Nguyên liệu chủ yếu dùng trong sản xuấtkem là:+ Đường: Đường được dùng để hiệu chỉnh chất khô và vị ngọt của sản phẩm.Một số loại đường thường được sử dụng như: đường latose, đường sacca
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
Tổng quan các phương pháp xử lý
Theo phân tích thành phần nguồn thải như trên, nước thải sản xuất kem chủ yếu chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi các yếu tố như ô nhiễm vô cơ, hữu cơ, rác, cát bụi, dầu mỡ…Vì thế các phương pháp được đề xuất để nghiên cứu khả năng xử lý phù hợp với nguồn thải này là:
- Xử lý bằng phương pháp cơ học.
- Xử lý bằng phương pháp hóa lý.
- Xử lý bằng phương pháp sinh học.
2.1.1 Xử lý bằng phương pháp cơ học.
Xử lý cơ học được đặt ở đầu hệ thống xử lý, nhằm loại bỏ các chất rắn, vô cơ và hữu cơ, dầu mỡ, nhựa, tạp chất nổi, rác…Tùy theo đặc điểm các loại cặn trong rác thải, các công trình xử lý cơ học thường được sử dụng là:
- Song chắn rác (thô, mịn, tinh…)
- Bể lắng cát, các loại bể lắng: lắng đứng, lắng ngang, lắng ly tâm…
- Bể điều hòa lưu lượng, bể trung hòa (acid hoặc kiềm)
Việc lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào kích thước rác, hạt lơ lửng, tính chất hóa lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải và độ sạch cần thiết phải đạt được theo yêu cầu của nơi tiếp nhận.
2.1.2 Xử lý bằng phương pháp hóa lý
Bản chất của quá trình xử lí nước thải bằng phương pháp hoá lí là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để loại bớt các chất ô nhiễm (các hạt lơ lửng phân tán (rắn và lỏng), khí tan, chất vô cơ và hữu cơ hòa tan trong nước thải) ra khỏi nước thải Các công trình thích hợp được đề xuất như: bể tuyển nổi, keo tụ, tạo bông…
2.1.3 Xử lý bằng phương pháp hóa sinh:
Bản chất của phương pháp này là ứng dụng vi sinh vật có trong nước thải, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng Chúng sử dụng chất hữu cơ làm thức ăn, chuyển hóa chất hữu cơ, chất độc hại thành chất vô cơ, khí đơn giản và nước Vì thế, phương pháp này được ứng dụng và đạt hiêu quả cao khi xử lý nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S, NH3, Sunfua, Nitrit… Một số chất hữu cơ có khả năng bị oxi hóa dễ dàng, còn một số chất khác hoàn toàn không bị oxi hóa hoặc oxi hóa rất chậm Dựa vào đó người ta có thể chia ra làm 2 loại: chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Để xác định khả năng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, ta thiết lập tỉ lệ BOD và COD Nếu BOD/COD > 0,5 thì nước thải có khả năng được xử lý bằng phương pháp sinh học Tuy nhiên, nước thải này không được chứa các chất độc hại và các tạp chất muối kim loại nặng Đối với các chất vô cơ, người ta vẫn phải thiết lập ngưỡng giá trị tối đa để không gây độc cho vi sinh.
Có 2 phương pháp chính để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là hiếu khí và kị khí.
- Hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh hiếu khí, vi sinh vật được gieo cấy trong bùn hoạt tính hoặc màng sinh học.
- Kị khí: là phương pháp xử lý không cần oxi Chúng còn được áp dụng chủ yếu để phân hủy cặn.
Các quá trình sinh học có thể diễn ra trong điều kiện tự nhiên hay ở trong các công trình nhân tạo. a/ Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên
Các ví dụ tiêu biểu:
Tuy nhiên, vì diện tích đất xây dựng cho các công trình này thường lớn, mà nhà máy thường không đáp ứng đủ, nên các công trình tự nhiên này ít được áp dụng. b/ Xử lý nước thải trong công trình nhân tạo.
Bể Aerotank: nước thải được sục khí và hòa trộn với bùn hoạt tính Có rất nhiều dạng bể Aerotank như: 1 bậc không tái sinh và có tái sinh bùn, 2 bậc không tái sinh và có tái sinh bùn…
Sau khi được lắng bớt 1 phần cặn lơ lửng ở các khâu xử lý trước, nước thải được bơm vào bể Aerotank để xử lý, tại đây có tiến hành thổi khí nhằm tăng lượng oxi hòa tan, giúp quá trình hiếu khí diễn ra mạnh và hoàn toàn hơn Sau đó, nước thải có chứa bùn được đưa về bể lắng đợt 2 nhằm tách riêng bùn và nước Phần lớn bùn hoạt tính tuần hoàn được quay trở lại bể Aerotank và lượng bùn dư đưa về bể xử lý bùn.
Trong đó: a) Aerotank 1 bậc, không tái sinh bùn b) Aerotank 1 bậc, có tái sinh bùn c) Aerotank 2 bậc, không tái sinh bùn d) Aerotank 2 bậc, có tái sinh bùn
1-Bể Aerotank 4-Bể tái sinh bậc 1
2-Bể lắng 5-Bể Aerotank bậc 2
3-Trạm bơm bùn 6-Bể tái sinh bậc 2
Thiết bị lọc sinh học (nhỏ giọt, cao tải, hoặc lọc với vật liệu lọc ngập trong nước): nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi màng vi sinh vật Vi sinh vật sẽ oxi hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn năng lượng cho sự phát triển. Nguyên lý chung:
Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước cũng như không khí Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi màng vi sinh vật Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxi hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng Như vậy chất dinh dưỡng được tách ra khỏi nước, còn khối lượng màng sinh học tăng lên.
Vật liệu đệm có độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và bề mặt riêng phần lớn, như sỏi, đá, ống nhựa, sợi nhựa, sơ dừa…
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong thiết bị lọc sinh học là:
- Bản chất các chất hữu cơ ô nhiễm
- Vận tốc oxi hóa, cường độ thông khí
- Tiết diện màng sinh học
- Diện tích và chiều cao thiết bị
- Đặc tính vật liệu đệm (kích thước, độ xốp, bề mặt phân riêng…)
- Tính chất vật lý của nước thải, nhiệt độ của quá trình, tải trọng thủy lực…
- Cường độ tuần hoàn, sự phân phối nước thải Những vật liệu được sử dụng làm giá thể thường là các vật liệu trơ như cát sỏi, gốm, xỉ quặng hoặc chất dẻo…
Kị khí (yếm khí): Được ứng dụng để lên men cặn tạo thành trong xử lý hóa sinh nước thải sản xuất, cũng như để xử lý bậc 1 nước thải rất đậm đặc (BOD = 4 – 5 g/l), chứa các chất hữu cơ có thể bị phân hủy bởi các vi sinh yếm khí Thường là bước xử lý trước xử lý hiếu khí.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí ngày càng được ưa chuộng vì những ưu điểm nổi bật của chúng so với các phương pháp thông thường khác như:
- Ít tiêu hao năng lượng trong quá trình hoạt động
- Giá thành vận hành thấp hơn, tự sản sinh năng lượng có thể thu hồi sử dụng dưới dạng biogas.
- Sản sinh ít bùn thừa, làm giảm khó khăn trong việc xử lý bùn thải.
- Nhu cầu sử dụng chất dinh dưỡng của các vi sinh vật cũng ít hơn, là ưu điểm nổi bật đối với xử lý các loại nước thải thiếu hụt chất dinh dưỡng.
- Vận hành ở tải trong hữu cơ cao, do đó làm giảm kích thước công trình.
Bể UASB: UASB là bể kỵ khí lớp bùn chảy ngược dòng (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket reactor) Nước thải chuyển động từ dưới lên đi qua lớp bùn vi sinh kỵ khí lơ lửng.
Các công trình xử lý nước thải
Hoạt động sản xuất trong công nghiệp không thể tránh khỏi việc phát sinh chất thải, nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm, muốn thải bỏ vào thủy vực thì nước thải phải được xử lý Do vậy, nước thải từ các quy trình sản xuất phải được thu gom đến công trình xử lý tập trung của nhà máy
Việc lựa chọn quy trình công nghệ xử lí thích hợp phải dựa vào thành phần, tính chất của nước thải, bản chất của các chất nhiễm bẩn, các điều kiện địa lí, khả năng của nhà máy, yêu cầu của nguồn tiếp nhận… Theo đó, người ta chia quá trình xử lí thành các công đoạn chính như sau:
Bảng 2.1 Bảng quá trình xử lý từng thành phần của nước thải.
Thành phần Quá trình xử lý
Cặn lơ lửng Song chắn rác, lắng cát, lắng, tuyển nổi, kết tủa hóa học, lọc.
Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học
Sinh trưởng lơ lửng hiếu khí, kỵ khí Sinh trưởng bám dính hiếu khí, kỵ khí.
Hồ sinh học Oxi hóa hóa học, lọc màng
Oxi hóa hóa học (chlorine), sinh học lơ lửng nitrate hóa và khử nitrate, sinh học bám dính nitrate hóa và khử nitrate.
Tách khí (air stripping), trao đổi ion.
Xử lý hóa học, xử lý sinh học.
- Phốtpho Xử lý hóa học – sinh học
Vi sinh gây bệnh Khử trùng bằng các hợp chất oxi hóa mạnh như: chlorine, chlorine dioxide, Ozone, bức xạ UV.
Keo và cặn lơ lửng Phân tách màng, xử lý hóa học (keo tụ tạo bông)
Mùi Hấp thụ hóa học, hấp phụ than hoạt tính.
Hình 2.2 Mô tả sơ bộ nguyên lý hệ thống xử lý cơ bản
THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Cơ sở lựa chọn công trình xử lý
Lưu lượng nước thải trung bình của nhà máy Qtrung bình ngày = 800 m 3 /ngày đêm. Dựa vào quy trình sản xuất, cũng như nguyên liệu sử dụng của một nhà máy sản xuất kem nói chung, ta có bảng tính chất, thành phần nước thải đầu vào như sau:
Bảng 3.1 Bảng thành phần tính chất của nước thải đầu vào
STT Chỉ tiêu Giá trị Đơn vị
Nhận xét thành phần tính chất nước thải của nhà máy:
+ Thành phần cặn lơ lửng SS đầu vào 450 mg/l cộng với lượng dầu mỡ 170 mg/l, chứng tỏ nguồn thải này ô nhiễm vô cơ cũng khá cao, cần thiết có các công trỉnh xử lý cơ học như song chắn rác, bể vớt dầu và bể lắng 1, bể tuyển nổi khí hòa tan.
+ Thành phần BOD, COD tương đối cao, và tỉ số BOD/COD = 1250/1800 0,694 > 0.5 chứng tỏ nguồn thải bị nhiễm hữu cơ nhiều, đòi hỏi phải xử lý bằng các công trình sinh học thích hợp như xử lý kị khí kết hợp hiếu khí
+ Chất dinh dưỡng Nitơ, Phốtpho không vượt tiêu chuẩn nhiều, đủ để cung cấp cho các công trình sinh học mà không cần bổ sung vào.
Vì những phân tích trên, nước thải của nhà máy phải được thu gom và xử lý đạt tiêu chuẩn thải loại B theo QCVN 40:2011/BTNMT (quy chuẩn quốc gia về Nước Thải Công Nghiệp) trước khi thải vào thủy vực quy định.
Dưới đây là các giá trị giới hạn mà công nghệ xử lý phải đạt được, trước khi xả vảo thủy vực cho phép:
Bảng 3.2 Bảng thành phần tính chất của nước thải theo QCVN 40:2011/BTNMT
STT Chỉ tiêu Giá trị Đơn vị
3.2 Đề xuất phương án xử lý
Việc lựa chọn phương pháp xử lý và công nghệ xử lý nước thải của nhà máy phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Công suất của trạm xử lý: Qngày = 800 m 3 /ngày
+ Đặc tính của nước thải: cần xác định cụ thể thành phần các chất ô nhiễm có trong nước thải, dạng tồn tại của chúng (lơ lửng, dạng keo, dạng hoà tan ), khả năng phân huỷ sinh học và độ độc của các thành phần vô cơ và hữu cơ.
+ Mức độ yêu cầu khi xử lý: tức là chất lượng nước đầu ra phải thoả mãn một yêu cầu cụ thể nào đó, cụ thể ở nhà máy này là phải đạt được loại B của QCVN 40:2011/BTNMT.
+ Chi phí xử lý: Trước khi tiến hành chọn lựa quá trình xử lý phù hợp, ta cũng cần phải phân tích chi tiết chi phí xử lý của từng phương án đưa ra, phải phù hợp với điều kiện kinh tế của nhà máy.
+ Điều kiện mặt bằng và đặc điểm địa chất thuỷ văn khu vực xây dựng trạm xử lý nước thải, diện tích đất sẵn có Trong điều kiện nhà máy, diện tích đất dành cho công trình xử lý là không hạn chế.
+ Yêu cầu về năng lượng và hóa chất của nhà máy.
Dựa vào các cơ sở phân tích như trên, ta có thể đề xuất phương án như sau:
Hình 3.1 Sơ đồ đề xuất công nghệ xử lý nước thải kem
Thuyết minh công nghệ cho phương án đã lựa chọn:
Nước thải trong các khu vực của nhà máy được đổ xuống cống và tập trung tại khu vực xử lý nước thải Đầu tiên nước thải đi qua hố thu gom và các loại tạp chất lớn như đá, sỏi, bao nylong sẽ được giữ lại bởi song chắn rác trong hố thu gom Các loại rác này sẽ được cào đi bằng cơ giới hay thủ công để đưa đến bãi rác.
Sau đó nước thải được bơm đến bể điều hòa để ổn định lưu lượng xử lý Do tính chất nước thải thay đổi theo từng giờ sản xuất và khác nhau ở từng công đoạn Vì vậy bể điều hòa có vai trò quan trọng trong việc điều hòa nồng độ và lưu lượng nước thải tạo chế độ làm việc ổn định cho các công đoạn tiếp theo Tại đây có hệ thống sục khí để xáo trộn đều và tránh lắng cặn trong bể Bể phải có đầu dò pH và điều chỉnh hóa chất để trung hòa pH nước thải phục vụ các công trình phía sau.
Nước sau khi qua bể điều hòa được dẫn qua bể tuyển nổi Tại đây cặn nhẹ khó lắng, dầu, mỡ được tách ra khỏi nước Quá trình tách cặn dầu, mỡ xảy ra khi hòa tan vào nước những bọt khí nhỏ, các hạt khí này bám vào các hạt cặn làm cho tỉ trọng của tổ hợp khí giảm và lực đẩy nổi đủ lớn đẩy hỗn hợp cặn khí lên mặt nước và được gạt ra ngoài Cặn, bọt váng được gạt ra sẽ được dẫn tới bể chứa để xử lý
Nước thải sau khi trung gian sẽ được bơm đến bể UASB để thực hiện quá trình xử lý sinh học kỵ khí Nước thải được đưa vào từ đáy bể thông qua hệ thống phân phối dòng vào Nước thải chuyển động từ dưới lên và đi qua 1 tầng bùn (lớp vi sinh vật kỵ khí lơ lửng) Trong điều kiện kỵ khí, các chất hữu cơ bị phân hủy thành hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ hơn, hình thành khí CH4, CO2 tạo nên sự xáo trộn bên trong bể Khí được tạo ra có khuynh hướng bám vào các hạt bùn, nổi lên trên mặt bể, va chạm tấm hướng dòng Các tấm này có nhiệm vụ tách khí, bùn và nước Các hạt bùn được tách khí sẽ rơi xuống lại tầng bùn lơ lửng Khí sinh học sẽ được thu bằng hệ thống thu khí Khi lượng bùn lơ lửng trong bể quá nhiều, bùn sẽ được hút bớt ra bể chứa bùn.
Nước thải sau đó theo máng thu chảy sang bể Aerotank để tiếp tục quá trình xử lý sinh học hiếu khí Trong bể chứa bùn hoạt tính hiếu khí với sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục Việc sục khí nhằm cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.
Sau khi qua bể Aerotank phần lớn chất hữu cơ đã bị lọai bỏ hoàn toàn Tuy nhiên, nồng độ bùn hoạt tính có trong nước thải là rất lớn, do vậy bùn hoạt tính và các chất rắn lơ lửng sẽ được loại bỏ ở bể lắng Tại đây, bùn lắng được tuần hoàn lại bể Aerotank và phần bùn dư được đưa đến bể chứa bùn.
Cuối cùng, nước được khử trùng bằng dung dịch clo tại bể khử trùng trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Lượng bùn dư từ hệ thống xử lý sẽ được đưa vào máy ép bùn để giảm bớt thể tích và được đơn vị thu gom đưa đi xử lý, chôn lấp.
Bảng 3.3 Bảng hiệu xuất xử lý thành phân nước thải của từng công trình xử lý
Công trình xử lý Thông số tính toán
SS BOD COD Dầu mỡ Tổng N Tổng P
% mg/l % mg/l % mg/l % mg/l % mg/l % mg/ l
Song chắn rác + Hố thu gom
Nước thải sau xử lý 8,86 mg/l 27,34 mg/l 47,59 mg/l 3,825 mg/ l 11,28 mg/ l 1,06 mg/ l
Kết luận
Sau khi qua hệ thống xử lý nước thải như trên, chất lượng nước thải đã đạt tiêu chuẩn như yêu cầu, có thể thải vào các lưu vực nhận nước thải theo quy định.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Bể UASB
4.1.1 Các thông số đầu vào bể UASB:
Bảng 4.1.1 Bảng các thông số đầu vào bể UASB
Thông số Giá trị Đơn vị
Hiệu quả xử lý COD của bể UASB đối với nước thải sản xuất kem trong khoảng 70 ÷
75 % (theo Bảng 12.1 trang 195 - 196, Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, TS Trịnh Xuân Lai, NXB Xây Dựng, 2009)
Nồng độ COD đầu ra bể UASB: CODr = 264,384 mg/l
4.1.2 Nhu cầu dinh dưỡng cho bể UASB
Tỷ lệ chất dinh dưỡng cần cung cấp cho quá trình hoạt động và phát triển của vi sinh vật trong bể UASB là: COD: N: P = (50/Y): 5: 1 và sự có mặt một lượng nhỏ khoáng chất Trong đó, Nước thải dễ acid hóa Y= 0,03, khó acid hóa Y= 0,15.
Lượng nitơ cần cung cấp:
Lượng photpho cần cung cấp:
Tuy nhiên, trong nước thải đem xử lý có chứa một lượng nitơ và photpho là 34 mgN/l và 7,2 mgP/l.
Do đó, lượng N dư sau bể UASB:
Lượng photpho dư sau bể UASB:
Lượng COD cần khử trong ngày:
G = Qv × (CODv – CODr) × 10 -3 = 800 × (881,28 – 264,384) × 10 -3 = 493,5168 (kg/ngày)
Tải trọng xử lý bể UASB đối với nước thải sản xuất kem dao động từ 4 ÷ 10 kgCOD / m 3 ngày, chọn L = 4 kgCOD / m 3 ngày
Thể tích phần xử lý kị khí:
V = G L = 493,5168 4 = 123,3792 m 3 Chọn V = 123,38 m 3 Để giữ cho lớp bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng, tốc độ nước dâng trong bể phải giữ trong khoảng 0,6 ÷ 0,9 m/h Chọn v = 0,9 m/h.
Diện tích bề mặt cần thiết của bể:
Chiều cao phần xử lý kị khí:
Chiều cao xây dựng bể UASB:
- H1: chiều cao phần xử lý kị khí.
- H2: chiều cao vùng lắng Để đảm bảo không gian an toàn cho bùn lắng xuống phía dưới thì chiều cao vùng lắng phải lớn hơn 1,0 m Chọn H2 = 1,2 m
- H3: chiều cao dự trữ, chọn H3 = 0,3 m
Chọn 2 đơn nguyên hình vuông, vậy cạnh mỗi đơn nguyên là: a = √ F 2 = √ 37,04 2 = 4,3035 m Chọn a = 4,31 m
Thời gian lưu nước mỗi bể: τ = V ’ Q’ = 84,3355 800 × 2 × 24 = 5,06 (giờ) nằm trong khoảng cho phép 4 – 10 h
- Thể tích phần chứa nước mỗi bể:
- Lưu lượng vào mỗi bể UASB: Q’ = Q 2 = 800 2 = 400 m 3 /ngày
Thể tích tổng cộng bể UASB:
4.1.4 Ngăn lắng và thiết bị tách pha
Trong mỗi đơn nguyên, bố trí 4 tấm chắn khí và 2 tấm hướng dòng Nước thải khi đi vào ngăn lắng sẽ được tách khí bằng các tấm chắn khí đặt nghiêng so với phương ngang 1 góc 45 0 ÷ 60 0 Chọn góc nghiêng giữa tấm chắn khí với phương ngang là 55 0 Các tấm này đặt song song nhau.
Tổng chiều cao của toàn bộ ngăn lắng Hngăn lắng (kể cả chiều cao vùng lắng) và chiều cao dự trữ chiếm trên 30% tổng chiều cao bể
Lấy chiều cao ngăn lắng: Hngăn lắng = 2 m
Kiểm tra lại tỉ lệ giữa chiều cao toàn bộ ngăn lắng và chiều cao bể:
Thời gian lưu nước trong ngăn lắng: t V ngăn lắng
Chọn khe hở giữa các tấm chắn khí và giữa tấm chắn khí với tấm hướng dòng là như nhau Tổng diện tích giữa các khe hở này chiếm 15 ÷ 20% tổng diện tích đơn nguyên. Chọn TSkhe= Sđơn nguyên = 0,17 × a × a = 0,17 × 4,31 × 4,31 = 3,1579 m 2
Trong mỗi đơn nguyên có 4 khe hở, diện tích của mỗi khe hở:
Bề rộng của khe hở: rkhe = S khe a = 0,7895 4,31 = 0,1832 m, chọn rkhe = 0,18 m
- Độ dài tấm chắn 2 chồng lên tấm chắn 1 chọn = 0.25 m
- Chiều rộng: b2 = 0,25 + ( H ngăn lắng + H3 ) – (y 1 + h 1 ) sin(45 0 ) = 0,25 +
Trong đó: h1 = rkhe × sin (90 0 – 55 0 ) = 0,18× sin (35 0 ) = 0,1032 m
Tấm hướng dòng có chức năng ngăn chặn bùn đi lên từ phần xử lý yếm khí lên phần lắng (hay phần thu nước) cho nên bề rộng đáy D giữa hai tấm hướng dòng phải lớn hơn L (khoảng cách giữa 2 tấm chắn khí 1).
Tấm hướng dòng cũng được đặt nghiêng 1 góc 55 0 so với phương ngang, cách tấm chắn khí mm
Chiều dài tấm hướng dòng: l3 = a = 4,31 m
Khoảng cách giữa hai tấm chắn khí 1:
L = 4X = 4 × 0,18 × Cos (55 o ) = 0,4129 m Đoạn nhô ra của tấm hướng dòng nằm bên dưới khe hở từ 10 ÷ 20 cm Chọn mỗi bên nhô ra 15 cm
Bề rộng đáy giữa hai tấm hướng dòng:
Chiều rộng của tấm hướng dòng:
Chiều cao tấm hướng dòng: yhd = Bhd × sin (55 0 ) = 0,5451 × sin (55 0 ) = 0,53 m
4.1.5 Hệ thống phân phối nước: Ống phân phối nước chính:
Vận tốc nước chảy trong đường ống chính dao động từ 0,8 ÷ 2 m/s Chọn vc = 1,5 m/s. Đường kính ống chính: dc = √ 4 × Q π × v c = √ 4 × 800π × 1,5 × 24 × 3600 = 0,08865 m
Chọn ống nhựa PVC ∅ 90 Ống phân phối nước nhánh:
Từ ống chính chia làm 2 ống nhánh vào 2 đơn nguyên Vận tốc nước chảy trong đường ống nhánh dao động từ 0,8 ÷ 2 m/s Chọn vn = 1,5 m/s.
Lưu lượng nước vào mỗi nhánh:
Qn = Q 2 = 2× 24 800 × 3600 = 0,0046 m 3 /s Đường kính ống nhánh: dn = √ 4 × Q n π × v n = √ 4 × 0,0046 π × 1,5 = 0,0625 m
Chọn ống nhựa PVC ∅ 60 Ống phân phối nước nhánh nhỏ:
Từ ống nhánh chia làm 4 ống nhánh nhỏ:
- Khoảng cách giữa tâm ống nhánh nhỏ ngoài cùng đến thành bể = 0,7 m
- Khoảng cách giữa tâm các ống nhánh nhỏ = a− 4−1 2× 0,7 = 4,31−2 4−1 × 0,7 = 0,97 m
- Ống nhánh nhỏ đặt cách đáy bể 20 cm
Vận tốc nước chảy trong đường ống nhánh nhỏ dao động từ 0,8 ÷ 2 m/s Chọn vnn 1,5 m/s.
Lưu lượng nước vào mỗi nhánh nhỏ:
Qnn = Q n 4 = 0,0046 4 = 0,00115 m 3 /s Đường kính ống nhánh nhỏ: dnn = √ 4 × Q n n π × v nn = √4 × 0,00115 π × 1,5 = 0,03134 m Chọn ống nhựa PVC ∅ 34
Lỗ phân phối nước: Đối với bể UASB có tải trọng hữu cơ L > 4 kgCOD/m 3 ngày đêm thì từ 2m 2 diện tích bể trở lên sẽ được bố trí một vị trí phân phối nước Với tải trọng thiết kế của bể là 4 kgCOD/m 3 ngày đêm, ta chọn một vị trí phân phối nước chiếm ≈ 2 m 2
Số vị trí phân phối nước trong mỗi đơn nguyên:
Vậy diện tích 1 lỗ phân phối thực chiếm = a ×a N = 4,31 12 ×4,31 = 1,548 m 2
Tổng cộng có 12 đầu phân phối nước trên 4 ống nhánh → mỗi ống nhánh có 3 đầu phân phối nước Tại mỗi đầu phân phối nước bố trí 2 lỗ theo 2 phía của đường ống
Lưu lượng qua mỗi lỗ phân phối: qpp = Q nn 2 × 3 = 0,00115 6 = 0,00019 m 3 /s
Chọn vận tốc nước qua lỗ phân phối là vpp = 1,5m/s, vậy đường kính lỗ phân phối: dpp = √ 4 × q pp π×v pp = √4 × 0,00019 π×1,5 = 0,0129 m Chọn dlỗ = 12 mm
Bơm nước thải vào bể UASB:
- ρ : Khối lượng riêng của nước thải, ρ = 1000 kg/m 3
- Hb: Cột áp bơm, chọn Hb = 8 m
- η: Hiệu suất bơm, dao động 0,72 ÷ 0,93 , chọn η = 0,8
Chọn 2 bơm chìm Tsurumi 80PU22.2 làm việc luân phiên
Bố trí máng thu nước kết hợp với máng răng cưa đặt ở tâm bể và dọc theo chiều rộng bể Máng thu nước được tạo độ dốc để dẫn nước thải về cuối bể rồi theo ống dẫn chảy sang bể aerotank.
Máng thu nước từ 2 phía, tải trong máng thu nước: am = Q2 ×2 × L m = 2 × 2 × 4,31 × 24 × 3600 800 = 0,00054 m 3 /m.s (< 2 × 10 -3 m 3 /m.s)
Sử dụng máng răng cưa chữ V, bố trí 5 chữ V trên 1 mét chiều dài máng thu nước, đáy chữ V rộng 10 cm, khoảng cách giữa các đỉnh chữ V = 20 cm, chữ V cao 5 cm, chiều cao tổng cộng thanh chữ V là 15 cm
Lưu lượng nước qua khe chữ V: qv = a 5 m = 0,00054 5 = 0,0001074 m 3 /s
Chiều cao mực nước trên khe chữ V: qV = 1,4 × h 5 2 h = ¿ = ¿ = 0,0226 m
Nước chảy trong máng thu với vận tốc vm = 0,6 m/s, độ dốc của máng i = 1%
Chiều cao mực nước trong máng thu: hm = Q2 × b m × v m = 2 × 0,2 × 0,6 × 24 × 3600 800 = 0,0386 m
Chọn chiều cao xây dựng máng = 0,15 m Ống dẫn nước thải sang bể Aerotank:
Vận tốc nước chảy trong đường ống dao động từ 0,1 ÷ 0.5 m/s Chọn vr = 0,45 m/s. Đường kính ống dẫn nước ra: dr = √ 4 × Q2 × π × v r = √ 4 ×800 2 × π × 0,45 × 24 × 3600 = 0,11445m
4.1.7 Lượng khí sinh ra và ống thu khí
1 mol 2 × 32gO2 /mol CH4 Ở điều kiện chuẩn (0 0 C, 1atm), thể tích của 1 mol CH4 là 22,4 L:
22,4 L CH4/64 gCOD = 0,35 L CH4/gCOD Ở điều kiện làm việc (30 0 C, 1atm), thể tích của 1 mol CH4 là:
- R: hằng số khí, R = 0,08214 atm.l/mol.K
Vậy thể tích khí CH 4 sinh ra khi 1 g COD bị khử là:
Lượng khí CH 4 sinh ra mỗi ngày:
Tổng Lượng năng lượng sinh ra từ khí CH 4 mỗi ngày:
- ρ CH4: Khối lượng riêng của khí CH4 ở điều kiện làm việc ρ CH4 = 0,6346 × 35+ 30+ 273 273 = 0,6451 (kg/m 3 ), với 0,6346 là khối lượng riêng của khí CH4 ở 35 0 C (kg/m 3 )
- J: Năng lượng sinh ra từ khí CH4, J = 50,1 kJ/gCH4
Khí CH4 sinh ra chiếm 65% lượng khí, vậy tổng lượng khí sinh ra mỗi ngày là:
Qk = Q CH4 0,65 = 191,92 0,65 = 295,26 m 3 /ngày Ở điều kiện làm việc 30 o C, CH4 sinh ra chiếm 65%, tra bảng ta có độ kiềm cần bổ sung là 2465g/m 3 Vậy lượng kiềm bổ sung mỗi ngày:
Gkiềm = Q × 2465 = 800 × 2465/1000 = 1972 kg/ngày Ống thu khí nhánh:
Bố trí 2 ống thu khí trong 1 bể, tâm ống thu khí cách thành bể 1 khoảng bằng 0,12 m, vận tốc khí trong ống dao động từ 10 ÷ 15 m/s Chọn vok = 12,5 m/s.
Lưu lượng khí vào mỗi ống trong bể:
Qok = Q k 2× 2× 24 ×3600 = 2 × 2× 295,26 24 × 3600 = 0,00085 m 3 /s Đường kính ống dẫn khí: dok = √ 4 × Q ok π × v ok = √4 × 0,00085 π × 12,5 = 0,0093 m Chọn ống thu khí là ống thép không gỉ ∅ 10 Ống tập trung khí:
Vận tốc khí trong ống dao động từ 10 ÷ 15 m/s Chọn vtt = 12,5 m/s.
Lưu lượng khí vào mỗi ống trong bể:
Qtt = 2 × Qok = 2 × 0,00085 = 0,0017 m 3 /s Đường kính ống tập trung khí: dtt = √ 4 × Q tt π × v tt = √4 × 0,0017 π × 12,5 = 0,013 m Chọn ống tập trung khí là ống thép không gỉ ∅15
4.1.8 Bùn và đường ống thu bùn
Lượng sinh khối hình thành mỗi ngày:
- Y: hệ số sản lượng bùn, Y = 0,04 gVSS/gCOD
- G: Lương COD cần khử trong ngày (kgCOD/ngày)
- kd: hệ số phân huỷ nội bào, kd = 0,025 ngày
- θ c: thời gian lưu bùn trong bể, θ c = 60 ngày
Lượng bùn dư bơm ra mỗi ngày:
Trong đó: X là nồng độ bùn trong bể UASB, X = 30 kgVSS/m 3
Lượng bùn nuôi cấy ban đầu cho vào bể:
0,7 × 0,05 = 105753,6 kg = 105,7536 tấn; Với TS là hàm lượng chất rắn trong bùn nuôi cấy ban đầu (= 5%) Ống xả bùn:
Hệ thống thu bùn gồm 3 ống xả cặn phân bố đều trên mỗi đơn nguyên, 3 ống xả cặn được đục lỗ 2 bên thành.
Tổng thể tích bùn lấy ra:
Chiều cao bùn mỗi bể:
Lưu lượng xả cặn trong 1 ống của 1 đơn nguyên:
- txc: thời gian xả cặn, txc 0 phút
- nxc: số ống xả cặn, nxc = 2
Vận tốc bùn trong ống chọn: vxc = 0,5 m/s, đường kính ống thu bùn: dxc = √ 4 × Q xc π × v xc = √4 × 0,00055 π × 0,5 = 0,0374 m
Tốc độ nước qua lỗ thu bùn v = 0.5 m/s, đường kính lỗ thu bùn chọn: dlỗ = 0.016 mm
Diện tích lỗ thu bùn: flỗ = 4 π × d lỗ 2 = 4 π × 0,0162 = 0,000201 m 2
Tổng diện tích lỗ trên 1 ống xả cặn:
Số lỗ trên 1 ống xả cặn: nlỗ = F lỗ f lỗ = 0,0010967 0,000201 = 5,4546 lỗ Chọn n = 6 lỗ
Vậy mỗi ống xả cặn có 6 lỗ, mỗi bên có 3 lỗ Ống thu bùn trung tâm: Ống thu bùn trung tâm có lưu lượng: Qtt= 2 × nxc × Qxc = 2 × 2 × 0,0055 = 0,0022 m 3 /s Vận tốc bùn trong ống trung tâm: vtt = 0,3 m/s Đường kính ống trung tâm: D = √ 4 × Q tt π × v tt = √ 4 × 0,0022 π × 0,3 = 0,0966 mm
4.1.9 Các thông số thiết kế bể UASB
Bảng 4.1.2 Bảng thông số thiết kế bể UASB
STT Thông số Giá trị Đơn vị
2 Thời gian lưu nước 5,06 giờ
5 Chiều cao vùng xử lý kỵ khí 3,34 m
6 Đường kính ống thu khí 10 mm
7 Đường kính ống tập trung khí 15 mm
8 Đường kình ống phân phối nước chính 90 mm
9 Đường kính ống phân phối nước nhánh 60 mm
10 Đường kính ống phân phối nước nhánh nhỏ 34 mm
11 Đường ống dẫn nước ra khỏi bể 110 mm
12 Đường kính ống thu bùn 34 mm
Bể Aerotank
4.2.1 Các thông số đầu vào bể Aerotank:
Bảng 4.2.1 Bảng thông số đầu vào của bể Aerotank
Thông số Giá trị Đơn vị
Hiệu quả xử lý BOD5 của bể Aerotank dao động từ 80 ÷ 95%, chọn bằng 85%
Hiệu quả xử lý SS của bể Aerotank chọn bằng 10 %
Trong đó: Cặn lơ lửng ở đầu ra SSr gồm có:
- 60 % là cặn có thể phân huỷ sinh học
- 70 % là cặn dễ bay hơi, Xr = 0,7 × SSr = 0,7 × 29,5488 ,684 mg/l
Các thông số thiết kế khác:
- Nước thải khi vào bể Aerotank có hàm lượng chất rắn lơ lửng bay hơi (nồng độ vi sinh vật ban đầu): X0 = 0 mg/l
- Tỷ số giữa lượng chất rắn lơ lửng bay hơi (MLVSS) với lượng chất rắn lơ lửng (MLSS) có trong nước thải là 0,7
MLVSS MLSS = 0,7 (độ tro của bùn hoạt tính Z = 0,3)
- Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn (tính theo chất rắn lơ lửng): XT = 8000 mg/L
- Nồng độ chất rắn lơ lửng bay hơi hay bùn hoạt tính (MLVSS) được duy trì trong bể Aerotank là: X = 3000 mg/L (tiêu chuẩn 1000 ÷ 3000 mg/l)
- Thời gian lưu bùn trong hệ thống, θ c = 10 ngày
- Hệ số chuyển đổi giữa BOD5 và BOD20 là 0,68
- Hệ số phân huỷ nội bào, kd = 0,06 ngày -1
- Hệ số sản lượng tối đa (tỷ số giữa tế bào được tạo thành với lượng chất nền được tiêu thụ), Y = 0,6 kgVSS/kgBOD5
4.2.2 Nhu cầu dinh dưỡng cho bể Aerotank
Tỷ lệ chất dinh dưỡng cần cung cấp cho quá trình hoạt động và phát triển của vi sinh vật trong bể Aerotank là: BOD: N: P = 100: 5: 1
Như vậy, lượng nitơ cần cung cấp:
Lượng photpho cần cung cấp:
Tuy nhiên, trong nước thải đem xử lý có chứa một lượng nitơ và photpho là 21,41 mgN/l và 4,68 mgP/l.
Do đó, lượng N dư sau bể Aerotank:
Lượng photpho dư sau bể Aerotank:
Phương trình cân bằng vật chất:
BOD5 ở đầu ra = BOD5 hoà tan đi ra từ bể Aerotank + BOD5 chứa trong lượng cặn lơ lửng ở đầu raTrong đó:
- BOD5 hoà tan đi ra từ bể Aerotank là S, mg/L
- BOD5 chứa trong cặn lơ lửng ở đầu ra được xác định như sau:
+ Lượng cặn có thể phân huỷ sinh học có trong cặn lơ lửng ở đầu ra: 0,6 × 29,5488 = 17,73 mg/l
+ Lượng oxy cần cung cấp để oxy hoá hết lượng cặn có thể phân huỷ sinh học là 17,73 × 1,42 (mgO2/mg tế bào) = 25,1766 mg/L Lượng oxy cần cung cấp này chính là giá trị BOD20
BOD5 chứa trong cặn lơ lửng ở đầu ra = 0,68 × BOD20 = 0,68 × 25,1766 17,12 mg/l
BOD 5 hoà tan đi ra từ bể Aerotank:
Hiệu suất xử lý tính theo BOD 5 hòa tan:
Thể tích tổng cộng bể Aerotank:
Chọn chiều cao công tác của bể chọn H1 = 4 m, chiều cao bảo vệ của bể: hbv = 0,5 m
Chiều cao xây dựng bể:
Diện tích bề mặt bể:
- Số đơn nguyên công tác n = 2
- Chiều dài mỗi bể aerotank là: L = 2× b F = 47,3111 2 ×3,6 = 6,58 m
Tính lại thể tích tổng cộng bể aerotank:
Kiểm tra tải trọng thể tích:
189,504 × 1000 = 0,8549 kgBOD5/m 3 ngày (nằm trong khoảng 0,8÷1,9 kgBOD5/m 3 ngày)
F/M = Q ×BOD 5 V × X = BOD 5 τ × X = 202,5× 24 3000×5,67 = 0,2857 ngày -1 (nằm trong khoảng 0,2 ÷ 1 ngày -1 )
Lượng bùn sinh ra & thải bỏ:
Lượng bùn sinh ra mỗi ngày:
Tổng cặn lơ lửng sinh ra mỗi ngày:
Px(SS) = P x(VSS) 0,7 = 56,7733 0,7 = 81,1047kgSS/ngày
Lượng cặn dư hằng ngày phải xả đi:
Pxả = Px(SS) – Q × SSr = 81,1047 – 800 × 29,5488 × 10 -3 = 57,46566 kg/ngày
Khối lượng bùn hữu cơ thải bỏ:
Khối lượng cặn bay hơi ra khỏi bể:
Tổng lượng căn hữu cơ thải bỏ:
Thời gian tuần tích lũy bùn không xả cặn ban đầu
Thực tế thì dài gấp 3 đến 4 lần vì nồng độ bùn chưa đủ trong bể hiệu quả xử lý ở thời gian đầu sẽ thấp và lượng bùn sinh ra Px sẽ ít hớn
Tuần hoàn bùn và đường ống dẫn bùn tuần hoàn
Phương trình cân bằng vật chất:
Do hàm lượng chất rắn lơ lửng bay hơi đầu vào X0 = 0 mg/l, nên:
Tỉ số tuần hoàn: α = Q T Q = 480 800 = 0,6 (thỏa giới hạn 0.25 ÷ 1)
Vận tốc dòng chảy trong đường ống dẫn bùn tuần hoàn dao động từ 1 ÷ 2 m/s, chọn vận tốc dòng chảy trong ống tuần hoàn bùn: vT = 1,5 m/s. Đường kính ống tuần hoàn bùn: dT = √ 4 × Q T2 × π × v T = √ 4 × 4802 × π × 1,5 × 24 × 3600 = 0,04856m
4.2.5 Lượng khí cung cấp và thiết bị cấp khí
Lượng khí cần cung cấp:
Lượng oxy cần thiết trong điều kiện tiêu chuẩn:
OC0 = Q × (S 0 - S) δ – 1,42 × Px(VSS) = ¿ – 1,42 × 56,7733)/2 = 71,011 kgO2/ngày
Với δ là hệ số chuyển đổi giữa BOD5 và BOD20: δ = 0.68
Lượng oxy thực tế cần sử dụng cho bể:
- CS20: nồng độ oxy bảo hòa trong nước sạch ở 20 0 C, CS20 = 9.09 mg/l
- β : hệ số điều chỉnh lượng căn bề mặt theo hàm lượng muối, đối với nước thải β
- CSh: nồng độ oxy bảo hòa trong nước sạch ở nhiệt độ làm việc (30 0 C); CS 7,56 mg/l
- CL: lượng oxy hòa tan cần dùng nước trong bể; CL = 2mg/l
Lượng không khí cần thiết:
Qkk = OC tt OU × f = 7 × 3,78 ×24 × 360091,583 × 1,5×1000= 5191,78 m 3 kk/ngày = 0,0601 m 3 kk/s
- f: hệ số an toàn f = 1.2 ÷ 1.5, chọn f = 1.5
- OU = Ou.h: công suất hòa tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối tính theo gam oxy cho 1 m 3 không khí Tra bảng 7.1 trang 112 “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải_Trịnh Xuân Lai” ta có Ou = 7 gO2/ m 3 m
- h: độ sâu ngập nước của thiết bị phân phối khí chọn 3,78 m Đĩa thổi khí:
Chọn đĩa phân phối khí tinh SSI AFD270 có: đường kính 0,27 m, diện tích bề mặt đĩa thổi khí 0,037 m 2 , Cường độ thổi khí mỗi đĩa i = 130 L/phút.đĩa
Số đĩa cần phân phối trong bể:
- 1 ống dẫn khí chính, 4 ống dẫn khí nhánh
- Khoảng cách giữa nhánh đầu/cuối đến thành bể = 0,6 m
- Khoảng cách giữa các nhánh = b−2 4−1 × 0,6 = 3,6−2 3 ×0,6 = 0,8 m
- Số đĩa thổi khí trên 1 nhánh = N 4 = 28 4 = 7 đĩa
- Khoảng cách giữa đĩa thổi khí đầu/cuối đến thành bể = 0,41 m
- Khoảng cách giữa các đĩa thổi khí = L−2 7−1 ×0,41 = 6,58−2 7−1 × 0,41 = 0,96 m
Máy thổi khí nén: Áp lực cần thiết của máy thổi khí:
- h1: Tổn thất trong hệ thống ống vận chuyển, h1 = 0,4 m
- hd: Tổn thất qua đĩa phun, hd = 0,5 m
- H: Độ sâu ngập nước của miệng vòi phun H = 4 m Áp lực máy thổi khí tính theo atmosphere:
Công suất máy thổi khí:
- Pmáy : Công suất yêu cầu của máy nén khí, kW.
- G: Trọng lượng của dòng không khí, kg/s, G = Qkk × ρ kk = 0,0601 × 1,16 = 0,07
- T1: Nhiệt độ tuyệt đối của không khí đầu vào, T1 = 273 + 30 = 303 K
- P1: áp suất tuyệt đối của không khí đầu vào, P1 = 1 atm
- P2: áp suất tuyệt đối của không khí đầu ra, P2 = Pm + 1 = 0,4743 + 1= 1,4743 (atm)
- n = K−1 K = 0.283, với K = 1.395 đối với không khí
- e: Hiệu suất của máy, chọn e = 0.7
Chọn 2 máy thổi khí TSURUMI model RSR-100 (hoạt động với công suất 5 Hp) làm việc luân phiên. Ống phân phối khí chính:
Vận tốc khí trong ống chính dao động từ 10 ÷ 15 m/s Chọn vkk = 12,5 m/s. Đường kính ống dẫn khí chính là: dkk = √ 4 × Q k k π × v kk = √ 4 ×0,0601 π × 12,5 = 0,078 m
Chọn ống thép không rỉ ∅ 80 Ống phân phối khí nhánh:
Từ ống chính ta phân làm 4 ống nhánh cung cấp khí cho bể Lưu lượng khí qua mỗi ống nhánh:
Vận tốc khí trong ống nhánh dao động từ 10 ÷ 15 m/s Chọn vn = 12,5 m/s. Đường kính ống dẫn khí nhánh là: dn = √ 4 × Q n π × v n = √ 4 × 0,015 π × 12,5 = 0,039 m
Chọn ống thép không rỉ ∅ 40
4.2.6 Dẫn nước Ống dẫn nước vào bể:
Vận tốc nước chảy trong đường ống dao động từ 0,1 ÷ 0.5 m/s Chọn vv = 0,45 m/s. Chọn số ống dẫn nước vào: nv = 2 ống Đường kính ống dẫn nước vào: dv = √ 4 × Q2 × π × n v × v r = √ 4 ×800 2 × π × 2 × 0,45 × 24 × 3600 = 0,0809 m
Chọn chiều rộng máng bm = 0,2 m
Vận tốc nước trong máng: vm = 0,6 m/s
Chiều cao mực nước trong máng thu nước: hm = Qn × v m × h m = 80024 × 3600 × 2 × 0,6 × 0,2 = 0,03858 m
Chọn chiều cao xây dựng máng: hxdm = 0,15 m Ống dẫn nước sang bể lắng 2:
Vận tốc nước chảy trong đường ống dao động từ 0,1 ÷ 0.5 m/s Chọn vr = 0,45 m/s. Đường kính ống dẫn nước ra là: dr = √ 4 × Q π × v r = √ 4 × 400π ×0,45 × 24 × 3600 = 0,1144 m
4.2.7 Các thông số thiết kế bể Aerotank
Bảng 4.2.2 Bảng các thông số thiết kế bể Aerotank
STT Thông số Giá trị Đơn vị
2 Thời gian lưu nước 5,67 giờ
4 Đường kính ống phân phối khí chính 80 mm
5 Đường kính ống phân phối khí nhánh 40 mm
6 Số đĩa phân phối khí 28 cái
7 Đường kính đĩa phân phối khí 270 mm
8 Công suất máy thổi khí 5 Hp
9 Số ống dẫn nước vào mỗi bể 2 ống
10 Đường kính mỗi ống dẫn nước 75 mm
11 Đường kính ống dẫn nước ra mỗi bể aerotank 110 mm
12 Đường kính ống dẫn bùn tuần hoàn 48 mm