2.1. Thiết lập phương trình cân bằng khối lượng của cơ chất và sinh khối trong hệ thống xử lý khối trong hệ thống xử lý
Hiện nay, các trạm xử lý nước thải sinh hoạt thường sử dụng phư ng ph p sinh học với công nghệ bùn hoạt tính hiếu h đ xử lý các hợp chất hữu c hoặc kết hợp yếm khí– hiếu h đ xử lý các chất hữu c có nồng đ cao. Xử lý sinh học là m t quá trình có hiệu quả giảm thi u, loại bỏ hoặc chuy n thành phần hữu c trong
24
nước thải và được sử dụng r ng rãi trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cả trên thế giới và ở Việt Nam.
S đồ nguyên lý bi u diễn các thông số đầu vào, đầu ra và các thành phần bên trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt được đưa ra ở Hình 2.1.
Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn cân bằng vật chất trong hệ thống XLNT 2.1.1. ử lý sơ cấp - ể lắng sơ bộ
Đ giữ lại các chất hữu c hông tan trong nước thải trước hi cho nước thải vào các b xử lý sinh học, người ta dùng b lắng s cấp.
Nhiệm vụ của b này là loại bỏ các tạp chất có khả năng lắng (tỉ trọng lớn h n tỉ trọng của nước). Ở đây c c chất l lửng có tỉ trọng lớn h n tỉ trọng của nước sẽ lắng xuống đ y.
a. Lượng SS bị khử b trong bể lắng sơ cấp
Lượng SS bị khử bỏ trong b lắng s cấp được tính theo công thức sau: Rss, pc (kg VSS/ngày) = Per ss,pc* Qo *Xo (2.1) Trong đó:
Perss,pc: phần trăm hử SS trong lắng s cấp (65%); Qo: công suất ng vào (m3/ngày);
25
b. Lượng O bị khử trong bể lắng sơ cấp
Lượng BOD bị khử trong b lắng s cấp được tính theo công thức sau:
RBOD, pc (g BOD5/ngày) = PerBOD * Qo *So (2.2) Trong đó:
PerBOD: phần trăm hử OD5 trong lắng s cấp (50%); Qo: công suất ng vào (m3/ngày);
So: nồng đ OD5 ng vào (mg VSS/l); Si (mg/l) = So – PerBOD,pc(%) * So (mg/l).
2.1.2. ử lý hiếu khí
a. Cân bằng khối lượng đối với sinh khối
Dựa vào nguyên lý c ản về cân bằng khối lượng [18], phư ng trình cân ằng hối lượng sinh hối trong xử lý sinh học được i u thị như sau:
Biến đ ng lượng sinh khối trong thiết bị xử lý =lượng đầu vào – lượng đầu ra + lượng thực o sinh trưởng (chuy n hóa OD thành sinh hối)
V(dx
dt ) = (Qo - Qc)*Xo – [Qw Xw+(Qo –Qc – Qw)*Xe] + V*rg’ (2.3) Trong đó:
V: th t ch hiếu h (m3);
(dx
dt ): tốc đ iến đổi sinh hối theo thời gian (gVSS/m3/ngày); X: nồng đ sinh hối trong hiếu h (mg VSS/l);
Qc: công suất xả n lắng s cấp (m3/ngày); Xo: nồng đ sinh hối ng vào (mg VSS/l); Qw: công suất xả n b lắng thứ cấp (m3/ngày); Xw: nồng đ sinh hối tuần hoàn (mg VSS/l); Xe: nồng đ sinh hối ng ra (mg VSS/l);
rg’: tốc đ tăng trưởng thực sinh hối trong hiếu h (gVSS/m3/ngày). * Giả thiết:
- Khi hệ thống vận hành đạt trạng thái ổn định thì sự biến thiên của dx
26
- Nồng đ sinh hối ng vào thường rất nhỏ nên Xo = 0;
- ông suất xả đ y (Qc) hông đ ng so với công suất ng vào (Qo), Qc =0; Từ công thức (2.3) ta có:
V*rg’ = Qw Xw+(Qo – Qw)*Xe (2.4)
Tốc đ tăng trưởng thực sinh hối trong hiếu h rg’ch nh là lượng tổng sinh ra trừ đi lượng sinh khối bị phân hủy n i sinh hay được tính theo công thức:
rg’ = - Y*rsu – Kd*X Trong đó:
Y: hệ số sản sinh tế ào (gVSS/ g OD5) ; rsu: tốc đ sử ụng c chất (g OD5/m3 ngày); Kd: hệ số phân hủy n i ào sinh hối (ngày-1);
Mục tiêu xử lý nước thải là làm giảm nồng đ chất gây ô nhiễm, tức là giảm nồng đ c chất, vì vậy tốc đ sử dụng c chất là đối tượng quan tâm đầu tiên và được tính theo công thức sau:
rsu = KXS/(Ks+S) (2.5)
Trong đó:
K: tốc đ sử ụng c chất cực đại trên đ n vị hối lượng sinh hối (gBOD5/gVSS/ngày),K = m
Y
Ks: hằng số n tốc đ (mg OD5/l). là gi trị nồng đ c chất h a tan tại thời đi m tốc đ tăng trưởng riêng là m t nửa tốc đ tăng trưởng riêng cực đại;
S: nồng đ c chất.
Từ (2.5) cho thấy, tốc đ sử dụng c chất tỉ lệ thuận với mật đ vi sinh (X), với nồng đ c chất (S) và với hoạt tính (khả năng xử lý) của vi sinh vật µm.
Thay (2.5) vào (2.4) ta có: rg’ = Y* s KXS K S – Kd*X (2.6) Kết hợp công thức (2.4) và công thức (2.6) ta có: [Qw Xw+(Qo – Qw)*Xe] /VX = Y* s KS K S – Kd (2.7)
27
Tuổi n hay thời gian lưu của n (SRT) được định nghĩa là[3]: SRT = e w o w w X Q Q X Q VX * ) ( . (2.8)
Tuổi bùn (thời gian lưu n, thời gian lưu tế ào) được định nghĩa như tên gọi của nó, chính là thời gian tồn tại của vi sinh vật trong hệ thống xử lý (chỉ ở giai đoạn phản ứng, không bao gồm c c giai đoạn h c như ở b lắng thứ cấp). Đ duy trì m t mật đ sinh khối ổn định trong quá trình xử lý, lượng vi sinh sinh vật sẽ tăng theo thời gian, mức đ tăng càng lớn hoạt tính của vi sinh vật càng cao nên cần phải thải bớt, tách ra khỏi hệ thống lượng ư thừa. Thời gian t nh theo ngày đ thải khối lượng n đúng ằng khối lượng có trong khối phản ứng gọi là thời gian lưu tế bào hay tuổi bùn. Vế trái của (2.7) là nghịch đảo của SRT.
Từ công thức (2.7) và (2.8) ta có: S = (1 *SRT) (YK K ) 1 s d d K K SRT (2.9)
Nồng đ c chất OD trong hiếu h được t nh theo công thức (2.9) và được so s nh với phép đo nồng đ OD5 ng ra.
b. Cân bằng khối lượng đối với cơ chất
Vi sinh vật phát tri n được trên c sở tiêu hao m t lượng vật chất, chủng loại vật chất mà nó cần rất đa ạng, tư ng ứng với các thành phần hóa học trong tế bào. Tuy vậy, khi nghiên cứu đ ng học người ta thường chỉ tập trung vào m t số lượng giới hạn c c đối tượng. Đối tượng hoặc những đối tượng được quan tâm gọi là c chất.
Phư ng trình cân ằng hối lượng đối với c chất h a tan ( OD5) trong hình (2.1) như sau:
V(dS
dt ) = (Qo - Qc)*Si – [Qw S+(Qo–Qc – Qw)*S] + V*rsu (2.10) * Giả thiết: tư ng tự như trong phư ng trình cân ằng hối lượng đối với sinh hối. Dưới điều iện ổn định: Qc = 0; (dS
dt ) = 0. ông thức (2.10) trở thành:
28 S – Si = i V Q * s KXS K S (2.11)
Nồng đ sinh hối trong được t nh theo công thức sau:
X = * (S S) 1 * i d Y SRT K SRT (2.12) Trong đó:
τ: thời gian lưu thủy lực;
i V Q
Nồng đ sinh hối trong tế bào được t nh theo công thức (2.12); nồng đ sinh hối tự ưỡng được t nh theo công thức sau:
Xn = * 1 * n Y dn Y NO SRT K SRT (2.13) Trong đó:
Xn: nồng đ sinh hối tự ưỡng (mg VSS/l);
Yn: hệ số sản sinh tổng hợp đối với vi huẩn nitrat (gVSS/gN); NOY: nồng đ N-NH4 ng vào chuy n hóa thành Nitrat (mg N/l); Kdn: hệ số phân hủy n i ào đối với v huẩn nitrat (gVSS/gVSS.ngày).
c. Sản sinh b n
Đ uy trì nồng đ sinh hối trong phản ứng, hối lượng n được loại ỏ hàng ngày từ phản ứng. Tổng lượng n tạo ra hàng ngày được t nh theo công thức: MX = V*X SRT (2.14) Từ công thức (2.12) và (2.14) ta có: MX = Q * Y(S S) 1 * i i d K SRT
Sinh hối được tạo ra ởi:
- Sự tiêu thụ c chất của vi huẩn ị ưỡng; - Sự tiêu thụ c chất của vi huẩn tự ưỡng; - Phân hủy tế ào.
29
MX,CBOD (gVSS/ngày) = Q * Y(S S)
1 * i i d K SRT (2.15)
Sử ụng c ch tiếp cận tư ng tự đối với phân hủy các hợp chất hữu c chứa nit ta được công thức sau:
MX,nit (gVSS/ngày) = Q * Y ( ) 1 * i n Y dn NO K SRT (2.16)
Tổng sinh hối o phân hủy BOD và phân hủy các hợp chất hữu c chứa nit là: Psinh khoi (g VSS/ngày) = MX,CBOD + MX,nit (2.17) Phư ng trình cân ằng hối lượng đối với hử nit (Shahabadi, 2009)
Qi*NOY = Qi*TKNi – Qi *TKNe – 0,12 *P sinh khoi Trong đó:
TKNi = TKN ng vào (mg/l); TKNe = TKN ng ra (mg/l);
Psinh khoi : lượng sinh hối tạo ra o hử OD và N OD (g VSS/ngày); Tổng amoni ị oxi hóa thành nitrat là :
NOY (mgN/l) = TKNi – TKNe – 0,12 *P sinh khoi/Qi (2.18) Dữ liệu về NOY hông có sẵn nhưng TKN thì được iết. Theo [18], gi trị NOY ằng hoảng 0,8 TKN. Dựa trên sự tiêu thụ này MX, nit được t nh theo công thức (2.16). Sau đó, phư ng ph p thử và lỗi được p ụng đ tìm gi trị mới cho NOY.
Do tổng OD ng vào ị hử ở lắng, nên OD ng vào hiếu h được t nh theo công thức sau:
Si = So- RBOD,pc /Qo (2.19)
Trong đó:
Si : nồng đ OD ng vào hiếu h (mg OD/l); So: nồng đ OD ng vào lắng s (mg OD/l); RBOD,pc : tốc đ hử OD.
Từ công thức (2.17) và (2.18) ta có công thức t nh NOY như sau: NOY = , 0,12* 1 0,12* 1 * X CBOD i e i n dn M TKN TKN Q Y k SRT (2.20)
30
2.2.Thiết lập phương trình hóa học và hệ số tỉ lượng 2.2.1. Phương trình hóa học trong bể sinh học hiếu khí
c phản ứng trong hiếu h :
- Oxi hóa OD thành O2 (Oxi hóa chất hữu c ); - Tổng hợp OD thành tế ào;
- Qu trình nitrat hóa.
C10H19NO3 và C5H7NO2 được i u thị cho c chất và sinh hối ựa trên Rittmann and McCarty (2001);
Theo [3] m t phản ứng sinh hóa trên c sở oxy hóa khử có th được bi u diễn như sau:
R = fs.Rc + feRa – Rd (2.21) Với fs+fe = 1, trong đó R là phản ứng tổng th của m t quá trình sinh hóa, Rc là phản ứng tổng hợp tế bào, Ra là phản ứng nhận điện tử, Rd là phản ứng cho điện tử, fs là tỉ lệ của điện tử giành cho tổng hợp tế bào, fe là tỉ lệ điện tử giành cho năng lượng.
a. Các phản ứng diễn ra trong quá trình oxy hóa chất hữu cơ
Đối với phản ứng oxy hóa các chất hữu c trong nước thải, chất nhận điện tử là oxy và chất nhường điện tử là các hợp chất hữu c có công thức tổng quát là C10H19O3N [3]. Trong quá trình này, giả thiết 60% điện tử giành cho tổng hợp tế bào (fs = 0,6) và 40% điện tử giành cho năng lượng (fe = 0,4) [22]. Theo [18] ta có:
Ra: O2 +H+ + e- → H2O Rc: CO2 + NH4+ + HCO3- + H+ + e-→ C5H7O2N + H2O Trong đó 5H7O2N là công thức bi u diễn cho tế bào vi sinh vật. -Rd: C10H19O3N + H2O → CO2 + NH4+ + HCO3- + H+ + e-
Dựa vào phư ng trình (2.22) với giả thiết fe = 0,4 và fs = 0,6 ta có phản ứng tổng quát của quá trình oxy hóa chất hữu c ởi vi sinh vật trong b xử lý hiếu khí:
0,02 C10H19O3N + 0,01 HCO3- + 0,01 NH4+ + 0,1 O2 → 0,03 5H7O2N + 0,06 CO2 + 0,11 H2O (2.22) Xét phư ng trình oxy hóa hoàn toàn chất hữu c :
31
Khi đó: OD trong c chất =
= 1,99 ( g OD/ g c chất)
Hệ số sản lượng đối với khí CO2 và tốc đ tiêu thụ oxy của vi sinh vật được x c định lần lượt thông qua c c phư ng trình sau:
=
= 0,33 (g CO2/ g BOD)
=
= 0,4 (g O2/g BOD)
b. Phản ứng tổng hợp BOD thành tế bào
Phư ng trình phản ứng phân hủy n i bào của vi khuẩn cũng được x c định theo c ch tư ng tự: 0,05 C5H7O2N + 0,25 O2 → 0,2 O2 + 0,05 NH4+ + 0,05 HCO3- + 0,05 H2O (2.23) = = 1,56 (g CO2/g VSS) = = 1,42 (g O2/g VSS) c. Phản ứng nitrat hóa
Trong phản ứng nitrat hóa, chất nhận điện tử vẫn là oxy, chất nhường điện tử là amoni NH4+:
Ra: O2 +H+ +e- → H2O
Rc: CO2 + NH4+ + HCO3- +H+ + e- → C5H7O2N + H2O -Rd: 0,125 NH4+ + 0,375 H2O → 0,125 NO3-
+1,25 H+ +e-
Với giả thiết fe = 0,1 và fs = 0,9 ta có phản ứng tổng quát của quá trình nitrat hóa: 0,1275 NH4+ + 0,2375 O2 + 0,01 CO2 + 0,0025 HCO3- → 0,0025 5H7NO2 +
0,125NO3- + 0,25 H+ + 0,1225 H2O (2.24) Trong quá trình nitrat hóa có sự tiêu thụ O2 cùng với CO2. Hệ số tốc đ sử dụng các chất này của vi sinh vật nitrat hóa là:
=
32 =
= 0,25 (g CO2/g N)
2.2.2. Phương trình hóa học trong bể sinh học kỵ khí
Trong quá trình xử lý nước thải bằng phư ng ph p sinh học, m t lượng bùn lắng luôn được sinh ra và đây là m t loại chất thải thứ cấp cần được tiếp tục xử lý trước hi đưa ra môi trường. Hiện nay, biện pháp phân hủy bùn thải bằng vi sinh vật trong điều kiện yếm khí là m t trong những phư ng ph p đem lại hiệu quả cao, tuy nhiên đối với vấn đề môi trường hông h thì đây cũng là m t nguồn phát thải GHG cần được quan tâm.
Trong b xử lý bùn kị h , lượng chất hữu c c n lại trong bùn lắng sẽ bị phân hủy ưới hoạt đ ng của các vi sinh vật yếm khí tạo thành khí CO2 và CH4. Theo [22], quá trình này có fs = 0,05 và fe = 0,95.
Ra: 0,125 CO2 + H+ + e- → 0,125 CH4 + 0,25 H2O
Rc: 0,2 CO2 + 0,05 NH4+ + 0,05HCO3- + H+ + e- → 0,05 5H7O2N + 0,45 H2O
-Rd: C10H19O3N + H2O → CO2 + NH4+ + HCO3- + H+ + e-
0,02C10H19O3N + 0,117 H2O → 0,003 C5H7O2N + 0,118 CH4 + 0,051 CO2 + 0,031 NH4+ + 0,031 HCO3-(2.25) Hệ số sản lượng khí biogas sinh ra theo phản ứng là:
=
= 0,45 (g CO2/g BOD)
=
= 0,24 (g CH4/g BOD)
Trong quá trình yếm khí, m t lượng vi khuẩn chết đi và ị phân hủy:
0,05 C5H7O2N + 0,2 H2O → 0,075 O2 + 0,125 CH4 + 0,05 NH4++ 0,05 HCO3-
=
= 0,58 (g CO2/g VSS) =
33
Nếu h iogas được tận thu đ làm h đốt với mục đ ch cấp nhiệt cho các hệ thống trong trạm xử lý thì m t lượng khí CH4 sẽ được biến đổi thành khí CO2:
CH4 + 2O2 → O2 +2 H2O
Hệ số sản lượng khí CO2 tạo thành từ qu trình đốt là:
=
= 2,75 (g CO2/g CH4).
2.3. Thiết lập phương trình tính toán phát thải GHG 2.3.1. Phát thải CO2 trong ử lý nước thải 2.3.1. Phát thải CO2 trong ử lý nước thải
2.3.1.1. Phát thải trực tiếp
Tổng O2 được tạo ra o phân hủy chất hữu c được t nh theo công thức sau: PCO2, BOD (g CO2/ngày) = 0.33* [Qi * (Si- S) – 1.42* MX, CBOD] – 0,25*NOY*Qi
(2.26) Tổng O2 được tạo ra o phân hủy n i ào được t nh theo công thức sau:
PCO2, noi bao (g CO2/ngày) = 1.56* phanhuy, hieukhi (2.27) Sử ụng công thức (2.15) và (2.16) cùng với giả thiết phần phân hủy sinh học ằng 0.8 sinh hối [18]:
Bphanhuy, hieukhi = 0.8 * sinh hối ị phân hủy
Bphanhuy, hieukhi = 0.8 * th t ch phản ứng * ( d*X+ kdn* Xn) = 0.8 * SRT * Qi * [ * (S S) * (NO ) 1 * 1 * d i dn n Y d dn k Y k Y k SRT k SRT ] (2.28) A= kd*Y*(Si - S)/(1+kd*SRT) B = kdn*Yn(NOY)/(1+kdn*SRT)
Tổng ph t thải O2 trong phân hủy yếm h được tính theo công thức: PCO2,yemkhi = PCO2,CBOD + PCO2,noibao (g CO2/ngày) (2.29)
2.3.1.2. Phát thải gián tiếp
a. Phát thải gián tiếp từ tiêu thụ điện năng (Shahabadi et al 2009)
P O2, điện = QE *(PFi*EF )i (2.30) Trong đó:
P O2, điện: lượng h nhà nh tạo ra o sử ụng điện của nhà m y (kgCO2./ngày);
34
QE: công suất tiêu thụ điện năng ( wh/ngày); PFi: tỷ lệ phần trăm nguồn nhiên liệu tạo điện;
EFi: hệ số ph t thải GHG theo nguồn nhiên liệu (kgCO2 /Kwh).
Bảng 2.1: Hệ số phát thải đối với mỗi phương pháp tạo điện khác nhau (gCO2/kwh) Nguồn tạo điện Thủy điện Hạt nhân Than Khí tự nhiên Nhiên liệu khác Năng lượng sinh học, gió, thủy triều Hệ số: Fi 16-410 9-30 860 -1290 460 -1234 689–890 11–279
[Nguồn: Rashad and Hammad,2000]
b. Phát thải gián tiếp từ sản uất và vận chu ển khí tự nhiên (Sahely, 2005)
PCO2, NG = [QG* EFNG,CO2/103 (g/kg)] + 23* [QG*EFNG,CH4/103 (g/kg)] + 296 * [QG*EFNG,N2O/103 (g/kg)] (2.31) PCO2, NG: lượng h nhà nh tạo ra o sử ụng h gas gia nhiệt cho nhà m y (kgCO2 /ngày);
QG: lượng h gas sử ụng trong nhà m y (m3/ngày); EFNG,CO2 và FNG,CH4 : hệ số ph t thải h O2 và H4.
Bảng 2.2: Bảng hệ số phát thải khí CO2 và CH4 Hệ số phát thải Đơn vị
EFNG,CO2 234 gCO2/m3.ngày
EFNG,CH4 83 gCO2/m3.ngày
[ guồn T i ngu n thi n nhi n, n , 1 ]
c. Phát thải gián tiếp từ sản uất và vận chu ển ngu ên liệu (Sahel 2005)
PCO2,nguyenlieu= tổng (Qi, nguyenlieu* EFnguyenlieu) ( g/ngày) PtongCO2, gian tiep = P O2, điện + PCO2, nhienlieu + PCO2, nguyenlieu
35
OD h a tan trong ng ra được đưa vào nguồn tiếp nhận và đóng góp vào