PHẦN II: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG
II.3. Phân tích kết quả thực nghiệm
II.3.4. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hàm lượng oxy hoà tan
Để t ạo được ọt khí trong bể aeroten thì d b òng chất lỏng – khí đi qua ống d ẫn phải có áp suất đủ lớn để thắng mọi s c ức ản thuỷ lực trong hệ thống. Áp suất này được ác x định:
Δp = Δpd + Δpm + Δph + Δpt + Δpk (2.21) Trong đó:
Δpd: áp suất động lực để t t ạo ốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống ẫn, phụ d thuộc lưu lượng tuần hoàn, chế độ cấp nước v ào biofilter, chiều cao v ật liệu đệm, hàm lượng c ác chất trong nước thải…
Δpm: áp suất ần c thiết để khắc phục trở lực ma sát, phụ thuộc chiều dài ống, đường kính tương đương c ủa ống.
Δph: áp suất ần c thiết để khắc phục áp suất thuỷ ĩnh, phụ thuộc chiều t cao mực nước trong bể aeroten.
Δpt: áp suất ần c thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị Δpk: áp suất b ổ sung ở cuối ống ẫn d .
Để tính toán chính x ác áp suất ần c thiết này đòi hỏi quá trình nghiên cứu ỹ k lưỡng, kết hợp với c ôác th ng số thiết kế cụ thể, do đó trong khu n khổ đề tài ô này chúng tôi kh ng đề c ô ập đến mà chỉ đánh giá một s ôố th ng số thiết kế êli n quan, ảnh hưởng tới hàm lượng oxy hoà tan, trong đó có chiều cao mức ước n trong bể aeroten (hay suất áp thuỷ ĩnh). t
Đối với quá trình òng chảy ổn định, khi chiều cao mức nước trong bể tăng d thì khả ă n ng tạo bọt kh gií ảm.
0 1 2 3 4 5 6
0 1 2 3 4 5
n ( số ống)
Hàm lượng oxy hoà tan DO (mg/l)
ha =10 ha =15 ha = 20
Hình 2.8: Ảnh hưởng của áp suất tới khả năng tạo bọt khí của đường ống
Ngoài ra, hàm lượng oxy hoà tan cũng phụ thuộc v ào nhiều yếu t ố khác như nhiệt độ, hàm lượng c ác chất trong nước th , …S ải ự phụ thuộc ào ác ếu t v c y ố này cũng đã được trình ày trong nhiều tài b liệu khác[ , trong đó ự phụ 5] s thuộc vào yếu t ố nhiệt độ cần đặc biệt quan t m do nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới â hàm lượng oxy ho tan, khi nhià ệt độ tăng thì khả năng hoà tan của oxy giảm II.3.5. Thiết ập l phương trình tổng quát mô t m ả ối quan hệ giữa các thông số thiết ế k và hàm lượng oxy ho tan trong tổ ợpà h thiết ị b aeroten – biofilter:
T c kừ ác ết quả thực nghiệm thu được, chúng tôi thấy ằng hàm lượng oxy hoà r tan trong bể aeroten của thiết bị tổ hợp BFA phụ thuộc tuyến tính ới các v thông số thiết kế đầu ào c b v ủa iofilter như ưu lượng dòng v Q l ào r, chiều cao lớp vật ệu li lọc Hvl, số ống và đường ính ống phân phối d k òng ừ b t iofilter ào v aeroten. Do vậy chúng t i đã tiến hành xâô y dựng mô hình tổng quát để tính toán àm h lượng oxy hoà tan trong aeroten của ổ hợp BFA là một hàm phụ t thuộc v c ào ác thông số thiết kế .
T c s ừ ác ố liệu thực nghiệm đo đạc được, sử dụng máy tính, chúng tôi đã xác định được c ác thông số ủa c mô hình nh sau: ư
0.2492279 0.7107202 0.0373208 0.6307476
DO 7.030257.Q= r− .Hvl− .n .φ với R2 = 0.8293542.
S dử ụng mô hình để tính toán, chúng tôi thu được c kác ết quả tính toán DOtt
và so sánh ới c k v ác ết quả thực nghiệm DOex được trình b ày trong bảng 2.1.
STT DOtt DOex STT DOtt DOex STT DOtt DOex
1 3.50 3 16 3.51 3 31 4.20 4.5 2 4.94 5 17 4.94 4 32 5.92 6 3 5.07 5.5 18 5.06 4 33 6.08 6.2 4 5.15 5.7 19 5.14 4.1 34 6.17 6.4 5 5.202 5 20 5.2 3.9 35 6.24 5.9 6 2.89 3 21 3.21 3 36 3.59 4.1 7 4.44 4.5 22 4.94 6.2 37 5.51 5 8 4.56 4.6 23 5.07 6.8 38 5.66 5.2 9 4.63 4.8 24 5.15 6.1 39 5.74 5.4 10 4.68 4.5 25 5.20 5.9 40 5.81 5.4 11 2.71 3 26 3.21 3 41 3.39 3.5 12 4.17 4.3 27 4.94 6 42 5.22 5.1 13 4.28 4.2 28 5.07 5.8 43 5.35 5.7 14 4.34 4.1 29 5.15 5.5 44 5.43 5.6
15 4 39 4 30 5 20 5 3 45 5 49 5 5
Bảng 2.4: So sánh kết quả tính toán hàm lượng oxy hoà tan và hàm lượng oxy hoà tan thực nghiệm
Kết quả cho thấy s sai lệch giữa kết quả ự thực nghiệm và kết quả tính toán được bằng mô hình là ôkh ng đáng ể, do đó k hoàn toàn có thể s dử ụng mô hình để tính toán àm lượng oxy hoà h tan ở đầu ra của iofilter, qua đó ính b t
toán thiết kế c hác ệ thống xử lý khác nhau, nhằm làm giảm chi ph ận hí v ành cho quá trình xử lý.
II.4. Ứng dụng mô hình để tính án to thiết bị ổ ợp t h AAO_Biofilter a. Công nghệ ử x lý nước thải AAO
Công nghệ xử lý nước thải kết hợp c ác quá trình ếm í y kh , thiếu í và kh hiếu kh anaí ( erobic, anoxic và oxic_ AAO) hiện nay đang được áp dụng rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Nước thải qua kh u xử â lý yếm í kh để loại b ỏ photpho; tại ngăn thiếu íkh _ anoxic, các vi sinh vật tự dưỡng ẽ chuyể hoá NO s n 2-, NO3- thành N2; cuối cùng khi nước thải tới ngăn oxic, phần BOD còn lại trong nước thải sẽ được oxy hoá tiếp, NH4+được oxy hoá thành NO3- m, ột phần nước th ải được ử lý x ở ngăn oxic sẽ được tuần hoàn lại ngăn anoxic để loại b ỏ tiếp phần NO3- sinh ra. Với công nghệ này cho phép giảm thiểu nhu c oxy hoà tan để oxy hoá àn ầu ho toàn ơ chất, tiết c kiệm chi ph ận hí v ành.
Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ AAO
Ana_ngăn xử lý yếm khí; Ano_ngăn xử lý thiếu khí; O_ngăn xử lý hiếu khí;
Q_lưu lượng nước thải; B_bùn thải; KK_không khí cấp vào;
α_hệ số tuần hoàn bùn và nước thải.
Ana Ano O O
αQ
Q (1+α)Q (1+ )Q α Q
B B B KK B KK
b. Tính toán thiết ị ổ ợp b t h AAO – Biofilter
Thiết bị t hổ ợp AAO – Bioflter được thiết kế gồm một bể b ùn hoạt ính hoạt t động theo nguy n lý AAO kết hợp ớiê v một biofilter thông qua h thống ống ệ phân phối dòng ỏng – khí. Việc t l ính toán đối với từng thiết bị đã được mô hình ho á trong các ài t liệu khác 1,7,9], việc ết [ k nối giữa hai thiết bị chúng tôi s dử ụng mô hình ừa xâ v y dựng được để tính toán. Sơ đồ công nghệ c ủa quá trình được mô tả như ình 2.8: h
Hình 2.8: Sơ đồ công nghệ của thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter
Q: lưu lượng dòng ào; Ana: vùng xử lý yếm khí; Ano: vùng xử lý v thiếukhí;
O: vùng xử lý hiếu khí; BF: Biofilter; B: Bùn thải; β, α: các h sệ ố tuầnhoà n.
Giả thiết bài toán ính toán thiết bị t h t ổ ợp AAO – Biofilter với c ác điều kiện:
- Lưu lượng nước thải: Qd = 150 m3/ng y.à Đêm - Thời gian làm việc của bể: 20 giờ
- Hàm lượng BOD5 dòng vào AAO: BOD5,0 = 350 mg/l - Hàm lượng BOD5 dòng ra AAO: BOD5,r = 20 mg/l - Hàm lượng nitơ tổng dòng vào: (NH4+)0 = 45 mg/l
Q
αQ
αQ
Q BF
Ana Ano O
βQ
(1+β)Q
Lắng 2
B (1+α)Q
- Hàm lượng cặn dòng ào: SS v 0 = 350 mg/l - Hàm lượng cặn dòng ra: SSr = 50 mg/l - Hàm lượng vi sinh: MLSS = 1750 mg/l - Chỉ s ố thể tích bùn: SVI = 120 ml/g - Nhiệt độ : T = 25.5oC
- Giá đệm vi sinh: 4.5 triệu đồng/m3 - Giá bê tông: 30 triệu đồng/m3
* Tính toán bể xử lý aeroten hỗn hợp:
- Thời gian lưu nước cần thiết để khử NH4+:
+ Tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn Nitrat hoá trong điều kiện vận hành bể ổn định [...]:
[ ]
2
0.098(T - 15)
N Nmax v
N v O
N DO
μ = μ e 1 - 0.833(7.2 - pH)
K - N K - DO
Chọn μNmax = 0.45 ngày -1 ở 15oC, KN = 100.051T – 1.158 = 1,388 KO2 = 1.3 mg/l; pH = 6.7
μN = 2.166 ngày -1
+ T ốc độ s dử ụng NH4+ c ủa vi khuẩn nitrat hoá theo y u cầu ê đầu ào v và ra:
N
N
ρ = KN
K + N
N
N
K = μ = 13.5375
Y ngày -1, với YN = 0.16;
ρN = 9.693 mg NH4+/ mg bùn Nitrat, ngày + Thời gian lưu bùn nitrat:
d C
1 = Y.ρ - K θ
Lấy KdN = 0.04 ngày -1
θC = 0.66 ngày = 15,88 giờ
+ Thành phần ho tạt ính ủa vi khuẩn Nitrat hoá c trong bùn hoạt ính: t XN = fN.X
4v 4r
N
5v 5r 4v 4r
0.16(NH - NH ) f =
0.6(BOD - BOD ) + 0.16(NH - NH ) fN = 0.032
XN = 56,78 mg/l
+ Thời gian cần thiết để Nitrat hoá:
4v 4r
N
h N N
NH - NH θ = V =
Q ρ X
θN = 0.075 ngày = 1.8 giờ + Thể tích c ần cho Nitrat hoá:
VN = Qh.θN = 13.5 m3
- Thời gian lưu nước cần thiết để khử BOD:
+ Tốc độ oxy hoá BOD5 cho 1mg/l bùn hoạt tính trong một ngày:
Lấy thời gian lưu bùn bằng thời gian lưu bùn nitrat hoá
d C
1 = Y.ρ - K θ
Lấy Kd = 0.04 + 0.0075(T - 20) = 0,081 ngày -1 ; Y = 0.6
ρ = 2.66 mg BOD/mg bùn ho ạt tính.ngày + Thời gian cần thiết để khử BOD5:
5v 5r
BOD - BOD θ = V =
Q ρX
θ = 0.071 ngày = 1.7 giờ
- Dung tích vùng Oxic của bể để oxy hoá lấy theo thời gian lưu nước để khử nitrat:
VO = VN = 13.5 m3
- Dung tích vùng Anoxic để khử NO3- thành N2:
3
2
3v 3r
NO
2 N
NO - NO θ = V =
Q ρ X
Lấy NO3v = NH4,0 – NH4,r = 45 – 3.5 = 41.5 mg/l
( )
3v 3r
NO 100 - γ NO =
100 ; với γ là tỷ lệ khử NO3, lấy γ = 95% NO3r = 2.075 mg/l
2T 2 o
(T - 20)
N N 20 C
ρ = ρ * 1.09 * (1 - DO), lấy ρN20°C = 0.1 mg NO3-/mg bùn hoạt tính. ngày; DONO3 = 0.15 mg/l ρN2T = 0.1365 ngày -1
θNO3 = 0.165 ngày = 3.96 giờ
VAno = 29.7 m3
- Dung tích vùng yếm khí để giải phóng photpho:
VAna = VO = 13.5 m3
- Dung tích bể Aeroten hỗn hợp theo tính toán:
VAe = VO + VAno + VAna = 56.7 m3 - Thể tích thực của bể Aeroten hỗn hợp:
Chọn chiều cao mức nước trong bể ha = 4.5 m diện tích đáy bể Sa = 12.6 m2.
Chiều cao thực của bể: H = 4.8 m
Thể tích thực của bể: V = 60.48 m3 - Chi phí xây dựng bể Aeroten:
Chọn chiều dày tường là 0.2 m
* Tính toán lượng oxy:
- Lượng oxy cần thiết theo lý thuyết cho quá trình xử lý kết hợp khử BOD và NH4+:
v,Ae r v,Ae r
0
Q(S - S ) (4.57 - 2.86*50%*γ)(N - N )Q
OC = +
1000 1000
Trong đó (2.86*50%*γ) là lượng oxy tận dụng được ừ quá trình khử NO t 3-
thành N2.
Lấy tỷ lệ lượng cặn bùn ho ạt tính sinh ra do giảm chất nền Yb = 0.6; hiệu suất khử NO3-: γ = 95%
OC0 = 3.619 KgO2/m3 - Lượng oxy cần thiết thực tế:
t 0 s20 (T - 20)
sh d
C 1 1
OC = OC
βC - C 1.024 α
Lấy Csh = 13.154 – 0.326* T + 0.003942*T2 = 7.4043 mg/l Cs20 = 13.154 – 0.326* 20 + 0.003942*20*20 = 8.2108 mg/l
Hệ s ố điều chỉnh s cức ăng bề mặt tính theo hàm lượng muối β = 1 α = 0.7 tương ứng với thiết bị phân phối í kh loại bọt mịn
Hàm lượng oxy cần duy trì trong bể Cd = 2 mg/l
OCt = 6.8949 KgO2/m3(mg/l)
* Tính toán biofilter:
- Hệ số hồi lưu tính theo nitơ:
4,0 4,r
N
4,r
NH - NH
α = - 1
NH = 10.857
- Lưu lượng tuần hoàn nước thải:
Qr =Q(1 + αN) = 88.928 m3/h
Chọn bơm có công suất áy bơm là 14 m m 3/h, công suất êu thụ iti đ ện là 1.6 kw/h
S bố ơm cần thiết = Qr/14 = 6.352 Chọn s bố ơm là 8 cái
- Lượng oxy hoà tan cần đạt được sau biofilter:
DOf = OCt* 1.5 = 10.3424 mg/l
S dử ụng mô hình để tính toán, ta có lượng oxy hoà tan sau biofilter là:
DOft = 10.8763 mg/l
Tương ứng ới b v iofilter có lưu lượng tuần hoàn Qr = 88.928 m3/h; chiều cao lớp đệm Hvl = 4 m; số ống thổi í kh n = 7; đường kính ống Φ = 50.10-3 m.
- Lượng BOD5 dòng ào iofilter: v b
5,0 0 5,r r
r
0 r
BOD .Q + BOD .Q
S = Q + Q = 45.6667 mg/l
- Thể tích c b lủa ể ọc:
Vb = 0.18*Qd = 27 m3
* Tính toán bể lắng 2 [5]:
- Dung tích bể lắng 2: VL = 0.8*0.12*Q = 14.4 m3 Chọn chiều sâu bể lắng H = 4.5 m
Diện tích lắng: 3.2 m2 Thời gian lắng: 1.92 giờ.
* Trường hợp bể aeroten hỗn hợp sử dụng máy thổi khí để cấp oxy:
- Lượng không khí cần thiết:
t t
K
a
OC OC
Q = f = f
OU Ou.h
Lấy công su à ất ho tan oxy vào nước thải c ủa thiết bị phân phối tính theo gO2
cho 1m3 ôkh ng kh , ở độ sâí u ngập ước h = 1m: Ou = 7 gO n 2/m3.m Hệ s ố an toàn f = 1.75
QK = 383 049. m3/ngày.
Công suất áy thổi í m kh = QK/OE = 0.319 kW (Lấy OE = 1.2*103 gO2/kW)
Chọn máy thổi í có côkh ng suất 0.4 kW
* Chi phí đầu tư và vận hành cho tổ hợp thiết bị AAO – Biofilter:
- Chi ph đí ầu t : 636.1348 triệu ư VND - Suất đầu tư: 4.42 triệu VND/m3 - Chi ph ận ành 415 VND/mí v h : 3
*Chi phí đầu tư và vận hành cho thiết bị AAO sử dụng máy thổi khí:
- Chi ph ận ành 3646.8 VND/mí v h : 3
Lập trình ính toán ương tự ê t t tr n máy tính và tính toán chí phí cho mộ ốt s nguồn nước thải khác nhau, chúng i thu được các kết quả tô sau.
* Tính toán chí phí cho quá trình xử lý nước thải bệnh viện với công suất xử lý từ 100 – 500 m3/ngày. đêm, với các thông số dòng vào:
- Hàm lượng BOD5 dòng ào 250 mg/l v :
- Hàm lượng nitơ ính theo NH t 4+ dòng o: 45 mg/l và Kết quả tính toán được như sau:
Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) 100 300 500 Hệ thống xử lý AAO - Biofilter
* Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 717.295 1602.521 2409.729
- Đầu tư vỏ filter 90 270 450
- Chi phí xây lắp Aeroten và bể lắng 2 458.3603 875.052 1201.816
- Chi phí đệm vi sinh 72 216 360
- Chi phí máy bơm 27.79 67.49 111.16
- Chi phí đường ống 13.5648 38.9988 64.4328
* Suất đầu tư (triệu VND/m3) 7.17 5.3417 4.819 * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) 0.256 0.0853 0.0768 * Chi phí vận hành (VND/m3) 998.4 332.8 299.52 Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thông thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 993.1 2679.145 4250.118 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 9.93 8.93 8.5 * Chi phí vận hành (VND/m3) 2394.8 1809.7 1588.675
Bảng 2.5: Tính toán chi phí đầu tư và chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải bệnh viện theo công nghệ AAO – Biofilter và
theo phương pháp Aeroten thông thường.
* Tính toán chí phí cho quá trình xử lý nước thải đô thị với công suất xử lý từ 5000 – 15000 m3/ngày. đêm, với các thông số dòng vào:
- Hàm lượng nitơ ính theo NH t 4+ dòng o: 45 mg/l và Kết quả tính toán được nh sau:ư
Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) 5000 15000 Hệ thống xử lý AAO - Biofilter
* Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 16615.06 46214.14
- Đầu tư vỏ filter 4500 13500
- Chi phí xây lắp Aeroten và bể lắng 2 5988.548 14429.91
- Chi phí đệm vi sinh 3600 10800
- Chi phí máy bơm 702 2074.8
- Chi phí đường ống 420.5088 1259.831
* Suất đầu tư (triệu VND/m3) 3.323 3.0809 * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) 0.07392 0.064 * Chi phí vận hành (VND/m3) 288.288 249.849 Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thông thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 34588.29 93310.77 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 6.9176 6.2207 * Chi phí vận hành (VND/m3) 938.726 709.37
Bảng 2.6: Tính toán chi phí đầu tư và chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải đô thị theo công nghệ AAO – Biofilter và
theo phương pháp Aeroten thông thường.
* Tính toán chí phí cho quá trình xử lý nước thải tập trung các khu công nghiệp với công suất xử lý từ 5000 – 15000 m3/ngày. đêm, với các thông số dòng vào:
- Hàm lượng BOD5 dòng ào: 500 mg/l v
- Hàm lượng nitơ ính theo NH t 4+ dòng o: 45 mg/l và Kết quả tính toán được nh sau:ư
Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) 2000 5000 Hệ thống xử lý AAO - Biofilter
* Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 7708.646 17615.13
- Đầu tư vỏ filter 1800 4500
- Chi phí xây lắp Aeroten và bể lắng 2 3043.633 5988.548
- Chi phí đệm vi sinh 1440 3600
- Chi phí máy bơm 335.4 826.8
- Chi phí đường ống 418.81 1046.185
* Suất đầu tư (triệu VND/m3) 3.854 3.523 * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) 0.0924 0.0813 * Chi phí vận hành (VND/m3) 360.36 317.12 Hệ thống xử lý theo phương pháp
Aeroten hay AAO thông thường
* Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) 16770.33 38372.2 * Suất đầu tư (triệu VND/m3) 8.385 7.674 * Chi phí vận hành (VND/m3) 1738.839 1376.527
Bảng 2.7: Tính toán chi phí đầu tư và chi phí vận hành cho hệ thống xử lý nước thải t ậptrung các khu công nghiệp theo công nghệ AAO – Biofilter
và theo phương pháp Aeroten thông thường Nhận xét:
Qua tính toán ơ ộ s b thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter và AAO th ng thườngô cho thấy việc s dử ụng thiết bị t hổ ợp AAO – Biofilter cho phép giảm chi phí vận hành ới t 3, 4 ần. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc đưa công nghệ xử lý l nước thải tiếp ận c d dễ àng ơn với cuộc sống, nhất là trong giai đoạn hiện h nay, khi mà c côác ng trình xử lý nước thải mặc dù đã được đầu ư t xây dựng nhiều xong qu trình hoạt động lại ôá kh ng hiệu quả do chi phí vận hành òn c cao trong khi nguồn phí thu về lại ôkh ng có nên nhiều c s ơ ở đã tự ý dừng hoạt động c c hủa ác ệ thống xử lý. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng thấy ằng r chi phí đầu tư cho hệ thống công nghệ ử lý kết hợp x AAO – Biofilter cũng giả đm i so với c ác phương pháp ôth ng thường do không phải sử dụng nhiều đến các thiết bị đắt tiền như ấy thổi í m kh , cũng như ặt bằng xây dựng c b m ác ể.