Đồ án thiết kế trạm xử lý nước thải công suất 200 m3ngày đêm bằng công nghệ aerotank truyền thống

Các đặc tính của nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là chất hữu cơ, 48% là chất vô cơ và một lượng lớn vi sinh vật thường ở dạng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG K57

-*** -

ĐỒ ÁN II

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG SUẤT 200 m3/ngày đêm

BẰNG CÔNG NGHỆ AEROTANK TRUYỀN THỐNG

Giáo viên hướng dẫn: Ths Trần Ngọc Tân

Sinh viên: Phạm Thị Trà My

Lớp: Kỹ thuật môi trường K57

MỤC LỤC

ĐỒ ÁN II 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 3

1.1 N ƯỚC THẢI SINH HOẠT 3

1.2 C ÁC ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC THẢI SINH HOẠT 3

CHƯƠNG II THIẾT KẾ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG SUẤT 200 M 3 /NGÀY ĐÊM BẰNG CÔNG NGHỆ AEROTANK TRUYỀN THỐNG 7

2.1 B Ể AEROTANK TRUYỀN THỐNG 7

2.2 Q UY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 8

2.3 C ÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG XỬ LÝ 9

2.4 T ÍNH TOÁN , THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ 9

a Thiết kế bể lắng I 9

b Tính toán thiết kế bể aerotank 12

c Tính toán thiết kế bể lắng II 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác

Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống, thói quen của người dân và điều kiện khí hậu, có thể ước tính từ 65-90% lượng nước được cấp Ở Việt Nam, tiêu chuẩn cấp nước theo đầu người khoảng từ 100-200 l/người.ngày đêm

Lưu lượng nước thải sinh hoạt thải ra trong ngày thường có sự dao động theo thời gian trong phạm vi lớn như hình minh họa bên dưới:

Hình 1.1 Sự biến động lưu lượng theo thời gian của nước thải sinh hoạt

1.2 Các đặc tính của nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là chất hữu cơ, 48% là chất vô cơ và một lượng lớn vi sinh vật thường ở dạng virut và vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn… Trong nước thải cũng có các vi khuẩn không

có hại, có tác dụng phân hủy các chất hữu cơ

Thành phần của nước thải sinh hoạt tương đối ổn định, phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm của hệ thống thoát nước, trang thiết bị vệ sinh…

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước sinh hoạt:

 Các chỉ tiêu vật lý

 Tổng chất rắn (TS): là phần còn lại sau khi đã cho nước thải bay hơi hoàn toàn

ở nhiệt độ từ 103 – 105oC Đơn vị mg/l

 Chất rắn lơ lửng (SS): là những chất rắn không tan trong nước Hàm lượng các

chất lơ lửng (SS) là lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi (mg/L)

 Chất rắn dễ bay hơi (VS): là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù

(SS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (mg/L) Người ta thường sử dụng chỉ tiêu này để đánh giá hàm lượng các chất hữu cơ có trong mẫu nước

 Chất rắn hòa tan (DS): là những chất tan được trong nước, bao gồm cả chất vô

cơ lẫn chất hữu cơ Hàm lượng các chất hòa tan (DS) là lượng khô của phần dung dịch qua lọc khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc có giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi (mg/L)

 Mùi: Khi nước thải sinh hoạt bị phân hủy yếm khí các chất hữu cơ tạo ra các

hợp chất như H2S, indol, scatol… gây mùi khó chịu

 Độ màu: màu của nước là do chất mùn, các chất hòa tan, chất dạng keo hoặc do thực vật thối rữa, sự có mặt của một số ion kim loại (Fe, Mn), tảo, than bùn…có thể làm cản trở khả năng khuếch tán của ánh sáng vào nguồn nước gây ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của hệ thủy sinh thực vật Độ màu còn làm mất

vẻ mỹ quan của nguồn nước nên rất dễ bị sự phản ứng của cộng đồng lân cận

 Độ đục: do các chất lơ lửng và các chất dạng keo chứa trong nước thải tạo nên

Đơn vị đo độ đục thông dụng là NTU

 Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước thải là một trong những thông số quan trọng bởi vì

phần lớn các sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt đều ứng dụng quá trình xử lý sinh học mà quá trình đó thường bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ Nhiệt độ của nước thải ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh vật, sự hòa tan oxy trong nước

 Các chỉ tiêu hóa học

 Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Hàm lượng oxy hòa tan là một chỉ số đánh giá

“tình trạng sức khỏe” của nguồn nước, phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ, thành phần hóa học của nguồn nước, số lượng vi sinh, thủy sinh vật… Oxy là chất không thể thiếu đối với tất cả sinh vật

 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD: là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các

chất hữu cơ trong một khoảng thời gian xác định, mg/l Chỉ tiêu BOD phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ của nước thải, giá trị BOD càng lớn thì nước thải bị ô

nhiễm càng cao Giá trị thường sử dụng là BOD5 (lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở 20o

C)

 Nhu cầu oxy hóa học COD: là lượng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ thành

CO2 và H2O dưới tác dụng của các chất oxy hóa mạnh, mg/l Tỉ số BOD/COD thường nằm trong khoảng 0.5 – 0.7

 Hàm lượng Nitơ: Nitơ có trong nước thải ở dạng vô cơ và hữu cơ Trong đó

nước thải sinh hoạt, phần lớn Nitơ hữu cơ là các chất có nguồn gốc protit, thực phẩm dư thừa, còn các Nitơ vô cơ gồm các dạng khử NH4+, NH3 và các dạng oxy hóa NO2- và NO3- Tuy nhiên, về nguyên tắc trong nước thải chưa xử lý thường không có NO2- và NO3-

 Hàm lượng Photpho: Photpho và các hợp chất chứa Photpho có liên quan đến

hiện tượng phú dưỡng nguồn nước Hợp chất photpho tìm thấy trong nước thải sinh hoạt thường phát sinh từ: phân bón, chất thải của người và động vật, các hóa chất tẩy rửa và làm sạch

 pH: pH có ảnh hưởng tới sự sinh trưởng, phát triển của sinh vật trong nước

Trong xử lý sinh học, pH có ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật, do đó ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý Ngoài ra pH còn ảnh hưởng tới quá trình tạo bông cặn

ở bể lắng Nước thải sinh hoạt thường có giá trị pH khá ổn định trong khoảng từ 7÷8.2

 Các chỉ tiêu khác: tổng các chất hoạt động bề mặt, kim loại nặng, các hóa chất

độc hại, độ kiềm, độ axit, sunfua…

 Các chỉ tiêu vi sinh:

Chất lượng về mặt vi sinh của nước thường được đánh giá bằng nồng độ của vi khuẩn chỉ thị - những vi khuẩn không gây bệnh, về nguyên tắc là nhóm trực khuẩn coliform Thường dùng chỉ số tổng coliform để đánh giá chất lượng nước về mặt vi sinh Đơn vị MPN/100ml

Một số giá trị đặc trưng của các thông số cơ bản trong nước thải sinh hoạt được cho trong bảng dưới đây:

Bảng 1.1 Thành phần nước thải sinh hoạt

Nguồn: Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Trần Văn – Ngô Thị Nga, 2000

Như vậy nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng khá cao, phù hợp để xử lý sinh học Thông thường tỉ lệ BOD/COD  0.5 và tỉ lệ BOD5: N:

P bằng 100 : 5 : 1 có thể áp dụng phương pháp xử lý sinh học Một trong những phương pháp xử lý sinh học nước thải sinh hoạt phổ biến nhất hiện nay là sử dụng bể aerotank truyền thống

CHƯƠNG II THIẾT KẾ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG SUẤT 200 m3/ngày đêm

BẰNG CÔNG NGHỆ AEROTANK TRUYỀN THỐNG

2.1 Bể aerotank truyền thống

Bể aerotank là một công trình xử lý sinh học hiếu khí Trong bể Aeroten, các chất

lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân để cho vi sinh vật cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính Các vi sinh vật đồng hóa các chất hữu cơ

có trong nước thải thành các chất dinh dưỡng cung cấp cho sự sống và phát triển sinh khối, đồng thời giải phóng ra CO2 và H2O Như vậy các chất hữu cơ có trong nước thải được chuyển hóa thành các chất vô cơ như H2O, CO2 ít độc hại với môi trường

Bể aerotank có hình tròn hoặc hình khối chữ nhật Nước thải được đưa vào bể, chảy qua suốt chiều dài bể và được sục khí, khuấy trộn nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan trong nước và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng Bùn hoạt tính sẽ phân hủy các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải, do đó làm giảm nồng độ BOD và các chất dinh dưỡng trong nước Sau một thời gian xử lý trong bể hiếu khí, nước thải được đưa sang bể lắng bùn sinh học để tách các bông bùn ra khỏi nước đến nồng độ cho phép trước khi xả thải ra ngoài môi trường học đi vào các hệ thống xử lý sau đó Một phần bùn hoạt tính sau lắng được tuần hoàn lại bể aerotank để duy trì nồng độ bùn hoạt tính trong bể, phần dư còn lại sẽ được xả ra ngoài

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ xử lý bằng bể aerotank

Nước thải từ bể lắng I sẽ chảy sang bể aerotank, tại đây diễn ra quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ do vi sinh vật trong bùn hoạt tính Không khí sẽ được cấp

vào liên tục để cung cấp oxy cho hoạt động hô hấp của vi sinh vật và đảm bảo bùn hoạt tính luôn lơ lửng, để vi sinh vật có thể tiếp xúc được với chất dinh dưỡng trong nước Vi sinh vật phát triển sẽ tạo ra một lượng sinh khối lớn

Hỗn hợp bùn hoạt tính và nước thải sẽ tự chảy đến bể lắng bùn sinh học Bể này

có nhiệm vụ tách bùn ra khỏi nước Nước trong sẽ chảy tràn lên trên, qua máng thu và sang hệ thống khử trùng sau đó Bùn lắng thu được, một phần được tuần hoàn lại bể hiếu khí, phần dư sẽ được dẫn đến bể nén bùn rồi đem phơi khô hoặc đưa đi phân hủy yếm khí thu khí sinh học Nước sau khử trùng đã đạt yêu cầu về chất lượng (QCVN 14:2008/BTNMT) sẽ được thải ra môi trường Tùy vào mục đích sử dụng nước sau xử

lý mà các yêu cầu chất lượng đầu ra sẽ khác nhau

Chọn đường kính của ống trung tâm là 0,4m

 Diện tích của ống trung tâm:

f tt = 4.d2 = 4.0,42 = 0,126 m2

 Vận tốc nước chảy trong ống trung tâm:

200

0, 018m/s = 18mm/s24.3600.0,126

tt tt

Q v

f

 Chọn tải trọng thủy lực làm việc của bể là Uo = 35 m3/m2.ngày Khi đó:

200

5, 714m35

F

   m3/m2.ngày đêm

 U o (31 50)  m3/m2.ngày đêm (theo TCXD)

 Chọn chiều cao phần lắng của bể là H = 3,5 m

 Ống trung tâm:

+ Chiều dài của ống trung tâm bằng 3,5m, cao bằng miệng bể lắng

+ Phần ống loe có đường kính miệng loe bằng 1,35 đường kính ống trung tâm bằng 0,54m và dài 0,38 m

 Tấm chắn: tấm chắn có góc nghiêng so với mặt phẳng ngang là 17o và có đường kính bằng 1,3 đường kính miệng loe: 1,3.0,54 = 0,7 m

Chọn khoảng cách từ miệng loe của ống trung tâm đến tấm chắn là 0,3 m

Thiết kế máng nước một vòng quanh bể

Đường kính máng thu bằng 0,8 đường kín bể lắng: 0,8.2,8 = 2,24 m

Chiều dài máng thu: C =  Dm =  2,24 = 7 m

Tải trọng máng thu: 200 28,6

7

m

Q U C

   m3/m.ngày đêm

Chiều rộng của máng thu: 2,8 2, 24 0,28 m=280 mm

2

Chiều cao máng thu chọn bằng 250mm

 Hiệu suất làm việc:

 SSr = 147 mg/l < 150mg/l => hiệu quả xử lý đạt yêu cầu

+ Hiệu quả tách BOD theo cặn lắng:

b Tính toán thiết kế bể aerotank

pH = 7,2 Nhiệt độ làm việc của hệ thống 20oC

 Nồng độ bùn hoạt tính trong bể hiếu khí: X = 2000 mg/l

 Nồng độ bùn hoạt tính trong vùng chứa cặn: XT = 6000mg/l

 Thành phần hữu cơ trong cặn 65%

 BOD đầu ra = BOD trong cặn + BOD hòa tan

Hàm lượng hữu cơ trong cặn: 65%.50 = 32,5 mg/l

Hàm lượng BOD20 trong cặn: 1,42 32,5 0,7 = 32,3 mg/l

BOD5 trong cặn: 0,68 32,3 = 22 mg/l

 BOD hòa tan: 40 – 22 = 18 mg/l

 Hiệu suất xử lý BOD cần đạt được:

160 18

88, 75%

160

o o

 Tính toán theo quá trình nitrat hóa

 Tốc độ tăng trưởng vi khuẩn nitrat hóa:

N N

N Y

o N

N f

o N

Lấy thời gian lưu bùn theo điều kiện nitrat hóa là 4 ngày

 Lưu lượng bùn tuần hoàn

 Thời gian cần để tích lũy cặn

 Lượng oxy cần cấp thực tế:

20

20 ,

1, 024

.

- CS20: Nồng độ oxy bão hòa trong nước sạch ở 20oC CS20 = 9,08 mg/l

- CS,h: Nồng độ oxy bão hòa trong nước sạch ở nhiệt độ T, độ cao h so với mặt nước biển Lấy CS,h = 9,08 mg/l

- Cd: Nồng độ oxy duy trì trong công trình xử lý nước, chọn Cd = 2 mg/l

- β: Hệ số điều chỉnh sức căng bề mặt theo hàm lượng muối, đối với nước thải thường lấy β = 1

- : Hệ số điều chỉnh lượng oxy ngấm vào trong nước thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, các chất bề mặt, loại thiết bị làm thoáng, hình dáng kích thước bể, chọn  = 0,7

- T: Nhiệt độ nước thải, T = 20oC

t kk

OC

Ou h

 Trong đó:

- f: hệ số dư Lấy f = 1,5

- Ou: Công suất hòa tan oxy vào nước thải

Với thiết bị phân phối khí dạng đĩa có màng cao su Ou = 7 gO2/m3.m

- Chọn lưu lượng khí cấp của đĩa q = 0,09 m3/phút = 1,510-3m/s

- Với q = 0,075 m3/phút, tổn thất áp suất qua đĩa h = 200mmH2O

 q = 0,09 m3/phút, tổn thất áp suất bằng:

2 '

2

2 '

+ Khoảng cách giữa các đĩa trên ống là 0,5 m, cách thành bể 0,2 m

+ Số đĩa trên một ống là 7 đĩa

 Tính toán chọn máy cấp khí

- Áp lực cần thiết cho máy thổi khí:

H k = h f + h c + h d + H

Trong đó:

- h f : Tổn thất qua thiết bị phân phối khí, h f = 288 mmH2O

- h c: Tổn thất cục bộ của ống phân phối khí, m

 Hệ số ma sát được tính theo công thức:

X: nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải, mg/l

XT: nồng độ bùn hoạt tính cô dặc đáy bể, mg/l

vL: vận tốc bùn trong vùng lắng, m/h; được tính theo công thức

6 max.exp C 10

v v k  

6000

42862.0, 7 2.0, 7

T L

 Chọn đường kính ống trung tâm d = 0,5 m

 Diện tích ống trung tâm

200 100

0, 017724.3600.0,196

l

Q U

R l

Q Q G

F



 Vận tốc nước đi lên: 25, 4 0, 0003

V Q

 Lấy chiều cao an toàn của bể là 0,4 m

 tổng chiều cao của bể: H = 0,4 + 3,5 + 1,6 = 5,4 m

 Ống trung tâm:

- Ống trung tâm cao hơn so với lớp cặn 0,3m

- Chiều dài của ống trung tâm là 2,1 m

- Phần miệng loe cao hơn so với tấm chắn 0,3 m; dài 0,4m và đường kính miệng loe bằng 1,35 đường kính ống trung tâm bằng: 1,350,5 = 0,68m

- Vận tốc nước đi qua miệng loe của ống:

Q Q v

- Đường kính máng thu nước bằng 0,8 đường kính bể: 0,83,2 = 2,56 m

- Chiều dài máng thu nước: C = Dm = 2,56 = 8 m

 Tải trọng máng thu: U Q 200  24,9 m3/m.ngày

- Chiều rộng máng thu B = 320mm

- Chiều cao máng thu h = 300mm

- Máng răng cưa

- Lấy vận tốc tự chảy ra khỏi máng v = 0,4 m/s

 Đường kính ống thu nước:

0, 086 .0, 4.24.3600

Q d

v

Lấy d = 90 mm

 Tính toán chọn bơm tuần hoàn bùn

i Năng suất bơm: Q = 100 m3

 ω2: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy, m/s

Theo bảng II.2 (I-370) tốc độ chất lỏng trong ống hút của bơm từ 0, 8 ÷ 2,0 và trong ống đẩy là 1,5 ÷ 2,5 m/s

Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống hút:

   (A = 64 với ống tiết diện tròn)

Chế độ chảy dòng nên bỏ qua trở lực cục bộ

L h

iii Công suất yêu cầu trên trục bơm

Công suất trên trục bơm được tính theo công thức:

ρ: khối lượng riêng của nước tuần hoàn, kg/m3

H: áp suất toàn phần của bơm

η: hiệu suất của bơm

Q: năng suất của bơm (m3/s)

η= ηo.ηtl.ηck Với:

- ηo: hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò từ các chỗ hở của bơm, chọn ηo = 0.9

- ηck: hiệu suất cơ khí, chọn ηck= 0,95

- ηtl: hiệu suất thủy lực, chọn bằng 0,85

N N



 Với:

 ηtr: hiệu suất truyền động, chọn bằng 0,96

 ηđc: hiệu suất động cơ điện, chọn bằng 0,95

0, 042

0, 046 0,96 0,95

dc

tr dc

N N

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 TS Trịnh Xuân Lai, Tính toán và thiết kế các công trình xử lý nước thải,

NXB Xây Dựng, 2000

2 Trần Văn Nhân – Ngô Thị Nga, Giáo trình Công nghệ xử lý nước thải,

NXB Khoa học kỹ thuật, 2000

3 Quy Chuẩn Việt Nam QCVN 14:2008/BTNMT

4 Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, TCXDVN 33:2006

5 Nguyễn Văn Phước, Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, NXB

Xây Dựng, 2002

6 Lâm Minh Triết, Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp, NXB Đại học

Quốc gia TP HCM, 2008

7 Th.s Lâm Vĩnh Sơn , Bài giảng Kỹ thuật xử lý nước thải

8 Mark J Hammer , Water and wastewater technology