3. Mục đích nghiên cứu của luậ nv ăn, đối tượ ng, ph ạm vi nghiên cứu
3.5.1. Phương án xử lý nước thải trước khi vào hồ
Đối với hồ tiếp nhận và trung chuyển một lượng nước thải lớn như hồ Kim Liên nói riêng và với các hồ Hà Nội khác có chức năng tương tự nói chung thì việc xử lý nước thải trước khi vào hồ là quan trọng nhất. Do đó để có thể xử lý nhằm cải tạo môi trường nước hồ ngày càng trong sạch hơn và tiến tới có thể khôi phục lại chất lượng nước hồ không còn ô nhiễm nữa thì cần phải xử lý nước thải trước khi vào hồ. Công nghệ sinh học thiếu khí, hiếu khí kết hợp lọc màng (AO-MBR) với những ưu điểm vượt trội như hiệu quả xử lý rất cao, lượng bùn thải ra ít, tiết kiệm đáng kể diện tích xây dựng (đây là một điểm vô cùng quan trọng với khu vực đông đúc và chật trội như nội thành Hà Nội). Vì vậy công nghệ áp dụng để xử lý nguồn nước thải vào hồ được đề xuất là áp dụng công nghệ AO-MBR, với công suất là 1.500 m3/ngày. Đồng thời cũng tính toán công trình xử lý trong trường hợp không áp dụng màng lọc.
Hình 3.26. Sơđồ công nghệ xử lý nước thải theo công nghệ MBR
Hình 3.27. Sơđồ công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ thiếu khí, hiếu khí
Thải ra MT Tách rác thô và tinh Khử trùng Bùn thải Bểđiều hòa Bể thiếu khí Bể hiếu khí Bể lắng Nước thải Nước thải Tách rác thô và tinh Bể thiếu khí Bể hiếu khí, lọc màng-MBR Bểđiều hòa Bùn thải Tái sử dụng/ thải ra MT
Bảng 3.23. Các thông số nước thải trước khi vào hồ Kim Liên STT Chất ô nhiễm Đơn vị Nồng độ 1. pH 7,2 2. Chất lơ lửng (SS) mg/l 120 3. COD mg/l 195 4. BOD5, 200C mg/l 122 5. Nitơ (tổng N) mg/l 44,5 6. Amoni –N mg/l 30 7. NO2--N mg/l 0 8. NO3--N mg/l 0 9. Phôtpho (tổng P) mg/l 8 Lưu lượng: Q = 1500 m3/ngày.
Tính toán công trình xử lý hệ thiếu khí, hiếu khí kết hợp lọc màng -MBR Bể hiếu khí:
Các hệ thống xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp lọc màng trong thời gian dài cho thấy S và Se có giá trịổn định lần lượt là 30 và 8 mg/l.[24]
Các thông số động học sử dụng để thiết kế: kd =0,04 1/ngày, Y= 0,3 mg VSS/mg COD [24]
Các thông số:
+Nồng độ sinh khối MLSS hay X chọn X = 8000 mg/l (theo Catalogue hướng dẫn sử dụng màng sợi rỗng Motimo, nồng độ MLSS nên duy trì trong khoảng 5000- 10.000 mg/l; min: 3000 mg/l, max: 10.000 mg/l)
+Thời gian lưu bùn θb= 30(ngày). Thể tích bể hiếu khí:
V = Q*.Y. θb.(S0-S)/X/(1+kd.θb)
= 1875 x 0,3 x 30 x (195-30)/8000/(1+0,04x30) ≈ 158 m3.
(Q* : lưu lượng điều chỉnh do bể hoạt động theo chu kỳ chạy 8 phút và nghỉ 2 phút)
Bể thiếu khí:
Theo kết quả nghiên cứu ở trên về lưu lượng tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí và theo tiêu chuẩn thiết kế của Nhật - Guidelines for Low-Cost Sewerage Systems in Developing Countries, lưu lượng tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí nên lấy Qtuần hoàn = 2Q [25]. Chọn lưu lượng tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí là 2Q.
Phương trình cân bằng Nitrat trong bể thiếu khí:
3Q x NO3-xl = Q x NO3-vào + Qtuần hoàn x NO3-tuần hoàn – Qra x NO3-ra Trong đó: Qtuần hoàn = 2Q, NO3 ào−v =0; NO3-ra = 2 mg/l;
- Nồng độ nitơ do vi sinh tiêu thụ để tổng hợp tế bào, giả thiết hàm lượng nitơ
trong tế bào chiếm 10%
Nsk = Ys(S-S0).FN/(1+kp,s. θs) [11]
Hằng sốđộng học vi sinh dị dưỡng tại 150C: Ys = 0,6 g SKHH/g BOD; kp,s = 0,05 [11]
Nsk = 0,6x(122-15)x0,10/(1+ 0,05x 30) = 2,57 mg/l Nồng độ nitrat trong bể aeroten
NO3-aeroten = TN-Nsk = 44,5 -2,57 = 41,93 mg/l
Nồng độ nitrat vào bể thiếu khí từ dòng vào Q và dòng tuần hoàn 2Q NO3-N = 2xNO3-aeroten.Q/3Q =2x 41,93/3 = 27,95 mg/l
Tốc độ khử NO3-: ρN2T = 0,10 x 1,09(15-20) x (1-0,15) = 0,055 [26] Nồng độ bùn hoạt tính trong bể thiếu khí Xtk=8000 mg/l
Thời gian lưu nước trong bể thiếu khí là: θtk = Vtk/Q = (NO3xl – NO3ra)/ρN2T/X [26] θtk = (27,95-2)/0,055/8000 ≈ 0,06 ngày = 1,44 h Thể tích bể thiếu khí: V = 1500 x 1,44/24 = 90 m3
Tổng thể tích chứa nước của hệ thiếu khí + hiếu khí là: 248 m3. Thời gian lưu nước của cả hệ thiếu khí + hiếu khí là : 3,97 h.
Lượng bùn thải:
Trong đó:
Q: lưu lượng nước thải đầu vào, m3/ngày Y: Sản lượng sinh khối, mg VSS/mg COD θb : Thời gian lưu bùn, ngày
Thời gian lưu bùn của cả hệ: θb = (VHK+VTK)x θb /VHK θb = 248x30/158 = 47,09 ngày
θ: Thời gian lưu nước, θ = 0,17 ngày
Si: Nồng độ COD trong nước thải đầu vào, mg/l S: Nồng độ COD trong bể sinh học, mg/l
Se: Nồng độ COD trong dòng sau xử lý, mg/l kd: hệ số phân hủy nội bào, 1/ngày
P(x) = 0,3x0,17x1500x[(195-8)/0,17+(195-30)/47,09]/(1+0,04x47,09)
≈ 29,3 kg/ngày
Lựa chọn cấu hình màng và tính toán thông số hoạt động:
Chọn loại màng sợi rỗng do hãng MOTIMO sản xuất, đặc điểm của màng FP- AII 15 như trong bảng sau:
Bảng 3.24. Các thông của màng FP-AII 15 Thông số Giá trị Vật liệu làm màng Polyethylene (PE) Kích thước mao quản (µm) 0,2 Kích thước (mm) 534x450x1523 Diện tích (m2/ module) 20 Khoảng cách giữa các module màng (mm) 10 Dòng thấm qua màng (m3/ngày. module) 5,76-8,64
Số màng trên 1 modul lọc 6
Dòng thấm qua màng J = 12-18 (l/m2/h), chọn J = 14 l/m2h. Các màng được ghép lại thành 1 modul lọc.
(1875 m3/ngày là lưu lượng điều chỉnh do bể hoạt động theo chu kỳ chạy 8 phút và nghỉ 2 phút)
Chọn số modul lọc là 48, mỗi bể lắp 24 modul lọc, các modul lọc được lắp thành 2 tầng.
Kích thước một modul lọc là 1,65x0,8x0,7 m.
Các modul lọc được bố trí đều trên diện tích bể thành 3 hàng, mỗi hàng 4 khối.
Tính toán công trình xử lý hệ thiếu khí, hiếu khí không có màng lọc Bể hiếu khí:
Các thông số thiết kế:
+Nồng độ sinh khối MLSS hay X chọn X = 2000 mg/l [26]
+Các thông số động học Y = 0,4 (mg VSS/mg COD), kd = 0,055 (1/ngày) [26]
+Thời gian lưu bùn chọn θb= 10(ngày) [26].
+COD trong sau xử lý 30 mg/l. Thể tích bể Aeroten là:
V = Q*.Y. θb.(S0-S)/X/(1+kd.θb)
= 1500 x 0,4 x 10 x (195-30)/2000/(1+0,055x10) ≈ 319 m3. Thời gian lưu nước trong bể hiếu khí: θ = 319 x 24/1500 ≈ 5,1 h
Tính thời gian cần thiết để quá trình nitrat hóa:
Tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitrat hóa trong điều kiện vận hành bể ổn định, DO = 2 mg/l, NH4+ đầu ra 0,4 mg/l và các điều kiện khác đảm bảo cho quá trình nitrat là:
µN = µNmax [N/(KN+N)][DO/(KO2+DO)]e0,098(T-15)[1-0,0833(pH-7,2)] [26] µNmax = 0,45 ngày-1ở 150C [26]
KN = 100,051T-1,158 = 0,405 KO2 = 1,3 mg/l
µN = 0,27 ngày-1
K= µN/YN =0,27/0,16 = 1,69 ngày-1 (với YN = 0,16 [26]) N = 0,4 mg/l ρN = 1,69 x 0,4/(0,405+0,4) =0,84 mg NH4/mg bùn N ngày Thời gian lưu bùn 1/ θCN = YNρN – KdN KdN = 0,04 ngày-1 [26] θCN = 10,6 ngày
Thành phần hoạt tính của vi khuẩn nitrat hóa trong bùn hoạt tính XN = fN x X
fN = 0,16 (NH4 bị khử)/[0,6(BOD5 bị khử)+ 0,16 (NH4 bị khử)] [26]
Nồng độ BOD trong bể aeroten là 15 mg/l, giả thiết toàn bộ tổng nitơ đều chuyển hóa thành amoni
fN = 0,16 (44,5-0,4)/[0,6(112-15)+0,16(44,5-0,4)]= 0,108 XN = 0,108 x 2000 = 216 mg/l
Thời gian cần thiết để nitrat hóa là
θN = V/Q = (N0-N)/ρN/XN = (44,5-0,4)/0,84/216 = 0,243 ngày = 5,83 h Chọn dung tích bể theo thời gian lưu nước để nitrat hóa là θ =5,83 h Vậy thể tích bể hiếu khí V≈ 364 m3
Bể thiếu khí:
Lưu lượng tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí là 2Q. Phương trình cân bằng Nitrat trong bể thiếu khí:
3Q x NO3-xl = Q x NO3-vào + Qbùn tuần hoàn x NO3-tuần hoàn – Qra x NO3-ra Trong đó: Qbùn tuàn hoàn = 2Q, NO3 ào−v =0; NO3-ra = 2 mg/l;
- Nồng độ amoni do vi sinh (dị dưỡng) tiêu thụ để tổng hợp tế bào, giả thiết hàm lượng nitơ trong tế bào chiếm 10%
Nsk = Ys(S-S0).FN/(1+kp,s. θs) = 2,57 mg/l Nồng độ nitrat trong bể aeroten
NO3-aeroten = TN-Nsk - N= 44,5 -2,57 -0,4 = 41,53 mg/l
NO3-N = 2xNO3-aeroten.Q/3Q =2x 41,53/3 = 27,69 mg/l Tốc độ khử NO3-: ρN2T = 0,10 x 1,09(15-20) x (1-0,15) = 0,055 Nồng độ bùn hoạt tính trong bể thiếu khí Xtk=2000 mg/l Thời gian lưu nước trong bể thiếu khí là:
θtk = Vtk/Q = (NO3xl – NO3ra)/ρN2T/X [26] = (27,69-2)/0,055/2000 ≈ 0,234 ngày = 5,62 h Thể tích bể thiếu khí: V = 1500 x 5,62/24 ≈ 351 m3
Tổng thể tích chứa nước của hệ thiếu khí + hiếu khí là: 715 m3. Thời gian lưu nước của cả hệ thiếu khí + hiếu khí là: 11,44 h.
Lượng bùn sinh ra cần thải:
P(x) = Q.Ys(S0-S)/(1+kp,s. θs)
Q: lưu lượng nước thải đầu vào, m3/ngày
Ys: Sản lượng sinh khối của vi sinh dị dưỡng, mg VSS/mg COD θs : Thời gian lưu bùn của cả hệ, ngày
θs = (VHK+VTK)x θCN /VHK θCN : Thời gian lưu bùn bể hiếu khí, ngày θCN = VX/[Q.Y.(S0-S)-X.V.kd] = 12,35 ngày
θs = (VHK+VTK)x θCN /VHK = 715x 12,35/364 = 24,26 ngày S0: Nồng độ BOD trong nước thải đầu vào, S0 = 122mg/l
S: Nồng độ BOD tan sau xử lý, S = 15 mg/l
kp,s: hệ số phân hủy nội bào của vi sinh dị dưỡng, kp,s = 0,05 1/ngày Hằng sốđộng học vi sinh dị dưỡng tại 150C: Ys = 0,6 g SKHH/g BOD; Lượng bùn thải:
P(x) = 0,6 x1500 ( 122-1,9)/(1+ 0,05x24,26)/1000 = 43,5 kg/ngày
Bể lắng
Bể lắng cấp II có tác dụng tách bùn sinh học sinh ra khỏi dòng thải. Một phần bùn được tuần hoàn quay trở lại hệ thống xử lý sinh học nhằm duy trì ổn định nồng độ bùn hoạt tính, phần bùn dư còn lại được đưa tới bể cô đặc bùn. Thời gian lưu nước trong bể là khoảng 2 h. Vậy thể tích của bể lắng là: V = 125 m3
Bể khử trùng
Nước thải sau xử lý phải được khử trùng nhằm tiêu diệt các vi khuẩn có thể gây bệnh.
Thời gian tiếp xúc 30 ph Thể tích bể V = 32 m3;
So sánh hệ MBR với hệ thiếu khí + hiếu khí
Qua tính toán thiết kế sơ bộ trên ta có thể thấy những điểm thuận lợi khi ta áp dụng công nghệ MBR so với chỉ sử dụng hệ thiếu khí và hiếu khí qua bảng sau:
Bảng 3.25. So sánh hệ MBR với hệ thiếu khí + hiếu khí
STT Các thông số Đơn vị Hệ MBR Hệ thiếu khí +
hiếu khí 1. Bể hiếu khí m3 158 364 2. Bể thiếu khí m3 90 351 3. Bể lắng m3 0 125 4. Bể khử trùng m3 0 32 5. Nồng độ MLSS mg/l 8.000 2.000 6. Lượng bùn thải kg/ngày 29,3 43,5