7. Cấu trúc của luận án
2.1.6 Các quá trình phản ứng, cơ sở tính toán thiết kế công nghệ SBR
Bể phản ứng theo mẻ (SBR) là quy trình công nghệ bùn hoạt tính vận hành theo chu kỳ “tiếp nhận và rút nước”. Sự khác nhau quan trọng giữa SBR và các công nghệ bùn hoạt tính thông thường khác là trong SBR quá trình phản ứng, lắng xẩy ra trong một bể. Về cơ bản, một chu kỳ SBR có 5 giai đoạn (pha) phản ứng với thời gian và lượng nước trong bể tương ứng các pha như Hình 2-10, Hình 2-12. Đầu tiên, nước thải được tiếp nhận vào bể trong thời gian khoảng 25% thời gian của một chu kỳ. Trong giai đoạn tiếp nhận có thể không khuấy trộn hay sục khí (tĩnh), hoặc có khuấy trộn hoặc có sục khí – quá trình này gọi là Pha Tiếp nhận. Tiếp sau pha Tiếp nhận là pha Phản ứng. Tại pha Phản ứng, vi sinh vật được duy trì trạng thái lơ lửng để tiếp xúc với nước thải, sử dụng các chất ô nhiễm trong nước thải như là thức ăn. Pha phản ứng thường được duy trì dưới điều kiện hiếu khí, hoặc kết hợp một hoặc cả hai điều kiện thiếu khí, yếm khí phụ thuộc vào kiểu xử lý được áp dụng. Sau pha phản ứng, việc khuấy trộn dừng lại, bùn sinh học lắng xuống đáy bể tạo thành lớp nước trong phía trên – Pha Lắng. Nước trong được rút ra khỏi bể - Pha Rút nước. Pha Nghỉ là pha giữa các chu kỳ. Pha Nghỉ được sử dụng trong hệ thống có nhiều bể SBR để điều chỉnh thời gian chu kỳ giữa các bể SBR. Vì pha Nghỉ không phải là pha
56
cần thiết nên nhiều trường hợp không thiết kế pha nghỉ. Bùn thải thường được rút ở pha Nghỉ, khi không có pha Nghỉ thường rút đồng thời với pha Rút nước. Với nước thải đô thị thì thời gian 1 chu kỳ thường 4 ÷ 6 giờ [77], [85], [86], [87].
Các nghiên cứu phân loại hệ thống SBR được chia thành 4 nhóm [63]: (A) Tiếp nhận nước thải vào theo chu kỳ, pha phản ứng, pha lắng, pha rút nước và pha nghỉ - Đây chính là nhóm SBR cơ bản (Hình 2-6); (B) Tiếp nhận nước thải vào theo chu kỳ, pha phản ứng, pha lắng, pha rút nước và không có pha nghỉ. Nhóm này có thể có bể chưa nước (hay điều hòa) hoặc không (Hình 2-7); (C) Tiếp nhận nước thải theo chu kỳ vào ngăn lựa chọn (selector) phía trước ngăn phản ứng, ngăn phản ứng có pha phản ứng, pha lắng, pha rút nước và không có pha nghỉ (Hình 2-8); (D) Tiếp nhận nước thải vào liên tục bằng ngăn phân phối dòng, pha phản ứng, pha lắng, pha rút nước và không có pha nghỉ (Hình 2-9). SBR nhóm (C) có sự khác biệt là sử dụng một ngăn lựa chọn vi sinh vật có thể tích cố định mà các hệ thống SBR nhóm khác không sử dụng. Với hệ thống này, nước thải đầu vào không được tiếp nhận trong pha lắng và rút nước, có hồi lưu bùn từ ngăn phản ứng chính về ngăn lựa chọn vi sinh vật. Công nghệ bùn hoạt tính tuần hoàn theo chu kỳ (nhóm C) chính là công nghệ SBR cải tiến có tên thương mại là C-Tech áp dụng tại nhà máy XLNT Yên Sở [88]. SBR cải tiến/C-Tech (SBR/C-Tech) rút gọn lại chỉ bao gồm 3 pha với thời gian và lượng nước trong bể tương ứng các pha như Hình 2-12 [88]. Theo đó không còn pha tiếp nhận mà nước thải được tiếp nhận đồng thời trong pha phản ứng (50% thời gian của 1 chu kỳ), không còn pha nghỉ và bùn dư được rút ra đồng thời với pha rút nước, đồng thời chuyển quá trình phản ứng tách ra một ngăn độc lập trong bể SBR có hồi lưu bùn trong suốt thời gian phản ứng (50% thời gian của chu kỳ) về trộn với nước thải đầu vào tại ngăn lựa chọn vi sinh vật.
Về cơ bản, mục tiêu của bể lựa chọn vi sinh vật là đồng hóa nhanh các chất hữu cơ có trong nước thải do nó dư thừa hơn so với vi sinh vật (F/M cao). Ở nồng độ BOD cao, các vi khuẩn có thể tạo bông hình thành có tỷ lệ cao hơn so với các vi khuẩn dạng sợi (vi khuẩn dạng sợi ngăn sự tạo bông của bùn và vì thế làm cho bùn khó lắng). Việc này giúp tăng cường quá trình lắng của bùn sau xử lý sinh học [89]. Điểm cải tiến của SBR/C-Tech so với SBR cơ bản (hay truyền thống) là thiết kế ngăn lựa chọn vi sinh vật thiết kế zich zắc để nước thải tự khuấy trộn mà không cần cấp khí do đó duy trì điều kiện thiếu khí và yếm
57
khí. Thể tích Selector chiếm 15% thể tích bể SBR và ngăn sục khí là 85% (tổng thể tích các bể không đổi so với SBR chưa cải tiến). Tác dụng của Selector là duy trì với tỷ lệ thức ăn trên vi sinh vật (F/M) cao do nước thải mới vào có hàm lượng chất ô nhiễm cao (F - Food) so với vi sinh vật trong bùn hồi lưu (M – Mixed Liquo Suspended Solid). Với cải tiến này thì nước thải đô thị có thời gian 1 chu kỳ thường là 3 ÷ 4 giờ, rút ngắn được 1 ÷ 3 giờ so với SBR cơ bản [90]. Cải tiến này giúp SBR/C-Tech đạt được hiệu quả cao, hiệu suất xử lý C, N đối với nước thải công nghiệp đạt đến tương ứng 99,2%, 99,4%; nước thải đô thị 95,2%, 95%; đô thị và công nghiệp đến 85,5%, 63,2%, tuy nhiên, nhiều trường hợp phải bổ sung nguồn C từ bên ngoài (mật rỉ, đường), đặc biệt là các trường hợp có tỷ lệ BOD5:TN thấp (<3) [55], [91]; SS có thể đạt đến 7,4mg/l tại nhà máy XLNT Cork (Aixơlen) [92]; 6mg/l tại nhà máy Portage/Catawaba, đạt 1,1mg/l tại nhà máy Quarker Hill (Austraylia) [93]; đạt 5mg/l tại nhà máy Jelutong (Malaysia) [79]. Kết quả tốt này cũng đạt được tại các nhà máy XLNT Việt Nam, nhà máy XLNT Samsung (Bắc Ninh) đạt được < 5mg/l và được tái sử dụng [94].
Hình 2-6. Các pha phản ứng SBR nhóm (A) (SBR cơ bản)
Hình 2-7. Các pha phản ứng SBR nhóm (B)
Nước thải vào gián đoạn
Rút nước ra gián đoạn
Tiếp nhận nước (tĩnh) Tiếp nhận nước (khuấy trộn) Tiếp nhận nước (sục khí) Sục khí phản ứng Lắng Rút nước Nghỉ 1 chu kỳ
Nước thải vào liên tục
Rút nước ra gián đoạn
Tiếp nhận nước (khuấy trộn) Sục khí phản ứng Lắng Rút nước
1 chu kỳ
58
Hình 2-8. Các pha phản ứng SBR nhóm (C): SBR cải tiến / C-Tech
Hình 2-9. Các pha phản ứng SBR nhóm (D)
Hình 2-10. Các pha phản ứng L-SBR
SBR nói chung và SBR/C-Tech có hiệu suất xử lý TN cao, tuy nhiên chỉ giới hạn trong một khoảng BOD5:TN nhất định, theo tính toán như Bảng 4-9, hoặc phải bổ sung C từ bên ngoài. Nhằm xử lý được TN ở hiệu suất cao trong điều kiện BOD5:TN thấp hơn, nghiên cứu sinh tiếp tục cải tiến SBR thành một quy trình công nghệ mới L-SBR, khác với 4 nhóm SBR nêu trên nhưng vẫn là SBR (hình (e), Hình 2-10). L-SBR vừa có tính chất của nhóm (C) vừa có tính chất của nhóm (D) là: Tiếp nhận nước vào liên tục vào
Nước thải vào gián đoạn
Rút nước ra gián đoạn
Tiếp nhận nước Tiếp nhận nước (khuấy trộn) Tiếp nhận nước (sục khí) Lắng Rút nước Bùn hồi lưu 1 chu kỳ Bùn hồi lưu
Nước thải vào liên tục
Rút nước ra gián đoạn
Tiếp nhận nước Tiếp nhận nước (sục khí) Lắng+Tiếp nhận nước (tĩnh) Rút nước+Tiếp nhận nước (tĩnh)
1 chu kỳ
Nước thải vào liên tục
Rút nước ra gián đoạn
Tiếp nhận nước Tiếp nhận nước (khuấy trộn) Tiếp nhận nước (tĩnh) Tiếp nhận nước (sục khí) Lắng+Tiếp nhận nước (tĩnh) Rút nước+Tiếp nhận nước (tĩnh) Bùn hồi lưu 1 chu kỳ Bùn hồi lưu
59
ngăn Selector 1, sau đó tự chảy sang ngăn Selector 2 vừa có tác dụng lựa chọn vi sinh vật, vừa có tác dụng lắng trước và ngăn phân phối dòng; ngăn phản ứng có pha phản ứng, pha lắng, pha rút nước và không có pha nghỉ.
Sự khác nhau cơ bản về pha phản ứng của các nhóm SBR như Bảng 2-1. Bảng 2-1. Sự khác nhau cơ bản về pha phản ứng của các nhóm SBR
TT Pha Nhóm (A): SBR cơ bản Nhóm (B) Nhóm (C): SBR/C- Tech Nhóm (D) L-SBR
1 Tiếp nhận nước thải (tĩnh)
2 Tiếp nhận nước thải (khuấy trộn)
3 Tiếp nhận nước (sục khí) 4 Sục khí 5 Lắng 6 Lắng / Tiếp nhận nước 7 Rút nước 8 Lắng / Rút nước 9 Nghỉ
2.1.6.2 Cơ sở tính toán thiết kế công nghệ SBR
Trong công nghệ SBR nói chung diễn ra đầy đủ các quá trình xử lý thông số COD, BOD5, SS, NH4+-N, TN, TP và PCB vì có đầy đủ quá trình hiếu khí, thiếu khí, yếm khí và có quá trình lắng và loại bỏ bùn dư từ quá trình xử lý sinh học.
Thiết kế bể SBR tính toán theo các công thức sau đây [95], [96]: Trước hết là lượng bùn sinh học phát sinh như công thức (2.12).
𝑃𝑋𝑇 = (𝑖𝑆𝑆,𝐶𝑂𝐷(𝑌𝑁𝐻. 𝑄. 𝐶𝑆𝐼+ 𝑌𝑁𝐴. 𝑄. 𝑁𝑂𝑋+ 𝑄. 𝑋𝐼𝐼) + 𝑄. 𝑋𝐹𝑆𝐼)/1.000 (2.12) Trong đó, PXT là lượng bùn sinh học sinh ra (kg/ngày); iSS,COD là hệ số chuyển đổi COD trong SS (gSS/gCOD); Q là lưu lượng m3/ngày; CSI là phần có thể phân hủy sinh học trong COD (mgCOD/l); NOX là khả năng nitrat hóa (mgN/l); XI1 là phần trơ trong COD (mgCOD/l); XFS1 là nồng độ chất rắn cố định trong nước thải vào (mg/l); YNH là năng suất dị dưỡng thực, được tính theo công thức (2.13); YNA là năng suất tự dưỡng thực, được tính theo công thức (2.14).
60
𝑌𝑁𝐻 = (1 + 𝑓𝐸. 𝑏𝐻. 𝜃𝑋𝐸) 𝑌𝐻
1 + 𝑏𝐻. 𝜃𝑋𝐸 (2.13)
𝑌𝑁𝐴 = (1 + 𝑓𝐸. 𝑏𝐻. 𝜃𝑋𝐸) 𝑌𝐴
1 + 𝑏𝐴. 𝜃𝑋𝐸 (2.14)
Trong đó YH là hệ số năng suất dị dưỡng; YA là hệ số năng suất tự dưỡng; fE là phần trơ của bùn vi sinh; bH là hệ số tỷ lệ hô hấp nội sinh; bA là hệ số phân rã nội sinh tự dưỡng; YH là năng suất dị dưỡng; EX là tuổi bùn hiệu dụng (trong thời gian hiếu khí (TA) + thiếu khí (TAOX), được tính như công thức (2.15):
𝜃𝑋𝐸 = 𝑉𝑇
𝑉𝑊(𝑇𝐴 + 𝑇𝐴𝑂𝑋) (2.15)
Trong đó VT là tổng thể tích (hiệu dụng) bể SBR; VW là tổng bùn phải thải bỏ mỗi chu kỳ. Tổng lượng bùn sinh học trong bể MXT – thông số quan trọng trong thiết kế bể SBR được tính dựa trên tuổi của bùn như công thức (2.16).
𝑀𝑋𝑇 = 𝑃𝑋𝑇. 𝜃𝑋𝐸 𝑇𝐶
𝑇𝐶 − 𝑇𝑆+𝐷 (2.16)
TC là tổng thời gian của 1 chu kỳ như công thức (2.17).
𝑇𝐶 = 𝑇𝐴𝑂𝑋 + 𝑇𝐴𝑁 + 𝑇𝐴+ 𝑇𝑆+𝐷 (2.17)
TAOX, TAN, TA, TS+D tương ứng với thời gian của quá trình thiếu khí, yếm khí, hiếu khí, lắng + rút nước trong một chu kỳ bể SBR như mô tả tại Hình 2-11 .
Hình 2-11. Ký hiệu mức nước, thời gian các pha trong chu kỳ của SBR/C-Tech Phần thể tích bể để chứa phần bùn lắng (V0) được tính như (2.18):
𝑉0 = 𝑆𝐹. 𝑃𝑋𝑇. 𝜃𝑋. 𝑆𝑉𝐼. 10−6 (2.18)
Trong đó X tuổi bùn tổng cộng, tính theo công thức (2.19).
𝜃𝑋 = 𝜃𝑋𝐸 𝑇𝐶 𝑇𝐴+ 𝑇𝐴𝑂𝑋 (2.19) Mức nước max Mức nước min Vùng gián tiếp Vùng bùn lắng VS VF V0 VT TF
Thiếu khí Yếm khí Hiếu khí Lắng + Rút nước
61
Tỷ số thức ăn được cung cấp trên lượng vi sinh vật trong bể sục khí F/M được tính theo công thức (2.20).
𝐹 𝑀⁄ = 𝑄. 𝐵𝑂𝐷5
𝑀𝐿𝑆𝑆. 𝑉𝑇 (2.20)
Q là lưu lượng nước thải (m3/ngày); BOD5 là nồng độ trong nước thải vào; MLSS là nồng độ chất rắn lơ lửng trong bể sục khí khi ở mức nước cao nhất (tương ứng VT).
Tổng thể tích hữu dụng của bể SBR (VT) cuối cùng được tính như công thức (2.21).
𝑉𝑇 = 𝑆𝐹. 𝑃𝑋𝑇. 𝜃𝑋𝐸. 𝑆𝑉𝐼. 10−6 𝑇𝐶
𝑇𝐴+ 𝑇𝐴𝑂𝑋+ 𝑇𝐶. 𝑄
24 (2.21)
VF là phần thể tích nước được rút trong pha rút nước, hay lượng nước thải được tiếp nhận trong pha tiếp theo.
Tổng nhu cầu oxy thực tế ORT (kgO2/ngày) được tính theo công thức (2.22):
𝑂𝑅𝑇 = (1 − 𝑌𝑁𝐻). 𝑄. 𝐶𝑆1+ (4,57 − 𝑌𝑁𝐴). 𝑄. 𝑁𝑂𝑋− 2,86(𝑁𝑂𝑋− 𝑋𝑁𝑂)𝑄 (2.22)
XNO là nồng độ NO3—N trong nước thải sau xử lý (mg/l).
Với công thức (2.22), lượng oxy cần cung cấp cho quá trình xử lý sẽ giảm nếu hiệu suất khử N cao (NO3- sau xử lý thấp).
Đối với một loại nước thải nhất định, công thức (2.21) cho thấy tổng thể tích bể SBR phụ thuộc chủ yếu vào tuổi của bùn XE và chỉ số lắng của bùn SVI. Khi cần phải duy trì MLSS trong bể cao hơn (để xử lý N) thì theo công thức (2.15) cho thấy VW giảm và do đó XE tăng. Mặt khác, MLSS tăng thì theo công thức (2.20) thì F/M sẽ giảm và do đó vi sinh vật dạng sợi có ưu thế làm bùn khó lắng (SVI tăng). Như vậy có thể thấy khi tăng MLSS trong bể mà không có các giải pháp thích hợp thì thể tích bể SBR phải tăng, hoặc với các công trình đã có sẵn thì làm giảm công suất xử lý. Vấn đề này đã xẩy ra trong thực tế vận hành tại ở nhà máy XLNT Yên Sở.
62
2.2 Cơ sở qua thực tế vận hành nhà máy xử lý nước thải Yên Sở
2.2.1 Mô tả nhà máy xử lý nước thải Yên Sở
Nhà máy xử lý nước thải Yên Sở được xây dựng ở trung tâm thành phố thủ đô Hà Nội, bắt đầu vận hành từ năm 2012 áp dụng công nghệ SBR cải tiến kiểu C-Tech (SBR/C- Tech) có bể lựa chọn vi sinh vật và hồi lưu bùn với các chu kỳ phản ứng như Hình 2-14, trong đó thời gian một chu kỳ là 4 giờ (Bảng 2-2). Theo thiết kế, nước thải lưu vực sông Kim Ngưu và sông Sét – là hai con sông thoát nước đô thị của thành phố Hà Nội, được thu gom bằng cống bao dọc hai bên sông dẫn về nhà máy để xử lý. Tuy nhiên, đến nay nhà máy đã hoàn thành nhưng hệ thống thu gom chưa thực hiện nên nước thải đầu vào được bơm trực tiếp từ trước đập chắn tại hạ nguồn sông Kim Ngưu và sông Sét. Nước thải sau khi tách rác, lắng cát dẫn trực tiếp vào các bể SBR /C-Tech mà không xử lý sơ bộ, do đó hầu như giữ nguyên tính chất của nước sông Kim Ngưu, sông Sét trước khi xử lý sinh học. Có 8 bể SBR với thể tích hiệu dụng 16.200m3/bể hoạt động luân phiên và song song. Quy trình vận hành bể SBR/C-Tech của nhà máy XLNT Yên Sở như được mô tả tại mục 2.1.6.1 ở trên. Các thông số thiết kế bể SBR/C-Tech của nhà máy XLNT Yên Sở như cột (1) Phụ lục IX. 30% nước thải sau xử lý từ bể SBR/C-Tech được khử trùng bằng tia cực tím (UV) dùng bổ cập cho hồ công viên Yên Sở, 70% còn lại không khử trùng mà xả vào hạ lưu sông Kim Ngưu (phía sau điểm tiếp nhận nước thải). Quá trình vận hành bể SBR/C-Tech nhà máy XLNT Yên Sở như sau [94]:
- Pha phản ứng (50% thời gian của chu kỳ): Nước thải vào sẽ trộn với bùn hồi lưu với tỷ lệ F/M cao ở Selector có thiết kế zich zắc với mục đích khuấy trộn đảm bảo nước thải vừa mới tiếp nhận được tiếp xúc tốt với bùn hồi lưu. Với tỷ số F/M cao (F/M = 2,2 ÷ 2,5) làm cho các vi sinh vật tạo bông phát triển chiếm ưu thế so với dạng sợi do đó tạo ra bùn dễ lắng trong pha lắng. Không cấp khí vào Selector nên đầu tiên bùn hồi lưu (có lẫn nước thải đang sục khí) có chứa NO3-, trộn lẫn với nước thải vào có NH4+ nên sẽ xẩy ra quá trình loại bỏ C, nitrat hóa, khử nitrat hóa có amoni (công thức ...). Hỗn hợp nước thải và bùn hồi lưu lần lượt qua các ngăn zich zắc và đến cuối quá trình khi hết NO3- sẽ diễn ra quá trình yếm khí, tạo điều kiện cho các vi sinh vật hấp thụ P (PAOs) phát triển. Sau khi chảy qua
63
Selector, hỗn hợp nước thải và bùn hồi lưu tự chảy vào ngăn sục khí. Tại đây sẽ diễn ra các quá trình loại bỏ C, nitrat hóa và PAOs tích lũy P vào tế bào.
(a) SBR cơ bản
(b) SBR/C-Tech
Hình 2-12. Các giai đoạn (pha) của SBR cơ bản và SBR/C-Tech
- Pha lắng (25% thời gian của chu kỳ): ngừng cấp nước thải vào và ngừng sục khí. Trong toàn bộ bể xẩy ra quá trình lắng, vi sinh vật được lắng xuống đáy bể. Trong các bể xẩy ra quá trình chuyển đổi từ hiếu khí sang thiếu khí ở ngăn sục khí và từ thiếu khí sang yếm khí ở Selector, do đó tiếp tục xẩy ra quá trình loại bỏ C, khử N song song với quá trình lắng.
- Pha rút nước và thải bùn dư (25% thời gian của chu kỳ): tiếp tục ngừng cấp nước thải vào và ngừng sục khí. Nước trong trên bề mặt bể được rút ra bằng thiết bị chắt nước (Decanter), bùn dư được rút từ đáy. Trong giai đoạn này vẫn tiếp tục xẩy ra quá trình loại bỏ C, khử N. Kết thúc quá trình này cũng là kết thúc một
Pha Tiếp nhận Nước thải
Yếm khí Thiếu khí Hiếu khí
Pha Phản ứng Pha Lắng Pha Pha Nghỉ
Rút nước
Nước thải vào
Rút nước đã xử lý ra Rút bùn dư 25% 35% 20% 15% 5% 100% 100% 100% 100 ÷ 35% 35 ÷ 25%
Thời gian các pha