Công nghệ và thiết bị xử lý bùn từ trạm xử lý nước thải



TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN


Một trong nhiệm vụ của quá trình xử lý nước thải là chuyển các chất ô nhiễm từ dạng hòa tan sang dạng rắn và tách các chất rắn ra khỏi pha lỏng. Các chất rắn sau khi khử nước (làm đậm đặc) được gọi chung là bùn, chứa nhiều thành phần khác nhau và phải được thải bỏ hợp lý. Bùn sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải thường ở dạng lỏng có chứa từ 0,25 -12% chất rắn tính theo khối lượng tùy thuộc vào công nghệ xử lý nước thải được áp dụng. Trong những thành phần cần xử lý, bùn chiếm thể tích lớn nhất và kỹ thuật xử lý cũng như thải bỏ bùn là một trong những vấn đề phức tạp nhất trong quá trình xử lý nước thải. Các thiết bị xử lý bùn chiếm từ 40-60% tổng chi phí xây dựng hệ thống xử lý nước thải và chi phí xử lý chiếm khoảng 50% chi phí vận hành toàn hệ thống.

 

1.1 Thành Phần Bùn

 

Thành phần hóa học của bùn hoạt tính được trình bày trong Bảng 9.1. Nhiều thành phần hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn giải pháp thải bỏ bùn sau xử lý và nước thải sinh ra từ quá trình xử lý bùn.

 

Số liệu lượng bùn phát sinh từ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí cổ điển và cải tiến được trình bày trong Bảng 9.2.

 

9.1.2 Sơ Đồ Dây Chuyền Xử Lý Bùn Tổng Quát

 

Trong thực tế, quy trình công nghệ xử lý bùn thường chia làm dạng chính tùy theo phương pháp xử lý sinh học có được áp dụng trong hệ thống không. Quy trình công nghệ xử lý bùn có sử dụng phương pháp sinh học được trình bày tóm tắt trong Hình 9.1.




 

Hình 9.1 Các quy trình công nghệ xử lý bùn hoạt tính.

9.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ NÉN BÙN

 

9.2.1 Bể Nén Bùn Trọng Lực

 

Gravity Thickening

Nén bùn trọng lực (Gravity thickening) được thiết kế tương tự như bể lắng cổ điển, thường sử dụng bể dạng hình tròn. Bùn lỏng được đưa vào ống lắng trung tâm (center feed well). Bùn sẽ lắng, nén lại ở đáy bể và được tháo ra định kỳ. Phần nước tách ra trên bề mặt được đưa trở lại bể lắng đợt 1. Bùn từ bể nén bùn được bơm đến bể phân hủy hoặc thiết bị tách nước. Nén bùn trọng lực được áp dụng rất hiệu quả đối với bùn từ bể lắng đợt 1.

 

Việc thiết kế bể nén bùn trọng lực cơ bản dựa trên tải trọng bùn. Để duy trì điều kiện hiếu khí trong bể, lưu lượng bùn cung cấp vào thiết bị cần duy trì ở mức 24-30 m3/m2.ngđ. Nồng độ bùn trước và sau khi nén bùn và tải trọng chất rắn trong bể nén bùn trọng lực được trình bày trong Bảng 9.3.

 

Bảng 9.3 Tải trọng chất rắn trong bể nén bùn trọng lực


Một số thông số vận hành được áp dụng cho bể nén bùn trọng lực như sau:

 
  • Thời gian lưu bùn thường dao động trong khoảng 0,5-20 ngày;

  • Chiều dày lớp bùn trong bể dao động trong khoảng 0,6-2,4 m, tùy theo nhiệt độ môi trường.

 

9.2.2 Tuyển Nổi Tách Bùn

 

Flotation Thickening


Theo nguyên lý vận hành thiết bị, quá trình tuyển nổi tách bùn có thể phân loại thành 3 dạng chính sau đây: (1) tuyển nổi bằng khí hòa tan (DAF), (2) tuyển nổi chân không và (3) tuyển nổi bằng khí phân tán. Trong đó, tuyển nổi bằng khí hòa tan thường được sử dụng để xử lý bùn hoạt tính. Sơ đồ nguyên lý tuyển nổi tách bùn bằng DAF được biểu diễn trên Hình 9.2.

Tải trọng bùn trong bể tuyển nổi tách bùn DAF cao hơn bể nén bùn trọng lực do tốc độ tách pha rắn trong bể DAF lớn hơn. Tải trọng chất rắn đặc trưng trong bể DAF được trình bày trong Bảng 9.4.

 

Bảng 9.4 Tải trọng bùn trong bể DAF


9.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ PHÂN HỦY KỴ KHÍ

 

Việc thiết kế hệ thống phân hủy bùn kỵ khí dựa trên các thông số chính sau đây: (1) thời gian lưu bùn, (2) tải trọng thể tích và (3) độ giảm thể tích bùn theo thời gian.

 

 

9.3.1 Thời Gian Lưu Bùn

 

Sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí bùn thải là khí CH4 và CO2. Lượng khí CH4 sinh ra có thể được ước tính theo công thức sau:

 

Đối với thiết bị phân hủy kỵ khí tải trọng cao, có khuấy trộn hoàn toàn và không tuần hoàn bùn, sinh khối bùn sinh ra hàng ngày có thể được ước tính theo công thức sau đây:




 

Thông số thiết kế cho thời gian lưu bùn trong thiết bị phân hủy kỵ khí tải trọng cao, có khuấy trộn hoàn toàn  được trình bày trong Bảng 9.5.

 

Bảng 9.5 Thời gian lưu bùn trong thiết bị phân hủy kỵ khí tải trọng cao, có khuấy trộn hoàn toàn



 

9.3.2 Hệ Số Tải Trọng

 

Hai dạng hệ số tải trọng thông dụng nhất là: (1) kg chất rắn bay hơi đưa vào bể mỗi ngày trên một đơn vị dung tích bể (kg/m3.ngđ) và (2) kg chất rắn bay hơi đưa vào thiết bị tính trên kg chất rắn bay hơi có trong bể (kg/kg). Tải trọng đặc trưng đối với thiết bị phân hủy tải trọng tiêu chuẩn thường dao động trong khoảng 0,5-1,6 kg/m3.ngđ (tính theo chất rắn bay hơi). Đối với thiết bị phân hủy kỵ khí tải trọng cao, giá trị tải trọng đặc trưng dao động trong khoảng 1,6-4,8 kg/m3.ngđ (tính theo chất rắn bay hơi) và thời gian lưu nước dao động trong khoảng 10-20 ngày. Ở tải trọng cao hơn 4,0 kg/m3.ngđ, quá trình khuấy trộn sẽ gặp trục trặc. Ảnh hưởng của nồng độ bùn, thời gian lưu nước đối với hệ số tải trọng chất rắn bay hơi được trình bày trong Bảng 9.6.

Bảng 9.6 Mối quan hệ giữa tải trọng chất rắn bay hơi và nồng độ bùn











 

9.3.3 Độ Giảm Thể Tích

 

Nếu phần nước bề mặt được tách riêng và dẫn trở lại các công trình xử lý nước thải, thể tích của bùn còn lại sẽ giảm tương ứng và có thể ước tính như sau:







 

9.3.4 Thông Số Thiết Kế

 

Thông số thiết kế bể phân hủy kỵ khí vận hành ở điều kiện mesophilic được trình bày tóm tắt trong Bảng 9.7.

 

Bảng 9.7 Thông số thiết kế bể phân hủy kỵ khí vận hành ở điều kiện mesophilic





 

Các bể phân hủy kỵ khí có thể có dạng tròn, hình chữ nhật hay dạng hình trứng Trong đó, thông dụng nhất vẫn là dạng hình trụ tròn và dạng hình trứng. Bể có dạng hình trụ tròn ít khi có đường kính nhỏ hơn 6 m và lớn hơn 40 m. Chiều dày của lớp nước trong bể lớn hơn 8 m và độ sau của bể từ 15 m hoặc hơn. Việc sử dụng bể có dạng hình trứng chủ yếu để hạn chế công tác vệ sinh bể, tạo điều kiện khuấy trộn tốt hơn, dễ dàng khống chế lớp cặn bề mặt và giảm diện tích cần thiết.

 

9.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN HỦY HIẾU KHÍ

 

Phân hủy bùn hiếu khí được sử dụng để xử lý bùn từ các công trình xử lý sinh học hiếu khí có công suất nhỏ hơn 0,2 m3/s. So với quá trình phân hủy bùn kỵ khí, quá trình phân hủy hiếu khí có những ưu điểm sau:

 

- Mức độ phân hủy chất rắn bay hơi trong hệ thống phân hủy hiếu khí tương đương với phân hủy kỵ khí;

- Nồng độ BOD trong nước bề mặt thấp hơn;

- Quá trình phân hủy ít hay không gây mùi hôi, tạo ra sản phẩm ổn định và dạng mùn;

- Thu hồi được nguyên liệu có giá trị để sản xuất phân bón từ bùn;

- Vận hành đơn giản;

- Chi phí đầu tư thấp hơn.

 

Những nhược điểm chính của quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm:

 
  • Chi phí vận hành cao hơn do phải duy trì hệ thống cấp oxy;

  • Bùn sau xử lý khó tách nước bằng phương pháp cơ học;

  • Quá trình bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ, vị trí và vật liệu chế tạo bể;

  • Không thể thu hồi được khí CH4.

 

Hai quá trình thường được áp dụng gồm: (1) phân hủy hiếu khí cổ điển và (2) phân hủy hiếu khí với lượng oxy tinh khiết cao. Các thong số thiết kế thiết bị phân hủy bùn hiếu khí được trình bày trong Bảng 9.7.

 

Bảng 9.7 Thông số thiết kế thiết bị phân hủy bùn hiếu khí





 

9.5 HỆ THỐNG KHỬ NƯỚC

 

Quá trình khử nước của bùn nhằm: (1) giảm chi phí vận chuyển bùn đến nơi thải bỏ, (2) dễ xử lý và vận chuyển, (3) tăng nhiệt năng của bùn nhờ giảm hàm lượng nước trong bùn, (4) giảm lượng vật liệu tạo độ rỗng trong quá trình ủ compost, (5) giảm sự phát sinh mùi, (6) giảm sự hình thành nước rò rỉ.

 

Thiết Bị Lọc Chân Không. Ưu điểm của thiết bị lọc chân không là không đòi hỏi công nhân vận hành có kỹ thuật cao, ít bảo trì bảo dưỡng do thiết bị được vận hành liên tục. Nhược điểm chính là tiêu tốn năng lượng và gây ồn. Nước sau lọc có hàm lượng cặn lơ lửng cao.

 

Thiết Bị Ly Tâm. Ưu điểm của thiết bị ly tâm là hạn chế mùi hôi, dễ khởi động, dễ lắp ráp. Bùn sau ly tâm có hàm lượng ẩm thấp. Chi phí đầu tư thấp. Nhược điểm của thiết bị ly tâm là phải tách cát và nghiền hỗn hợp nhập liệu trước khi ly tâm, yêu cầu công nhân vận hành kỹ thuật cao và nước sau khi ly tâm có hàm lượng cặn lơ lửng cao.


Thiết Bị Lọc Băng Tải. Ưu điểm của thiết bị lọc băng tải là ít tốn năng lượng, chi phí đầu tư và vận hành thấp, dễ bảo trì và vận hành. Bùn sau khi lọc có hàm lượng ẩm thấp. Nhược điểm của thiết bị này là bị hạn chế bởi trở lực thủy lực, cần phải nghiền hỗn hợp nhập liệu, rất nhạy đối với đặc tính bùn đưa vào thiết bị, thời gian sử dụng vật liệu ngắn, không nên vận hành tự động.

 

Thiết bị lọc băng tải là thiết bị tách nước của bùn, sử dụng áp lực cơ học để xử lý bùn đã qua xử lý sơ bộ bằng hóa chất. Hỗn hợp bùn lỏng được ép giữa hai lớp băng tải chạy qua các trục ép có đường kính giảm dần. Thiết bị gồm có 3 vùng:

 
  • Vùng nén trọng lực, tại đây, nước thấm qua lỗ rỗng của băng tải nhờ trọng lực;

  • Vùng nén ép,  tại đây, chất rắn được loại bỏ phần lớn nước tự do trước khi qua vùng nén áp lực cao;

  • Vùng nén áp lực cao, dưới tác dụng của áp lực sử dụng, hầu hết nước được tách khỏi bùn.

 

Thông thường, bùn đưa vào thiết bị ép băng tải có hàm lượng chất rắn dao động trong khoảng 1-4% và sau khi ép thành bánh, hàm lượng chất rắn có thể đạt 12-35%. Hiệu quả tách nước phụ thuộc vào bản chất của bùn xử lý.

 

Thiết Bị Lọc Khung Bản. Ưu điểm của thiết bị lọc khung bản là bùn sau xử lý có hàm lượng ẩm thấp nhất và nước sau lọc có hàm lượng cặn lơ lửng thấp. Nhược điểm của thiết bị này là phải vận hành theo từng mẻ, chi phí thiết bị và nhân công vận hành cao, chiếm diện tích lớn, đòi hỏi công nhân vận hành và bảo trì kỹ thuật cao, tiêu tốn hóa chất.





 

Các thông số vận hành thiết bị tách nước được trình bày tóm tắt trong các Bảng 9.8 và 9.9.

 

Bảng 9.8 Nồng độ bùn sau khi qua các thiết bị tách nước




 

Bảng 9.9 Đặc tính nước thải từ các thiết bị tách nước