Bể Aerotank (bể xử lý sinh học hiếu khí )

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



Cặn lơ lửng ở đầu ra SS ra ≤ 50 mg/l gồm có 65 % là cặn có thể phân hủy sinh học.

-



BOD 5 của cặn lơ lửng của nước thải sau bể lắng II :

BOD 5 ≤ 30 mg/l



-



COD sau khi ra khỏi bể lắng II :

COD ≤ 50 mg/l



-



Cặn SS sau khi ra khỏi bể lắng II :

SS ≤ 50 mg/l



-



N-NH 3 sau khi ra khỏi bể lắng II :

SS ≤ 50 mg/l

• Xác định hiệu quả xử lý :

-



Phương trình cân bằng vật chất:



BOD 5 ở đầu ra = BOD 5 hoà tan đi ra từ bể Aerotank + BOD 5 chứa trong

lượng cặn lơ lửng ở đầu ra

Trong đó :

+ BOD 5 ở đầu ra : 30 mg/L

+ BOD 5 hòàtan đi ra từ bể Aerotank là S, mg/L

+ Cặn lơ lửng ở đầu ra SS ra = 40 mg/L gồm có 65% là cặn có thể phân

huỷ sinh học.

-



BOD 5 chứa trong cặn lơ lửng ở đầu ra được xác định như sau :



Lượng cặn có thể phân huỷ sinh học có trong cặn lơ lửng ở đầu ra:

0.65 × 40 = 26 mg/l

Lượng oxy cần cung cấp để oxy hoá hết lượng cặn có thể phân huỷ sinh học :

26 × 1.42 (mgO 2 /mg tế bào) = 36.92 mg/l

Lượng oxy cần cung cấp này chính là giá trị BOD 20 của phản ứng . Quá trình

tính toán dựa theo phương trình phản ứng:

C 5 H 7 O 2 N + 5O 2 → 5CO 2 + 2H 2 O + NH 3 + Năng lượng

113 mg/L



160 mg/L



66



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



1 mg/L



1.42 mg/L



-> 1 mg tế bào cần 1.42 mg oxy

Chuyển đổi từ giá trị BOD 20 sang BOD 5

BOD 5 = BOD 20 × 0.68 = 36.92 × 0.68 = 25.1 mg/L

Vậy :

30 mg/L = S + 25.1 mg/L

⇒ S = 4.9 mg/L

-



Tính hiệu quả xử lý tính theo BOD 5 hoà tan:

E=



-



S0 − S

193.6 − 4.9

× 100 =

× 100 = 97.4 %

S0

193.6



Hiệu quả xử lý BOD 5 của toàn bộ sơ đồ

193.6 − 30

× 100 = 84.5 %

193.6



E0 =



• Tính toán thời gian theo điều kiện Nitrat hóa:

-



Xác định tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn nitrat hoá trong điều

kiện vận hành bể ổn định



 N  DO  0,098(T −15)





)[1 − 0833(7,2 − pH )]

µ N = µ N max × 

 K + N  K + DO (e



 N

 O



2



Trong đó:

+ Nhiệt độ T = 20 oC

o

+ µ N max = 0.45/ngày ở 15 C; DO = 2mg/l; K O2 = 1.3mg/l; pH = 7.2



+ Hằng số bán bão hòa đối với nitơ ở 20 oC

+ K



N



= 10



0.051 × T − 1.158



= 10



0.051 × 20 − 1.158



= 0.728



+ e0,098(T -15) : hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ tại To C, e0.098(20-15) =1.6323

+ Hệ số hiệu chỉnh pH [1 – 0.833(7.2 – 7.2)] = 1 đối với pH = 7.2

→µ



N



= 0.45 × (



0.098(20 − 15)

150

2

)×(

)(e

)[1 − 0.833(7.2 − 7.2)]= 0.443/ngày

0.728 + 150

1.3 + 2



67



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



-



Xác định tốc độ sử dụng NH 4 , của vi khuẩn Nitrat hóa pN theo yêu

cầu đầu vào và đầu ra:

ρ



N



µ

K=

Y



KN



=

K



N



=



N



+N



0.443

= 2.7 ngày-1

0.16



N



(Chọn hệ số năng suất sử dụng chất nền: Y N = 0.16 mgVSS/mg NH + ngày)

4

Chọn K N = 0.28mg/l ( khoảng dao động : 0.2-0.3 mg/l)

N= 40mg/l (<50mg/l)

ρ



N



=



2.7 × 40

= 2.68 mgNH 4 /mg bùn N ngày.

0.28 + 40



• Kích thước bể Aerotank:

-



Thể tích của bể Aerotank:

V=



Q × Y × θ c × ( S 0 − S ) 700 × 0.6 × 10 × (` .6 − 30)

193

3

=

= 151.9 m

2500 × (1 + 0,06 × 10)

X × (1 + k d × θ c )



Trong đó:

+ V: thể tích bể Aerotank (m3)

+ Q: lưu lượng nước đầu vào Q = 700m3/ngày

+ Y: hệ số sản lượng cực đại :Y = 0.6mgVSS/mgBOD 5

+ S 0 : hàm lượng BOD 5 nước thải đầu vào, S 0 =193.6mg/l

+ S : hàm lượng BOD 5 nước thải đầu ra, S 0 =20 mg/l

+ X: nồng độ bùn hoạt tính, X = 3000 mg/l

+ kd : hệ số phân huỷ nội bào: kd= 0.06 ngày-1

+ θ c : thời gian lưu bùn trong hệ thống θ c = 10 ngày

-



Chọn chiều cao bể:



68



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



H = hi + h bv = 4 +0.5 =4.5(m)

Trong đó:

+ hi : chiều cao hữu ích, chọn h i = 4m (3 – 4.5m)

+ hbv : chiều cao bảo vệ, chọn hbv = 0.5m

-



Diện tích mặt bằng bể:

F=



V 151.9

=

= 37.98(m 2 )

hi

4



-



Chọn chiều rộng bể : B = 5.5m



-



Chọn chiều dài bể : L = 7 m



-



Thể tích thực của bể :V = L×B×H =7×5.5×4.5 = 173.25 (m3)



-



Thời gian lưu nước trong bể:

T=



V 173.25

=

= 0.25(ngày ) = 6 giờ

Q

700



• Tính toán lượng bùn dư thải bỏ mỗi ngày:

-



Tốc độ tăng trưởng của bùn được tính theo công thức :

Yb =



Y

1 + θc × kd



=



0,6

= 0.375

1 + 10 × 0.06



Trong đó:

+ Y: hệ số sản lượng , Y = 0.6 kg VSS/kgBOD 5

+ kd : hệ số phân huỷ nội bào , k d = 0.06 ngày-1

+ θ c : thời gian lưu bùn , θ c = 10 ngày

-



Lượng bùn hoạt tính sinh ra do khử BOD 5 :



P x = Q×(S 0 -S) ×Y b = 700×(193.6-30) ×0.375×10-3 =42.95 (kg/ngđ)

-



Tổng lượng cặn lơ lửng sinh ra trong 1 ngày

P 1x =



Px

42.95

=

= 61.35 (kg/ngày)

1 − z 1 − 0.3



Trong đó:

69



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



+ z: độ tro , z= 0.3

-



Lượng bùn dư xả đi mỗi ngày:

P xả = P 1x – P ra= 61.35 - 21 = 40.35 kg /ngày

Với P ra = SS ra × Q = 30×10 -3×700 =21 kg /ngày



-



Lượng bùn xả (nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải ra khỏi bể lắng)

V × X − Qra × X



Q xả =



ra



×θc

=



X T ×θc



201 × 3000 − 700 × 22.5 × 10

= 7.9 m3 /ngày

5600 × 10



Trong đó:

+ V: thể tích bể Aerotank : V = 201 m3

+ X: nồng độ chất rắn lơ lửng bay hơi trong bể Aerotank = 3000 mg/L

+



c



: thời gian lưu bùn ,



c



= 10 ngày



+ Q e : lưu lượng nước thải ra khỏi hệ thống. Xem như lượng nước thất

thoát do tuần hoàn bùn là không đáng kể nên Q e = Q = 700

m3/ngày.đêm

+ X T : nồng độ bùn hoạt tính trong dòng tuần hoàn (cặn không tro)

X T =(1-0.3)× 8000=5600 mg/L

+ X ra : nồng độ VSS ra khỏi bể lắng,X ra = SS ra × a =30×0.75 = 22.5 mg/l

• Hệ số tuần hoàn bùn từ phương trình cân bằng vật chất

Sơ đồ làm việc của bể Aerotank:

Q, X o , S o



Bể Aerotank



Bể lắng II Q e , S, X e



Qr , Xr , S



Q w , Xr



Hình 4.1: Sơ đồ làm việc của bể Aerotank

Trong đó:



70



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



+ Q, Q w , Q e : lưu lượng nước ở đầu vào , lưu lượng bùn tuần hoàn ,

lưu lượng bùn xả , lưu lượng nước ở đầu ra (m3/ngày)

+ S 0 , S : nồng độ chất nền ở đầu vào và nồng độ chất nền sau khi qua

bể lắng II (mg/L)

+ X , X r , X e : lượng bùn hoạt tính trong nước thải, nồng độ bùn tuần

hoàn, và nồng độ bùn sau khi qua bể lắng II, mg/L

-



Phương trình cân bằng vật chất đối với bể Aerotank (xem như lượng

chất hữu cơ bay hơi ở đầu ra của hệ thống là không đáng kể)

X(Q + Q r ) = QX 0 + X r Q r

Trong đó:

+ Q: lưu lượng nước thải. Q =700 m3/ngày

+ X: hàm lượng bùn hoạt tính trong bể Aerotank, X= 3000mg/l

+ Q r : lưu lượng bùn hoạt tính tuần hoàn m3/ngày

+ X 0 : nồng độ cặn lơ lửng (VSS) đầu vào (mg/l), X 0 =0

+ X r : hàm lượng SS trong bùn tuần hoàn, X r = 8000mg/L

Q



Chia 2 vế cho Q,đặt α=



t

là tỷ số tuần hoàn, biểu thức trên được khai triển:

Q



X + α ×X = α +X t

Suy ra : α =

-



X

3000

=

= 0.6

X r − X 8000 − 3000



Lượng bùn tuần hoàn :

Q



Ta có : α = α =



t

Q



→ Q t = Q × α = 700 × 0.6 = 420 m3/ngày

• Kiểm tra chỉ tiêu làm việc của bể Aerotank:



71



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



-



Tải trọng thể tích:



L BOD =



Q × S0

=

V



700 ×193.6 ×10

173.25



−3

= 0.78kgBOD/m 3 .ngày



Ta thấy tải trọng nằm trong khoảng cho phép

L BOD = 0.5÷1.9 (Nguồn: Lâm Minh Triết (chủ biên) – Xử Lý Nước Thải Đô Thị và

Công Nghiệp. Tính Toán thiết Kế Công Trình)

Tỷ số F/M =



Q × S0

700 ×193.6

=

= 0.26kgBOD5 / kgMLVSS .ngày

V × X 173.25 × 3000



Trị số này nằm trong khoảng cho phép đối với bể Aerotank xáo trộn hoàn toàn (F/M

= 0,2 – 0,6kgBOD 5 /kgMLVSS.ngày)

(Nguồn: Lâm Minh Triết (chủ biên) – Xử Lý Nước Thải Đô Thị và Công Nghiệp.

Tính Toán thiết Kế Công Trình)

• Tính lượng oxy cần thiết:

OC 0 =



Lượng oxy cần thiết trong điều kiện chuẩn



Q × (S 0 − S )

700 × (193.6 − 30)

− 1.42 Px =

− 1.42 × 42.95 = 107.42 kgO 2 /ngày

1000 f

1000 × 0.68



Trong đó:

+ Q: lưu lượng nước đầu vào = 700 m3/ngày

+ S 0: BOD đầu vào của bể = 193.6 mg/L

+ S: lượng BOD 5 hoà tan sau lắng II = 30 mg/L

+ P x : lượng bùn hoạt tính sinh ra trong 1 ngày = 42.95 kg/ngày

BOD



+ f: hằng số chuyển đổi từ BOD 5 sang BOD 20 là

BOD



+ 1.42 hệ số chuyển đổi từ tế bào sang COD

-



Lượng oxi cần thiết trong điều kiên thực tế :

72



5



20



= 0.68



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



OC t = OC 0 ×



Cs

1

1

×

×

(T − 20 )

C s −C 1.024

α



Trong đó:

+ C s : lượng oxi bão hoà trong nước ở 20oC: C s ≈ 9,08 mg/l

+ C: lượng oxi cần duy trì trong bể: chọn C =2 mg/l (C=1.5 – 2mg/l

Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải-Trịnh Xuân Lai)

+ α: hệ số điều chỉnh lượng oxy ngấm vào nước thải (do ảnh hưởng

của hàm lượng cặn , chất hoạt động bề mặt). α= 0.6 – 0.94 →chọn α =

0.8

→ OC t = 107.42 ×

-



9.08

1

1

×

×

= 174.8 kg/ngày

( 25 − 20 )

9.08 − 2 1.024

0.7



Lượng không khí cần thiết để cung cấp vào bể:



Qk =



174.8

OC t

× 1.5 = 9387 m3 /ngày =391m3 /h = 6518.75l/ph

×f =

a 28 × 10 − 3

OU



Trong đó:

+ f a : hệ số an toàn →chọn f a = 1.5 (f nằm trong khoảng 1.5 – 2)

(Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải-Trịnh Xuân Lai)

+ OC t : lượng oxi thực tế cần sử dụng cho bể . OC t = 174.8kg/ngày

+ OU : công suất hoà tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối tính

theo gO 2 /m3 không khí : OU = Ou× h = 7×4 = 28 g O 2 /m3

Với:* Ou: phụ thuộc hệ thống phân phối khí. Chọn hệ thống

phân phối bọt khí nhỏ và mịn, ta có O u= 7gO 2 /m3.m

Bảng4.7: Công suất hòa tan oxy vào nước của thiết bị phân phối bọt khí nhỏ

và mịn.

Điều kiện thí nghiệm



Điều kiện tối ưu



Điều kiện trung bình



Ou=grO 2 /m3.m



Ou=grO 2 /m3.m



12



10



Nước sạch T = 20 0C



73



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



Nước thải T = 20 0C, α =0,8



8,5



7



(Nguồn: Trịnh Xuân Lai - Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thảibảng 7.1 )

*Độ sâu ngập nước của thiết bị phân phối h = 4 (lấy gần đúng

bằng chiều sâu bể)

• Tính và chọn máy nén khí:

-



Áp lực cần thiết của máy thổi khí :

H m = h d + h c + hf + H = 0.4+0.5+4=4.9m

Trong đó:

+ h c + h d: tổn thất áp lực theo chiều dài và tổn thất áp lực cục bộ tại

các chỗ co, cút, điểm uống. thường áp lực này không vượt quá 0,4m

+ h f : tổn thất qua thiết bị phân phối(m) (không vượt quá 0.5), h d =

0.5m

+ H: chiều sâu hữu ích của bể, H = 4m



-



Áp lực không khí:



H



Pm =

-



m

4.9

=

= 0,484 atm

10,12 10,12



Năng suất yêu cầu

Q kk = 391 m3/h = 0,11 m3/s



-



Công suất máy thổi khí :

P máy



GRT1

=

29,7ne



 p  0, 283 

 2 

− 1

 



 p1 







Trong đó :

+ P máy : Công suất yêu cầu của máy nén khí , kW



74



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



+ G: Trọng lượng của dòng không khí , kg/s

G = Q kk ×ρ khí = 0,11 × 1,3 = 0,143 kg/s

+ R : hằng số khí , R = 8,314 KJ/K.mol 0K

+ T1 : Nhiệt độ tuyệt đối của không khí đầu vào T 1 = 273 + 25= 298 0K

+ P 1 : áp suất tuyệt đối của không khí đầu vào P 1 = 1 atm

+ P 2 : áp suất tuyệt đối của không khí đầu ra

P 2 =P m + 1=0,484 +1=1.484atm

+ n= K − 1 = 0,283

K



( K = 1,395 đối với không khí )



+ 29,7 : hệ số chuyển đổi

+ e: Hiệu suất của máy , chọn e= 0,7



0,143 × 8,314 × 298

⇒ P máy =

29,7 × 0,283 × 0,7



 1,484  0, 283 

− 1







 1 







= 7.11 kW

• Bố trí hệ thống sục khí:

Chọn hệ thống cấp khí cho bể gồm 1 ống chính, 5 ống nhánh, chiều dài mỗi ống là

7m đặt theo chiều rộng của bể, mỗi ống cách nhau 1m, cách đáy 0.25m, 2 ống cách

tường 0.75m

-



Đường kính ống phân phối chính:

D=



4 × Qk

4 × 0.11

=

= 0,108(m)

vk *π

10 × 3,14



→ Chọn ống thép không gỉ φ110mm

Trong đó:

+ v : tốc độ chuyển đổi của không khí trong mạng lưới ống phân phối

khí, v= 10-15m/s → chọn v=12m/s (Nguồn: Tính toán thiết kế các

công trình xử lý nước thải – Trịnh Xuân Lai)

-



Lưu lượng khí qua mỗi ống nhánh:



75



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



0.11

= 0.022 (m3 /s)

5



'



Qk =

-



Đường kính ống nhánh :

D=



4 × Qk

4 × 0.022

=

= 0.048(m)

3.14 × 12

π ×v



→chọn ống thép không gỉ đường kính φ 50mm

-



Chọn dạng đĩa xốp : chọn loại thiết bị khuếch tán khí dạng đĩa, đường

kính 170mm, diện tích bề mặt F=0.02m2, cường độ khí 200l/phút



-



Số đĩa phân phối trong bể là:

N=



Qk ( L / phut )

= 6518.75 = 32.5 đĩa

200( L / phut.dia )

200



→ chọn số đĩa thổi khí trong bể Aerotank n = 35đĩa

Số lượng đĩa trên mỗi ống nhánh là 7 cái đĩa, phân bố 2 đĩa ngoài cùng đến

thành bể là 0.5m và tâm đĩa cách nhau là 1m

Trụ đỡ : đặt ở giữa 2 đĩa kế nhau từng trụ một.

Kích thước trụ đỡ là : 0,15 m x 0,25m

• Tính toán đường ống dẫn nước thải ra khỏi bể :

chọn vận tốc nước thải trong ống : v = 1m/s

-



Đường kính ống dẫn :



D=



4×Q



π ×v



4 × 17.72 × 10

=



3.14 × 1



−3

= 0.15(m)



→chọn ống nhựa uPVC Bình Minh có φ160mm

• Đường ống dẫn bùn tuần hoàn :

-



Đường kính ống dẫn bùn :

D=



4×Q

=

v ×π



4 × 420 /(24 × 3600)

= 0,14 (m)

0,3 × 3,14



Trong đó:



76