Đề tài Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho khu dân cư 10000 dân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ______________________________________________________________ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT CHO KHU DÂN CƯ 10000 DÂN Sinh viên thực hiện :Nguyễn Văn Vượng Lớp : Kỹ thuật Môi trường Khóa : 53 Giáo viên hướng dẫn : Ths.Vũ Ngọc Thủy HÀ NỘI - 11/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ________________ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ______________ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH Họ và tên: Nguyễn Văn Vượng Số hiệu sinh viên: 20083572 Lớp: Kỹ thuật môi trường Khoá: 53 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Ngành: Kỹ thuật môi trường 1.Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho khu dân cư 10000 dân. 2. Các số liệu ban đầu: Tự chọn 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Phân tích lựa chọn công nghệ xử lý Tính toán các thiết bị chính 4. Các bản vẽ và đồ thị: Bản vẽ sơ đồ công nghệ đầy đủ Bản vẽ bố trí cao trình (A3) Bản vẽ chi tiết thiết bị chính(A3) 5. Cán bộ hướng dẫn ThS. Vũ Ngọc Thủy 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án chuyên ngành:13/9/2012 7. Ngày hoàn thành đồ án chuyên ngành: Hà Nội, ngày tháng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Phần 1.Thông số thiết kế và lựa chọn sơ đồ công nghệ……………………………..4 1. Nước thải sinh hoạt……………………………………………………………….5 a. Đặc trưng nước thải sinh hoạt………………………………………………..5 b. Tác động của nước thải tới môi trường………………………………………6 c. Thông số lựa chọn……………………………………………………………7 2. Phân tích và lựa chọn công nghệ xử lý …………………………………………..9 a. Xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ Aeroten………………………....9 b. Xử lý nước thải sinh hoat bằng công nghệ AAO…………………...………11 Phần 2.Thiết kế bể AAO………………………………………………………...…14 Thông số đi vào bể…………………………………………...……………..14 Tính cụm bể AAO……………………………………………………...…...15 Bể aerobic……………………………………...………………………..15 Bể anoxic……………………………...………………………………...18 Bể anaerobic………………………...…………………………………..19 Tổng hợp số liệu 3 bể đã được tính toán……………………...…………….21 Tính toán cấp khí cho bể aerobic ...…………………………….. …………22 Tính toán khuấy trộn cho anoxic và anaerobic…………...………………..25 Lời cảm ơn Tài liệu tham khảo LỜI NÓI ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người. Nước trong tự nhiên bao gồm toàn bộ các đại dương, biển vịnh sông hồ, ao suối, nước ngầm, hơi nước ẩm trong đất và trong khí quyển. Trên trái đất nước ngọt chiếm một tỷ lệ rất nhỏ so với nước mặn. Nước ngọt cần cho mọi sự sống và phát triển, nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới. Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống.    Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ. Sau khi sử dụng nước trở thành nước thải, bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau. Ngày nay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của công nông nghiệp ... đã để lại nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước. Vấn đề này đang được nhiều sự quan tâm của mọi người, mọi quốc gia trên thế giới. Ở Việt Nam hiện nay phần lớn nước thải sinh hoạt chưa được xử lý và được thải thằng ra sông, hồ,ao và các nguồn tiếp nhận. Vì vậy, dẫn đến tình trạng các con sông đó bị ô nhiễm bốc mùi khó chịu, làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người.      Với sự ô nhiễm nước thải của nước ta hiện nay. Qua những môn em đã học,và sự hướng dẫn nhiệt tình của cô Vũ Ngọc Thủy đã cho em những những kiến thức và kinh nhiệm giúp em có thể hoàn thành đồ án :” Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho khu dân cư 10000 dân ” với công nghệ mới ,hiệu quả xử lý cao làm giảm một phần nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng. Phần 1.Thông số thiết kế và lựa chọn sơ đồ công nghệ 1. Nước thải sinh hoạt a. Đặc trưng nước thải sinh hoạt: Nước thải sinh hoạt được sinh ra từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học và các nơi tương tự khác. Lượng phát sinh nước thải sinh hoạt rất lớn, tùy thuộc vào mức thu nhập, thói quen của dân cư và điều kiện khí hậu. Đối với Việt Nam tiêu chuẩn cấp nước cho các đô thị lớn ở mức 150 – 200 l/người.ngày, vùng nông thôn ở mức 100 l/người.ngày. Có thể ước tính 60 – 90% lượng nước cấp cho sinh hoạt trở thành nước thải sinh hoạt tùy theo vùng và thời tiết. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải sinh hoạt chủ yếu là các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các chất rắn lơ lửng . Nước thải sinh hoạt nếu không được xử lý trước khi thải ra các nguồn tiếp nhận thì sẽ gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường và sức khỏe. Nước thải sinh hoạt chứa các chất dinh dưỡng (N, P) có thể gây hiện tượng phú dưỡng các thủy vực nước ngọt. Các nguồn tiếp nhận (sông, hồ) bị ô nhiễm tức là suy giảm cả về chất và lượng đối với tài nguyên nước vốn đã rất hạn chế. Ô nhiễm nguồn nước được cho là nguyên nhân gây ra các bệnh như tiêu chảy, lỵ, tả, thương hàn, viêm gan A, giun, sán. Thành phần nước thải sinh hoạt tương đối ổn định và phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm hệ thống thoát nước, điều kiện trang thiết bị vệ sinh,… Nồng các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt được nêu trong bảng sau. Bảng 1.1 Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư. Chỉ tiêu Trong khoảng Trung bình Tổng chất rắn (TS), mg/l Chất rắn hoà tan (TDS), mg/l Chất rắn lơ lững (SS), mg/l 350 – 1200 250 – 850 100 - 350 720 500 220 BOD5, mg/l 110 – 400 220 Tổng Nitơ, mg/l Nitơ hữu cơ Nitơ Amoni Nitơ Nitrit Nitơ Nitrat 20 – 85 8 – 35 12 – 50 0 – 0,1 0,1 – 0,4 40 15 25 0,05 0,2 Clorua, mg/l 30 – 100 50 Độ kiềm, mgCaCO3/l 50 - 200 100 Tổng chất béo, mg/l 50 - 150 100 Tổng Phốt pho, mg/l 8 Nguồn : [1] b. Tác động của nước thải tới môi trường Nước thải sinh hoạt gây ra sự ô mhiễm môi trường do các thành phần ô nhiễm: COD, BOD : Sự khoáng hoá, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng của hệ sinh thái môi trường nước. Nếu ô nhiễm quá mức điều kiện yếm khí có thể hình thành. Trong quá trình phân huỷ yếm khí sinh ra các sản phẩm như H2S, NH3, CH4,… làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường nước nơi tiếp nhận. SS : Lắng đọng ở nguồn tiếp nhận gây điều kiện yếm khí. Nhiệt độ : Nhiệt độ nước thải sinh hoạt thường không gây ảnh hưởng đến đời sống của thuỷ sinh vật. Vi khuẩn gây bệnh: Gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ độc thức ăn, vàng da,… N, P : Đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng. Nếu nồng độ trong nước quá cao dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hoá, đó là sự phát triển bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở và gây chết các thuỷ sinh vật, trong khi đó ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra. Màu : Màu đục hoặc đen, gây mất mỹ quan. Dầu mỡ : Gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt. Thông số lựa chọn : Nếu giả sử tiêu chuẩn cấp nước ở các khu đô thị lớn ở Việt Nam là 200l/người.ngày đêm và 80% trong đó thải ra ngoài môi trường. Hệ số không điều hòa là 1,5h [7] Thì lưu lượng nước thải ra tính cho 10000 người trong 1 ngày là: Qtb=200.10000.80%=1600000 l/ ngđêm= 1600m3/ ngđêm(Q1) Hay Qtb_h=66,67 m3/ h (Q2) Lưu lượng lớn nhất : Qmax_h=66,67.1,5=100m3/h (Q3) Đặc trưng ô nhiễm của nước thải sinh hoạt chủ yếu là các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các chất rắn lơ lửng. WHO (1993)[5] đưa ra tải trọng các chất ô nhiễm tính cho một người dân để xác định nồng độ các chất ô nhiễm đầu vào cho hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt như Bảng 1. 3a. Bảng 1. 3a. Tải trọng các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt đô thị Chất ô nhiễm Tải lượng (g/ người.ngày) BOD5 45 – 54 COD (1,6 – 1,9)BOD5 TOC (0,6 – 1,0)BOD5 TS 170 – 220 SS 70 – 145 Dầu mỡ Độ kiềm (CaCO3) 10 – 30 20 – 30 Chlorides 4 – 8 TN (N) 6 – 12 Org – N 0,4TN Ammonia 0,6TN NO3- - NO2- (0,0 – 0,05)TN TP (P) 0,6 – 4,5 Org – P 0,3TP Inorg – P 0,7TP Tổng Coliform 106 – 109 MNP/100ml Nguồn: [5]. Đối với các đô thị ở Việt Nam thì tải trọng các chất ô nhiễm tính cho một người dân có thể tham khảo theo Bảng 1. 3b. Bảng 1. 3b. Tải trọng các chất ô nhiễm tính cho một người dân Việt Nam Chất ô nhiễm Tải trọng (g/người.ngày) SS 60 – 65 BOD5 30 – 35 NH4+-N 8 PO43--P 1,44 Chất hoạt động bề mặt 3,3 Dầu mỡ 2 – 2,5 Cl- 10 Nguồn:[7]. Các bảng số liệu trên dùng để tính cho 1 người trên ngày,nhưng không có tính khả thi để tính tải trọng ô nhiễm cho một khu dân cư. Qua tìm hiểu về nước thải sinh hoạt hiện nay, Số liệu đặc trưng ô nhiễm nước thải của các khu đô thị lớn,và dòng ra theo cột A QCVN 14:2008/BTNMT ta được bảng thông sô đầu vào và đầu ra như sau: Bảng 1. 3c. Các thông số đầu vào và đầu ra. Hạng mục Chất lượng nước dòng vào ( yêu cầu thiết kế ) Chất lượng nước dòng ra theo QCVN 14 :2008 cột A [6] Nhiệt độ 20 – 30oC 20 – 30oC pH 6.5 - 8.0 5 – 9 BOD5 400 mg/l 50 mg/l NH4_N 50 mg/l 5 mg/l Chất rắn lơ lửng (T- SS) 275 mg/l 50 mg/l TKN 60 mg/l - PO4_P 12 mg/l 6 mg/l Dầu + Mỡ 30 mg/l 5 mg/l Tổng Coliform 105- 106 MPN/ 100ml 3.000 MPN/100 ml Theo QCVN 14:2008/BTNMT thì cột A là cột quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm làm cơ sở tính toán giá trị tối đa cho phép trong nước thải sinh hoạt khi thải vào các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (có chất lượng nước tương đương cột A1 và A2 của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt) [7]. 2. Phân tích và lựa chọn công nghệ xử lý Việc áp dụng các phương pháp xử lý nước thải phụ thuộc vào tính chất nước thải, hàng loạt các yếu tố khác như : kinh phí , diện phí , diện tích dành cho hệ thống xử lý, đặc điểm địa hình , hệ thống thoát nước , mục đích sử dụng của nguồn nước tiếp nhận , … Hệ thống xử lý nước thải thường bao gồm tổng hợp các phương pháp cơ học , hóa học và sinh học. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là BOD5/ COD > 0,5. Dựa trên phương pháp sinh học khử các chất dinh dưỡng , với một sự kết hợp của các bể như: bể kị khí , bể hiếm khí , và bể hiếu khí . Đối với nước thải sinh hoạt về văn bản là để khử Nitơ ( T- N ) và Phốt pho ( T- P ) , Cacbon hữu cơ và Hydro ( BOD ), và SS. Nên để xử lý đạt hiệu quả tốt hơn thì dùng biện pháp xử lý sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp với phương pháp khác. Xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ Aeroten Đây là công nghệ mang tính chất truyền thống,xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí,trong đó người ta cung cấp oxi và khuấy trộn nước thải với bùn hoạt tính Tiếp nhận: hầm tiếp nhận; Điều hòa: bể điều hòa lưu lượng; Xử lý cơ học: song chắn rác thô thủ công,song chắn rác tinh,bể lắng cát thổi khí Bể lắng đợt một; Xử lý sinh học: bể aeroten, bể lắng đợt 2; Xử lý cặn:sân phơi cát,bể nén bùn,máy ép bùn băng tải; Khử trùng: bằng dung dịch NaOCl 10%. Thuyết minh công nghệ: Nước thải sinh hoạt được thu gom bằng hệ thông thoát nước thải sinh hoạt của khu dân cư dẫn về trạm xử lý,vào bể tiếp nhận có song chắn rác thô(khe hở 30mm) cào rác thủ công và hệ thống sục khí nhằm tránh khả năng lắng cặn của nước thải. sau khi nước thải trong bể tiếp nhận đạt đến mức nhất định sẽ dược bơm đến song chắn rác tinh (khe hở 30mm) cào rác cơ giới trước khi đến bể lắng cát thổi khí. Tại bể lắng cát thổi khí,các chất rắn vô cơ,có trọng lượng lớn sẻ bị tách ra khỏi nước và được xả vào sân phơi cát sau một khoảng nhất định do điều kiện vận hành hệ thống thực tế quyết định.sau đó nước thải được dẫn đến bể điều hòa lưu lượng với hệ thống sục khí để chống khả năng lắng cặn tải bể,đồng thời tuần hoàn bùn hoạt tính dư để thực hiện đông tụ sinh học để tăng hiệu quả xử lý của bể lắng bậc hai. Nước thải được bơm từ bể điều hòa đến bể lắng đợt một. Sau khi lắng nước tự chảy đến bể aeroten. Tại bể aeroten nước thải được xử lý bằng quá trình sinh học lơ lững hiếu khí. Quá trình hiếu khí được duy trì bằng hệ thống phân phối khí được bố trí trong máy thổi khí. Nước sau khi ra khỏi bể aeroten được đẫn đến bể lắng đợt hai. Bể lắng đợt hai có nhiệm vụ tác bùn hoạt tính và nước sau khi xử lý sinh học,sau đó tiếp tục nước được khử trùng bằng NaOCl 10%. Dung dịch NaOCl cho vào trên đường ống dẫn nước từ bể lắng đợt hai tới bể chứa, nước tiếp tục quá trình tiếp xúc tại bể chứa nước sau xử lý, nước này đạt chỉ tiêu cột A QCVN 14-2008. Nước sẻ được xả thải vào nguồn tiếp nhận khi được sự đồng ý của cơ quan quản lý môi trường. nước này có thể dùng với mục đích nông nghiệp… Bùn hoạt tính từ bể lắng đợt hai được tuần hoàn trở lại bể aeroten và phần không tuần hoàn cho ra sân phơi bùn,hoặc thực hiện quá trình đông tụ sinh học. Cặn tươi từ bể lắng đợt 1 được dẫn đến bể nén bùn bằng trọng lực để nén làm giảm lượng nước chưa trong bùn,chưa bùn trước khi dẫn vào máy ép bùn. Bùn sau khi ép có độ ẩm khoảng 70%, Rồi vận chuyển đến nơi xử lý chất thải rắn. Ưu nhược điểm Bể Aerotank cũng là một trong những phương pháp xử lý sinh học hiếu khí. Ưu điểm của bể là rất dễ xây dựng và vận hành. Tuy nhiên do phải sử dụng bơm để tuần hoàn bùn ổn định lại nồng độ bùn hoạt tính ở trong bể nên khi vận hành tốn năng lượng.Bể Aerotank có nhiều loại như bể Aerotank truyền thống, bể Aerotank nhiều bậc,... Tuy nhiên bể Aerotank truyền thống sử dụng đơn giản nhất.Yếu tố quan trọng bậc nhất của bể Aerotank là hàm lượng DO cấp vào. Do vậy cũng cần phải tốn thêm năng lượng cho máy thổi khí. Tiếp đến là tỷ lệ BOD:COD > 0,5, BOD:N:P = 100:5:1, cũng không thể không nhắc đến nhiệt độ, pH, và hàm lượng chất độc,...Bể Aerotank được sử dụng nhiều trong các ngành có hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải như bia, giấy,...Xu hướng hiện nay của ngành môi trường là xử lý bằng vi sinh vật nên bể Aerotank cũng được quan tâm và nghiên cứu. Nhưng khả năng xử lý N và P còn hạn chế,nên việc áp dụng bể Aerotank trong xử lý nước thải sinh hoạt chưa đạt hiệu quả cao. Xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AAO Giới thiệu về công nghệ AAO: Sơ đồ công nghệ AAO mô tả như Hình 2. 2a Hình 2.2a. Sơ đồ công nghệ AAO Công nghệ AAO bao gồm ba vùng liên kết với nhau: anaerobic (yếm khí), anoxic (thiếu khí) và oxic (hiếu khí). Thông thường mỗi vùng được chia làm vài ngăn. Hệ thống các điều kiện môi trường khác nhau như vậy cho phép xử lý đồng thời các chất hữu cơ, N và P. Bùn hoạt tính được tuần hoàn về vùng anaerobic. Hỗn hợp lỏng nội tuần hoàn từ cuối vùng oxic chứa NO2- và NO3- đến vùng anoxic để thực hiện quá trình denitrate hóa. Các thông số thiết kế của công nghệ AAO được cho như trong Bảng 2. 2a Bảng 2.2a. Các thông số thiết kế của công nghệ AAO SRT = 5 – 25 ngày MLSS = 3000 – 4000 mg/l HRT của các vùng: Anaerobic: 0,5 – 1,5 h Anoxic: 0,5 – 1 h Oxic: 4 – 8 h RAS = 25 – 100% dòng nước thải đầu vào Hỗn hợp lỏng nội tuần hoàn = 100 – 400% dòng nước thải đầu vào Tuổi thọ thiết kế > 15 năm Nguồn:[1]. Công nghệ AAO thường sử dụng cánh khuấy chìm để khuấy trộn trong các vùng anaerobic và anoxic. Có nhiều kiểu thiết bị thổi khí được sử dụng để đáp ứng DO ở vùng oxic. Công nghệ AAO có thể đạt được chất lượng nước đầu ra đến ≤ 1 mg/l TP và NH4+. Tuy nhiên NOx – N dòng ra thường giới hạn khoảng 6 – 10 mg/l và phụ thuộc vào dòng vào cũng như hỗn hợp lỏng nội tuần hoàn. Sơ đồ công nghệ: Hình 2.2b Phương án thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AAO Thuyết minh công nghệ: Phương án xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AAO được mô tả như trên Hình 2. 2b. Nước thải sinh hoạt đầu vào qua tách rác thô đi vào trạm bơm và được bơm qua bể lắng cát thổi khí, rồi tự chảy qua bể lắng sơ cấp và qua phần xử lý sinh học bằng công nghệ AAO với 3 vùng anaerobic, anoxic và oxic liên kết nhau. Phần xử lý sinh học là công nghệ lõi có nhiệm vụ xử lý chất hữu cơ và đặc biệt là N và P. Tiếp tục nước thải sinh hoạt tự chảy qua bể lắng thứ cấp, qua khử trùng bằng clo trước khi thải ra sông. Rác thô tách được chứa tạm thời ở thùng chứa rồi chuyển đi bãi chôn lấp. Cát từ bể lắng cát thổi khí chuyển đến sân phơi cát để tái sử dụng. Bùn từ bể lắng sơ cấp được đưa đến bể lên men yếm khí, rồi tới bể chứa. Bùn hoạt tính từ bể lắng thứ cấp được trạm bơm bùn hoạt tính bơm một phần tuần hoàn vào bể anaerobic, còn lại được bơm đến bể lắng trọng lực, rồi tới bể methane cho lên men yếm khí thu biogas và giảm lượng bùn thải. Bùn ở bể methane được chứa tạm thời ở bể chứa rồi được tách nước bằng máy ép bùn băng tải. Bùn khô được xe tải chuyển đi bãi chôn lấp hợp vệ sinh hoặc sản xuất phân compost. Ngoài ra có rất nhiều công nghệ có thể lựa chọn để xử lý nước thải sinh hoạt cho từng trường hợp cụ thể như: SBR, MBR, AO..... Trong số đó công nghệ AAO có khả năng được chấp nhận trong nhiều trường hợp. Công nghệ AAO được xem là tiên tiến so với công nghệ aeroten truyền thống nhờ khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ, N và P, sinh ra ít bùn hơn và bùn lắng tốt, vận hành đơn giản và tiết kiệm năng lượng . Hiện tại ở Việt Nam xử lý nước thải bằng công nghệ AAO đã được triển khai ở một số nơi như Trung tâm Hội nghị quốc gia, Khu đô thị Mỹ Đình 2 (Hà Nội),bệnh viện chợ Rẫy... Phần 2 Thiết kế bể AAO cho hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư 10000 dân Thông số đi vào bể Nếu giả sử thành phần nước thải trước khi vào bể AAO chỉ thay khi đi qua bể lắng sơ cấp,thông số thay đổi là BOD5 và SS. Với hiệu suất cho bởi ηBOD5=τ0,018+0,020τ,% và ηSS=τ0,0075+0,014τ,% Hiệu suất xử lý BOD5 và SS của bể lắng sơ cấp ở lưu lượng trung bình: ηBOD5=1,80,018+0,020.1,8=33,33 % và ηSS=1,80,0075+0,014.1,8=55,05 % BOD5 và SS của nước thải sinh hoạt sau khi ra khỏi bể lắng sơ cấp ở lưu lượng trung bình: BOD5 = 400(1 – 0,3333) = 266,68 mg/l SS = 275(1 – 0,5505) = 123,61 mg/l Như kết quả tính toán cho thấy SS của nước thải sau bể lắng sơ cấp < 150 mg/l coi như thích hợp đưa vào xử lý sinh học ở bể AAO. Tổng kết lại thông số cần tính toán khi đưa vào bể AAO: BOD5=266,68 mg/l SS =123,61 mg/l TKN =60 mg/l NH4_N = 50 mg/l PO4_P = 12 mg/l Qtb= 1600m3/ ngđêm=Q1 Qtb_h=66,67 m3/ h =Q2 Lưu lượng lớn nhất : Qmax_h=66,67.1,5=100m3/h =Q3 Tính cụm bể AAO Trình tự thiết kế: thiết kế bể aerobic và xác định lượng NO3 tạo thành,tính các dòng tuần hoàn vào hai bể còn lại. Thiết kế bể anoxic và anaerobic. Bể aerobic Các hằng số động học của quá trình nitrate hóa ở 20oC (Bảng 23 – 14)[1]: μn max=0,75 g VSSg VSS.d Kn=0,74 g NH4-Nm3 kdn=0,08 g VSSg VSS.d Ko=0,50 gm3 Ta lấy nhiệt độ thiết kế bằng 25oC, các hằng số động học của quá trình nitrate hóa ở 25oC: μn max=0,75.1,0725-20=1,052 g VSSg VSS.d Kn=0,74.1,05325-20=0,958g NH4-Nm3 kdn=0,08.1,0425-20=0,097g VSSg VSS.d Nguồn :[1] Ước tính μntheo phương trình 22 – 8. Để không giới hạn quá trình nitrate hóa thì DO phải ³ 2 mg/l. Tốc độ quá trình nitrate hóa tăng khi DO tăng trong khoảng 3 – 4 mg/l. Tuy nhiên đối với quá trình AAO cần hạn chế DO nội tuần hoàn về bể anoxic. Do đó chọn DO = 2 mg/l. Tốc độ sinh trưởng riêng của quá trình nitrate hóa: μn=μn max(NH4-N)e(NH4-N)e+KnDODO+Ko-kdn ở đây (NH4-N)e=5 mg /l μn=1,052 55+0,95822+0,50-0,097 μn=0,61d-1 Thời gian lưu bùn của bể aerobic: SRTmin=1μn=10,61 SRTmin=1,64 d Ta chọn hệ số an toàn SF = 2,5 Thời gian lưu bùn của bể aerobic: SRT=SF.SRTmin=2,5.1,64=4,1 d Lượng sinh khối hoạt tính được tạo thành trong bể aerobic tính theo phương trình (8 – 15) [1] gồm sinh trưởng của sinh khối dị dưỡng (A), suy giảm nội sinh các tế bào (B) và sinh trưởng của sinh khối nitrate hóa (C): PX,bio=QYCODi-CODe10-31+kdθc (A) +fdkdQYCODi-CODeθc10-31+kdθc (B) +Q.NOx10-31+kdnθc (C)ở đây NOx = nồng độ nitrate được tạo thành trong bể aerobic, mg/l; fd = tỷ lệ phần trơ của tế bào. Các hằng số động học của quá trình sinh trưởng của vi khuẩn dị dưỡng ở 20oC và hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của nhiệt độ như Bảng 23 – 13 . Do đó, ở 25oC ta có: μm=6.1,0725-20=8,415 g VSSg VSS.dkd=0,12.1,0425-20=0,146g VSSg VSS.d Nguồn : [1] Theo Metcalt & Eddy, Inc (2003) [1] thì CODi=1,6BODi=1,6.238,35=426,69 mg/l CODe chọn xấp xỉ =2 mg/l Từ đó được: PX,bio=1600.0,40.426,69-2.10-31+0,146.4,1+0,15.0,146.1600.0,40.4261,69-2.4,1.10-31+0,146.4,1+1600.0,12.NOx.10-31+0,097.4,1 =173,75+0,13.NOx NOx xách định từ phương trình (8 – 18) (Metcalf & Eddy): NOx=TKNi-(NH4-N)e-0,12PX,bioQ =60-5-0,12.PX,bio1600=55-7,5.10-5.PX,bio Theo trên ta được kết quả: PX,bio=180 kg VSS/d NOx=55 mg/l Khối lượng MLSS tạo thành trong bể aerobic được tính theo phương trình (7 – 55): mMLSS=MLSS.∀aerobic=PX,MLSS.SRT=180.4,1=738 kg Theo Metcalt & Eddy (2003) [1] thì đối với công nghệ AAO cần duy trì MLSS ở khoảng 3000 – 4000 mg/l. Trong thiết kế này ta chọn MLSS = 3000 mg/l. Từ đó được: ∀aerobic=mMLSSMLSS=7383000.10-3=240 m3 Thời gian lưu thủy lực trong bể aerobic: HRTaerobic=Q∀aerobic=1600240=6,6 h Vậy : ∀aerobic=240 m3 HRTaerobic=6,6 h Bể anoxic Bể Anoxic thiết kế qua tốc độ dinitrate hóa riêng Chọn tỷ số tuần hoàn bùn hoạt tính R = 0,5 và tỷ số nội tuần hoàn IR = 1 sao cho đảm bảo NO3 dòng ra đạt yêu cầu ≤ 30 mg/l Xác định nồng độ nitrate dòng ra theo phương trình (8 – 48) [1] NOx_anoxic=NOx_aerobicIR+1+R=551+1+0,5=22 mg/l Giả thiết NO2-N nước thải dòng vào và các dòng tuần hoàn = 0, NO3 dòng nội tuần hoàn và NO3 bùn hoạt tính tuần hoàn bằng nhau và cũng có NO3 nước thải dòng vào = 0. Như vậy, NO3 vào bể anoxic: mNO3=IR+R.Q.NOx_anoxic=1+0,5.1600.22=55200 gd=55,2 kg/d Lượng DO vào bể anoxic: DOL,anx=DOv.Q+DORAS.R.Q+DONR.IR.QỞ nhiệt độ nước thải ≥ 20oC có thể lấy DOv = 0,5 mg/l; DONR = DO cuối bể aerobic = 2 mg/l. Trong trường hợp thiếu số liệu, theo WEF (2005) lấy DORAS = 0,5× DO cuối bể aerobic = 1 mg/l. DOL,anx=0,5.1600+1.0,5.1600+2.1.16000=4800 g/d Lượng DO tương đương với NO3 vào bể anoxic từ dòng nội tuần hoàn: NO3 v_anx=0,35.DOL,anx=0,35.4800=1680gd Tổng lượng NO3 cần xử lý tại bể anoxic: TNO3 vàoR=NO3 vào+NO3 nội tuần hoàn=55200+1680=56880 g/d Bể anoxic được thiết kế theo cách tiếp cận qua tốc độ denitrate hóa riêng theo phương trình (8 – 41)[1]: NO3 ra=∀anoxic.SDNR15.MLVSS ở đây: NO3 ra – lượng nitrate khi được xử lý, g/d; ∀anoxic – dung tích bể anoxic, m3; SDNR25 – tốc độ denitrate hóa riêng ở 25oC, g NO3-N/ g MLVSS.d; Do hạn chế việc tính toán tốc độ denitrate hóa riêng Nên theo Lê Văn Cát (2007) [2] dung tích bể anoxic thường bằng 25 – 50% dung tích bể aerobic. Hoặc, giả thiết thời gian lưu thủy lực của bể anoxic theo khuyến cáo của Metcalf & Eddy (2003) [1] HRTanx = 0,5 – 1 h. Nhận thấy khi HRTanx = 0,6 h. Ta có: ∀anoxic=HRTanoxicQv_anx Với Qv_anx =Q2(1+IR+R)=3,5Q2=3,5.66,67=233,35 m3/h Vậy ta có kết quả tính anoxic: ∀anoxic=0,6.233,35=140m3 HRTanx = 0,6 h Bể anaerobic Theo Lê Văn Cát 2007 [2] Theo đồ thị Randall để đáp ứng nồng độ PO4 dòng ra ≤ 6 mg/l thì tỷ lệ TCOD: TP ~ 20. Như vậy hệ nước thải dư chất hữu cơ cần thiết cho quá trình xử lý sinh học P. Tỷ lệ TCOD:TP =444,45:12=37:1 < 40:1 cho nên trong khi vận hành hệ thống AAO có thể cần thiết bổ sung VFAs vào bể anaerobic (phương án lên men sơ bộ) hay áp dụng kết tủa hóa học P. Vậy ta chọn phương án 1 Thời gian lưu thủy lực của bể anaerobic ước tính theo đồ thị Randall: Trong trường hợp BOD/COD > 0,5 và TCOD/TP < 40 thì thiết kế bể yếm khí với thời gian lưu thủy lực không thấp hơn 90 phút. Vậy lượng P cần xử lý là 6mg/l tương ứng với thời gian lưu thủy lực HRTana= 2h Lưu lượng vào bể: Qana=Q2.(1+R)=66,67.(1+0,5)=100m3/h Dung tích bể anaerobic: ∀ana=HRTana.Qana=2.100=200 m3 Tổng hợp số liệu 3 bể đã được tính toán Theo Metcalf & Eddy (2003) [1] Bể anaerobic và bể anoxic làm việc ở chế độ khuấy trộn hoàn chỉnh, thường được chia 3 ngăn, mặt bằng của các ngăn hình vuông, giữa các ngăn có thể chung tường hoặc không, khi giữa các ngăn chung tường thì thiết kế đập chảy tràn để dòng nước thải chảy qua ngăn tiếp theo. Chiều sâu khuyến nghị D = 4,5 – 7,5 m với chiều cao dự trự 0,3 – 0,6 m. Các bể anaerobic, anoxic và aerobic thường được xây dựng bằng bê-tông và chúng có cùng chiều sâu. Hình 2. 3. Đồ thị Randall Bể aerobic cũng làm việc ở chế độ khuấy trộn hoàn chỉnh, tuy nhiên thường được xây dựng với mặt bằng hình chữ nhật nên tỷ lệ chiều dài:chiều rộng L:W rất quan trọng và tùy thuộc vào cách thức sục khí. Trong trường hợp thiết kế sục khí bằng hệ thống đĩa phân phối khí thì cần chiều sâu D = 3,0 – 7,5 m với chiều cao dự trữ 0,3 – 0,6 m, tỷ lệ W:D = 1:1 – 2,2:1 và tỷ lệ L:W ≥ 5:1. Theo khuyến cáo trên ta có thể đưa ra phương án thiết kế các bể anaerobic, anoxic và aerobic như sau: Bể V (m3) Số ngăn Chiều cao dự trữ (m) Các kích thước (m) Tỷ lệ Ghi chú H L W Anaerobic 200 3 0,5 3,3 14,6 4,9 L:W = 1:1 Kích thước của bể khi tính toán Anoxic 140 2 0,5 3,3 9,5 5,3 L:W = 1:1 Aerobic 240 − 0,5 3,3 20,8 4,2 L:W=5:1 W:H=1,5:1 Kích thước của bể khi tính toán Quy tròn các số liệu trên vàn tính cho 1 ngăn của từng bể là: Bể V (m3) Số ngăn Chiều cao dự trữ (m) Các kích thước (m) Tỷ lệ Ghi chú H L W Anaerobic 200 3 0,5 3,3 5 5 L:W = 1:1 Các kích thước của 1 ngăn Anoxic 140 2 0,5 3,3 5 5 L:W = 1:1 Aerobic 240 − 0,5 3,3 20,8 4,2 L:W=5:1 W:H=1,5:1 Các kích thước của bể aerobic Tính toán cấp khí cho bể aerobic Tính lượng oxy cần thiết theo điều kiện tiêu chuẩn : OCo = [8] Trong đó: 0,66 1,42 : hệ số chuyển đổi từ tế bào sang COD N0 : tổng hàm lượng nitơ đầu vào (mg/l) N : tổng hàm lượng nitơ đầu ra (mg/l) Px : phần tế bào dư xả ra ngoài theo bùn dư Px = 180 (kg/ngày) OCo = = 269,8 (kgO2/ngày) Lượng oxy thực tế ở 25oC : .1α [8] Trong đó: Cs : Nồng độ ôxy bão hòa trong nước ở 20oC, Cs ≈ 9,08 (mg/l) C : Nồng độ ôxy cần duy trì trong bể, C = 2 (mg/l). T =250C nhiệt độ của nước thải α Hệ số điều chỉnh lương oxy ngấm vào nước thải (do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt động bề mặt), α= 0,6 -0,94 chọn α = 0,7 [8] .1 0,7 = 439.03 (kgO2/ngày) 18,29 (kgO2/h) Tính lượng không khí cần [8] : Chọn hệ thống phân phối bọt khí nhỏ, công suất hòa tan oxy vào nước : Ou = 7 gO2/m3.m Bể sâu H = 3,3 m, độ sâu ngập nước h = 2,8 m Công suất hòa tan của thiết bị [8]: OU = h.Ou = 2,8.7 = 19,6.10-3 (kgO2/ m3) Lượng không khí cần thiết [8]: 33599,2 ( m3/ngày) Tính áp lực máy nén: Áp lực cần thiết cho hệ thống ống nén [8]: Hnén = hd + hc + hf + H Trong đó: hd: tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài trên đường ống dẫn, (m) hc: tổn thất cục bộ (m). Tổng tổn thất hd và hc thường không vượt quá 0,4 (m) hf : tổn thất qua thiết bị phân phối (m), thường hf 0,5 m, chọn hf = 0,5 m H: chiều sâu hữu ích của bể, H = 2,8 (m) Hnén = 2,8+ 0,4+0,5 = 3,7 (m) Áp lực không khí[8]: 1,36 (atm) Công suất máy nén khí [8]: Trong đó: qk : Lưu lượng không khí, 0,39 (m3/s) k: hệ số an toàn, chọn k = 1,5 : hiệu suất máy nén, chọn = 75% 24 (kW/h) Chọn máy nén khí công suất 24 kW Bố trí hệ thống sục khí: Thiết kế hệ thống cấp khí cho bể gồm 1 ống chính, 7 ống nhánh với chiều dài mỗi ống là 20 m, các ống đặt cách nhau 0,5 m,cách hai lề bên 0,25 m Đường kính ống chính dẫn khí [8]: Dống = 0,22 (m), chọn Dống = 220 mm Trong đó: vk : tốc độ chuyển động của không khí trong ống phân phối, vk =10 ÷ 15 (m/s), chọn vk = 10 (m/s) Đường kính ống nhánh dẫn khí [8]: Dnhánh = 0,084 (m), chọn Dnhánh = 84 mm Đường ống chính dẫn khí từ máy nén vào bể Aeroten Các ống nhánh phân phối khí đặt dọc theo chiều dài bể Có 7 ống phân phối khí, mỗi ống dài 20m đặt vuông góc với ống chính, khoảng cách giữu các ống này là 0.5 m Chọn thiết bị phân phối khí dạng đĩa xốp có đường kính là 0,2 (m) → diện tích bề mặt f = 0,03 (m2), cường độ khí 2 (l/s) cho mỗi đĩa [8] Lưu lượng khí cấp cho bể là Qkhí =33599,2 (m3/ngày) ≈ 270 (l/s) Vậy số đĩa cần phân phối trong bể là N=Qkhí/2= 270/2=135 (đĩa) Số đĩa trên mỗi ống phân phối khí là: n = N/7=135/7=19,28 chọn 20 đĩa Tính toán khuấy trộn cho anoxic và anaerobic Cường độ khuấy trộn trong các bể anoxic và anaerobic có ảnh hưởng lớn tới hiệu quả của quá trình khử P sinh học và quá trình denitrate hóa. Nếu các bể này được khuấy trộn không đầy đủ thì có thể tạo ra sự ngắn mạch (short-circuiting) và giảm hiệu quả, và nếu năng lượng khuấy trộn quá lớn thì dẫn đến sự xáo động mặt nước và cuốn theo oxy. Cánh khuấy chìm chân vịt và máy khuấy chìm turbine thường được sử dụng để khuấy trộn trong các bể anoxic và anaerobic. Chúng có khả năng duy trì bùn hoạt tính chuyển động lơ lửng mà tiêu tốn ít năng lượng nhất. Theo WEF năng lượng khuấy trộn cần thiết 4 – 20 W/m3(0,15 – 0,75 hp/1000 ft3) . Số lượng và vị trí lắp đặt các máy khuấy là quan trọng và chúng ta nên tham khảo tư vấn của hãng sản xuất ra chúng. So sánh 2 loại thiết bị khuấy thì thấy rằng cánh khuấy chìm chân vịt cần tốc độ quay và năng lượng khuấy trộn lớn hơn so với máy khuấy chìm turbine. Ngoải ra, cánh khuấy chìm chân vịt hoạt động như cánh quạt, năng lượng khuấy trộn được lan truyền và mở rộng ra xa và như thế dễ xuất hiện vùng chết phía sau, còn máy khuấy chìm turbine làm việc với tốc độ cao sẽ sinh ra xoáy nước và oxy dễ dàng khuyếch tán và nước. Một điểm nữa là chi phí đầu tư cho máy khuấy chìm turbine có thể lớn hơn do cần có cầu treo. Thực tế máy khuấy chìm turbine được khuyến khích hơn. Đối với máy khuấy chìm turbine năng lượng khuấy trộn không nên lớn hơn 13 W/m3(0,5 hp/ 1000 ft3) và nếu cần thiết sẽ thiết kế các vách ngăn đứng để dập xoáy nước. Hình 2. 5. Các kiểu khuấy trộn bể anoxic Trong trường hợp thiết kế với mỗi bể anoxic/ anaerobic ta chọn 5 máy khuấy chìm turbine cho 5 ngăn và năng lượng khuấy trộn thiết kế 8 W/m3. Công suất mỗi máy khuấy turbine chìm cho bể anoxic: =8.3,3.5.5=660 W Công suất mỗi máy khuấy chìm turbine cho bể anaerobic:=8.3,3.5.5= 660 W Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Vũ Ngọc Thủy đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành Đồ án chuyên ngành “Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho khu dân cư 10000 dân”. Tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới các bạn lớp Kỹ thuật môi trường khóa 53 vì những trao đổi sôi nổi liên quan đến Đồ án chuyên ngành. Hà Nội, 11/2012 Nguyễn Văn Vượng Tài liệu tham khảo [1] Metcalt & Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. 4th edition. McGraw-Hill. 2003.( Metcalt & Eddy) [2] Xử lý nước thải giàu hợp chất N và P - Lê Văn Cát 2007. [3] Giáo trình công nghệ xử lý nước thải –Trần Văn Nhân,Ngô Thị Nga NXBKHKT 2002 [4] BTN&MTVN. Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2005-Phần tổng quan. Hà Nội. 2005. [5] WHO. Assessment of Sources of Air, Water, and Land Pollution.Part 1: Rapid Inventory Techniques in Environmental Pollution. Geneva. 1993. [6] QCVN 14 : 2008/ BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt. [7] TCVN 7957: 2008 Thoát nước-Mạng lưới và công trình bên ngoài-Tiêu chuẩn thiết kế [8] Trịnh Xuân Lai , Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2009.