BỂ BÙN HOẠT TÍNH
Để thiết kế bể bùn hoạt tính người ta phải chú ý đến loại bể, lưu lượng nạp, lượng bùn sinh ra, nhu cầu và khả năng chuyển hóa oxy, nhu cầu về dinh dưỡng cho vi khuẩn, đặc tính của nước thải đầu vào và đầu ra, điều kiện môi trường, giá thành, chi phí vận hành, bảo trì.
Xác định tỉ lệ thức ăn trên số lượng vi khuẩn F/M (food to microorganism)
trong đó
F/M: tỉ lệ thức ăn trên số lượng vi khuẩn d-1
S0: BOD hoặc COD của nước thải đầu vào, mg/L (g/m3) [influent soluble BOD]
Q: thời gian lưu tồn nước trong bể bùn hoạt tính = Vr/Q, d
Vr: Thể tích bể, Mgal (m3)
Q: Lưu lượng nước thải nạp vào bể, Mgal/d (m3/d)
X: hàm lượng vật chất rắn bay hơi (VSS) trong bể mg/L (g/m3)
Lưu ý các giá trị thực nghiệm cho thấy F/M nằm trong khoảng 0,05 ¸ 1,0
Với một hiệu suất sử dụng thức ăn U của vi khuẩn ta có công thức:
trong đó
E: hiệu suất của quá trình xử lý, %
E = [(S0 – S)/S0)] ´ 100
Thay vào phương trình trên ta có:
S: BOD hoặc COD của nước thải đầu ra, mg/L (g/m3) [ effluent soluble BOD] Thời gian lưu nước trong bể bùn hoạt tính được tính bằng công thức:
Thời gian lưu nước trong cả hệ thống được tính bằng công thức:
qs: thời gian lưu nước trong hệ thống
Vs: thể tích bể lắng thứ cấp
Xác định thời gian lưu trú trung bình của vi khuẩn trong bể
trong đó
qc: thời gian cư trú trung bình của vi khuẩn trong bể theo thể tích bể, d
Vr: thể tích bể, Mgal (m3)
X: hàm lượng VSS trong bể, mg/L (g/m3)
Xw: hàm lượng VSS trong bùn thải bỏ, mg/L (g/m3) Qw: lưu lượng bùn thải bỏ, Mgal/d (m3/d)
Xe: hàm lượng VSS trong nước thải đầu ra, mg/L (g/m3) Qe: Lưu lượng nước thải đầu ra, Mgal/d (m3/d )
Theo các số liệu của Mỹ qc = 3 ¸ 15 ngày cho hiệu quả xử lý và khả năng lắng của bùn tốt. Thời gian lưu tồn nước trong bể là 4 ¸ 8 giờ, lưu lượng nạp 3 ¸ 30 kg BOD5/m3.d
Nếu hàm lượng VSS trong nước thải đầu ra là không đáng kể ta có:
Nhu cầu về dưỡng chất nhằm bảo đảm sự phát triển của các vi khuẩn được thể hiện qua công thức:
trong đó
Rs: là lượng BOD5 (hay chất nền) được sử dụng (hay loại bỏ)
Rs = Q(S0 – S)
Rb: lượng sinh khối được sản sinh ra
trong đó
Y: sản lượng biomass tính bằng mgVSS/mg BOD5
Ta có:
Kd = 0,48t -0,415(1,05)t – 20
trong đó
Kd: tốc độ phân hủy
ts: tuổi trung bình của bùn đối với bể bùn hoạt tính (» q C) Theo thực nghiệm thì tỉ lệ BOD5 : N : P » 100 : 5 : 1
Một số hệ số động cho việc xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể bùn hoạt tính
| Hệ số | Đơn vị | Giá Trị | |
| Khoảng biến thiên | Tiêu biểu | ||
| k | d-1 | 2 ¸ 10 | 5 |
| Ks | mg/L BOD5 | 25 ¸ 100 | 60 |
| mg/L COD | 17 ¸ 50 | 40 | |
| Y | mg VSS/mg BOD5 | 0,4 ¸ 0,8 | 0,6 |
| Kc | d-1 | 0,025 ¸ 0,075 | 0,06 |
Các bước để thiết kế một bể bùn hoạt tính:
1. Chọn thời gian cư trú trung bình của vi khuẩn trong bể. Các yếu tố cần biết:
BOD5 của nước thải đầu ra
SS của nước thải đầu ra
Khả năng chịu đựng của bể đối với sự biến động lớn của nước thải đầu vào (lưu lượng, hàm lượng chất gây ô nhiễm)
Nhu cầu về năng lượng cho các thiết bị cung cấp khí
Nhu cầu về dưỡng chất
2. Chọn thời gian lưu tồn của nước thải trong bể. Các yếu tố cần biết:
Thích hợp cho việc loại bỏ các chất ô nhiễm
Quá trình ổn định, không bị ảnh hưởng của các chất độc
Lượng MLSS được giữ ổn định
3. Xác định thể tích bể lắng thứ cấp cần thiết. Các yếu tố cần biết:
Diện tích bề mặt của bể lắng
Diện tích cần thiết cho việc cô đặc bùn
4. Xác định công suất thiết bị sục khí. Các yếu tố cần biết:
Xác định nhu cầu về oxy
Xác định nhu cầu điện năng để duy trì các chất rắn ở dạng lơ lửng.
5. Chọn tỉ lệ hoàn lưu bùn
6. Ước tính lượng bùn thải bỏ
Các sự cố thường gặp trong quá trình vận hành bể bùn hoạt tính và nguyên nhân
| Sự cố | Nguyên nhân |
| Hiệu suất loại BOD hoà tan thấp | 1. Thời gian cư trú của vi khuẩn trong bể quá ngắn 2. Thiếu N và P pH quá cao hoặc quá thấp Trong nước thải đầu vào có chứa độc tố Sục khí chưa đủ Khuấy đảo chưa đủ hoặc do hiện tượng ngắn mạch |
| Nước thải chứa nhiều chất rắn | 1. Thời gian cư trú của vi khuẩn trong bể quá lâu 2. Quá trình khử nitơ diễn ra ở bể lắng Do sự phát triển của các vi sinh vật hình sợi (trong điều kiện thời gian cư trú của vi khuẩn ngắn, thiếu N và P, sục khí không đủ) Tỉ lệ hoàn lưu bùn quá thấp |
| Mùi | 1. Sục khí không đủ |
| 2. Quá trình yếm khí xảy ra ở bể lắng |
Cách hiệu chỉnh các sự cố
| Thời gian cư trú của VK | ||
| Quá thấp | Giảm bớt lượng bùn thải
Xây thêm bể điều lưu |
|
| Quá cao | Tăng lượng bùn thải | |
| Thiếu dưỡng chất N và P | Cung cấp thêm dưỡng chất cho nước thải đầu vào | |
| pH quá cao hoặc quá thấp | Xây thêm bể điều lưu
Trung hòa nước thải đầu vào |
|
| Nước thải đầu vào có chứa độc tố | Xây thêm bể điều lưu
Loại bỏ các chất độc trong nước thải đầu vào |
|
| Sục khí không đủ | Tăng công suất thiết bị sục
Phân bố lại các ống phân phối khí trong bể |
|
| Khuấy đảo không đủ, “mạch ngắn” |
Tăng mức độ sục khí
Gắn thêm các đập phân phối nước |
|
| Quá trình khử nitơ ở bể lắng |
Giảm thời gian giữ bùn trong bể lắng bằng cách tăng tỉ lệ hoàn lưu
Gắn thêm gàu múc bùn Tăng lượng bùn thải |
|
| Quá trình yếm khí ở bể lắng |
Các phương pháp tương tự phương pháp áp dụng để tránh quá trình khử nitơ của bể lắng |
Xác định lượng oxy cần cung cấp cho bể bùn hoạt tính (aeroten) theo công thức
>>>Bài liên quan: Vai trò của nồng độ oxy hòa tan (DO) trong bể bùn hoạt tính?
f: hệ số biến đổi BOD5 sang BOD cuối cùng (0,68)
VSS kg/ngày
Sau đó nhân với hiệu suất của quá trình trao đổi khí để tính ra lượng oxy cần
thiết.
Lưu ý ở 1atm và 25oC thì 1m3 không khí nặng khoảng 1,2 kg. Nên giữ trị số DO bằng 1,5 ¸ 4 mg/L (thông thường khoảng 2 mg/L ở tải trung bình và 0,5 mg/L ở tải đỉnh) ở mọi khu vực của bể, trên 4 mg/L không tăng được hiệu suất của quá trình mà còn tốn thêm điện. Đối với F/M lớn hơn 0,3 lượng không khí cần thiết là 30 ¸ 55 m3/kg BOD5 được xử lý (hệ thống sục khí tạo bọt lớn),
24 ¸ 36m3/kg BOD5 (hệ thống xử lý tạo bọt mịn). Nếu F/M nhỏ hơn 0,3 lượng không khí cần thiết sẽ tăng lên. Thông thường khi sử dụng hệ thống bơm nén khí với hệ thống khuếch tán khí người ta cần 3,75 ¸ 15,0 m3 không khí/m3 nước thải. Đối với các thiết bị cơ khí khuấy đảo để sục khí cần 1,0 ¸ 1,5 kg O2/kg BOD5 được xử lý.
Mô tả các thiết bị thường được sử dụng để cung cấp khí cho các bể xử lý
| Phân loại | Mô tả | Ứng dụng |
| Khuếch tán khí đặt ngầm |
||
| Đục lổ (bọt khí nhỏ) | Các bọt khí thoát ra từ các đĩa hình phẳng, vòm hay ống có đục lổ làm bằng sứ, thủy tinh hoặc nhựa. |
Tất cả các loại bể bùn hoạt tính. |
| Đục lổ (bọt khí trung bình) | Các bọt khí thóat ra từ các màng có lổ hoặc các ống nhựa |
Tất cả các loại bể bùn hoạt tính. |
| Không đục lổ (bọt khí lớn) | Bọt khí được thóat ra trực tiếp từ đầu ra của các thiết bị cung cấp khí. |
Tất cả các loại bể bùn hoạt tính. |
| Ống khuấy tĩnh | Các ống ngắn, đặt thẳng đứng, bên trong có các vách ngăn để làm chậm sự thóat các bóng khí lên mặt bể. Không khí được đưa vào bể từ phía dưới các ống này, khi thóat lên trên bề mặt bể nó tiếp xúc với nước thải trong ống. | Ao thông khí, và bể bùn hoạt tính. |
| Turbine phân phối | Bao gồm một turbine có vận tốc chậm và một bơm | Tất cả các loại bể |
| khí | nén khí. | bùn hoạt tính. |
| Thiết bị phun tia | Khí nén được đưa vào nước thải khi nó được bơm với áp suất cao vào các thiết bị phun tia. |
Tất cả các loại bể bùn hoạt tính. |
| Thiết bị khuấy bề mặt |
||
| Turbine vận tốc chậm | Turbine có đường kính lớn, khi quay nó bắn các giọt nước lên khí quyển để tiếp xúc với không khí. | Các bể bùn hoạt tính cổ điển và các ao thông khí |
| Turbine vận tốc nhanh | Turbine có đường kính nhỏ, khi quay nó bắn các giọt nước lên khí quyển để tiếp xúc với không khí. | Ao thông khí |
| Rotor răng lược | Các cánh khuấy được gắn lên trục trung tâm như một cái lược. Khi rotor quay oxy được đưa vào nước thải bởi việc bắn các giọt nước lên khí quyển để tiếp xúc với không khí | Mương oxy hóa, kênh thông khí hay ao thông khí. |
| Thác nước | Nước thải được cho chảy xuống bên dưới kiểu như thác nước | Nâng DO của nước thải sau xử lý. |
Các thiết bị cung cấp khí cho bể xử lý thông dụng (p. 279)
Các giá trị tham khảo về hiệu suất cung cấp khí của các thiết bị khuếch tán khí
| Loại thiết bị, cách lắp đặt | Công suất thổi khí (ft3/min.đầu thổi) |
Hiệu suất cung cấp khí (%) ở độ sâu 15 ft » 4.6 m |
| Đĩa sứ đục lổ – đặt thành hàng thẳng | 0,4 ¸ 3,4 | 25 ¸ 40 |
| Đĩa sứ hình vòm đục lổ – đặt hàng thẳng | 0,5 ¸ 2,5 | 27 ¸ 39 |
| Đĩa sứ phẳng đục lổ – đặt hàng thẳng | 2,0 ¸ 5,0 | 26 ¸ 33 |
| Ống plastic cứng đục lổ | ||
| Hàng thẳng | 2,4 ¸ 4,0 | 28 ¸ 32 |
| Xoắn ốc đôi | 3,0 ¸ 11,0 | 17 ¸ 28 |
| Xoắn ốc đơn | 2,0 ¸ 12,0 | 13 ¸ 25 |
| Ống plastic mềm đục lổ | ||
| Hàng thẳng | 1,0 ¸ 7,0 | 26 ¸ 36 |
| Xoắn ốc đơn | 2,0 ¸ 7,0 | 19 ¸ 27 |
| Ống châm lổ | ||
| Hàng thẳng | 1,0 ¸ 4,0 | 22 ¸ 29 |
| Đặt ở 4 góc bể | 2,0 ¸ 6,0 | 19 ¸ 24 |
| Xoắn ốc đơn | 2,0 ¸ 6,0 | 15 ¸ 19 |
Chú ý: ft3/min x 0,0283 = m3 /min ft x 0,3048 = m
Các giá trị tham khảo về hiệu suất cung cấp khí của các thiết bị cơ khí khuấy đảo
| Loại thiết bị | Hiệu suất cung cấp khí lb O2/hp.h | |
| Tiêu chuẩn | Thực nghiệm | |
| Khuấy đảo bề mặt vận tốc chậm | 2,0 ¸ 5,0 | 1,2 ¸ 2,4 |
| Khuấy đảo bề mặt vận tốc nhanh | 2,0 ¸ 3,6 | 1,2 ¸ 2,0 |
| Khuấy ngầm | 2,0 ¸ 4,0 | 1,2 ¸ 1,8 |
Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Người ta còn sử dụng oxy tinh khiết để hoàn thành quá trình sục khí. Khống chế các vi sinh vật hình sợi
Sự phát triển của các vi sinh vật hình sợi tạo nên bùn khó lắng cho nên phải khống chế sự phát triển của các vi sinh vật này, bằng cách thêm chlorine vào bùn hoàn lưu, thay đổi DO trong bể, thay đổi điểm nạp để thay đổi F/M.
Các vi sinh vật hình sợi tiêu biểu trong bể bùn hoạt tính
(Trái sang phải: Sphaerotilus natans, và 2 loài Thiothrix)
Chú ý trong quá trình đôi khi người ta cho bùn ở bể lắng thứ cấp hoàn lưu trở lại bể bùn hoạt tính nhằm tăng lượng bùn hoạt tính trong bể để bể đạt được hiệu suất cao.
Xử lý bùn thải đô thị: Bài toán chưa có lời giải
Công nghệ xử lý nước bằng thuỷ động lực học không hoá chất
