Bể methane thực hiện quá trình lên men yếm khí bùn, gồm 2 giai đoạn nối tiếp nhau biến đổi bùn và ổn định bùn (Hinh ). Các sản phẩm cuối cùng thu được gồm CH4,CO2 (biogas) và bùn dư được ổn định.
Hình 2. 16. Quá trình lên men yếm khí
Quá trình lên men yếm khí bùn được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt vì những ưu điểm sau:
+ Giảm thành phần hữu cơ có thể phân hủy sinh học trong bùn;
+ Cải thiện khả năng tách nước của bùn;
+ Tiêu diệt được phần lớn các mầm bệnh;
+ Sinh ra sản phẩm phụ biogas;
+ Giảm thể tích bùn trước khi chôn lấp.
Thiết kế bể methane tải trọng tiêu chuẩn làm việc ở nhiệt độ ưa ấm 35oC và không có khuấy trộn.
Khối lượng bùn khô đưa vào bể methane = 4218,75 kg/d Lưu lượng nước bùn đưa vào bể methane = 83,56 m3/d
Đối với bùn từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt thường dùng tỷ lệ VSS chiếm 75% khối lượng để thiết kế.
VS đưa vào bể methane = 4218,75.0,75 = 3164,1 kg/d
Theo Biosolids Treatment Process bể methane tải trọng tiêu chuẩn được thiết kế theo tải trọng VS = 0,48 – 1,6 kg VS/ m3.d và điển hình = 1,28 kg VS/ m3.d.
¿VSđưavàobểmethane TảitrọngVS
¿3164,1 1,28=2472m
3
Hầu hết bể methane đều được xây dựng bằng bê-tông gia cường, dạng hình trụ thấp với đáy hình côn. Đường kính 6 – 34 m và có thể quy chuẩn cho phù hợp với những thiết kế mẫu chuẩn. Chiều cao thành = 6 – 12 m. Độ dốc đáy (hướng tâm) > 1/4 với phương thức thu bùn trọng lực và giảm xuống = 1/12 với phương thức hút bùn. Ngoài ra, do cần gia nhiệt cho bể methane để duy trì nhiệt độ ưa ấm 35oC nên bể methane được xây dựng các lớp bảo ôn bằng các loại vật liệu như xốp, sợi thủy tinh, gạch ốp hay dùng lớp không khí hoặc đắp thành ụ đất bao quanh.
Ta thiết kế bể methane theo thiết kế mẫu chuẩn dung tích 2500 m3 với các kích thước D = 17,5 m, h1 = 2,50 m, H = 8,5 m và h2 = 3,03 m.
Hình 2. 17. Sơ đồ tính toán bể methane
Kiểm tra thời gian lưu thủy lực:
θ=θc=V Q=
2472 83,56=29,58d≅30d
Với nhiệt độ ưa ấm 35oC thì thời gian lưu thủy lực tối thiểu của bể methane = 10 d. Như vậy, thiết kế với thời gian lưu thủy lực = 30 d được chấp nhận.
Hiệu quả giảm VS được ước tính theo Hình (Biosolids Treatment Process) tùy thuộc vào tính chất của bùn và θ = θc. Theo đó ηVS = 56 %.
Khối lượng bùn khô ra khỏi bể methane:
Theo Biosolid Treatment Process nước bùn sơ cấp và bùn thức cấp sau quá trình lên men yếm khí có khối lượng riêng 1020 kg/m3 và nồng độ bùn khô 8 %.
Hình 2. 18. Bể methane
Lưu lượng nước bùn ra khỏi bể methane:
¿2447
0,08.1020=30m 3
/d
Lượng nhiệt cần cấp cho bể methane để duy trì nhiệt độ ưa ấm 35oC:
H=W.C.(T2−T1)
ở đây: H = Lượng nhiệt cần cấp, J;
W = Lượng nước bùn đưa vào bể methane = 4218,75/0,05 = 84375 kg/d = 0,98 kg/s;
T1 = Nhiệt độ nước bùn đưa vào bể methane = 25oC; T2 = Nhiệt độ cần duy trì trong bể methane = 35oC. Ta được:
H=0,98.4200.(35−25)=41160W=41,16kW
Tổn thất nhiệt qua thành bể methane tùy thuộc vào mức độ khuấy trộn và kết cấu bảo ôn, chấp nhận = 5% H = 0,05.41,16 =2,058 kW.
Hình 2. 19. Hiệu quả phân hủy VS
Nhiệt lượng cần cung cấp = 41,16 + 2,058 = 43,22 kW
Cung cấp nhiệt để duy trì nhiệt độ nước bùn trong bể methane bằng thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài dùng nhiên liệu biogas sinh ra từ bể methane.
Biogas thông thường có thành phần theo thể tích 65% CH4 và 35% CO2 và các khí vết. Nhiệt trị của biogas xấp xỉ 5850 kcal/m3 tùy theo thành phần biogas. Theo Biosolids Treatment Process thể tích biogas sinh ra có thể ước tính theo lượng VS đưa vào: 0,5 – 0,75 m3 biogas/ kg VS đưa vào hoặc lượng VS tiêu thụ: 0,75 – 1,1 m3
biogas/ kg VS tiêu thụ hoặc theo các công thức kinh nghiệm khác.
Giả thiết tốc độ sinh biogas 0,90 m3 biogas/ kg VS tiêu thụ và nhiệt trị biogas 5850kcal/m3.
VS tiêu thụ = 3164,1.0,56 = 1772 kg/d
Thể tích biogas sinh ra = 1772.0,90 = 1595 m3/d
Nhiệt lượng có thể thu được khi đốt biogas = 1595.5850 =9330750 kcal/d = 451,42 kW
Hệ thống thu gom, lưu trữ, phân phối và sử dụng biogas được thiết kế theo quy phạm kỹ thuật riêng.
Hình 2. 20. Sơ đồ cấp nhiệt cho bể methane