Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học lưu lượng 2000 m3/ngày đêm

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM VIỆN KHCN & QL MÔI TRƯỜNG ---------------[ \-------------- MÔN: XỬ LÝ NƯỚC THẢI Chuyên đề: Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học lưu lượng 2000 m3/ngày đêm. GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Hoàn Thành viên nhóm: Trần Nguyễn Thái Hưng Trần Đức Tín Huỳnh Xuân Việt Lớp: ĐHMT 1 TP. HCM, Tháng 4 năm 2008 2 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Sản xuất bia là ngành đồ uống nên trong quá trình sản xuất phải sử dụng rất nhiều nước. Nguyên liệu cho sản xuất bia bao gồm malt, gạo. Nguyên liệu này được nghiền nhỏ sau đó đưa vào chế biến dịch đường. Trong quá trình nấu, nước được sử dụng nhiều cho nấu, cung cấp cho lò hơi để sản xuất hơi nước phục vụ cho công nghệ; nước dùng làm mát các máy móc thiết bị. Nước dùng trong các quá trình sản xuất để chuyển thành sản phẩm hoặc dùng ở dạng hơi thì hầu như không bị thải bỏ hoặc thải rất ít. Nước thải trong sản xuất bia chủ yếu phát sinh từ quá trình rửa, vệ sinh máy móc thiết bị và vệ sinh nhà xưởng; chủ yếu tập trung ở các khu vực lên men, lọc bia và chiết sản phẩm. Với đặc thù của sản xuất bia đòi hỏi phải sử dụng lượng nước rửa và vệ sinh khá lớn. Thực tế cho thấy, đặc tính chung của nước thải trong sản xuất bia là chứa nhiều chất gây ô nhiễm với chủ yếu các chất hữu cơ hòa tan và dạng keo, chất rắn ở dạng lắng và lơ lửng; một số chất vô cơ hòa tan, hợp chất nitơ và phốt pho. Tất cả các chất gây ô nhiễm có trong nước thải đều từ các thành phần như bã malt, cặn lắng trong dịch đường lên men, các hạt trợ lọc trong khâu lọc bia, xác men thải khi rửa thùng lên men, bia thất thoát cùng nước thải trong khâu chiết và khâu làm nguội chai sau khi thanh trùng. Nước thải bia chứa nhiều chất dễ phân hủy sinh học nên có màu nâu thẫm. Nước thải một số bộ phận có độ pH khác nhau nhiều, thường nước thải quá trình lên men có tính axít, nước thải rửa chai có tính kiềm. Hàm lượng ôxy hòa tan trong nước thải của nhà máy bia rất thấp. Nhu cầu ôxy sinh học BOD và hóa học COD đều rất cao vượt quá tiêu chuẩn thải nhiều lần (COD hàm lượng 600-2400mg/l; BOD5 hàm lượng 310-1400mg/l), trung bình lớn hơn 10 lần tiêu chuẩn cho phép. Các giá trị BOD và COD thường thay đổi theo thời gian trong ngày. Các giá trị cao là vào thời điểm xả nước rửa bã nồi nấu và thùng lên men. Với các chỉ số gây ô nhiễm như trên và hệ thống xử lý nước không đảm bảo nên chất lượng nước thải sau khi xử lý không đạt tiêu chuẩn thải. Nước thải chảy theo cống thoát nước thải riêng của nhà máy sau đó chảy vào cống thoát nước chung của khu vực gây ảnh hưởng ô nhiễm môi trường. Do đó, việc tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia là vấn đề cấp thiết cho quá trình phát triển ngành sản xuất thức uống của Việt Nam hiện nay. 3 2. Mục đích: Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học lưu lượng 2000 m3/ngày đêm, với thông số đầu vào như bảng 1, nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn loại B theo TCVN 5945-1995. TT Chỉ tiêu Nước thải trước xử lý Tiêu chuẩn thải (TCVN 5945-1995) 1 pH 6-12 6-9 2 Hàm lượng cặn lơ lửng, mg/l 300 100 3 BOD 5 , mg/l 1500 50 4 COD, mg/l 2000 100 5 Tổng Nitơ (TN) 15-45 60 6 Tổng Phốtpho (TP) 4,9-9,0 6 7 Coliform, MPN/100 ml <10.000 10.000 Bảng 1. Thành phần và tiêu chuẩn xả nước thải sản xuất bia ra nguồn nước mặt 4 NỘI DUNG Chương I. Cơ sở lý thuyết I.1. Phương pháp cơ học: I.1.1. Nguyên tắc chung: Nước thải có thành phần hết sức phức tạp. Trong nước thải không chỉ chứa các thành phần hoá học hoà tan, các loài vi sinh vật, mà còn chứa các chất không hoà tan. Các chất không hoà tan có thể có kích thước nhỏ và có thể có kích thước lớn. Người ra dựa vào kích thước và tỷ trọng của chúng để loại chúng ra khỏi môi trường nước, trước khi áp dụng các phương pháp hoá lý hoặc các phương pháp sinh học. Các vật chất có kích thước lớn như cành cây, bao bì chất dẻo, giấy, giẻ rách, cát, sỏi và cả những giọt dầu, mỡ. Ngoài ra, vật chất còn nằm ở dạng lơ lửng hoặc ở dạng huyền phù. Tuỳ theo kích thước và tính chất đặc trưng của từng loại vật chất mà người ta đưa ra những phương pháp thích hợp để loại chúng ra khỏi môi trường nước. Những phương pháp loại các chất rắn có kích thước lớn và tỷ trọng lớn trong nước được gọi chung là phương pháp cơ học. Phương pháp xử lý cơ học có thể loại bỏ được đến 60% các tạp chất không hoà tan có trong nước thải và giảm 20% BOD. Các công trình trong xử lý cơ học bao gồm: - Song chắn rác hoặc lưới lọc. - Bể lắng cát. - Bể lắng. - Điều hoà lưu lượng dòng chảy. - Quá trình tuyển nổi. I.1.2. Song chắn rác: Song chắn rác nhằm chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hay ở dạng sợi: giấy, rau cỏ, rác … được gọi chung là rác. Rác được chuyển tới máy nghiền để nghiền nhỏ, sau đó được chuyển tới bể phân hủy cặn (bể mêtan). Đối với các tạp chất < 5 mm thường dùng lưới chắn rác. Cấu tạo của thanh chắn rác gồm các thanh kim loại tiết diện hình chữ nhật, hình tròn hoặc bầu dục… Song chắn rác được chia làm 2 loại di 5 động hoặc cố định, có thể thu gom rác bằng thủ công hoặc cơ khí. Song chắn rác được đặt nghiêng một góc 60 – 90 0 theo hướng dòng chảy. I.1.3. Bể tách dầu mỡ Bể tách dầu mỡ thường được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp có chứa dầu mỡ, các chất nhẹ hơn nước và các dạng chất nổi khác. Đối với nước thải sinh hoạt, do hàm lượng dầu mỡ và các chất nổi không lớn cho nên có thể thực hiện việc tách chúng ngay ở bể lắng đợt một nhờ các thanh gạt thu hồi dầu mỡ, chất nổi trên bề mặt bể lắng. I.1.4. Bể lắng cát Bể lắng cát dùng để tách các chất bẩn vô cơ có trọng lượng riêng lớn hơn nhiều so với trọng lượng riêng của nước như xỉ than, cát …… ra khỏi nước thải. Thông thường cặn lắng có đường kính hạt khoảng 0,25 mm (tương đương độ lớn thuỷ lực là 24,5) chiếm 60% tổng số các hạt cặn có trong nước thải. Theo chiều dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang và bể lắng đứng. Trong bể lắng ngang, dòng nước chảy theo phương ngang hoặc vòng qua bể với vận tốc lớn nhất Vmax = 0,3 m/s, vận tốc nhỏ nhất Vmin = 0,15 m/s và thời gian lưu nước từ 30 – 60 giây. Đối với bể lắng đứng, nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên với vận tốc nước dâng từ 3 – 3,7 m/s, vận tốc nước chảy trong máng thu (xung quanh bể) khoảng 0,4 m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động trong khoảng 2 -3,5 phút. Cát trong bể lắng được tập trung về hố thu hoặc mương thu cát dưới đáy, lấy cát ra khỏi bể có thể bằng thủ công (nếu lượng cát < 0,5 m3/ngày đêm) hoặc bằng cơ giới (nếu lượng cát > 0,5 m3/ngày đêm). Cát từ bể lắng cát được đưa đi phơi khô ở sân phơi và cát khô thường được sử dụng lại cho những mục đích xây dựng. I.1.5. Bể lắng: Bể lắng làm nhiệm vụ tách các chất lơ lửng còn lại trong nước thải (sau khi qua bể lắng cát) có tỷ trọng lớn hơn hoặc nhỏ hơn tỷ trọng của nước dưới dạng lắng xuống đáy bể hoặc nổi lên trên mặt nước. Thông thường bể lắng có ba loại chủ yếu: bể lắng ngang (nước chuyển động theo phương ngang), bể lắng đứng (nước chuyển động theo 6 phương thẳng đứng), và bể lắng ly tâm (nước chuyển động từ tâm ra xung quanh) thường có dạng hình tròn trên mặt bằng. Ngoài ra, còn một số dạng bể lắng khác như bể lắng nghiêng, bể lắng được thiết kế nhằm tăng cường hiệu quả lắng. I.1.6. Điều hoà lưu lượng dòng chảy: Trong quá trình xử lý nước thải cần phải điều hoà lượng dòng chảy. Trong quá trình này thực chất là thiết lập hệ thống điều hoà lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho các công trình phía sau hoạt động ổn định. Bể điều hoà dòng chảy có thể bố trí trên dòng chảy hay bố trí ngoài dòng chảy. I.1.7. Quá trình tuyển nổi: Tuyển nổi là quá trình tách các chất ở dạng rắn hoặc dạng lỏng, phân tán không tan trong nước thải có khối lượng riêng nhỏ, tỷ trọng nhỏ hơn nước không thể lắng bằng trọng lực hoặc lắng rất chậm. Phương pháp tuyển nổi được thực hiện bằng cách trộn lẫn các hạt khí nhỏ và mịn vào nước thải, khi đó các hạt khí sẽ kết dính với các hạt của nước thải và kéo theo những hạt vật chất này theo bọt khí nổi lên bề mặt. Khi đó ta có thể dễ dàng loại chúng ra khỏi hệ thống bằng thiết bị vớt bọt. Để tăng hiệu suất tạo bọt, người ta thường sử dụng các chất tạo bọt như eresol, phenol nhằm giảm năng lượng bề mặt phân pha. Tuỳ theo phương thức cấp không khí vào nước, quá trình tuyển nổi bao gồm các dạng sau: ¾ Tuyển nổi bằng khí phân tán: Khí nén được thổi trực tiếp vào bể tuyển nổi để tạo thành các bọt khí có kích thước từ 0,1 – 1 mm, gây xáo trộn hỗn hợp khí - nước chứa cặn. Cặn tiếp xúc với bọt khí, kết dính và nổi lên bề mặt. ¾ Tuyển nổi chân không: bão hoà không khí ở áp suất khí quyển, sau đó thoát khí ra khỏi nước ở áp suất chân không. Hệ thống này ít sử dụng trong thực tế vì khó vận hành và chi phí cao. ¾ Tuyển nổi bằng khí hoà tan: Sục không khí vào nước ở áp suất cao (2-4 at), sau đó giảm áp giải phóng khí. Không khí thoát ra sẽ tạo thành bọt khí có kích thước 20 - 100m. I.2. Xử lý sinh học Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình nhằm phân hủy các vật chất hữu cơ ở dạng hòa tan, dạng keo và dạng phân tán nhỏ trong nước thải nhờ vào sự hoạt động của các vi sinh vật. Quá trình này xảy ra trong điều kiện 7 hiếu khí hoặc kị khí tương ứng với hai tên gọi thông dụng là: qua trình xử lý sinh học hiếu khí và quá trình xử lý sinh học kỵ khí (yếm khí). Quá trình xử lý sinh học kị khí thường được ứng dụng để xử lý sơ bộ các loại nước thải có hàm lượng BOD5 cao (>1000 mg/l), làm giảm tải trọng hữu cơ và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý hiếu khí diễn ra có hiệu quả. Xử lý sinh học kị khí còn được áp dụng để xử lý các loại bùn, cặn (cặn tươi từ bể lắng đợt một, bùn hoạt tính sua khi nén …) trong trạm xử lý nước thải đô thị và một số ngành công nghiệp. Quá trình xử lý sinh học hiếu khí được ứng dụng có hiệu quả cao đối với nước thải có hàm lượng BOD5 thấp như nước thải sinh hoạt sau xử lý cơ học và nước thải của các ngành công nghiệp bị ô nhiễm hữu cơ ở mức độ thấp (BOD5 < 1000 mg/l). Tùy theo cách cung cấp oxy mà quá trình xử lý sinh học hiếu khí được chia làm hai loại: - Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên (oxy được cung cấp từ không khí tự nhiên do quang hợp của tảo và thực vật nước) với các công trình tương ứng như: cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, hồ sinh học, đất ngập nước… - Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo (oxy được cung cấp bởi các thiết bị sục khí cưỡng bức, thiết bị khuấy trộn cơ giới…) với các quá trình và công trình tương ứng như sau: ¾ Quá trình vi sinh vật lơ lửng (qúa trình bùn hoạt tính): ƒ Bể bùn hoạt tính thổi khí (Aerotank) ƒ Mương oxy hóa ƒ Hồ sinh học ¾ Quá trình vi sinh vật dính bám (Quá trình màng vi sinh vật): ƒ Bể lọc sinh học nhỏ giọt (Biophin) ƒ Bể lọc sinh học cao tải ƒ Tháp lọc sinh học ƒ Bể lọc sinh học tiếp xúc dạng đĩa quay (RBC): công trình này cho phép xử lý nitơ và photpho trong nước thải (xử lý bậc cao). ¾ Quá trình vi sinh vật kết hợp: bể sinh học hiếu khí tiếp xúc (có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống như bể Aerotank nhưng bên trong bể có trang bị thêm các vật liệu tiếp xúc để làm giá thể cho các vi sinh vật dính bám) 8 I.3. Xử lý hóa học: Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hoá lý là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễm môi trường. Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng với các phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh. Những phương pháp hoá lý thường được áp dụng để xử lý nước thải là : keo tụ, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc … I.3.1. Phương pháp keo tụ và đông tụ Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan vì chúng là những hạt rắn có kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách có hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hổ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hoà điện tích thường được gọi là quá trình đông tụ (coagulation), còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ (flocculation). I.3.2. Hấp phụ Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hoà tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này không phân huỷ bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao. Nếu các chất cần khử bị hấp phụ tốt và chi phí riêng cho lượng chất hấp phụ không lớn thì việc ứng dụng phương pháp này là hợp lý hơn cả. Các chất hấp phụ thường được sử dụng như: than hoạt tính, các chất tổng hợp và chất thải của vài ngành sản xuất được dùng làm chất hấp phụ (tro, xỉ, mạt cưa …). Chất hấp phụ vô cơ như đất sét, silicagen, keo nhôm và các chất hydroxit kim loại ít được sử dụng vì năng lượng tương tác của chúng với các phân tử nước lớn. Chất hấp phụ phổ biến nhất là than hoạt tính, nhưng chúng cần có các tính chất xác định như : 9 tương tác yếu với các phân tử nước và mạnh với các chất hữu cơ, có lỗ xốp thô để có thể hấp phụ các phân tử hữu cơ lớn và phức tạp, có khả năng phục hồi. Ngoài ra, than phải bền với nước và thấm nước nhanh. Quan trọng là than phải có hoạt tính xúc tác thấp đối với phản ứng oxy hóa bởi vì một số chất hữu cơ trong nước thải có khả năng bị oxy hoá và bị hoá nhựa. Các chất hoá nhựa bít kín lổ xốp của than và cản trở việc tái sinh nó ở nhiệt độ thấp. I.3.3. Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước. Các chất có khả năng hút các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là cationit, những chất này mang tính axit. Các chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit và chúng mang tính kiềm. Nếu như các ionit nào đó trao đổi cả cation và anion gọi là các ionit lưỡng tính. Phương pháp trao đổi ion thường được ứng dụng để loại ra khỏi nước các kim loại như: Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, M …, các hợp chất của Asen, photpho, Cyanua và các chất phóng xạ. Các chất trao đổi ion là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo. Các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm có các zeolit, kim loại khoáng chất, đất sét, fenspat, chất mica khác nhau … vô cơ tổng hợp gồm silicagen, pecmutit (chất làm mềm nước ), các oxyt khó tan và hydroxyt của một số kim loại như nhôm, crôm, ziriconi … Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên gồm axit humic và than đá chúng mang tính axit, các chất có nguồn gốc tổng hợp là các nhựa có bề mặt riêng lớn là những hợp chất cao phân tử. I.3.4. Các quá trình tách bằng màng Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khác nhau .Viêc ứng dụng màng để tách các chất phụ thuộc vào độ thấm của các hợp chất đó qua màng. Người ta dùng các kỹ thuật như: điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương tự khác. Thẩm thấu ngược và siêu lọc là quá trình lọc dung dịch qua màng bán thẩm thấu, dưới áp suất cao hơn áp suất thấm lọc. Màng lọc cho các phân tử dung môi đi 10 qua và giữ lại các chất hoà tan. Sự khác biệt giữa hai quá trình là ở chỗ siêu lọc thường được sử dụng để tách dung dịch có khối lượng phân tử trên 500 và có áp suất thẩm thấu nhỏ (ví dụ như các vi khuẩn, tinh bột, protein, đất sét …). Còn thẩm thấu ngược thường được sử dụng để khử các vật liêu có khối lượng phân tử thấp và có áp suất cao. I.3.5. Phương pháp điện hoá Mục đích của phương pháp này là xử lý các tạp chất tan và phân tán trong nước thải, có thể áp dụng trong quá trình oxy hoá dương cực, khử âm cực, đông tụ điện và điện thẩm tích. Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực khi cho dòng điện 1 chiều đi qua nước thải. Nhược điểm lớn của phương pháp này là tiêu hao điện năng lớn Chương II: Công nghệ sản xuất bia và các nguồn phát sinh nước thải II.1. Công nghệ sản xuất bia: Các công đoạn chính của công nghiệp sản xuất bia bao gồm: - Chuẩn bị nguyên liệu: Malt đại mạch và nguyên liệu thay thế (gạo, lúa mì, ngô) được làm sạch rồi đưa vào xoay, nghiền ướt để tăng bề mặt hoạt động của enzym và giảm thời gian nấu. - Lọc dịch đường để thu nước nha trong và loại bỏ malt. Quá trình gồm hai bước: Bước 1: Lọc hỗn hợp dịch đường thu nước nha đầu; Bước 2: Dùng nước nóng rửa bã thu nước nha cuối và tách bã malt. - Nấu với hoa houblon để tạo ra hương vị cho bia, sau đó nước nha được qua thiết bị tách bã hoa. - Làm lạnh: Nước nha từ nồi nấu có nhiệt độ xấp xỉ 100oC được làm lạnh tới nhiệt độ thích hợp của quá trình lên men, ở nhiệt độ vào khoảng 10 – 16oC và qua hai giai đoạn. Giai đoạn 1 dùng nước lạnh hạ nhiệt độ xuống chừng 60oC và giai đoạn 2 dùng tác nhân lạnh glycol để hạ nhiệt độ xuống còn chừng 14oC. - Lên men chính và lên men phụ: Đây là các quá trình quan trọng trong sản xuất bia. Quá trình lên men nhờ tác dụng của men giống để chuyển hoá đường thành alcol etylic và khí cacbonic: ↑+⎯⎯ →⎯ 22menlên 6126 22 COOHHCOHC 11 Nhiệt độ duy trì trong giai đoạn lên men chính (6 đến 10 ngày) từ 8 đến 10oC. Sau đó tiếp tục thực hiện giai đoạn lên men phụ bằng cách hạ nhiệt độ của bia non xuống 1 đến 3oC và áp suất 0,5 đến 1 at trong thời gian 14 ngày cho bia hơi và 21 ngày cho bia đóng chai, lon. Quá trình lên men phụ diễn ra chậm và thời gian dài giúp cho các cặn lắng, làm trong bia và bão hoà CO2, làm tằng chất lượng và độ bền của bia. Nấm men tách ra, một phần được phục hồi làm men giống, một phần thải có thể làm thức ăn gia súc. Hạ nhiệt độ của bia non để thực hiện giai đoạn lên men phụ có thể dùng tác nhân làm lạnh glycol. - Lọc bia nhằm loại bỏ tạp chất không tan như nấm men, protein, houblon làm cho bia trong hơn trên máy lọc khung bản với chất trợ lọc là diatomit. - Bão hoà CO2 và chiết chai: Trước khi chiết chai, bia được bão hoà CO2 bằng khí CO2 thu được từ quá trình lên men chứa trong bình áp suất. Các dụng cụ chứa bia (chai, lon, két) phải được rửa, thanh trùng đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh, sau đó thực hiện quá trình chiết chai ở điều kiện chân không để hạn chế khác nhau để đảm bảo chất lượng trong thời gian bảo hành. Trong công nghệ sản xuất bia, nước được dùng vào các mục đích: - Làm nguyên liệu pha trộn theo tỷ lệ nhất định để nghiền ướt malt và gạo (hay lúa mì) và bổ sung tiếp trong quá trình nấu - đường hóa. - Sản xuất hơi nước dùng cho quá trình nấu – đường hoá, nấu hoa, thanh trùng. - Một lượng nước lớn dùng cho quá trình rửa chai, lon, thiết bị máy móc và sàn thao tác. 12 Tách bã Nấu hoa Nước thải Nấu - đường hoá Thành phẩm Chuẩn bị nguyên liệu Chiết chai, lon Làm lạnh Bão hoà CO2 Lọc dịch đường Lên men phụ Lên men chính Đóng nắp Lọc bia Thanh trùng Nước cấp Nước cấp cho sản xuất Hơi nóng Rửa chai Xút Gạo Malt Hình. Công nghệ và nước thải nhà máy bia 13 II.2. Các nguồn phát sinh nước thải và đặc tính nước thải công nghiệp sản xuất bia. Nước thải công nghệ sản xuất bia bao gồm: - Nước làm lạnh, nước ngưng, đây là nguồn nước thải ít hoặc gần như không bị ô nhiễm, có khả năng tuần hoàn sử dụng lại. - Nước thải từ bộ phận nấu - đường hoá, chủ yếu là nước vệ sinh thùng nấu, bể chứa, sàn nhà … nên chứa bã malt, tinh bột, bã hoa, các chất hữu cơ, … - Nước thải từ hầm lên men là nước vệ sinh các thiết bị lên men, thùng chứa, đường ống, sàn nhà, xưởng, … có chứa bã men và chất hữu cơ. - Nước thải rửa chai, đây cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong công nghệ sản xuất bia. Về nguyên lý để đóng chai thì phải được rửa qua các bước: rửa với nước nóng, rửa bằng dung dịch kiềm loãng nóng (1 -3 % NaOH), tiếp đó là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngoài chai và cuối cùng là phun kiềm nóng rửa bên trong và bên ngoài chai, sau đó rửa sạch bằng nước nóng và nước lạnh. Do đó, dòng thải của quá trình rửa chai có độ ph cao vào làm cho dòng thải chung có giá trị pH kiềm tính. Kiểm tra nước thải từ các máy rửa chai đối với loại chai 0,5lit cho thấy mức độ ô nhiễm như trong bảng 2: Bảng 2: Ô nhiễm nước thải từ nhà máy bia Thông số Hàm lượng, mg/l Thấp Cao Trung bình COD 810 4480 2490 BOD5 330 3850 1723 Nitơ +4NH 2,05 6,15 4,0 P tổng 7,9 32,0 12,8 Cu 0,11 2,0 0,52 Zn 0,20 0,54 0,35 AOX 0,10 0,23 0,17 pH = 8,3 đến 11,2 Nước tiêu thụ để rửa 1 chai = 0,3 đến 0,5lit Trong nước thải rửa chia có hàm lượng đồng và kẽm là do sử dụng loại 14 nhãn dán chia có in ấn bằng các loại thuốc in có chứa kim loại. Hiện nay, loại nhãn dán chia có chứa kim loại đã bị cấm sử dụng ở nhiều nước. Trong nước thải có tồn tại AOX là do trong quá trình khử trùng có dung chất khử là hợp chất của clo. Trong sản xuất bia, công nghệ ít thay đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau có thể chỉ là sử dụng phưong pháp lên men chìm hay nổi. Nhưng sự khác nhau cơ bản là vấn đề sử dụng nước cho quá trình rửa chai, lon, máy móc thiết bị, sàn nhà, … Điều đó dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ô nhễm của các nhà máy bia rất khác nhau. Ở các nhà máy bia có biện pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm nước thì lượng nước thấp. Số liệu trung bình của những thông số ô nhiễm như sau: - Lượng nước cấp cho 1000 lít bia là 4 – 8 m3 - Nước thải tính từ sản xuất 1000 lít bia là 2,5 – 6 m3 - Tải trọng BOD5 là 3 – 6 kg/1000 lít bia - Tỷ lệ BOD5/COD là 0,55 – 0,7 - Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải như sau: ¾ BOD5: 1100 – 1500 mg/l ¾ COD : 1800 – 3000 mg/l ¾ Tổng Nitơ : 30 – 100 mg/l ¾ Tổng Photpho : 10 – 30 mg/l 15 Chương III: Lựa chọn phương án xử lý nước thải nhà máy bia III.1. Phương án 1: ™ Thuyết minh quy trình công nghệ: Nước thải từ quá trình sản xuất qua song chắn rác, tại đây rác có kích thước lớn được loại bỏ, rác được đưa đến nơi chôn lấp. Nước thải đến bể lắng cát ngang, các hạt cặn có thể lắng được sẽ được giữ lại ở đây, cát sẽ được mang đến sân phơi cát để mang được chôn lấp hoặc sang lấp. Nước thải được đưa đến bể tuyển nổi có thổi khí, các hạt cặn không thể lắng ở bể lắng cát và dầu mỡ sẽ được tách ra khỏi nước thải. Nước thải được đưa đến bể điều hoà, tại đây nước thải được ổn định và lưu lượng và nồng độ. Bể Axit hoá Bể tuyển nổi Bể lắng cát Bể điều hoà và ổn định pH Bể UASB Bể Aerotank Bể lắng II Bể tiếp xúc Máy nén khí Bể nén bùn Máy ép bùn Sân phơi cát Clo BCL San lấp xử lý làm phân bón Song chắn rác Nước thải 16 Sau đó nước thải qua bể axit hoá để điều chỉnh pH về trung tính. Nước thải tiếp tục được đưa qua bể UASB, tại đây hàm lượng BOD và COD giảm xuống một cách nhanh chóng. Khí thoát ra được tận dụng để cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất. Nước thải qua bể Aerotank, hàm lượng BOD và COD cũng giảm xuống, nước thải tiếp tục đến bể lắng 2, lượng bùn dư sẽ được giữ lại, một phần bùn sẽ được tuần hoàn về bể aerotank, một phần đưa qua bể nén bùn rồi đến máy ép bùn, bùn sau được xử lý làm phân bón. Nước thải từ bể lắng 2 được đưa đến bể tiếp xúc, tại đây nước được khử trùng bằng Clorine và thải ra nguồn tiếp nhận. ™ Ưu điểm: Hiệu quả xử lý cao, nước sau khi xử lý có thể thải trực tiếp ra ngoài môi trường. Có thể thu hồi năng lượng ở bể UASB để cung cấp cho quá trình sản xuất. Bùn được xử lý để làm phân bón. ™ Nhược điểm: Có nhiều công trình đơn vị do đó chi phí đầu tư cao. Chiếm một diện tích khá lớn. III.2. Phương án 2: Hình: Sơ đồ hệ thống xử lý nhà máy bia Bavane Lieshout, Hà Lan ™ Thuyết minh quy trình công nghệ Nước thải được đưa vào bể chứa (1), tại bể này lưu lượng nước thải được làm ổn định và điều chỉnh pH. Nước thải tiếp tục qua bể Axit hoá (2), do nước thải đầu vào có pH tương đối cao nên cần phải điều chỉnh pH về trung tính. Tại đây, nước tải bể 17 axit hoá cũng được tuần hoàn về bể chứa (1) để tắng hiệu qua ổn định pH của nước thải. Nước thải được đưa qua bể UASB, hàm lượng COD và BOD ở bể này giảm xuống rất nhanh, khí sinh ra được tận dụng để làm năng lượng cho quá trình sản xuất. Tiếp tục, nước thải qua bể tiếp xúc (4) rồi đến bể aerotank (5), hàm lượng COD và BOD ở đây cũng giảm xuống nhanh chóng. Nước tiếp tục qua bể lắng 2 (6), một phần bùn sẽ được tuần hoàn về bể Aerotank, nước từ bể lắng 2 được thải ra nguồn tiếp nhận. Nếu nước thải có pH trung hoà và hàm lượng COD, BOD thấp thì sẽ trực tiếp đưa về bể tiếp xúc 4. ™ Ưu điểm: Hiệu quả xử lý COD và BOD cao Chi phí xây dựng thấp Ít tốn diện tích Khí thoát ra từ bể UASB có thể tận dụng tạo ra năng lượng cung cấp cho quá trinh sản xuất ™ Nhược điểm: Quy trình xử lý nước thải này chỉ phù hợp cho lưu lượng nước thải thấp. Không có song chắn rac, do đó dễ làm tắc nghẽn cho các công trình phia sau. Không có giai đoạn khử trùng, nước đươc thải ra nguồn tiếp nhận thường chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh. 18 III.3. Phương án 3: ™ Thuyết minh quy trình công nghệ: Nước thải từ quá trình sản xuất qua song chắn rác, tại đây rác có kích thước lớn được loại bỏ, rác được đưa đến nơi chôn lấp. Nước thải đến bể lắng cát ngang, các hạt cặn có thể lắng được sẽ được giữ lại ở đây, cát sẽ được mang đến sân phơi cát để mang được chôn lấp hoặc sang lấp. Nước thải được đưa đến bể tuyển nổi có thổi khí, các hạt cặn không thể lắng ở bể lắng cát và dầu mỡ sẽ được tách ra khỏi nước thải. Nước thải được đưa đến bể điều hoà, tại đây nước thải được ổn định và lưu lượng và nồng độ, điều chỉnh pH về trung tính. Nước thải qua bể lắng 1, hàm lượng SS giảm đi một cách Song chắn rác Bể lắng cát Bể điều hoà và ổn định pH Bể lắng I Bể UASB Bể Aerotank Bể lắng II Bể tiếp xúc Máy nén khí Bể nén bùn Máy ép bùn Sân phơi cát Clo BCL San lấp xử lý làm phân bón Nước thải 19 đáng kể và cặn bùn được đua về bề nén bùn Nước thải tiếp tục được đưa qua bể UASB, tại đây hàm lượng BOD và COD giảm xuống một cách nhanh chóng. Khí thoát ra được tận dụng để cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất. Nước thải qua bể Aerotank, hàm lượng BOD và COD cũng giảm xuống, nước thải tiếp tục đến bể lắng 2, lượng bùn dư sẽ được giữ lại, một phần bùn sẽ được tuần hoàn về bể aerotank, một phần đưa qua bể nén bùn rồi đến máy ép bùn, bùn sau được xử lý làm phân bón. Nước thải từ bể lắng 2 được đưa đến bể tiếp xúc, tại đây nước được khử trùng bằng Clorine và thải ra nguồn tiếp nhận. ™ Ưu điểm: Hiệu quả xử lý cao, nước sau khi xử lý có thể thải trực tiếp ra ngoài môi trường. Có thể thu hồi năng lượng ở bể UASB để cung cấp cho quá trình sản xuất. Bùn được xử lý để làm phân bón. ™ Nhược điểm: Có nhiều công trình đơn vị do đó chi phí đầu tư cao. Chiếm một diện tích khá lớn. 20 Chương IV: Tính toán - thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia (Phương án 3) IV.1. Lưu lượng nước thải tính toán: Lưu lượng trung bình ngày đêm: Qtb = 2000 m3/ngày đêm Lưu lượng trung bình giờ: hm Q Q tbhtb /33,8324 2000 24 3 === Lưu lượng trung bình giây: sm Q Q tbstb /023,0360024 2000 360024 3 = × = × = IV.2. Tính toán song chắn rác: Nước thải dẫn vào hệ thống xử lý nước trước hết phải qua song chắn rác. Tại đây các thành phần rác có kích thước lớn như: vải vụn, vỏ đồ hộp, lá cây … được giữa lại. Nhờ đó tránh làm tắc nghẽn và bào mòn bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử lý nước thải. Tính toán song chắn rác: Chiều sâu lớp nước ở song chắn rác lấy bằng chiều cao lớp nước của cống dẫn nước thải : h1 = 0,2 m Số khe hở ở song chắn rác được tính: 905,1 2,002,065,0 023,0 0 1 =× ×× =× ×× = k hbV Qn s tb khe Trong đó k0 = 1.05 - hệ số tính đến mức độ cản trở dòng chảy, cào rác bằng cơ giới. n: số khe hở sQmax : lưu lượng giây lớn nhất của nước thải V: tốc độ nước chảy qua song chắn rác (0,4-0,8 m/s); chọn v = 0,65 m/s b = 0,02 khoảng cách giữa các khe hở của song chắn. Vậy chiều rộng mỗi song chắn rác là: Bs = S.(n1 +1) + b.n1 = 0,008.(9+1) + 0,02 .9 = 0,26 (m) Trong đó 21 S: chiều dày thanh song chắn = 0,008m Kiểm tra lại vận tốc dòng chảy tại vị trí mở rộng của mương trước song chắn ứng với lưu lượng nước thải nhỏ nhất nhằm tránh sự lắng cặn tại đó. Vận tốc này phải > 0,4 m/s. smsm hB QV s s kt /4,0/44,02,026,0 023,0 . 1 max >= × == Tổn thất áp lực qua song chắn rác: mmmmm g VVh kts 15012012,081,92 44,065,0 7,0 1 27,0 1 2222 <== × − ×= − ×= Chiều cao tổng cộng của song chắn rác: )(553,03,00053,02,01 mhhhH bvs =++=++= IV.3. Tính toán bể lắng cát: Bể lắng cát ngang được thiết kế để loại bỏ các tạp chất vô cơ không hoà tan như cát, sỏi, xỉ và các vật liệu rắn khác có vận tốc lắng (hay trọng lượng riêng) lớn hơn các chất hữu cơ có thể phân huỷ trong nước thải. Bể lắng cát ngang được thiết sao cho vận tốc chuyển động ngang của dòng chảy là 0,15 m/s < v < 0,3 m/s và thời gian lưu nước trong bể là 30’ < t < 60’ (điều 6.3 20 TCN 51-84). ™ Tính toán bể lắng cát ngang: Chiều dài của bể lắng cát ngang được tính theo công thức: mm U HvKL 78,6 7,18 5,015,07,110001000 0 ≈= ××× = ××× = Trong đó: H -Chiều sâu tính toán của bể lắng cát. Chọn H= 0,5 (m) (tiêu chuẩn 0,5 – 1,2 m). U0 - Độ thô thủy lực của hạt cát (mm/s) Với điều kiện bể lắng cát giữ lại các hạt cát có đường kính lớn hơn 0,2 mm. Theo bảng 24-20 TCN 561-84 ta có U0 = 18,7 mm/s. K - Hệ số lấy theo bảng 24-20 TCXD 51-84, với bể lắng cát ngang K = 1,7 v- Vận tốc dòng chảy trong bể. Chọn v = 0,15 m/s Diện tích ướt của phần lắng: 22 2max 153,0 15,01 023,0 m vn Q s = × = × =ω Với n =1 là số đơn nguyên công tác Bề rộng của bể lắng cát ngang: Xây bể lắng cát gồm một ngăn công tác và một ngăn dự phòng với kích thước mỗi ngăn là: Chiều dài L = 9 m và chiều rộng B = 0,3 . Kiểm tra chế độ làm việc của bể lắng cát ngang tương ứng với smQ stb /023,0 3= sm HBn Q V s /153,0 5,03,01 023,0max = ×× = ×× = Thời gian lưu nước trong bể lắng cát ứng với smQ s /039,0 3max = )(7,46 15,0 7 s v Lt === Lượng cát trung bình sau mỗi ngày đêm là: ngaydemm qQ W tbc /3,01000 15,02000 1000 30 = × = × = Trong đó, q0 = 0,15 m3/ngày đêm là lượng cát trong 1000 m3 nước thải. Chiều cao lớp cát trong bể lắng cát ngang trong 1 ngày đêm: m nBL tWh cc 143,013,07 13,0 = ×× × = ×× × = Với t = 1 ngày đêm là chu kỳ xả cát. Chiều cao xây dựng của bể lắng cát ngang: mHhHH bvcxd 943,03,0143,05,0 =++=++= Với Hbv = 0,3 m là chiều cao bảo vệ ™ Tính toán sân phơi cát: Nhiệm vụ sân phơi cát là làm ráo nước trong hỗn hợp cát-nước cho dễ dàng vận chuyển cát đi nơi khác. Chọn: Chiều dài của sân phơi cát Ls = 5m Thời gian phơi cát = Chu kỳ xả cát = 1 ngày đêm m H B 3,0 5,0 153,0 === ω 23 Thể tích cát Wc = 0,3 m3/ngày đêm Chiều rộng của sân phơi cát: m Lht W B s c s 2503,01 3,0 = ×× = ×× = Vậy diện tích của sân phân cát là: mmBL ss 25 ×=× IV.4. Tính toán bể điều hoà: Lưu lượng và chất lượng nước thải từ cống thu gom chảy về trạm xử lí nước thải, đặc biệt đối với dòng thải công nghiệp và dòng nước mứa thường xuyên dao động theo thời gian trong ngày. Khi hệ số không điều hòa k ≥ 1,4 thì nên xây dựng bể điều hòa để đảm bảo cho công trình xứ lí làm việc ổn định và đạt được giá trị kinh tế. Có hai loại bể điều hòa: bể điều hòa lưu lượng và chất lượng và bể điều hòa chất lượng. Mục đích xây dựng bể điều hòa: Giảm bớt sự dao động của hàm lượng các chất bẩn trong nước do quá trình sản xuất thải ra không đều. Tiết kiệm hóa chất để trung hòa nước thải. Giữ ổn định lưu lượng nước đi vào các công trình xử lý tiếp theo. ™ Hàm lượng BOD, COD, SS sau bể điều hòa đạt: BOD = 95% x 1500 = 1425 mg/l COD = 95% x 2000 = 1900 mg/l SS = 85% x 300 = 255 mg/l ™ Tính toán bể điều hoà: Chọn thời gian lưu nước thải trong bể là 4 giờ Thể tích bể điều hoà: 332,333433,83 mtQW htbdh =×=×= Thể tích thực tế của bể điều hoà: Wth = 1,2 . Wdh = 1,2 . 333,32 = 400 m3 Chọn chiều sâu mực nước là Hdh = 4. Diện tích của bể điều hoà: 2100 4 400 m H W S dh dh === Chiều cao xây dựng của bể điều hoà: Hxd = Hdh + Hbv = 4 + 0,5 = 4,5m Xây bể điều hoà hình chữ nhật có kích thước là : 24 mmmHBL xddhdh 5,4812 ××=×× ™ Tính toán hệ thống cấp khí cho bể điều hoà (bằng khí nén) Lượng không khí cần thiết: hmaQL htbkhi /65,31174,333,83 3 =×=×= Với a = 3,74m3 khí/m3nước thải là lưu lượng không khí cấp cho bể điều hoà. Chọn hệ thống ống cấp khí bằng thép có đục lỗ, có 4 ống đặt dọc theo chiều dài của bể điều hoà, mỗi ống cách nhau 2m. Lưu lượng khí trong mỗi ống: hm v Lq ong khi ong /165,3110 65,311 3 === Trong đó ongv là vận tốc khí trong ống, ongv = 10 – 15 m/s. Chọn ongv =10m/s Đường kính ống dẫn khí: mmm v q d ong ong ong 33033,0360010 165,314 3600 4 == ×× × = ×× × = ππ Chọn ống mm30=Φ . Đường kính các lỗ 2 – 5 mm, chọn dlỗ = 4mm và vận tốc khí qua lỗ chọn vlỗ = 15m/s (vlỗ thay đổi từ 5 – 10 m/s). hmdvq lololo /1884,04 004,015 4 3 22 = ×× = ×× = ππ Số lỗ trên mỗi ống: 165 1884,0 165,31 === lo ong q q N lỗ Số lỗ trên 1m chiều dài ống: 78,13 12 165 12 === Nn lỗ Chọn n = 14 lỗ/m ống. ™ Tính toán bơm dùng trong bể điều hoà: Tại bể điều hòa có đặt bơm chìm để bơm nước thải qua bể lắng 1, do đó ta phải tính công suất của bơm đặt tại đây. Cột áp toàn phần của bơm: H = 4,5m + 0,3m = 4,8m Lưu lượng bơm: Q = 2000 m3/ngày.đêm Công suất của máy bơm: 25 ( )kWgHQN 36,1 864008,01000 20008,481,91000 1000 = ×× ××× == η ρ Công suất thực tế của máy bơm: ( )kWNNTT 635,136,12,12,1 =×=×= Ta chọn 2 bơm, một bơm làm việc và một bơm dự trữ. Công suất của mỗi bơm là: 2 Kw ™ Tính toán máy nén khí: Lượng khí cần cấp cho bể là : Lkhí = 311,65m3/h = 0,087m3/s Áp lực cần thiết cho hệ thống ống khí nén: Hd = hd + hc + hf + H Trong đó: o hd, hc: tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài trên đường ống dẫn và tổn thất cục bộ tại các điểm uốn, khúc quanh. hd + hc ≤ 0,4m o hf: tổn thất qua hệ thống phân phối khí hf ≤ 0,5m o H: độ ngập sâu của ống phân phối khí, lấy bằng chiều cao hữu ích của bể điều hòa H = 4m Vậy áp lực cần thiết : Hd = 0,4m + 0,5m + 4m = 4,9m Áp lực không khí sẽ bằng: 10,33 4,9 1,47 10,33 P at+= = Công suất máy nén khí được tính theo công thức: 0,29 0,2934400 ( 1) 34400 (1, 47 1) 0,087 4,3 102 102 0,8 P qN Kw η × − × × − × = = = × × IV.5. Tính toán bể lắng 1: 26 Loại bỏ các tạp chất lơ lửng còn lại trong nước thải qua bể điều hòa. Ở đây các chất lơ lửng có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọn của nước sẽ lắng xuống đáy. Hàm lượng chất lơ lửng sau khi qua bể lắng đợt 1 cần đạt ≤150 mg/l. ™ Hàm lượng sau khi ra khỏi bể lắng 1 phải đạt: BOD = 80% x 1425 = 1140 mg/l COD = 80% x 1900 = 1520 mg/l SS = 55% x 255 = 140,25mg/l ≤ 150 mg/l ™ Tính toán bể lắng 1: Chọn bể lắng đợt 1 dạng tròn, nước thải đi vào từ ống trung tâm, thu nước theo chu vi bể. Thể tích tổng cộng của bể lắng 1 được xác định theo công suất: 3 max 1255,133,83 mtQW h =×=×= Trong đó t là thời gian lắng được xác định bắng thực nghiệm về động học lắng. Trường hợp không tiến hành thực nghiệm được, thời gian lắng (t) đối với bể lắng 1 có thể lấy bằng 1,5h. Chọn 2 bể công tác và một bể dự phòng,, thể tích của mổi bể là: 3 1 5,622 125 2 mWW === Diện tích của mỗi bể lắng trong mặt bằng: 2 1 1 1 652,154 5,62 m H WF === Trong đó: H1 là chiều sâu vùng lắng ly tâm có thể lấy từ 1,5 đến 5 m. Chọn H1 = 4m Đường kính của mỗi bể lắng: mFD 46,4652,1544 1 =×=×= ππ Lấy D(lt) = 4,5 m 27 Đường kính thực tế của bể lắng là: mDD lttt 4,55,42,12,1 )( =×=×= Đường kính ống trung tâm: mDd tt 08,14,5%20%20 =×== Chọn: Chiều cao lớp bùn lắng hb = 0,7 m Chiều cao an toàn h = 0,5 m Vậy chiều cao tổng cộng của bể lắng 1 Htc= H1 + h + hb = 4 + 0,5 + 0,7 = 5,2 m Chiều cao ống trung tâm mHh 4,24%60%60 1 =×== Ta chọn 3 bể, hai bể công tác và một bể dự phòng. Kích thước mỗi bể lắng: mmHD tctt 2,54,5 ×=× Thông số Giá trị Dãy Đặc trưng Thời gian lưu nước (giờ) 1.5-2.5 2 Tải trọng bề mặt (m3/m2ngay) 32-48 Lưu lượng trung bình 32-48 Lưu lượng cao điểm 80-120 Tải trọng máng tràn (m3/m.ngay) 125-500 Ống trung tâm Đường kính Chiều cao 15 20%d D= − 55 65%h H= − Chiều sâu bể lắng (m) H=3-4,6 4 Đường kính bể lắng (m) D=3-60 8,53 Độ dốc đáy (mm/m) 62-167 83 Tốc độ thanh gạt bùn (vòng/phút) 0,02-0.05 0,03 Bảng 3: Thông số thiết kế đặc trưng cho bể lắng ly tâm ™ Hiệu quả của quá trình lắng các chất lơ lửng: Tốc độ lắng của hạt cặn lơ lửng trong bể lắng được tính theo công thức: 28 smm t HU /74,0 5,16,3 4 6,3 1 = × = × = Hiệu suất lắng của chất lơ lửng trong nước thải ở bể lắng 1 phụ thuộc vào tốc độ lắng của hạt căn lơ lửng trong nước thải (U = 0,74 mm/s) và hàm lượng ban đầu của hạt cặn lơ lửng (Cdv = 255 mg/L) và có thể lấy theo bảng 4: Hiệu suất lắng của chất lơ lửng(%) Tốc độ lắng của hạt cặn lơ lửng, U (mm/s) ứng với hàm lượng ban đầu của chất lơ lửng C (mg/L) 150 200 250 ≥ 300 30 1,30 1,80 2,25 3,20 35 0,90 1,30 1,90 2,10 40 0,60 0,90 1,05 1,40 45 0,40 0,60 0,75 0,95 50 0,25 0,35 0,45 0,60 55 0,15 0,20 0,25 0,40 60 0,05 0,10 0,15 0,20 Bảng 4: Hiệu suất lắng của chất lơ lửng trong nước thải ở bể lắng 1 Với Cdv = 255 mg/L và U = 0,74. Chọn hiệu suất lắng E1 = 45% Hàm lượng chất lơ lửng triôi theo nước ra khỏi bể lắng 1 được tính theo công thức: LmgLmg EC C dv /150/25,140 100 )45100(255 100 )100( 1 <=−×= −× = ™ Kiểm tra lại thời gian lưu nước của bể lắng Thể tích phần lắng ( ) ( ) 322221 9,87408,14,544 mHdDW ttpl =×−×=×−×= ππ Thời gian lưu nước h Q Wt h tb pl 5.11,2 33,83 9,8722 1 >=×=×= Tải trọng máng tràn 3 32000 117,95 / . 500 . 5,4 tb s tt QL m m ngay m ngay Dπ π = = = < × × 29 ™ Tính toán lượng bùn sinh ra Giả sử hiệu suất xử lý cặn lơ lửng đạt 60% ở tải trọng 3 235 / .m m ngày Lượng bùn tươi sinh ra mỗi ngày ngàyKgSS g KgngàymmgSSM tuoi /3061000 16,0/2000/255 33 =×××= Giả sử bùn tươi của nước thải nhà máy bia có hàm lượng cặn 5% (tức là có độ ẩm 95%). Tỉ số VSS:TSS = 0,75 và khối lượng riêng bùn tươi là 1,053kg/lít. Vậy lưu lượng bùn tươi cần phải xử lý là ngaymngày lKg ngayKgQtuoi /812,5/5812/053,105,0 /306 3 == × = l Lượng bùn tươi có khả năng phân hủy sinh học ngayKgVSSM VSStuoi /5,22930675,0)( =×= ™ Tính toán bơm hút bùn: Công suất của mỗi bơm: 1000 Q gHN ρ η = Trong đó Q:lưu lượng nước thải trung bình ngày đêm, m3/ngàyđêm H:áp suất toàn phần của bơm, mH2O ρ : khối lượng riêng của chất lỏng Khối lượng riêng của bùn là 1006kg/m3 g: gia tốc trọng trường, g ≈ 9,81m/s2 η : hiệu suất của bơm, η = 0,73 – 0.9. Chọn η = 0,8 Cột áp toàn phần của máy bơm bơm bùn tuần hoàn về bể Aeroten: H = 4,5m + 1,5m = 6m Công suất của máy bơm bùn tuần hoàn: 30 KwgHQN 005,0 864008,01000 681,91006812,5 1000 = ×× ××× == η ρ Công suất thực tế của bơm: N1 = 1,5 × 0,005 = 0,0075Kw Ta đặt 2 bơm để bơm bùn từ bể lắng I về bể nén bùn, một bơm làm việc và một bơm dự phòng. ™ Tính toán máng tràn. Chiều dài máng tràn mDL tt 6,44,585,085,0 =×=×= Tải trọng trên một mép dài máng tràn sml m mlsmq /24,4 6,42 /1000/039,0 33 = × × = Chọn tấm xẻ khe hình chữ V, góc đáy 90o để điều chỉnh độ cao mép máng. Chiều cao hình chữ V l 5 cm, đáy chữ V là 10 cm, mỗi m dài có 5 khe chữ V, khoảng cách giữa các đỉnh là 20 cm. Chiều cao mực nước h trong khe chữ V qo= 5 q = 1,4 h5/2 mmmh 5005,0 4,15 00424,0 5/2 ==⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ × = Phù hợp tiêu chuẩn cho phép ≤50 mm IV.6. Tính toán bể UASB: Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là một quá trình phát triển tương đối gần đây trong lĩnh vực công nghệ môi trường. Ưu điểm của phương pháp này là: ít tiêu hao năng lượng trong quá trình hoạt động, giá thành vận hành thấp và tự sản sinh ra năng lượng có thể thu hồi sử dụng dưới dạng biogas. Thêm vào đó, các hệ thống xử lý kỵ khí sản sinh ít bùn thừa hơn so với hệ thống hiếu khí, trung bình khoảng từ 0,03 – 0,15 g bùn VSS trên 1g BOD được khử.Hơn nữa, sự duy 31 trì sinh khối trong các hệ thống xử lý kỵ khí với tỉ lệ cao cho phép vận hành hệ thống xử lý ở các tải trọng hữu cơ cao và do đó làm giảm đáng kể khối tích của các công trình. Tải trong hữu cơ thích hợp trên các thiết bị UASB xử lý nước thải công nghiệp khoảng từ 8 đến 15 kg COD/m3.ngày. Hiệu quả xử lý COD tương đối cao, trung bình vào khoảng 43 – 78% trong đa số các trường hợp. Điều này cho thấy rằng xử lý kỵ khí có khả năng ứng dụng rộng rãi để giảm thiểu các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học trong nước thải công nghiệp của nhiều loại hình sản xuất. Nồng độ nước thải, mgCOD/l Tỷ lệ COD không tan, % Tải trọng thể tích ở 30oC, kg COD/m3.ngày Bùn bông Bùn hạt (không khử SS) Bùn hạt khử SS ≤ 2000 10 ÷ 30 30 ÷ 60 2 ÷ 4 2 ÷ 4 8 ÷ 12 8 ÷ 14 2 ÷ 4 2 ÷ 4 2000 ÷ 6000 10 ÷ 30 30 ÷ 60 60 ÷ 100 3 ÷ 5 4 ÷ 8 4 ÷ 8 12 ÷ 18 12 ÷ 24 3 ÷ 5 2 ÷ 6 2 ÷ 6 6000 ÷ 9000 10 ÷ 30 30 ÷ 60 60 ÷ 100 4 ÷ 6 5 ÷ 7 6 ÷ 8 15 ÷ 20 15 ÷ 24 4 ÷ 6 3 ÷ 7 3 ÷ 8 9000 ÷ 18000 10 ÷ 30 5 ÷ 8 15 ÷ 24 4 ÷ 6 Bảng 5: Các thông số thiết kế cho bể UASB (Tải trọng thể tích hữu cơ của bể UASB bùn hạt và bùn bông ở các hàm lượng COD vào và tỷ lệ chất không tan khác nhau) Nhiệt độ, oC Tải trọng thể tích hữu cơ (kg COD/m3.ngày) Nước thải VFA Nước thải không VFA Có 30% COD-SS 32 Bảng 6: Tải trọng thể tích hữu cơ của bể UASB bùn hạt có hàm lượng bùn trung bình 25kgVSS/m3 (phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, nước thải có VFA hòa tan, nước thải không có VFA và nước thải có cặn lơ lửng chiếm 30% tổng COD ™ Thực nghiệm trên mô hình Pilot rút ra được kết quả sau • Bùn nuôi cấy ban đầu lấy từ bùn của bể phân hủy kỵ khí từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt bể với hàm lượng 30KgSS/m3. • Tỉ lệ MLVS/MLSS của bùn trong bể UASB = 0,75 • Tải trọng bề mặt phần lắng L =A 12 ngaymm 23 / • Ở tải trọng thể tích L 0 =3 KgCOD/m 3 .ngày, hiệu quả khử COD đạt 65% và BOD 5 đạt 75% • Lượng bùn phân hủy kỵ khí cho vào ban đầu có TS=5% • Y = 0,04gVSS/gCOD, k d = 0,025ngay 1− ,θ =60 ngày Hàm lượng COD vào bể UASB C 0 = 80% .C bandau = 80% x 1520 = 1216 mg/l Hàm lượng BOD vào bể UASB BOD vào = 80% . BOD bandau = 80% x 1140 = 912 mg/l Diện tích bề mặt phần lắng 267,166 12 2000 m L Q A A tbngay === Thể tích ngăn phản ứng bể UASB 15 20 25 30 35 40 2 ÷ 4 4 ÷ 6 6 ÷ 12 10 ÷ 18 15 ÷ 24 20 ÷ 32 1.5 ÷ 3.0 2 ÷ 4 4 ÷ 8 8 ÷ 12 12 ÷ 18 15 ÷ 24 1.5 ÷ 2 2 ÷ 3 3 ÷ 6 6 ÷ 9 9 ÷ 14 14 ÷ 18 33 3 3 . 0 3 3 2000 / 1216 / 810,67 3 / 1000 tb ngay R COD Q C m ngay g mV m L KgCOD m ngay × × = = = × Chọn 8 đơn nguyên hình vuông, vậy cạnh mỗi đơn nguyên có chiều dài là m n AW 56,4 8 67,166 === Chiều cao phần phản ứng m A VH r 86,4 67,166 67,810 === Chọn chiều cao phểu thu khí là h =p 1,5m Chiều cao bảo vệ bvh =0,5m Chiều cao tổng cộng bể UASB là: H tc = h b + h bv + H = 4,9 + 0,5 + 1,5 = 6,9 m Chọn tại mỗi bể gồm 2 phễu thu khí. Mỗi phễu có chiều cao 1,5 m. Đáy phễu thu khí có chiều dài bằng cạnh đơn nguyên: l = W = 4,56 m và chiều rộng w = 1,9 m Vậy phần diện tích bề mặt khe hở giữa các phễu thu khí là %17100 56,456,4 9,156,4256,456,4100 ≈× × ××−× =× − = A AA A A pkh Trong đó A: Diện tích bề mặt bể Akh: Diện tích khe hở giữa các phễu thu khí Ap: Diện tích đáy phễu thu khí Giá trị này nằm trong khoảng: A Akh = 15% ÷20% Giả sử mỗi đơn nguyên có 8 ống phân phối khí vào, diện tích trung bình cho một đầu phân phối: /6,2 8 56,456,4 2mmman = × = đầu.∈ [ ]đaum /52 2÷ Lượng bùn nuôi cấy ban đầu cho vào bể (TS = 5%) 3 330 / 810,67 1tan 486, 4 tan 0.05 1000 ss r b C V kgSS m mM TS kg × × = = × = 34 Trong đó: Css: Hàm lượng bùn trong bể, Kg/m 3 Vr: Thể tích ngăn phản ứng m3 TS: Hàm lượng chất rắn cho bùn nuôi cấy ban đầu. Hàm lượng COD của nước thải sau khi xử lí kỵ khí lmgCODCODECOD vaoCODra /6,4251216)65,01()1( =×−=×−= Hàm lượng BOD 5 của nước thải sau khi xử lý kỵ khí: lmgBODBODEBOD vaoBODra /2,319912)65,01()1( =×−=×−= Lượng sinh khối hình thành mỗi ngày ( )[ ] cd x k QSSYP θ×+ ×−× = 1 0 ( )[ ] ( )[ ] kggngayngay ngaymmgCODkgCODkgVSPx /100090015,01 /2000/6,4521216/04,0 1 33 ××+ ×− = − ngaykgVSPx /26= θc : Thời gian lưu bùn, chọn θc = 10 ngày Q : Lưu lượng trung bình ngày, Q = 2000 m3/ngàyđêm Y : Hệ số sản lượng bùn, chọn Y = 0.5mgVSS/mgBOD5 La : BOD5 của nước thải dẫn vào aeroten, La = 197 mg/L Lt : BOD5 hòa tan của nước thải ra khỏi aeroten, Lt = 12.62mg/L X : Hàm lượng bùn hoạt tính trong bể aeroten, MLVSS = 3000mg/L Kd : Hệ số phân hủy nội bào, Kd = 0.05 ngày-1 Thể tích khí mêtan sinh ra mỗi ngày ( )[ ]xbCH PQSSV 42,1159 04 −×−×= ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ×−××−×= 2642,1 1000 1/2000/6,452121684,350 33 4 g kgngaymmgCODVCH ngaymngayLVCH /71,522/5,522709 3 4 == Trong đó VCH4: Thể tích khí metan sinh ra ở đktc (t = 0 0 C, p = 1 atm) Q: Lưu lượng bùn vào bể kị khí, m3/ngày Px: Sinh khối tế bào sinh ra mỗi ngày, kgVS/ngày 35 350,84: Hệ số chuyển đổi lý thuyết lượng khí metan sản sinh từ 1 kg BOD L chuyển hoàn toàn thành khí metan và CO2, litCH 4 /kgBOD L Lượng bùn bơm ra mỗi ngày ngaym mKgSSkgSSkgVS ngaykgVS C P Q ss w w /155,1/30/75,0 /26 75,0 3 3 =× = × = Lượng chất rắn từ bùn dư ngaykgSSmkgSSngaymCQM SSwss /67,34/30/155,1 33 =×=×= IV.7. TÍNH TOÁN AEROTEN Nước thải sau khi xử lý ở bể UASB được dẫn tiếp đến bể Aeroten. Tại đây, các chất hữu cơ chưa được phân hủy hoàn toàn nhờ quá trình phân hủy kị khí tiếp tục được các vi sinh vật trong bể Aeroten phân hủy hiếu khí. Khi tính toán thiết kế công trình sinh học áp dụng quá trình bùn hoạt tính cần xem xét các yếu tố sau: o Kiểu bể bùn hoạt tính( chảy nút, xáo trộn hoàn toàn, chảy tầng…) o Tải trọng tiêu chuẩn o Lượng bùn sinh ra o Nhu cầu oxy cung cấp và phương thức cung cấp o Nhu cầu các chất dinh dưỡng o Kiểm soát các sinh vật dạng sợi o Tính chất của nước thảỉ sau xử lý. Thiết kế bể aeroten làm thoáng bằng phương pháp khuyếch tán khí, hình dạng bể ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu quả làm thoáng. Chiều cao lớp nước trong bể phải từ 4,57 đến 7,62 để việc khuyếch tán khí đạt hiệu quả cao. Chiều cao bảo vệ (từ mặt nước đến đỉnh bể) từ 0,3m đến 0,6m. Nội dung tính toán aeroten gồm các phần sau: ™ Chọn kiểu bể và xác định kích thước bể; ™ Tính lượng bùn dư thải bỏ mỗi ngày, lưu lượng bùn tuần hoàn; ™ Xác định lượng không khí cần thiết cung cấp cho aeroten; ™ Chọn kiểu và tính toán thiết bị khuyếch tán không khí. Các số liệu tính toán bể Aeroten: 1. Lưu lượng trung bình của nước thải trong một ngày đêm: Q = 2000m3/ngđ 36 2. Hàm lượng các chất lơ lửng dẫn vào bể Aeroten: Cd = 140,25mg/l 3. Hàm lượng BOD5 đầu vào là: 319,2mg/l 4. Hàm lượng COD đầu vào là 425,6mg/l Giả sử theo kết quả thực nghiệm ta tìm được các thông số động học sau: Ks = 45mg/l; Y = 0,45mg/l; kd = 0.04ngày-1 Có thể áp dụng các điều kiện sau để tính toán quá trình bùn hoạt tính xóa trộn hoàn toàn: o Tỉ số MLVSS/MLSS = 0,75 o Hàm lượng bùn tuần hoàn Cth= 8500mg/l o Hàm lượng bùn hoạt tính trong bể aeroten MLVSS = 3000mg/l o Thời gian lưu bùn trung bình 10cθ = ngày o Nước thải sau lắng đạt tiêu chuẩn loại B, BOD5 ở đầu ra 50mg/l, SS là 70mg/l, trong đó 65% cặn dễ phân hủy sinh học. o Tỉ số BOD5/BODL = 0.68; o Hệ số chuyển đổi BOD5 và BOD20 là 0,68; o Hàm lượng bùn hoạt tính lắng xuống đáy bể lắng có hàm lượng chất rắn 0.8% và khối lượng riêng là 1,008kg/L; o Hiệu suất chuyển hóa oxy của thiết bị khuyếch tán là 9%, hệ số an toàn là 2; o Oxy chiếm 21% trọng lượng thể tích không khí và khối lượng riêng không khí là 1,2kg/m3; o Loại và chức năng của bể: bể aeroten khuấy trộn hoàn toàn. Các thông số tính toán cơ bản cho aeroten kiểu xáo trộn hoàn toàn có thể tham khảo theo trang 511– sách “Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp – tính toán thiết kế công trình” (Lâm Minh Triết , Nguyễn Phước Dân, Nguyễn Thanh Hùng) II.7.1. Xác định kích thước bể aeroten Xác định BOD5 hòa tan trong nước thải đầu ra tính theo công thức: BOD5 ở đầu ra = BOD5 hòa tan đi ra từ bể aeroten + BOD5 chứa trong cặn lơ lửng ở đầu ra. Lượng cặn có thể phân hủy sinh học: 0,65 × 70 = 45,5mg/L 37 BODL của cặn lơ lửng dễ phân hủy sinh học của lước thải sau lắng II: 45,5 × (1,42 mg O2 tiêu thụ/mg tế bào) = 64,6mg/L BOD5 của cặn lơ lửng của nước thải sau lắng II: BOD5 = BODL × 0,68 = 64,6 × 0,68 = 43,9mg/l BOD5 hòa tan của nước thải sau lắng II: 50 = S + 43,9 Vậy S = 6,1mg/L Hiệu quả xử lí tính theo BOD5 hòa tan: 0 0 0 319,2 6,1 98 319,2 S SE S − − = = = % Với S0 là hàm lượng BOD5 ở đầu vào bể aeroten. Hiệu quả xử lí BOD5 của bể aeroten: 319,2 50 84,33 319,2 E −= = % Tính thể tích của bể Thề tích bể aeroten tính theo hai công thức sau: