4.2.1 Bể Anoxic
Nhiệm vụ
Nước thải từ bể điều hòa và nước tuần hoàn sau bể hiếu khí Anoxic theo hướng từ dưới lên. Bể sinh học này có nhiệm vụ khử Nitrat. Trong bể được trang bị máy khuấy chìm ở dưới chúng có nhiệm vụ khuấy trộn dòng nước liên tục với tốc độ ổn định, giúp các vi sinh vật thiếu khí có thể phát triển. Nước thải sau khi qua bể Anoxic sẽ tự chảy sang bể sinh học hiếu khí Aerotank để tiếp tục được xử lý.
Tính toán
Lưu lượng nước tuần hoàn từ cuối bể Aerotank về đầu bể thiếu khí Anoxic để khử Nitrat
Qnth = IR. Qtbh = 1. 12,5 = 12,5 m3/h - Với tỷ số tuần hoàn IR = 100 – 400% [2], chọn IR = 1
Lượng bùn tuần hoàn từ bể lắng II về đầu bể thiếu khí Anoxic
Qbth = R. Qtbngày = 0,6. 300 = 180 m3/ngày = 7,5 m3/h Với: R = X Xr− X = 3000 8000 − 3000= 0,6 Thể tích bể Anoxic V = ( Qnth + Qbth + Qtb). t = (12,5 +7,5+12,5). 1,5 = 48,75 m3 - Với: t: thời gian lưu nước, t = 1 – 3h, chọn t = 1,5h
Diện tích bề mặt bể
A = V
h= 48,75
3,5 = 14 (m2) - Chọn chiều cao làm việc của bể h = 3 m
→ Chiều cao xây dựng bể: H = h + hbv = 3,5 + 0,5 = 3,5 m Kích thước bể là: B x L x H = 3m x 3m x 4m
Tính toán máy khuấy
- Chọn năng lượng khuấy: 5kW/103 m3 (3 – 10kW/103 m3) (Nguồn: mục 9.5/chương
9/tr. 952 – Wastewater Engineering Treatment and Reuse, Metcalf & Eddy, 2003)
- Thể tích bể: V= 30 m3
- Công suất máy khuấy chìm:
N = 30.5.10-3 = 0,15 kW
- Tra catolog máy khuấy chìm Tsurumi, chọn 4 Motor máy khuấy MR-0,25-4D với thông số kỹ thuật:
P = 0,25 kW
Đường kính cánh khuấy ∅ 155 mm
Điện áp: 3 pha 220V/ 380V
Hệ thống đường ống dẫn nước
- Đường ống dẫn nước vào bể anoxic
Vận tốc cho phép nước chảy trong ống v = 1 – 1,5 m/s. Chọn vận tốc nước chảy vào bể là 1 m/s, lưu lượng nước thải 12,5 m3/h
Dvào = √ 4.Qtbh
π.v.3600 = √ 4.12,5
π.1 .3600= 0,067 (m) → Chọn ống nhựa PVC có ∅ 75 mm
- Đường dẫn nước ra bể Anoxic
Lưu lượng nước thải ra khỏi bể Anoxic hay vào bể Aerotank: Qra = Q + Qbth = 7,5 + 12,5 = 20 (m3/h)
Đường kính ống dẫn nước thải vào bể Aerotank: Dra = √ 4.Qra
π.v.3600= √ 4.20
π.1.3600= 0,084 m
Với: Vận tốc cho phép nước chảy trong ống v = 1 -1,5 m/s, chọn v = 1 m/s → Chọn ống nhựa PVC có ∅ 90 mm
Bảng 4.11 Bảng thông số thiết kế bể Anoxic
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Chiều dài bể L 3 m
Chiều rộng bể B 3 m
Chiều cao hữu ích h 3,5 m
Chiều cao xây dựng H 4 m
Thể tích xây dựng bể V 36 m3
Đường kính ống dẫn nước thải vào Dvào 75 Mm Đường kính ống dẫn nước thải ra Dra 90 mm
Công suất máy khuấy N 0,25 kW
4.2.2 Bể Aerotank
Nhiệm vụ
Loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong điều kiện hiếu khí xuống đến mức thấp nhất trước khi ra khỏi bể.
Tính toán
Chất lượng nước đầu vào:
- Công suất thiết kế Q = 300 m3/ngày đêm = 12,5 m3/h - Hàm lượng BOD5 vào bể Aerotank là 145 mg/l
Chất lượng nước đầu ra:
- BOD5 đầu ra = 22,8 mg/l - SS đầu ra = 114 mg/l
Thông số tính toán bể Aerotank:
- Thời gian lưu bùn trung bình trong bể θc= 8 ngày (θc= 5 - 15 ngày) - Hàm lượng bùn tuần hoàn Cu = 8000 mg/l
- Tỉ số F/M: 0,2 - 0,6 kg/kg.ngày.
- Hàm lượng bùn hoạt tính trong bể Aerotank MLVSS: X= 3000 mg/l (2500-4000 mg/l)
- Hệ số sản lượng Y= 0,6 mg bùn/mg BOD5 bị tiêu hủy, (Y thuộc khoảng 0,4-0,8) - Hệ số phân hủy nội bào Kd = 0,006/ngày.
- BOD5/BODL = 0,68. - MLVSS/MLSS = 0,8
- Tỉ số BOD5: N: P = 100:5:1
Hiệu quả xử lý BOD5 của bể Aerotank
- Tính nồng độ BOD5 hòa tan trong nước đầu ra:
BOD5 (ra) = BOD5 (hoà tan trong nước đầu ra)+BOD5 (của chất lơ lửng đầu ra)
- Nồng độ cặn hữu cơ có thể bị phân hủy:
a = 0,6 × 20 = 12 mg/l
- BODL của cặn lơ lửng dễ phân hủy sinh học của nước thải sau lắng 2:
BODL = 12 × 1,42 (mg O2 được tiêu thụ/mg tế bào bị oxy hóa) = 17,04 mg/l - BOD5 của cặn lơ lửng nước thải sau lắng II:
BOD5 = BODL x 0,68 = 17,04 × 0,68 = 11,58 mg/l - Lượng BOD5 hòa tan còn lại trong nước khi ra khỏi bể lắng:
17,04 = S + 11,58
S = 17,04 – 11,58 = 5,46 mg/l
Xác định hiệu quả xử lý E
- Hiệu quả xử lý theo BOD5 hòa tan:
E =S0− S
S0 . 100% =
(145 − 5,46)
145 . 100% = 96%
- Hiệu quả xử lý tính theo BOD5 tổng cộng: E = (S0− Sra) S0 . 100% = (145 − 20) 145 . 100% = 86% Kích thước bể Aerotank: - Thể tích bể: V =θc. Q. Y. (S0− S) X. (1 + kd. θc) = 8 × 300 × 0,6. (145 − 5,46) 3000. (1 + 0,06 × 8) = 45 m 3 Với:
V: thể tích bể, m3
Q: lưu lượng nước đầu vào, Q = 300 m3/ng đêm
Y: hệ số sản lượng bùn, Y = 0,6 (mgVSS/mgBOD)
X: nồng độ chất rắn lơ lửng bay hơi được duy trì trong bể, X = 3000 mg/l
S0: hàm lượng BOD5 đầu vào, S0 = 145 mg/l.
S: hàm lượng BOD5 hòa tan đầu ra sau lắng 2, S = 5,46 mg/l
kd: hệ số phân hủy nội bào, kd = 0,06/ngày
θc: thời gian lưu bùn, θc = 8 ngày - Thời gian lưu nước:
θ =V Q=
45
300 = 0,15 ngày = 3,6 h (3 ÷ 5h, trang 147/[5])
- Chọn:
H là chiều cao hữu ích của bể, chọn h = 3m, (từ 3 ÷ 6m, điều 7.123/[7])
Chọn chiều cao bảo vệ, hbv = 0,5m, H = 3,5m - Diện tích bể Aerotank: F = V H = 45 3,5= 12,8 (m 2) - Vậy thể tích thực bể xây dựng: V = L . B . H = 4 × 3 × 3,5 = 42 (m3).
Lượng bùn dư thải bỏ mỗi ngày
- Tính hệ số tạo bùn từ BOD5: Y0bs = Y 1+θc.Kd= 0,6 1+8.0,06= 0,405 (mg/mg) Với: Y: hệ số sản lượng
Kd: hệ số phân hủy nội bào
θc: thời gian lưu bùn.
- Lượng sinh khối sinh ra mỗi ngày tính theo MLVSS
Px = Yobs. Q. (S0− S) = 0,405 × 300 × (145 − 5,46). 10−3 = 17 (kg/ngày) - Lượng tăng sinh khối theo MLSS:
Px(ss) = Px
0,8= 17
0,8= 21 (kgSS/ngày)
- Lượng cặn dư cần thải bỏ mỗi ngày:
Pdư(VSS) = 14,16 × 0,8 = 11,3 ( kgVSS/ngày)
Lưu lượng bùn thải:
Giả sử hàm lượng bùn hoạt tính lắng ở đáy bể lắng có hàm lượng chất rắn 0,8% và khối lượng riêng là 1,008 kg/lít. Vậy lưu lượng bùn dư cần xử lý là:
Qb = 14,16
0,008 × 1,008= 1755 lít/ngày = 1,75 (m3/ngày)
Xác định tỷ số tuần hoàn:
- Phương trình cân bằng vật chất cho bể Aerotank: Q. X0+ Qth. Xth = (Q + Qth). X Với:
Q: lưu lượng nước thải.
Qth: lưu lượng bùn hoạt tính tuần hoàn.
X0: nồng độ VSS trong nước thải dẫn vào bể Aerotank, mg/l.
X: nồng độ VSS trong bể Aerotank, X = 3000mg/l.
Xth: Nồng độ VSS trong bùn tuần hoàn, Xth thuộc khoảng (8000 - 12000)mg/l, chọn Xth = 8000mg/l.
- Giả sử X0 rất nhỏ so với X và Xth, do đó ta có phương trình: QthXth= (Q + Qth )X - Chia cả 2 vế cho Q và đặt tỉ số Qth/Q = R. R = X Xr− X = 3000 8000 − 3000= 0,6
- Lưu lượng bùn tuần hoàn: Qth = R. Q = 0,6 × 300 = 296,4 m3
ngày= 0,0021 (m3/
s)
Kiểm tra tỉ trọng F/M và tải trọng hữu cơ:
- Tỉ số F/M: F M = S0 θ. X = 145 0,133 × 3000 = 0,36 (kg/ngày)
- Thỏa điều kiện F/M = (0,2 – 0,6) kg/kg.ngày.( trang 147/[5]) Với:
S0: hàm lượng BOD5đầu vào, S0 = 145 mg/l
θ: thời gian lưu nước, θ = 0,133 ngày.
X: hàm lượng bùn hoạt tính trong bể, X = 3000 mg/l. - Tốc độ sử dụng chất nền của 1 g bùn hoạt tính ρ = S0− S θ . X = 145 − 5,36 0,133 × 3000= 0,35 ( mg mg. ngày) - Tải trọng thể tích LBOD LBOD = S0.Q V.1000=145 × 300 45× 1000 = 1 (kgBOD5/m3. ngày) Với:
So: nồng độ BOD5 đầu vào, So = 145 mg/l.
Q: lưu lượng nước thải trung bình, Q = 300 m3/ngày.
V: thể tích của bể Aerotank, V = 45 m3.
Lượng oxy cần cung cấp
- Lượng oxy cần thiết trong quá trình sinh học bùn hoạt tính : OC0 =Q . (S0− S) 1000. f − 1,42. Px (VSS) = 300 × (145 − 5,46) 1000 × 0,68 − 1,42 × 21 = 31,74 (kgO2 ngày) Với:
Q: lưu lượng nước thải trung bình, Q = 300 m3/ngày
S0: hàm lượng BOD5 đầu vào, S0 = 145 mg/l
S: hàm lượng BOD5 đầu ra, S = 5,46 mg/l
f: hệ số chuyển đổi từ BOD5 sang COD hay, f trong khoảng (0,45 – 0,68), chọn f = 0,68
- Lượng oxy thực tế cần sử dụng cho bể: OCt = OC0. ( CS CS− CL) = 31,74. ( 9,8 9,8 − 2) = 40 ( kgO2 ngày) Với:
Cs: nồng độ oxy bão hòa của oxy trong nước ở nhiệt độ làm việc 300C, Cs = 9,8 mg/l.
CL : lượng oxy hòa tan cần duy trì trong bể, CL= 2 mg/l.
Lượng không khí lý thuyết cho quá trình:
Qkk =OCt OU . f =
40
21. 10−3. 1,5 = 2857 m3⁄ngày = 0,03 m3⁄s Với:
OCt: lượng oxy cần thiết, OCt = 40 kgO2/ngày
f: hệ số an toàn f = 1,5
OU = Ou x h = 7.3 = 21 gO2/m3: công suất hòa tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối. Chọn hệ thống phân phối bọt khí nhỏ, Ou = 7grO2/m3.m[5] Bể sâu 3,5m, độ sâu ngập nước h = 3m.
- Kiểm tra lượng khí cấp vào bể Aerotank:
C = Qkk Q = 2857 300 = 9,52 m3khí m3nước thải - Lượng khí cần để khử 1kg BOD5: q = Qkk Q. (So− S). 10−3 = 2857 300. (145 − 5,46). 10−3= 68 m 3khí kg BOD5
Tính toán máy thổi khí:
- Áp lực máy thổi khí (tính theo m cột nước):
Hct = hd + hc + hf+ H Với:
hd, hc: tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài ống dẫn và tổn thất cục bộ tại các điểm uốn, khúc quanh, hc + hd ≤ 0,4m.
hf: tổn thất qua thiết bị phân phối, hf ≤ 0,5m.
H: Chiều sâu hữu ích của bể, H = 3 m. → Áp lực cần thiết: Hct = 0,4 + 0,5 + 3 = 3,9 m - Áp lực không khí sẽ là: P = Hct 10,12 = 3,9 10,12 = 0,38 atm
N = G. R. T 29,7 . n. e. [( 𝑃2 𝑃1) 0,283 − 1] =0,039 × 8,314 × 303 29,7 × 0,283 × 0,8 [( 1,38 1 ) 0,283 − 1] = 1,39 kW = 1,9 Hp Với:
G: khối lượng của dòng khí, kg/s.
G = Qkk × 1,29 = 0,03 × 1,29 = 0,039 kg/s
Qkk: lưu lượng khí cần cho khuấy trộn, Qkk = 0,03 m3/s.
R: hằng số lý tưởng, R = 8,314 KJ/Kmol.K0.
T: nhiệt độ của không khí đầu vào, t = 300C => T = 30 + 273 = 3030K.
P1: áp suất tuyệt đối không khí đầu vào, P1 = 1 atm.
P2: áp suất tuyệt đối không khí đầu ra, P = Pm + 1 = 0,38 + 1 = 1,38atm.
n =k−1
k =1,395−1
1,395 = 0,283 .Với: k: hệ số với không khí, k = 1,395
e: hiệu suất của máy thổi khí, chọn e = 0,8.
- Công suất thực của máy thổi khí bằng 1,2 lần công suất tính toán:
N′ = 1,2 × N = 1,2 . 1,39 = 1,688 kW = 2,3 Hp
Chọn 2 máy thổi khí với công suất 2,4Hp 1 máy hoạt động, 1 máy dự phòng.
Hệ thống phân phối khí:
- Chọn đĩa phân phối khí SSI, có đường kính là 270 mm,diện tích bề mặt F = 0,0375m2, cường độ thổi khí 150 l/phút.đĩa.
- Số đĩa phân phối trong bể
N = N ′. 1000 150 = 2,4 × 1000 150 = 16 (đĩa) → Chọn N = 16 đĩa
- Từ ống chính chia thành 4 ống nhánh, mỗi ống nhánh có 4 đĩa phân phối khí - Theo chiều dài:
Khoảng cách giữa 2 đĩa phân phối khí ở ngoài cùng cách tường 0,8m
Khoảng cách giữa các đĩa phân phối: ld =4 − (0,8.2)
3 = 0,8 m
- Theo chiều rộng:
bd =3 − (0,6.2) 3 = 0,6m Tính toán đường ống dẫn khí - Đường kính ống dẫn khí chính: Dc = √4. 𝑄𝑘𝑘 π. vc = √ 4 × 0,03 π. 12 = 0,056 m Với:
Q: lưu lượng không khí cần cấp, Qkk = 0,03 m3/s.
Vc:vận tốc khí trong ống chính, chọn vc = 12m/s.
→ Chọn đường ống dẫn khí chính có đường ống Dc = 65mm, chất liệu inox. - Lưu lượng khí qua mỗi nhánh:
q =Qkk n = 0,03 4 = 0,0075 m 3/s - Đường kính ống nhánh: Dn = √4. q π. vn= √ 4.0,0075 π. 12 = 0,028m. Với:
q: lưu lượng không khí cần cấp trong 1 ống nhánh, q = 0,0075 m3/s
vn: vận tốc khí trong ống chính, chọn vn = 12 m/s
→ Chọn ống có đường kính D = 32 mm làm ống dẫn khí nhánh.
Đường ống dẫn:
- Đường ống dẫn nước tuần hoàn về bể Anoxic :
D = √ 4. Qth
π. vth .24.3600 = √
4.300
π. 1,2.24.3600 = 0,06 m
Với :
Vth : vận tốc nước thải trong ống dẫn, v = 0,7 – 1,5m/s.Chọn vth = 1,2 m/s
Qth : Lưu lượng bùn tuần hoàn: Qth = 100%. Q = 100%.300 = 300 (m3/ngày.đêm)
- Đường ống dẫn nước ra bể lắng 2: 𝐷𝑙 = √4. 𝑄𝑠 𝑡𝑏 π. v = √ 4.0,0035 3,14.1,2 = 0,06m Với:
Q: lưu lượng nước thải trung bình, Q = 12,5 m3/h = 0,0035 m3/s.
v: vận tốc nước chảy trong ống, chọn v = 1,2 m/s. → Chọn ống dẫn bằng nhựa uPVC có Dl = 60 mm
Lượng chất dinh dưỡng cần bổ sung vào bể Aerotank
- Tỉ lệ BOD5: N: P = 100: 5: 1
Nitơ:
BOD5 đầu vào bể Aerotank là: 138,1 mg/l, áp dụng quy tắc tam suất ta tính được lượng N cần thiết cho bể Aerotank:
BOD5: N = 100: 5 => N =BOD5
20 =
145 − 5,46
20 = 7 mg/l
Lượng nitơ đầu vào bể là 7 mg/l, vậy không cần bổ sung thêm N Lượng nitơ còn lại sau bể Aerotank là: Ncòn lại = 7 – 6,15 = 0,85 mg/l
Photpho:
BOD5 đầu vào bể Aerotank = 145 mg/l, áp dụng quy tắc tam suất ta tính được lượng P cần thiết cho bể Aerotank:
BOD5: P = 100: 1 => P =BOD5
100 =
145 − 5,46
100 = 1,4 mg/l
Lượng P đầu vào bể là 6 mg/l , Vậy nồng độ photpho ở đây đã đủ để bể Aerotank hoạt động bình thường.
Lượng P còn lại sau bể Aerotank là: Pcòn lại = 6 – 1,4= 4,6 mg/l
Bảng 4.12 Thông số thiết kế bể Aerotank
STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Kích thước bể
STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Rộng B 3 m Cao H 3,5 m Số bể 1 2 Máy thổi khí Lượng khí cần cung cấp Qk 0,03 m3/s
Công suất máy N 2,5 Hp
Đĩa thổi khí 16 cái
Số lượng 2 máy
3 Thiết bị phân phối khí
Số lượng ống nhánh 4 ống
Đường kính ống chính D 65 mm
Đường kính ống phụ D 32 mm
4.3.3 Bể lắng đứng
Nhiệm vụ
Bể lắng đứng có nhiệm vụ lắng các bông bùn từ bể Aerotank chuyển tới. Một phần bùn lắng sẽ được tuần hoàn trở lại bể Anoxic , phần bùn dư sẽ được xả ra ngoài. Nước sau khi lắng bùn sẽ được đưa sang bể khử trùng trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.
Tính toán
Kích thước bể
- Chọn bể lắng là bể lắng đứng, có dạng hình vuông, nước thải vào từ tâm và thu nước theo máng răng cưa.