CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH BỂ AEROTANK TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢ
3.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ
• Thời gian lưu nước:
Trong đó:
+ V: thể tích bể (m3)
+ Q: lưu lượng bùn trung bình ngày (m3/ng.đ)
- Các thực hành thông thường là để cho thời gian lưu giữ từ 5 đến 8 giờ trong khi xử lý nước thải. Khối lượng của bể hiếu khí cũng được quyết
định bằng cách xem xét bùn trở lại, đó là khoảng 25 đến 50% khối lượng nước thải.
• Lưu lượng oxy cần thiết
Lượng oxy cần thiết (OC0) OC0
Trong đó:
+ N0: tổng nito ban đầu (sau khi bổ sung dinh dưỡng) + N: tổng nito ra (5 – 6mg/l)
• Lượng oxy thực tế (OCt)
Trong đó:
+ Cs: lượng oxy bão hòa trong nước (9.08 mg/l) + C: lượng oxy cần duy trì trong bể (2 – 3 mg/l) + = 0.6 0.94
• Lượng oxy không khí cần thiết (Ok)
Trong đó:
+ OU: công suất hòa tan thiết bị: OU = Ou.h
+ Ou: phụ thuộc vào hệ thống phân phối khí (gO2/m3.m) + h: độ ngập nước (< hbể)
• Tốc độ sử dụng chất nền (rd)
Trong đó:
+ rd: tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s)
+ Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) + m: tốc độ tăng trường riêng max
+ S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm tăng trưởng bị hạn chế (lúc số lượng chất nền chỉ có giới hạn)
+ Ks: hằng số bán tốc độ (nói lên sự ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời điểm đang xét)
+ X: nồng độ bùn hoạt tính (g/m3)
• Xác định thể tích bể (V)
- Xác định theo tỷ số khối lượng chất nền và khối lượng bùn hoạt tính F/M Trong đó:
+ So: Hàm lượng BOD5 trong nước thải đầu vào (mg/l)
+ X: Nồng độ bùn hoạt tính(mg/l)
+ F/M:Tỉ lệ BOD5 có trong nước thải và bùn hoạt tính(mg BOD5/mg bùn)
- Xác định theo tốc độ sử dụng chất nền của 1g bùn hoạt tính trong 1 đơn vị thời gian
Trong đó:
+ : tốc độ sử dụng chất nền của 1g bùn hoạt tính trong 1 ngày (g BOD5/1g bùn.ngày)
+ a: nồng độ bùn thực trong bể aerotank (mg/l) + Z: độ tro của cặn, thường là 0.3 mg/mg
- Xác định theo tuổi của cặn c (thời gian lưu giữ bùn hoạt tính trong bể) Trong đó:
+ c: tuổi của bùn (ngày)
+ Kd: hệ số phân hủy nội bào (ngày-1)
+ S: hàm lượng BOD5 trong nước thải đầu ra (mg/l)
- Xác định theo tải trọng chất nền trên một đơn vị thể tích của bể (kg BOD5/m3)
Trong đó:
+ La: tải trọng các chất hữu cơ sẽ được làm sạch trên một đơn vị thể tích của bể xử lý (kg BOD5/1m3 ngày)
- Tổng quát: Trong đó:
+ Q: lưu lượng bùn trung bình ngày (m3/ng.đ)
+ Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) + c: thời gian lưu bùn (ngày)
+ S0: chất nền trong nước thải (mg/l)
+ S: nồng độ chất nền còn lại sau khi ra khỏi bể (mg/l) + X: nồng độ bùn hoạt tính sau khi hòa trộn (mg/l) + Kd: hệ số phân hủy nội bào
- Thể tích thực của bể: Vthực = B.L.H
• Xác định hiệu quả xử lý
Trong đó: C là lượng cặn theo COD. - Hiệu quả xử lý theo BOD5
Trong đó: S là lượng BOD5 hòa tan ra khỏi bể lắng - Hiệu quả xử lý toàn bộ
Trong đó: BOD5 ra = BOD5 hòa tan + BOD5 lơ lửng
Bảng 1: Giá trị điển hình của các thông số thiết kế bể Aerotank
Loại và chức năng bể Aerotank c θ ngày F/M (gBOD5 bùn hoạt tính) Tải trọng BOD5 trên một đơn vị thể tích (La kg BOD5/ m3/ ngày) Nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng trong bể X (mg/l) Q V = θ (giờ) Q QT = α (tỷ lệ tuần hoàn) Bể có dòng chảy đều( Plug Aerotank) Trộn hoàn chỉnh Nạp nước thải vào bể theo cấp Khử BOD kết hợp Nitrat hóa Nitrat hóa bằng bể riêng biệt
Cho nước thải
3 – 150,75- 0,75- 15 3-15 8- 20 15 – 100 0,2 – 0,6 0,2 – 1,0 0,2 – 0,5 0,1 – 0,2 (0,02 -0,15) 0,05 – 0,2 (0,04 – 0,15) 0,2 – 0,6 0,32- 0,64 0.80- 1,90 0,64 – 0,96 0,08 – 0,32 0,48– 0,140 1000- 3000 800- 4000 1500- 3500 1500- 3000 1500- 3000 4- 8 3-5 3-5 6-15 3-6 0,25- 0,75 0,25-1,0 0,25-0,75 0,50- 1,50 0,50-2,0
tiếp xúc với bùn hoạt tính đã được làm thoáng ổn định Làm thoáng kéo dài
Mương oxy hóa
Xử lý theo mẻ kế tiếp nhau
Làm thoáng kéo dài theo mẻ kế tiếp nhau 5 -15 20 - 40 15 – 30 10 – 30 12 - 25 Làm thoáng ổn định 0.04 – 0,1 0.04 – 0,1 0.04 – 0,1 0.04 – 0,8 0,95 – 1,20 0,08 -0,24 0,08 -0,24 0,08 -0,24 0,08 -0,24 1000-3000 4000-9000 2000-4000 2000-4000 2000-5000 2000-5000 0,5-1 3-6 18-36 8-36 12-50 20-40 0,5-1,5 0,5-1,5 0,5-1,5
Sinh khối là vấn đề quan tâm hơn là số lượng các sinh vật hỗn hợp
Trong quá trình bùn hoạt tính. Mức độ gia tăng sinh khối trong giai đoạn tăng trưởng có tỷ lệ thuận với nồng độ sinh khối ban đầu, được đại diện bởi các phương trình thứ tự đầu tiên sau
= (1)
Trong đó tốc độ tăng trưởng sinh khối (g/m3.d) X nồng độ sinh khối (g / m3)
tốc độ tăng trưởng cụ thể không đổi (d-1). Nó là khối lượng của các tế bào sản xuất trên một đơn vị khối lượng của các tế bào hiện tại mỗi đơn vị thời gian
(2)
Tốc độ tăng trưởng theo cấp số nhân của vi khuẩn (Phương trình 2) xảy ra miễn là không có thay đổi trong thành phần sinh khối hoặc điều kiện môi trường.
Monod (1949) cho thấy thực nghiệm rằng tốc độ tăng trưởng sinh khối là một chức năng của nồng độ sinh khối và hạn chế nồng độ chất dinh dưỡng. Phương trình của Monod cho tốc độ tăng trưởng sinh khối được thể hiện như sau:
(3)
Trong đó S nồng độ cơ chất giới hạn (g / m3) tốc độ tăng trưởng sinh khối tối đa (d-1)
nửa bão hòa liên tục, tức là nồng độ cơ chất với tốc độ tối đa một nửa (nồng độ S khi μ = / 2, g / m3)
Phương trình (3) giả định chỉ có sự tăng trưởng của vi sinh vật. Tuy nhiên thực tế có đồng thời sự chết đi của vi sinh vật. Vì vậy, một phân rã nội sinh được sử dụng để lấy sở hữu của vi sinh vật chết đi. Do đó, phương trình. (1) trở thành
= - kdX
(4)
Trong đó kd = tốc độ phân hủy nội sinh (d-1). Giá trị kd là trong khoảng 0,04-0,075 mỗi ngày, thường là 0,06 mỗi ngày.
Nếu tất cả các bề mặt (thực phẩm hữu cơ, S) có thể được chuyển đổi sang sinh khối, sau đó tỷ lệ sử dụng chất nền là
(5)
Tuy nhiên, tất cả các bề mặt không thể được chuyển đổi sang sinh khối vì phản ứng dị hóa tức là, sản xuất năng lượng từ quá trình oxy hóa sinh khối là phải hỗ trợ phản ứng đồng hóa (tổng hợp sinh khối) trong quá trình chuyển đổi. Vì vậy, hệ số năng suất (Y<1) được giới thiệu như vậy mà tỷ lệ sử dụng chất nền cao hơn so với tốc độ tăng trưởng sinh khối.
(6) (7)
Trong đó Y hệ số năng suất tức là phần bề mặt chuyển đổi sang sinh khối, (g/m3 của sinh khối) / (g/m3 của chất nền). Giá trị của Y thường thay đổi từ 0,4-0,8 mg VSS / mg BOD (0,25-0,4 mg VSS / mg COD) trong hệ thống hiếu khí.
Các phương trình cân bằng khối lượng dùng để phát triển các mô hình động học dựa trên những điều giả định sau đây:
• Nồng độ sinh khối trong dòng vào là không đáng kể .
• Có trộn hoàn toàn trong bể hiếu khí .
• Nồng độ chất nền trong nước thải đầu vẫn không đổi.
• ổn định chất thải xảy ra chỉ trong bể hiếu khí. Tất cả các phản ứng diễn ra trong lưu vực sục khí để các chất nền trong lưu vực khí là nồng độ tương tự như chất nền trong lắng thứ cấp và trong nước thải .
• Không có suy thoái sinh học các chất hữu cơ và không có tăng trưởng sinh khối trong
lắng thứ cấp.
• Điều kiện trạng thái ổn định áp dụng trên toàn hệ thống .
• Khối lượng được sử dụng để tính toán thời gian cư trú trung bình di động bao gồm khối lượng của bể sục khí
Cân bằng khối lượng sinh khối.
Một cân bằng khối lượng cho các vi sinh vật trong các bể phản ứng hoàn toàn hỗn hợp có thể được viết như sau:
Tỷ lệ ròng của sự thay đổi trong sinh khối bên trong ranh giới hệ thống = Tốc độ sinh khối vào trong hệ thống - Tốc độ sinh khối ra khỏi hệ thống
Báo cáo kết quả cân bằng khối lượng trên có thể được đơn giản hóa:
Sự tích tụ = luồng sinh khối + tăng trưởng ròng sinh khối - dòng chảy của sinh khối Người ta cho rằng điều kiện trạng thái ổn định chiếm ưu thế trong hệ thống ; vì thế tích lũy sinh khối trong hệ thống sẽ bằng không. Do đó:
Sinh khối chảy đến + Sinh khối sản xuất = Sinh khối chảy ra + lãng phí sinh khối Q0X0 + V = (Q0 – Qw) Xe + QwXR
Trong đó Q0 : Tốc độ dòng chảy đến (m3/d) X0 : Nồng độ sinh khối đến (g/m3) V : Thể tích lưu vực khí (m3)
Qw : Tốc độ chảy của bùn thải (m3/d) Xe : Nồng độ sinh khối nước thải (g/m3)
XR : Nồng độ sinh khối trong bùn trở lại (g/m3)
Người ta cho rằng các nồng độ sinh khối trong nước thải đầu vào và trong nước thải từ lắng là không đáng kể. tức là , X0 = Xe = 0. Do đó, phương trình . 11 trở thành
V = QwXR (12)
Thay thế phương trình 4 vào phương trình 12,
V (13)(14) (14)
Nếu r'g là tăng trưởng ròng của vi sinh vật, từ phương trình 13, r'g = QWXR/V
Hay ta có thể viết QWXR/V.X = r'g /X (15)
Hoặc, r'g= -Y.rsu-kd.X (16) Trường hợp, RSU là chất nền tỷ lệ sử dụng, khối lượng / đơn vị Khối lượng.Thời gian Thay vào Phương trình 15.
QWXR/V.X = -Y.rsu/X-kd (17)
Phía bên tay trái của phương trình là đối ứng của các tế bào trung bình cư trú thời gian θc
Theo đó, 1/ θc = -(Y.rsu/X) - kd (18)
Bây giờ, rsu = -Q(So – S)/V = (So-S)/ θ (19)
Trong đó θ : Thời gian lưu nước (d) So : Nồng độ cơ chất chảy đến S : Nồng độ cơ chất thải Từ phương trình 18 và 19
1/θc = (20)
Giải quyết cho X và thay thế θ = V / Q
V = (21)
Phương trình 21 được sử dụng để tính toán khối lượng của bể sục khí khi các hệ số động học được biết đến.
Cân bằng khối lượng chất nền
Một cân bằng khối lượng cho các chất nền trong các lò phản ứng hoàn toàn hỗn hợp (Hình 19,11) bằng cách sử dụng dung tích kiểm soát của lưu vực sục khí và lắng có thể được viết như sau:
Tỷ lệ ròng của sự thay đổi trong chất nền bên trong ranh giới hệ thống = Tốc độ chất nền vào trong hệ thống - Tốc độ chất nền rời khỏi hệ thống
(22)
Xem xét điều kiện trạng thái ổn định hiện hành trong hệ thống, cân bằng khối lượng trên cho bề mặt có thể được đơn giản hóa thành:
Luồng chất nền - Tiêu thụ của chất nền = Dòng chảy của chất nền + chất nền lãng phí(23)
Q0S0 - V = (Q0 – QW)S + QWS (24)
Trường hợp, S0 = nồng độ cơ chất trong dòng vào (g/m3) Thay thế phương trình 7 vào phương trình 24
(25)
Sắp xếp lại phương. 25, chúng ta nhận được
(26) Sắp xếp lại sau khi kết hợp với phương trình. 14
S = (27)
Trong trường hợp K = /Yi.e.,nó là tỷ lệ tối đa của việc sử dụng chất nền trên một đơn vị khối lượng của vi sinh vật.
Thời gian cư trú tế bào trung bình (MCRT)
Thời gian cư trú tế bào trung bình (MCRT) của vi sinh vật trong hệ thống là khoảng thời gian các vi sinh vật ở trong quá trình này.Điều này cũng được gọi là thời gian lưu giữ chất rắn (SRT) hoặc tuổi bùn. Điều này được thể hiện :
= tổng sinh khối trong khí lưu vực / sinh khối lãng phí cho mỗi đơn vị thời gian(d) (29)
Khi giá trị của là không đáng kể, phương trình. 29 giảm xuống
SRT cao hơn so với HRT là do một phần của bùn được tái chế trở lại lưu vực sục khí. (m3/kg của BOD5)
Tỷ lệ F / M
Các thực phẩm cho vi sinh vật (tỷ lệ F / M) là một trong những thiết kế đáng kể và các thông số hoạt động của hệ thống bùn hoạt tính. Một sự cân bằng giữa tiêu thụ chất nền và hệ sinh khối giúp đạt được hệ thống cân bằng. Tỷ lệ F / M chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ. Các loại hệ thống bùn hoạt tính có thể được xác định bằng tỷ lệ F / M của nó.
• hệ thống Sục khí kéo dài, 0,05 <F / M <0.15
• Hệ thống bùn hoạt tính thông thường, 0,2 <F / M <0,5
• Hoàn toàn hỗn hợp, 0,2 <F / M <1.0
• Mức cao, 0,4 <F / M <1,5
Tỷ lệ F / M, kg BOD5 / kg MLVSS.d, được xác định như sau:
F/M = (31)
F/M = (32)
Thay thế phương trình 21 vào phương trình 26
F/M = (33)
Dư thừa bùn lãng phí
Bùn dư thừa còn lại trong lắng thứ cấp sau khi được tái chế tới lưu vực sục khí đã bị lãng phí để duy trì một mức độ ổn định của MLSS trong hệ thống. Số lượng bùn dư tăng lên cùng với sự gia tăng trong tỷ lệ F / M và giảm với sự gia tăng nhiệt độ. Bùn lãng phí dư thừa có thể được thực hiện từ dòng bùn lãng phí hoặc trực tiếp từ bể sục khí như trộn rượu.Mặc dù bùn lãng phí từ dòng bùn trở lại là thông thường, đó là mong muốn nhiều hơn đến chất thải bùn dư thừa từ các lưu vực sục khí để kiểm soát nhà máy tốt hơn.Bùn từ bể sục khí lãng phí cũng có lợi cho bùn dày tiếp theo quản lý nước thải 2 hoạt động, vì nó đã được thành lập rằng nồng độ chất rắn cao hơn có thể đạt được khi pha loãng trộn rượu được dày hơn là bùn tập trung
Các thế hệ bùn dư dưới trạng thái ổn định có thể được ước tính từ biểu thức 29 hoặc từ
Px = Yobs Q0 (S0 - S) 10-3 (34)
Trường hợp, Px = chất thải bùn hoạt sản xuất mỗi ngày, kg / d Yobs = Sản lượng bùn quan sát = Y/(1 + kd.)
Nồng độ MLSS trong bể hiếu khí được điều khiển bởi tốc độ tuần hoàn bùn và bùn lắng và dày lên ở vùng lắng thứ cấp.
(35)
Trong đó, QR là tỷ lệ tái chế, Q là tỷ lệ nước thải chảy, X là MLSS trong bể sục khí và XR là nồng độ SS trong bùn tuần hoàn.Việc lắng bùn được xác định bởi chỉ số khối lượng bùn (SVI).Nếu người ta cho rằng sự lắng đọng của các chất rắn lơ lửng trong phòng thí nghiệm là tương tự như trong vùng lắng thứ cấp, thì XR = 106/SVI. Giá trị của SVI giữa 50 và 150 ml / g chỉ ra giải quyết tốt các chất rắn lơ lửng.Giá trị XR có thể không được hơn 10.000 g / m3, trừ khi chất làm đặc biệt được cung cấp để tập trung giải quyết các chất rắn hoặc lắng thứ cấp được thiết kế để có một giá trị cao hơn.
Nhu cầu oxy
Oxy được sử dụng như một chất nhận điện tử trong quá trình chuyển hóa năng lượng của vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí hiện diện trong quá trình bùn hoạt tính. Oxy là cần thiết trong quá trình bùn hoạt tính cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ chảy đến cùng với sự tăng trưởng tế bào và hô hấp nội sinh của vi sinh vật. Các thiết bị sục khí phải có khả năng duy trì một mức độ oxy hòa tan trong khoảng 2 mg / L trong lưu vực sục khí trong khi cung cấp trộn triệt để các pha rắn và chất lỏng. Các nhu cầu oxy cho một hệ thống bùn hoạt tính có thể được ước tính bằng cách biết BOD cuối cùng của nước thải và lượng sinh khối lãng phí từ hệ thống mỗi ngày. Nếu tất cả các bề mặt bằng cách loại bỏ các vi sinh vật là hoàn toàn bị oxy hóa cho mục đích năng lượng, sau đó tổng nhu cầu oxy được tính như sau: