TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO CÔNG SUẤT 500M3/NGÀY ĐÊM

trình bày TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO CÔNG SUẤT 500M3/NGÀY ĐÊM

Nguyễn Thị Mỹ Linh Nguyễn Thị Hải Ngân Nguyễn Thị Ly Sa

Thành phần, tính chất của nước thải

chăn nuôi heo

• Các chất hữu cơ và vô cơ

Trong nước thải chăn nuôi, hợp chất hữu cơ

chiếm 70–80%, hầu hết dễ phân hủy Các chất

vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, muối, ure,

ammonium, muối chlorua…

• N và P

Trong nước thải chăn nuôi heo thường chứa

hàm lượng N và P rất cao Hàm lượng N tổng

trong nước thải chăn nuôi 571 – 1026 mg/L, P

từ 39 – 94 mg/L

• Vi sinh vật gây bệnh

Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng,

Một số nghiên cứu trong và ngoài nước

về xử lý nước thải chăn nuôi heo

Các nước trên thế giới

Nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra

nhiều công nghệ xử lý nước thải thích hợp

như là:

• Kỹ thuật lọc yếm khí

• Kỹ thuật phân hủy yếm khí hai giai đoạn

• Bể Biogas tự hoại

Trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo tại Thái Lan thì trường đại học Chiang Mai đã có nhiều đóng góp rất lớn:

HYPHI (hệ thống xử lý tốc độ cao kết hợp với hệ thống chảy nút): gồm có thùng lắng, bể chảy nút

và bể UASB Phân heo được tách làm 2 đường, đường thứ nhất là chất lỏng có ít chất rắn tổng

số, còn đường thứ hai là phần chất rắn với nồng

độ chất rắn tổng số cao, kỹ thuật này đã được xây dựng cho các trại heo trung bình và lớn

• Một số tác giả Úc cho rằng chiến lược giải quyết vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi heo

là sử dụng kỹ thuật SBR.

• Ở Ý, công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi

giàu chất hữu cơ được đưa ra là SBR có thể giảm trên 97% nồng độ COD, Nitơ, Phospho.

• Các nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi heo ở Việt Nam đang tập trung vào hai hướng chính, hướng thứ nhất là sử dụng các thiết bị yếm khí tốc độ thấp như bể lên mem tạo khí

Biogas hoặc các túi PE

• Hướng thứ hai là xây dựng quy trình công nghệ

và thiết bị tương đối hoàn chỉnh, đồng bộ nhằm

áp dụng trong các xí nghiệp chăn nuôi mang

tính chất công nghiệp

Ở VIỆT NAM

NƯỚC THẢI ĐÃ

XỬ LÝ THẢI RA NGUỒN

PHÂN BÓN PHÂN

Đối với quy mô hộ gia đình

Quy trình 1

Đối với quy mô hộ gia đình

HỐ LẮNG

NƯỚC THẢI ĐÃ

XỬ LÝ THẢI RA NGUỒN BIOGAS

Đối với cơ sở chăn nuôi quy mô nhỏ

HẦM

Ủ PHÂN

NƯỚC THẢI ĐÃ

XỬ LÝ THẢI RA NGUỒN

CẶN LẮNG PHÂN BÓN

Đối với cơ sở chăn nuôi quy mô

vừa và lớn

Quy trình 1

THẢI RA NGUỒN

LẮNG

Ủ PHÂN

BỂ SỤC KHÍ

PHÂN BÓN PHÂN

NƯỚC

THẢI

CHĂN

NUÔI

Đối với cơ sở chăn nuôi quy mô

vừa và lớn

Quy trình 2

THẢI RA NGUỒN

LẮNG HỒ KỴ

KHÍ

Ủ PHÂN

HỒ TÙY NGHI

HỒ HIẾU KHÍ

PHÂN BÓN PHÂN

NƯỚC

THẢI

CHĂN

NUÔI

Các phương pháp xử lý nước thải

chăn nuôi heo

Việc lựa chọn phương pháp làm sạch và lựa chọn quy trình xử lý nước phụ thuộc vào các yếu tố như :

 Các yêu cầu về công nghệ và vệ sinh

nước.

 Lưu lượng nước thải.

 Các điều kiện của trại chăn nuôi.

 Hiệu quả xử lý.

Phương pháp xử lý cơ học

• Mục đích là tách chất rắn, cặn, phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, phân riêng

Có thể dùng song chắn rác, bể lắng sơ bộ…

• Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi khá lớn và dễ lắng nên có thể lắng sơ bộ trước rồi đưa sang các công trình xử lý phía sau

• Sau khi tách, nước thải được đưa sang các công trình phía sau, còn phần chất rắn được đem đi ủ để làm phân bón

Phương pháp xử lý hóa lý

• Nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ dạng hạt có kích thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học thông thường.

• Có thể áp dụng phương pháp keo tụ để loại

bỏ chúng Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt,… kết hợp với polymer trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ.

Phương pháp xử lý sinh học

Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau Và tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng

hồ sinh học hoặc xây dựng các bể nhân tạo

để xử lý.

Các hệ thống xử lý nhân tạo bằng

phương pháp sinh học

 Xử lý theo phương pháp hiếu khí

– Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng

Ứng dụng lục bình để

xử lý nước thải

Hệ thống xử lý nước thải bằng hồ lục bình có thể xem như là một bể lọc sinh học nhỏ giọt, vận tốc thấp có dòng chảy theo chiều ngang Cơ chế loại chất ô nhiễm của hệ thống chủ yếu là lắng và phân hủy sinh học, bộ rễ của chúng có tác dụng như một bộ lọc cơ học và tạo giá bám cho vi sinh vật

Cơ chế loại chất hữu cơ

Các chất rắn lắng được sẽ lắng xuống đáy dưới tác dụng của trọng lực và sau đó bị phân hủy bởi các vi sinh vật kỵ khí Các chất rắn lơ lửng hoặc hữu cơ hòa tan được loại đi bởi hoạt động của các vi sinh vật nằm

lơ lửng trong nước bám vào thân và rễ của lục bình

Cơ chế loại N

– Bị hấp thụ bởi lục bình và sau đó khi lục bình được thu hoạch thì N được loại khỏi hệ thống

– Sự bay hơi của amoniac

– Quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa của các vi sinh vật

Cơ chế loại P

P trong nước thải được khử đi do lục bình

hấp thụ vào cơ thể, bị hấp phụ hay kết tủa Trong đó, hiện tượng kết tủa và hấp phụ góp phần quan trọng nhất.

P sẽ được loại bỏ khỏi hệ thống qua việc :

• Thu hoạch lục bình.

• Vét bùn lắng ở đáy.

CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI

CHĂN NUÔI HEO CÔNG SUẤT

Máy

thổi khí

Làm phân bón

Đường nước Đường bùn Đường cát

Phương án 2

Đường nước Đường bùn

Làm phân bón

Ngăn tiếp nhận

Máy

thổi khí

Lưới chắn rác

Nhiệm vụ

Loại trừ các vật nổi, vật lơ lửng như giẻ, rác,

vỏ đồ hộp, các mẩu đá, gỗ và các vật khác trước khi đưa vào các công trình xử lý phía sau

Giúp tránh các hiện tượng tắc nghẽn đường ống, mương dẫn và gây tắt nghẽn bơm

 3 

500

83,33 m / h 6

h

Q Q

t

Lưới chắn rác

• Chọn lưới cố định dạng lõm có kích thước mắt lưới

d = 0,35mm tương ứng với tải trọng LA = 700l/phut.m2, đạt hiệu quả xử lý cặn lơ lửng E = 10%

• Giả sử lưới chắn rác được chọn theo thiết kế định hình có kích thước lưới B* L = 0,8 x 1,2 m

A L  l ph m ph m 

83,33 / 1 1000 723 / 0,8 *1,2 *2 60

*

m A

n B H  m m  luoi

Ngăn tiếp nhận

Nhiệm vụ

Nước thải từ trại chăn nuôi heo sau khi qua lưới chắn sẽ chảy đến ngăn tiếp nhận Từ đây nước thải được đưa đi phân phối cho các công trình xử lý tiếp theo.

h

Ngăn tiếp nhận

Chọn chiều cao hữu ích h = 2 m

Chiều cao bảo vệ hbv = 0,5 m

Chiều cao xây dựng ngăn tiếp nhận: H = h +

V

h

Ngăn tiếp nhận

Tính bơm chìm để bơm nước thải

• Công suất của bơm được tính theo công thức:

• Công suất thực tế của máy bơm:

Mặt bằng ngăn tiếp nhận Mặt cắt 1 - 1

Bể lắng cát

Tính toán

Chọn thời gian lưu của bể lắng cát ngang: t = 60sChọn vận tốc nước trong bể lắng ngang: vn = 0,2 (m/s)

Bể lắng cát

• Chiều rộng của bể lắng cát ngang

Với H: chiều cao công tác của bể lắng cát ngang 0,25m -1m Chọn H = 0,3 m

Chia bể lắng cát thành 2 đơn nguyên n = 2

• Chiều dài của bể lắng ngang

Bể lắng cát

• Lượng cát trung bình sau mỗi ngày đêm

q0: lượng cát trong 1000m nước thải, q0 = 0,15mcát/ngđ

Chiều cao lớp cát trong bể lắng cát ngang trong

Bể điều hòa

Nhiệm vụ

Bể điều hoà có nhiệm vụ điều hoà lưu lượng và nồng độ nước thải dòng vào, tránh lắng cặn và làm thoáng sơ bộ, qua đó oxy hoá một phần chất hữu cơ trong nước thải

Để đảm bảo điều hoà nồng độ, lưu lượng và tránh lắng cặn, bể được bố trí hệ thống thổi khí làm việc liên tục

Chọn chiều cao hữu ích của bể điều là H = 4m.

Chiều cao bảo vệ là Hbv = 0,3m

→ Chiều cao xây dựng bể điều hòa là 4,3m

Chọn chiều rộng bể là 6m, chiều dài bể là 7m

Kích thước bể điều hòa là L x B x H = 7 x 6 x 4,3 (m)

h tb

Q

Đối với ống nhánh có lưu lượng 7.103 m3/s

Chọn vận tốc trong ống nhánh là 10 m/s →

Đường kính ống nhánh là 32 mm

Bể điều hòa

• Áp lực và công suất của hệ thống nén khí

Áp lực cần thiết cho hệ thống nén khí xác định theo công thức:

Htc = hd + hc + hf + H = 0,49 atTrong đó:

hd: tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài trên đường ống dẫn

hc: tổn thất áp lực cục bộ, m

hf: tổn thất qua thiết bị phân phối, mH: chiều cao hữu ích của bể điều hoà, m

k n

Bể điều hòa

Chọn đường ống dẫn nước vào bể điều hòa là ống nhựa PVC có đường kính 160, đường kính ống dẫn nước ra là 90.

Công suất của bơm được tính theo công thức:

Công suất thực tế của máy bơm:

Bảng tổng hợp các thông số thiết kế bể điều hòa

Bể lắng đợt I

Nhiệm vụ

Nhiệm vụ của bể lắng đợt I là tách các chất lơ lửng vô cơ dễ lắng cũng như một phần hệ keo và chất ô nhiễm hòa tan trong nước thải trước khi nước thải đi qua bể UASB

Bể lắng đợt I

Tính toán

Nồng độ SS vào bể lắng I là 461 mg/l

Hiệu quả khử SS của bể lắng I đạt 60%.

Hàm lượng cặn lơ lửng ra khỏi bể lắng là 184 mg/l.

Bể lắng đợt I

• Đường kính ống trung tâm:

d = 20%D = 20%.4,46 = 0,9 (m)Chọn chiều sâu hữu ích của bể lắng H=3m, chiều cao lớp bùn lắng hb=0,7m, chiều cao lớp trung hoà hth= 0,2m, chiều cao bảo vệ hbv= 0,3m Vậy chiều cao tổng cộng của bể lắng đợt I là:

Htc = H + hb + hth + hbv = 3 + 0,7 + 0,2 + 0,3 =4,2 (m)

• Chiều cao ống trung tâm:

h = 60%H = 60%.3= 1,8 (m)

Bể lắng đợt I

 Lượng bùn tươi sinh ra mỗi ngày là

Mtươi = 461gSS/m 3 500m 3 /ngày.0,6/1000g/kg = 138,3

(kgSS/ngày)

 Giả sử nước thải có hàm lượng cặn 5% (độ ẩm 95%), tỷ

số VSS : SS = 0,8 và khối lượng riêng của bùn tươi = 1,053kg/l Vậy lưu lượng bùn tươi cần phải xử lý là:

 Lượng bùn tươi có khả năng phân huỷ sinh học:

3 tuoi

• Bơm nước từ bể lắng I sang bể UASB

Chọn 2 bơm công suất 0,52 kW, 1 bơm hoạt động

Bảng tổng hợp các thông số thiết kế bể lắng I

Kích thước

máng

Đường kính máng thu nước, m 3,57

Chiều dài máng thu nước, m 11,2Chiều cao máng thu nước, m 0,5Lượng bùn tươi sinh ra mỗi ngày,

Bể UASB

Nhiệm vụ

Phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải thành các chất vô cơ dạng đơn giản và các khí như CH4, CO2 nhờ các vi sinh vật kỵ khí tồn tại ở dạng lơ lửng trong bể Đồng thời tạo thuận lợi cho quá trình xử lý hiếu khí trong bể aerotank

Bể UASB

Bể UASB

Tính toán

Các thông số đầu vào:

Lưu lượng Q = 500 m3/ng.đBOD5 = 2254 mg/l

COD = 4168 mg/l

Các thông số đầu ra:

BOD5 = 451 mg/l (EBOD = 80%) COD = 834 mg/l (ECOD = 80%)

Q C V

156,3 0,05.1000

SS b

C V M

TS

Bể UASB

• Lượng sinh khối hình thành mỗi ngày:

• Trong đó:

Y: hệ số sản lượng sinh tế bào, Y = 0,04 gVSS/gCOD

kd: hệ số phân hủy nội bào, kd = 0,015 ngày -1

: thời gian lưu bùn (35 – 100 ngày), chọn = 90 ngày

S , S: lượng COD đầu vào và đầu ra bể

 Thể tích khí metan sinh ra mỗi ngày

x w

ss

P Q

C

Bể UASB

Tính các ống phân phối nước vào bể UASB:

Vận tốc nước chảy trong ống chính v = 0,8 - 2m/

s, chọn v = 1m/s

D = = = 0,086 (m) Chọn ống nhựa PVC có đường kính 90 

4 24.3600

Q v



4.500 1.24.3600



Bể UASB

Từ ống chính chia làm 2 ống nhánh vào 2 đơn nguyên Vận tốc nước chảy trong ống nhánh v = 0,8 - 2m/s, chọn v=1m/s

Dn = = = 0,06 (m)

Chọn ống nhựa PVC có đường kính 60

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 theo cơ chế tự

4 / 2 24.3600

Q v



4.500 / 2 1.24.3600





Bể aerotank

Nhiệm vụ

Bể aerotank được ứng dụng khá phổ biến trong các quá trình xử lý hiếu khí Mục đích chủ yếu của quá trình này là dựa vào hoạt động sống và sinh sản của vi sinh vật để ổn định chất hữu cơ làm keo tụ các hạt cặn lơ lửng không lắng được Tùy thuộc vào thành phần nước thải

cụ thể, Nitơ và Photpho sẽ được bổ sung để gia tăng khả năng phân hủy của vi sinh vật

Bể aerotank

Bể aerotank

Tỷ số MLVSS/MLSS = 0,8

Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn là 10000mg/l.Hàm lượng chất lơ lửng dễ bay hơi (MLVSS) trong hỗn hợp bùn hoạt tính ở bể aerotank X = 3800mg/l

Hàm lượng bùn hoạt tính trong bể aerotank:

Nước thải đầu ra chứa 60mg/l cặn sinh học, trong đó có 65% cặn dễ phân huỷ sinh học

Bể aerotank

Xác định hiệu quả xử lý E:

Hiệu quả xử lý được xác định theo phương trình sau:

Hiệu quả xử lý tính theo BOD5 hoà tan:

Hiệu quả xử lý tính theo BOD5 tổng cộng:

Thể tích bể aerotank được tính theo công thức sau:

0 0

100 451

Bể aerotank

Xác định thời gian lưu nước của bể aerotank:

Các kích thước điển hình của aerotank xáo trộn hoàn toàn

163

.24 7,8( ) 500

V

h Q

Chiều cao hữu ích, (m) 3.0 – 4.6

Chiều cao bảo vệ, (m) 0.3 – 0.6

Khoảng cách từ đáy đến đầu khuyếch tán

Tỷ số rộng : sâu ( W: H) 1 : 1 – 2.2 : 1

Bể aerotank

Chọn chiều cao hữu ích của bể là 3,5m, chiều cao bảo vệ là 0,5m

Vậy chiều cao tổng cộng của bể: H = 4m

Chiều dài của aerotank là L = 9m

Chiều rộng bể aerotank là W = 5,2m

Tính toán lưu lượng bùn thải bỏ mỗi ngày:

Lưu lượng bùn dư thải bỏ được tính dựa vào công thức:

.

XQ X Q Q

r

Q Q

V

Bể aerotank

Tính lượng oxy cần thiết cần cung cấp cho

aerotank

Hệ số tạo bùn từ việc khử BOD5

Lượng sinh khối gia tăng mỗi ngày tính theo

Bể aerotank

• Lượng oxy cần thiết trong điều kiện tiêu chuẩn:

• Lượng oxy cần thiết trong điều kiện thực tế:

S

Q

42 , 1

) / (

10 ).





k

Bể aerotank

• Tính hệ thống phân phối khí

Chọn đĩa phân phối khí dạng đĩa xốp đường kính 170mm, diện tích bề mặt F = 0.02m2 Lưu lượng riêng phân phối khí của đĩa thổi khí = 150 – 200 l/phút, chọn = 200 l/phút

• Lượng đĩa thổi khí trong bể aerotank:

Chọn số đĩa thổi khí là 60 đĩa

l phut



Bể aerotank

• Lưu lượng không khí cần để khử 1kg BOD5:

Lưu lượng khí cấp cho 1m3 nước thải:

C = (m3/m3)

Lưu lượng không khí cần để khử 1kg BOD5:

(m3khí/kgBOD5)

19481

38,9 500

BOD kk

kk

o

Q q

Bể aerotank

• Tính toán máy thổi khí

Áp lực cần thiết cho hệ thống ống nén khí được xác định theo công thức:

chính

4 4.0, 225D

k

Q v

Thông số Giá trị

Thể tích bể: dài x rộng x cao 9m x 5,2m x 4m Lưu lượng bùn thải Qw (m 3 /ngày) 4,7

Lưu lượng bùn tuần hoàn, Qr(m 3 /ngày) 443

Thời gian lưu nươc (h) 7,8

Lượng không khí cần, Qkk(m 3 /ngày) 19481

Lượng không khí cần để khử 1kg BOD5,

Chiều cao công tác,m :3,7 – 6,1

Chọn tải trọng bề mặt thích hợp cho bùn hoạt tính này là 20m3/m2.ngày và tải trọng chất rắn là

5,5kg/m h

Bể lắng II

Diện tích bề mặt bể lắng theo tải trọng bề mặt:

Diện tích bề mặt bể lắng tính theo tải trọng chất rắn là:

Do A S > A L nên diện tích bề mặt lắng tính theo tải trọng chất rắn

Đường kính bể lắng:

Đường kính ống trung tâm:

d = 20%D = 20%.6,6 = 1,3 (m)

2 L

2 S

( ) (500 443).4750

24.5,5.1000

r S

Q Q MLSS

m L

Bể lắng II

• Chọn chiều cao hữu ích của bể lắng là hL= 3m, chiều cao lớp bùn lắng hb= 1,5m và chiều cao bảo vệ hbv= 0,3m Vậy chiều cao tổng cộng của bể lắng II:

Htc = hL + hb + hbv = 3 + 1,5 + 0,3 = 4,8 (m)

Chiều cao ống trung tâm:

h = 60%hL = 60%.3,2 = 1,92 (m) Thể tích phần lắng

Thời gian lưu nước:

Bể lắng II

Thể tích bể chứa bùn:

Vb = A.hb = 33,9.1,5 = 50,85 (m3)Thời gian lưu giữ bùn trong bể:

Tải trọng bề mặt:

Giá trị này nằm trong khoảng cho phép LS < 500

50,85.24

2, 72( )(4, 7 443)

b b

r S

Q Q L

D

Bể lắng II

Ống dẫn nước thải vào:

Chọn vận tốc nước thải chảy trong ống v = 0,7m/s Lưu lượng nước thải vào bể:

Qv = Q+ Qr = 500 + 443 = 943 (m 3 /ngày)

Chọn ống nhựa PVC đường kính ống140mm

Ống dẫn nước thải ra:

Chọn vận tốc nước thải chảy trong ống v = 0,7m/s Chọn ống nhựa PVC có đường kính 100mm

= 0,14 (m) = 140 (mm) 24.3600 24.3600.0,7.

V

Q D