Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải sinh hoạt trên thiết bị tổ hợp Aeroten-Biofilter

V Ũ P H Ư Ơ N G

T H U Y Ê N

K Ỹ T H U Ậ T M Ô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRÊN THIẾT BỊ TỔ HỢP AEROTEN - BIOFILTER

I T R Ư Ờ N G

VŨ PHƯƠNG THUYÊN

2 0 0 6 - 2 0 0 8

Hà Nội 2008

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRÊN THIẾT BỊ TỔ HỢP AEROTEN - BIOFILTER

NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

VŨ PHƯƠNG THUYÊN

23.04.3898

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TSKH.NGUYỄN XUÂN NGUYÊN

Hà Nội 2008

1 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Lời mở đầu

Như chúng ta đã biết, quá trình xử lý nước thải là một quá trình phức tạp bao

gồm các quá trình vật lý, chuyển hoá hoá học và chuyển hoá sinh học. Việc

mô hình hoá các quá trình này cho phép chúng ta linh hoạt hơn trong tính toán

thiết kế các quá trình xử lý nước thải, tối ưu hoá quá trình nhằm đạt hiệu quả

cao, đơn giản hoá vấn đề xử lý nước thải trong công tác bảo vệ môi trường.

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiện nay được xem là phương

pháp phổ biến, được áp dụng rộng rãi để xử lý hầu hết các loại nước thải giàu

hữu cơ như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp nói chung, nước thải

công nghiệp một số ngành điển hình như công nghiệp chế biến thực phẩm,

nước thải bệnh viện, nước rác…Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

thông thường được chia thành hai quá trình: xử lý hiếu khí và xử lý yếm khí;

trong đó xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí là được sử dụng

rộng rãi hơn cả do hiệu quả xử lý cao, triệt để và không gây ô nhiễm thứ cấp.

Tuy nhiên, công nghệ xử lý hiếu khí lại có nhược điểm là chi phí đầu tư xây

dựng, chi phí vận hành_đặc biệt là chi phí cho năng lượng cấp khí tương đối

cao. Do đó trong thực tế thiết kế các hệ thống xử lý hiện nay người ta cũng đã

có nhiều nghiên cứu ứng dụng cho thấy việc thực hiện các quá trình xử lý kết

hợp các kỹ thuật xử lý yếm khí, hiếu khí cho phép chúng ta có thể giảm được

đáng kể các chi phí này.

Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi đã xây dựng mô hình quá trình xử lý

nước thải sinh hoạt trên thiết bị tổ hợp Aeroten – Biofilter (BFA) nhằm tối ưu

hoá quá trình hoà tan oxy trên cơ sở tính toán đồng bộ Biofilter và Aeroten

cao tải, nhằm giảm chi phí vận hành nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý cao.

Trong quá trình thực hiện, chúng tôi không tránh khỏi những thiếu sót. Rất

mong nhận được những góp ý của các thầy cô và các chuyên gia để chúng tôi

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

tiếp tục hoàn thiện mô hình này trong thời gian tới, nhằm cung cấp thêm một

2 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

phương pháp mới trong lĩnh vực xử lý nước thải ở nước ta hiện nay, góp phần

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

bảo vệ môi trường ngày càng hiệu quả hơn.

3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Phần I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I.1. Tổng quan về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh

học hiếu khí

I.1.1. Cơ sở lý thuyết

Phương pháp sinh học hiếu khí là phương pháp sử dụng các vi sinh vật hiếu

khí để phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải trong điều kiện được cấp

đủ oxy và ở điều kiện nhiệt độ, pH thích hợp. Bản chất của phương pháp này

là quá trình oxy hoá sinh hoá hay quá trình lên men bằng vi sinh vật. Các vi

sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải

làm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển. Sản phẩm tạo thành của

quá trình lên men là sinh khối vi sinh vật, các chất đơn giản như CO2, H2O,

NH3,…và năng lượng. Cơ chế của quá trình gồm ba giai đoạn như sau:

- Giai đoạn vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ trong nước thải để sinh

Men vi sinh vật CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O2  x CO2 + [(y-3)/2] H2O + NH3 + ΔH

trưởng:

(1.1)

- Giai đoạn tổng hợp xây dựng tế bào mới, vi sinh vật phát triển luỹ tiến

Men vi sinh vật CxHyOzN + NH3 + O2  x CO2 + C5H7NO2 + ΔH (1.2)

về số lượng:

- Giai đoạn chuyển hoá các chất của tế bào (tự oxy hoá) khi không còn

Men vi sinh vật C5H7NO2 + 5 O2  x CO2 + NH3 + H2O + ΔH (1.3)

Men vi sinh vật Men vi sinh vật NO3 + O2  HNO2 + O2  HNO3 (1.4)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

đủ cơ chất cho quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào:

4 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Như vậy quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí phụ

thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ có trong nước thải, nồng độ oxy cung cấp

cho quá trình oxy hoá cũng như hoạt tính của vi sinh vật.

I.1.1.1. Xác định nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải

Nước thải theo định nghĩa là nước được thải ra trong quá trình sinh hoạt, sản

xuất của con người hoặc nước do chảy qua vùng đất ô nhiễm làm thay đổi

thành phần, tính chất ban đầu của nước. Tuỳ thuộc vào nguồn gốc phát sinh

mà nước thải có các thành phần ô nhiễm khác nhau. Thông thường nước thải

chứa rất nhiều các hợp chất, với số lượng và nồng độ cũng rất khác nhau.

Việc xác định từng thành phần ô nhiễm cũng như nồng độ của chúng là rất

phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tiền của. Do vậy, người ta

thường dựa vào một số chỉ tiêu để xác định mức độ ô nhiễm.

Các chỉ tiêu để đánh giá định lượng nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải

thường được xác định thông qua lượng oxy tiêu thụ cho quá trình oxy hoá các

chất hữu cơ đó; nếu là quá trình oxy hoá hoá học, người ta xác định nhu cầu

oxy hoá học (COD_Chemical Oxygen Demand); nếu là quá trình oxy hoá

sinh học, người ta xác định nhu cầu oxy sinh hoá (BOD_ Biochemical

Oxygen Demand). Ngoài ra, người ta cũng có thể xác định nồng độ nhiễm

bẩn hữu cơ thông qua tổng hàm lượng cacbon hữu cơ ( TOC_Total Organic

Carbon). Một chỉ tiêu nữa cũng thường được dùng để đánh giá mức độ nhiễm

bẩn hữu cơ là độ oxy hoà tan (DO_Dissolved Oxygen) do trong nước thải oxy

được dùng nhiều cho quá trình sinh hoá nên dẫn đến hiện tượng giảm lượng

oxy hoà tan, đây cũng là cơ sở để xác định nhu cầu oxy hoá sinh học BOD.

a. Xác định hàm lượng oxy hoà tan DO

Oxy hoà tan là thành phần không thể thiếu trong quá trình xử lý nước thải

bằng phương pháp sinh học hiếu khí, oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất ở sinh vật.

5 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Oxy là chất khí khó tan trong nước, độ hoà tan của nó phụ thuộc vào nhiều

yếu tố như áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nước, chế độ thuỷ lực, các quá trình

hô hấp, quang hợp của các loài thuỷ sinh…Nồng độ bão hoà của oxy trong

nước ở nhiệt độ cho trước có thể tính theo định luật Henry.

Trong nước thải, hàm lượng oxy hoà tan thường rất thấp do quá trình oxy hoá

làm tiêu tốn một lượng oxy đáng kể.

Để xác định nồng độ oxy hoà tan trong nước người ta thường dùng phương

pháp iot (hay còn gọi là phương pháp Winkler). Phương pháp này dựa vào

quá trình oxy hoá Mn2+ thành Mn4+ trong môi trường kiềm và Mn4+ lại có khả

năng oxy hoá I- thành I2 tự do trong môi trường axit. Lượng I2 tự do được giải

phóng sẽ tương đương với oxy hoà tan trong nước. [3]

- Nếu không có oxy:

Mn2+ + 2 OH-  Mn(OH)2 ↓ (1.5)

(trắng)

- Nếu có oxy:

Mn2+ + 2OH- + ½ O2  MnO2↓ + H2O (1.6)

(nâu) MnO2 + 2I- + 4H+  Mn2+ + I2 + 2H2O (1.7)

Ngoài ra, cùng với sự phát triển của khoa học hiện đại người ta cũng có thể

xác định được tương đối chính xác hàm lượng oxy hoà tan bằng các máy đo

DO khác nhau.

b. Xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD

Nhu cầu oxy sinh hoá là lượng oxy cần thiết mà vi sinh vật sử dụng để oxy

hoá các chất hữu cơ, hay nói cách khác, BOD là thông số biểu thị cho nồng độ

các chất hữu cơ có trong nước thải mà có thể bị phân huỷ sinh học. Khi quá

trình oxy hoá xảy ra, các vi sinh vật sử dụng oxy và các chất hữu cơ có trong

nước thải làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để sinh tổng hợp các sinh

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

chất và tạo thành tế bào mới.

6 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Trong thực tế, để xác định được lượng oxy tiêu tốn cho quá trình oxy hoá

hoàn toàn các chất hữu cơ cần một khoảng thời gian khá dài, khoảng từ 10 –

20 ngày thậm chí là lâu hơn, do đó người ta thường chỉ xác định lượng oxy

cần thiết trong 5 ngày đầu, ở nhiệt độ ủ 20oC, thông qua xác định lượng tổng

BOD =

mg/l (1.8)

DO -DO 1 P

lượng oxy hoà tan trong mẫu pha loãng ở ngày đầu và ngày thứ 5:

trong đó:

- DO1 : nồng độ oxy hoà tan của mẫu nước thải pha loãng trước khi ủ

(mg/l)

- DO2 : nồng độ oxy hoà tan của mẫu nước thải pha loãng sau khi ủ 5

ngày ở 20°C (mg/l)

- P : tỷ số pha loãng

= - K*L

(1.9)

dL dt

Phương trình động học của quá trình oxy hoá sinh học được mô tả như sau:

trong đó:

- Lt : hàm lượng BOD tại thời điểm t

- K : hằng số tốc độ phản ứng

Lấy tích phân phương trình (1.9) với điều kiện đầu t = 0, Lt = L0 ta được:

Lt = L0* e-Kt (1.10)

Từ phương trình này dễ dàng nhận ra rằng nhu cầu oxy sinh hoá luôn tỷ lệ với

hằng số tốc độ phản ứng K, hay lượng chất hữu cơ có khả năng tham gia phản

ứng sinh hoá thì tỷ lệ với tốc độ phản ứng. Khi tốc độ phản ứng tăng thì hằng

số tốc độ phản ứng K tăng. Tốc độ của phản ứng sinh hoá phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như đặc tính của các chất hữu cơ trong nước thải, nồng độ cũng

như khả năng phân huỷ các chất ô nhiễm của vi sinh vật, nhiệt độ môi trường

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

nước thải…

7 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Việc xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD trong thực tế chỉ thu được giá trị

tương đối, bởi vì ngoài quá trình oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ cũng có

thể tồn tại song song quá trình oxy hoá các hợp chất nitơ làm cho nhu cầu oxy

tăng lên, dẫn đến sai lệch giá trị của BOD. Do vậy, để xác định BOD, người

ta cũng cần phải xác định lượng oxy tiêu thụ cho quá trình nitrit hoá.

c. Xác định nhu cầu oxy hoá học COD

Nhu cầu oxy hoá học COD là chỉ số biểu thị cho hàm lượng chất hữu cơ có

trong nước thải, là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các hợp

chất hữu cơ nhờ sự xúc tác của một tác nhân oxy hoá mạnh. Phương pháp xác

định COD phổ biến hiện nay là phương pháp bicromat. Phương pháp này sử

dụng bạc sunfat làm chất xúc tác, ở nhiệt độ sôi và trong môi trường axit để

oxy hoá các chất hữu cơ. Tuy nhiên phương pháp này cũng có hạn chế đối với

một vài hợp chất chứa nitơ, ví dụ như metylamin, etylamin, pyridin,… bị oxy

hoá rất chậm, trong khi đó cũng có một vài hợp chất vô cơ lại bị oxy hoá cùng

với các hợp chất hữu cơ như ion clorua, nitrit, sunfit,..dẫn đến sai lệch trong

kết quả.

I.1.1.2 Xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

a. Quá trình phát triển của vi sinh vật trong môi trường nước thải

Nước thải khi mới thải ra môi trường thường có rất ít vi sinh vật, tuy nhiên

chỉ sau một thời gian rất ngắn vi sinh vật cũng đã có thể phát triển lên gấp

nhiều lần. Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ có mặt trong nước thải làm

nguồn dinh dưỡng để tổng hợp sinh chất tế bào mới và tạo ra năng lượng.

Như vậy trong quá trình sinh trưởng và phát triển của mình, vi sinh vật đã làm

tiêu hao các cơ chất có trong nước thải, đồng thời tạo ra sinh khối vi sinh vật

hay bùn hoạt tính. Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong môi trường

nước thải thường được nhận biết qua khối lượng tăng sinh khối vi sinh vật,

bao gồm cả khối lượng vi sinh vật đã chết và các tạp chất khác. Quá trình này

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

được chia thành các giai đoạn mô tả như hình 1.1.

8 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

III

l / g m

i ố h k h n i s ộ đ g n ồ N

Thời gian,t

Hình 1.1: Đường cong sinh trưởng của tế bào và việc sử dụng dinh dưỡng

- Giai đoạn I: giai đoạn thích nghi với môi trường sống, sinh khối tăng

chậm.

- Giai đoạn II: giai đoạn phát triển luỹ tiến, vi sinh vật phát triển mạnh

mẽ trong điều kiện dư thừa dinh dưỡng của môi trường, tốc độ tăng

trưởng phụ thuộc vào khả năng trao đổi chất của vi sinh vật hay tốc độ

sinh trưởng riêng của từng loại vi sinh vật và được xác định bằng biểu

µ .

r g

thức:

dX τ d

(1.11)

rg: tốc độ tăng trưởng sinh khối (mg/l.t)

X: nồng độ của sinh khối (mg/l)

µ: hằng số tốc độ sinh trưởng (l/τ)

τ: thời gian

- Giai đoạn III: giai đoạn phát triển chậm dần, khối lượng sinh khối tăng

không đáng kể, thậm chí đạt mức cân bằng do nguồn dinh dưỡng trong

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

môi trường cạn kiệt dần.

9 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

- Giai đoạn IV: giai đoạn phân huỷ nội sinh, khi nguồn dinh dưỡng từ

môi trường cạn kiệt, các chất dinh dưỡng từ tế bào chết được thải ra

môi trường để nuôi dưỡng các tế bào sống.

Để mô tả cho quá trình sinh trưởng của vi sinh vật người ta thường sử dụng

mô hình động học Monod, đây là mô hình phổ biến nhất hiện nay và được

xem là nền tảng để xây dựng các mô hình xử lý bùn hoạt tính hiện đại.

µ µ= .o

Phương trình của mô hình này có dạng:

S + S K

(1.12)

Trong đó

- S: nồng độ cơ chất chính hạn định sinh trưởng của vi sinh vật (mg/l)

- Ks: hằng số bão hoà, là nồng độ cơ chất hạn định khi µ = µo/2 (mg/l)

- µo: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại

µ (l/τ)

µ0

µ0/2

S (mg/l)

Phương trình này cũng được minh hoạ trên hình 1.2.

Hình 1.2: Ảnh hưởng của yếu tố dinh dưỡng chính lên tốc độ sinh trưởng

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Kết hợp hai phương trình (1.11) và (1.12) ta có:

10 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

r g

µ= o

. X S + S K

(1.13)

Gọi rs là tốc độ sử dụng chất dinh dưỡng hay tốc độ tiêu hao chất dinh dưỡng

rg = - Y.rs (1.14)

= −

r s

trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị thể tích ta có:

)

µ X S . . o + Y S K

hay: (1.15)

trong đó Y là hiệu suất tạo thành sinh khối, biểu thị cho lượng sinh khối tạo

thành khi tiêu hao một lượng cơ chất nhất định.

Từ phương trình (1.15) cho thấy, trong quá trình xử lý nước thải bằng phương

pháp sinh học, hiệu xuất xử lý hay tốc độ tiêu hao cơ chất trong nước thải sẽ

tỷ lệ thuận với tốc độ tăng trưởng riêng hay hoạt tính của vi sinh vật, với mật

độ vi sinh vật trong nước thải, với nồng độ cơ chất và hiệu suất tạo thành sinh

khối.

Tích phân (1.15) theo thời gian với điều kiện ban đầu t = 0, S = So, với giả

thiết nồng độ vi sinh vật trong suốt thời gian phản ứng là không đổi X =

const, ta có:

Ks.ln(So/S) + So – S = (µo/Y).X.t = k.X.t (1.16)

trong đó k = µo/Y gọi là hệ số tiêu thụ cơ chất riêng của vi sinh vật.

Do Ks << S nên có thể bỏ qua số hạng đầu của (1.16), khi đó ta được:

S = So – k.X.t (1.17)

Đây là phương trình động học phản ứng bậc 0 với hệ số k.

Thực tế quá trình xử lý nước thải thường sử dụng nhiều loại vi sinh vật khác

nhau, và trong hệ thống xử lý cũng thường xảy ra đồng thời nhiều quá trình

chuyển hoá với tốc độ khác nhau, do đó các mô hình động học được đề cập

thường thu được các thông số không mấy đặc trưng cho quá trình phát triển

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

của vi sinh vật.

11 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật

hiếu khí.

Đối với quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, ngoài

các yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình xử lý như nồng độ cơ chất, nồng độ

vi sinh vật, hàm lượng oxy hoà tan, còn có các yếu tố khác có ảnh hưởng đáng

kể tới hiệu xuất xử lý của hệ thống có thể kể đến như là nhiệt độ, pH, các

nguyên tố khoáng, kim loại, chế độ thuỷ lực của hệ thống. Các yếu tố này có

ảnh hưởng tới quá trình phát triển của vi sinh vật và qua đó làm ảnh hưởng tới

hiệu quả của quá trình xử lý tiêu hao cơ chất trong nước thải.

Đa số các loài vi sinh vật đều có một khoảng nhiệt độ để phát triển tối ưu,

thông thường từ 20 – 40oC, ngoài khoảng nhiệt độ này sẽ làm ức chế sự phát

triển của vi sinh vật, thậm chí làm chết tế bào vi sinh, làm giảm khả năng

thích nghi của vi sinh vật với môi trường cũng như khả năng trao đổi chất và

chuyển hoá cơ chất của vi sinh vật. Nhiệt độ cũng làm ảnh hưởng tới tốc độ

của các phản ứng sinh hoá, cũng như khả năng hoà tan của oxy. Khi nhiệt độ

tăng, tốc độ phản ứng oxy hoá sinh hoá tăng, nhưng hàm lượng oxy hoà tan

lại giảm.

Tương tự như nhiệt độ, yếu tố pH của môi trường nước thải cũng ảnh hưởng

tới sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh, dải pH hoạt động tối ưu của vi

sinh thường từ 6.8 – 8.5, nhưng tối ưu nhất là tại pH trung tính (pH = 7).

Các nguyên tố khoáng vi lượng cũng có ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát

triển của vi sinh vật, chủ yếu là N, P, K. Đây là các nguyên tố cần thiết cho

quá trình chuyển hoá sinh hoá của vi sinh vật. Khi thiếu các nguyên tố này sẽ

làm giảm khả năng chuyển hoá làm sạch nước thải, làm giảm sinh trưởng của

vi sinh, và làm cho bùn hoạt tính trở nên khó lắng. Ngược lại khi các nguyên

tố này bị dư thừa quá mức sẽ làm ức chế hoặc làm chết vi sinh vật, và do đó

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

cũng làm giảm hoạt tính của vi sinh vật.

12 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Ngoài ra, các muối kim loại nặng cũng gây tác động không nhỏ tới quá trình

xử lý do bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ các muối này làm cho các vi

khuẩn dạng sợi phát triển mạnh gây ra hiện tượng trương phồng của bùn hoạt

tính và do đó làm giảm khả năng chuyển hoá của bùn.

I.1.2. Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải

Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải là một phương pháp hiện đại để khảo

sát, điều khiển và tối ưu hoá các quá trình xử lý. Có hai loại mô hình được sử

dụng rộng rãi là mô hình vật lý và mô hình toán học.

Mô hình vật lý là mô hình được xây dựng trên cơ sở thực tế, từ quy mô thí

nghiệm, chuyển sang quy mô pilot và quy mô sản xuất. Qua mô hình này ta

có thể đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình và qua đó có thể tính

toán điều chỉnh các thông số liên quan để quá trình đạt hiệu quả xử lý cao.

Loại mô hình thứ hai là mô hình toán học mô phỏng các quá trình xảy ra

trong hệ và mối liên hệ giữa các quá trình đó. Mô hình toán học thường mang

tính tổng quát và cho kết quả sâu sắc hơn mô hình vật lý do có tính tới các

yếu tố không thể đo đếm được bằng thực nghiệm.

Để xây dựng mô hình toán học của một hệ xử lý nước thải, về nguyên tắc

người ta cần phải thành lập dạng thức của các quá trình trên cơ sở toán học,

sau đó người ta khảo sát các quá trình xảy ra trong hệ bao gồm các quá trình

thuỷ động học của các phản ứng, các quá trình chuyển khối, quá trình truyền

nhiệt, cũng như các điều kiện đầu và biên để xây dựng phương trình toán học

mô phỏng ứng với từng quá trình. Từ các phương trình xây dựng được, người

ta mới hợp nhất lại để tạo thành mô hình toán chung cho toàn bộ quá trình xử

lý.

I.2. Quá trình xử lý nước thải trong thiết bị Aeroten

I.2.1. Quá trình trong thiết bị aeroten

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

13 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Quá trình xử lý nước thải trong thiết bị Aeroten là một dạng của quá trình xử

lý hiếu khí trong đó các vi sinh vật sinh trưởng ở trạng thái huyền phù hay

còn gọi là bùn hoạt tính, ở nồng độ cao và được khuấy trộn đều với nước thải.

Dòng vào

Dòng ra

Lắng 1

Aeroten

Lắng 2

Bùn tuần hoàn

Bùn

Không khí

Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải trong bể Aeroten được mô tả như hình 1.3.

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải bằng thông khí sinh học

Quá trình sinh học trong hệ thống xảy ra như sau: Dòng nước thải đi vào có

hàm lượng dinh dưỡng cao là môi trường thích hợp để các vi sinh vật phát

triển, lúc này bùn hoạt tính bắt đầu hình thành nhưng lượng sinh khối còn rất

ít. Sau một thời gian, các vi sinh vật dần thích nghi với môi trường nước thải,

phát triển luỹ tiến, sinh khối bùn tăng mạnh, lượng tiêu thụ oxy tăng dần do

tham gia vào quá trình oxy hoá các chất hữu cơ và các quá trình sinh hoá trao

đổi chất của vi sinh vật. Khi vi sinh vật phát triển ổn định chính là lúc quá

trình phân huỷ các chất hữu cơ đạt hiệu quả cao nhất, lượng tiêu thụ oxy gần

như không đổi. Khi các chất hữu cơ cạn kiệt thì quá trình nitrat hoá xảy ra,

lượng tiêu thụ oxy giảm dần.

Đối với hệ thống xử lý bằng bể Aeroten, việc cung cấp khí đóng vai trò rất

quan trọng tới hiệu suất của quá trình, thông thường có hai loại thông khí:

thông khí cơ học và thông khí bằng sục khí nén. Việc thông khí phải đảm bảo

bề mặt tiếp xúc giữa không khí, nước thải và bùn hoạt tính phải lớn thì hiệu

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

quả của quá trình mới cao.

14 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Có nhiều loại bể Aeroten, tuỳ theo mục đích sử dụng có thể chia thành bể

Aeroten tải trọng thấp, tải trọng cao, với tái sinh riêng biệt bùn hoạt tính hoặc

không tái sinh; hay theo quá trình hoạt động của hệ thống có thể chia thành hệ

làm việc theo mẻ, hệ bán liên tục, hệ liên tục với dòng đẩy lý tưởng, hệ liên

tục với khuấy trộn hoàn toàn.

I.2.2. Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải trong thiết bị Aeroten

Như đã trình bày ở trên, Aeroten là một thiết bị làm sạch nước thải bằng bùn

hoạt tính ở dạng huyền phù, trong đó có sử dụng hệ thống thông khí để đảm

bảo cung cấp đủ oxy cho quá trình chuyển hoá cơ chất của vi sinh vật và trạng

thái lơ lửng, phân bố đồng đều của các bông bùn. Hiệu quả của quá trình xử

lý phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng chủ yếu là do ba yếu tố chính: nồng độ

cơ chất, nồng độ và hoạt tính của vi sinh vật, nồng độ oxy hoà tan. Để mô

hình hoá Aeroten một cách đơn giản nhất, người ta cần phải xem xét tới

những diễn biến thuỷ động học của ba yếu tố chính này. Quá trình xảy ra

trong hệ là quá trình oxy hoá sinh học, các vi sinh vật sử dụng cơ chất và oxy

hoà tan trong nước thải để tạo ra năng lượng và sinh tổng hợp tế bào mới; sự

tiêu hao cơ chất tỷ lệ với lượng sinh khối tạo thành; nhu cầu tiêu thụ oxy hoà

tan phụ thuộc mật độ vi sinh vật, sự phân bố của vi sinh vật, nồng độ, thành

phần và bản chất của cơ chất. Quá trình cấp khí lại phụ thuộc vào nhu cầu oxy

hoà tan, các yêu cầu kỹ thuật nhằm ngăn ngừa hiện tượng lắng đọng của bùn,

các chế độ thuỷ động của hệ thống. Tổng quát lại có thể xem hệ thống

Aeroten là tổng hợp của hai quá trình: quá trình sử dụng cơ chất của vi sinh

vật và quá trình cấp khí.

Như vậy, để xây dựng mô hình toán của Aeroten, ta cần thiết lập được các

phương trình động học mô phỏng quá trình sử dụng cơ chất của vi sinh vật và

phương trình thuỷ động học trong thiết bị mô phỏng quá trình cấp khí. Dưới

đây là một số mô hình toán của Aeroten đã được công bố rộng rãi [1]:

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

I.2.2.1. Mô hình thuỷ động của aeroten

15 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Để xây dựng mô hình tổng quát của aeroten, người ta tiến hành thiết lập các

phương trình cân bằng vật liệu cho một phần tử thiết bị aeroten dV (hình 1.4)

l + dl

G (

dl C )(

)

dG dl

dC dl

G.S

F D . .

(

)

d dl

dS dl

F D . .

dS dl

G (

dl X )(

)

dG dl

dX dl

G.X

)

F D . .

(

F D . .

d dl

dX dl

)

G (

dl C )(

dG dl

dC dl

G.C

F D . .

C (

)

F D . .

d dl

dC dl

l = 0

W1(S, X, C).F.dl

S0.v1(l).dl

X0.v2(l).dl

W2(S, X, C).F.dl

K.C0.v3(l).dl

W3(S, X, C).F.dl

theo nồng độ cơ chất S, bùn hoạt tính X, và lượng oxy hoà tan C.

GS+FD +FD

dl+S v (l)dl-FD -GS

0 1

dS dl

-G

dl-S

dl-

dl -W (S,X,C)Fdl=0

dS dl dS dl

2 d S 2 dl dG dl

dG dS dl dl

GX+FD

+FD

-GX

dl+X v (l)dl-FD 2

dX dl

-G

dl-X

dl-

dl -W (S,X,C)Fdl=0

dX dl dX dl

2 d X 2 dl dG dl

dG dX dl dl

GC+FD +FD

-GC

dl+KC v (l)dl-FD 3

dC dl

-G

dl-C

dl-

dl -W (S,X,C)Fdl=0

ds dl dC dl

2 d C 2 dl dG dl

dG dC dl dl

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hình 1.4: Cân bằng vật liệu của phần tử thiết bị aeroten

16 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

dG dS dl dl

Rút gọn các số hạng giống nhau, bỏ qua các số hạng ,

dG dC dl dl

dG dX dl dl

, chia tất cả các số hạng cho Fdl, đặt u = G/F: gọi là ,

vận tốc tuyến tính của dòng trong aeroten (m/s), ta được mô hình toán của

- u

- S

dl - W (S,X,C) = 0

dl + S 0

v (l) 1 F

dS dl

dU dl

2 d S 2 dl

dl + X

- u

- X

dl - W (S,X,C) = 0

aeroten có dạng như sau:

v (l) 2 F

dX dl

dU dl

2 d X 2 dl

dl + KC

- u

- C

dl - W (S,X,C) = 0

v (l) 3 F

dC dl

dU dl

2 d C 2 dl

(1.18)

= u(S - S ) 0

Với các điều kiện biên:

dS dl

= u(X - X ) 0

dX dl

= u(C - C ) 0

dC dl

= 0

Khi l = 0 thì

dS dl

dX dl

dC dl

Khi l = L thì

Đại lượng D đặc trưng cho khuấy trộn (m2/h) là thông số cần xác định của mô

hình.

I.2.2.2. Mô hình đẩy lý tưởng

Mô hình (1.18) là mô hình aeroten ở dạng tổng quát với tổ chức dòng như

hình 1.5a. Tổ chức dòng trong mô hình có thể biến đổi thành các dạng khác

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

nhau như trong hình 1.5b,c,d.

17 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

S0, G1

BHT X0, G2

G12

G13 G14

G1n

G22

G24 G25

G2n

G23

G21

Sr, Xr

AEROTEN

NĐXL

G11

Cr, G4

G42

G41

G4n

G31

G32

G33

G3n

C0, G3

S0, G1

Sr, Xr

AEROTEN

NĐXL

X0, G2

Cr, G4

BHT

G31 G32 G33

G3n

C0, G3

Hình 1.5a: Aeroten dạng tổ chức dòng tổng quát

Hình 1.5b: Aeroten dạng cấp tập trung nước thải

S0, Cn, G1

G12 G13

G1n

G11 =

X0, Cb

Sr, Xr

AEROTEN

BHT

NĐXL

Cr, G4

Sb, G2

C0, G3

G31 G32

G3n

và bùn hoạt tính

Hình 1.5c: Aeroten dạng cấp phân tán nước thải,

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

cấp tập trung bùn hoạt tính

18 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

X0, Cb, Sb, G2

BHT

G22 G23

G2n

G21

S0, Cn

AEROTEN

NĐXL

Sr, Xr Cr, G4

C0, G3

G31 G32

G3n

Hình 1.5d: Aeroten dạng cấp tập trung nước thải,

cấp phân tán bùn hoạt tính

Hình 1.5:Các dạng tổ chức dòng trong thiết bị aeroten.

NT: nước thải; BHT: bùn hoạt tính; KK: không khí; S0: BOD5 trong nước thải

dòng vào, g/m3; X0: lượng bùn hoạt tính dòng vào aeroten, g/m3; C0: lượng

oxy không khí dòng vào, g/m3; Sr, Xr, Cr: BOD5, lượng bùn hoạt tính và lượng

oxy trong nước thải dòng ra, g/m3; G1: tổng lưu lượng nước thải dòng vào,

m3/h; G2: tổng lượng bùn dòng vào, m3/h; G3: tổng lượng không khí dòng

vào,m3/h; G4: tổng lượng nước thải đã xử lý,m3/h; G1i, G2i, G3i, G4i: lưu lượng

nước thải vào, lượng bùn hoạt tính vào, lượng không khí cấp vào và lượng

nước thải đã xử lý ở điểm thứ i, g/m3.

Trong mô hình (1.18), khi D = v1(l) = v2(l) = 0 mô hình chuyển thành dạng

mô hình toán của aeroten với chế độ đẩy lý tưởng, cấp tập trung nước thải và

- W (S,X,C) = 0

dS dl

- W (S,X,C) = 0

bùn hoạt tính (hình 1.6).

dX dl

- W (S,X,C) -

= 0

dC dl

KC v (l) 0 F

(1.19)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Với điều kiện biên:

19 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

- Khi l = 0 thì S = Sv , X = Xv , C = Cv ; trong đó Sv , Xv , Cv là nồng độ

đầu vào của nước thải, bùn hoạt tính, và oxy trong aeroten. Sv ,Xv ,Cv

(

)

S = v

S G +S G 1 b ) ( G +G 1

X = v

được tính như sau:

(

)

X G 0 2 G +G 1

(

)

C = v

(

G C +G C n ) G +G 1

(1.20)

Trong đó: Sb là nồng độ cơ chất còn lại trong khối bùn (g/m3)

Cn là nồng độ oxy trong nước thải (g/m3)

S0, Cn, G1

Sr, Xr

Sv, Cv, G, Xv

AEROTEN

NĐXL

Cr, G4

X0, Cb

BHT

Sb, G2

C0, G3

G31 G32 ..... G3n

Cb là nồng độ oxy trong bùn (g/m3).

Hình 1.6: Aeroten với chế độ đẩy lý tưởng

S0, Cn, G1

G1i

G1n- 2

G1n- 1

G1n

G12 G13

G11

X0, Cb

n - 1

n -2

BHT

NĐXL

Sr, Xr Cr, G4

Sb, G2

G33

G3i

G3n- 1

G3n- 2

G31 G32

G3n

C0, G3

I.2.2.3. Mô hình aeroten với chế độ cấp phân tán nước thải.

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hình 1.7: Sơ đồ aeroten cấp phân tán nước thải

20 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Tại từng điểm cấp nước thải vào của thiết bị có sự thay đổi một cách rời rạc

tốc độ tuyến tính u, hay do sự pha loãng dẫn đến sự thay đổi về nồng độ cơ

chất, nồng độ bùn hoạt tính và nồng độ oxy. Giả thiết aeroten được cấu tạo từ

n ngăn, tương ứng với n điểm cấp nước thải vào, chiều dài mỗi ngăn là l =

L/n; chiều rộng và chiều cao mỗi ngăn bằng chiều rộng B và chiều cao H của

aeroten. Khi tốc độ khuấy trộn đủ mạnh có thể giả thiết trạng thái thuỷ động ở

từng ngăn tương ứng với chế độ trộn lý tưởng. Giữa các ngăn có sự trao đổi

dòng do tốc độ tuyến tính u của dòng và khuấy trộn dọc thiết bị.

G S + G S - Q S + DF

11 0

2 b

1 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 1

S - S 2 1 l

Cân bằng vật liệu theo nồng độ cơ chất ta có:

S - 2S +S

i - 1

i + 1

Q S + G S - Q S + DF

i - 1

1i 0

- v W (S ,X ,C ) = 0 i

….

(1.21)

- v W (S ,X ,C ) = 0

Q S + G S - Q S +DF 1n

n - 1 n - 1

S - S n - 1 n l

….

Q = G +G∑

j=1

trong đó ; j = 1, 2, 3, …., n.

G X - Q X + DF 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 1

X - X 2 1 l

Tương tự, cân bằng vật liệu theo nồng độ bùn hoạt tính ta được:

X - 2X +X

i - 1

i + 1

Q X - Q X + DF

i - 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 i

….

(1.22)

Q X - Q X + DF

n - 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 n

X - X n - 1 l

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

….

21 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Hay nếu giả thiết không khí cấp phân tán dọc theo chiều dài của aeroten, và

oxy hoà tan theo dòng nước thải và bùn hoạt tính cấp vào ta cũng có thể thiết

G C + G C + G KC - Q C + DF 31

C - C 2 1 l

- v W (S ,X ,C ) = 0

lập cân bằng vật liệu theo lượng oxy:

C - 2C +C

i - 1

i + 1

Q C + G C + G KC - Q C + DF

i - 1

….

- v W (S ,X ,C ) = 0

( 1.23)

Q C + G C +G KC - Q C +DF

n - 1

C - C n - 1 l

- v W (S ,X ,C ) = 0

….

trong đó K: là hệ số hấp thụ oxy của chất lỏng trong aeroten.

Kết hợp các hệ phương trình (1.21), (1.22), (1.23) ta được mô hình toán của

aeroten trong trường hợp cấp phân tán nước thải, cấp tập trung bùn hoạt tính

G S + G S - Q S + DF

11 0

2 b

1 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 1

S - S 2 1 l

và cấp phân tán không khí:

S - 2S +S

i - 1

i + 1

Q S + G S - Q S + DF

i - 1

1i 0

- v W (S ,X ,C ) = 0 i

….

- v W (S ,X ,C ) = 0

Q S + G S - Q S +DF 1n

n - 1 n - 1

….

S - S n - 1 n l

G X - Q X + DF 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 1

X - X 2 1 l

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

(1.24)

22 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

X - 2X +X

i - 1

i + 1

Q X - Q X + DF

i - 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 i

….

Q X - Q X + DF

n - 1

- v W (S ,X ,C ) = 0 n

X - X n - 1 l

G C + G C + G KC - Q C + DF 31

C - C 2 1 l

….

- v W (S ,X ,C ) = 0

( 1.24)

C - 2C +C

i - 1

i + 1

Q C + G C + G KC - Q C + DF

i - 1

- v W (S ,X ,C ) = 0

….

Q C + G C +G KC - Q C +DF

n - 1

C - C n - 1 l

- v W (S ,X ,C ) = 0

….

I.3. Lọc sinh học

Khác với hệ thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính ở trạng thái huyền phù,

lọc sinh học là một kiểu thiết bị mà trong đó các vi sinh vật sinh trưởng và

phát triển cố định trên các vật liệu đệm tạo thành một lớp màng sinh học.

Dòng nước thải chảy qua lớp màng này sẽ thực hiện một loạt các quá trình

chuyển khối và oxy hoá sinh học để loại bỏ các thành phần ô nhiễm. Thực

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

chất quá trình lọc sinh học trong hệ thống là quá trình yếm khí - hiếu khí.

23 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Yếm khí

Hiếu khí

Chất hữu cơ

Không khí

Vật liệu lọc

Sản phẩm

cuối

Dòng nước thải

Lớp sinh học

Màng chất lỏng

Hình 1.10: Quá trình lọc sinh học

Trong hệ lọc sinh học, nồng độ chất hữu cơ và nồng độ oxy hoà tan trong

nước thải sẽ giảm dần theo chiều cao từ trên xuống của lớp vật liệu đệm.

Hiệu suất làm sạch nước thải của hệ thống phụ thuộc vào bản chất và nồng độ

của các chất hữu cơ trong nước thải, hoạt tính của vi sinh vật, chiều dày của

lớp màng sinh học, chế độ thuỷ lực của hệ (chế độ chảy dòng qua lớp vật liệu,

chế độ phân phối nước, lưu lượng tuần hoàn), chế độ thông khí, đặc tính của

loại vật liệu đệm ( kích thước, độ rỗng, độ xốp, bề mặt riêng, cấu hình các

phần tử), khả năng thấm ướt của màng sinh học, nhiệt độ môi trường.

Nước tuần hoàn

Nước thải vào

Bể lọc sinh học

Bể lắng đợt 2

Bể lắng đợt 1

Xả ra nguồn tiếp nhận

Xả cặn

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Sơ đồ một số hệ thống xử lý bằng lọc sinh học được trình bày như hình 1.5

24 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Nước tuần hoàn

Bể lọc sinh học

Bể lắng đợt 2

Bể lắng đợt 1

Nước thải vào

Xả ra nguồn tiếp nhận

Xả cặn

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống lọc sinh học

Phương pháp lọc sinh học có ưu điểm là đơn giản, tải lượng chất ô nhiễm dao

động trong khoảng tương đối rộng, tiêu hao ít năng lượng, song hiệu suất của

quá trình lại bị ảnh hưởng lớn của nhiệt độ.

I.3.1. Các quá trình cơ bản trong lọc sinh học

Hệ lọc sinh học có đặc trưng quan trọng nhất là vi sinh vật bám vào bề mặt

của vật liệu đệm tạo thành màng sinh vật. Thời gian lưu thủy lực ngắn nên vi

sinh vật tự do trong nước ít có cơ hội bám dính vào màng, thường bị rửa trôi

theo dòng chảy. Yếu điểm của kỹ thuật lọc sinh học so với kỹ thuật huyền phù

là hiệu quả xử lý thấp hơn vì trước khi cơ chất được vi sinh vật sử dụng đã

xảy ra một loạt các quá trình chuyển khối: từ nước tới bề mặt màng, khuyếch

tán qua màng, chuyển khối trong lớp lọc. Quá trình chuyển khối không chỉ

liên quan đến cơ chất mà còn của các hợp chất hóa học với tư cách là nguyên

liệu (oxy, các chất dinh dưỡng…) và các sản phẩm đã chuyển hoá. Tốc độ của

hầu hết các quá trình chuyển khối rất chậm, đặc biệt là quá trình động học xử

lý nước thải. Các quá trình chính cần được quan tâm là: chuyển khối qua

màng thủy lực, chuyển khối qua màng vi sinh.

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

I.3.1.1. Chuyển khối qua màng thủy lực

25 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Giữa các lớp chất rắn trong bộ lọc sinh học là các khoảng không gian rỗng,

tùy thuộc vào kích thước vật liệu mang, thể tích rỗng trong bộ lọc có thể

chiếm tới 80 – 90% của bộ lọc. Quá trình chuyển khối trong vùng không gian

rỗng phụ thuộc vào kỹ thuật lọc là quá trình khuyếch tán trong pha khí (lọc

khô) hay trong nước (lọc ngập nước) và quá trình chuyển khối cưỡng bức.

Tốc độ chuyển khối do đối lưu cưỡng bức có tốc độ lớn hơn nhiều so với

khuyếch tán và có thể tăng cường khá dễ dàng. Vì vậy trở lực do chuyển khối

chủ yếu ở giai đoạn khuyếch tán qua màng thủy lực và màng vi sinh vật. Hình

Màng sinh học Màng thuỷ lực

m ệ đ u ệ i l t ậ v t ặ m ề B

t ấ h c ơ c ộ đ g n ồ N

1.12 mô tả quá trình chuyển khối qua lớp màng thuỷ lực.

Hình 1.12: Chuyển khối qua màng thuỷ lực

Màng thủy lực có độ dày rất nhỏ, chỉ cỡ phần ngàn mm (µm), nhỏ hơn nhiều

so với màng vi sinh (0,3 – 1,0 mm). Màng thuỷ lực được cấu tạo từ nước

nhưng tính linh động của các phân tử nước trong đó thấp hơn so với nước ở

trạng thái bình thường - khuyếch tán của một chất nào đó qua màng có thể coi

là khuyếch tán của nó trong môi trường nước trong cùng điều kiện.

Nồng độ của chất khuyếch tán ở phía ngoài màng được xem là ổn định, có giá

trị là S0, tại phía đầu khác của màng là S1 luôn thấp hơn S0 (do bị tiêu hao) và

vì vậy sẽ xuất hiện quá trình khuyếch tán của cơ chất theo hướng từ ngoài vào

trong lớp màng thủy lực.

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Áp dụng định luật khuyếch tán I cho trường hợp trên, ta có phương trình:

26 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

= −

−

β (

)

n s

S 1

dC dL

(1.31)

trong đó:

ns_ lượng chất vận chuyển trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị

tiết diện, (mol/m2.s)

β_ hệ số chuyển khối, β = D/L2 (L2 chiều dày màng thuỷ lực), (m/s)

D_ hệ số khuyếch tán của cơ chất, (m2/s)

Tốc độ chuyển khối ns, tỉ lệ thuận với sự chênh lệch nồng độ (S0 – S1), với hệ

số khuyếch tán D và tỉ lệ nghịch với chiều dày L2 của lớp màng thủy lực.

Lượng chất vận chuyển do khuyếch tán qua màng phụ thuộc tuyến tính vào

tiết diện khuyếch tán A. Với cùng một khối lượng chất mang, kích thước của

chất mang càng nhỏ thì tổng diện tích A trong cột lọc càng lớn, A tương ứng

với diện tích mặt ngoài của chất mang.

Giả sử chất mang có dạng hình cầu với bán kính R, khối lượng riêng ρ thì tiết

diện mặt ngoài A của từng hạt là:

3 Rρ

(1.32)

A: Diện tích riêng của hạt hình cầu quy theo khối lượng [m2/kg]

ρ: Khối lượng riêng [kg/m3].

Với các loại chất mang (vật liệu đệm sinh học) được tạo thành khối từ các loại

nhựa, ví dụ như dạng tổ ong thì diện tích bề mặt của nó thường được biết với

tư cách là chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm, ví dụ loại 200 m2/m3. Đó là tiết diện

hình học của vật liệu mang.

I.3.1.2. Quá trình trong màng sinh học

Tiếp xúc trực tiếp với màng thủy lực là màng sinh học, kế tiếp là bề mặt vật

liệu đệm chỉ đóng vai trò chất cố định vi sinh, không tham gia vào bất cứ quá

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

trình chuyển khối hay phản ứng nào của hệ.

27 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Dọc theo chiều dày của màng sinh học xảy ra quá trình khuyếch tán và đường

khuyếch tán kết thúc với điểm tiếp giáp với bề mặt vật liệu đệm. Nồng độ

chất khuyếch tán giảm từ phía ngoài vào trong do khuyếch tán và do bị tiêu

thụ bởi các phản ứng hóa học xảy ra trong màng. Trong màng xảy ra hai quá

trình: cung cấp nguyên liệu cho phản ứng hóa học do quá trình khuyếch tán,

tiêu thụ nguyên liệu do phản ứng. Khi nguyên liệu cho phản ứng dồi dào, thỏa

mãn cho phản ứng thì phản ứng sẽ xảy ra với tốc độ không kém hơn so với nó

trong trường hợp phản ứng trong thể tích nước. Khi nguồn nguyên liệu không

đáp ứng đầy đủ do khuyếch tán chậm thì tốc độ phản ứng sẽ chậm theo phù

hợp với lượng nguyên liệu được cung cấp. Trong trường hợp này quá trình

phản ứng bị khống chế bởi quá trình khuyếch tán.

Để thiết lập được phương trình toán học mô tả mối quan hệ trên cần phải áp

dụng một số giả thiết:

- Màng vi sinh có tính đồng nhất và có chiều dày là L1.

- Quá trình khuyếch tán có thể mô tả qua định luật khuyếch tán Fick I.

- Hệ số khuyếch tán trong màng không thay đổi, được đặc trưng bởi De.

- Phản ứng hoá học xảy ra trong màng có tính chất không thuận nghịch

và được mô tả qua các phương trình động học thông dụng.

- Quá trình xảy ra ở trạng thái ổn định.

kf S ( )

D e

= − v i

2 d S 2 dx

Thiết lập phương trình cân bằng chất cho một đoạn dx của L1 ta được:

2 d S 2 dx

( ) kf S D e

Hay (1.33)

Trong đó

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

vi: là tốc độ phản ứng hóa học.

28 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

k.f(S): là tốc độ phản ứng. Đối với phản ứng bậc 0, 1, 2 thì tốc độ phản

ứng có các dạng tương ứng k, kS và kS2, k là hằng số tốc độ.

Đây là phương trình vi phân thường bậc hai và có thể giải theo các phương

pháp tiêu chuẩn. Để thuận lợi cho việc giải phương trình không bị ảnh hưởng

bởi các đơn vị của các thông số, thông số được gọi là modul khuyếch tán

− 1n

Thiele được định nghĩa:

kS D e

(1.34)

n là bậc của phản ứng hóa học

2 b S

Khi đó phương trình (1.33) có dạng:

2 d S 2 dx

2 φ 2 L

Lφ= /

(1.35)

với .

C e−

Giải phương trình ta có :

= S C e 1

(1.36)

(C1, C2 là các hằng số tích phân và có thể tính được từ các điều kiện

= cos

- tgb.sin

biên và ban đầu.)

S S 1

bx L 1

(1.37)

Biến đổi tiếp sẽ nhận được:

cos[b.(1 - x/L )] cosb

S S 1

(1.38)

Trong đó: S là nồng độ của chất khuyếch tán dọc theo chiều dài L1, S1 là nồng

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

độ tại bề mặt ngoài của màng vi sinh x = L1.

29 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Tốc độ phản ứng hóa học trong màng cũng có thể tính theo lập luận đơn giản

hơn: trong trạng thái ổn định, tốc độ phản ứng vi bằng tốc độ vận chuyển chất

= −

v i

AD e

từ phía ngoài vào trong màng vi sinh:

dS dt

  

  

= x L 1

(1.39)

v i

S 1

b tgb S . . 1

kL 1

và tốc độ phản ứng tính trên một đơn vị thể tích màng:

φ tg φ

D L 1

(1.40)

Từ phương trình 1.40 cho thấy, phản ứng bậc một trong màng vi sinh cũng

được mô tả như phản ứng bậc 1 theo nồng độ ở phía ngoài màng (S1), điểm

khác là nồng độ trong màng thấp hơn do bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán.

Giả sử vẫn chính phản ứng đang quan sát xảy ra ở ngoài lớp màng vi sinh với

cùng đặc trưng, chỉ khác duy nhất là nồng độ luôn duy trì là S1 chứ không

phải S (S

hóa học đích thực, không có sự tham gia của quá trình khuyếch tán nhanh hơn

phản ứng hóa học. Khi đó:

i sv ,

k S= 1.

(1.41)

Tỉ lệ vi /vi,s = η được gọi là hệ số hiệu dụng của phản ứng, giá trị của nó phụ

thuộc vào tỉ lệ giữa quá trình khuyếch tán và phản ứng hóa học: tốc độ

khuyếch tán / tốc độ phản ứng lớn thì η 1 và ngược lại. Từ (1.40) và (1.41)

ta có:

tgφ φ

(1.42)

Hệ số hiệu dụng phụ thuộc vào mối tương quan giữa khuyếch tán và phản ứng

trong màng vi sinh.

Tốc độ phản ứng cũng có thể tính theo diện tích màng (A), khi đó mối quan

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

hệ với vs, với hằng số tốc độ tính theo thể tích k có dạng:

30 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

vs = k.A.L1.η.S1 = ks.S1 (1.43)

Với ks là hằng số tốc độ tính theo diện tích màng ks = k. A. L1.η.

Với phản ứng hoá học trong màng vi sinh là bậc 0, người ta có thể chứng

minh:

- Phản ứng khi không bị khống chế bởi quá trình khuyếch tán thì phản

ứng xảy ra theo bậc không, không phụ thuộc vào nồng độ.

- Phản ứng bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán thì bậc của phản ứng là

0,5.

Tốc độ phản ứng theo diện tích màng trong trường hợp bị hạn chế bởi

khuyếch tán:

v s

0,5

0,5 S 1

0,5 k D S 0,5 1

(1.44)

0,5

0,52 k D e

(1.45)

k0,5, k0,5s là hằng số tốc độ phản ứng tính theo thể tích hoặc diện tích màng.

Trong hai quá trình khuyếch tán: trong màng thủy lực và màng vi sinh, tốc độ

của giai đoạn nào chậm sẽ quyết định tốc độ chung của quá trình xử lý nhưng

nhìn chung giai đoạn có tốc độ chậm hơn thường là giai đoạn khuyếch tán

trong màng vi sinh do hệ số khuyếch tán nhỏ hơn (De = 0,8D), lớp màng dày

hơn.

Quá trình xử lý tạp chất trong màng vi sinh vật cũng giống như trong kỹ thuật

phản ứng dạng huyền phù. Tốc độ phát triển vi sinh vật tỷ lệ thuận với tiêu

= −

r s

)

µ X S . . o + Y S K

hao cơ chất trong nước thải:

So với kỹ thuật dạng huyền phù, nồng độ vi sinh vật trong màng cao hơn

nhiều: trong hệ xử lý bùn hoạt tính nồng độ vi sinh thường nằm trong khoảng

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

2000 – 6000 mg/l, trong kỹ thuật lọc giá trị trên là từ 10.000 – 60.000 mg/l.

31 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Điểm khác biệt lớn nhất trong lọc sinh học so với sử dụng bùn hoạt tính dạng

huyền phù là sự tham gia của quá trình khuyếch tán, nó đóng vai trò quan

trọng hơn trong lọc sinh học. Hệ số khuyếch tán của một cấu tử trong màng vi

sinh rất khó xác định, trong tính toán người ta có thể chấp nhận giá trị bằng

80% hệ số khuyếch tán của nó trong môi trường nước.

Khối lượng riêng của màng sinh học không ổn định vì vậy rất khó xác định,

nó phụ thuộc vào diễn biến của quá trình tạo màng: tạo màng với tốc độ chậm

thì khối lượng riêng của màng lớn và ngược lại.

Khuyếch tán trong màng vi sinh không chỉ xảy ra đối với một cấu tử mà đối

với tất cả các cấu tử tham gia phản ứng và các sản phẩm hình thành của phản

ứng. Đó là một hệ khuyếch tán hỗn hợp rất khó định lượng trong thực tế.

Trong một hệ đơn giản nhất là oxy hoá chất hữu cơ thì ít nhất đã có hai quá

trình khuyếch tán xảy ra trong màng vi sinh: chất oxy hoá (oxy phân tử) và

chất khử (hữu cơ). Tỉ lệ nồng độ của cả chất khử và chất oxy hoá phải đảm

bảo một giá trị cân đối nào đó thì phản ứng hóa học mới có thể xảy ra, nếu

thiếu một trong hai thành phần thì phản ứng chỉ có thể xảy ra với tốc độ phù

hợp với nồng độ của cấu tử đang bị thiếu là yếu tố quyết định tốc độ một phản

ứng oxy hoá khử. Nồng độ của một trong hai cấu tử hiện có phụ thuộc vào

khả năng khuyếch tán thông qua hệ số khuyếch tán và sự chênh lệch nồng độ

cũng như tốc độ phản ứng hoá học xảy ra trong màng.

Tỉ lệ nồng độ hiện có của chất oxy hóa (OX) và chất khử (Re) vì vậy có thể

mô tả thông qua tỉ lệ giữa hệ số khuyếch tán và hằng số tốc độ phản ứng của

từng cấu tử:

S(OX) D(Re) k(OX) D(Re) 1 . S(Re) D(OX) k(Re) D(OX) β

(1.46)

Trong đó:

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

S(OX), S(Re) là nồng độ hiện có của chất oxy hóa và chất khử.

32 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

D(OX), D(Re), k(OX), k(Re) là hệ số khuyếch tán và hằng số tốc độ

phản ứng của chất oxy hoá và khử. β là hệ số tỉ lượng của phản ứng.

Nếu tỉ lệ S(OX)/S(Re) >1 thì nồng độ chất oxy hóa đang ở mức dư thừa, chất

khử đang trong tình trạng thiếu vì vậy nó khống chế tốc độ tổng thể của phản

ứng.

Nếu tỉ lệ trên bằng 1 thì phản ứng xảy ra một cách tối ưu. Cấu tử có nồng độ

không đáp ứng được cho phản ứng bị tiêu hao nhanh trên đường khuyếch tán,

nó trở về giá trị không tại một điểm nào đó và vì vậy ở lớp sâu hơn phản ứng

không diễn ra.

I.3.1.3. Quá trình động học trong cột lọc sinh học

Trong một cột lọc sinh học tồn tại đồng thời nhiều quá trình động học và động

lực: cơ chất được đưa từ ngoài vào cột do dòng chảy (đối lưu), khuyếch tán

của cơ chất qua màng thủy lực, khuyếch tán và phản ứng hoá học trong màng

sinh vật. Tất cả các quá trình trên xảy ra nối tiếp nhau và đều có ảnh hưởng

đến tốc độ xử lý, tuy nhiên giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ khống chế toàn

bộ quá trình lọc sinh học: quá trình chậm nhất thường được cho là quá trình

khuyếch tán và hóa học xảy ra ở trong màng vi sinh và về mặt hình thức được

đặc trưng bởi hằng số tốc độ có chứa cả quá trình khuyếch tán.

Khi phân tích một quá trình lọc sinh học cần phải tiến hành hai bước sau:

- Xác định yếu tố oxy hóa cơ chất có vai trò kiểm soát quá trình phản

ứng.

- Xác định mức độ sử dụng của màng vi sinh vật hoặc phần màng (tính

theo độ sâu) được sử dụng. Yếu tố này rất quan trọng, ảnh hưởng tới

bậc của phản ứng hóa học.

- Từ hai bước phân tích trên sẽ dẫn tới những kết luận mang tính chất

định hướng:

- Trong cả hai trường hợp hoặc oxy hay cơ chất có vai trò kiểm soát quá

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

trình mà màng vi sinh được sử dụng hoàn toàn cho phản ứng (không bị

33 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

hạn chế bởi quá trình khuyếch tán) thì phản ứng hoá học xảy ra trong

màng theo bậc không.

- Trong trường hợp màng chỉ sử dụng được một phần (do khuyếch tán

hoặc thiếu một trong hai cấu tử tham gia phản ứng) thì phản ứng xảy ra

theo bậc 0,5 đối với oxy (khi thiếu oxy) hay đối cơ chất (khi thiếu cơ

chất)

Trong trường hợp sử dụng một cột lọc sinh học có đặc trưng khuấy trộn lý

tưởng (hình 1.13), lưu lượng nước thải vào và ra khỏi cột lọc là Q, nồng độ cơ

chất tại đầu vào và ra là S1, S2; V là thể tích cột lọc, A* là tổng diện tích của

Q, S1

V, A*

màng vi sinh (tổng diện tích bề mặt vật liệu đệm).

Q, S2

Hình 1.13: Cột lọc sinh học dạng khuấy trộn đều

Nếu bỏ qua quá trình chuyển khối trong màng thuỷ lực, cân bằng vật liệu ta

= −

v i

có:

dS dx

A Q

(1.47)

Trong đó:

S: nồng độ cơ chất trong thiết bị

Q: Lưu lượng nước chảy qua

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

A: tiết diện ngang

34 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

vi: tốc độ phản ứng tính theo thể tích

I.3.2. Các dạng thiết bị lọc sinh học

Hệ lọc sinh học có thể phân chia thành nhiều dạng khác nhau dựa trên loại vật

liệu đệm, chế độ cấp nước vào thiết bị, chế độ thông gió.

Theo loại vật liệu đệm, người ta chia thành loại bể lọc sử dụng các vật liệu

truyền thống như than cốc, sỏi silic nghiền có độ rỗng khoảng 50%, puzolan;

và loại bể lọc sử dụng vật liệu nhựa dẻo có độ rỗng trên 90%.

Theo chế độ nước vào thiết bị thì có bể lọc ngược chiều và xuôi chiều. Hay

theo chế độ thông gió trong thiết bị thì có thông gió cưỡng bức hoặc thông gió

tự nhiên. Thông thường người ta thường chia ra thành hai dạng bể lọc là bể

lọc nhỏ giọt và bể lọc ngập nước.

I.3.2.1. Bể lọc nhỏ giọt

Bể lọc nhỏ giọt là kỹ thuật thông dụng trong xử lý nước thải bậc hai với nhiều

dạng khác nhau. Trong bể lọc nhỏ giọt, nước thải được phân bố đều trên bề

mặt tiết diện ngang của cột lọc, không khí thường thâm nhập vào bể lọc từ

phía dưới đáy lên trên tạo ra dòng khá ổn định.

Lọc nhỏ giọt có ưu điểm là khả năng cố định vi sinh vật cao, khả năng tiếp

xúc giữa màng thuỷ lực và màng vi sinh lớn, hàm lượng oxy hoà tan trong

nước lớn.

Phân biệt theo tải trọng, bể lọc nhỏ giọt có các dạng bể lọc chậm, bể lọc trung

bình, bể lọc cao tải và bể lọc siêu cao tải.

Bể lọc chậm được áp dụng với tải trọng thuỷ lực và tải trọng hữu cơ thấp.

Trong hệ thống không sử dụng quá trình tuần hoàn nước. Thời gian lưu thuỷ

lực ngắn, thường từ 2 – 3 phút. Vi sinh vật oxy hoá chất hữu cơ chỉ phát triển

chủ yếu ở phía trên lớp vật liệu, phía dưới phát triển các vi sinh vật tự dưỡng

oxy hoá ammoniac. Trong điều kiện tối ưu, lọc chậm có thể xử lý được cả

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

chất hữu cơ và các hợp chất của nitơ.

35 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Bể lọc trung bình hay cao tải được áp dụng với tải trọng hữu cơ cao, trong hệ

thống có sử dụng tuần hoàn để pha loãng nước thải và cấp lại vi sinh vào bể

lọc. Sự khác nhau giữa bể lọc trung bình và bể lọc cao tải là ở tốc độ dòng

tuần hoàn hay tải trọng thuỷ lực.

Bể lọc siêu cao tải có khả năng chịu được tải trọng hữu cơ và tải trọng thuỷ

lực lớn. Vật liệu đệm sử dụng trong lọc siêu cao tải thường bằng nhựa dẻo

nên chiều cao lớp lọc tương đối cao.

Đối với tải trọng hữu cơ lớn hơn 1,6 kg/m3.d và tải trọng thuỷ lực lên đến

8000 l/m2.h người ta có thể sử dụng thêm kỹ thuật bóc màng vi sinh và ghép

sau nó là kỹ thuật xử lý bậc hai với bùn hoạt tính. Đây được xem là bước xử

lý nhằm tiết kiệm oxy cho giai đoạn sau.

Bằng thực nghiệm người ta đã rút ra công thức để tính toán bể lọc nhỏ giọt

như sau:

- Đối với bể lọc sử dụng các vật liệu truyền thống, một bậc và có tuần

100

E =

hoàn:

1+0,4433

W VF

(1.48)

Trong đó:

E: Hiệu quả khử BOD của bể lọc sinh học ở 20oC (%)

W: tải trọng BOD của bể lọc (kg/ngày)

V: thể tích vật liệu đệm (m3)

F: Thông số tuần hoàn, là giá trị trung bình của lượng chất hữu cơ đi

1 + R

F =

1 +

R 10

  

  

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

qua bể lọc, được xác định:

36 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

R: Hệ số tuần hoàn, R = QT/Q. Giá trị R/10 được rút ra từ thực nghiệm

cho thấy tải trọng chất hữu cơ giảm khi lưu lượng tuần hoàn tăng.

QT: Lưu lượng tuần hoàn (m3/h).

Q: Lưu lượng nước thải (m3/h).

100

E = 2

- Đối với bể lọc hai bậc:

0,4433 W VF 1 - E 1

(1.49)

Trong đó:

E2: Hiệu quả xử lý BOD của bể lọc 2 , ở 20oC (%)

E1: Hiệu quả xử lý BOD của bể lọc 1 (%)

W’: Tải trọng BOD trong bể lọc 2 (kg/ngày)

- Đối với bể lọc nhỏ giọt có sử dụng loại vật liệu đệm là nhựa dẻo (tháp

C = 0

sinh học):

P.H.K η

(1.50)

Trong đó:

C0: tải trọng BOD5 cho phép trên 1m2 bề mặt vật liệu đệm khi BOD5v ≤

300 mg/l (g BOD5/m2.ngày)

P: Độ rỗng của lớp vật liệu (%)

H: Chiều cao lớp vật liệu trong bể (m)

KT: Hằng số nhiệt độ, KT = K20.1,047T-20 = 0,2.1,047T-20

η: hệ số phụ thuộc hàm lượng BOD5 đầu ra […]

q = 0

Khi đó tải trọng thuỷ lực cho phép được xác định như sau:

C .F 0 a S 0

(1.51)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trong đó:

37 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

q0: tải trọng thuỷ lực (m3/m3.ngày)

Fa: Diện tích bề mặt lớp vật liệu trong một đơn vị thể tích (m2/m3)

S0: Hàm lượng BOD5 trong nước thải đầu vào (mg/l)

V =

Thể tích cần thiết của khối vật liệu đệm:

Q q

(1.52)

với Q là lưu lượng nước thải.

I.3.2.2. Bể lọc ngập nước

Công nghệ bể lọc sinh học với vật liệu ngập trong nước đã được áp dụng đối

với nhiều loại nước thải khác nhau và được sử dụng khá phổ biến trong thập

kỷ 90 của thể kỷ trước. Quá trình lọc ngập nước có khả năng xử lý đồng thời

cả BOD và ammoniac. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả của quá trình lọc là

chiều dày của màng vi sinh và chế độ cấp oxy cho bể lọc. Khi chiều dày của

màng vi sinh quá lớn có thể gây ra tắc cột lọc, giảm khả năng khuyếch tán

oxy. Để khắc phục điều này, người ta có thể tạo độ rỗng đủ lớn cho lớp vật

liệu đệm hoặc tạo một chế độ thuỷ lực phù hợp để kiểm soát chiều dày của

màng vi sinh ví dụ như sử dụng dòng ngược để làm bong lớp màng vi sinh.

Thông thường, trong thiết kế bể lọc ngập nước, người ta thường để cho dòng

khí đi ngược từ dưới lên, còn dòng nước thải đi vào có thể cùng chiều hoặc đi

ngược chiều, tuy nhiên trong trường hợp dòng nước thải đi ngược chiều dòng

khí, do tổn thất thuỷ lực cao nên hiệu quả xử lý thường thấp hơn so với trường

hợp dòng khí và nước cùng chiều.

Để tính toán bể lọc ngập nước có thể sử dụng công thức 1.53 theo tiêu chuẩn

thiết kế của Liên Xô cũ, với phạm vi áp dụng là BOD5 ≤ 500 mg/l và tốc độ

α β+

10 F

lọc vn ≤ 3 m/h.

S 0 S

(1.53)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trong đó:

38 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

S0: Hàm lượng BOD5 ở dòng vào (mg/l)

S: Hàm lượng BOD5 đầu ra cho phép (mg/l)

F =

0,6 H.B .K 0,4 q

F: chuẩn số tổng hợp, được xác định:

H: chiều cao lớp vật liệu (m)

B: lưu lượng đơn vị của không khí (m3 không khí/m3 nước thải),

thường chọn từ 8 – 12 m3/m3.

K: Hằng số nhiệt độ; K = K20.1,047T-20 = 0,2.1,047T-20

q: tải trọng thuỷ lực (m3/m3.ngày); chọn từ 20 – 80 m3/m3.ngày.

α, β: hệ số phụ thuộc vào lưu lượng đơn vị của không khí B và chuẩn

số tổng hợp F.[5]

I.3.3. Mô hình toán của quá trình xử lý nước thải bằng bể lọc sinh học

Cũng giống như các thiết bị xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học khác,

mô hình toán của xử lý nước thải bằng bể lọc sinh học cũng có thể được xây

dựng trên cơ sở sự tăng trưởng của vi sinh vật tỷ lệ thuận với sự tiêu hao làm

giảm cơ chất trong nước thải.

Giả thiết mỗi một tiết diện ngang là một thiết bị sinh học giả đồng thể, thiết

lập cân bằng vật liệu ta được:

QS – Q(S + dS) + rs.Vb = 0

hay - Q.dS + rs.Vb = 0 (1.54)

với Q: lưu lượng nước thải cấp vào bể lọc sinh học, m3

S: nồng độ cơ chất, g/m3

dS: sự biến đổi nồng độ cơ chất, g/m3

Vb: thể tích sinh khối bùn hoạt tính, m3.

rs: tốc độ sử dụng cơ chất của bùn hoạt tính.

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trong đó rs và Vb được xác định như sau:

39 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

r = - μ s

XS Y(K + S) 1

Vb = δ.Fs.A.dZ

Fs: bề mặt riêng của đệm, m2/m3.

A: diện tích tiết diện ngang, m2.

δ: chiều dày màng sinh học, m.

Thay vào phương trình 1.27 ta được:

XS Y(K + S) 1

QdS + δ.Fs.A.dZ = 0 (1.55)

Tích phân 1.28 với điều kiện chiều dày màng δ không đổi, nồng độ cơ chất

+ μ

K Qln 1

thay đổi từ Sd tại Z = 0 đến Sc tại Z = Zl ta có:

XδF AZ s Y

S c S d

Q(Sc - Sd) + = 0

Sd, Sc : nồng độ cơ chất đầu vào và ra thiết bị)

S - S d c K

PF AZ s QK

S c S d

Đặt P = μ0δX/Y ta được:

Các thông số P và K1 là các thông số thực nghiệm, phụ thuộc tải trọng thuỷ

lực của thiết bị.

Nếu chấp nhận tốc độ của quá trình sinh hoá biểu thị qua trao đổi chất của cơ

chất trên ranh giới phân cách các lớp chất lỏng – sinh khối thì cân bằng chất

trong thể tích phần tử của đệm lọc có thể biểu diễn bằng phương trình:

QdS = - KLFSA(S – Sf)dZ (1.56)

trong đó KL: hệ số chuyển khối; Sf: nồng độ cơ chất trên ranh giới phân chia

giữa chất lỏng và màng sinh học.

Vì Sf rất nhỏ nên có thể coi như bằng 0, lấy tích phân phương trình trên ta

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

được:

40 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

= -

K F Z L s q

S c S d

(1.57)

trong đó qs = Q/A là tải trọng thuỷ lực của thiết bị.

m ; với K0, m = 0,3 – 0,5 được xác định bằng thực

Đối với dòng rối: KL = K0qs

= exp -

nghiệm. Thay vào phương trình 1.57 ta được:

K F Z L s q

S c S d

  

  

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

(1.58)

41 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Phần II: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH

HÀM LƯỢNG OXY HOÀ TAN VÀ TỐI ƯU HOÁ QUÁ

TRÌNH HOÀ TAN OXY TRONG HỆ XỬ LÝ

AEROTEN-BIOFILTER

II.1. Phương pháp nghiên cứu:

Như đã trình bày ở phần trên, có thể thấy rằng các mô hình toán quá trình xử

lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí nói riêng và phương pháp

sinh học nói chung mới đang chỉ dừng ở mức độ nghiên cứu riêng biệt cho

từng kỹ thuật, hoặc đánh giá chung thông qua động học sinh trưởng của vi

sinh vật. Việc thực hiện các kỹ thuật lồng ghép cũng đã được thực hiện song

hiện nay vẫn còn hạn chế trong việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán đối

với các quá trình ghép này.

Bằng kinh nghiệm thực tế, dựa trên những tính toán đồng bộ biofilter (lọc

sinh học) và aeroten, chúng tôi đã tiến hành xây dựng mô hình tổ hợp thiết bị

aeroten – biofilter ở quy mô thí nghiệm để nghiên cứu các quá trình xảy ra

trong thiết bị tổ hợp này, cũng như các thông số thiết kế có ảnh hưởng tới hiệu

quả của quá trình, căn cứ vào các kết quả thu được để đánh giá, phân tích và

xây dựng phương pháp tính toán cho thiết bị.

Thiết bị tổ hợp aeroten – biofilter là một thiết bị xử lý nước thải trong đó thực

hiện lồng ghép kỹ thuật của lọc sinh học và kỹ thuật xử lý bằng bùn hoạt tính.

Trong thiết bị này, phần bể lọc sinh học được tính toán và lựa chọn các loại

vật liệu tối ưu để vừa có thể thực hiện oxy hoá một phần chất hữu cơ, đồng

thời cũng là nguồn cung cấp không khí vào bể aeroten. Tại bể aeroten, không

khí cấp vào hoàn toàn là oxy bão hoà được khuyếch tán trong quá trình lọc

sinh học, do đó chúng tôi có thể loại bỏ các thiết bị cấp khí như trong các bể

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

aeroten thông thường, tức là giảm được chi phí điện năng và tiếng ồn trong

42 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

khâu vận hành. Lượng không khí cấp vào aeroten phụ thuộc vào khả năng hấp

thụ oxy, các chế độ thuỷ lực, các thông số thiết kế, kỹ thuật trong lọc sinh học

nên có thể lượng oxy cấp vào aeroten sẽ không đạt được hàm lượng như do

các máy nén thổi khí cấp vào, và vì vậy hiệu quả oxy hoá trong bể aeroten sẽ

giảm đi so với kỹ thuật xử lý bằng bùn hoạt tính thông thường. Tuy nhiên,

như vậy thì trong bể aeroten sẽ xuất hiện đồng thời cả vùng hiếu khí và vùng

thiếu khí, tại các vùng thiếu khí này các vi sinh vật tự dưỡng oxy hoá chuyển

- sẽ có cơ hội phát triển và thực hiện quá trình xử lý nitơ thành N2.

hoá NO3

Bên cạnh đó, nước thải trong bể aeroten lại được bơm tuần hoàn lên bể lọc

sinh học, và được xử lý một phần trong bể lọc sinh học nên có thể coi như là

vẫn đảm bảo được hiệu quả xử lý như trong các bể aeroten khác.

Như vậy, để đánh giá hiệu quả xử lý của thiết bị tổ hợp aeroten – biofilter, ta

cần phải đánh giá thông qua nghiên cứu quá động thuỷ học và cân bằng chất

cho toàn bộ tổ hợp thiết bị. Việc nghiên cứu xây dựng mô hình tính cho từng

thiết bị riêng biệt đã được trình bày trong nhiều tài liệu[1,5,7,8]. Do đó, trong

khuôn khổ đề tài này, chúng tôi chỉ nghiên cứu quá trình hoà tan oxy từ

biofilter vào aeroten, và coi đó như là mắt xích liên kết giữa hai quá trình lọc

sinh học và bùn hoạt tính để đánh giá hiệu quả xử lý của thiết bị và xây dựng

mô hình tính toán tối ưu lượng oxy trong aeroten để từ đó có thể tính toán tiếp

các thông số đầu vào cho toàn thiết bị.

II.1.1. Cơ sở tính toán thiết bị:

a. Cơ sở tính toán Biofilter:

θ = b

- Thời gian lưu thuỷ lực trong biofilter ứng với lưu lượng tuần hoàn:

V vl Q

A.H Q

(2.1)

Trong đó:

θb: thời gian lưu thuỷ lực trong biofilter, (h)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vvl: thể tích vật liệu đệm, (m3)

43 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Qr: lưu lượng tuần hoàn từ aeroten vào biofilter, (l/h)

A: diện tích tiết diện ngang của lớp vật liệu, (m2)

Hvl: chiều cao của lớp vật liệu đệm, (m).

q = b

- Tải trọng thủy lực của biofilter:

Q r A.H

1 θ

(2.2)

S = r

- Hàm lượng BOD5 trong nước thải dòng vào biofilter

C .F 0 a q

P.H .K .F vl a T q .η b

(2.3)

Trong đó:

C0: tải trọng BOD5 cho phép trên 1m2 bề mặt vật liệu đệm khi BOD5v ≤

300 mg/l (g BOD5/m2.ngày)

P: Độ rỗng của lớp vật liệu (%)

Hvl: Chiều cao lớp vật liệu trong bể (m)

KT: Hằng số nhiệt độ, KT = K20.1,047T-20 = 0,2.1,047T-20

Fa: Diện tích bề mặt lớp vật liệu trong một đơn vị thể tích khối vật liệu

(m2/m3)

η: hệ số phụ thuộc hàm lượng BOD5 đầu ra[5].

Hàm lượng BOD5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

đầu ra S1 (mg/l)

η 3.3 2.6 2.25 2 1.75 1.6 1.45 1.3 1.2

b. Cơ sở tính toán Aeroten:

- Lưu lượng dòng vào aeroten:

Q = Q0 + Q1

- Giả thiết các quá trình xảy ra trong biofilter và aeroten đạt tối ưu và

dòng vào luôn ổn định, khi đó hàm lượng chất hữu cơ và hàm lượng

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

oxy hoà tan trong nước thải dòng vào aeroten có thể được xác định:

44 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

v,Ae

S .Q + S .Q 1 1 Q + Q 1

v, Ae

(2.4)

C .Q + C .Q 1 1 Q + Q 1

(2.5)

Trong đó:

Q0, S0, C0: lần lượt là lưu lượng nước thải, hàm lượng BOD5 và lượng

oxy hoà tan trong nước thải dòng vào.

Q1, S1, C1: lần lượt là lưu lượng nước thải, hàm lượng BOD5 và lượng

oxy hoà tan trong nước thải dòng ra khỏi biofilter.

Q.S

v,Ae

0 0

V = a

- Thể tích bể aeroten:

(Q S + Q S ) 1 1 q

Q(S

- S ) r

V = a

(2.7)

(2.6)

v, Ae ρ(a - Z)

hoặc

Trong đó:

qa: Tải trọng các chất hữu cơ sẽ được làm sạch trên một đơn vị thể tích

của bể xử lý (kg BOD5/m3.ngày), chọn từ 0.08 – 0.32.

Sv, Ae: hàm lượng BOD5 dòng vào aeroten, tính theo (2.4), (mg/l)

Sr = S2: hàm lượng BOD5 dòng ra khỏi aeroten, đồng thời là dòng vào

biofilter, tính theo (2.3), (mg/l)

ρ: Tốc độ sử dụng chất nền của 1g bùn hoạt tính trong một ngày (g

- S r

ρ =

; E =

.100

(F/M)E 100

v.Ae S

v,Ae

BOD5/g bùn.ngày)

a: Nồng độ bùn thực trong bể Aeroten (mg/l)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Z: độ tro của bùn, thường lấy bằng 0.3 (mg/mg)

45 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

F/M: tỷ số khối lượng chất nền trên khối lượng bùn hoạt tính, chọn từ

0.1 – 0.2 (g BOD5/g bùn )

E: hiệu quả xử lý (%)

θ =

- Thời gian lưu nước trong bể aeroten:

aV Q

(2.8)

Q(S

- S ) r

4.57Q(N - N ) r

- 1.42P +

- Lượng oxy cần thiết tính theo lý thuyết

OC = 0

v,Ae 1000f

v,Ae 1000

(2.9)

Trong đó:

f: hệ số chuyển đổi từ BOD5 sang COD hoặc BOD20, f = BOD5/COD,

thường từ 0.45 – 0.68

Px: phần tế bào dư xả ra ngoài theo bùn dư, Px = YbQ(Sv, Ae – Sr).10-3

(kg/ngày)

1.42: hệ số chuyển đổi từ tế bào sang COD

Nv, Ae: tổng hàm lượng nitơ dòng vào aeroten (mg/l)

Nr: tổng hàm lượng nitơ dòng ra (mg/l)

+ thành NO3

4.57: hệ số sử dụng oxy khi oxy hoá NH4

s20

OC = OC

- Lượng oxy theo thực tế:

1 α

1 (T - 20) βC - C 1.024 d

  

  

(2.10)

Trong đó:

β: Hệ số điều chỉnh sức căng bề mặt theo hàm lượng muối, đối với

nước thải thường lấy β = 1.

Cs20: Nồng độ oxy bão hoà trong nước sạch ở 20oC (mg/l)

Csh: Nồng độ oxy bão hoà trong nước sạch ứng với nhiệt độ ToC và độ

cao so với mặt nước biển tại nhà máy xử lý (mg/l)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Cd: Nồng độ oxy cần duy trì trong bể, chọn Cd = 2 (mg/l)

46 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

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 thoáng, hình

dáng và kích thước bể, chọn α = 0.6 – 0.94

- Thời gian lưu nước cần thiết để khử NH4

+ Tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn Nitrat hoá trong điều kiện vận hành

0.098(T - 15)

μ = μ

[ 1 - 0.833(7.2 - pH)

]

Nmax

bể ổn định [...]:

DO K - DO

N K - N N

  

      

   

(2.11)

Trong đó:

μN: tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn

μNmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại

Nv: hàm lượng nitơ đầu vào (mg/l)

DO: hàm lượng oxy hoà tan duy trì trong bể (mg/l)

KN, KO2: các hệ số động học của quá trình

+ của vi khuẩn nitrat hoá theo yêu cầu đầu vào và ra:

ρ =

+ Tốc độ sử dụng NH4

KN K + N N

(2.12) N

K =

μ N Y N

Trong đó:

YN: hệ số của quá trình Nitrat hoá (mg bùn hoạt tính/mg NH4

= Y.ρ - K

+ Thời gian lưu bùn nitrat:

1 θ

(2.13)

+ Thành phần hoạt tính của vi khuẩn Nitrat hoá trong bùn hoạt tính:

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

XN = fN.X (2.14)

47 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

f = N

0.16(NH - NH ) 4v 4r 0.6(BOD - BOD ) + 0.16(NH - NH ) 4r

Trong đó:

X: hàm lượng bùn hoạt tính (mg/l)

fN: tỷ lệ hợp chất hữu cơ bị nitrat hoá trong quá trình khử BOD.

θ = N

+ Thời gian cần thiết để Nitrat hoá:

V Q

NH - NH 4v ρ X N

(2.15)

- Thời gian lưu nước cần thiết để khử BOD:

= Y.ρ - K

+ Tốc độ oxy hoá BOD5 cho 1mg/l bùn hoạt tính trong một ngày:

1 θ

(2.16)

θ =

+ Thời gian cần thiết để khử BOD5:

V Q

BOD - BOD 5v ρX

(2.17)

II.1.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm

Các số liệu thực nghiệm đo đạc được phân tích và xử lý bằng phương pháp xử

lý thống kê.

Giả sử ta có n mẫu thí nghiệm, trong mỗi mẫu có các thông số đầu vào xác

định và kết quả đo được tương ứng: (yi, x1i, x2i,..., xpi) với i = (1,..., n). Khi đó

giả thiết quan hệ giữa kết quả đo được và các thông số đầu vào được biểu diễn

ở dạng phương trình hồi quy tuyến tính nhiều biến:

Y = k0 + k1.X1 + k2X2 + ....+ kp.Xp

trong đó k0, k1, k2,....kp là hệ số cần xác định.

Dùng phương pháp bình phương bé nhất và dựa vào số liệu mẫu cụ thể để xác

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

định các hệ số sao cho:

48 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Q =

2 [y - (k + k x + k x +...+ k x )]

1 1i

đạt cực tiểu.

∑

i=1

x + k

x x +...+ k

2 0i

x x = pi

x y 0i

∑

i=1

x +...+ k

x x + k 1i

2 1i

x x = pi

x y 1i

Khi đó k0, k1, k2, ..., kp là nghiệm của hệ phương trình [8]:

∑

∑ (2.18)

i=1

x x +...+ k

x x + k pi

2 x = pi

x y pi

..........................................................................................

∑

i=1

x .x , b =

a = tq

x y ti

Trong đó x0i = 1, là các biến giả đưa vào để giải hệ phương trình.

∑ , với (t, q = 0, 1..., p), khi đó hệ 2.11

∑

i=1

Đặt

a … a

a … 11

k 1 

b 1 

… …

10 …

được viết lại như sau:

…

a … a

      

      

      

      

      

      

X = (2.19)

Trong trường hợp kích thước của hệ nhỏ p ≤ 5, ta có thể tìm lời giải trực tiếp

a … a a

a … 11

… …

10 …

bằng phương pháp nghịch đảo ma trận.

…

a … a

      

      

Gọi C là ma trận nghịch đảo của ma trận A = , khi đó

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

các nghiệm của hệ 2.12 được tính như sau:

49 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

1 – k2.x*

2 - … - kp.x*

.b +....+

k = 1

.b + 1

A 11 A

A 12 A

1p A

.b +....+

k = 2

.b + 1

A 21 A

A 22 A

2p A

k0 = y* – k1 . x*

.b +....+

k = p

.b + 1

p1 A

p2 A

pp A

∑

* y =

* x = t

………………………………

i=1 n

, (t = 1, 2, …, p); Aij là các định thức con Trong đó

của aij, |A| là định thức của ma trận A.

Ta cũng có thể giải hệ trên bằng cách biến đổi các ma trận của hệ phương

trình thành một ma trận ở dạng đơn giản hơn như biến đổi thành ma trận tam

giác (phương pháp Gauss, phương pháp Choleski), ma trận đường chéo

(phương pháp Jordan), hay ma trận trực giao (phương pháp Schmidt). Phương

pháp này có thể sử dụng đối với hệ có kích thước p ≤ 100. Hoặc cũng có thể

sử dụng một số thuật toán xuất phát từ một nghiệm gần đúng, sau đó tinh

luyện một chuỗi các tính toán để hội tụ đến lời giải mong muốn như lặp đơn,

Gauss-Seidel, giảm dư, Southwell, đạo hàm liên hợp,…

Để đánh giá mức độ chặt chẽ của sự phụ thuộc tuyến tính giữa X và Y, ta

−

(

).(

)

x i

y i

dùng hệ số tương quan tuyến tính r:

∑

= 1

r =

−

(

2 ) .

(

)

x i

y i

(2.20)

∑

= 1

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

50 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

- Nếu |r| ≤ 1 thì X và Y có quan hệ hàm tuyến tính, |r| càng lớn thì sự phụ

thuộc tương quan tuyến tính giữa X và Y càng chặt chẽ, đường hồi quy

thực nghiệm càng “gần” đường hồi quy lý thuyết.

- Nếu r = 0 thì giữa X và Y không có sự phụ thuộc tuyến tính.

Để kiểm định giả thuyết về tương quan tuyến tính r, ta đặt giả thuyết H0: giữa

các biến không có tương quan tuyến tính, tức là r = 0 và chứng minh rằng r ≠

0; khi đó sẽ có ba trường hợp xảy ra:

trường hợp 1: H0: r = 0 -

H1: r ≠ 0

− =

r bác bỏ H0 nếu tn-2 > tn-2, α / 2 hoặc tn-2 < - tn-2, α / 2

−

) /(

với

trong đó tn-2: tuân theo phân phối student t với bậc tự do n – 2

n: cỡ mẫu

α: mức ý nghĩa cho trước

trường hợp 2: H0: r = 0 -

H1: r > 0

r bác bỏ H0 nếu tn-2 > tn-2, α

trường hợp 3: H0: r = 0 -

H1: r < 0

r bác bỏ H0 nếu tn-2 < - tn-2, α

s = t

1 s i

Để kiểm định sự phù hợp của Y vừa tìm được người ta dùng thí nghiệm lặp để

∑ (là ước lượng của phương sai của đại lượng

1 n

i=1

tính phương sai

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ngẫu nhiên không phụ thuộc y); so sánh với phương sai dư

51 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

2 s = d

(y - y ) i

∑

1 n - r(X)

i=1

(là ước lượng của phương sai của đại lượng ngẫu

nhiên phụ thuộc ŷ).

Nếu y phù hợp với mô hình nghiên cứu thì hai phương sai bằng nhau. Khi đó

2 = sd

2. Nếu y không phù hợp thì st

2 ≠ sd

2. Chọn

F =

ta đưa ra giả thuyết H0: st

2 ≥ st

2) với bậc tử (n – k – 1) , bậc mẫu (n – 1).

s s

2 d 2 t

thống kê Fisher: (sd

Chọn α, tra bảng tìm Fα. Tính F dựa vào mẫu.

- Nếu F < Fα  giả thuyết H0 đúng  y phù hợp với mô hình.

- Nếu F ≥ Fα  bác bỏ giả thuyết H0  y không phù hợp với mô hình, phải

giả thuyết lại mô hình, có thể mô hình không phải là tuyến tính mà là bậc 2,

bậc 3.

Trong trường hợp không có thí nghiệm lặp, có thể so sánh phương sai dư với

∑

i=1

2 s = y

(y - y) i

F =

phương sai sy n - 1

2 y 2 d

, bậc tử (n – 1), bậc mẫu (n – k – 1), nếu F Theo tiêu chuẩn Fisher,

càng nhỏ hơn Fα thì phương sai tái sinh càng chính xác. [10]

II.2. Thí nghiệm nghiên cứu quá trình hoà tan oxy trong thiết bị tổ

hợp Aeroten-Biofilter (BFA)

II.2.1. Mục đích thí nghiệm

- Nghiên cứu dòng chất lỏng – khí trong mô hình thiết bị tổ hợp BFA

- Đánh giá các thông số thiết kế ảnh hưởng tới quá trình hoà tan oxy

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

trong thiết bị

52 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

- Xây dựng mô hình tính toán lượng oxy hoà tan trong bể Aeroten dựa

trên các thông số thực nghiệm

II.2.2. Mô tả thí nghiệm

Thiết bị tổ hợp BFA được mô tả như hình 2.1, được cấu tạo từ một biofilter 1

và aeroten 2, nước vào aeroten 2 được bơm tuần hoàn 3 bơm qua dàn phân

phối nước chảy vào biofilter 1, qua hệ thống ống 4 chảy xuống bể aeroten 2.

Trong quá trình nước chảy qua biofilter 1, nước sẽ được xử lý một phần đồng

thời cũng được bão hoà oxy, khi chảy qua hệ thống ống 4 tạo thành các bọt

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

khí trong bể aeroten 2, tại bể aeroten 2 nước tiếp tục được xử lý.

53 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

(6)

(1)

Hvl

Qr, Sr, Cr

Q1, S1, C1 (5)

Dòng ra

(4) Dòng vào

Q0, S0, C0 Q2, S2, C2

(2)

(3)

Hình 2.1: Thiết bị tổ hợp Aeroten-Biofilter (BFA)

(1)Biofilter; (2) Aeroten; (3) bơm tuần hoàn; (4) hệ thống ống tạo bọt khí;

(5) Van điều chỉnh lưu lượng; (6) hệ thống phân phối nước.

Để khảo sát quá trình hoà tan oxy trong thiết bị, chúng tôi tiến hành các thí

nghiệm như sau:

- Thay đổi lưu lượng tuần hoàn (dòng vào biofilter 1) và đánh giá ảnh

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

hưởng của lưu lượng tuần hoàn tới quá trình cấp khí trong aeroten.

54 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

- Thay đổi chiều dày lớp vật liệu đệm và đánh giá ảnh hưởng của lớp vật

liệu đệm tới quá trình hoà tan oxy.

- Thay đổi đường kính và số lượng ống của hệ thống ống 4, đánh giá ảnh

hưởng của đường kính và số lượng ống tới quá trình tạo bọt khí.

- Thay đổi chiều cao mức nước trong bể aeroten để đánh giá ảnh hưởng

của áp suất thuỷ tĩnh tới quá trình tạo bọt khí.

- Điều chỉnh nhiệt độ để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt tới quá trình hoà

tan oxy.

Để xây dựng mô hình tính toán hàm lượng oxy hoà tan, giả thuyết mô hình

xác định hàm lượng oxy hoà tan trong aeroten của thiết bị tổ hợp BFA có

b φ 4

.Q .H .n .b

b 2 vl

a 0

b 1 r

dạng như sau:

Trong đó:

DO: hàm lượng oxy hoà tan trong aeroten (mg/l)

Qr: lưu lượng nước tuần hoàn (l/h)

Hvl: chiều cao lớp vật liệu đệm trong biofilter (m)

n: số đường ống trong hệ thống ống từ biofilter vào aeroten

Φ: đường kính ống trong hệ thống ống từ biofilter vào aeroten (m)

a0, b1, b2, b3, b4 : các hệ số của mô hình cần phải xác định

Để xác định các hệ số của mô hình, ta tiến hành logarit hoá :

lgDO = lga0 + b1lgQr + b2lgHvl + b3lgn + b4lgΦ

Đặt lgDO = y, lga0 = k, lgQr = x1, lgHvl =x2, lgn = x3, lgΦ = x4, khi đó mô

hình được đưa về dạng phương trình hồi quy và được giải bằng phương pháp

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

bình phương bé nhất.

55 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

II.3. Phân tích kết quả thực nghiệm

II.3.1. Mối quan hệ giữa lưu lượng tuần hoàn và hàm lượng oxy hoà

tan:

Trong thiết bị tổ hợp BFA, trên đường bơm tuần hoàn, chúng tôi đặt một van

điều chỉnh lưu lượng 5. Tiến hành thí nghiệm với các lưu lượng 540 l/h; 720

l/h và 900l/h; đường kính ống 8.10-3 m; chiều cao lớp vật liệu đệm là 5.10-2 m,

tiết diện ngang của lớp vật liệu là 6.10-2 m2, chiều cao mức nước trong aeroten

là 1.10-2 m, ở nhiệt độ trung bình 27oC, chúng tôi thu được kết quả như sau:

n 0 1 2 3 4

Qr = 540 l/h 4.5 6 6.2 6.4 5.9

Qr = 720 l/h 4.1 5 5.2 5.4 5.4

Qr = 900 l/h 3.5 5.1 5.7 5.6 5.5

Bảng 2.1: Hàm lượng oxy hoà tan ứng với các lưu lượng

và số ống khác nhau

Ảnh hưởng của lưu lượng tới hàm lượng oxy hoà tan

) l /

g m

Qr = 540 l/h

Qr = 720 l/h

Qr = 900 l/h

( n a t à o h y x o g n ợ ư

l

m à H

n (số ống)

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hình 2.2: Ảnh hưởng của lưu lượng tới hàm lượng oxy hoà tan

56 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Nhận xét: Từ đồ thị thu được, chúng tôi nhận thấy rằng hàm lượng oxy hoà

tan trong bể phụ thuộc tuyến tính vào lưu lượng dòng vào, khi lưu lượng tăng

thì hàm lượng oxy hoà tan giảm.

Xử lý số liệu bằng máy tính, chúng tôi thu được phương trình mô tả mối quan

hệ giữa lưu lượng tuần hoàn theo số ống với hàm lượng oxy hoà tan trong bể

aeroten như sau:

-0.2578857

DO = 5.002481.N 2.904915.Qr

Với hệ số tương quan: R = 0.9365409

Trong đó:

N : số ống phân phối dòng lỏng – khí từ biofilter sang bể aeroten.

Qr: lưu lượng tuần hoàn (m3/h)

Dấu (-) thể hiện mối tương quan nghịch giữa lưu lượng và hàm lượng oxy hoà

tan, tức là khi lưu lượng tăng thì hàm lượng oxy hoà tan giảm.

Hệ số tương quan R = 0.93 cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa lưu lượng

tuần hoàn và hàm lượng oxy hoà tan.

Sử dụng phương trình để tính toán kiểm tra lại mức độ chính xác của phương

trình so với các thông số đo thực nghiệm, chúng tôi thu được kết quả sau:

) l /

g m

(

DO thực

Do tính toán

O D n a t à o h y x o g n ợ ư

l

m à H

Số mẫu

Hình 2.3: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

lưu lượng tuần hoàn theo tính toán và theo thực tế.

57 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

II.3.2. Mối quan hệ giữa chiều dày lớp vật liệu đệm và hàm lượng oxy

hoà tan:

Tiến hành thí nghiệm thay đổi chiều dày lớp vật liệu đệm ở các mức Hvl =

30.10-3 m và Hvl = 50.10-3 m. Kết quả được biểu diễn theo hình dưới đây:

) l /

g m

(

Hvl = 30

Hvl = 50

O D n a t a ò h y x o g n ợ ư

l

m à H

n (số ống)

Hình 2.4: Ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu đệm

tới hàm lượng oxy hoà tan

Từ kết quả thu được cho thấy, hàm lượng oxy hoà tan cũng phụ thuộc tuyến

tính vào chiều dày của lớp vật liệu lọc. Khi chiều dày lớp vật liệu tăng thì hàm

lượng oxy hoà tan cũng giảm. Điều này đã được nhiều tài liệu khẳng định và

để khắc phục, trong thiết kế người ta thường bố trí các cửa thông gió ở phía

dưới tháp lọc.

Xử lý số liệu thu được, chúng tôi cũng xác định được phương trình mô tả mối

quan hệ giữa chiều dày lớp đệm và hàm lượng oxy hoà tan dưới dạng như

-0.2525026

DO = 8.99676.N 5.590405.Hvl

Với R = 0.9313901

Sử dụng phương trình để tính toán và so sánh với kết quả thực nghiệm, chúng

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

tôi thu được kết quả sau:

58 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

) l /

g m

(

O D n a t à o h y x o g n ợ ư

l

m à H

Số mẫu

DO thực DO tính toán

Hình 2.5: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc

chiều dày lớp vật liệu theo tính toán và theo thực tế.

II.3.3. Mối quan hệ giữa đường kính ống phân phối dòng lỏng – khí

và hàm lượng oxy hoà tan trong bể aeroten:

Tiến hành thí nghiệm thay đổi các đường kính ống phân phối dòng từ biofilter

vào aeroten, chúng tôi thu được kết quả sau:

) l /

g m

(

d = 6

d = 8

d = 10

O D n a t à o h y x o g n ợ ư

l

m à H

n (số ống)

Hình 2.6: Ảnh hưởng của đường kính ống tới hàm lượng oxy hoà tan

Đường kính ống cũng có ảnh hưởng tới hàm lượng oxy hoà tan, khi đường

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

kính ống tăng thì hàm lượng oxy hoà tan tăng, tuy nhiên đường kính ống chỉ

59 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

tăng đến một giá trị nào đó thì hàm lượng oxy sẽ lại giảm, nguyên nhân do

khi đường kính ống lớn thì lưu lượng và tốc độ của dòng chất lỏng chảy trong

ống giảm, lượng oxy được bão hoà trong quá trình lọc bị khuếch tán ngược ra

ngoài “khoảng trống” của ống dẫn, theo dòng chất lỏng tạo thành các bọt khí

lớn trong bể aeroten và nhanh chóng thoát ra bên ngoài. Trong quá trình “đi

lên” của các bọt khí này vẫn có quá trình hoà tan oxy vào môi trường nước

thải, tuy nhiên hiệu quả của quá trình hoà tan oxy này rất thấp.

Phân tích các số liệu thực nghiệm đo đạc được và xử lý bằng thống kê, chúng

tôi đã xác định được phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa thông số đường

kính ống và hàm lượng oxy hoà tan như sau:

DO = 1.407765.N4.743179.Φ0.6166044

với R = 0.8496815.

Tính toán kiểm tra, chúng tôi thu được kết quả:

) l /

g m

(

DO thực

DO tính toán

O D n a t à o h y x o g n ợ ư

l

m à H

Số m ẫu

Hình 2.7: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc

đường kính ống theo tính toán và theo thực tế.

II.3.4. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hàm lượng oxy hoà tan

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

60 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Để tạo được bọt khí trong bể aeroten thì dòng chất lỏng – khí đi qua ống dẫn

phải có áp suất đủ lớn để thắng mọi sức cản thuỷ lực trong hệ thống. Áp suất

này được xác định:

Δp = Δpd + Δpm + Δph + Δpt + Δpk (2.21)

Trong đó:

Δpd: áp suất động lực để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn, phụ

thuộc lưu lượng tuần hoàn, chế độ cấp nước vào biofilter, chiều cao vật

liệu đệm, hàm lượng các chất trong nước thải…

Δpm: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực ma sát, phụ thuộc chiều dài

ống, đường kính tương đương của ống.

Δph: áp suất cần thiết để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh, phụ thuộc chiều

cao mực nước trong bể aeroten.

Δpt: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị

Δpk: áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn.

Để tính toán chính xác áp suất cần thiết này đòi hỏi quá trình nghiên cứu kỹ

lưỡng, kết hợp với các thông số thiết kế cụ thể, do đó trong khuôn khổ đề tài

này chúng tôi không đề cập đến mà chỉ đánh giá một số thông số thiết kế liên

quan, ảnh hưởng tới hàm lượng oxy hoà tan, trong đó có chiều cao mức nước

trong bể aeroten (hay áp suất thuỷ tĩnh).

Đối với quá trình dòng chảy ổn định, khi chiều cao mức nước trong bể tăng

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

thì khả năng tạo bọt khí giảm.

61 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

) l /

g m

(

ha =10

ha =15

ha = 20

O D n a t à o h y x o g n ợ ư

l

m à H

n ( số ống)

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 vào nhiều yếu tố khác như

nhiệt độ, hàm lượng các chất trong nước thải, …Sự phụ thuộc vào các yếu tố

này cũng đã được trình bày trong nhiều tài liệu khác[5], trong đó sự phụ thuộc

vào yếu tố nhiệt độ cần đặc biệt quan tâm do nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới

hàm lượng oxy hoà tan, khi nhiệt độ tăng thì khả năng hoà tan của oxy giảm

II.3.5. Thiết lập phương trình tổng quát mô tả mối quan hệ giữa các

thông số thiết kế và hàm lượng oxy hoà tan trong tổ hợp thiết bị

aeroten – biofilter:

Từ các kết quả thực nghiệm thu được, chúng tôi thấy rằng hàm lượng oxy hoà

tan trong bể aeroten của thiết bị tổ hợp BFA phụ thuộc tuyến tính với các

thông số thiết kế đầu vào của biofilter như lưu lượng dòng vào Qr, chiều cao

lớp vật liệu lọc Hvl, số ống và đường kính ống phân phối dòng từ biofilter vào

aeroten. Do vậy chúng tôi đã tiến hành xây dựng mô hình tổng quát để tính

toán hàm lượng oxy hoà tan trong aeroten của tổ hợp BFA là một hàm phụ

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

thuộc vào các thông số thiết kế .

62 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Từ các số liệu thực nghiệm đo đạc được, sử dụng máy tính, chúng tôi đã xác

0.2492279

0.7107202

0.0373208

0.6307476

DO 7.030257.Q

φ .

− r

− vl

định được các thông số của mô hình như sau:

với R2 = 0.8293542.

Sử dụng mô hình để tính toán, chúng tôi thu được các kết quả tính toán DOtt

và so sánh với các kết quả thực nghiệm DOex được trình bày trong bảng 2.1.

STT DOtt DOex STT DOtt DOex STT DOtt DOex

31 4.20 4.5

3.50 3 3.51 3

32 5.92

4.94 5 4.94 4 6

33 6.08 6.2

5.07 5.5 5.06 4

34 6.17 6.4

5.15 5.7 5.14 4.1

35 6.24 5.9

5.202 5 5.2 3.9

36 3.59 4.1

2.89 3 3.21 3

37 5.51

4.44 4.5 4.94 6.2 5

38 5.66 5.2

4.56 4.6 5.07 6.8

39 5.74 5.4

4.63 4.8 5.15 6.1

40 5.81 5.4

4.68 4.5 5.20 5.9

41 3.39 3.5

2.71 3 3.21 3

42 5.22 5.1

4.17 4.3 4.94 6

43 5.35 5.7

4.28 4.2 5.07 5.8

44 5.43 5.6

4.34 4.1 5.15 5.5

45 5.49 5.5

4.39 4 5.20 5.3

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 sự sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán

được bằng mô hình là không đáng kể, do đó hoàn toàn có thể sử dụng mô

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

hình để tính toán hàm lượng oxy hoà tan ở đầu ra của biofilter, qua đó tính

63 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

toán thiết kế các hệ thống xử lý khác nhau, nhằm làm giảm chi phí vận hành

cho quá trình xử lý.

II.4. Ứng dụng mô hình để tính toán thiết bị tổ hợp AAO_Biofilter

a. Công nghệ xử lý nước thải AAO

Công nghệ xử lý nước thải kết hợp các quá trình yếm khí, thiếu khí và hiếu

khí (anaerobic, 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 khâu xử

lý yếm khí để loại bỏ photpho; tại ngăn thiếu khí_ anoxic, các vi sinh vật tự

-, NO3

- thành N2; cuối cùng khi nước thải tới ngăn

dưỡng sẽ chuyển hoá NO2

+ được oxy

oxic, phần BOD còn lại trong nước thải sẽ được oxy hoá tiếp, NH4

- , một phần nước thải được xử lý ở ngăn oxic sẽ được tuần

hoá thành NO3

- sinh ra. Với công nghệ này

hoàn lại ngăn anoxic để loại bỏ tiếp phần NO3

cho phép giảm thiểu nhu cầu oxy hoà tan để oxy hoá hoàn toàn cơ chất, tiết

kiệm chi phí vận hành.

αQ

Q Q (1+α)Q (1+α)Q Ana Ano O O

B B B KK B KK

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;

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

α_hệ số tuần hoàn bùn và nước thải.

64 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

b. Tính toán thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter

Thiết bị tổ hợp AAO – Bioflter được thiết kế gồm một bể bùn hoạt tính hoạt

động theo nguyên lý AAO kết hợp với một biofilter thông qua hệ thống ống

phân phối dòng lỏng – khí. Việc tính toán đối với từng thiết bị đã được mô

hình hoá trong các tài liệu khác [1,7,9], việc kết nối giữa hai thiết bị chúng tôi

sử dụng mô hình vừa xây dựng được để tính toán. Sơ đồ công nghệ của quá

trình được mô tả như hình 2.8:

βQ

αQ

Q O Ana Ano

Lắng 2

(1+β)Q (1+α)Q Q

Hình 2.8: Sơ đồ công nghệ của thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter

Q: lưu lượng dòng vào; Ana: vùng xử lý yếm khí; Ano: vùng xử lý thiếu khí;

O: vùng xử lý hiếu khí; BF: Biofilter; B: Bùn thải; β, α: các hệ số tuần hoàn.

Giả thiết bài toán tính toán thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter với các điều kiện:

- Lưu lượng nước thải: Qd = 150 m3/ngày. Đêm

- Thời gian làm việc của bể: 20 giờ

- Hàm lượng BOD5 dòng vào AAO: BOD5,0 = 350 mg/l

+)0 = 45 mg/l

- Hàm lượng BOD5 dòng ra AAO: BOD5,r = 20 mg/l

+)r = 3.5 mg/l

- Hàm lượng nitơ tổng dòng vào: (NH4

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Hàm lượng nitơ đầu ra: (NH4

65 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

- Hàm lượng cặn dòng vào: SS0 = 350 mg/l

- Hàm lượng cặn dòng ra: SSr = 50 mg/l

- Hàm lượng vi sinh: MLSS = 1750 mg/l

- Chỉ số 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

0.098(T - 15)

μ = μ

[ 1 - 0.833(7.2 - pH)

]

Nmax

DO K - DO

N K - N N

  

      

   

bể ổn định [...]:

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

+ của vi khuẩn nitrat hoá theo yêu cầu đầu vào và ra:

ρ =

+ Tốc độ sử dụng NH4

KN K + N N

K =

= 13.5375

μ N Y N

ngày -1, với YN = 0.16;

+/ mg bùn Nitrat, ngày

 ρN = 9.693 mg NH4

= Y.ρ - K

1 θ

+ Thời gian lưu bùn nitrat:

Lấy KdN = 0.04 ngày -1

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

 θC = 0.66 ngày = 15,88 giờ

66 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

+ Thành phần hoạt tính của vi khuẩn Nitrat hoá trong bùn hoạt tính:

f = N

0.16(NH - NH ) 4v 4r 0.6(BOD - BOD ) + 0.16(NH - NH ) 4r

XN = fN.X

fN = 0.032

 XN = 56,78 mg/l

θ = N

V Q

NH - NH 4v ρ X N

+ Thời gian cần thiết để Nitrat hoá:

θN = 0.075 ngày = 1.8 giờ

+ Thể tích cần 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:

= Y.ρ - K

1 θ

Lấy thời gian lưu bùn bằng thời gian lưu bùn nitrat hoá

Lấy Kd = 0.04 + 0.0075(T - 20) = 0,081 ngày -1 ; Y = 0.6

 ρ = 2.66 mg BOD/mg bùn hoạt tính.ngày

θ =

V Q

BOD - BOD 5v ρX

+ Thời gian cần thiết để khử BOD5:

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

- thành N2:

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Dung tích vùng Anoxic để khử NO3

67 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

V Q

NO - NO 3v ρ X N

)

Lấy NO3v = NH4,0 – NH4,r = 45 – 3.5 = 41.5 mg/l

NO = 3r

( NO 100 - γ 100

; với γ là tỷ lệ khử NO3, lấy γ = 95%  NO3r = 2.075

(T - 20)

= ρ

* 1.09

* (1 - DO) , lấy ρN20°C = 0.1 mg NO3

-/mg bùn

N 20 C

mg/l

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

Q(S

(4.57 - 2.86*50%*γ)(N - N )Q

- S ) r

v,Ae

OC = 0

v,Ae 1000

1000

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NH4

68 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Trong đó ( 2.86*50%*γ ) là lượng oxy tận dụng được từ quá trình khử NO3

thành N2.

-: γ = 95%

Lấy tỷ lệ lượng cặn bùn hoạt tính sinh ra do giảm chất nền Yb = 0.6; hiệu suất

khử NO3

/m3

 OC0 = 3.619 KgO2

s20

OC = OC

1 α

1 (T - 20) βC - C 1.024 d

  

  

- Lượng oxy cần thiết thực tế:

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 số điều chỉnh sức căng bề mặt tính theo hàm lượng muối β = 1

α = 0.7 tương ứng với thiết bị phân phối khí 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:

4,r

- 1

α = N

- Hệ số hồi lưu tính theo nitơ:

NH - NH 4,0 NH

4,r

= 10.857

- Lưu lượng tuần hoàn nước thải:

Qr =Q(1 + αN) = 88.928 m3/h

 Chọn bơm có công suất máy bơm là 14 m3/h, công suất tiêu thụ điện là 1.6

kw/h

 Số bơm cần thiết = Qr/14 = 6.352

Chọn số bơm là 8 cái

- Lượng oxy hoà tan cần đạt được sau biofilter:

DOf = OCt* 1.5 = 10.3424 mg/l

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Sử dụng mô hình để tính toán, ta có lượng oxy hoà tan sau biofilter là:

69 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

DOft = 10.8763 mg/l

Tương ứng với biofilter có lưu lượng tuần hoàn Qr = 88.928 m3/h; chiều cao

lớp đệm Hvl = 4 m; số ống thổi khí n = 7; đường kính ống Φ = 50.10-3 m.

BOD .Q + BOD .Q

5,0

5,r

S = r

- Lượng BOD5 dòng vào biofilter:

Q + Q

= 45.6667 mg/l

- Thể tích của bể lọc:

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:

f =

Q = K

OC t OU

OC t Ou.h

- Lượng không khí cần thiết:

Lấy công suất hoà tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối tính theo gO2

cho 1m3 không khí, ở độ sâu ngập nước h = 1m: Ou = 7 gO2/m3.m

Hệ số an toàn f = 1.75

 QK = 383.049 m3/ngày.

Công suất máy thổi khí = QK/OE = 0.319 kW

(Lấy OE = 1.2*103 gO2/kW)

Chọn máy thổi khí có công suất 0.4 kW

* Chi phí đầu tư và vận hành cho tổ hợp thiết bị AAO – Biofilter:

- Chi phí đầu tư: 636.1348 triệu VND

- Suất đầu tư: 4.42 triệu VND/m3

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Chi phí vận hành: 415 VND/m3

70 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

*Chi phí đầu tư và vận hành cho thiết bị AAO sử dụng máy thổi khí:

- Chi phí vận hành: 3646.8 VND/m3

Lập trình tính toán tương tự trên máy tính và tính toán chí phí cho một số

nguồn nước thải khác nhau, chúng tôi thu được các kết quả 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:

+ dòng vào: 45 mg/l

- Hàm lượng BOD5 dòng vào: 250 mg/l

- Hàm lượng nitơ tính theo NH4

Kết quả tính toán được như sau:

500 300 100

90 717.295 1602.521 2409.729 270

458.3603 875.052

216 67.49 38.9988 5.3417 0.0853 332.8 72 27.79 13.5648 7.17 0.256 998.4 450 1201.816 360 111.16 64.4328 4.819 0.0768 299.52

2679.145 4250.118

Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) Hệ thống xử lý AAO - Biofilter * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) - Đầu tư vỏ filter - Chi phí xây lắp Aeroten và bể lắng 2 - Chi phí đệm vi sinh - Chi phí máy bơm - Chi phí đường ống * Suất đầu tư (triệu VND/m3) * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) * Chi phí vận hành (VND/m3) Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thông thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) * Suất đầu tư (triệu VND/m3) * Chi phí vận hành (VND/m3)

993.1 9.93 2394.8 8.5 1588.675 8.93 1809.7

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:

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Hàm lượng BOD5 dòng vào: 275 mg/l

71 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

+ dòng vào: 45 mg/l

- Hàm lượng nitơ tính theo NH4

Kết quả tính toán được như sau:

5000 15000

16615.06 4500 5988.548 3600 702 420.5088 3.323 0.07392 288.288 46214.14 13500 14429.91 10800 2074.8 1259.831 3.0809 0.064 249.849

Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) Hệ thống xử lý AAO - Biofilter * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) - Đầu tư vỏ filter - Chi phí xây lắp Aeroten và bể lắng 2 - Chi phí đệm vi sinh - Chi phí máy bơm - Chi phí đường ống * Suất đầu tư (triệu VND/m3) * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) * Chi phí vận hành (VND/m3) Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thông thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) * Suất đầu tư (triệu VND/m3) * Chi phí vận hành (VND/m3)

34588.29 6.9176 938.726 93310.77 6.2207 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:

+ dòng vào: 45 mg/l

- Hàm lượng BOD5 dòng vào: 500 mg/l

- Hàm lượng nitơ tính theo NH4

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Kết quả tính toán được như sau:

72 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

2000 5000

17615.13 4500 5988.548 3600 826.8 1046.185 3.523 0.0813 317.12 7708.646 1800 3043.633 1440 335.4 418.81 3.854 0.0924 360.36

16770.33 8.385 1738.839 38372.2 7.674 1376.527

Công suất xử lý (m3/ngày.đêm) Hệ thống xử lý AAO - Biofilter * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) - Đầu tư vỏ filter - Chi phí xây lắp Aeroten và bể lắng 2 - Chi phí đệm vi sinh - Chi phí máy bơm - Chi phí đường ống * Suất đầu tư (triệu VND/m3) * Chi phí sử dụng điện (kWh/m3) * Chi phí vận hành (VND/m3) Hệ thống xử lý theo phương pháp Aeroten hay AAO thông thường * Tổng chi phí đầu tư (triệu VND) * Suất đầu tư (triệu VND/m3) * Chi phí vận hành (VND/m3) Bảng 2.7: Tính toán chi phí đầu tư và chi phí vận hành cho hệ thống xử lý

nước thải tập trung các khu công nghiệp theo công nghệ AAO – Biofilter

và theo phương pháp Aeroten thông thường

Nhận xét:

Qua tính toán sơ bộ thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter và AAO thông thường

cho thấy việc sử dụng thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter cho phép giảm chi phí

vận hành tới 3, 4 lần. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc đưa công nghệ xử lý

nước thải tiếp cận dễ dàng hơn với cuộc sống, nhất là trong giai đoạn hiện

nay, khi mà các công trình xử lý nước thải mặc dù đã được đầu tư xây dựng

nhiều xong quá trình hoạt động lại không hiệu quả do chi phí vận hành còn

cao trong khi nguồn phí thu về lại không có nên nhiều cơ sở đã tự ý dừng hoạt

động của các hệ thống xử lý. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng thấy rằng chi phí

đầu tư cho hệ thống công nghệ xử lý kết hợp AAO – Biofilter cũng giảm đi so

với các phương pháp thông thường do không phải sử dụng nhiều đến các thiết

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

bị đắt tiền như mấy thổi khí, cũng như mặt bằng xây dựng các bể.

73 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

Phần III: KẾT LUẬN

1. Đã thiết lập được phương trình mô tả mối quan hệ giữa các thông số

thiết kế và hàm lượng oxy hoà tan của aeroten trong thiết bị tổ hợp

aeroten-biofilter.

2. Dựa vào mô hình và lập trình trên máy tính để tính toán đồng bộ thiết

bị tổ hợp AAO – Biofilter.

3. Tính toán chi phí vận hành của thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter và so

sánh với chi phí vận hành của công nghệ AAO thông thường sử dụng

máy thổi khí cho thấy chi phí vận hành của thiết bị tổ hợp AAO –

Biofilter giảm được 3, 4 lần so với công nghệ AAO thông thường.

Từ các kết luận trên chúng tôi xin kiến nghị được tiếp tục nghiên cứu sử dụng

thực tế thiết bị tổ hợp Aeroten-Biofilter trong xử lý các loại nước thải khác

nhau bằng phương pháp sinh học, nhằm tối ưu hoá công tác thiết kế, giảm chi

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

phí vận hành của hệ thống xử lý nước thải.

74 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải (2003), Lý thuyết và mô hình hoá

quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, NXB KHKT, Hà Nội.

2. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2005), Giáo trình công nghệ xử lý nước

thải, NXB KHKT, Hà Nội.

3. Nguyễn Văn Phước (2007), Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công

nghiệp bằng phương pháp sinh học, NXB Xây Dựng, Hà Nội.

4. Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ và phốtpho, NXB

Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.

5. Trịnh Xuân Lai (2000), Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải,

NXB Xây Dựng, Hà Nội.

6. Trung tâm đào tạo ngành nước và môi trường (1999), Sổ tay xử lý nước tập

1, 2, NXB Xây dựng, Hà Nội.

7. Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Trần Văn Nhân, Sreng Sok Vung

(2005), “Sử dụng mô hình dãy hộp với dòng ngược trong việc tính toán hệ

thiết bị Aeroten – bể lắng xử lý nước thải bệnh viện”, Tạp chí Khoa học và

công nghệ, tập 43 (số 6A), Tr 208 – 211.

8. Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Trần Văn Nhân, Sreng Sok Vung

(2006), “Mô hình thực nghiệm thống kê mô tả quan hệ giữa các chỉ tiêu hoá

lý cơ bản của nước thải bệnh viện”, Tạp chí Khoa học và công nghệ, tập 44

(số 2), Tr 13 – 17.

9. Nguyễn Xuân Nguyên, Trần Văn Nhân, Sreng Sok Vung, “Mô hình hoá

quá trình xử lý sinh học yếm khí - thiếu khí - hiếu khí (AAO) đối với nước

thải bệnh viện”, Tạp chí Khoa học và công nghệ.

10. Bùi Minh Trí (2005), Xác xuất thống kê và quy hoạch thực nghiệm, NXB

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHKT, Hà Nội.

75 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học với việc sử dụng các

kỹ thuật lồng ghép đang ngày càng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi do

có ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, giảm thiểu chi phí vận hành so với các công

nghệ xử lý thông thường.

Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và mô hình

hoá quá trình hoà tan oxy trong quá trình xử lý kết hợp giữa lọc sinh học và

bùn hoạt tính nhằm tính toán các thông số thiết kế phù hợp để tối ưu hoá quá

trình hoà tan oxy, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành cho hệ

thống.

Từ các thông số thực nghiệm thu được, chúng tôi đã xây dựng được mô hình

xác định hàm lượng oxy hoà tan trong hệ thống theo các thông số thiết kế như

0.2492279

0.7107202

0.0373208

0.6307476

DO 7.030257.Q

φ .

− vl

− r

Với R2 = 0.8293542

Trong đó:

DO: hàm lượng oxy hoà tan trong aeroten (mg/l)

Qr: lưu lượng nước tuần hoàn (l/h)

Hvl: chiều cao lớp vật liệu đệm trong biofilter (m)

n: số đường ống trong hệ thống ống từ biofilter vào aeroten

Φ: đường kính ống trong hệ thống ống từ biofilter vào aeroten (m)

Sử dụng mô hình để tính toán kiểm tra và so sánh với các kết quả thực

nghiệm cho thấy kết quả tính toán từ mô hình và kết quả thực tế thu được sai

lệch không đáng kể, do đó hoàn toàn có thể sử dụng mô hình để tính toán

trong thiết kế thực tế.

Ngoài ra, chúng tôi cũng đã tính toán thiết kế hệ thống với các thông số giả

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

định cho trước dựa trên công nghệ xử lý AAO kết hợp với Biofilter, và so

76 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

sánh với công nghệ AAO thông thường. Kết quả sau tính toán cho thấy, việc

sử dụng công nghệ AAO – Biofilter cho phép giảm chi phí vận hành quá trình

xử lý tới 3, 4 lần. Do vậy chúng tôi xin kiến nghị được ứng dụng mô hình

trong công nghệ xử lý nước thải kết hợp các quá trình yếm khí, thiếu khí, hiếu

khí và lọc sinh học (AAO – Biofilter) để tối ưu hoá quá trình tính toán thiết kế

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

trong các hệ thống xử lý thực tế.

77 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khoá luận, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới

PGS.TSKH Nguyễn Xuân Nguyên, Trung tâm tư vấn và chuyển giao công

nghệ nước sạch và môi trường (CTC), người đã hướng dẫn tôi thực hiện đề tài

này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần Công nghệ Biển

Xanh, nơi tôi hiện đang công tác bởi đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành

khoá học.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy cô và cán bộ Viện Khoa

học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn

bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian qua.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Phương Thuyên.

78 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong

Luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng có ai công bố.

Tác giả

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Phương Thuyên.

79 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................................1

PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..........................................................................3

I.1. Tổng quan về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

hiếu khí ..................................................................................................... 3

I.1.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................... 3

I.1.1.1. Xác định nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải ..................... 4

I.1.1.2 Xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí .................................... 7

I.1.2. Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải ........................................... 12

I.2. Quá trình xử lý nước thải trong thiết bị Aeroten ............................. 12

I.2.1. Quá trình trong thiết bị aeroten ...................................................... 12

I.2.2. Mô hình hoá quá trình xử lý nước thải trong thiết bị Aeroten .......... 14

I.2.2.1. Mô hình thuỷ động của aeroten................................................ 14

I.2.2.2. Mô hình đẩy lý tưởng.............................................................. 16

I.2.2.3. Mô hình aeroten với chế độ cấp phân tán nước thải. ................. 19

I.3. Lọc sinh học ...................................................................................... 22

I.3.1. Các quá trình cơ bản trong lọc sinh học ......................................... 24

I.3.1.1. Chuyển khối qua màng thủy lực .............................................. 24

I.3.1.2. Quá trình trong màng sinh học................................................. 26

I.3.1.3. Quá trình động học trong cột lọc sinh học ................................ 32

I.3.2. Các dạng thiết bị lọc sinh học ........................................................ 34

I.3.2.1. Bể lọc nhỏ giọt ....................................................................... 34

I.3.2.2. Bể lọc ngập nước .................................................................... 37

I.3.3. Mô hình toán của quá trình xử lý nước thải bằng bể lọc sinh học .... 38

PHẦN II: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG

OXY HOÀ TAN VÀ TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH HOÀ TAN OXY

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRONG HỆ XỬ LÝ AEROTEN-BIOFILTER ................................................ 41

80 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

II.1. Phương pháp nghiên cứu: ............................................................... 41

II.1.1. Cơ sở tính toán thiết bị:................................................................ 42

a. Cơ sở tính toán Biofilter: ................................................................. 42

b. Cơ sở tính toán Aeroten: ................................................................. 43

II.1.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm ........................................ 47

II.2. Thí nghiệm nghiên cứu quá trình hoà tan oxy trong thiết bị tổ hợp

Aeroten-Biofilter (BFA) .......................................................................... 51

II.2.1. Mục đích thí nghiệm .................................................................... 51

II.2.2. Mô tả thí nghiệm ......................................................................... 52

II.3. Phân tích kết quả thực nghiệm........................................................ 55

II.3.1. Mối quan hệ giữa lưu lượng tuần hoàn và hàm lượng oxy hoà tan:. 55

II.3.2. Mối quan hệ giữa chiều dày lớp vật liệu đệm và hàm lượng oxy hoà

tan: ....................................................................................................... 57

II.3.3. Mối quan hệ giữa đường kính ống phân phối dòng lỏng – khí và hàm

lượng oxy hoà tan trong bể aeroten:........................................................ 58

II.3.4. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hàm lượng oxy hoà tan ................ 59

II.3.5. Thiết lập phương trình tổng quát mô tả mối quan hệ giữa các thông

số thiết kế và hàm lượng oxy hoà tan trong tổ hợp thiết bị aeroten –

biofilter: ................................................................................................ 61

II.4. Ứng dụng mô hình để tính toán thiết bị tổ hợp AAO_Biofilter ....... 63

a. Công nghệ xử lý nước thải AAO......................................................... 63

b. Tính toán thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter............................................ 64

PHẦN III: KẾT LUẬN .............................................................................................. 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 74

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................. 75

81 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Hàm lượng oxy hoà tan ứng với các lưu lượng và số ống khác nhau

................................................................................................................ 55

Bảng 2.4: So sánh kết quả tính toán hàm lượng oxy hoà tan và hàm lượng oxy

hoà tan thực nghiệm.................................................................................. 62

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. .............................................................................. 70

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. .............................................................................. 71

Bảng 2.7: Tính toán chi phí đầu tư và chi phí vận hành cho hệ thống xử lý

nước thải tập trung các khu công nghiệp theo công nghệ AAO – Biofilter và

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

theo phương pháp Aeroten thông thường ................................................... 72

82 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Đường cong sinh trưởng của tế bào và việc sử dụng dinh dưỡng .... 8

Hình 1.2: Ảnh hưởng của yếu tố dinh dưỡng chính lên tốc độ sinh trưởng ..... 9

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải bằng thông khí sinh học .............. 13

Hình 1.4: Cân bằng vật liệu của phần tử thiết bị aeroten và bùn hoạt tính .... 17

Hình 1.5:Các dạng tổ chức dòng trong thiết bị aeroten................................ 18

Hình 1.6: Aeroten với chế độ đẩy lý tưởng................................................. 19

Hình 1.7: Sơ đồ aeroten cấp phân tán nước thải .......................................... 19

Hình 1.10: Quá trình lọc sinh học .............................................................. 23

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống lọc sinh học...................................................... 24

Hình 1.12: Chuyển khối qua màng thuỷ lực ............................................... 25

Hình 1.13: Cột lọc sinh học dạng khuấy trộn đều ....................................... 33

Hình 2.1: Thiết bị tổ hợp Aeroten-Biofilter (BFA) ..................................... 53

Hình 2.2: Ảnh hưởng của lưu lượng tới hàm lượng oxy hoà tan .................. 55

Hình 2.3: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc lưu lượng tuần

hoàn theo tính toán và theo thực tế............................................................. 56

Hình 2.4: Ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu đệm.................................. 57

tới hàm lượng oxy hoà tan ......................................................................... 57

Hình 2.5: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc chiều dày lớp vật

liệu theo tính toán và theo thực tế. ............................................................. 58

Hình 2.6: Ảnh hưởng của đường kính ống tới hàm lượng oxy hoà tan ......... 58

Hình 2.7: Bảng so sánh hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc đường kính ống

theo tính toán và theo thực tế. .................................................................... 59

Hình 2.8: Ảnh hưởng của áp suất tới khả năng tạo bọt khí của đường ống ... 61

Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ AAO ............................................................... 63

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hình 2.8: Sơ đồ công nghệ của thiết bị tổ hợp AAO – Biofilter................... 64

83 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI