Tính toán thiết kế công nghệ USBF ứng dụng trong xử lý nước thải.

Tính toán thiết kế công nghệ USBF ứng dụng trong xử lý nước thải.

Chuyên đề

Tính tốn thiết kế cơng nghệ USBF ứng dụng trong xử lý nước

thải.

1 Mô hình bể USBF

Hình 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mô hình USBF

Ghi chú:

T1 Thùng chứa nước thải

T2 Ngăn thiếu khí (Anoxic)

T3 Ngăn hiếu khí

T4 Ngăn lắng lọc (USBF)

P1 Bơm nước thải

P2 Bơm bùn

P3 Bơm khí nén

V1 Van nước thải

V2 Van tuần hoàn bùn

V3 Van xả bùn

V4, V5: Các van khí nén

Q1 Lưu lượng kế nước thải

Q2 Lưu lượng kế bùn tuần hoàn

Q3 Lưu lượng kế khí nén

K Thanh phân phối khí

S1, S2, S3, S4, S5: Các vị trí lấy mẫu

1

1.1 Cấu tạo mô hình

Cấu tạo mô hình được trình bày ở hình 1.1 Mô hình có thể tích 100 lit gồm có 3 module chính: ngăn thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) và ngăn lắng lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Nước thải trong thùng chứa T1 được sục khí liên tục nhằm cân bằng nồng độ trong suốt quá trình thí nghiệm và tránh hiện tượng phân hủy kị khí gây mùi hôi Sau đó nước thải được máy bơm định lượng P1 vào ngăn thiếu khí, bơm P1 được trang bị van điều chỉnh lưu lượng V1 và lưu lượng kế Q1 để kiểm soát lưu lượng nước thải bơm vào hệ thống Nước thải từ ngăn thiếu khí T2 tự chảy đến ngăn hiếu khí T3 theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở ở phần dưới mô hình Không khí được cấp vào ngăn hiếu khí T3 bằng hệ thống sục khí bao gồm các ống phân phối khí (diffuser) K phân bố dưới đáy ngăn hiếu khí và được nối với máy thổi khí P3, lưu lượng khí được theo dõi và điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q3 và van V4 Nước thải tiếp tục đi qua ngăn lắng T4 theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở giữa vách ngăn của ngăn USBF và chảy ngược lên máng thu nước đặt phía trên ngăn USBF và dẫn nước sau xử lý ra ngoài Bùn lắng đọng dưới đáy ngăn lắng sẽ được bơm bùn P2 bơm tuần hoàn lại ngăn thiếu khí T2, một phần sẽ được thải bỏ qua van xả V3 Lưu lượng bùn tuần hoàn được kiểm soát và điều chỉnh bằng van V2 và lưu lượng kế Q2 Các thiết bị cần thiết khác bao gồm: 1 máy bơm nước thải đầu vào, 1 máy bơm bùn và 1 máy thổi khí, 2 lưu lượng kế nước, 1 lưu lượng kế khí, van điều chỉnh, thanh phân phối khí…

1.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình

Mô hình được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ C, quá trình nitrat hóa/khử nitrat và loại bỏ dinh dưỡng (N, P) Nước thải trước khi xử lý bằng mô hình được lấy từ bể điều hòa đã được loại bỏ chất rắn, sau đó được bơm định lượng vào ngăn thiếu khí trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn, ngăn này có vai trò như ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic selection) và chọn lọc trao đổi chất (Metabosilism selection) để làm tăng cương hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật hình sợi gây vón bùn và nổi bọt Quá trình loại bỏ C, khử nitrate và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này Sau đó nước thải chảy tự động từ ngăn thiếu khí qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn USBF Ở đây Oxy được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua một máy bơm khí Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Đây chính là giai đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học dùng chính khối bùn hoạt tính Phần nước trong đã đươc xử lý phía trên chảy tràn vào mương thu khí đầu ra và tự động chảy ra ngoài Một phần hỗn hợp nước thải và bùn trong ngăn này được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí

1.3 Các quá trình diễn ra trong hệ thống

 Quá trình khử C

Đây là một trong các quá trình chính được thiết kế cho mô hình USBF Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải vì nó ảnh hưởng đến các quá trình khác Các vi sinh vật sử dụng nguồn C từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất

cần thiết cung cấp cho sinh trưởng và phát triển, sinh sản tế bào mới…Trong mô hình USBF, quá trình khử C được diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn USBF

 Quá trình nitrat hóa (Nitrification) và khử nitrat hóa (Detrinification)

Trong tất cả các phương pháp được sử dụng để loại bỏ nitơ, kết hợp hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat là phương pháp có hiệu suất cao, ổn định và giảm giá thành xử lý do đơn giản được hệ thống, tiết kiệm diện tích cho việc thiết lập hệ thống Trong mô hình nghiên cứu này, hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat được kết hợp trong một hệ thống nhưng diễn ra trong hai ngăn khác nhau là ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí

Quá trình nitrat hóa diễn ra chủ yếu trong ngăn hiếu khí của hệ thống Đây là quá trình tự dưỡng, vi khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước (trước hết là Amonia,

NH4+) để lấy năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng

NH4+ + 2 O2  NO3- + 2 H+ + H2O Quá trình diễn ra qua hai giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn nitrit hóa và giai đoạn nitrat hóa

 Giai đoạn nitrit hóa: NH4+ sẽ được oxy hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrit hóa

(Nitrosomonas và Nitrosospira) theo phương trình phản ứng sau:

NH4+ + 1,5 O2  NO2- + 2 H+ + H2O

 Giai đoạn nitrat hóa: NO2- sẽ được chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrat hóa (Nitrobacteria) theo phương trình phản ứng sau:

NO2- + 0,5 O2  NO3

-Quá trình khử nitrat diễn ra chủ yếu trong ngăn thiếu khí, là quá trình khử nitrat tạo ra sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử

Trong quá trình này dòng tuần hoàn bùn từ ngăn hiếu khí đến ngăn thiếu khí đóng một vai trò rất lớn về mặt cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể cả NO3- (sản phẩm của quá trình nitrat hóa diễn ra trong ngăn hiếu khí) Đồng thời dòng tuần hoàn bùn sẽ mang theo các vi sinh vật, nguồn C tham gia vào quá trình Đây cũng là một trong những ưu điểm của mô hình này là do sự liên kết giữa các module thực hiện các chức năng khác nhau trong cùng một hệ thống đơn giản

 Quá trình khử Phospho

Phospho có trong nước thải cả dưới dạng các hợp chất vô cơ và hữu cơ Các vi sinh vật sử dụng P dưới dạng orthophosphate, polyphosphate để duy trì hoạt động, dự trữ và vận chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới…

Trong mô hình USBF, việc kết hợp 3 module thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học cùng với dòng tuần hoàn bùn hoạt tính tạo nên dòng liên tục Quá trình khử P được kết hợp với quá trình khử C, quá trình nitrat hóa và khử nitrat Việc kết hợp các module cũng như các quá

trình hỗ trợ của các vi sinh vật được luân phiên trong các điều kiện thiếu khí và yếm khí, từ đó thúc đẩy các quá trình xử lý diễn ra vượt trội hơn mức bình thường

Nước thải vào ngăn thiếu khí đầu tiên, ở đây trong môi trường thiếu khí, các vi khuẩn sẽ tác động phân giải các hợp chất chứa P trong nước thải để giải phóng P Dòng P hòa tan (Soluble phosphorus) từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn

ưa P hấp phụ và tích lũy Các vi khuẩn này hấp phụ P cao hơn mức bình thường vì ngoài việc phục vụ cho việc tổng hợp và duy trì tế bào, vận chuyển năng lượng, chúng còn tích lũy một lượng dư vào trong tế bào để sử dụng cho giai đoạn hoạt động sau Trong ngăn USBF, nhờ quá trình lắng của bùn hoạt tính nên P sẽ được loại bỏ Ngoài ra, nhờ dòng bùn hoạt tính tuần hoàn trở lại nên một số vi khuẩn ưa P sẽ được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí sẽ tiếp tục phát triển và hấp phụ các P hòa tan có trong ngăn hiếu khí

 Quá trình lọc sinh học và lắng trong ngăn USBF

Ngăn USBF là một module đóng vai trò cực kỳ quan trọng, ưu điểm chính của mô hình được thể hiện ở module này Quá trình lọc dòng ngược với quá trình lắng diễn ra ở đây Ngăn USBF có dạng hình trụ chóp ngũ diện úp ngược, đáy là hình chữ nhật hướng lên, đỉnh hướng xuống, mặt bên là các hình tam giác Vì vậy việc thu hồi bùn lắng và tuần hoàn bùn rất thuận lợi và dễ dàng Từ trên xuống dưới, ngăn USBF có thể chia thành 3 vùng: vùng nước trong trên cùng, vùng tiếp theo là vùng có lớp bùn lơ lững chưa lắng đóng vai trò như một lớp lọc sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng nén của bùn lắng Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ lững lâu hơn do các lý do sau:

 Do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng

 Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra một lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc Khi các bông bùn đủ nặng chúng sẽ lắng xuống đáy tạo nên gradient vận tốc di chuyển của của dòng bùn lắng từ trên xuống ngược với dòng dịch chuyển của nước

 Sự tuần hoàn bùn hoạt tính ở đáy ngăn USBF tạo ra một gradient vận tốc hướng xuống Điều này thật có ý nghĩa vì hiệu suất lọc và tiếp tục xử lý sinh học sẽ nâng cao hơn so với bể lọc truyền thống

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của hệ thống, dưới đây là một số điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và đến khả năng xử lý của hệ thống:

 Chế độ thủy động: Chế độ thủy động là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình xử lý vì nó ảnh hưởng tới sự tiếp xúc của bùn hoạt tính với nước thải, trạng thái lơ lững và sự phân bố bùn lơ lững đồng đều…Yêu cầu phải đảm bảo dòng thủy

động như yêu cầu thiết kế, nếu không thì hệ thống sẽ không vận hành được hay hiệu quả xử lý không cao

 Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Đây là một trong các thông số quan trọng nhất trong xử lý nước thải Nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kỵ khí hay hiếu khí Trong mô hình này, DO trong ngăn thiếu khí vào khoảng 0,2mg/l và trong ngăn hiếu khí là khoảng 2 – 4 mg/l Như vậy ngăn thiếu khí không cần sục khí còn ngăn hiếu khí phải sục khí Các bóng khí phải thật mịn để có thể dễ dàng hòa tan vào trong nước thải

 Nhiệt độ: Nhiệt độ trong hệ thống ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật và khả năng hòa tan của oxy hòa tan trong nước Nếu nhiệt độ quá cao thì vi sinh vật có thể bị chết Ngược lại nếu nhiệt độ quá thấp , quá trình thích nghi, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật sẽ bị chậm lại, quá trinh nitrat hóa, lắng,… bị giảm hiệu suất rõ rệt Nhiệt độ tối ưu là khoảng từ 20 – 350C phù hợp với nhiệt độ phòng thí nghiệm

 pH: Ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống enzyme vi sinh vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn… ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý vi sinh vật Khoảng pH tối ưu là từ 6,5 – 8,5 Nước thải đô thị thường có khoảng pH này

 Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): Các chất dinh dưỡng như C, N, P … Đây là các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Do đó, quá trình vận hành phải theo dõi yếu tố này Ở một số hệ thống xử lý nước thải người ta thường bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật Tuy nhiên trong mô hình USBF thì không cần thiết phải thêm vào do thiết kế quá trình đặc biệt đã đảm bảo các điều kiện dinh dưỡng hỗ trợ lẫn nhau của các công đoạn của vi sinh vật, mặt khác trong nước thải hầu như đã chứa đủ những chất dinh dưỡng cần thiết

2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI BAN ĐẦU

Kết quả phân tích nước thải lấy tại bể điều hòa của trạm xử lý nước thải chợ Đầu mối Thủ Đức như bảng 2.1

Bảng2 1 Tính chất nước thải đầu vào mô hình

Dựa vào bảng kết quả ta có thể kết luận nước thải của chợ có các chỉ tiêu ô nhiễm tương đối cao, có chứa thành phần hữu cơ cao, dễ phân hủy sinh học Tỷ lệ BOD5/COD khoảng 0,64, BOD5:N:P khoảng 30:3:1 Nước thải có nồng độ như vậy rất phù hợp với quá trình xử lý sinh học kết hợp cũng như rất phù hợp với mô hình bể USBF

3 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC

Sử dụng hai phương trình sau để tìm các thông số động học (K, Ks, Y và Kd) từ các số liệu thu thập được:

1

Xθθ

S0−S=

K s

K .

1

S+

1

1

θ c=−Y

r su

Xθ −K d

(4.2) Hai phương trình trên có dạng phương trình đường thẳng y = ax + b Các biến số và thông số của 2 phương trình trên có thể trình bày như bảng 3.1

Bảng 3.1 Các biến số và thông số của các phương trình

1

K s

K .

1

S+

1

1

i Xác định tốc độ sử dụng cơ chất riêng K (1/ngày) và hằng số bán tốc độ Ks (mg/L)

Các thông số động học để xác định tốc độ sử dụng cơ chất riêng K (1/ngày) và hằng số bán tốc độ Ks (mg/L) được trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.1

Bảng3.2 Các thông số dùng để tính tốc độ sử dụng cơ chất riêng K (1/

ngày) và hằng số bán tốc độ K s (mg/L)

3500 0,307 454,24 54,00 400,24 2,6866 0,0185

Trong đó: X (mg/L) là nồng độ bùn trong ngăn hiếu khí

 (ngày) là thời gian lưu nước trong ngăn hiếu khí

S0, S (mg/L) là nồng độ COD đầu vào và đầu ra của ngăn hiếu khí

y= Xθθ

S0−S x=1S

Hình3 1 Đồ thị xác định K và K s

Đồ thị xác định K và Ks

y = 129,62x + 0,5751

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

x y

ii Xác định hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại Y và hệ số phân hủy nội bào K d

Các thông số động học để xác định tốc độ sử dụng cơ chất cực đại Y (mgVSV/mg) và hệ số phân hủy nội bào Kd (1/ngày) được trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.2

Bảng 3.2 Các thông số dùng để tính hệ số năng suất sử dụng cơ chất

cực đại Y và hệ số phân hủy nội bào K d

Trong đó: X là nồng độ bùn trong ngăn hiếu khí

c là tuổi của bùn

S0, s là nồng độ COD đầu vào và đầu ra ngăn hiếu khí

y=1

S0−S θXθ

Đồ thị xác định Y và Kd

y = 1,8925x - 0,0702

R 2 = 0,6793

0

0,5

1

1,5

2

2,5

x y

Hình 3.2 Đồ thị xác định Y và K d

Từ hai đồ thị của hình 1 và 2 ta có thể xác định kết quả các thông số động học như sau: K = 1,47; Ks = 74,545; Y = 1,89; Kd = 0,07 Ý nghĩa của các thông số động học này như sau:

Tốc độ sử dụng cơ chất riêng K = 1,47 ngày-1 nghĩa là 1g bùn hoạt tính sẽ tiêu thụ hết 1,47g COD trong một ngày Tốc độ này khá lớn chứng tỏ khả năng sử dụng các chất dinh dưỡng của vi sinh vật là khá cao

Hằng số bán tốc độ Ks = 74,545 mg/L nghĩa là tại thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng ½ tốc độ cực đại thì nồng độ cơ chất (COD) bằng 74,545

Hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại Y = 1,89 mgVSV/mg nghĩa là cứ tiêu thụ 1mg COD thì có 1,89 mg bùn hoạt tính được sản sinh Hệ số này là rất cao chứng tỏ khả năng hấp thu cơ chất của bùn hoạt tính là rất lớn hay hoạt tính của bùn rất mạnh

Hệ số tốc độ phân hủy nội bào Kd = 0,07 ngày-1 nghĩa là trong một ngày, cứ 1g sinh khối được tạo ra thì 0,07g bị mất đi để duy trì tế bào mới hay bị chết đi hay bị tiêu thụ bởi các VSV ở bậc dinh dưỡng cao hơn Hệ số này tương đối cao, điều này được giải thích bằng tuổi của nồng độ bùn cao Hơn nữa phần sinh khối chết đi đóng vai trò quan trọng cho hệ thống USBF vì chúng cung cấp nguồn Cacbon và năng lượng nội tại cho các VSV ở ngăn thiếu khí khi chúng được tuần hoàn trở lại

Các thông số động học trên đã chứng minh vì sao mô hình bể USBF lại có hiệu quả xử lý cao

b XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BÙN TỐI ƯU

Kết quả xử lý COD theo nồng độ bùn được trình bày ở bảng 5 và hình 3 ta thấy nồng độ bùn hoạt tính có thể duy trì đến rất cao, nồng độ bùn đến 5000 mg/L mà hiệu quả xử lý vẫn đạt 80,1% Nồng độ bùn tối ưu là khoảng 3500 mg/L, ở nồng độ nhỏ hơn 3500 mg/L thì hiệu quả xử lý tăng khi nồng độ bùn tăng, còn với nồng độ lớn hơn 3500 mg/L thì ngược lại

Lúc đầu, khi hàm lượng bùn thấp thì hàm lượng VSV thấp nên VSV không thể sử dụng hết các chất hữu cơ có trong nước thải nên hiệu quả xử lý không cao Khi tăng nồng độ bùn lên thì lượng VSV bắt đầu tăng và hiệu quả xử lý các chất hữu cơ tăng nhanh một cách đáng kể Tuy nhiên, khi hàm lượng bùn quá nhiều thì số lượng VSV quá cao, trong nước thải không đủ nguyên liệu và Oxy cho quá trình phát triển của VSV, chúng sẽ cạnh tranh về dinh dưỡng và năng lượng, nhu cầu về Oxy trong ngăn hiếu khí sẽ tăng lên đáng kể Các VSV dần dần chuyển qua giai đoạn hô hấp nội bào, làm giảm hoạt tính và số lượng VSV và hệ quả là làm giảm hiệu quả khử COD

Bảng 3.3 Hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn X (mg/L)

Hình 3.3 Hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn X (mg/L)

c XÁC ĐỊNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ COD THEO TẢI LƯỢNG

Hiệu quả xử lý COD theo tải lượng COD được trình bày ở bảng 3.4 và hình 3.4 Tải trọng thích hợp khoảng 2,34 kgCOD/m3.ngày, hiệu quả xử lý đạt tới khoảng 91,9% Khi tải trọng tăng dần đến 2,34 kgCOD/m3.ngày thì hiệu quả tăng dần Nếu tải trọng quá nhỏ thì lượng chất hữu cơ cung cấp cho VSV không đủ để thực hiện các quá trình xử lý nên hiệu quả xử lý không cao Còn nếu tải lượng quá lớn thì lượng chất hữu cơ sẽ vượt xa mức đồng hóa của VSV tham gia quá triình xử lý nên hiệu quả xử lý cũng giảm đáng kể

Hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn

0 20 40 60 80 100

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

X (mg/L)