4.1. THIẾT KẾ BỂ UASB
4.1.2. Cấu tạo và kích cỡ
Trên hình 13a mô tả hình dạng cơ bản của bể UASB, trong đó diện tích bề mặt khoang lắng phía trên lớn hơn diện tích bề mặt của khoang phân hủy phía dưới.
Khoang lắng lớn hơn sẽ thuận lợi cho việc lưu bùn, điều này rất quan trọng đối với nước thải có nồng độ hưu cơ thấp. Ngược lại, đối với nước thải có nồng độ hưu cơ cao thì tải lượng hữu cơ là yếu tố quan trong hơn so với tải lượng thủy lực, vì vậy, không cần thiết phải thiết kế diện tích bề mặt rộng hơn trong khoang lắng. Thực tế cho thấy trong điều kiện tải lượng hưu cơ lớn, thiết kế diện tích bề mặt khoang phân hủy lớn hơn so với khoang lắng là phù hợp (hình 13 b). Trên thực tế, hầu hết các bể UASB đang được xây dựng và đi vào hoạt động đều có diện tích bề mặt như nhau trong khoang phân hủy và khoang lắng ( hình 13c). Kinh nghiệm cho thấy xây dựng bể có thành thẳng đứng dễ thi công hơn các bể có thành nghiêng và khu vực bể lắng lớn hơn. Vì vậy, phần này chỉ đề cập đến bể UASB có cấu hình thành thẳng.
Hình 13. Cấu tạo cơ bản của bể UASB.
Đối với nước thải có nồng độ thấp và trung bình như nước thải sinh hoạt, tải lượng thủy lực là tham số quan trọng quyết định hình dáng và kích cỡ của bể UASB. Do vậy, việc thiết kế bể UASB trên cơ sở tải lượng thủy lực sau đó kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống đối với tải lượng hữu cơ tính toán sẽ thiết thực hơn.
Thông số quan trọng trong thiết kế bể UASB là thời gian lưu nước. Thông số này không tính toán chính xác được bằng các nghiên cứu mang tính lý thuyết, nhưng các kết quả thực nghiệm cho thấy khoảng thời gian lưu nước trung bình khoảng 6 giờ là phù hợp đối với các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới (T >18oC). Kết quả thí nghiệm thu được trong điều kiện khí hậu ôn đới cho thấy thời gian lưu nước trong các hệ thống thông thường cần được tăng lên mức 12 ÷ 14 giờ đối với nhiệt độ 10 ÷ 12oC (De Man, 1990; Van de Last, 1991). Dựa vào thời gian lưu nước cần thiết, thể tích bể phản ứng được xác định bằng công thức sau:
𝑉𝑏 = 𝑄 × 𝐻𝑅𝑇 Trong đó:
Vb – thể tích bể (m3);
Q – Lưu lượng nước thải trung bình ( m3/h);
HRT – Thời gian lưu nước (h).
Để thuận lợi cho công tác thi công xây dựng, khi dung tính toán của bể vượt quá 1000m3 cần thiết kế thành các đơn nguyên. Điều này không nhưng làm giảm chi phí vận hành mà còn tăng khả năng linh hoạt trong vân hành, vì với cấu trúc như vậy cho phép dừng hoạt động của một đơn nguyên nào đó để sữa chữa hoặc bảo dưỡng trong khi các đơn nguyên khác vẫn hoạt động bình thường.
Thông số thiết kế tiếp theo là chiều cao bể. Việc lựa chọn chiều cao phù hợp phụ thuộc vào khả năng hoạt động cần thiết và kinh tế. Chi phí cho việc đào đất và xây dựng sẽ tăng theo chiều cao hoặc độ sâu của bể, nhưng yêu cầu diện tích đất sẽ giảm. Điều kiện kinh tế tối ưu hóa cho chiều cao ( độ sâu) của bể UASB là 4 ÷ 6 m và trong hầu hết các trường hợp đây cũng là khoảng dao động về chiều cao phù hợp nhất cho hoạt động của hệ thống.
Một yếu tố quan trọng nữa trong thiết kế là cao trình đáy bể so với mặt đất. Cao trình của các công trình trong hệ thống nên được thiết kế nhằm đảm bảo khả năng tự chảy của nước thải. Nếu địa hình khu vực cho phép, thiết kế bể nữa chìm nữa nổi sẽ làm giảm đáng kể chi phí xây dựng. Trong tất cả mọi trường hợp cần chú trọng vấn đề chống đẩy nổi do áp lực nước ngầm tạo nên vào thời điểm bể rỗng khi thực hiện công tác bảo dưỡng.
Chiều cao của bể có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu suất xử lý chất hữu cơ. Vận tốc dòng chảy ngược trong bể có liên quan trực tiếp đến chiều cao bể. Vận tốc dòng chảy ngược không được vượt quá một giá trị nhất định để lưu giữ một lượng bùn vừa đủ, và vì vậy chiều cao của bể cũng có giới hạn nhất định. Mặt khác, vận tốc dòng chảy cao sẽ làm tăng khả năng tạo dòng chảy rối trong bể tại khu vực cửa vào và do vậy làm tăng khả năng tiếp xúc giữa bùn sinh học và nước thải. Mối tương quan giữa vận tốc dòng chảy ngược và chiều cao bể được thể hiện như sau:
𝑣1 =𝑄
𝐴 = 𝑉𝑏
𝐴 × 𝐻𝑅𝑇 = 𝐻 𝐻𝑅𝑇 Trong đó:
v1 – vận tốc dòng chất lỏng chảy ngược (m/h);
A – diện tích bề mặt bể UASB (m2);
H – Chiều cao bể UASB (m).
Đối với xử lý nước thải bằng hệ thống UASB, thông thường giá trị v1 trung bình trong ngày không nên vượt quá 1m/h. Vì vậy, với thời gian lưu nước 6 giờ, chiều cao của bể cần thiết kế nhỏ hơn 6 m. Thậm chí, khi thời gian lưu nước theo thiết kế vượt quá 6 giờ, chiều cao của bể vẫn thường lấy trong khoảng 4 ÷ 6m và vận tốc dòng chảy ngược sẽ thấp theo tỷ lệ thuận.
Một vấn đề khác cần cân nhắc là khả năng hòa tan của cacbon dioxit có liên quan đến ảnh hưởng của độ sâu đối với hiệu suất phân hủy kỵ khí. Khả năng hòa tan của cacbon dioxit được xem là hàm số của độ sâu dưới mặt nước. Theo định luật Henry, nồng độ bão hòa tăng theo áp suất riêng phần xủ cacbon dioxit trong khí sinh học. Trên thực tế, áp suất riêng phần sẽ tăng khi tổng áp suất tăng, do độ sâu lớn hơn. Bể càng sâu, nồng độ cacbon dioxit được hào tan càng cao và làm giảm pH trong hệ thống. Vì vậy nếu thiết kế bể có độ sâu lớn sẽ hạn chế hiệu suất phân hủy kỵ khí: pH có thể ở mức thấp hơn so với giá trị tối ưu do nồng độ cacbon dioxit cao.
Tuy nhiên, vấn đề này thường không quan trọng đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt vì nồng độ cacbon dioxit thường thấp do nồng độ COD trong nước thải sinh hoạt tương đối thấp và phần lớn cacbon dioxit được tạo ra sẽ lưu lại trong dung dịch, ngay cả khi áp suất khí sinh học phát sinh trong hệ thống bằng áp suất khí quyển ( giá trị thấp nhất có thể ). Vì vậy, đối với trường hợp xử lý nước thải sinh hoạt, áp suất khí sinh học tăng không gây ảnh hưởng lớn tới nồng độ cacbon dioxit và pH của hỗn hợp chất lỏng trong hệ thống.
Trên mặt bằng, bể UASB thường được thiết kế theo hai dạng loại cơ bản: hình vuông/hình chữ nhật và hình tròn (xem hình 14). Dạng tròn có ưu điểm là độ ổn định kết cấu cao hơn, nhưng xây dựng thiết bị tách pha hình tròn thường khó hơn so với hình vuông hoặc hình chữ nhật. Vì lý do này, các bể UASB nhỏ thường xây dựng theo hình trụ tròn và bể lớn hơn thì là hình chữ nhật hoặc hình vuông. Trên thực tế cả hai dạng nay đều đã được áp dụng. Cũng có thể thiết kế theo kiểu kết hợp, ví dụ bể hình tròn kết hợp với thiết bị tách pha hình chữ nhật. Khi hệ thống gồm nhiều đơn nguyên, thiết kế theo hình dạng chữ nhật là tối ưu nhất.
Hình 14. Các dạng cơ bản của bể UASB
Đối với các bể có dạng hình vuông hoặc chữ nhật trên mặt bằng, sau khi tính toán thể tích và chiều cao của bể, cần xác định cụ thể các giá trị chiều dài và chiều ngang. Để giảm tối thiểu chi phí xây dựng nên thiết kế bể hình vuông vì chu vi hình vuông nhỏ hơn hình chữ nhật có cùng diện tích. Diện tích các thành bể của hình chữ nhật lớn hơn so với diện tích thành bể hình vuông, do đó sẽ đòi hỏi nhiều vật liệu xây dựng hơn. Trên hình 15 cho thấy mức tăng tương đối của diện tích bề mặt các thành là hàm số của tỷ lệ chiều dài/ chiều rộng. Mức tăng tương đối trong diện thì của hệ thống hình chữ nhật sẽ tăng đáng kể với tỷ lệ dài/ rộng lớn hơn 4:1.
Hình 15. Quan hệ giữa diện tích tương đối của thành bể với tỷ lệ các chiều dài/ rộng của bể UASB dạng hình chữ nhật trên mặt bằng.
Trên hình 15 cũng cho thấy hệ thống hình tròn có chu vi ngắn hơn hệ thống hình vuông khoảng 12%. Ưu điểm này của hệ thống hình tròn chỉ trở nên quan trọng nếu như thiết kế bể hoạt động với 1 đơn nguyên. Khi xây dựng hệ thống có hai hoặc ba đơn nguyên (áp dụng nhiều cho thực tế), các bể hình chữ nhật thường được xây dựng hợp khối có tương chung quanh.