Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải sinh hoạt trên thiết bị tổ hợp Aeroten Biofilter

Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải sinh hoạt trên thiết bị tổ hợp Aeroten Biofilter Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải sinh hoạt trên thiết bị tổ hợp Aeroten Biofilter Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải sinh hoạt trên thiết bị tổ hợp Aeroten Biofilter luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

VŨ PHƯƠNG THUYÊN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG MƠ HÌNH HỐ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRÊN THIẾT BỊ TỔ HỢP AEROTEN - BIOFILTER VŨ PHƯƠNG THUYÊN 2006 - 2008 Hà Nội 2008 Hà Nội 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRÊN THIẾT BỊ TỔ HỢP AEROTEN - BIOFILTER NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG VŨ PHƯƠNG THUYÊN 23.04.3898 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH.NGUYỄN XUÂN NGUYÊN Hà Nội 2008 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Lời mở đầu Như biết, trình xử lý nước thải trình phức tạp bao gồm q trình vật lý, chuyển hố hố học chuyển hố sinh học Việc mơ hình hố q trình cho phép linh hoạt tính tốn thiết kế q trình xử lý nước thải, tối ưu hố q trình nhằm đạt hiệu cao, đơn giản hoá vấn đề xử lý nước thải công tác bảo vệ môi trường Xử lý nước thải phương pháp sinh học xem phương pháp phổ biến, áp dụng rộng rãi để xử lý hầu hết loại nước thải giàu hữu nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp nói chung, nước thải cơng nghiệp số ngành điển cơng nghiệp chế biến thực phẩm, nước thải bệnh viện, nước rác…Xử lý nước thải phương pháp sinh học thông thường chia thành hai q trình: xử lý hiếu khí xử lý yếm khí; xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí sử dụng rộng rãi hiệu xử lý cao, triệt để không gây ô nhiễm thứ cấp Tuy nhiên, cơng nghệ xử lý hiếu khí lại có nhược điểm chi phí đầu tư xây dựng, chi phí vận hành_đặc biệt chi phí cho lượng cấp khí tương đối cao Do thực tế thiết kế hệ thống xử lý người ta có nhiều nghiên cứu ứng dụng cho thấy việc thực trình xử lý kết hợp kỹ thuật xử lý yếm khí, hiếu khí cho phép giảm đáng kể chi phí Trong khn khổ đề tài này, chúng tơi xây dựng mơ hình q trình xử lý nước thải sinh hoạt thiết bị tổ hợp Aeroten – Biofilter (BFA) nhằm tối ưu hố q trình hồ tan oxy sở tính tốn đồng Biofilter Aeroten cao tải, nhằm giảm chi phí vận hành đảm bảo hiệu xử lý cao Trong q trình thực hiện, chúng tơi khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý thầy cô chuyên gia để tiếp tục hồn thiện mơ hình thời gian tới, nhằm cung cấp thêm TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên phương pháp lĩnh vực xử lý nước thải nước ta nay, góp phần bảo vệ mơi trường ngày hiệu TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Phần I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1 Tổng quan trình xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí I.1.1 Cơ sở lý thuyết Phương pháp sinh học hiếu khí phương pháp sử dụng vi sinh vật hiếu khí để phân huỷ chất hữu có nước thải điều kiện cấp đủ oxy điều kiện nhiệt độ, pH thích hợp Bản chất phương pháp q trình oxy hố sinh hố hay q trình lên men vi sinh vật Các vi sinh vật sử dụng chất hữu số chất khống có nước thải làm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng phát triển Sản phẩm tạo thành trình lên men sinh khối vi sinh vật, chất đơn giản CO2, H2O, NH3,…và lượng Cơ chế trình gồm ba giai đoạn sau: - Giai đoạn vi sinh vật oxy hoá chất hữu nước thải để sinh trưởng: Men vi sinh vật CxHy Oz N + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O2  x CO2 + [(y-3)/2] H2O + NH3 + ΔH (1.1) - Giai đoạn tổng hợp xây dựng tế bào mới, vi sinh vật phát triển luỹ tiến số lượng: Men vi sinh vật CxHy Oz N + NH3 + O2  x CO2 + C5H7NO2 + ΔH (1.2) - Giai đoạn chuyển hoá chất tế bào (tự oxy hố) khơng cịn đủ chất cho q trình sinh trưởng phát triển tế bào: Men vi sinh vật C5H7NO2 + O2  x CO2 + NH3 + H2O + ΔH Men vi sinh vật (1.3) Men vi sinh vật NO3 + O2  HNO2 + O2  HNO3 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI (1.4) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Như trình xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí phụ thuộc vào nồng độ chất hữu có nước thải, nồng độ oxy cung cấp cho q trình oxy hố hoạt tính vi sinh vật I.1.1.1 Xác định nồng độ chất hữu nước thải Nước thải theo định nghĩa nước thải trình sinh hoạt, sản xuất người nước chảy qua vùng đất ô nhiễm làm thay đổi thành phần, tính chất ban đầu nước Tuỳ thuộc vào nguồn gốc phát sinh mà nước thải có thành phần ô nhiễm khác Thông thường nước thải chứa nhiều hợp chất, với số lượng nồng độ khác Việc xác định thành phần ô nhiễm nồng độ chúng phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian, công sức tiền Do vậy, người ta thường dựa vào số tiêu để xác định mức độ ô nhiễm Các tiêu để đánh giá định lượng nồng độ chất hữu nước thải thường xác định thông qua lượng oxy tiêu thụ cho q trình oxy hố chất hữu đó; q trình oxy hố hố học, người ta xác định nhu cầu oxy hoá học (COD_Chemical Oxygen Demand); q trình oxy hố sinh học, người ta xác định nhu cầu oxy sinh hoá (BOD_ Biochemical Oxygen Demand) Ngồi ra, người ta xác định nồng độ nhiễm bẩn hữu thông qua tổng hàm lượng cacbon hữu ( TOC_Total Organic Carbon) Một tiêu thường dùng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn hữu độ oxy hoà tan (DO_Dissolved Oxygen) nước thải oxy dùng nhiều cho q trình sinh hố nên dẫn đến tượng giảm lượng oxy hoà tan, sở để xác định nhu cầu oxy hoá sinh học BOD a Xác định hàm lượng oxy hoà tan DO Oxy hồ tan thành phần khơng thể thiếu q trình xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí, oxy trì q trình trao đổi chất, sinh lượng cho sinh trưởng, sinh sản tái sản xuất sinh vật TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Oxy chất khí khó tan nước, độ hồ tan phụ thuộc vào nhiều yếu tố áp suất, nhiệt độ, đặc tính nước, chế độ thuỷ lực, q trình hơ hấp, quang hợp lồi thuỷ sinh…Nồng độ bão hoà oxy nước nhiệt độ cho trước tính theo định luật Henry Trong nước thải, hàm lượng oxy hoà tan thường thấp q trình oxy hố làm tiêu tốn lượng oxy đáng kể Để xác định nồng độ oxy hoà tan nước người ta thường dùng phương pháp iot (hay gọi phương pháp Winkler) Phương pháp dựa vào q trình oxy hố Mn2+ thành Mn4+ mơi trường kiềm Mn4+ lại có khả oxy hố I- thành I2 tự mơi trường axit Lượng I2 tự giải phóng tương đương với oxy hoà tan nước [3] - Nếu khơng có oxy: Mn2+ + OH-  Mn(OH)2 ↓ (1.5) (trắng) - Nếu có oxy: Mn2+ + 2OH- + ½ O2  MnO2↓ + H2O (1.6) (nâu) MnO2 + 2I- + 4H+  Mn2+ + I2 + 2H2O (1.7) Ngoài ra, với phát triển khoa học đại người ta xác định tương đối xác hàm lượng oxy hồ tan máy đo DO khác b Xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD Nhu cầu oxy sinh hoá lượng oxy cần thiết mà vi sinh vật sử dụng để oxy hố chất hữu cơ, hay nói cách khác, BOD thông số biểu thị cho nồng độ chất hữu có nước thải mà bị phân huỷ sinh học Khi q trình oxy hoá xảy ra, vi sinh vật sử dụng oxy chất hữu có nước thải làm nguồn lượng nguồn cacbon để sinh tổng hợp sinh chất tạo thành tế bào TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Trong thực tế, để xác định lượng oxy tiêu tốn cho q trình oxy hố hồn tồn chất hữu cần khoảng thời gian dài, khoảng từ 10 – 20 ngày chí lâu hơn, người ta thường xác định lượng oxy cần thiết ngày đầu, nhiệt độ ủ 20oC, thơng qua xác định lượng tổng lượng oxy hồ tan mẫu pha loãng ngày đầu ngày thứ 5: BOD5 = DO1 -DO mg/l P (1.8) đó: - DO1 : nồng độ oxy hồ tan mẫu nước thải pha loãng trước ủ (mg/l) - DO2 : nồng độ oxy hoà tan mẫu nước thải pha loãng sau ủ ngày 20°C (mg/l) - P : tỷ số pha loãng Phương trình động học q trình oxy hố sinh học mô tả sau: dL t = - K*L t dt (1.9) đó: - Lt : hàm lượng BOD thời điểm t - K : số tốc độ phản ứng Lấy tích phân phương trình (1.9) với điều kiện đầu t = 0, Lt = L0 ta được: Lt = L0* e-Kt (1.10) Từ phương trình dễ dàng nhận nhu cầu oxy sinh hố ln tỷ lệ với số tốc độ phản ứng K, hay lượng chất hữu có khả tham gia phản ứng sinh hố tỷ lệ với tốc độ phản ứng Khi tốc độ phản ứng tăng số tốc độ phản ứng K tăng Tốc độ phản ứng sinh hoá phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc tính chất hữu nước thải, nồng độ khả phân huỷ chất ô nhiễm vi sinh vật, nhiệt độ môi trường nước thải… TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Việc xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD thực tế thu giá trị tương đối, ngồi q trình oxy hố sinh hố chất hữu tồn song song q trình oxy hố hợp chất nitơ làm cho nhu cầu oxy tăng lên, dẫn đến sai lệch giá trị BOD Do vậy, để xác định BOD, người ta cần phải xác định lượng oxy tiêu thụ cho q trình nitrit hố c Xác định nhu cầu oxy hoá học COD Nhu cầu oxy hoá học COD số biểu thị cho hàm lượng chất hữu có nước thải, lượng oxy cần thiết cho q trình oxy hố hố học hợp chất hữu nhờ xúc tác tác nhân oxy hoá mạnh Phương pháp xác định COD phổ biến phương pháp bicromat Phương pháp sử dụng bạc sunfat làm chất xúc tác, nhiệt độ sôi môi trường axit để oxy hoá chất hữu Tuy nhiên phương pháp có hạn chế vài hợp chất chứa nitơ, ví dụ metylamin, etylamin, pyridin,… bị oxy hố chậm, có vài hợp chất vơ lại bị oxy hố với hợp chất hữu ion clorua, nitrit, sunfit, dẫn đến sai lệch kết I.1.1.2 Xử lý nước thải vi sinh vật hiếu khí a Quá trình phát triển vi sinh vật môi trường nước thải Nước thải thải mơi trường thường có vi sinh vật, nhiên sau thời gian ngắn vi sinh vật phát triển lên gấp nhiều lần Vi sinh vật sử dụng chất hữu có mặt nước thải làm nguồn dinh dưỡng để tổng hợp sinh chất tế bào tạo lượng Như trình sinh trưởng phát triển mình, vi sinh vật làm tiêu hao chất có nước thải, đồng thời tạo sinh khối vi sinh vật hay bùn hoạt tính Q trình sinh trưởng vi sinh vật môi trường nước thải thường nhận biết qua khối lượng tăng sinh khối vi sinh vật, bao gồm khối lượng vi sinh vật chết tạp chất khác Quá trình chia thành giai đoạn mơ tả hình 1.1 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP II III IV Nồng độ sinh khối X, mg/l I Vũ Phương Thuyên Thời gian,t Hình 1.1: Đường cong sinh trưởng tế bào việc sử dụng dinh dưỡng - Giai đoạn I: giai đoạn thích nghi với môi trường sống, sinh khối tăng chậm - Giai đoạn II: giai đoạn phát triển luỹ tiến, vi sinh vật phát triển mạnh mẽ điều kiện dư thừa dinh dưỡng môi trường, tốc độ tăng trưởng phụ thuộc vào khả trao đổi chất vi sinh vật hay tốc độ sinh trưởng riêng loại vi sinh vật xác định biểu thức: rg = dX = dτ µ X (1.11) rg: tốc độ tăng trưởng sinh khối (mg/l.t) X: nồng độ sinh khối (mg/l) µ: số tốc độ sinh trưởng (l/τ) τ: thời gian - Giai đoạn III: giai đoạn phát triển chậm dần, khối lượng sinh khối tăng khơng đáng kể, chí đạt mức cân nguồn dinh dưỡng môi trường cạn kiệt dần TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 69 Vũ Phương Thuyên DOft = 10.8763 mg/l Tương ứng với biofilter có lưu lượng tuần hoàn Qr = 88.928 m3/h; chiều cao lớp đệm Hvl = m; số ống thổi khí n = 7; đường kính ống Φ = 50.10-3 m - Lượng BOD5 dòng vào biofilter: Sr = BOD5,0 Q0 + BOD5,r Q r Q0 + Qr = 45.6667 mg/l - Thể tích bể lọc: Vb = 0.18*Qd = 27 m3 * Tính tốn bể lắng [5]: - Dung tích bể lắng 2: VL = 0.8*0.12*Q = 14.4 m3 Chọn chiều sâu bể lắng H = 4.5 m Diện tích lắng: 3.2 m2 Thời gian lắng: 1.92 * Trường hợp bể aeroten hỗn hợp sử dụng máy thổi khí để cấp oxy: - Lượng khơng khí cần thiết: QK = OC t OC t f = f OU Ou.h a Lấy cơng suất hồ tan oxy vào nước thải thiết bị phân phối tính theo gO2 cho 1m3 khơng khí, độ sâu ngập nước h = 1m: Ou = gO2/m3.m Hệ số an toàn f = 1.75  QK = 383.049 m3/ngày Công suất máy thổi khí = QK/OE = 0.319 kW (Lấy OE = 1.2*103 gO2/kW) Chọn máy thổi khí có cơng suất 0.4 kW * Chi phí đầu tư vận hành cho tổ hợp thiết bị AAO – Biofilter: - Chi phí đầu tư: 636.1348 triệu VND - Suất đầu tư: 4.42 triệu VND/m3 - Chi phí vận hành: 415 VND/m3 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thun 70 *Chi phí đầu tư vận hành cho thiết bị AAO sử dụng máy thổi khí: - Chi phí vận hành: 3646.8 VND/m3 Lập trình tính tốn tương tự máy tính tính tốn chí phí cho số nguồn nước thải khác nhau, thu kết sau * Tính tốn chí phí cho q trình xử lý nước thải bệnh viện với công suất xử lý từ 100 – 500 m3/ngày đêm, với thông số dòng vào: - Hàm lượng BOD5 dòng vào: 250 mg/l - Hàm lượng nitơ tính theo NH4+ dịng vào: 45 mg/l Kết tính tốn sau: Cơng suất xử lý (m3/ngày.đêm) 100 300 500 Hệ thống xử lý AAO - Biofilter * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 717.295 1602.521 2409.729 - Đầu tư vỏ filter 90 270 450 - Chi phí xây lắp Aeroten bể lắng 458.3603 875.052 1201.816 - Chi phí đệm vi sinh 72 216 360 - Chi phí máy bơm 27.79 67.49 111.16 - Chi phí đường ống 13.5648 38.9988 64.4328 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 7.17 5.3417 4.819 * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) 0.256 0.0853 0.0768 * Chi phí vận hành (VND/m3) 998.4 332.8 299.52 Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thông thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 993.1 2679.145 4250.118 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 9.93 8.93 8.5 * Chi phí vận hành (VND/m3) 2394.8 1809.7 1588.675 Bảng 2.5: Tính tốn chi phí đầu tư chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải bệnh viện theo công nghệ AAO – Biofilter theo phương pháp Aeroten thơng thường * Tính tốn chí phí cho q trình xử lý nước thải thị với cơng suất xử lý từ 5000 – 15000 m3/ngày đêm, với thơng số dịng vào: - Hàm lượng BOD5 dịng vào: 275 mg/l TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên 71 - Hàm lượng nitơ tính theo NH4+ dịng vào: 45 mg/l Kết tính tốn sau: Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) 5000 15000 Hệ thống xử lý AAO - Biofilter * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 16615.06 46214.14 - Đầu tư vỏ filter 4500 13500 - Chi phí xây lắp Aeroten bể lắng 5988.548 14429.91 - Chi phí đệm vi sinh 3600 10800 - Chi phí máy bơm 702 2074.8 - Chi phí đường ống 420.5088 1259.831 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 3.323 3.0809 * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) 0.07392 0.064 * Chi phí vận hành (VND/m3) 288.288 249.849 Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thơng thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 34588.29 93310.77 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 6.9176 6.2207 * Chi phí vận hành (VND/m3) 938.726 709.37 Bảng 2.6: Tính tốn chi phí đầu tư chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải đô thị theo công nghệ AAO – Biofilter theo phương pháp Aeroten thơng thường * Tính tốn chí phí cho trình xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp với công suất xử lý từ 5000 – 15000 m3/ngày đêm, với thơng số dịng vào: - Hàm lượng BOD5 dòng vào: 500 mg/l - Hàm lượng nitơ tính theo NH4+ dịng vào: 45 mg/l Kết tính tốn sau: TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) Vũ Phương Thuyên 72 2000 5000 Hệ thống xử lý AAO - Biofilter * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 7708.646 17615.13 - Đầu tư vỏ filter 1800 4500 - Chi phí xây lắp Aeroten bể lắng 3043.633 5988.548 - Chi phí đệm vi sinh 1440 3600 - Chi phí máy bơm 335.4 826.8 - Chi phí đường ống 418.81 1046.185 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 3.854 3.523 * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) 0.0924 0.0813 * Chi phí vận hành (VND/m3) 360.36 317.12 Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thông thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 16770.33 38372.2 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 8.385 7.674 * Chi phí vận hành (VND/m3) 1738.839 1376.527 Bảng 2.7: Tính tốn chi phí đầu tư chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp theo công nghệ AAO – Biofilter theo phương pháp Aeroten thơng thường Nhận xét: Qua tính tốn sơ thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter AAO thông thường cho thấy việc sử dụng thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter cho phép giảm chi phí vận hành tới 3, lần Điều có ý nghĩa lớn việc đưa công nghệ xử lý nước thải tiếp cận dễ dàng với sống, giai đoạn nay, mà cơng trình xử lý nước thải đầu tư xây dựng nhiều xong q trình hoạt động lại khơng hiệu chi phí vận hành cịn cao nguồn phí thu lại khơng có nên nhiều sở tự ý dừng hoạt động hệ thống xử lý Bên cạnh đó, chúng tơi thấy chi phí đầu tư cho hệ thống cơng nghệ xử lý kết hợp AAO – Biofilter giảm so với phương pháp thông thường sử dụng nhiều đến thiết bị đắt tiền thổi khí, mặt xây dựng bể TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 73 Vũ Phương Thuyên Phần III: KẾT LUẬN Đã thiết lập phương trình mơ tả mối quan hệ thơng số thiết kế hàm lượng oxy hoà tan aeroten thiết bị tổ hợp aeroten-biofilter Dựa vào mô hình lập trình máy tính để tính tốn đồng thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter Tính tốn chi phí vận hành thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter so sánh với chi phí vận hành công nghệ AAO thông thường sử dụng máy thổi khí cho thấy chi phí vận hành thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter giảm 3, lần so với công nghệ AAO thông thường Từ kết luận xin kiến nghị tiếp tục nghiên cứu sử dụng thực tế thiết bị tổ hợp Aeroten-Biofilter xử lý loại nước thải khác phương pháp sinh học, nhằm tối ưu hố cơng tác thiết kế, giảm chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP 74 Vũ Phương Thuyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải (2003), Lý thuyết mơ hình hố q trình xử lý nước thải phương pháp sinh học, NXB KHKT, Hà Nội Trần Văn Nhân, Ngơ Thị Nga (2005), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, NXB KHKT, Hà Nội Nguyễn Văn Phước (2007), Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt công nghiệp phương pháp sinh học, NXB Xây Dựng, Hà Nội Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ phốtpho, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội Trịnh Xn Lai (2000), Tính tốn thiết kế cơng trình xử lý nước thải, NXB Xây Dựng, Hà Nội Trung tâm đào tạo ngành nước môi trường (1999), Sổ tay xử lý nước tập 1, 2, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Trần Văn Nhân, Sreng Sok Vung (2005), “Sử dụng mơ hình dãy hộp với dịng ngược việc tính tốn hệ thiết bị Aeroten – bể lắng xử lý nước thải bệnh viện”, Tạp chí Khoa học công nghệ, tập 43 (số 6A), Tr 208 – 211 Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Trần Văn Nhân, Sreng Sok Vung (2006), “Mơ hình thực nghiệm thống kê mơ tả quan hệ tiêu hố lý nước thải bệnh viện”, Tạp chí Khoa học công nghệ, tập 44 (số 2), Tr 13 – 17 Nguyễn Xuân Nguyên, Trần Văn Nhân, Sreng Sok Vung, “Mơ hình hố q trình xử lý sinh học yếm khí - thiếu khí - hiếu khí (AAO) nước thải bệnh viện”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ 10 Bùi Minh Trí (2005), Xác xuất thống kê quy hoạch thực nghiệm, NXB KHKT, Hà Nội TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 75 Vũ Phương Thun TĨM TẮT LUẬN VĂN Cơng nghệ xử lý nước thải phương pháp sinh học với việc sử dụng kỹ thuật lồng ghép ngày nghiên cứu sử dụng rộng rãi có ưu điểm hiệu xử lý cao, giảm thiểu chi phí vận hành so với cơng nghệ xử lý thông thường Trong khuôn khổ đề tài này, tiến hành nghiên cứu mơ hình hố q trình hồ tan oxy q trình xử lý kết hợp lọc sinh học bùn hoạt tính nhằm tính tốn thơng số thiết kế phù hợp để tối ưu hố q trình hồ tan oxy, nâng cao hiệu xử lý giảm chi phí vận hành cho hệ thống Từ thông số thực nghiệm thu được, chúng tơi xây dựng mơ hình xác định hàm lượng oxy hoà tan hệ thống theo thông số thiết kế sau: DO = 7.030257.Q −r 0.2492279 H vl−0.7107202 n 0.0373208 φ 0.6307476 Với R2 = 0.8293542 Trong đó: DO: hàm lượng oxy hồ tan aeroten (mg/l) Qr: lưu lượng nước tuần hoàn (l/h) Hvl: chiều cao lớp vật liệu đệm biofilter (m) n: số đường ống hệ thống ống từ biofilter vào aeroten Φ: đường kính ống hệ thống ống từ biofilter vào aeroten (m) Sử dụng mơ hình để tính tốn kiểm tra so sánh với kết thực nghiệm cho thấy kết tính tốn từ mơ hình kết thực tế thu sai lệch khơng đáng kể, hồn tồn sử dụng mơ hình để tính tốn thiết kế thực tế Ngồi ra, chúng tơi tính tốn thiết kế hệ thống với thông số giả định cho trước dựa công nghệ xử lý AAO kết hợp với Biofilter, so TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 76 Vũ Phương Thuyên sánh với công nghệ AAO thơng thường Kết sau tính tốn cho thấy, việc sử dụng công nghệ AAO – Biofilter cho phép giảm chi phí vận hành q trình xử lý tới 3, lần Do xin kiến nghị ứng dụng mơ hình cơng nghệ xử lý nước thải kết hợp q trình yếm khí, thiếu khí, hiếu khí lọc sinh học (AAO – Biofilter) để tối ưu hố q trình tính tốn thiết kế hệ thống xử lý thực tế TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên 77 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khố luận, trước hết tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TSKH Nguyễn Xuân Nguyên, Trung tâm tư vấn chuyển giao công nghệ nước môi trường (CTC), người hướng dẫn thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần Công nghệ Biển Xanh, nơi công tác tạo điều kiện để tơi hồn thành khố học Tơi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể thầy cô cán Viện Khoa học Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008 Vũ Phương Thuyên TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên 78 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất số liệu kết nghiên cứu Luận án hoàn toàn trung thực chưa có cơng bố Tác giả Vũ Phương Thuyên TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 79 Vũ Phương Thuyên MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1 Tổng quan trình xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí I.1.1 Cơ sở lý thuyết I.1.1.1 Xác định nồng độ chất hữu nước thải I.1.1.2 Xử lý nước thải vi sinh vật hiếu khí I.1.2 Mơ hình hố q trình xử lý nước thải 12 I.2 Quá trình xử lý nước thải thiết bị Aeroten 12 I.2.1 Quá trình thiết bị aeroten 12 I.2.2 Mơ hình hố trình xử lý nước thải thiết bị Aeroten 14 I.2.2.1 Mơ hình thuỷ động aeroten 14 I.2.2.2 Mơ hình đẩy lý tưởng 16 I.2.2.3 Mơ hình aeroten với chế độ cấp phân tán nước thải 19 I.3 Lọc sinh học 22 I.3.1 Các trình lọc sinh học 24 I.3.1.1 Chuyển khối qua màng thủy lực 24 I.3.1.2 Quá trình màng sinh học 26 I.3.1.3 Quá trình động học cột lọc sinh học 32 I.3.2 Các dạng thiết bị lọc sinh học 34 I.3.2.1 Bể lọc nhỏ giọt 34 I.3.2.2 Bể lọc ngập nước 37 I.3.3 Mơ hình tốn q trình xử lý nước thải bể lọc sinh học 38 PHẦN II: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG OXY HOÀ TAN VÀ TỐI ƯU HỐ Q TRÌNH HỒ TAN OXY TRONG HỆ XỬ LÝ AEROTEN-BIOFILTER 41 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 80 Vũ Phương Thuyên II.1 Phương pháp nghiên cứu: 41 II.1.1 Cơ sở tính tốn thiết bị: 42 a Cơ sở tính tốn Biofilter: 42 b Cơ sở tính tốn Aeroten: 43 II.1.2 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 47 II.2 Thí nghiệm nghiên cứu q trình hồ tan oxy thiết bị tổ hợp Aeroten-Biofilter (BFA) 51 II.2.1 Mục đích thí nghiệm 51 II.2.2 Mơ tả thí nghiệm 52 II.3 Phân tích kết thực nghiệm 55 II.3.1 Mối quan hệ lưu lượng tuần hoàn hàm lượng oxy hoà tan: 55 II.3.2 Mối quan hệ chiều dày lớp vật liệu đệm hàm lượng oxy hoà tan: 57 II.3.3 Mối quan hệ đường kính ống phân phối dịng lỏng – khí hàm lượng oxy hoà tan bể aeroten: 58 II.3.4 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hàm lượng oxy hoà tan 59 II.3.5 Thiết lập phương trình tổng qt mơ tả mối quan hệ thông số thiết kế hàm lượng oxy hoà tan tổ hợp thiết bị aeroten – biofilter: 61 II.4 Ứng dụng mô hình để tính tốn thiết bị tổ hợp AAO_Biofilter 63 a Công nghệ xử lý nước thải AAO 63 b Tính tốn thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter 64 PHẦN III: KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 TÓM TẮT LUẬN VĂN 75 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 81 Vũ Phương Thuyên DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Hàm lượng oxy hoà tan ứng với lưu lượng số ống khác 55 Bảng 2.4: So sánh kết tính tốn hàm lượng oxy hoà tan hàm lượng oxy hoà tan thực nghiệm 62 Bảng 2.5: Tính tốn chi phí đầu tư chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải bệnh viện theo công nghệ AAO – Biofilter theo phương pháp Aeroten thông thường 70 Bảng 2.6: Tính tốn chi phí đầu tư chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải đô thị theo công nghệ AAO – Biofilter theo phương pháp Aeroten thông thường 71 Bảng 2.7: Tính tốn chi phí đầu tư chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp theo công nghệ AAO – Biofilter theo phương pháp Aeroten thông thường 72 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 82 Vũ Phương Thuyên DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đường cong sinh trưởng tế bào việc sử dụng dinh dưỡng Hình 1.2: Ảnh hưởng yếu tố dinh dưỡng lên tốc độ sinh trưởng Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải thơng khí sinh học 13 Hình 1.4: Cân vật liệu phần tử thiết bị aeroten bùn hoạt tính 17 Hình 1.5:Các dạng tổ chức dịng thiết bị aeroten 18 Hình 1.6: Aeroten với chế độ đẩy lý tưởng 19 Hình 1.7: Sơ đồ aeroten cấp phân tán nước thải 19 Hình 1.10: Quá trình lọc sinh học 23 Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống lọc sinh học 24 Hình 1.12: Chuyển khối qua màng thuỷ lực 25 Hình 1.13: Cột lọc sinh học dạng khuấy trộn 33 Hình 2.1: Thiết bị tổ hợp Aeroten-Biofilter (BFA) 53 Hình 2.2: Ảnh hưởng lưu lượng tới hàm lượng oxy hoà tan 55 Hình 2.3: Bảng so sánh hàm lượng oxy hồ tan phụ thuộc lưu lượng tuần hồn theo tính toán theo thực tế 56 Hình 2.4: Ảnh hưởng chiều dày lớp vật liệu đệm 57 tới hàm lượng oxy hoà tan 57 Hình 2.5: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc chiều dày lớp vật liệu theo tính tốn theo thực tế 58 Hình 2.6: Ảnh hưởng đường kính ống tới hàm lượng oxy hồ tan 58 Hình 2.7: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc đường kính ống theo tính tốn theo thực tế 59 Hình 2.8: Ảnh hưởng áp suất tới khả tạo bọt khí đường ống 61 Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ AAO 63 Hình 2.8: Sơ đồ cơng nghệ thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter 64 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 83 Vũ Phương Thuyên TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ... B chuẩn số tổng hợp F.[5] I.3.3 Mơ hình tốn q trình xử lý nước thải bể lọc sinh học Cũng giống thiết bị xử lý nước thải phương pháp sinh học khác, mơ hình tốn xử lý nước thải bể lọc sinh học xây... thực trình xử lý kết hợp kỹ thuật xử lý yếm khí, hiếu khí cho phép giảm đáng kể chi phí Trong khn khổ đề tài này, chúng tơi xây dựng mơ hình q trình xử lý nước thải sinh hoạt thiết bị tổ hợp Aeroten. .. bùn hoạt tính làm giảm khả chuyển hố bùn I.1.2 Mơ hình hố q trình xử lý nước thải Mơ hình hố q trình xử lý nước thải phương pháp khảo sát, điều khiển tối ưu hoá q trình xử lý Có hai loại mơ hình