Thời gian trộn t (s) Gradient G (s-1)
0,5 (trộn đường ống) 3500
10 – 20 1000
20 – 30 900
30 – 40 800
˃ 40 700
(Nguồn: Cấp nước tập 2, Trịnh Xuân Lai) Theo bảng chọn G = 700 (s-1)
𝑃 = 7002 × 3,92 × 0,9 × 10−3 = 1728,72 𝐽/𝑠 = 1,729 𝑘𝑊
Hiệu suất động cơ chỉ đạt H = 0,8 nên công suất động cơ:
𝑃′= 𝑃 0,8 =
1,729
0,8 = 2,16 𝑘𝑊
Xác định số vòng quay của máy khuấy:
𝑛 = ( 𝑃
𝐾 × 𝜌 × 𝐷5)13
Trong đó:
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
K: hệ số sức cản của nước
Chọn cánh khuấy 4 cánh phẳng đầu vng, ta có K = 4,2
𝜌: khối lượng riêng của nước, kg/m3
D: đường kính cánh khuấy, D = 0,7 m 𝑛 = ( 1728,72 4,2 × 1000 × 0,75)13 = 1,35𝑣ị𝑛𝑔 𝑠 = 81 𝑣ị𝑛𝑔 𝑝ℎú𝑡
Kiểm tra hệ số Reynold:
𝑁𝑅 = 𝐷
2× 𝑛 × 𝑝 𝜇 =
0,72× 1,35 × 103
0,9 × 10−3 = 735000 > 10.000
=> Đường kính máy khuấy và số vịng quay đã đạt chế độ chảy rối. Tính ống dẫn dung dịch qua bể tạo bông
Chọn vận tốc nước thải chảy trong ống v = 0,7 m/s Lưu lượng nước thải: Q = 16,67 m3/h
Đường kính ống là:
𝐷 = √ 4 × 𝑄
3600 × 𝑣 × 𝜋 = √
4 × 16,67
3600 × 0,7 × 3,14= 0,9 𝑚
Chọn ống nhựa uPVC Ø90 làm ống dẫn dung dịch qua bể tạo bơng.
4.2.2.2. Tính tốn hóa chất chọn bơm định lượng
Hóa chất điều chỉnh pH
Chọn dung dịch NaOH 10% và H2SO4 98% làm hóa chất điều chỉnh pH. Liều lượng hóa chất châm vào được điều chỉnh bởi hệ thống điều chỉnh pH tự động. Đi kèm với hệ thống này là 1 bơm định lượng hóa chất chỉnh pH tự động Blue – White series C – 654P (6.380.000 VNĐ), Q = 11 L/H, H = 4 m, N = 45W, 1 thùng đựng hóa chất 500L.
PAC
Lưu lượng PAC cần dùng:
𝑄 =𝑎 × 𝑄𝑡𝑏 ℎ × 100 𝑏 × 1000 = 250 × 16,67 × 100 10 × 1000 = 41,675 𝐿/ℎ Trong đó:
a: Liều lượng phèn cho 1 m3 nước thải, a = 250 mg/l
b: Nồng độ dung dịch phèn, b = 10%
Q: Lưu lượng nước thải trung bình giờ, Qtb = 16,67 m3/h
Chọn 1 bơm định lượng hóa chất nhãn hiệu Blue – White seriex C6250 – P lưu lượng 55 L/h, H = 4m, N = 45kW. (6.670.000 VNĐ)
Chọn thùng nhựa bằng Composite có dung tích 500 L để pha trộn PAC, thiết bị khuấy trộn bằng motor khuấy 4 cánh phẳng với công suất 0,75 kW, số vòng quay là 175 vòng/phút.
Polymer
Lưu lượng Polymer cần dùng:
𝑄 =𝑎 × 𝑄𝑡𝑏 ℎ × 100 𝑏 × 1000 = 0,125 × 16,67 × 100 0,01 × 1000 = 20,83 𝐿/ℎ Trong đó:
a: Liều lượng phèn cho 1 m3 nước thải, a = 0,125 mg/l
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
Q: Lưu lượng nước thải trung bình giờ, Qtb = 16,67 m3/h
Chọn 1 bơm định lượng hóa chất nhãn hiệu Blue – White seriex C6125 – P lưu lượng 30 L/h, H = 4m, N = 45kW. (6.653.000 VNĐ)
Chọn thùng nhựa bằng Composite có dung tích 500 L để pha trộn PAC, thiết bị khuấy trộn bằng motor khuấy 4 cánh phẳng với công suất 0,75 kW, số vòng quay là 175 vòng/phút.
4.2.2.3. Bể keo tụ tạo bông
Nước sau khi trộn đều phèn và điều chỉnh pH thích hợp dẫn vào bể cho thêm Polymer để hồn thành q trình keo bơng. Cánh khuấy sử dụng để khuấy chậm nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho q trình tiếp xúc và kết dính giữa các bơng đã keo tụ hình thành các bơng cặn lớn dễ lắng Tính tốn kích thước bể Thể tích hữu ích của bể 𝑉 = 𝑄 × 𝑡 = 16,67 ×30 60= 8,335 𝑚 3 Chọn V = 9 m3 Trong đó:
Q: lưu lượng nước thải trung bình giờ, (m3/h)
t: thời gian lưu nước trong bể, chọn t = 30 phút ( t = 20 – 30 phút) (Điều 7.157/[16])
Chọn chiều cao của bể phản ứng h = 1,7 m Với hbv = 0,3 m => H = 1,7 + ,03 = 2 m Diện tích bể keo tụ 𝐹 = 𝑉 𝐻 = 9 2 = 4,5 𝑚 2
Vậy kích thước xây dựng bể: B × L × H = 1,5m x 3m x 2m = 9 m3
Theo chiều dài của bể ta chia làm 2 buồng bằng 1 vách ngăn hướng dòng dày 100 mm theo phương thẳng đứng. Ngăn có chiều rộng 1,5 m và cao 2 m.
Tiết diện ngang của ngăn phản ứng :
𝑓 = 𝑏 × ℎ = 1,5 × 2 = 3𝑚2 Chiều dài bể: 𝐿 =𝑊 𝑓 = 9 3≈ 3𝑚
Chiều dài mỗi buồng: l = 1,5 m
Tổng chiều dài bể ứng với 2 vách ngăn 100 mm và 1 ngăn thu nước 600 mm:
𝐿𝑡𝑐 = 3 + 2 × 0,1 + 0,6 = 3,8 𝑚
Thể tích thực của bể tạo bơng:
𝑊𝑡= 3,8 × 1,5 × 2 = 11,4 𝑚3
Cấu tạo guồng khuấy gồm trục quay, 4 cánh khuấy và 8 bản cánh đặt đối xứng qua trục, toàn bộ đặt theo phương thẳng đứng.
Chọn chiều dài bản cánh là: 1m. Chiều rộng bản cánh: 0,25m
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
Cánh khuấy đặt ở khoảng cách tính từ mép ngồi đến tâm trục quay là R2 =1m, R1 = 0,5m.
Cường độ khuấy trộn
Buồng phản ứng 1
Dung tích 4,5 m3
Chọn tốc độ của guồng khuấy n = 12 vòng/phút Tốc độ tương đối của bản khuấy so với nước:
𝑣1 =𝑛 × 2𝜋 × 𝑅1× 0,75 60 = 12 × 2 × 3,14 × 0,5 × 0,75 60 ≈ 0,47 (𝑚 𝑠)⁄ 𝑣2 =𝑛 × 2𝜋 × 𝑅2× 0,75 60 = 12 × 2 × 3,14 × 1 × 0,75 60 ≈ 0,94 (𝑚 𝑠)⁄
Công suất cần thiết để quay cánh khuấy:
𝑁 = 4,5 × 𝐶 × 𝑓𝑐× (𝑣13+ 𝑣23)
Trong đó:
N: Cơng suất, W
fc: Tổng diện tích của bản cánh quạt, fc = 0,8 m2
C: Hệ số trở lực của nước phụ thuộc vào tỉ số dài/rộng C = 1,2 Vậy N = 4,5 x 1,2 x 0,8 x (0,473 + 0,943) = 4,03 W Gradient vận tốc trung bình: 𝐺 = 10 × √ 𝑁 𝜇 × 𝑉 Trong đó: G: Gadient vận tốc trung bình, (s-1)
N: Nhu cầu năng lượng, (W)
𝜇: Độ nhớt động lực học, (N.S/m2). Ở 25 oC, 𝜇 = 0,0092 (N.s/m2).
V: thể tích buồng tạo bơng, (m3)
G = 10 × √ 4,03 0,0092 × 4,5= 98,66 (s −1) < 100 (s−1) (Thỏa) Buồng đầu G = 80 – 100 (s-1) Buồng phản ứng 2 Dung tích 4,5m3
Chọn tốc độ của guồng khuấy n = 8 vòng/phút Tốc độ tương đối của bản khuấy so với nước:
𝑣1 =𝑛 × 2𝜋 × 𝑅1× 0,75 60 = 8 × 2 × 3,14 × 0,5 × 0,75 60 ≈ 0,314 (𝑚 𝑠)⁄ 𝑣2 =𝑛 × 2𝜋 × 𝑅2× 0,75 60 = 8 × 2 × 3,14 × 1 × 0,75 60 ≈ 0,628 (𝑚 𝑠)⁄
Cơng suất cần thiết để quay cánh khuấy:
𝑁 = 4,5 × 𝐶 × 𝑓𝑐× (𝑣13+ 𝑣23)
Trong đó:
N: Công suất, W
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
C: Hệ số trở lực của nước phụ thuộc vào tỉ số dài/rộng C = 1,2 Vậy N = 4,5 x 1,2 x 0,8 x (0,3143 + 0,6283) = 0,75 W Gradient vận tốc trung bình: 𝐺 = 10 × √ 𝑁 𝜇 × 𝑉 Trong đó: G: Gadient vận tốc trung bình, (s-1)
N: Nhu cầu năng lượng, (W)
𝜇: Độ nhớt động lực học, (N.S/m2). Ở 25 oC, 𝜇 = 0,0092 (N.S/m2).
V: Thể tích buồng tạo bơng, (m3)
G = 10 × √ 0,75
0,0092 × 4,5 = 43 (s
−1) < 80 (s−1) → thỏa (𝑛𝑔𝑢ồ𝑛[1])
Buồng hai G = 40 – 80 (s-1) (nguồn[1])
Tính tốn ống dẫn nước thải ra khỏi bể keo tụ tạo bông
Chọn vận tốc nước thải chảy trong ống v = 0,7 m/s Lưu lượng nước thải: Q = 16,67 m3/h
Đường kính ống là:
𝐷 = √ 4 × 𝑄
3600 × 𝑣 × 𝜋= √
4 × 16,67
3600 × 0,7 × 3,14 = 0,09 𝑚
Chọn ống nhựa uPVC có đường kính D = 90 mm
4.2.3. Bể MBBR
Các thông số đầu vào:
- Lưu lượng nước thải Q = 400 m3/ngày - Hàm lượng SS ở đầu vào 71,1 mg/L
- Hàm lượng BOD5 ở đầu vào Se = 317,68 mg/L - Hàm lượng COD ở đầu vào là: 577,6 mg/l - Tổng N : 57,62 mg/l
- Tổng P: 7,53 mg/l
- Nhiệt độ duy trì trong bể 25 – 300C
- Lượng bùn hoạt tính trong nước thải đầu vào bể X0 = 0. - Cặn hữu cơ a = 75%.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
- Chế độ xáo trộn hoàn toàn.
- BOD ở đầu ra < 50 mg/L (tính với BOD ở đầu ra 50 mg/L )
- Cặn lơ lửng ở đầu ra SS ra < 100 mg/L (tính với SSra = 50 mg/L gồm có 65 % là cặn có thể phân huỷ sinh học)
- Hệ số sản lượng tế bào Y = 0.75 kgTSS/kgBOD - Hệ số sản lượng quan sát Yobs = 0.25 gVSS/g BOD5. - Hàm lượng vi sinh của màng vi sinh vật: VS = 70 %.
- Chọn vật liệu mang sử dụng là polyethylene PEHD dạng K3 kích thước: 25 mm x 12 mm, tỷ trọng 0.95 g/cm3
- Tải trọng bề mặt vật liệu: 200 - 500 m2/m3 với độ xốp của chất mang 95 % - Tải trọng hữu cơ: Lv =1.4 kgBOD5/m3.ngày (1.0 – 1.4 kgBOD5/m3.ngày) - Tải trọng lắng thủy lực: 0.5 – 0.8 m/h
Thể tích vật liệu mang: 50% thể tích bể MBBR (Vvlm= 25 – 50 %thể tích bể)
( Nguồn: Theo Metcalf and Eddy, 2003. Wastewater Engineering Treatment and Reuse,
Bảng 9 -15 chương 9: Activated Sludge with Fixed Film Packing, 955 trang)
Phương trình cân bằng vật chất
- BOD5 ở đầu ra = BOD5 hoà tan đi ra từ bể MBBR + BOD5 chứa trong lượng cặn lơ lửng ở đầu ra
- BOD5 hoà tan đi ra từ bể MBBR là S, mg/L
- BOD5 chứa trong cặn lơ lửng ở đầu ra được xác định như sau : Lượng cặn có thể phân huỷ sinh học có trong cặn lơ lửng ở đầu ra :
0.65 × 50 = 32,5 mg/L
Lượng oxy cần cung cấp để oxy hố hết lượng cặn có thể phân huỷ sinh học: 32.5 × 1.42 (mgO2/mg tế bào) = 46,15 mg/L . Lượng oxy cần cung cấp này chính là giá trị BOD20 của phản ứng . Q trình tính tốn dựa theo phương trình phản ứng:
C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng 113mg/L 160 mg/L
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
1 mg/L 1.42 mg/L
Chuyển đổi từ giá trị BOD20 sang BOD5
BOD5 = BOD20 × 0.68 = 46.15 × 0.68 = 31.382 mg/L Vậy : 50 (mg/L) = S + 31,382 (mg/L) ⇒ S = 18,618 mg/L Thể tích nước trong bể MBBR Vhd =(Se− S) × Qtbngay Lv = (317,68 − 18,618) × 10−3kg m⁄ 3× 400 1.4 kgBOD5 m⁄ 3. ngày = 85,446 m 3 Chọn Vhd = 86 m3. Thể tích bể MBBR: VMBBR = Vvlm + Vhd Chọn Vvlm = 50%VMBBR ⟹ Vvlm = Vhd = 86 m3 VMBBR = Vhd + Vvlm = 86 + 86 = 172 m3 Thời gian lưu nước trong bể:
𝜃 = 𝑉ℎ𝑑 𝑄 =
86 𝑚3
400𝑚3/𝑛𝑔à𝑦 = 0,215 𝑛𝑔à𝑦 = 5,16 𝑔𝑖ờ
Chọn thời gian lưu 5,2 giờ Chọn chiều cao bể h = 4,5 m Chọn chiều cao bảo vệ: hbv= 0,5m
Chiều cao xây dựng của bể: H = 4,5 + 0,5 = 5 m Diện tích bề mặt bể: A = VMBBR h = 172 4,5 = 38,2 m 2 Kích thước xây dựng bể MBBR : L × B x H = 7,6 m ×5 m x 5 m = 190 m3 Tính lượng bùn thải bỏ hàng ngày
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
𝑃𝑥 = 𝑌𝑜𝑏𝑠 × 𝑄 × (𝑆0− 𝑆) 103 𝑔/𝑘𝑔 =
0,25 × 400 × (317,68 − 18,618)
103 = 29,9 𝑘𝑔/𝑛𝑔à𝑦
Lượng tăng sinh khối tổng cộng tính theo SS:
𝑃𝑥(𝑠𝑠) = 𝑃𝑥 0,8=
29,9
0,8 = 37,375 𝑘𝑔/𝑛𝑔à𝑦
Giả sử nồng độ bùn ra khỏi bể lắng sau bể MBBR là Cbùn = 1,5 %, khối lượng riêng của bùn là 1025 kg/lít. Vậy lưu lượng bùn cần xử lý:
𝑄𝑏ù𝑛 = 𝑀𝑠𝑠
0.015 × 1025 =
37,375
0,015 × 1025= 2,43 𝑚
3⁄𝑛𝑔à𝑦
Hiệu quả xử lý của bể MBBR: E = Se− S
S2 =
317,68 − 50
317,68 = 84,2%
Chọn E = 85%.
Tính tốn hệ thống phân phối nước cho bể MBBR.
Lưu lượng: 𝑄𝑡𝑏𝑠 = 0,0046 m3/s.
Vận tốc nước trong ống dẫn: 𝑣ố𝑛𝑔 = 0,6 – 1 m/s Chọn: vống = 0,7 m/s
Đường kính ống phân phối nước:
𝐷 = √4 × 𝑄𝑡𝑏 𝑠 𝑣 × 𝜋 = √
4 × 0,0046
0.7 × 𝜋 = 0,09 𝑚
Chọn ống phân phối có đường kính 90 mm Kiểm tra vận tốc nước chảy trong ống:
𝑣 =4 × 𝑄𝑡𝑏 𝑠
𝜋 × 𝐷2 =4 × 0.0046
𝜋 × 0.092 = 0,72 𝑚/𝑠
Giá trị này thỏa mãn điều kiện: 0,6 m/s ≤ v ≤ 1 m/s.
Xác định lượng khơng khí cấp và số lượng thiết bị khuếch tán khí
Lượng Oxy cần thiết để khử BOD:
𝑂𝐶0 =𝑄(𝑆0− 𝑆)
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm. 𝑂𝐶0 =400 × (317,68 − 18,618) × 10 −3 0,68 − 1,42 𝑘𝑔𝑂2 𝑘𝑔𝑉𝑆𝑆× 29,9 𝑘𝑔𝑉𝑆𝑆 𝑛𝑔à𝑦 = 133,46𝑘𝑔𝑂2/𝑛𝑔à𝑦 Trong đó:
- f : Hệ số chuyển đổi giữa BOD5 và BOD20 , f = 0.68 - 1,42: Hệ số chuyển đổi từ tế bào sang COD
Lượng oxy thực tế cần sử dụng cho bể:
O𝐶𝑡= 𝑂𝐶0( 𝐶𝑆20 𝛽𝐶𝑠ℎ− 𝐶𝐿) 1 1,024𝑇−20×1 𝑎 𝑂𝐶𝑡= 133,46𝑘𝑔𝑂2 𝑛𝑔à𝑦( 9,08𝑚𝑔/𝑙 1 × 7,65𝑚𝑔/𝑙 − 1,5) 1 1,02430−20× 1 0.8= 194,29 𝑘𝑔𝑂2/𝑛𝑔à𝑦 Trong đó:
CS20: Nồng độ bão hoà oxy trong nước sạch ở nhiệt độ 200C, tra phụ lục CS20 = 9.08 mg/l.
Csh : Nồng độ bão hoà oxy trong nước ở nhiệt độ 300C, Csh = 7,65 mg/l.
β: Hệ số điều chỉnh lực căng bề mặt theo hàm lượng muối, đối với nước thải thường lấy bằng 1.
α : Hệ số điều chỉnh lượng oxy ngấm vào nước thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt động bề mặt, loại thiết bị làm thống, hình dáng và kích thước bể, có giá trị từ 0,6 – 0.94, chọn 0.8
CL : Lượng oxy hồ tan cần duy trì trong bể, khi xử lý nước thải thường lấy CL = 1.5 - 2 mg/L, chọn CL = 1.5 mg/L.
Tính lượng khơng khí cần thiết để cung cấp vào bể:
𝑄𝑘𝑘1 = 𝑂𝐶𝑡 𝑂𝑈 × 𝑓 ′= 194,29 𝑘𝑔𝑂2/𝑛𝑔à𝑦 31,5𝑔𝑂2/𝑚3× 10−3× 2 = 12335 𝑚3⁄𝑛𝑔à𝑦 = 514 𝑚3⁄ ℎ Với: f’: Hệ số an toàn, chọn f ’= 2.
OCt: Lượng oxy thực tế cần sử dụng cho bể, OCt = 194,29 kgO2/ngày.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
OU = Ou × h = 7 × 4,5 = 31,5 gO2/m3 Trong đó
Ou: Cơng suất hồ tan oxy vào 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 không đáng kể.
(Tra bảng 7.1 trang 112 “ Tính tốn thiết kế các cơng trình xử lý nước thải - Trịnh Xuân
Lai”, ta có Ou = 7 gO2/m3.m. )
Lượng Oxy cần thiết để khử Nitơ .
- Phương trình phản ứng khử Nitơ:
NH4+ +1,73O2 +1,962HCO3 ⟶0,038C5H7O2N + 0,962NO3 + 1,077H2O +1,796H2CO3NH
1mg 1,731 mg 80mg 138,48 mg
Lượng Oxy cần thiết để khử Nitơ:
OCN = 400 m3/ngày × 138,48 mg/l × 10-3 kg/g = 55,392 kgO2/ngày. Lượng oxy cần thiết cung cấp vào bể để khử Nitơ:
𝑄𝑘𝑘2 =𝑂𝐶𝑁 𝑂𝑈 × 𝑓 = 55,392 𝑘𝑔𝑂2/𝑛𝑔à𝑦 31,5𝑔𝑂2/𝑚3× 10−3𝑘𝑔𝑂2/𝑔𝑂2× 2 = 3517 𝑚3 𝑛𝑔à𝑦 = 147 𝑚 3/ℎ
Vậy lượng Oxy cần thiết cung cấp cho bể MBBR:
Qkk= QQkk1+ Qkk2= 514 m3/h + 147 m3/h = 661 m3/h = 0,18 m3/s Kiểm tra lưu lượng khơng khí cấp cho bể:
q = 661 m
3O2/h × 24 h
400m3nướcthải/ngày = 39,66 m
3O2⁄m3nước thải> 10 m3O2⁄m3nước thải
(thỏa mãn)
Chọn đĩa phân phối khí tinh AFD 270, diện tích hoạt động bề mặt là 0,0375 m2. Lưu