TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ THỔI KHÍ

Bể thổi khí hoạt động theo phương pháp xử lý sinh học hiếu khí, các vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước.

4.6 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ THỔI KHÍ

4.6.1 Nhiệm Vụ

Bể thổi khí hoạt động theo phương pháp xử lý sinh học hiếu khí, các vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước Các chất hữu cơ trong nước thải được vi sinh vật phân hủy thành các chất vô cơ như CO2, H2O,…và tạo thành các sinh khối mới, góp phần làm giảm BOD, COD của nước thải

Quy trình xử lý nước thải bằng bể thổi khí gồm các công đoạn sau:

1 Khuấy trộn đều nước thải cần xử lý với bùn hoạt tính

2 Làm thoáng bằng khí nén hay khuấy trộn bề mặt hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính có trong

bể trong một thời gian đủ dài để lấy oxy cấp cho quá trình sinh hóa xảy ra trong bể

3 Làm trong nước và tách bùn hoạt tính ra khỏi hỗn hợp bằng bể lắng đợt 2

4 Tuần hoàn lại một lượng bùn cần thiết từ đáy bể lắng đợt 2 vào bể thổi khí để hòa trộn với nước thải đầu vào

5 Xả bùn dư và xử lý bùn

Bảng 4.10 Các thông số đặc tính nước thải (giả định)

Thông số tính toán Giá trị (g/m 3 )

4.6.2 Điều Kiện Thiết Kế Và Giả Thiết

1 Sử dụng hệ thống khuếch tán khí có hiệu quả truyền oxy trong nước sạch bằng 35%

2 Độ sâu của lớp nước trong bể thổi khí là 6 m

3 Khí được giải phóng ra ở vị trí cách đáy bể 0,5 m

4 Nồng độ DO trong bể thổi khí là 2 g/m3

5 Cao độ của vị trí xây dựng hệ thống là 500 m

6 Hệ số α trong bể thổi khí là 0,65 khi có quá trình nitrate hóa, hệ số β = 0,95 cho cả hai điều kiện và hệ số làm tắt hệ thống khuếch tán khí là 0,9

7 Sử dụng các thông số động học trong các bảng 8 – 10, 8 – 11 (Metcalf & Eddy, 2004)

µmn = 0,75 g VSS/g VSS.ngđ; Kn = 0,74 g N – NH4/m3; kdn = 0,08 g VSS/g VSS.ngđ; kd = 0,12 g VSS/g VSS.ngđ; µm = 6 g VSS/g VSS.ngđ; Ko = 0,5 g/m3

8 Thiết kế MLSS = 3000 g/m3, có thể chọn giá trị trong khoảng 2000 g/m3 – 3000 g/m3

9 NOx = 80% TKN = 80%×40 = 32 (g/m3)

10. Hệ số an toàn đối với TKN cực đại/TKN trung bình FS = 1,5

4.6.3 Các Thông Số Sử Dụng Trong Thiết Kế

Tính bCOD

bCOD = So = 1,6×BOD = 1,6×200 = 320 (g/m3)

Tính nbCOD

nbCOD = COD – bCOD = 460 – 320 = 140 (g/m3)

Tính sCODe

sCODe = sCOD – 1,6 sBOD = 160 – 1,6×80 = 32 (g/m3)

Tính nbVSS

nbVSS = (1 – bpCOD/pCOD)VSS

64 , 0 160 460

) 80 200 ( 6 , 1 ) (

6 ,

−

−

=

−

−

=

sCOD COD

sBOD BOD

pCOD

bpCOD

nbVSS = (1 – 0,64) 80 gVSS/m3 = 28,8 (g/m3)

Tính iTSS

iTSS = TSS – VSS = 90 – 80 = 10 (g/m3)

Tính µn ở nhiệt độ 30oC

48 , 1 07

, 1 75 ,

30

C

n

Tính Kn ở nhiệt độ 30oC

24 , 1 053

, 1 74 ,

30

C

n o

Tính kdn ở nhiệt độ 30oC

16 , 0 07

, 1 08 ,

30

C

dn o

Tính kd ở nhiệt độ 30oC

18 , 0 04

, 1 12 ,

30

C

Tính µm ở nhiệt độ 30oC

8 , 11 07

, 1

m

Tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn nitrate hóa (nồng độ N – NH4e = 0,5 g/m3)

18 , 0 16 , 0 2 5 , 0

2 5 , 0 24 , 1

5 , 0 48 , 1









 +











 +

×

=

−







 +









+

o n

m n

DO K

DO N

K

N

µ

4.6.4 Xác Định Lượng Bùn Phát Sinh

SRT k

NO QY SRT

k

SRT S S QY k f SRT k

S S QY P

dn

x n d

o d

d d

o bio

× +

× +

−

×

× +

× +

−

=

1 1

) (

1

) (

Thời gian lưu bùn (SRT) theo lý thuyết và theo thiết kế

Thời gian lưu bùn theo lý thuyết

56 , 5 18 , 0

1

=

n

SRT

Thời gian lưu bùn theo thiết kế

F/S = TKN cực đại/TKN trung bình = 1,5

SRT thiết kế = F/S×SRTlý thuyết = 1,5×5,56 = 8,34 (ngđ)

Quy phạm 8 – 20 ngày (Lai, 2000)

Nồng độ cơ chất trong bể

1 ) 18 , 0 8 , 11 ( 34 , 8

) 34 , 8 18 , 0 1 ( 20 1 ) (

1

=

−

−

× +

=

−

−

× +

=

d m

d s

k SRT

SRT k

K

S

Lượng bùn sinh ra hàng ngày

Thay các thông số trên vào (1), ta được

7 , 44 3 , 312 387 1 10 ) 34 , 8 16 , 0 1

(

32 12 , 0 149 27

10 ) 34 , 8 18 , 0 1 (

34 , 8 ) 52 , 0 320 ( 149 27 4 , 0 18 , 0 15

,

0

10 ) 34 , 8 18 , 0 1 (

) 52 , 0 320 ( 4 , 0 149 27

3

3

3 ,

+ +

=

×

× +

×

× +

×

× +

×

−

×

×

× +

×

× +

−

×

=

bio

X

P

= 1.744 (kg VSS/ngđ)

4.6.5 Xác Định Lượng Nitơ Bị Oxy Hóa Thành Nitrate

149 27 / 10 1744 12 , 0 5 , 0 40

/ 12 , 0

3 ,

×

×

−

−

=

−

−

= 31,8 (g/m3)

4.6.6 Xác Định Nồng Độ Và Khối Lượng VSS, TSS Trong Bể Thổi Khí

Khối lượng bùn trong bể = PX (SRT)

Tính toán nồng độ VSS và TSS trong bể thổi khí

9 , 781 1744 10

8 , 28 149 27 1744

1744

3 ,

+

=

×

× +

=

× +

=

−

nbVSS Q

P X VSS

= 2.525,9 (kg/ngđ)

2 , 105 3 10 10 149 27 9 , 781 ) 85 , 0 / 1744

TSS

X

Tính toán khối lượng VSS và TSS trong bể thổi khí

MVSS = PX,VSS×SRT = 2525,9×8,34 = 21.066 (kg)

MTSS = PX,TSS×SRT = 3.105,2×8,34 = 25.897 (kg)

4.6.7 Xác Định Thể Tích Và Thời Gian Lưu Nước Của Bể Thổi Khí

Thể tích bể thổi khí

8632 3000

10 897

=

×

=

=

=

MLTSS

X S

Chọn xây dựng 3 bể với thể tích mỗi bể là 2877 m3

Diện tích mỗi bể: 497 , 5

6

=

=

H

V

Chọn H = 6 m, chiều cao xây dựng là 6,5 m, trong đó chiều cao an toàn là 0,5 m

Chiều rộng của mỗi bể: B = 22,1 m; chiều dài mỗi bể: L = 22,5 m

Thời gian lưu lước

63 , 7 149 27

24

8632× =

=

=

Q

V HRT (h) (Quy phạm HRT = 6 – 15h; Lai, 2000)

Xác định MLVSS

2430 3000

81 , 0 81

, 0 897 25

066

=

M

M VSS

TSS

VSS

(g/m3)

4.6.8 Xác Định F/M Và Tải Trọng BOD

Tỷ lệ F/M

3 , 0 8632 2430

200 149

×

×

=

×

×

=

V X

S Q

M

(g/g.ngđ) Tải trọng BOD

6 , 0 10 8632

200 149 27

×

×

=

×

=

V

S Q

Cả 2 thông số F/M và tải trọng Lorg đều chấp nhận được, thuộc quy phạm bảng 8 – 16 (Metcalf

& Eddy)

4.6.9 Xác Định Hệ Số Y obs Dựa Vào TSS Và VSS

PX,TSS = 3105,2 kg/ngđ

bCODXL = Q×(So – S) = 27.149×(320 – 0,52) = 8673,6 (kg/ngđ)

Hệ số Yobs tính theo TSS

58 , 0 6

, 1 36

, 0 36

, 0 6 , 8673

2 , 3105

=









=

=

=

gBOD

gbCOD gbBOD

gTSS kgbBOD

kgTSS

Hệ số Yobs tính theo VSS

VSS/TSS = 0,81

47 , 0 6

, 1 81

, 0 36

, 0

=

















=

gBOD

gbCOD gTSS

gVSS gbBOD

gTSS

4.6.10 Tính Nhu Cầu Oxy Tiêu Thụ

3 3

,

10 8 , 31 149 27 33 , 4 1744 42

, 1 10 ) 52 , 0 320 ( 149

.

27

33 , 4 42

, 1 ) (

−

−

=

=

×

× +

−

−

R

= 9.935,3 (kg/ngđ) = 414 (kg/h)

4.6.11 Tính Lưu Lượng Khí Cần Theo Q

Ta có theo công thức trong phụ lục B (Metcalf & Eddy, 2004)

06 , 1 ) 30 15 , 273 ( 8314

) 0 500 ( 97 , 28 81 , 9 exp )

(











+

×

−

×

×

−

=







=

RT

z z gM P

a

b

Tra bảng D – 1, phụ lục D (Metcalf & Eddy, 2003) ta được C30 = 7,54 mg/l, C20 = 9,08 mg/l

→ Nồng độ oxy ở 500 m và 30oC là Cs,T,H = 7,54×1,06 = 7,99 (mg/l)

Xác định áp suất khí quyển ở 500 m và 30 o C (phụ lục B, C; Metcalf & Eddy, 2004)

764 , 9

325 , 101 06 , 1 /

/ 3

2 ,

m kN

m kN P

P P

P b a atm H

H

Xác định nồng độ oxy, giả sử phần trăm oxy thoát ra khỏi bể thổi khí là 19%.

21

19 11

) 5 , 0 6 ( 11 2

99 , 7 21 2

1

,

, , ,

,

,

,   + + = × + − + =









H atm

depth eff w H atm H

T

s

H

T

s

O P

P P

C

Xác định SORT với các thông số α = 0,65; β = 0,95; F = 0,9

2 6 , 9 95 , 0 9 , 0 65 , 0

024 , 1 08 , 9 414 024

, 1 ) (

30 20 20

, ,

20

−

×

×

×

×

=

















−

L H T s

s

C C

F

C AORT

SORT

β

Xác định lưu lượng khí

) / )(

/ 60 (

) / ( )

/

2

3

kk m O kg h phút E

h kg SORT phút

m

Q kk

×

=

Khối lượng riêng của không khí ở 30oC và áp suất 1,01325×105 N/m2 là (phụ lục B, Metcalf & Eddy, 2004)

1647 , 1 ) 30 15 , 273 ( 8314

97 , 28 01325 ,

+

×

×

=

=

RT

PM

a

Oxy chiếm 23,18 % về khối lượng không khí nên lượng oxy tương ứng là = 1,1647×0,2318 = 0,27 kg/m3 không khí

Lưu lượng khí cần thiết

6 , 125 27 , 0 60 35 , 0

712 min)

/

×

×

=

m

Chọn 3 máy bơm khí Lưu lượng mỗi máy bơm

8 , 41 3

6 , 125

1b = =

Chọn vận tốc của ống dẫn khí chính v = 10 m/s (Quy phạm 10 – 15 m/s (Lai, 2000)

Diện tích tiết diện của ống thổi khí chính

07 , 0 60 10

8 ,

×

=

=

v

Q

Chọn ống thổi khí nhựa chịu được sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất

Đường kính ống dẫn khí chính

3 , 0 07 , 0 4

=

π π

F

Theo chiều dài bể chia thành 4 dãy ống chính Các ống nhánh thổi khí đặt cách nhau 0,5 m Chọn đường kính ống nhánh 100 mm Tổng số ống nhánh trong một dãy:

37 1 1 , 0 5 , 0

1 , 0 5 , 22

=

− +

+

=

Lượng khí đi qua một ống nhánh

28 , 0 37 4

8 , 41

=

×

=

kn

Trên các ống nhánh đặt các đĩa thổi khí có đường kính 0,3 m, khoảng cách giữa các tâm đĩa là 0,5 m, chọn kích thước lỗ 0,1 mm (thường ≤ 0,1 mm) (Lai, 2005)

Các ống nhánh đặt cách tường 1 cm Chiều dài mỗi ống nhánh

48 , 5 5 01 , 0 4 / 1 ,

=

n

Số đĩa trên một ống nhánh

11 5 , 0

48 ,

5

=

=

Lưu lượng khí qua một đĩa

025 , 0 11

28 ,

=

kd

4.6.12 Xác Định Tỷ Số Tuần Hoàn

X Q Q X

Q r× r =( + r)×

Trong đó

Q = 27.149 m3/ngđ

Qr: lưu lượng bùn hoạt tính tuần hoàn

X: nồng độ VSS ở bể thổi khí X = 3000 g/m3

Xr: nồng độ VSS trong bùn tuần hoàn, Xr = 8000 g/m3 (Xr trong khoảng 4000 – 12.000 mg/l)

R = Qr/Q tỷ số tuần hoàn bùn

RXr = (1 + R)X → 800030003000 =0,6

−

=

−

=

X X

X R

(Quy phạm R = 0,5 – 1,5) (Lai, 2000)

4.6.13 Kiểm Tra Độ Kiềm

Cân bằng độ kiềm

Độ kiềm để duy trì PH ∼ 7 = Độ kiềm đầu vào – Độ kiềm đã sử dụng + Độ kiềm thêm vào

Độ kiềm đầu vào 180 g CaCO3/m3

Lượng nitơ chuyển hóa thành nitrate: NOx = 31,8 g/m3

Lượng kiềm đã sử dụng cho quá trình nitrate hóa = 7,14×31,8 = 227,1 g CaCO3/m3

Nồng độ kiềm còn lại cần để duy trì pH trong khoảng 6,8 – 7 = 70 – 80 g CaCO3/m3, chọn giá trị 80 g CaCO3/m3

80 g CaCO3/m3 = Độ kiềm đầu vào – Độ kiềm đã sử dụng + Độ kiềm thêm vào

80 g CaCO3/m3 = 180 – 227,1 + Độ kiềm thêm vào

→ Độ kiềm cần thiết = 127,1 g CaCO3/m3→ = 27.149×127,1/103 = 3451 kg CaCO3/ngđ

Xác định độ kiềm cần thiết tính bằng NaHCO 3

Khối lượng đương lượng của CaCO3 = 50 g/eq

Khối lượng đương lượng của NaHCO3 = 84 g/eq

NaHCO3 cần thiết = 5 798

50

84

3451× = kg NaHCO3/ngđ

4.6.14 Ước Tính BOD Sau Xử Lý













 +

=

gTSS

gVSS gVSS

gBOD sBOD

42 ,

Giả sử sBODe = 3 mg/l

TSS = 10 mg/l

BOD = 3 + 0,7×0,85×10 = 8,95 (g/m3)

Bảng 4.11 Các thông số thiết kế bể thổi khí