây là mô hình phổ biến nh hiện ất nay v đượcà xem là nền tảng để xây dựng ác c mô hình xử lý b ùn hoạt ính hiện đại t Phương trình của mô hình này có dạng:

- S: nồng độ ơ chất chính hạn định sinh tr c ưởng của vi sinh vật (mg/l)

- Ks: hằng s b ố ão hoà, là nồng độ ơ chất hạn định khi c µ µ= o/2 (mg/l)

- µo: tốc độ tăng trưởng riêng cự đạic

Phương trình này cũng được minh hoạ êtr n hình 1.2

Hình 1.2: Ảnh hưởng của yếu tố dinh dưỡng chính lên tốc độ sinh trưởng

X S r

tỷ lệ thuận với t ốc độ ăng trưởng riêng hay ho t ạt tính của vi sinh vật, với mật

độ vi sinh v trong nật ước thải, với nồng c độ ơ chất và hiệu suất tạo thành sinh khối

Tích phân (1.15) theo thời gian với iđ ều kiện ban đầu t = 0, S = So, với giả thiết nồng độ vi sinh vật trong suốt thời gian phản ứng là ôkh ng đổi X =

const, ta có:

Ks.ln(So/S) + So – S = (µo/Y).X.t = k.X.t (1.16) trong đó k = µo/Y gọi là hệ s ố tiêu thụ c ơ chất riêng của vi sinh vật

Do Ks << S nên có thể bỏ qua số hạng đầu của (1.16), khi đó ta được:

S = So – k.X.t (1.17) Đây là phương trình động h ọc phản ứng b ậc 0 với hệ s ố k

Thực tế quá trình ử lý n x ước thải thường ử ụng nhiều ại s d lo vi sinh vật khác nhau, và trong hệ thống ử lý c x ũng thường ảy ra đồng thời nhiều quá trình xchuyển á với t ho ốc độ khác nhau, do đó ác c mô hình động học được cập đề

thường thu được ác c thông số kh ng mấy đặc trưng cho quá trình phát triển ô

c ủa vi sinh vật

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

Đối v i ớ quá trình ử lý n x ước thải bằng phương pháp sinh học hiếu íkh , ngoài

c yác ếu t ố chính ảnh hưởng tới quá trình xử lý như nồng độ ơ chất, nồng độ c

vi sinh vật, hàm lượng oxy hoà tan, còn có c yác ếu t ố khác có ảnh ưởng đáng h

kể tới hiệu xu xử lý c hất ủa ệ thống có thể kể đến như là nhiệt độ, pH, các nguyên tố khoáng, kim loại, chế độ thu lực của hệ ỷ thống C y t nác ếu ố ày có ảnh hưởng tới quá trình phát triển của vi sinh vật và qua đó àm l ảnh ưởng tới hhiệu quả c ủa quá trình ử lý tiê x u hao cơ chất trong nước thải

Đa s c ố ác loài vi sinh vật đều có một khoảng nhiệt độ để phát triển tối ưu, thông thường t 20 ừ – 40oC, ngoài khoảng nhiệt độ này s lẽ àm ức chế ự s phát triển của vi sinh vật, thậm chí làm chết ế b t ào vi sinh, làm giảm khả ăng nthích nghi của vi sinh vật với môi trường ũng như khả ăng trao đổi chất và c nchuyển hoá c ơ chất của vi sinh vật Nhiệt độ cũng làm ảnh ưởng tới t h ốc độ

c c ủa ác phản ứng sinh hoá, cũng nh khư ả ă n ng ho tan cà ủa oxy Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng oxy hoá sinh hoá tăng, nh ng hư àm lượng oxy hoà tan lại giảm

Tương tự như nhiệt độ, yếu tố pH của môi trường ước thải c n ũng ảnh ưởng htới s ự sinh trưởng và phát triển của vi sinh, dải pH hoạt động tối ưu của vi sinh thường từ 6.8 8.5, nhưng tối – ưu nhất là tại pH trung tính (pH = 7)

C ác nguy n tố khoáng vi lượng cũng có ảnh hưởng tới s ê ự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, chủ y là ếu N, P, K Đây là c ác nguy n tố cần thiết cho êquá trình chuyển ho sinh hoá c á ủa vi sinh v Khi thiật ếu các nguy n tố này sẽ êlàm giảm kh năng chuyển hoá làm sạch nước thải, làm giảm sinh trưởng của ả

vi sinh, và làm cho bùn ho ạt tính trở nên khó lắng Ngược lại khi các nguyên

t n bố ày ị d ư thừa quá mức s lẽ àm ức chế hoặc làm chết vi sinh vật, và do đó

cũng àm giảm hoạt t l ính ủa vi sinh vật c

Ngoài ra, các muối kim loại nặng ũng c gây tác động ôkh ng nhỏ ới quá t trình

xử lý do bùn hoạt ính có khả năng hấp thụ c t ác muối này làm cho c vi áckhuẩn dạng sợi phát triển mạnh gây ra hiện tượng trương phồng của bùn ho ạt

tính và do đó làm giảm khả ăng chuyển hoá c b n ủa ùn

I.1.2 Mô hình ho á quá trình ử x lý nước thải

Mô hình ho quá trình xử lý ná ước thải là một phương pháp hiện đại để khảo

sát, đ ều khiển và tối ưu hoá c i ác quá trình xử lý C hai loại mô hó ình được ử s

dụng ộng ãi là mô h r r ình ật v lý và mô hình toán ọc h

Mô hình ật lý là mô hình v được xây dựng tr n cơ ở thực ế, từ ê s t quy m thô í nghiệm, chuy n sang quy mể ô pilot v quy mà ô s ản xuất Qua mô hình ày ta n

có thể đánh giá được ác ếu t c y ố ảnh ưởng ới quá trình và qua đó có thể t h t ínhtoán iđ ều chỉnh c ác thông số liên quan để quá trình đạt hiệu quả xử lý cao.Loại mô hình thứ hai là mô hình toán ọc mô phỏng c h ác quá trình x y ra ảtrong hệ và mối êli n hệ giữa c ác quá trình đó Mô hình toán ọc thường mang h

tính ổng quát và t cho kết quả sâu sắc ơn mô hình v lý h ật do có tính tới c ácyếu t ố không thể đ o đếm được ằng thực nghiệm b

Để xây dựng mô hình toán ọc của một hệ xử lý nước thải, về h nguy n tắc êngười ta cần phải thành lập dạng thức c các quá trình tr n của ê ơ ở s toán ọc, hsau đó ười ng ta khảo át ác quá s c trình ảy ra trong hệ bao gồm c x ác quá trình thuỷ động h c c ọc ủa ác phản ứng, các quá trình chuyển khối, quá trình truyền nhiệt, cũng như các iđ ều kiện đầu và biên để xây dựng phương tr nh toì án học

mô phỏng ứng với từng quá trình Từ c ác phương trình x y dâ ựng được, người

ta mới hợp nhất lại để tạo thành mô hình toán chung cho toàn b ộ quá trình xử

lý

I.2 Quá trình x lý nử ước thải trong thiết bị Aeroten

I.2.1 Quá trình trong thiết ị b aeroten

Quá trình xử lý nước thải trong thiết bị Aeroten là một dạng ủa quá trình xử c

lý hiếu kh trong đó các vi sinh v sinh trí ật ưởng ở trạng thái huyền phù hay còn gọi là b ùn hoạt ính, ở nồng độ t cao v được khuấy trộn à đều ới n v ước thải

S ơ đồ hệ thống xử lý nước thải trong bể Aeroten được mô tả như hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải bằng thông khí sinh học

Quá trình sinh học trong hệ thống ảy ra như sau: Dòng n x ước thải đi vào có hàm lượng dinh dưỡng cao là môi trường thích h ợp để c ác vi sinh vật phát triển, lúc này b ùn hoạt tính ắt đầu hình ành nh b th ưng lượng sinh khối còn r ất

ít Sau một thời gian, các vi sinh vật d ần thích nghi với môi trường ước thải, nphát triển lu tiến, sinh khối b tỹ ùn ăng mạnh, lượng tiêu thụ oxy t ng dă ần do tham gia vào quá trình oxy hoá c ác chất hữu c và c ơ ác quá trình sinh hoá trao đổi chất của vi sinh vật Khi vi sinh vật phát triển ổn định chính là lúc quá trình phân huỷ c ác chất hữu c ơ đạt hiệu quả cao nhất, lượng tiêu thụ oxy gần

nh kh ng ư ô đổi Khi các chất hữu c cơ ạn kiệt thì quá trình n at hoitr á xảy ra, lượng tiêu thụ oxy giảm d ần

Đối với hệ thống xử lý bằng ể Aeroten, việc b cung c í ấp kh đóng vai trò r ấtquan trọng tới hiệu suất của quá trình, th ng thườngô có hai loại ôth ng kh : íthông kh ơ ọcí c h và ôth ng kh ằng ục kh én Việc ôí b s í n th ng kh phải đảm b í ảo

b mề ặt tiếp x úc giữa ôkh ng kh , nước thải và b í ùn hoạt ính phải lớn ì t th hiệu quả của quá trình mới cao

Có nhiều loại bể Aeroten, tuỳ theo mục đích s ử dụng c thể ó chia thành ể bAeroten tải trọng thấp, tải trọng cao, với tái sinh riêng biệt b ùn ho tạt ính hoặc không tái sinh; hay theo quá trình ho ạt động c hủa ệ thống c thể ó chia thành ệ hlàm việc theo mẻ, hệ b êán li n tục, hệ êli n tục ới d v òng đẩy lý tưởng, hệ êli n

t vục ới khuấy trộn hoàn toàn

I.2.2 Mô hình ho á quá trình ử x lý nước thải trong thiết b ị Aeroten

Như đã trình ày ở tr n, Aeroten là một thiết bị làm sạch nước thải b b ê ằng ùn b hoạt tính ở dạng huyền phù, trong đó có s dử ụng hệ thống th ng kh để đảm ô í

b ảo cung cấp đủ oxy cho quá trình chuyển hoá c ơ chất của vi sinh vật và trạngthái lơ lửng, phân bố đồng đều ủa ác c c bông bùn Hiệu quả của quá trình xử

lý phụ thuộc ào nhiều yếu tố, nhưng chủ y là v ếu do ba yếu t ố chính: nồng độ

c ơ chất, nồng độ và hoạt ính của vi sinh vật, nồng độ oxy hoà tan Để mô thình hoá Aeroten một cách đơn giản nh , người ất ta cần phải xem xét tới những diễn biến thuỷ động học của ba yếu ố chính này Quá trình xảy ra t trong hệ là quá trình oxy hoá sinh học, các vi sinh vật sử dụng ơ chất và oxy c hoà tan trong nước thải để t ạo ra năng lượng và sinh tổng hợp tế b ào mới; sự tiêu hao cơ chất tỷ lệ với lượng sinh khối t ạo thành; nhu cầu tiêu thụ oxy hoà tan phụ thuộc mật độ vi sinh vật, sự phân bố ủa vi sinh vật, nồng độ, thành c phần và bản chất ủa ơ chất Quá trình cấp khí lại phụ thuộc vào nhu cầu oxy c c hoà tan, các yêu cầu kỹ thuật nhằm ngăn ngừa hiện tượng lắng đọng c b , ủa ùn

c ác chế độ thu động c hỷ ủa ệ thống Tổng quát lại có thể xem hệ thốngAeroten là tổng ợp của h hai qu trình: quá ìá tr nh sử ụng ơ chất của vi sinh d c vật và quá trình c ấp khí

Như vậy, để xây dựng mô hình toán ủa Aeroten, ta cần thiết lập được các cphương trình động học mô phỏng quá trình sử dụng c chất của vi sinh vật và ơphương trình thuỷ động học trong thiết bị mô phỏng quá trình cấp khí Dưới đây là mộ ốt s mô hình toán ủa Aeroten đã c được công bố ộng ãi [1]: r r

Để xây dựng mô hình ổng quát t c ủa aeroten, người ta tiến hành thi ết lập các phương trình cân bằng vật liệu cho một phần tử thiết bị aeroten dV (hình 1.4) theo nồng c độ ơ chất S, bùn hoạt tínhX, v ượng oxy hoà tan C à l

Hình 1.4: Cân bằng vật liệu của phần tử thiết bị aeroten

2

0 1 2

2 1

2 2

2 3

W 2 (S, X, C).F.dl

.dS

F D dl

( G dGdl C )( dCdl )

dl dl

S 0 v 1 (l).dl K.C 0 v 3 (l).dl

Rút gọn các số hạng giống nhau, bỏ qua các số hạng dG dSdl dl dl2,

I.2.2.2 Mô hình đẩy lý t ưởng

Mô hình (1.18) là mô hình aeroten ở ạng ổng quát với t d t ổ chức dòng như

hình 1.5a Tổ chức dòng trong mô hình có thể biến đổi thành ác ạng khác c d

nhau nh trong hư ình 1.5b,c,d

Hình 1.5a: Aeroten dạng tổ chức dòng tổng quát

Hình 1.5b: Aeroten dạng cấp tập trung nước thải

Hình 1.5d: Aeroten dạng cấp tập trung nước thải,

cấp phân tán bùn hoạt tính

Hình 1.5:Các dạng ổ chức d t òng trong thiết bị aeroten

NT: nước thải; BHT: bùn hoạt tính; KK: kh ng khí; Sô 0: BOD5 trong nước thải

d g vòn ào, g/m3; X0: lượng b ùn hoạt tính dòng ào aeroten, g/m v 3; C0: lượng

oxy không khí dòng vào, g/m3; Sr, Xr, Cr: BOD5, lượng b ùn hoạt tính và lượng

oxy trong nước thải dòng ra, g/m3; G1: tổng lưu lượng ước n thải dòng ào, v

m3/h; G2: tổng l ượng ùn òng ào, m b d v 3/h; G3: tổng l ượng kh ng khí d ô òng

vào,m3/h; G4: tổng l ượng ước thải đã xử lý,m n 3/h; G1i, G2i, G3i, G4i: lưu lượng

nước thải vào, lượng b ùn hoạt tính vào, lượng ô kh ng khí cấp vào và l ượng

nước thải đã xử lý ở điểm thứ i, g/m3

Trong mô hình (1.18), khi D = v1(l) = v2(l) = 0 mô hình chuyển thành dạng

mô hình toán ủa aeroten với chế c độ đẩy lý tưởng, cấp ập t trung nước thải và

- Khi l = 0 th S = Sì v , X = Xv , C = Cv ; trong đó Sv , Xv , Cv là nồng độđầu vào c nủa ước thải, bùn ho ạt tính, và oxy trong aeroten Sv ,Xv ,Cv

được tính như sau:

Cn là nồng độ oxy trong nước thải (g/m3)

Cb là nồng độ oxy trong bùn (g/m3)

Hình 1.6: Aeroten với chế độ đẩy lý tưởng

I.2.2.3 Mô hình aeroten với chế độ cấp phân tán nước thải

Tại từng đ ểm ấp i c nước thải vào c ủa thiết bị có s ự thay đổi một cách rời r ạc

t ốc độ tuyến ính u, hay do sự pha loãng ẫn đến ự thay đổi về n t d s ồng độ ơ c chất, nồng độ bùn ho ạt tính và nồng độ oxy Giả thiết aeroten được c t t ấu ạo ừ

n ngăn, tương ứng với n đ ểm ấpi c nước thải vào, chiều dài mỗi ngăn là l = L/n; chiều rộng và chiều cao mỗi ngăn bằng chiều rộng B v chiều cao H của à aeroten Khi tốc độ khuấy trộn đủ mạnh có thể giả thiết trạng thái thuỷ động ở

từng ngăn tương ứng ới chế v độ trộn lý tưởng Giữa c ác ngăn có s ự trao đổi

dòng do tốc độ tuyến tính u của dòng và khuấy trộn dọc thiết bị

Cân bằng ật liệu v theo nồng độ ơ chất t c a có:

Hay nếu giả thiết ôkh ng khí cấp phân án t d ọc theo chiều dài c ủa aeroten, và oxy hoà tan theo dòng ước thải và b n ùn hoạt ính ấp ào ta cũng có thể thiết t c vlập cân bằng vật ệu li theo lượng oxy:

trong đó K: là hệ s h ố ấp thụ oxy của chất lỏng trong aeroten

Kết hợp c hác ệ phương trình (1.21), (1.22), (1.23) ta được mô hình toán ủa c aeroten trong trường h ợp cấp phân tán ước thải, cấp tập n trung bùn ho tạt ính

Hình 1.10: Quá trình lọc sinh học

Trong hệ lọc sinh học, nồng độ chất hữu c và nơ ồng độ oxy hoà tan trong nước thải s ẽ giảm ần d theo chiều cao từ tr n xuống của lớp vật ệu đệm ê li Hiệu suất làm sạch nước thải c hủa ệ thống phụ thuộc ào bản chất và nồng độ v

c c ủa ác chất hữu c ơ trong nước thải, hoạt tính của vi sinh vật, chiều dày của lớp màng sinh học, chế độ thuỷ lực của hệ (chế độ chảy dòng qua lớp vật ệu li , chế độ phân phối nước, lưu lượng tuần hoàn), chế độ th ng kh , đặc ính ủa ô í t c loại vật ệu đệm li ( kích thước, độ ỗng, độ ốp r x , bề mặt riêng, cấu ình c h ácphần tử), khả năng thấm ướt ủa màng sinh học, nhiệt độ mô c i trường

Vật liệu lọc

Bể lắng đợt 1

Bể lắng đợt 2

Bể lọc sinh học

N ước

thải vào

N ước tuần hoàn

Xả ra nguồn tiếp nhận

Xả cặn

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống lọc sinh học

Phương pháp lọc sinh học có ưu điểm là đơn giản, tải lượng chất ô nhiễm dao động trong kho g tản ương đối rộng, tiêu hao ít năng lượng, song hiệu suất của quá trình ại bị l ảnh ưởng ớn của nhiệt độ h l

I.3.1 Các quá trình ơ ản trong lọc sinh học c b

Hệ lọc sinh học có đặc trưng quan trọng nhất là vi sinh vật bám vào bề mặt của vật ệu đệm li tạo thành màng sinh vật Thời gian lưu thủy lực ngắn nên vi sinh vật tự do trong nước ít có cơ hội bám dính vào màng, thường bị rửa trôi theo dòng chảy Yếu điểm của kỹ thuật lọc sinh học so với kỹ thuật huyền phù

là hiệu quả xử lý thấp hơn vì trước khi cơ chất được vi sinh vật sử dụng đã xảy ra một loạt các quá trình chuyển khối: từ nước tới bề mặt màng, khuyếch tán qua màng, chuyển khối trong lớp lọc Quá trình chuyển khối không chỉ liên quan đến cơ chất mà còn của các hợp chất hóa học với tư cách là nguyên liệu (oxy, các chất dinh dưỡng…) và các sản phẩm đã chuyển hoá Tốc độ của hầu hết các quá trình chuyển khối rất chậm, đặc biệt là quá trình động học xử

lý nước thải Các quá trình chính cần được quan tâm là: chuyển khối qua màng thủy lực, chuyển khối qua màng vi sinh

I.3.1.1 Chuyển khối qua màng thủy lực

Bể lắng đợt 1

Bể lắng đợt 2

Bể lọc sinh học

N ước

thải vào

N ước tuần hoàn

Xả ra nguồn tiếp nhận

Xả cặn

Giữa các lớp chất rắn trong bộ lọc sinh học là các khoảng không gian rỗng, tùy thuộc vào kích thước vật liệu mang, thể tích rỗng trong bộ lọc có thể chiếm tới 80 90% của bộ lọc Quá trình chuyển khối trong vùng không gian – rỗng phụ thuộc vào kỹ thuật lọc là quá trình khuyếch tán trong pha khí (lọc khô) hay trong nước (lọc ngập nước) và quá trình chuyển khối cưỡng bức Tốc độ chuyển khối do đối lưu cưỡng bức có tốc độ lớn hơn nhiều so với khuyếch tán và có thể tăng cường khá dễ dàng Vì vậy trở lực do chuyển khối chủ yếu ở giai đoạn khuyếch tán qua màng thủy lực và màng vi sinh vật Hình 1.12 mô tả quá trình chuyển khối qua lớp màng thuỷ lực

Hình 1.12: Chuyển khối qua màng thuỷ lực

Màng thủy lực có độ dày rất nhỏ, chỉ cỡ phần ngàn mm (µm), nhỏ hơn nhiều

so với màng vi sinh (0,3 – 1,0 mm) Màng thuỷ lực được cấu tạo từ nước nhưng tính linh động của các phân tử nước trong đó thấp hơn so với nước ở trạng thái bình thường khuyếch tán của một chất nào đó qua màng có thể coi -

là khuyếch tán của nó trong môi trường nước trong cùng điều kiện

Nồng độ của chất khuyếch tán ở phía ngoài màng được xem là ổn định, có giá trị là S0, tại phía đầu khác của màng là S1 luôn thấp hơn S0 (do bị tiêu hao) và

vì vậy sẽ xuất hiện quá trình khuyếch tán của cơ chất theo hướng từ ngoài vào trong lớp màng thủy lực

Áp dụng định luật khuyếch tán I cho trường hợp trên, ta có phương trình:

Tốc độ chuyển khối ns, tỉ lệ thuận với sự chênh lệch nồng độ (S0 – S1), với hệ

số khuyếch tán D và tỉ lệ nghịch với chiều dày L2 của lớp màng thủy lực Lượng chất vận chuyển do khuyếch tán qua màng phụ thuộc tuyến tính vào tiết diện khuyếch tán A Với cùng một khối lượng chất mang, kích thước của chất mang càng nhỏ thì tổng diện tích A trong cột lọc càng lớn, A tương ứng với diện tích mặt ngoài của chất mang

Giả sử chất mang có dạng hình cầu với bán kính R, khối lượng riêng ρ thì tiết diện mặt ngoài A của từng hạt là:

3

A

R ρ

= (1.32)

A: Diện tích riêng của hạt hình cầu quy theo khối lượng [m2/kg]

ρ: Khối lượng riêng [kg/m3]

Với các loại chất mang (vật liệu đệm sinh học) được tạo thành khối từ các loại nhựa, ví dụ như dạng tổ ong thì diện tích bề mặt của nó thường được biết với

tư cách là chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm, ví dụ loại 200 m2/m3 Đó là tiết diện hình học của vật liệu mang

I.3.1.2 Quá trình trong màng sinh học

Tiếp xúc trực tiếp với màng thủy lực là màng sinh học, kế tiếp là bề mặt vật liệu đệm chỉ đóng vai trò chất cố định vi sinh, không tham gia vào bất cứ quá trình chuyển khối hay phản ứng nào của hệ

Dọc theo chiều dày của màng sinh học xảy ra quá trình khuyếch tán và đường khuyếch tán kết thúc với điểm tiếp giáp với bề mặt vật liệu đệm Nồng độ chất khuyếch tán giảm từ phía ngoài vào trong do khuyếch tán và do bị tiêu thụ bởi các phản ứng hóa học xảy ra trong màng Trong màng xảy ra hai quá trình: cung cấp nguyên liệu cho phản ứng hóa học do quá trình khuyếch tán, tiêu thụ nguyên liệu do phản ứng Khi nguyên liệu cho phản ứng dồi dào, thỏa mãn cho phản ứng thì phản ứng sẽ xảy ra với tốc độ không kém hơn so vớ nó i trong trường hợp phản ứng trong thể tích nước Khi nguồn nguyên liệu không đáp ứng đầy đủ do khuyếch tán chậm thì tốc độ phản ứng sẽ chậm theo phù hợp với lượng nguyên liệu được cung cấp Trong trường hợp này quá trình phản ứng bị khống chế bởi quá trình khuyếch tán

Để thiết lập được phương trình toán học mô tả mối quan hệ trên cần phải áp dụng một số giả thiết:

- Màng vi sinh có tính đồng nhất và có chiều dày là L1

- Quá trình khuyếch tán có thể mô tả qua định luật khuyếch tán Fick I

- Hệ số khuyếch tán trong màng không thay đổi, được đặc trưng bởi De

- Phản ứng hoá học xảy ra trong màng có tính chất không thuận nghịch

và được mô tả qua các phương trình động học thông dụng

- Quá trình xảy ra ở trạng thái ổn định

Thiết lập phương trình c n bằng chất cho một đoạn dx của L1 ta â được:

k.f(S): là tốc độ phản ứng Đối với phản ứng bậc 0, 1, 2 thì tốc độ phản ứng có các dạng tương ứng k, kS và kS2, k là hằng số tốc độ

Đây là phương trình vi phân thường bậc hai và có thể giải theo các phương pháp tiêu chuẩn Để thuận lợi cho việc giải phương trình không bị ảnh hưởng bởi các đơn vị của các thông số, thông số được gọi là modul khuyếch tán Thiele được định nghĩa:

1 n

e

kS L D

Trong đó: S là nồng độ của chất khuyếch tán dọc theo chiều dài L1, S1 là nồng

độ tại bề mặt ngoài của màng vi sinh x = L1

Tốc độ phản ứng hóa học trong màng cũng có thể tính theo lập luận đơn giản hơn: trong trạng thái ổn định, tốc độ phản ứng vi bằng tốc độ vận chuyển chất

từ phía ngoài vào trong màng vi sinh:

Từ phương trình 1.40 cho thấy, phản ứng bậc một trong màng vi sinh cũng

khác là nồng độ trong màng thấp hơn do bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán Giả sử vẫn chính phản ứng đang quan sát xảy ra ở ngoài lớp màng vi sinh với cùng đặc trưng, chỉ khác duy nhất là nồng độ luôn duy trì là S1 chứ không phải S (S<S1 do khuyếch tán) Phản ứng xảy ra trong điều kiện đó là phản ứng hóa học đích thực, không có sự tham gia của quá trình khuyếch tán nhanh hơn phản ứng hóa học Khi đó:

vi s, = k S 1 (1.41)

Tỉ lệ vi /vi,s = η được gọi là hệ số hiệu dụng của phản ứng, giá trị của nó phụ thuộc vào tỉ lệ giữa quá trình khuyếch tán và phản ứng hóa học: tốc độ khuyếch tán / tốc độ phản ứng lớn thì η 1 và ngược lại Từ (1.40) và (1.41) 

Tốc độ phản ứng cũng có thể tính theo diện tích màng (A), khi đó mối quan

hệ với vs, với hằng số tốc độ tính theo thể tích k có dạng:

vs = k.A.L1.η.S1 = ks.S1 (1.43) Với ks là hằng số tốc độ tính theo diện tích màng ks = k A L1.η

Với phản ứng hoá học trong màng vi sinh là bậc 0, người ta có thể chứng minh:

- Phản ứng khi không bị khống chế bởi quá trình khuyếch tán thì phản ứng xảy ra theo bậc không, không phụ thuộc vào nồng độ

- Phản ứng bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán thì bậc của phản ứng là 0,5

Tốc độ phản ứng theo diện tích màng trong trường hợp bị hạn chế bởi khuyếch tán:

vs = k0,5sS10,5 = 2 k D S0,5 e 10,5 (1.44)

k0,5s = 2 k D0,5 e (1.45)

k0,5, k0,5s là hằng số tốc độ phản ứng tính theo thể tích hoặc diện tích màng Trong hai quá trình khuyếch tán: trong màng thủy lực và màng vi sinh, tốc độ của giai đoạn nào chậm sẽ quyết định tốc độ chung của quá trình xử lý nhưng nhìn chung giai đoạn có tốc độ chậm hơn thường là giai đoạn khuyếch tán trong màng vi sinh do hệ số khuyếch tán nhỏ hơn (De = 0,8D), lớp màng dày hơn

Quá trình xử lý tạp chất trong màng vi sinh vật cũng giống như trong kỹ thuật phản ứng dạng huyền phù Tốc độ phát triển vi sinh vật tỷ lệ thuận với tiêu hao cơ chất trong nước thải:

.

o s

s

X S r

Điểm khác biệt lớn nhất trong lọc sinh học so với sử dụng bùn ho ạt tính dạnghuyền phù là sự tham gia của quá trình khuyếch tán, nó đóng vai trò quan trọng hơn trong lọc sinh học Hệ số khuyếch tán của một cấu tử trong màng vi sinh rất khó xác định, trong tính toán người ta có thể chấp nhận giá trị bằng 80% hệ số khuyếch tán của nó trong môi trường nước

Khối lượng riêng của màng sinh học không ổn định vì vậy rất khó xác định,

nó phụ thuộc vào diễn biến của quá trình tạo màng: tạo màng với tốc độ chậm thì khối lượng riêng của màng lớn và ngược lại

Khuyếch tán trong màn vi sinh không chỉ xảy ra đối với một cấu tử mà đối g với tất cả các cấu tử tham gia phản ứng và các sản phẩm hình thành của phản ứng Đó là một hệ khuyếch tán hỗn hợp rất khó định lượng trong thực tế Trong một hệ đơn giản nhất là oxy hoá chất hữu cơ thì ít nhất đã có hai quá trình khuyếch tán xảy ra trong màng vi sinh: chất oxy hoá (oxy phân tử) và chất khử (hữu cơ) Tỉ lệ nồng độ của cả chất khử và chất oxy hoá phải đảm bảo một giá trị cân đối nào đó thì phản ứng hóa học mới có thể xảy ra, nếu thiếu một trong hai thành phần thì phản ứng chỉ có thể xảy ra với tốc độ phù hợp với nồng độ của cấu tử đang bị thiếu là yếu tố quyết định tốc độ một phản ứng oxy hoá khử Nồng độ của một trong hai cấu tử hiện có phụ thuộc vàokhả năng khuyếch tán thông qua hệ số khuyếch tán và sự chênh lệch nồng độ cũng như tốc độ phản ứng hoá học xảy ra trong màng

Tỉ lệ nồng độ hiện có của chất oxy hóa (OX) và chất khử (Re) vì vậy có thể

mô tả thông qua tỉ lệ giữa hệ số khuyếch tán và hằng số tốc độ phản ứng của từng cấu tử:

S(OX) = D(Re) k(OX). = D(Re) 1.

S(Re) D(OX) k(Re) D(OX) β (1.46) Trong đó:

S(OX), S(Re) là nồng độ hiện có của chất oxy hóa và chất khử

D(OX), D(Re), k(OX), k(Re) là hệ số khuyếch tán và hằng số tốc độ phản ứng của chất oxy hoá và khử β là hệ số tỉ lượng của phản ứng Nếu tỉ lệ S(OX)/S(Re) >1 thì nồng độ chất oxy hóa đang ở mức dư thừa, chất khử đang trong tình trạng thiếu vì vậy nó khống chế tốc độ tổng thể của phản ứng

Nếu tỉ lệ trên bằng 1 thì phản ứng xảy ra một cách tối uư Cấu tử có nồng độ không đáp ứng được cho phản ứng bị tiêu hao nhanh trên đường khuyếch tán,

nó trở về giá trị không tại một điểm nào đó và vì vậy ở lớp sâu hơn phản ứng không diễn ra

I.3.1.3 Quá trình động học trong cột lọc sinh học

Trong một cột lọc sinh học tồn tại đồng thời nhiều quá trình động học và động lực: cơ chất được đưa từ ngoài vào cột do dòng chảy (đối lưu), khuyếch tán của cơ chất qua màng thủy lực, khuyếch tán và phản ứng hoá học trong màng sinh vật Tất cả các quá trình trên xảy ra nối tiếp nhau và đều có ảnh hưởng đến tốc độ xử lý, tuy nhiên giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ khống chế toàn

bộ quá trình lọc sinh học: quá trình chậm nhất thường được cho là quá trình khuyếch tán và hóa học xảy ra ở trong màng vi sinh và về mặt hình thức được đặc trưng bởi hằng số tốc độ có chứa cả quá trình khuyếch tán

Khi phân tích một quá trình lọc sinh học cần phải tiến hành hai bước sau:

- Xác định yếu tố oxy hóa cơ chất có vai trò kiểm soát quá trình phản ứng

- Xác định mức độ sử dụng của màng vi sinh vật hoặc phần màng (tính theo độ sâu) được sử dụng Yếu tố này rất quan trọng, ảnh hưởng tới bậc của phản ứng hóa học

- Từ hai bước phân tích trên sẽ dẫn tới những kết luận mang tính chất định hướng:

- Trong cả hai trường ợp hoặc oxy hay cơ chất có h vai tr kiểm soát quá ò

hạn chế bởi quá trình khuyếch án) th phản ứng á h t ì ho ọc xảy ra trong màng theo bậc kh ng.ô

- Trong trường ợp h màng chỉ ử s dụng được một phần (do khuyếch tán

hoặc ếu một trong hai cấu tử tham gia phản ứng) thì phản ứng xảy ra thitheo bậc 0,5 đối với oxy (khi thiếu oxy) hay đối c ơ chất (khi thiếu c ơchất)

Trong trường h s dợp ử ụng một cột lọc sinh học có đặc trưng khuấy trộn lý

tưởng (hình 1.13), lưu lượng nước thải v và ào ra khỏi cột lọc là Q, nồng độ c ơchất ại t đầu ào v và ra là S1, S2; V là thể tích cột lọc, A* là tổng diện tích c ủamàng vi sinh (tổng diện tích bề mặt vật liệu đệm)

Hình 1.13: Cột lọc sinh học dạng khuấy trộn đều

Nếu b ỏ qua quá trình chuyển khối trong màng thuỷ lực, cân bằng ật ệu v li ta có:

Q: Lưu lượng nước chảy qua

A: tiết diện ngang

V, A *

Q, S 1

Q, S 2

vi: tốc độ phản ứng tính theo thể tích

I.3.2 Các dạng thiết bị l ọc sinh học

Hệ lọc sinh học có thể phân chia thành nhiều dạng khác nhau dựa trên loại v ậtliệu đệm, chế c nđộ ấp ước ào thiết bị, chế độ thông gió v

Theo loại vật ệu đệm li , người ta chia thành loại bể lọc sử dụng ác ật liệu c vtruyền thống như than cốc, sỏi silic nghiền có độ ỗng khoảng 50%, puzolan; r

và loại bể lọc s dử ụng ật liệu nhựa ẻo có độ r v d ỗng tr n 90% ê

Theo chế độ nước vào thiết bị ì có bth ể lọc ngược chiều và ôxu i chiều Hay theo chế độ thông gió trong thiết bị ì cth ó thông gió cưỡng ức hoặc thô b ng gió

tự nhiên Thông thường người ta thường chia ra thành hai dạng b lể ọc là b ểlọc nh giỏ ọt và b lể ọc ngập nước

I.3.2.1 Bể lọc nhỏ giọt

Bể lọc nhỏ giọt là kỹ thuật th ng dụng trong xử ô lý nước thải b ậc hai với nhiều

dạng khác nhau Trong bể ọc l nhỏ giọt, nước thải được phân bố đều tr n bề êmặt tiết diện ngang của ột lọc, kh ng kh c ô í thường âth m nhập v b lào ể ọc từ phía dưới đáy ên ê l tr n tạo ra dòng khá ổn định

Lọc nhỏ giọt có ưu điểm là khả ăng c n ố đ ịnh vi sinh v cao, khật ả năng tiếp xúc gi ữa màng thuỷ lực và màng vi sinh lớn, hàm lượng oxy hoà tan trong nước lớn

Phân biệt theo tải trọng, bể lọc nhỏ giọt có c dác ạng ể lọc chậm, bể lọc trung bbình, bể lọc cao tải và bể lọc siêu cao tải

Bể lọc chậm được áp dụng với tải trọng thuỷ lực và tải trọng ữu c h ơ thấp Trong hệ thống kh ng sử ụng quá trình tuần hoàn nước Thời gian lưu thuỷ ô dlực ngắn, thường từ – 2 3 phút Vi sinh vật oxy hoá chất hữu c ơ chỉ phát triển chủ yếu ở phía êtr n lớp vật liệu, phía dưới phát triển các vi sinh vật tự dưỡngoxy hoá ammoniac Trong điều kiện tối ưu, lọc chậm có thể xử lý được ả cchất hữu c và c hơ ác ợp chất của nitơ

Bể lọc trung bình hay cao tải được áp dụng ới tải v trọng ữu c h ơ cao, trong hệ thống có s dử ụng tuần ho n à để pha loãng ước thải và c l n ấp ại vi sinh vào bể lọc Sự khác nhau giữa b lể ọc trung bình và bể lọc cao tải là tở ốc độ dòngtuần hoàn hay tải trọng thuỷ lực

Bể lọc siêu cao tải có khả năng chịu được tải trọng ữu c và t h ơ ải trọng thuỷlực lớn Vật ệu đệm li s dử ụng trong lọc siêu cao tải thường ằng nhựa ẻo b d nên chiều cao lớp lọc tương đốicao

Đối với tải trọng ữu c l h ơ ớn hơn 1,6 kg/m3.d và tải trọng thuỷ lực lên đến

8000 l/m2.h người ta c thể s dó ử ụng th m kỹ ê thuật óc àng vi sinh và b m ghépsau nó là kỹ thuật x lý bậc hai với b ử ùn hoạt ính Đây được t xem là bước ử x

lý nhằm tiết kiệm oxy cho giai đoạn sau

Bằng thực nghiệm người ta đã rút ra c ng thức để tô ính toán ể lọc b nhỏ giọt

VF

(1.48)

Trong đó:

E: Hiệu quả khử BOD của ể lọc sinh học ở 20 b oC (%)

W: tải trọng BOD của ể lọc (kg/ngày) b

R: Hệ ố s tuần àho n, R = QT/Q Giá trị R/10 được út ra từ thực nghiệm r cho thấy tải trọng chất hữu c ơ giảm khi lưu lượng tuần hoàn tăng

QT: Lưu lượng tuần hoàn (m3/h)

Q: Lưu lượng nước thải (m3/h)

- Đối với bể lọc hai bậc:

1 - E VF

(1.49)

Trong đó:

E2: Hiệu quả xử lý BOD của ể ọc 2 , ở 20 b l oC (%)

E1: Hiệu quả xử lý BOD của ể lọc b 1 (%)

W’: Tải trọng BOD trong bể lọc 2 (kg/ngày)

- Đối với bể lọc nhỏ giọt có s dử ụng loại vật ệu đệm li là nhựa ẻo (tháp d sinh học):

Khi đó tải trọng thuỷ lực cho phép được xác định như sau:

q0: tải trọng thuỷ lực (m3/m3.ngày)

Fa: Diện tích bề mặt lớp vật liệu trong một đơn vị thể tích (m2/m3)

S0: Hàm lượng BOD5 trong nước thải đầu v ào (mg/l)

Thể tích c ần thiết của khối v ật liệu đệm:

I.3.2.2 Bể lọc ngập nước

Công nghệ bể lọc sinh học với v ật liệu ngập trong nước đã được áp ụng đối dvới nhiều ại lo nước thải khác nhau v được ử ụng kh phổ biếnà s d á trong th ập

kỷ 90 của th kỷ ể trước Quá trình ọc ngập nước có l khả ăng xử lý đồng thời n

c ả BOD v ammoniac Các ếu t à y ố ảnh ưởng h tới hiệu quả c ủa quá trình ọc là lchiều dày của màng vi sinh và chế độ ấp oxy cho bể lọc Khi chiều dày của c màng vi sinh quá lớn có thể gây ra tắc cột lọc, giảm khả ăng khuyếch t n ánoxy Để khắc phục iđ ều này, người ta c thể t ó ạo độ ỗng đủ lớn cho lớp vật rliệu đệm hoặc ạo t một chế độ thuỷ lực phù h ợp để kiểm soát chiều dày của màng vi sinh ví dụ như ử d s ụng òng ngược để làm bong lớp màng vi sinh dThông thường, trong thiết kế b lể ọc ngập nước, người ta thường để cho dòngkhí đi ngược ừ dưới lên, còn d t òng ước thải n đi vào có thể cùng chiều hoặc đi

ngược chiều, tuy nhiên trong trường ợp òng ước thải h d n đi ngược chiều dòngkhí, do tổn thất thuỷ ực l cao n n hiệu quả xử lý ê thường thấp hơn so với trườnghợp dòng khí và nước ùng chiều c

Để tính toán ể lọc ngập nước có thể sử d b ụng công thức 1.53 theo tiêu chuẩn thiết kế của Liên Xô cũ, với phạm vi áp dụng là BOD5 ≤ 500 mg/l và t ốc độlọc vn≤ 3 m/h

S0 10 F

KS

α β

= = (1.53)

Trong đó:

S0: Hàm lượng BOD5 dở òng ào v (mg/l)

S: Hàm lượng BOD5đầu ra cho phép (mg/l)

F: chuẩn số tổng ợp, được xác định: h

0,6 T 0,4

H.B K

F =

qH: chiều cao lớp vật liệu (m)

B: lưu lượng đơn vị c ủa kh ng kh (mô í 3 kh ng kh /mô í 3 nước thải), thường chọn từ – 8 12 m3/m3

K: Hằng số nhiệt độ; K = K20.1,047T-20 = 0,2.1,047T-20

q: tải trọng thuỷ lực (m3/m3.ngày); chọn t ừ 20 80 m– 3/m3.ngày

α, β: hệ s ố phụ thuộc ào ưu lượng đơn vị c ô v l ủa kh ng kh B v chuẩn í à

s tố ổng ợp F.[5] h

I.3.3 Mô hình toán của quá trình xử lý nước thải bằng bể lọc sinh học

Cũng giống như các thiết bị xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học khác,

mô hình toán của xử lý nước thải bằng bể lọc sinh học cũng có thể được xây dựng trên cơ sở sự tăng trưởng của vi sinh vật tỷ lệ thuận với sự tiêu hao làm giảm cơ chất trong nước thải

Giả thiết mỗi một tiết diện ngang là một thiết bị sinh học giả đồng thể, thiết lập cân bằng vật liệu ta được:

QS – Q(S + dS) + rs.Vb = 0

hay - Q.dS + rs.Vb = 0 (1.54) với Q: lưu lượng nước thải cấp vào bể lọc sinh học, m3