Tiểu luận quy trình hoạt động công nghệ của bể USBF

Thường thì một hệ thống xử lý được đánh giábởi hiệu quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ BOD, nito hay phospho… khả năng áp dụng của chúng như giá thành của hệ thống, giá thành của mộ

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG



MÔN HỌC: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

MÔI TRƯỜNG CHUYÊN ĐỀ QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CÔNG NGHỆ CỦA

BỂ USBF

Sinh viên thực hiện

1 NGUYỄN ĐÌNH THÀNH 91202203

2 LÊ THỊ THU THANH 91202201

3 VĂN THỊ THU THANH 91202202

Giảng viên hướng dẫn: TS PHẠM ANH ĐỨC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BIO-USBF 4

1.1 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ BIO-USBF 4

1.2 ĐẶC ĐIỂM NỔI BẬT 5

1.3 CẤU TẠO BỂ USBF 6

1.4 QUÁ TRÌNH VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 7

1.4.1 Quá trình hoạt động 7

1.4.2 Nguyên tắc hoạt động của công nghệ USBF 9

CHƯƠNG 2: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ USBF 12

2.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ USBF 12

2.2 QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT 13

2.3 ƯU ĐIỂM CỦA BỂ USBF 15

CHƯƠNG 3: 17

ỨNG DỤNG CỦA BỂ USBF 17

3.1 ỨNG DỤNG CỦA BỂ 17

3.1.1 Giới thiệu 17

3.1.2 Vật liệu và phương pháp 18

3.1.3 Kết quả 20

3.1.4 Thảo luận 21

3.2 So sánh USBF và các loại bể khác 23

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

LỜI MỞ ĐẦUChúng ta đang sống trong một thời kỳ mà nguồn nước sạch ngày càng thiếu thốn,vệsinh môi trường đang bị ô nhiễm nặng nề, đó là những vấn đề khá nóng bỏng và đángquan tâm trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam Sự phát triển nhanh chóng của cáclàng nghề, các ngành công nghiệp và dịch vụ, quá trình đô thị hoá và tập trung dân cưnhanh chóng là những nguyên nhân gây nên hiện trạng quá tải môi trường Nước thảikhông được xử lý hoặc xử lý không đầy đủ được xả trực tiếp vào sông và kênh rạchgây nên hiện tượng ô nhiễm nguồn nước trầm trọng.

Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong công nghệ xử lý nướcthải Nhưng phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học đang được sử dụng phổ biếnnhất trong hầu hết các hệ thống xử lý Thường thì một hệ thống xử lý được đánh giábởi hiệu quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ BOD, nito hay phospho… khả năng

áp dụng của chúng như giá thành của hệ thống, giá thành của một m3 nước được xử lýhay độ phức tạp của công nghệ và quá trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị…

Công nghệ lọc dòng ngược bùn sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filter) đượcthiết kế dựa trên trên mô hình động học xử lý BOD, nitrate hoá (nitrification) và khửnitrate hóa (denitrification) của Lawrence và McCarty, Inc lần đầu tiên được giới thiệu

ở Mỹ những năm 1990 sau đó được áp dụng ở châu Âu từ những năm 1998 trở lại đây

Mô hình công nghệ USBF, là công nghệ cải tiến của quá trình bùn hoạt tính trong đókết hợp ba quá trình Anoxic, Aeration và lọc sinh học dòng ngược trong một đơn vị xử

lý nước thải Đây chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển,thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp Với sự kết hợp này

sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trìnhxây dựng và vận hành hệ thống Đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải có tải lượnghữu cơ, N và P cao

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BIO-USBF1.1 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ BIO-USBF

Công nghệ Bio-USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration) được cải tiến từ qui trình bùn

hoạt tính cổ điển kết hợp với quá trình anoxic và vùng lắng bùn lơ lững trong một côngtrình xử lý sinh học Là một hệ thống kết hợp nên chiếm ít không gian và các thiết bị đikèm Quy trình USBF được thiết kế để khử BOD, nitrate hóa/ khử nitrtate và khửphốtpho

Để khử carbonate, vùng anoxic được xem như vùng lựa chọn mà ở đó sự pha trộn dòngthải sẽ làm tăng khả năng lắng và khống chế quá trình tăng trưởng vi sinh vật

Để nitrate hóa, khử nitrate và khử phospho, vùng anoxic có thể đảm đương được vaitrò này Trong qui trình này, NH3-N bị oxy hóa thành nitrite và sau đó thành nitrate bởi

vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong từng vùng sục khí riêng biệt Nitrate được

tuần hoàn trở lại vùng anoxic và được khử liên tục tối đa Trong phản ứng này BODđầu vào được xem như nguồn carbon hay nguồn năng lượng để khử nitrate thànhnhững phân tử nitơ

Hình 1.1: Bể USBF

Sự khử phospho cơ học trong qui trình này tương tự trong chu trình phospho và cải tiến

từ qui trình Bardenpho Trong qui trình USBF, sự lên men của BOD hòa tan xảy ra

trong vùng kỵ khí hay vùng anoxic Sản phẩm của quá trình lên men cấu thành thànhphần đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ phospho Trong giai đoạn xử lý hiếukhí, Phospho hòa tan được hấp thu bởi phospho lưu trữ trong vi sinh khuẩn

(Acinetabacter) mà chúng đã sinh trưởng trong vùng anoxic Phospho sau đồng hóa sẽ

được loại bỏ khỏi hệ thống như xác vi sinh hay bùn dư Khối lượng và hàm lượngphospho loại bỏ phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ BOD/P trong nước thải đầu vào Công nghệ Bio-USBF được thiết lập trên nguyên lý bể lắng dòng chảy lên có lớp bùn

lơ lững (upflow sludge blanket clarifier) Ngăn này có dạng hình thang, nước thải sau

khi được xáo trộn đi từ dưới đáy bể lắng qua hệ thống vách ngăn thiết kế đặc biệt mà ở

đó xảy ra quá trình tạo bông thủy lực Bể lắng hình thang tạo ra tốc độ dâng dòng chảy

ổn định trên toàn bề mặt từ đáy đến mặt trên bể lắng, điều này cho phép sự giảmgradient vận tốc dần dần trong suốt bể lắng

1.2 ĐẶC ĐIỂM NỔI BẬT

- Có thể xử lý bất kỳ nguồn nước thải: thành phố, nông nghiệp và công nghiệp

- Có thể được thiết kế cho Hội đồng quản trị (và / hoặc COD) loại bỏ, cũng như quátrình nitrat hóa, khử và loại bỏ phốt pho

- Có thể được tùy chỉnh để đáp ứng đặc trưng của dòng vào và các thông số nước thải

- Khả năng thích ứng dao động từ 300 - 150.000 tấn

- Hệ thống mô-đun cho phép phân cấp và mở rộng

- Quá trình này là sự thay đổi của quá trình bùn hoạt tính truyền thống

- Quá trình này rất đơn giản, sinh học và thân thiện môi trường

- Năng lượng tiêu thụ và nhu cầu bảo trì là tối thiểu - số ít bộ phận chuyển động

- Các hoạt động chỉ yêu cầu giám sát danh nghĩa và nhân sự

- Thấp chi phí vận hành tổng thể - năng lượng, biên chế và bảo trì

1.3 CẤU TẠO BỂ USBF

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo bể USBF

Cấu tạo của bể USBF : Bể gồm 3 module chính: ngăn thiếu khí (anoxic),ngăn hiếu khí

(aerobic) và ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Mương chảy tràn thu nước

đầu vào nhằm hạn chế tác động của dòng vào đối với ngăn thiếu khí và tăng hiệu quảxáo trộn giữa dòng nước thải đầu vào và bùn tuần hoàn Mương chảy tràn và thu nướcđầu ra, ống thu bùn, bộ phận sục khí… Các thiết bị cần thiết bao gồm: 1 máy bơm địnhlượng bơm nước thải đầu vào, 1 máy bơm bùn, 1 máy khuấy và 1 máy thổi khí.

1.4 QUÁ TRÌNH VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

1.4.1 Quá trình hoạt động

Nước thải chảy từ một nguồn thu (hoặc nước thải chính) thông qua một màn chắn để

hệ thống máng tách cặn thô và hơn nữa để lắng cát Dòng chảy là chia thêm thành bốndòng chảy bằng cơ khí nước thải trước khi xử lý thông qua các kênh phân phối cho các

lò phản ứng sinh học để xử lý

Hệ thống USBF tiên tiến cho các nhà máy xử lý nước thải sử dụng công nghệ sinh họccủa quá trình kích hoạt tải thấp với nitrat hóa / khử và dephosphorin hóa sử dụng thốngnhất đình chỉ bùn hoạt tính Việc tách bùn hoạt tính từ rượu hỗn hợp được thực hiệnbằng cách tăng lưu lượng bùn lọc (USBF) Tất cả quá trình xử lý và tách bùn sinh họcđược cung cấp trong các lò phản ứng sinh học tích hợp nhỏ gọn (IBR) Các IBR chứa

ba vùng sinh học liên tiếp:

- Vùng khử hay vùng anoxic (A)

- Vùng khí nitrat hóa zoneor (B)

- Vùng kỵ khí hay vùng tách (C)

Hình 1.3: Các vùng sinh học của bể USBF

Khu kỵ khí và khử nitơ được trộn lẫn bởi máy trộn cơ khí, trong khu vực nitrat hóa làmột hệ thống sục khí với hiệu suất truyền oxy rất cao cung cấp cung cấp oxy và trộn

Áp lực không khí được cung cấp bởi máy thổi USBF được xây dựng tách trong khuvực trong quá trình nitrat hóa và cung cấp các dòng chảy của nước được xử lý Bùntách ra từ USBF tách cùng với nitrat từ khu vực nitrat hóa được quay trở vùng khửnitơ, và rượu hỗn hợp từ cuối vùng khử được tái tuần hoàn đến vùng yếm khí Cácdòng nước thải vào khu vực kỵ khí nơi nó đáp ứng với bùn hoạt tính tuần hoàn từ vùngkhử Phốt pho tích lũy sinh vật trong bùn hoạt tính trong điều kiện yếm khí một số chất

từ nước thải và phát sinh phốt pho tích tụ Hỗn hợp từ khu vực kỵ khí sau đó chảy vàovùng khử, nơi sinh vật hiếu khí tuỳ ý trong bùn hoạt tính được lấy oxy từ nitrat tái tuầnhoàn cho quá trình oxy hóa và tiêu thụ một số chất từ nước thải Bởi quá trình này,nitrat được chuyển đổi thành khí nitơ, được phát hành vào không khí, và do đó làmgiảm nồng độ nitơ tổng số trong nước Hỗn hợp từ khu vực khử sau đó chảy vào khu

vực nitrat hóa, trong đó tiến hành quá trình oxy hóa và tiêu thụ còn lại các chất hữu cơtrong nước thải và amoni bị oxy hóa bởi vi khuẩn nitrat hóa để nitrat, mà sau đó đượctái tuần hoàn để khử như mô tả ở trên

Trong quá trình xử lý sinh học, bùn hoạt tính lơ lững do đó nhiều lần tiếp xúc vớinitrat, khử Nitơ và điều kiện kỵ khí Việc bốc bùn thấp kết hợp với nhiều lần thay đổiđiều kiện oxic, thiếu oxy và kỵ khí trong các phản ứng sinh học bên trong vòng tuầnhoàn khép kín và sự kết hợp của một hành động lựa chọn sinh học (nước thải cơ họctrước khi điều trị đầu tiên vào khoang kỵ khí của các phản ứng sinh học), kết quả trongviệc hình thành rất cụ thể trong bùn hoạt tính Sản phẩm này được kích hoạt bùn có chỉ

số khối lượng bùn thấp thường ít hơn 100 ml /g đối với trường hợp xử lý nước thải.Việc đưa de-nitrat hóa trong quá trình tranh luận vòng lặp phục hồi sau khi giảm độ pHcủa nó do quá trình nitrat hóa, và giảm tổng hàm lượng nitơ

Hình

1.4:

Sơ đồ

nguyên lý hoạt động của mô hình USBF

Bùn dư thừa, đó là xây dựng trong quá trình, không ngừng loại bỏ khỏi quá trình bùntrước chất làm đặc Các nước trên bề mặt chảy trở lại kích hoạt thông qua một đườngống tràn trong khi bùn trước dầy được bơm vào bể bùn giữ Bể này được brokenly ga

để giữ bùn trong điều kiện và phòng ngừa giữ phát hành oxic phốt pho, và trong giaiđoạn ngoài giờ có tiến thêm bùn dày lên bằng cách bơm nước nổi trở lại kích hoạt.

1.4.2 Nguyên tắc hoạt động của công nghệ USBF

Hình 1.5: sơ đồ nguyên tắc hoạt động công nghệ USBF

Giai đoạn đầu tiên: Trong giai đoạn này, dòng vào được nhập vào hệ thống để lắng sơcấp Đối với giai đoạn này, ít nhất là giảm 60% nồng độ TSS dự kiến

Giai đoạn thứ hai: Trong giai đoạn này, chảy đến liệu (sau khi sục khí) đã được nhậpvào hệ thống loại bỏ đặc biệt cho cacbon hữu cơ Quá trình nitrat hóa cũng có thể đượcthực hiện trong giai đoạn này Thời gian lưu nước có thể về 2-8 h

Giai đoạn thứ ba: Trong giai đoạn này, nước thải đã bước vào giai đoạn sau khi thôngkhí và khử nitrat hóa Nitrat có thể được chuyển đổi sang nitro-gen khí trong giai đoạnnày

Giai đoạn thứ tư: Trong giai đoạn này, nước thải đã được thông qua từ các thiết bị tách

và được lọc từ một tấm ngăn bùn

Giai đoạn thứ năm: Trong giai đoạn này, nước thải trước khi giải quyết đã được thôngqua từ các kênh đã được dặt dải phân cách và sau đó được thải ra hệ thống

Hình 1.6

- Nước với bùn ở dưới cùng đến khu vực phân tách

- Tốc độ giảm cho đến khi hình thành lớp bùn bởi sự tích tụ của các hạt bùn bằng độbám dính

- Lớp bùn trở thành cố định và tạo thành phương tiện lọc

- Phía trên cùng của tấm chăn bùn tạo thành một bề mặt ngang dưới mức nước

- Xử lý nước thải được thu hồi trên bề mặt lớp bùn

Các kết quả trong xử lý nước thải cho thấy BOD của nước thải cuối cùng tại HRT khácnhau - số giờ thổi không khí; thấp hơn 20 mg/l có hiệu quả loại bỏ của họ lên đến 82%.COD của nước thải cuối cùng tại HRT khác nhau là thấp hơn 23 mg/l có hiệu quả loại

bỏ của họ lên đến 85% Kết quả của BOD, COD, TSS, và độ đục của nước thải cho cácgiai đoạn khác nhau của xử lý nước thải được thể hiện trong hình ảnh Trong hầu hếtcác trường hợp, nồng độ TSS trong nước thải đã được ít hơn 1 mg/l và một trongnhững lý do chính là hình thành các cục máu đông bùn nhỏ gọn trong dải phân cáchlắng đọng trầm tích của hệ thống Hiện tượng này làm giảm khả năng của bùn thoát rakhỏi hệ thống

Tỷ lệ loại bỏ COD và BOD

Hình 1.7: Biểu đồ loại

bỏ BOD5 sinh học phụ thuộc vào số giờ thổi HRT không khí

Hình 1.8: Biểu đồ loại bỏ COD sinh học phụ thuộc vào số giờ thổi HRT không khí

CHƯƠNG 2:

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ USBF

2.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ USBF

Bể được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ carbon (COD, BOD), quá trìnhnitrat hoá/khử nitrat và quá trình loại bỏ dinh dưỡng (N và P) Nước thải được loại bỏrắn, sau đó, được bơm vào mương chảy tràn thu nước đầu vào cùng trộn lẫn với dòngtuần hoàn bùn Hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính chảy vào ngăn thiếu khí Ngăn này

có vai trò như là ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi chất (Metabolism Selection) để

làm tăng cường hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm tăng cường hoạt tính của

bông bùn và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật hình sợi gây vón bùn và nổi bọt.Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này Sau đó, nước thảichảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưỡi đáy ngăn USBF Ở đây oxy được cung cấpnhờ các ống cung cấp khí qua một máy bơm Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vàongăn USBF và di chuyển tử dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theophương thẳng đứng Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp

cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính Phần nước trong đã được xử lýphía trên chảy tràn vào mương thu nước đầu ra Một phần hỗn hợp nước thải và bùntrong ngăn này được tuần hoàn trở laị ngăn thiếu khí

Hình 2.1: Nguyên tắc hoạt động bể USBF

2 NH3 + 3 O2 Nitrosomonas 2 HNO2 + 2H2O

2 HNO2 + O2 Nitrobacter 2HNO3

để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do (lượng oxy hòa tan)

đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình đó

Ví dụ: Khử phospho bằng FeSO4 xảy ra theo hai phản ứng sau:

Qui trình USBF được thiết lập trên nguyên lý bể lắng dòng chảy lên có lớp bùn lơ lửng

(Upflow Sludge Blanket Clarifier) Ngăn này có dạng hình thang, nước thải sau khi

được xáo trộn đi từ dưới đáy bể lắng qua hệ thống vách ngăn thiết kế đặc biệt mà ở đóxảy ra quá trình tạo bông thủy lực Bể lắng hình thang tạo ra tốc độ dâng dòng chảy ổnđịnh trên toàn bề mặt từ đáy đến mặt trên bể lắng, điều này cho phép sự giảm gradientvận tốc dần dần trong suốt bể lắng

2.3 ƯU ĐIỂM CỦA BỂ USBF

- Giảm chi phí đầu tư

USBF kết hợp tất cả các công đoạn xử lý vào một bể làm giảm kích thước các bể và giảm chi phí đầu tư công trình

- Chi phí vận hành và bảo trì thấp

Với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ, các thiết bị cơ động, vận hành theo chế độ

tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình và hạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành

và bảo trì

- Hiệu suất xử lý cao

Với thiết kế gọn, là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu cơ dạng carbon (BOD, COD) và chất dinh dưỡng (N, P) nên chất lượng nước thải sau khi xử lý luôn đảm bảo tiêu chuẩn thải theo yêu cầu nhất là hàm lượng chất dinh dưỡng mà các công

trình xử lý sinh học thông thường khác khó đạt được Nồng độ BOD5 và TSS sau xử lýnhỏ hơn 10 mg/l và N-NH3 nhỏ hơn 0.5 mg/l USBF xử lý chất hữu cơ dạng carbon và

- Thay đổi thể tích linh động

Bể lắng hình côn trong bể tạo không gian trống để các phản ứng khác xảy ra chung quanh và bản thân bể lắng cũng có thể thay đổi thể tích linh động, tác động lên thể tíchcủa các công đoạn còn lại Bể USBF cũng có thể chịu được sự quá tải lưu lượng, khilưu lượng tăng cao, lớp bùn họat tính dâng cao hình thành diện tích lọc lớn hơn nêncũng ít ảnh hưởng đến chất lượng nước đầu ra

- Thiết kế theo đơn nguyên

Do kết hợp nhiều quá trình xử lý trong một công trình nên USBF gần như một côngtrình thiết kế hoàn chỉnh, mặt khác có kiểu dáng là hình khối chữ nhật nên rất thuậntiện để thiết kế t hành từng đơn nguyên Việc đơn nguyên hóa công trình giúp việc thiết

kế công trình linh động hơn về mặt bằng, công suất hệ thống Chính vì kiểu dáng đơngiản nên có thể thiết kế công nghệ BF để cải tạo các công trình cũ hay lắp đặt trongnhững không gian có sẵn

- Tăng cường khả năng làm khô bùn

Sự gia tăng tuổi bùn trong hệ thống sẽ cải thiện cấu trúc đặc tính cơ học làm cho quá trình làm khô bùn xảy ra nhanh hơn