136
Dựa vào nguyên lý cơ bản về cân bằng khối lượng, thiết lập phương trình cân bằng khối lượng của bùn (sinh khối) và cơ chất trong hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng như sau (Đỗ Khắc Uẩn, 2010):
V(dX/dt) = Qi Xi + Rb V – Qw Xw – Qe Xe (3.2319) V(dS/dt) = Qi Si + Rs V - Qw Sw – Qe Se (3.2420) trong đó: Qi - lưu lượng nước thải đầu vào, L/ngày;
Qe - lưu lượng nước sau xử lý, L/ngày;
Qw - lưu lượng thải bùn dư, L/ngày;
S - nồng độ cơ chất trong bể sinh học, mg/L;
Sw - nồng độ cơ chất trong bùn dư, mg/L;
Xi - hàm lượng bùn trong nước thải đầu vào, mg/L;
X - hàm lượng bùn trong bể sinh học, mg/L;
Xe - hàm lượng bùn trong nước sau xử lý, mg/L;
Xw - hàm lượng bùn thải ra, mg/L;
Si - nồng độ cơ chất trong nước thải đầu vào, mg/L;
Se - nồng độ cơ chất trong dòng sau xử lý, mg/L;
Rs - tốc độ sử dụng cơ chất mg/L.s;
Rb - tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn, mg VSS/L.s;
V - thể tích bể phản ứng, L.
Hình 3.29265. Sơ đồ biểu diễn cân bằng khối lượng trong bể MBR
Giả thiết bể sinh học được khuấy trộn đồng đều, dòng vào và dòng ra không chứa bùn, tức là:
Xi= 0, Xe = 0, Xw= X, Sw= S (3.2521) Ở điều kiện ổn định:
dX/dt = 0; dS/dt = 0 (3.2622) Mối quan hệ giữa hệ số sản lượng sinh khối lý thuyết (Y) với Rs và Rb được biểu diễn theo phương trình (3.2723):
Qi, S
i, X
i
Qe, S
e, X
e
Qw, S
w, X
w
Dòng vào S, X
Dòng ra
Rb = - Y.Rs (3.2723) Ngoài ra, hệ số sản lượng sinh khối thực (Yo) có thể xác định được thông qua phương trình (3.2824):
Yo = Y / (1 + kd.θb) (3.2824) trong đó: kd - hệ số phân hủy nội bào, (1/ngày).
Đối với hệ thống sinh học kết hợp lọc màng, thời gian lưu thủy lực (θ) và thời gian lưu bùn (θb) tính được theo các phương trình (3.2925) và (3.3026):
θ = V / Qe ; θb = V / Qw (3.2925) và Qi = Qw + Qe (3.3026)
Thay các phương trình (3.2521) và (3.2622) vào các phương trình (3.2319) và (3.2420), sau đó biến đổi và kết hợp với các phương trình (3.2723), (3.2824), (3.2925) và (3.3026), xác định được X (biểu diễn nồng độ BHT trong bể lọc màng) như sau:
X = [ + ] (3.3127) Sản lượng bùn dư trong hệ thống được tính bằng:
M = (3.3228) Thay (3.3127) vào (3.3228), biến đổi và kết hợp với các phương trình (3.2925) và (3.3026), thu được phương trình tính sản lượng bùn dư:
M (mg VSS/ngày) = [ ]
(3.3329)
Trong phương trình (3.3329), các thông số động học liên quan tới vi sinh cần quan tâm là hiệu suất sinh khối tạo thành Y và hằng số phân hủy nội bào kd. Khi giá trị Y cao đồng nghĩa với sản lượng bùn dư cần thải bỏ cao. Giá trị kd thấp thể hiện khả năng duy trì hoạt tính cao của VSV. Các giá trị Y và kd thay đổi tùy theo bản chất của từng loại nước thải.
Trong xử lý hiếu khí nước thải sinh hoạt, các thông số động học sử dụng để tính toán như sau: kd: 0,01 – 0,08/ngày và Y: 0,1 – 0,4 mg VSS/mg COD (Henze, 1992; Trouve và ncs, 1994; Metcalf và Eddy, 2003).
Kết quả nghiên cứu các thông số động học của BHT được nuôi trong nước thải giàu chất dinh dưỡng (nitơ, phôtpho) như nước thải lò mổ có các giá trị kd:
138
0,037 – 0,051/ngày và Y: 0,205 – 0,284 mg VSS/mg COD (Pradyut và ncs, 2013). BHT trong bể MBR xử lý nước thải chăn nuôi lợn của nhóm nghiên cứu Kornboonraksa (2009) có các giá trị kd: 0,013 /ngày và Y: 0,78 mg VSS/mg COD. Nhìn chung, BHT thích nghi với nước thải giàu dinh dưỡng và tăng trưởng sinh khối nhanh. Do đó, lựa chọn các giá trị cho hệ nghiên cứu: kd: 0,04/ngày và Y: 0,55 mg VSS/mg COD.
Khi vận hành mô hình hệ thống sinh học quy mô phòng thí nghiệmMBR với các điều kiện tối ưu đã lựa chọn, có: Hệ xử lý nghiên cứu có lưu lượng nước thải vào bể MBR Qi = 240 (L/ngày); thời gian lưu bùn θb = 50 ngày; thời gian lưu nước trong bể MBR θ = 0,46 ngày. Nồng độ cơ chất đầu vào bể MBR sau các giai đoạn xử lý yếm khí và thiếu khí còn lại trung bình khoảng Si = 400 mg/L; giá trị COD đầu ra trung bình khoảng Se = 52 mg/L; và cơ chất trong bể MBR khoảng S = 220 mg/L. Thay các giá trị vào phương trình (3.343329):
M = [ ] = 15245 mgVSS/ngày
Như vậy, lượng bùn dư sinh ra mỗi ngày là:
Qw = = = 2,22 L/ngày (3.340) (với tỷ số MLVSS/MLSS = 0,76 và hàm lượng bùn trong bể sinh học là 9000 mg/L)
Lượng bùn dư sinh ra thấp có thể được giải thích là do tỷ số F/M thấp (do sử dụng nồng độ BHT trong bể lớn, 9000 mg/L) và thời gian lưu bùn SRT dài (50 ngày). Tuy nhiên, khi SRT dài sẽ làm tăng độ nhớt của BHT, làm giảm khả năng chuyển khối của oxy ôxy trong bể MBR, dẫn đến làm tăng chi phí năng lượng cho quá trình sục khí. Do đó, cần kiểm soát nồng độ BHT trong bể MBR chặt chẽ, để đảm bảo tốc độ chuyển khối của oxy ôxy có hiệu quả nhất.
Để duy trì hàm lượng BHT khoảng 9000 mg/L trong bể MBR, lượng bùn dư cần tháo ra mỗi ngày khoảng 2,22 lít. Lượng bùn dư sinh ra thấp nên rút ngắn được thời gian tháo bùn và giảm chi phí xử lý bùn dư. Trong quy mô nghiên cứu này, lượng bùn dư sinh ra được tận dụng lại bằng cách nuôi dưỡng trong các bể xử lý bên ngoài để dự phòng thay thế phòng khi trường hợp hệ xử lý gặp sự cố.