STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
1 Thời gian lưu nước T h 2,2
2 Kích thước bể
Chiều dài L mm 12000
Chiều rộng B mm 10000
Chiều cao hữu ích H mm 4000
Chiều cao xây dựng Hxd mm 4500
3 Thể tích xây dựng bể Wt m3 540
5 Công suất của máy khuấy Nmk kW 0,75
4.1.7 Bể Aerotank Nhiệm vụ:
Q trình bùn hoạt tính được thực hiện trong bể hiếu khí aerotank.
Quá trình phân hủy chất ơ nhiễm hữu cơ (CHC) hịa tan hoặc dạng keo xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn (vi sinh vật lơ lửng) trong điều kiện cung cấp oxi (sục khí) liên tục.
Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu:
Cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng;
Xáo trộn đều vi sinh vật (bùn) và CHC trong nước thải và chúng sử dụng CHC như nguồn thức ăn.
Khi vi sinh vật phát triển và được xáo trộn bởi khơng khí chúng sẽ kết lại thành khối với nhau tạo thành bùn hoạt tính – bơng bùn sinh học.
Bảng 4.15 Nồng độ các thơng số dịng vào của bể Aerotank
Bể Aerotank SS BOD5 NH3 NO3 P
Nồng độ vào (mg/l) 148,3 303,8 69,3 56,4 - 12,6
%H xử lý 0 85 0 85 - 5
Nồng độ đã khử (mg/l) 0 258,2 12,9 47,9 - 2,7
Nồng độ ra (mg/l) 148,3 45,6 56,4 8,5 - 9,3
Bảng 4.16 Các thông số thiết kế của bể Aerotank xáo trộn hồn tồn [4]
Thơng số Đơn vị Giá trị Chọn
Thời gian lưu bùn, c ngày 5-15 10
Tỉ số F/M kg/kg.ngày 0,2-0,6
Tải trọng thể tích kgBOD5/m3.ngày 0,8-1,92
Nồng độ MLSS, X mg/l 2500-4000 3000
Hệ số sản lượng bùn, Y mgVSS/mgBOD5 0,4-0,8 0,5
Tốc độ phân hủy nội bào, kd ngày-1 0,025-0,075 0,03 Tỉ số thể tích bể/lưu lượng giờ ngày-1 W/Q = 3-5
Tỉ số tuần hồn bùn hoạt tính Qth/Q = 0,25-1
Tỉ số giữa MLVSS/MLSS 0,7-0,8 0,8
Nồng độ MLVSS trong dịng
tuần hồn mg/l 8000-12000 8000
Thông số đầu vào:
+ Lưu lượng nước thải Q = 1500 m3/ngày. + Hàm lượng BOD5 ở đầu vào: 303,8 mg/l. + Hàm lượng SS ở đầu vào: 148,3 mg/l + Nhiệt độ duy trì trong bể 300C .
+ Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn nguồn loại B. + BOD ở đầu ra = 45,6 mg/l.
+ Cặn lơ lửng ở đầu ra SSra = 51,9 mg/l gồm có 65% là cặn có thể phân huỷ sinh học.
+ Nước thải khi vào bể Aerotank có hàm lượng chất rắn lơ lửng bay hơi (nồng độ vi sinh vật ban đầu): X0 = 0.
+ Hệ số chuyển đổi giữa BOD5 và BOD20 (BOD hoàn toàn) là 0,68.
+ Tỷ số giữa lượng chất rắn lơ lửng bay hơi (MLVSS) với lượng chất rắn lơ lửng (MLSS) có trong nước thải là 0,8.
Xác định nồng độ BOD5 hoà tan trong nước thải ở đầu ra
Sơ đồ làm việc của hệ thống
Trong đó:
+ Q , Qr, Qw , Qe : lưu lượng nước đầu vào , lưu lượng bùn tuần hoàn , lưu lượng bùn xả và lưu lượng nước đầu ra, m3/ngày.
+ S0 , S : nồng độ chất nền (tính theo BOD5) ở đầu vào và nồng độ chất nền sau khi qua bể Aerotank và bể lắng, mg/l.
+ X, X0 Xr , Xc : nồng độ chất rắn bay hơi trong bể Aerotank , nồng độ bùn trong nước thải dẫn vào bể, nồng độ bùn tuần hoàn và nồng độ bùn sau khi qua bể lắng II, mg/l.
Phương trình cân bằng vật chất:
BOD5 ở đầu ra = BOD5 hoà tan đi ra từ bể Aerotank + BOD5 chứa trong lượng cặn lơ lửng ở đầu ra Trong đó :
+ BOD5 ở đầu ra: 45,6 mg/L.
+ BOD5 hoà tan đi ra từ bể Aerotank là S, mg/l.
Lượng cặn có thể phân huỷ sinh học có trong cặn lơ lửng ở đầu ra: 0,65 51,9 = 33,7 (mg/l)
Q, S0, Xo Qe, S,
Aerotank Bể lắng
Qw,Xr Qr, Xr, S
Lượng oxy cần cung cấp để oxy hố hết lượng cặn có thể phân huỷ sinh học: 33,7 1,42 mgO2 tiêu thụ/mg tế bào bị oxy hóa = 47,9 (mg/l) Là 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 113 mg/l 160 mg/l
1 mg/l 1,42 mg/l Chuyển đổi từ giá trị BOD20 sang BOD5
BOD5 = 0,68 BOD20 = 0,68 47,9 = 32,6 (mg/l) Vậy: 45,6 (mg/l) = S + 32,6 (mg/l)
S = BOD5(S) = 13 (mg/l)
Tính hiệu quả xử lý:
Tính hiệu quả xử lý tính theo BOD: E =S0 - S
S0 × 100 %=
303,8 - 13
303,8 × 100% = 95,7 % Hiệu quả xử lý của toàn bộ sơ đồ:
E0 = 303,8 - 45,6 303,8 × 100% = 85 % Kích thước bể Aerotank Thể tích bể Aerotank: V =Q × Y × θc × (S0 - S) X × (1 + Kd × θc) =1500 × 0,6 × 10×(303,8-13) 3500 × (1 + 0,06 × 10) = 467,4 (m 3) (CT 6.3/90/[15]) Trong đó: - V: Thể tích bể Aerotank , m3.
- Q: Lưu lượng nước đầu vào Q = 1500 m3/ngày. - Y: Hệ số sản lượng cực đại Y= 0,6 mgVSS/mgBOD5.
- X: Nồng độ chất rắn bay hơi được duy trì trong bể Aerotank, X = 3500 mg/l. - Kd : Hệ số phân hủy nội bào, Kd = 0,06/ ngày.
- c: Thời gian lưu bùn, c = 10 ngày.
- S0: hàm lượng BOD5 đầu vào, S0 = 303,8 mg/l. - S: hàm lượng BOD5 hòa tan đầu ra, S = 17 mg/l. Thời gian lưu nước trong bể:
HRT = θ = V Qtbh =
467,4
62,5 = 7,5 (giờ) Thời gian lưu nước trong bể t = 4 – 8h Thỏa.
Chọn chiều cao hữu ích: H = 4 (m) Chiều cao bảo vệ: hbv = 0,5 (m). Chiều cao tổng cộng của bể:
Hxd = H + hbv = 4 + 0,5 = 4,5 (m) Diện tích mặt bằng bể: F = V H = 467,4 4 = 116,9 (m 2) Chọn kích thước bể Aerotank: L × B × Hxd = 12m × 10m × 4,5m Thể tích xây dựng của bể: Wt = L × B × Hxd = 12 × 10 × 4,5 = 540 (m3) Tính lượng bùn cần xử lý
Lượng bùn phải xả ra mỗi ngày: Tính hệ số tạo bùn từ BOD5 Yobs = Y 1+ Kd × θC= 0,6 1+ 0,06 × 10 = 0,375 (Mục 5/149/[4]) Lượng bùn hoạt tính sinh ra do khử BOD5 (tính theo MLVSS):
PX(VSS) = Yobs × Qngày đêm
tb × (S0 - S)
1000 =
0,375 × 1500 × (303,8-13)
1000 = 163,6( kg ngày)⁄ (Mục 5/149/[4])
Tổng cặn lơ lửng sinh ra trong 1 ngày: MLVSS MLSS = 0,8 → MLSS = MLVSS 0,8 → Px(SS) = Px(VSS) 0,8 = 163,6 0,8 = 204,5 (kgSS ngày)⁄ (Mục 5/149/[4]) Lượng cặn dư hằng ngày phải xả đi:
Pxả = Px(SS) - Pra = Px(SS)-(Qngàyđêmtb × Sra × 10-3)= 204,5 - (1500×45,6×10−3) = 136,1 (kgSS ngày⁄ )
(Mục 5/149/[4]) Tính lượng bùn xả ra hằng ngày (Qw) từ đáy bể lắng theo đường tuần hoàn bùn:
θC= VX QWXr+QeXe → QW= VX - QeXeθC XrθC (CT 6/149/[4]) Trong đó - V: Thể tích bể Aerotank V = 540 m3.
- X: Nồng độ chất rắn bay hơi trong bể Aerotank X = 3500 mg/l. - c : Thời gian lưu bùn c = 10 ngày.
- Qe : Lưu lượng nước đưa ra ngoài từ bể lắng đợt 2 (lượng nước thải ra khỏi hệ thống). Xem như lượng nước thất thốt do tuần hồn bùn là khơng đáng kể nên Qe = Q = 1500 m3/ngày.
- Xe: Nồng độ chất rắn bay hơi ở đầu ra của hệ thống Xe= 0,8 Sra = 0,8 45,6 = 36,5mg/l.
- Xr : Nồng độ chất rắn bay hơi có trong bùn hoạt tính tuần hồn Xr = 0,8 10000 = 8000 mg/l. QW= V × X -Qe × Xe× θC Xr × θC = 540 × 3500 - 1500 × 36,5 × 10 8000 × 10 = 16,8 (m3/ngày) Xác định tỷ số tuần hồn
Q × X0+ Qr × Xr = (Q + Qr) × X
(Mục 7/149/[4]) Trong đó:
- Q: lưu lượng nước thải.
- Qr: lưu lượng bùn hoạt tính tuần hồn.
- X0: nồng độ VSS trong nước thải dẫn vào bể Aerotank, mg/l. - X: nồng độ VSS trong bể Aerotank, X = 3500mg/l.
- Xr: Nồng độ VSS trong bùn tuần hoàn, Xr thuộc khoảng (7000-12000)mg/l, chọn Xth = 8000mg/l.
Giả sử X0 rất nhỏ so với X và Xr, do đó ta có phương trình: (Q + Qr) × X = Qr × Xr Chia hai vế cho Q và đặt tỷ số Qr/Q = R
Ta được:
R = X Xr− X =
3500
8000 − 3500= 0,8 Lưu lượng bùn tuần hồn:
Qr= R × Q = 0,8 × 1500 = 1200(m3⁄ngày đêm)
Kiểm tra tỉ trọng F/M và tải trọng hữu cơ
Tỉ số F/M: F M= S0 HRT × X= 303,8 7,4 24 × 3500 = 0,28(ngày−1) (Mục 9/152/[4]) → Thỏa điều kiện F/M = (0,2 – 0,6) kg/kg.ngày.
Tải trọng thể tích LBOD: LBOD = S0× Q V × 1000 = 303,8 × 1500 540 × 1000 = 0,84(kgBOD m 3 ⁄ . ngày) (Mục 9/152/[4])
→ Giá trị này nằm tronng khoảng cho phép của thông số khi thiết kế bể ϵ (0,7 − 1,9) kgBOD/m3.ngày.
Tính lượng oxy cần cung cấp cho bể Aerotank
Lượng oxy cần thiết cho quá trình xử lý bùn hoạt tính: OC0=Q × (S0 − S)
1000 × f − 1,42 × Px(vss) +4,57×Q×(N0− N) × 10−3(kgO2⁄ngày) (CT6.15/105/[15]) Trong đó:
- Q: lưu lượng nước thải trung bình, Q = 1500 m3/ngày. - S0: hàm lượng BOD5 đầu vào, S0 = 303,8 mg/l.
- S: hàm lượng BOD5 đầu ra, S = 13 mg/l.
- Px: lượng sinh khối sinh ra mỗi ngày theo MLVSS, Px = 161,3 kg/ngày.
- f: hệ số chuyển đổi từ BOD5 sang COD hay, f trong khoảng (0,45 – 0,68), chọn f = 0,68 .
OC0=1500 × ( 303,8− 13)
1000 × 0,68 −1,42 × 163,6 + 4,57 × 1500 × (56,4−8,5) × 10−3 OC0 = 737,5 (kgO2⁄ngày)
Lượng oxy thực tế cần sử dụng cho bể: OCt= OC0× ( Cs20 β×Cs30-Cd)× 1 1,024T-20× 𝛼 (CT6.16/106/[15]) Trong đó
- β: hệ số điều chỉnh lực căng bề mặt theo hàm lượng muối, đối với nước thải thường lấy β=1.
- Cd: nồng độ oxy cần duy trì trong cơng trình. Khi xử lý nước thải thường lấy Cd = 1,5 – 2mg/l. Lấy Cd = 2 mg/l.
- Cs20 : Nồng độ bão hoà oxy trong nước ở nhiệt độ làm việc Cs = 9,08 mg/l. - Cs30: nồng độ oxy bão hòa trong nước sạch ứng với nhiệt độ (30˚C). Cs30 =
- 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 α = 0,8.
OCt = 737,5 × ( 9,08
1 × 7,94 - 2)×
1
1,02430-20× 0,8= 1111,7(kgO2⁄ngày)
Tính thể tích khơng khí theo u cầu:
Giả sử hiệu quả vận chuyển oxy của thiết bị thổi khí là 9%, hệ số an tồn khi sử dụng trong thiết kế thực tế là SF = 1,5.
Lượng khơng khí u cầu theo lý thuyết ( giả sử khơng khí chứa 23,2% O2 theo trọng lượng và trọng lượng riêng của khơng khí ở 200C là 0,0118 kN/m3 = 1,18 kg/m3) là:
Mkk = MO2 23,2% × 1,18 = 737,5 23,2% × 1,18 = 2695,1 (m 3⁄ngày) (Mục 9/151/[4]) Lượng khơng khí u cầu với hiệu quả vận chuyển 9% sẽ bằng
2695,1
0,09 = 29945,6 (m
3⁄ngày) = 20,8 (m3⁄phút) Lưu lượng khơng khí cần cung cấp của máy thổi khí:
Qkk = SF ×Mkk E × 1 1440= 1,5 × 2695,1 0,09 × 1 1440 = 31,2 (m 3⁄phút) = 0,52(m3⁄ ) s
Áp lực và công suất cho hệ thống máy thổi khí
Khí được phân phối vào bể bằng các ống khoan lỗ đặt dọc theo các hàng lang, vận tốc khí ra khỏi lỗ từ 5 -10 m/s. [3]
Áp lực cần thiết cho hệ thống khí nén được xác định theo công thức sau: Hct = hd + hc + hf + H = 0,4 + 0,5 + 4,0 = 4,9(m) Trong đó:
- hd: tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài ống dẫn, m. - hc: tổn thất cục bộ, hd + hc ≤ 0,4m. Chọn hd + hc = 0,4m. - hf: tổn thất qua thiết bị phân phối, hf ≤ 0,5m. Chọn hf = 0,5m - H: chiều sâu hữu ích của bể Aerotank, H = 4,0m.
Áp lực khơng khí sẽ là: P = 10,33 + Hct 10,33 = 10,33 + 4,9 10,33 = 1,47(atm) (Mục 9/151/[4]) Cơng suất máy thổi khí:
N = 34400 × (P 0,29− 1) × Qk 102 × η = 34400 × (1,470,29− 1) × 0,52 102 × 0,9 = 23,03(kW) (Mục 9/151/[4]) Trong đó:
- P: áp lực chân khơng , P = 1,47 atm.
- : hiệu suất máy thổi khí, = 0,7 - 0,9. Chọn = 0,9.
Cơng suất tính tốn máy thổi khí:
Ntt = β x N = 1,1 × 23,03 = 25,3 (kW) = 33,9 (Hp) Trong đó: β: hệ số dự trữ N < 1 → β = 1,5 - 2,2 N > 1 → β = 1,2 - 1,5 N = 5 - 50 → β = 1,1 →Chọn β = 1,1
Chọn máy thổi khí: Máy thổi khí Longtech LT125 [18] Cơng suất: 7,5 - 30 kW.
Lưu lượng: 5,65 - 24,66 m3/phút. Cột áp: 0 - 8 m.
Xuất xứ: Đài Loan.
Đơn giá: 59.760.000 VNĐ.
Bố trí hai máy thổi khí hoạt động ln phiên nhau, một cơng tác, một dự phịng.
Chọn thiết bị phân phối khí dạng đĩa SSI AFD 350 với lưu lượng khí r = 0 - 20 m3/h = 0 - 333,33 l/phút. Chọn r = 18 m3/h = 300 l/phút. (Bảng 9-8/423/[4])
Xuất xứ: Mỹ. Đơn giá: 442.000VNĐ.
Độ sâu ngập nước của đĩa phân phối khí lấy bằng chiều cao hữu ích của H = 4m, đặt sát đáy. Diện tích bề mặt đĩa: F = π × D 2 4 = π × 0,352 4 = 0,09 (m 2)
Số đĩa phân phối trong bể: N = Qkk
300 =
31,2 × 1000
300 = 104(đĩa)
Số lượng đĩa là 104 cái, chia làm 10 hàng, mỗi hàng 11 đĩa phân bố cách sàn bể 0,5 m và đặt cách thành bể 0,5 m. Số ống nhánh: Chọn số ống nhánh dẫn khí là Nnhánh = 10. Số đĩa trên một ống nhánh: mn = Số đĩa Số ống nhánh = 104 10 = 11 (đĩa) Khoảng cách giữa các đĩa trên ống:
l = L − 0,5 × 2 mn− 1 = 12 − 0,5 × 2 11 − 1 = 1,1(m) Khoảng cách giữa các ống nhánh: l = B − 0,5 × 2 10 − 1 = 10 − 0,5 × 2 10 − 1 = 1(m) Tính tốn đường ống dẫn khí chính:
Lưu lượng khí trong ống chính: Qkk = 0,52 (m3/s)
Vận tốc khí đi trong ống dẫn khí được duy trì trong khoảng v = 10 – 20m/s. [10]
Chọn v = 15m/s
Dc = √4 × Qkk π × v = √
4 × 0,52
π × 15 = 0,2(m)
Chọn đường kính ống dẫn khí chính là ống thép mạ kẽm có đường kính danh nghĩa Dc = 200 mm.[13] Vận tốc thực trong ống: v =4 × Qkk π × Dc2 =4 × 0,52 π × 0,22 = 16,6(m s)⁄ →Thỏa v = 10 - 20m/s. Tính tốn đường ống dẫn khí nhánh
Ống nhánh đặt vng góc với ống chính và chạy dọc theo chiều dài bể. Chọn ống nhánh dài 10m, khoảng cách giữa các ống 1m, ống cách tường 0,5m.
Lưu lượng khí qua ống nhánh: qnkk = Qkk Nnhánh = 0,52 10 = 0,052(m 3⁄s) Đường kính ống dẫn khí nhánh: Dn= √4 × qkk n π × vống = √ 4 × 0,052 π × 15 = 0,066(m) Chọn đường kính ống dẫn khí nhánh là ống thép mạ kẽm có đường kính Dn = 76 mm.[13]
Vận tốc thực của nước thải trong ống: v =4 × qkk
n
π × Dn2 = 4 × 0,052
π × 0,0762 = 11,46(m s)⁄ →Thỏa v = 10 – 20 m/s.
Tính tốn đường ống dẫn nước thải ra khỏi bể Aerotank
Chọn vận tốc nước thải trong ống: v = 1,5 m/s, với v = 0,7 - 1,5 m/s. [10] Lưu lượng nước thải: Q = 1500 m3/ngày = 0,0174 m3/s.
Dr = √4 × Q π × v = √
4 × 0,0174
π × 1,5 = 0,12(m)
Chọn ống dẫn nước thải ra làm bằng nhựa uPVC có D = 140 mm. [12] Vận tốc thực của nước thải trong ống:
v = 4 × Q
π × Dr2 =4 × 0,0174
π × 0,142 = 1,13(m s)⁄ →Thỏa v = 0,7 - 1,5 m/s.
Tính tốn ống dẫn nước tuần hồn từ bể Aerotank vào bể Anoxic:
Dt.hồn = √ 4 × QIR
π × v × 3600= √
4 × 150
π × 1,5 × 3600= 0,19(m)
Chọn ống dẫn nước tuần hồn làm bằng nhựa uPVC D200 có đường kính D = 200mm.[12]
Kiểm tra lại vận tốc thực: v =4 × QIR
π × D2 = 4 × 150
π × 3600 × 0,22 = 1,32 (m s)⁄ Thỏa mãn điều kiện v = 0,7 - 1,5 m/s.
Tính bơm tuần hồn nước từ bể Aerotank về Anoxic:
N = QIR × H × g × ρ