Bể bùn hoạt tính từng mẻ SBR

CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH HAI PHƯƠNG ÁN

4.2 Tính tốn các cơng trình đơn vị phương á n2

4.2.2 Bể bùn hoạt tính từng mẻ SBR

Nhiệm vụ:

Hệ thống SBR (Sequency Batch Reactor) là hệ thống dùng để xử lý nước thải sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao, xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cặn. Hệ thống gồm 5 pha diễn ra liên tục và lần lượt theo thứ tự: Fill (Làm đầy), React (Pha phản ứng, thổi khí), Settle (lắng), Draw (rút nước), Idling (ngưng).

Hàm lượng BOD = 237,5 mg/l

Hàm lượng chất hữu cơ bay hơi trong cặn lơ lửng 131,5 × 0,75 = 98,625 mg/l Nhiệt độ trung bình nước thải 200C

Thời gian lưu nước trong bể 𝜃 = 6 – 7,5h, chọn 𝜃 = 6h. (Nguồn: Mục 8.4, Bài giảng

mơn Q trình sinh học trong KTMT, PGS.TS Lê Hồng Nghiêm)

Lượng bùn hoạt tính trong nước thải đầu vào của bể: X0 = 0 mg/l. Thời gian lưu bùn (tuổi của bùn) 𝜃𝑐 = 8 – 18 ngày, chọn SRT = 10 ngày

Tỷ số F/M = 0,05 - 0,3 ngày-1

Nồng độ chất lơ lửng dễ bay hơi trong hỗn hợp bùn hoạt tính MLVSS, Chọn Xv = 3000 mg/l. (Xv =2500 - 5000 mg/l.)

Tỷ số MLVSS : MLSS = 0,8 Hệ số sản lượng Y = 0,6 mg/mg

Hệ số hô hấp nội sinh: Kd = 0,02 – 0,1 ngày-1 , Chọn Kd = 0,06 ngày-1

Độ tro của cặn z = 0,2

Chỉ số thể tích bùn: SVI = 100 -150 mg/l, chọn SVI = 120 mg/l

Tỉ lệ BOD5 : BOD20 = 0,68 Các thành phần hữu cơ khác như Nitơ, Phospho có tỷ lệ phù hợp để xử lý sinh học (BOD5 : N : P = 150 : 5 : 1)

Nồng độ cặn lắng ở đáy bể lắng sinh học cũng là nồng độ cặn tuần hoàn. Xs = 8000 mg/l.

Chất lơ lửng trong nước thải đầu ra chứa 20 mg/l cặn sinh học và 60% chất có khả năng phân hủy sinh học.

 Số lượng bể và chu kì phân đoạn thời gian làm việc

Chu kì phân đoạn thời gian làm việc của bể như sau: Thời gian làm đầy tlđ = 3h

Thời gian phản ứng tpư = 1,5h Thời gian lắng tl = 1h

Thời gian rút nước tr n = 0,5h

Xả cặn dư trong thời gian lắng hoặc thời gian tháo nước trong. Tổng thời gian một chu kì hoạt động

Tc = tlđ + tp.ư + tl + tr.n = 3 + 1,5 + 1 + 0,5 = 6h Chọn 2 bể SBR.

𝑛 = 24

Tc =

24 6 = 4

Tổng số chu kì làm đầy trong 1 ngày N = 2 × 4 = 8 chu kì/ngày

Thể tích bể làm đầy trong 1 ngày:

𝑉𝑙đ =𝑄

𝑁 =

300

8 = 37,5𝑚

3

Hàm lượng chất lơ lửng trong thể tích bùn lắng

𝑋𝑆 =1000 ( 𝑚𝑔 𝑙 )×1000 (𝑚𝑙𝑙 ) 𝑆𝑉𝐼 (𝑚𝑙𝑔) =1000×1000 120 = 8333,33 mg/l Trong đó:

SVI: Chỉ số bùn hoạt tính, SVI = 120 mg/g

103mg/g; 103ml/l: Hệ số biến đổi kết quả đầu ra là g/m3

Xét sự cân bằng khối lượng VTX = VSXS

MLSS = MLVSS/0,8 = 3000/0,8 = 3750 mgSS/l → 𝑉𝑆 𝑉𝑇 = 𝑋 𝑋𝑆= 3000 8333,33= 0,36

Cần cung cấp thêm 20% chất lỏng phía trên để bùn khơng bị rút theo khi rút nước: 0,36 × 1,2 = 0,432 → 𝑉𝑙đ 𝑉𝑇 = 1 − 0,432 = 0,568 Thể tích bể SBR 𝑉𝑇 = 𝑉𝑙đ 0,568 = 37,5 0,568 = 66 𝑚 3

Chọn chiều sâu hoạt động bể SBR thường dao động từ 5 – 8m, chọn H = 5 m bao gồm:

Chiều cao lớp nước: hn = 50%H = 50% × 5 = 2,5m Chiều cao phần chứa bùn: hb = 42%H = 42% × 5 = 2,1 m

Chiều cao an toàn của lớp bùn: han toàn = 8% H = 8% × 5 = 0,4m Chiều cao bảo vệ chọn hbv = 0,5 m

𝐹 = 𝑉𝑇 𝐻 × n =

66

5 × 2 = 6,6 𝑚

2

Vậy thể tích thực tế của mỗi bể SBR là:

Vtt = L x B x H = 2,5 m x 2,5 m x 5,5m = 34,4 m3

Thể tích phần chứa bùn của mỗi bể là: Vb = 0,36 × 𝑉𝑇

2 = 0,36 × 66

2 = 11,88 m

3

Thời gian lưu nước tổng cộng của 2 bể trong suốt q trình:

τ = n × 𝑉𝑇

𝑄 =

2 × 66

300 = 0,44 𝑛𝑔à𝑦 = 10,56 𝑔𝑖ờ (10 − 50𝑔𝑖ờ)

 Tính tốn lượng bùn dư thải ra mỗi ngày

Hệ số sản lượng quan sát tính theo cơng thức sau:

𝑌𝑜𝑏𝑠 = 𝑌

1+𝐾𝑑×𝜃𝑐 = 0,6

1+0,06×10= 0,375 (CT 5.24/67/[1])

Lượng sinh khối gia tăng mỗi ngày tính theo MLVSS:

𝑃𝑋 =𝑌𝑜𝑏𝑠× 𝑄𝑡𝑏 𝑛𝑔đ × (𝑆𝑜− 𝑆) 1000 = 0,375 × 300 × (237,5 − 23,75) 1000 = 24,05 ( 𝑘𝑔 𝑛𝑔à𝑦)

Lượng tăng sinh khối tổng cộng tính theo MLSS: Ta có: MLVSS = 0,8MLSS

 𝑀𝑆𝑆 = 𝑃𝑋(𝑆𝑆) =𝑃𝑋

0,8= 24,05

0,8 = 30,06 (𝑘𝑔𝑆𝑆

𝑛𝑔à𝑦)

Lượng bùn thải bỏ mỗi ngày = lượng tăng sinh khối tổng cộng tính theo MLSS – hàm lượng chất lơ lửng còn lại trong dòng ra:

Gd = 𝑃𝑋(𝑆𝑆) − Pra = 30,06 – 7,125 = 23,5 (kgSS/ngày)

Trong đó:

Pra = (Q × S )

1000 = (300 × 23,75 )

1000 = 7,125 (kgSS/ngày)

S: là hàm lượng chất lơ lửng trong nước thải sau khi qua bể lắng sinh học, (mg/l). Lượng bùn dư có khả năng phân hủy sinh học cần xử lý:

Mdư(vss) = Mdư × 0,8 = 23,5× 0,8 = 18,8 (kgVSS/ngày)

Giả sử bùn dư được xả bỏ (dẫn đến bể phân hủy bùn) từ đường ống dẫn bùn tuần hoàn, Qra = Q và hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) trong bùn ở đầu ra chiếm 80% hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS).

Khi đó, lưu lượng bùn dư thải bỏ được tính tốn xuất phát từ cơng thức:

𝜃𝑐 = 𝑊×𝑋

𝑋×𝑄𝑏+𝑄𝑟𝑎×𝑋𝑟𝑎 (CT 5.15/68/[1]) Trong đó:

+ VT: thể tích 2 bể SBR, VT = 66 m3

+ Xv: nồng độ chất rắn bay hơi trong bể SBR, Xv = 3000 mg/l + 𝜃𝑐 : thời gian lưu bùn, 𝜃𝑐 = 10 ngày

+ 𝑄𝑟𝑎: lưu lượng nước đưa ra ngoài, xem như lượng nước thất thốt do tuần hồn bùn là không đáng kể, Qra= Q = 300 m3/ngày đêm

+ 𝑋𝑟𝑎: nồng độ chất rắn bay hơi ở đầu của hệ thống, 𝑋𝑟𝑎= 0,8 × 19,73 = 15,8 mg/l Vậy lưu lượng bùn thải là:

𝑄𝑏 =𝑉𝑇 × 𝑋 − 𝑄𝑟𝑎× 𝑋𝑟𝑎× 𝜃𝑐 𝑋 × 𝜃𝑐 = 66 × 3000 − 300 × 15,8 × 10 3000 × 10 = 5,02 ( 𝑚3 𝑛𝑔đ))

Thể tích cặn chiếm chỗ sau 1 ngày:

Vb = Gd

1,02 × XS=

23,5 1,02 ×8000100

= 0,3 𝑚3/𝑛𝑔à𝑦

Chiều cao cặn lắng trong bể:

hb =Vb

S =

0,3

2 × 23,75= 0,01 𝑚

Thể tích bùn xả phải một bể để lại 20%

Vb = 0,8 × 𝑄𝑏 = 0,8 × 5,02 = 4,016 𝑚3

 Xác định lượng khơng khí cần thiết cho một đơn nguyên:

Lượng oxy cần thiết cung cấp cho mỗi bể theo điều kiện cần để làm sạch BOD, oxy hóa amoni NH4+ thành NO3-, khử NO3-

𝑂𝐶0 =Qngày đêm

tb × (S0− S)

f × 1000 − 1,42 × PX

Lượng oxy cần thiết trong điều kiện thực: 𝑂𝐶𝑡 = 𝑂𝐶𝑜 × 𝐶𝑆20 𝛽 × (𝐶𝑠ℎ − 𝐶𝐿)× 1 1,024𝑇−20× 1 ∝ 𝑂𝐶𝑡 = 51,6 × 9,08 1 × (6,65 − 1,5)× 1 1,02430−20× 1 0,6= 119,6 Trong đó:

+ CS20: nồng độ bảo hòa oxy trong nước sạch ở nhiệt độ 200C, CS25 = 9,08 mg/l + Csh: nồng độ bão hòa oxy trong nước ở nhiệt độ 300C, Csh = 6,65mg/l

+ β: hệ số hiệu chỉnh lực căng bề mặt theo hầm lượng muối đối với nước thải thường lấy bằng 1

+ α: hệ số lượng oxy ngấm vào nuóc thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt động bề mặt loại thiết bị làm thống, hình dạng và kích thước bể có giá trị từ 0,6 – 0,96 lấy bằng 0,6.

+ Cl: lượng oxy hịa tan cần duy trì trong bể, khi xử lý nước thải lấy Cl = 1,5 – 2 mg/l, chọn Cl = 1,5 mg/l

Lượng oxy cần thiết cung cấp vào bể:

𝑄𝑘𝑘 =𝑂𝐶𝑡 𝑂𝑈 × 𝑓 ′ = 119,6 35 𝑔𝑂2/𝑚3× 10−3× 2 = 6834,3 𝑚3⁄𝑛𝑔à𝑦 = 284,8 𝑚3⁄ℎ = 4 𝑚3⁄𝑝ℎú𝑡 = 0,079𝑚3⁄𝑠 Trong đó:  f’: hệ số an tồn, chọn f’ = 2

 OCt: lượng oxy thực tế cần sử dụng cho bể, OCt = 222,12 kgO2/ngày

 OU: cơng suất hịa tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối: OU = Ou × H = 7 × 5 = 35 gO2/m3

 Ou là cơng suất hịa tan nước thải của thiết bị phân phối, gO2/m3 khơng khí.

 h: chiều sâu ngập nước của thiết bị phân phối. Chọn độ sâu của thiết bị phân phối gần sát đáy và chiều sâu của giá đỡ khơng đáng kể.

 Tính tốn máy thổi khí

Áp lực cần thiết cho hệ thống khí nén được xác định theo công thức:

𝐻𝑐𝑡 = 𝐻𝑑 + 𝐻𝑐 + 𝐻𝑓 + 𝐻 (CT 6-19/107/[1])

Trong đó:

 hd : Tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài ống dẫn (m);

 hf : Tổn thất qua thiết bị phân phối (m). hf ≤ 0,5m. Chọn hf = 0,5m;

 H : Độ sâu ngập nước của thiết bị phân phối khí, H = 5m Tổng hd + hc ≤ 0,4m, chọn hd + hc = 0,4m. Vậy áp lực cần thiết là: 𝐻𝑐𝑡 = 0,4 + 0,5 + 5 = 5,9 (𝑚) Áp lực khơng khí sẽ là: 𝑃 =10,33 + 𝐻𝑐𝑡 10,33 = 10,33 + 5,9 10,33 = 1,57 (𝑎𝑡𝑚)

Cơng suất máy thổi khí được tính theo cơng thức:

𝑁𝑘ℎí =34400 × (𝑃 0,29− 1) × 𝑄𝑘𝑘 102 × 𝜂 = 34400 × (1,570,29− 1) × 0,079 102 × 0,8 = 4,65 𝐾𝑊 = 6,2𝐻𝑝 Trong đó:

 Qkk : Lưu lượng khơng khí, Qkk = 0,079 m3/s;

 η : Hiệu suất máy thổi khí, η = 0,7 – 0,9. Chọn η = 0,8; Cơng suất tính tốn: Ntt = 𝛽 × 𝑁 = 1,2 × 4,65 = 5,58 KW = 7,5 Hp Trong đó: 𝛽 là hệ số dự trữ chọn bằng 1,2

 N < 1→ 𝛽 = 1,5 – 2,2

 N > 1 → 𝛽 = 1,2 – 1,5

 N = 5 - 50 → 𝛽 = 1,1

Chọn 02 máy thổi khí (02 máy hoạt động luân phiên nhau) Heywel, model RSS-65 với cột áp: 6m; lưu lượng: 5,07m3/min; cơng suất: 7,5 KW; điện áp 380V/50Hz.

 Tính tốn thiết bị phân phới khí

Tra catalog đĩa thổi khí tinh SSI D270 - USA chọn đĩa có thơng số kỹ thuật: Lưu lượng đĩa:0 -12 m3/h, chọn 8 m3/h = 2,2 l/s

Đường kính đĩa: 270 mm (9 inch) Loại: Bọt mịn

Độ sâu ngập nước của đĩa phân phối khí lấy bằng chiều cao hữu ích của bể H = 5m (đặt sát đáy bể). Diện tích bề mặt đĩa: 𝐹 =𝜋 × 𝐷 2 4 = 𝜋 × 0,272 4 = 0,057 (𝑚 2)

Số đĩa phân phối trong bể là:

𝑛 =𝑄𝑘𝑘 𝑄đĩ𝑎 =

0,079 × 1000

2,2 = 35,9

 Chọn số đĩa phân phối trong mỗi bể là 36 đĩa.

Cách phân phới đĩa thổi khí trong bể SBR

Khí từ máy thổi khí được dẫn qua ống chính đi vào bể SBR (đặt dọc theo chiều cao bể). Mỗi đường ống dẫn khí chính vào mỗi bể SBR được chia làm 4 đường ống phụ bố trí dọc theo chiều dài đáy bể cách nhau 0,5m phân phối khí cho các đĩa đặt tại đáy mỗi bể SBR

Tổng số đĩa ở cả 2 bể SBR là 72 đĩa. Mỗi bể SBR bố trí 36 đĩa thổi khí, chia làm 4 hàng, mỗi hàng 6 đĩa.

Trụ đỡ được đặt xen kẽ, cách nhau 2 đĩa thổi khí thì có 1 trụ đỡ.

 Kích thước đường ớng dẫn khí Tính đường ớng dẫn khí chính

Lưu lượng khí trong ống chính là:

Qkk = 0,079 𝑚3⁄𝑠

Vận tốc khí đi trong ống dẫn khí được duy trì trong khoảng 10 – 40 m/s. (Mục

6.39/32/[10]). Chọn vkhí = 15 m/s.

Đường kính ống phân phối chính:

𝐷 = √4 × 𝑄𝑘𝑘 𝑣𝑘ℎí× 𝜋 = √

4 × 0,079

15 × 𝜋 = 0,08 𝑚

Chọn ống dẫn khí chính là ống PPR Tiền Phong có đường kính trong D = 79,9 mm, dày 10,1 mm; DN = 90mm.

Kiểm tra lại vận tốc:

𝑣𝑘ℎí =4 × 𝑄𝑘𝑘

𝜋 × 𝐷𝑐2 = 4 × 0,079

𝜋 × 0,07992 = 15,8 (𝑚 𝑠)

Tính đường ớng dẫn khí nhánh:

Với diện tích đáy mỗi bể là 2,5m x 2,5 m, ống phân phối chính từ máy thổi khí đặt dọc theo chiều dài bể, các ống nhánh đặt trên giá đỡ cách đáy 20cm.

Chọn số ống nhánh dẫn khí là Nnh = 4. Số lượng đĩa trên 1 nhánh: 𝑁đĩ𝑎 = 36

4 = 9

Trụ đỡ đặt giữa 2 đĩa kế tiếp nhau trên 1 nhánh ống, kích thước trụ đỡ: B x Lx H = 0,15 m x 0,15m x 0,15m.

Lưu lượng khí qua mỗi ống nhánh của mỗi bể:

𝑞𝑘𝑘𝑛 = 𝑄𝑘𝑘 2 𝑁𝑛ℎ = 0,04 4 = 0,01 ( 𝑚3 𝑠 ) Chọn vận tốc khí trong ống nhánh là vkhí = 15 m/s Đường kính ống dẫn khí nhánh: 𝐷𝑛 = √4 × 𝑞𝑘𝑘 𝑛 𝜋 × 𝑣𝑘ℎí = √ 4 × 0,01 𝜋 × 15 = 0,03(𝑚)

Chọn ống dẫn khí nhánh là ống PPR Tiền Phong có đường kính trong D = 29 mm; dày 3 mm; DN = 32 mm ống nhựa Tiền Phong.

Kiểm tra lại vận tốc ống nhánh

𝑣𝑘ℎí=4 × 𝑞𝑘𝑘

𝑛

𝜋 × 𝐷𝑛2 = 4 × 0,007

𝜋 × 0,0292 = 10,6 (𝑚 𝑠)

 vkhí nằm trong khoảng cho phép (10 – 15 m/s)

 Tính tốn máy khuấy cho mỗi bể SBR: Tính tốn cơ khí cánh khuấy trộn chìm:

Chọn máy khuấy chìm tuabin 3 cánh đặt nằm ngang so với mặt bằng của bể anoxic.

 Đường kính cánh khuấy: Chọn Dk =1 m (𝐷𝑘 ≤1

2𝐵).  Máy khuấy đặt cách đáy bể: h=1 m (h = 𝐷𝑘).

 Chiều rộng cánh khuấy: Bk = 0,2 m (𝐵𝑘 = 1

5𝐷𝑘).

Năng lượng cần thiết để cánh khuấy chuyển động trong nước: 𝑃 = 𝐾 ×1 𝜌× 𝑛 3× 𝐷𝑘5 = 1,65 × 1 1000× ( 600 60) 3× 15 = 1,65 𝑘𝑊. Trong đó

 P là năng lượng cần thiết, kW.

 ρ là khối lượng riêng của nước, ρ = 1000 kg/m3.

 Dk là đường kính cánh khuấy, Dk = 1 m.

 n = 600 vịng/phút, chọn kiểu tuabin có tốc độ quay trên trục n = 500 – 1500 vịng/phút), cánh khuấy làm bẳng thép khơng gỉ.

 K = 1,65 là hệ số sức cản của nước, phụ thuộc vào kiểu cánh khuấy, lấy theo số liệu của Rushton.

Chọn hiệu suất máy khuấy: 𝜂 = 0,8.

 Công suất của máy khuấy: 𝑁 =1,65

0,8 = 2,06 𝑘𝑊 ≈ 2,8 𝐻𝑝.

Chọn 2 máy khuấy chìm Heywel với Model: MIXER-4P EVERGUSH EFM-30T, công suất: 3 Hp (2,2Kw), lưu lượng 1,8 – 6,8 m3/phút; sản xuất: Taiwan.

 Tính tốn đường ớng, bơm bùn ra khỏi bể SBR Đường ống dẫn nước ra khỏi bể SBR

Vận tốc dịng chảy trong ống có áp là v = 0,77 – 1,5 m/s.(Mục 3.24/11/[10]) Chọn v = 1 m/s Đường kính ống dẫn nước 𝐷 = √4 × 𝑄𝑡𝑏𝑠 𝑣 × 𝜋 = √ 4 × 0,003 1 × 𝜋 = 0,06𝑚

Chọn ống dẫn nước là ống uPVC Tiền Phong có đường kính trong D = 57,1 mm, dày 2,9mm, DN = 60 mm.

Kiểm tra lại vận tốc trong ống :

𝑣𝑘ℎí =4 × 𝑄𝑡𝑏𝑠

𝜋 × 𝐷𝑛2 = 4 × 0,00

𝜋 × 0,05712 = 1,17 (𝑚 𝑠)

vkhí nằm trong khoảng cho phép (0,7 – 1,5 m/s)

Lưu lượng bùn cần thải bỏ tại một bể SBR trong Qbùn = 5,02 m3/ngày = 5,8.10-5 m3/s. Lượng bùn này được chia đều chu kỳ hoạt động của bể SBR

Cơng suất của bơm:

𝑁𝑏 =𝑄 × 𝜌 × 𝑔 × 𝐻 1000 × 𝜂 = 5,8. 10−5× 1000 × 9,81 × 6 1000 × 0,8 = 0,0043 𝐾𝑊 = 0,006 Hp Trong đó:

 Q: Lưu lượng nước thải lớn nhất theo giây, m3/s

 H: chiều cao cột áp toàn phần, H = 6 mH20

 𝜌: khối lượng riêng của nước, kg/m3  η: Hiệu suất của bơm, %, chọn η = 80%

Cơng suất tính tốn: Ntt = 𝛽 × 𝑁 = 1,5 × 0,0043 = 0,007 KW = 0,009 Hp Trong đó: 𝛽 là hệ số dự trữ chọn bằng 1,5

 N < 1→ 𝛽 = 1,5 – 2,2

 N > 1 → 𝛽 = 1,2 – 1,5

 N = 5 - 50 → 𝛽 = 1,1

Chọn 2 bơm bùn ly tâm trục ngang Ebara (02 máy hoạt động luân phiên nhau) với: + Model: 2hp 3D 32-160/1.5

+ Công suất: 1,5KW/380V/50Hz.

Từ Model bơm, ta chọn ống uPVC với đường kính họng hút - xả là: 60 – 42mm. Bảng tóm tắt các thơng số thiết kế bể SBR:

Bảng 4.16 Tóm tắt các thơng số thiết kế bể SBR

STT Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị

1 Thời gian lưu nước θ h 10,56

2

Chiều dài Chiều rộng

Chiều cao hữu ích H mm 5000

Chiều cao xây dựng Hxd mm 5500

3 Số đĩa phân phối n đĩa 72

4 Đường kính ống dẫn khí chính DNc mm 90

5 Đường kính ống dẫn khí nhánh DNn mm 32

6 Đường kính ống dẫn nước thải DNv mm 60

7 Thể tích xây dựng của bể Wt m3 66

8 Công suất của máy thổi khí Nkhí KW 7,5

9 Cơng suất của máy khuấy Nkhuấy KW 2,2

10 Công suất bơm hồi lưu Nb KW 1,5