Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày đêm

ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA MÔI TRƯỜNG NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG -----o0o----- ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỂ AEROTANK CHO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH GIẤY – BỘT GIẤY CÔNG SUẤT 3000 M3/NGÀY.ĐÊM GVHD: TS. VŨ TRẦN MAI ANH TS. BÙI XUÂN THÀNH SVTH : LÊ THẾ SƠN MSSV : 90604339 TP.HCM 06/2010 ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT GIẤY- BỘT GIẤY VÀ CÁC VẤN ĐỀ VỀ MÔI TRƯỜNG 1.1. CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT GIẤY VÀ BỘT GIẤY Công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy thường bao gồm hai công đoạn chính sau : 1.1.1 Sản xuất bột giấy : Sản xuất bột giấy là quá trình gia công xử lý nguyên liệu để tách các thành phần không phải là xenlulôzơ sao cho thu được bột giấy có hàm lượng xenlulôzơ càng cao càng tốt. Những loại cây dùng làm giấy cần phải có hàm lượng xenlulôzơ cao hơn 35%. Các thành phần khác như hemixenlulôzơ, lignin, …cần phải thấp để giảm hóa chất dùng cho nấu,tẩy. Các phương pháp sản xuất bột giấy gồm có : cơ học, nhiệt học và hóa học. Trong các phương pháp đều dùng hóa chất để nấu nhằm tách lignin và các tạp chất ra khỏi xenlulôzơ. Sulfat và sulfit là hai hóa chất được dùng phổ biến,có thể áp dụng nấu nhiều loại nguyên liệu như gỗ, tre, nứa và có khả năng thu hồi hóa chất bằng phương pháp cô đặc-đốt-xút hóa, dịch đen sinh ra được tái sinh và sử dụng lại như dung dịch kiềm cho công đoạn nấu. Nước thải của quá trình nấu gọi là dịch đen chứa các hợp chất chứa natri (chủ yếu là Na2SO4), ngoài ra còn có NaOH, Na2S, Na2CO3 và lignin cùng các sản phẩm thủy phân hydratcacbon và axit hữu cơ. 1.1.2 Tạo hình giấy từ bột giấy (Xeo giấy) Bột giấy sau khi được tẩy trắng sẽ được đưa tiếp sang công đoạn làm giấy ở trong cùng một nhà máy hoặc có thể nhà máy khác. Công đoạn này là tạo hình sản phẩm trên lưới và thoát nước để giảm độ ẩm của giấy. Nguyên liệu của quá trình này là bột giấy,giấy cũ… 1.2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY VÀ BỘT GIẤY Là một trong những công nghệ dùng nhiều nước. Tùy theo công nghệ và sản phẩm mà lượng nước tiêu tốn cần thiết dao động trong khoảng 80 – 450 m3. Nước dùng cho các công đoạn rửa nguyên liệu, nấu, tẩy, xeo giấy và sản xuất hơi nước. Hẩu hết lượng nước đưa vào sử dụng cuối cùng đều trở thành nước thải và mang theo các tạp chất, hóa chất,bột giấy, các chất ô nhiễm dạng vô cơ và hữu cơ. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 3 Hình 1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bột giấy và giấy kèm theo các dòng thải. (Nguồn:Giáo trình “Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học”-NXB Giáo Dục – PGS.TS Lương Đức Phẩm) Nguyên liệu thô (gỗ, tre, nứa…) Gia công nguyên liệu thô Nấu Rửa Nước thải chứa tạp chất Nghiền bột Tẩy trắng Xeo giấy Hơi nước Nước thải có độ màu, BOD5, COD cao Sấy Sản phẩm Chất độn, phụ gia Cô đặc – đốt – xút hóa Nước rửa Hóa chất nấu Hơi nước Nước rửa Nước rửa có SS, BOD5, COD cao Nước rửa có SS, BOD5, COD cao Nước ngưng Phèn, dầu, nước, hơi nước Hóa chất tẩy Nước ngưng Nước ngưng Dung dịch kiềm tuần hoàn Dịch đen ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 4 1.2.1 Gia công nguyên liệu thô Rửa sạch nguyên liệu, loại bỏ tạp chất, cắt nhỏ. Dòng thải rửa nguyên liệu chứa các chất hữu cơ hòa tan, đất đá, sỏi cát, thuốc bảo vệ thực vật, vỏ cây… 1.2.2 Nấu Nhằm tách lignin và các hemixenlulôzơ ra khỏi nguyên liệu ban đầu.Trong quá trình này ta cho các hóa chất kiềm hòa tan và thủy phân lignin và hemixenlulôzơ như : dung dịch muối sulfit hay axit loãng đun sôi… 1.2.3 Rửa bột Nhằm mục đích tách bột xenlulôzơ ra khỏi dung dịch nấu (dịch đen). Thường sử dụng nước sạch. Dòng thải từ quá trình nấu và rửa sau nấu thường chứa phần lớn các chất hữu cơ hòa tan, các hóa chất nấu và một phần xơ sợi;dòng thải có màu tối nên gọi là dịch đen. Dịch đen chứa nồng độ chất khô khoảng 25-35%, tỷ lệ chất hữu cơ và vô cơ vào khoảng 70-30. Thành phần hữu cơ là lignin hòa tan vào dung dịch kiềm, sản phẩm phân hủy hydratcacbon, axit hữu cơ. Thành phần vô cơ gồm những hóa chất nấu, một phần nhỏ NaOH, Na2S tự do, Na2SO4, Na2CO3, còn phần nhiều là kiềm natrisulfat liên kết với các chất hữu cơ trong kiềm. 1.2.4 Tẩy trắng Quá trình này nhằm tách lignin và một số thành phần còn tồn dư trong bột giấy. Để khử lignin người ta dùng các chất oxi hóa như: clo, hyppoclorit, ozon…Theo truyền thống, quá trình tẩy trắng gồm 3 giai đoạn chính: _Giai đoạn clo hóa: oxy hóa môi trường axit để phân hủy phần lớn lignin còn sót lại trong bột giấy. _Giai đoạn thủy phân kiềm: sản phẩm lignin hòa tan trong kiềm nóng được tách ra khỏi bột giấy. _Giai đoạn tẩy oxy hóa: thay đổi cấu trúc mang màu còn sót lại trong bột giấy. Dòng thải từ quá trình tẩy trắng này thường chứa các hợp chất hữu cơ, lignin hòa tan và hợp chất tạo thành của những chất đó với chất tẩy ở dạng độc hại, có khả năng tích tụ sinh học trong cơ thể sống như các hợp chất clo hữu cơ (AOX: Adsorbable Organic Halogens), làm tăng AOX trong nước thải. Dòng thải này có độ màu, giá trị BOD và COD cao. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 5 1.2.5 Nghiền bột Quá trình này nhằm mục đích là làm cho các xơ sợi được hydrat hóa và trở nên dẻo dai, tăng bề mặt hoạt tính, giải phóng gốc hydroxit làm tăng diện tích bề mặt, tăng độ mềm mại,hình thành độ bền của tờ giấy. 1.2.6 Xeo giấy Xeo giấy là quá trình tạo hình sản phẩm trên lưới và thoát nước để giảm độ ẩm của giấy. Sau khi bột được nghiền sẽ được trộn với chất độn và chất phụ gia trước khi đến giai đoạn xeo giấy.Tùy theo chất lượng mong muốn mà ta có thể thêm vào các chất phụ gia sau: _Các chất vô cơ: cao lanh, CaCO3, oxit titan... _Các chất hữu cơ: tinh bột biến tính, axit lactic. _Các chất màu: nhôm sulfat (tác nhân khử mực). Dòng thải từ quá trình nghiền bột và xeo giấy chủ yếu chứa xơ sợi mịn, giấy ở dạng lơ lửng và các chất phụ gia như nhựa thông, phẩm màu, cao lanh. 1.2.7 Sấy Giấy sau khi xeo sẽ được sấy khô để có được sản phẩm khô. 1.3. CÁC NGUỒN GÂY RA NƯỚC THẢI SẢN XUẤT GIẤY VÀ BỘT GIẤY Ở đây ta chỉ xét nguồn gây tác động đến môi trường nước. 1.3.1 Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt phát sinh từ quá trình sinh hoạt trong sản xuất của công nhân viên nhà máy. Nước thải sinh hoạt mang theo các chất hữu cơ nên nhu cầu oxy sinh hóa thường dao động trong khoảng 180-250 mg/l. Ngoài ra nó còn có chứa một lượng lớn các loại vi khuẩn (E. coli, vi rút các loại…) sẽ là nguyên nhân gây ô nhiễm nước thải nguồn tiếp nhận. Nước thải sinh hoạt nhờ hệ thống thoát nước chung qua bể phốt nên lượng BOD đã giảm đi nhiều. Ngoài ra nước thải sinh hoạt còn chứa NH4+, PO4-,là nguyên nhân gây phú dưỡng hóa nguồn tiếp nhận nước thải. Tuy nhiên nước thải sinh hoạt sẽ được xử lý cùng nước thải sản xuất của nhà máy. 1.3.2 Nước thải công nghiệp a) Nước thải rửa mảnh: Gỗ bạch đàn và keo các loại được bóc vỏ rồi chặt mảnh, các mảnh sau khi được làm đều thì cho vào silô. Mảnh từ silô được băng tải đưa đến tháp xông hơi, sau đó xả vào máy rửa mảnh để loại bỏ mảnh vụn rồi được bơm tới thiết bị thoát nước và xả sang tháp mảnh thứ hai. Nước rửa từ thiết bị thoát nước được tách cát trong bể lắng và được sử ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 6 dụng tuần hoàn trở lại mà không xả ra môi trường. Cặn từ bể lắng và cát được thu gom đem đi chôn lấp. b) Nước thải đậm đặc (dịch đen): Nước thải sinh ra từ các quá trình thẩm thấu hóa chất, ép vắt mảnh, nghiền sơ bộ, khử nước. Chứa tới 90% hàm lượng lignin (hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và rất độc với môi trường), COD, BOD5 và TDS…Khi sản xuất đạt công suất thiết kế thì mỗi ngày công đoạn này thải ra gần 1.200 m3 nước dịch đen có hàm lượng chất rắn từ 1,2- 1,5%. Toàn bộ lượng dịch đen này được đưa tới hệ thống chưng bốc để cô đặc tới nồng độ 25%.Như thế mỗi ngày sản xuất có khoảng 300m3 dịch cô đặc có hàm lượng chất rắn 25% được đưa tới đốt ở lò hơi đốt chất thải cùng với vỏ cây, mùn, bùn sinh học để thu hồi nhiệt. Lượng nước ngưng từ quá trình chưng bốc sẽ được thu hồi tái sử dụng. c) Nước thải loãng : Lượng nước thải loãng do hoạt động từ quá trình tẩy trắng, sàng lọc, cô đặc bột, rửa bột, ép bột khử nước của nhà máy cùng với nước thải khác (nước làm mát,nước thải sinh hoạt, nước vệ sinh nhà máy,…) khoảng 3000 m3/ngày đêm. Toàn bộ lượng nước thải này sẽ được đưa đến xử lý bằng công nghệ hóa lý-sinh học (kỵ khí và hiếu khí bùn hoạt hóa). Các thông số đầu vào và ra (theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945-2005) được trình bày trong bảng sau: Bảng 1.2. Tính chất nước thải loãng đầu vào (Q=3000 m3/ngày đêm) và đầu ra STT Thành phần Nồng độ đầu vào (mg/l) Nồng độ đầu ra (mg/l) 1 TSS 1800 100 2 BOD5 467 50 3 COD 752 80 1.4. TÁC HẠI ĐẾN MÔI TRƯỜNG 1.4.1 Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt chứa một lượng lớn các loại vi khuẩn (E. coli, vi rút các loại…) sẽ là nguyên nhân gây ô nhiễm nước thải nguồn tiếp nhận. Nước thải sinh hoạt nhờ hệ thống thoát nước chung qua bể phốt nên lượng BOD đã giảm đi nhiều. Ngoài ra nước thải sinh hoạt còn chứa NH4+, PO4-,là nguyên nhân gây phú dưỡng hóa nguồn tiếp nhận nước thải. Tuy nhiên nước thải sinh hoạt sẽ được xử lý cùng nước thải sản xuất của nhà máy. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 7 1.4.2 Nước thải công nghiệp a) Nước thải rửa mảnh: qua bể lắng và được sử dụng tuần hoàn không thải ra ngoài môi trường. Cặn từ bể lắng là đất và cát được thu gom và đem đi chôn lấp. b) Nước dịch đen: toàn bộ được đem đi chưng bốc để cô đặc và đốt thu hồi nhiệt phục vụ sản xuất. c) Tổng lượng nước thải của nhà máy khảo sát ở đây là 3000m3/ngày đêm. Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại B. Rác thải, bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải sẽ được thu gom đốt trong lò hơi đốt chất thải để thu hồi nhiệt phục vụ sản xuất. Nước thải gây ra các tác động ven bờ nguồn tiếp nhận như: giảm oxy hòa tan trong nước do phân hủy các chất hữu cơ, tăng độ màu của nước, tăng hàm lượng chất lơ lửng trong nước… ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 8 CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ NƯỚC THẢI NGÀNH GIẤY 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Nước thải nói chung có chứa nhiều chất ô nhiễm có tính chất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến những loại chất rắn khó tan và những hợp chất không tan trong nước. Do đó, để có thể loại bỏ được chúng thì chúng ta cần dựa vào đặc điểm của từng loại tạp chất mà lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp. Các phương pháp xử lý nước thải được chia thành các nhóm sau: - Phương pháp xử lý cơ học, - Phương pháp xử lý hóa lý, - Phương pháp xử lý hóa học, - Phương pháp xử lý sinh học. Ngoài ra, nếu việc xả nước thải vào nguồn tiếp nhận với yêu cầu xử lý ở mức độ cao thì trong trường hợp này phải tiến hành xử lý bổ sung sau khi đã xử lý sinh học. 2.1.1. Các phương pháp cơ học Xử lý cơ học nhằm loại bỏ các tạp chất trong nước thải bao gồm: - Các loại tạp chất rắn không hòa tan và các chất rắn lơ lửng có kích thước lớn bị cuốn theo như: rơm cỏ, gỗ mẩu, bao bì, giấy, giẻ, nhựa, dầu mỡ, các tạp chất nổi, cặn lơ lửng… - Các loại cặn nặng như: sỏi, cát, mảnh kim loại, mảnh thủy tinh, các vụn gạch ngói… Ngoải ra thì xử lý cơ học còn giúp điều hòa lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm có trong nước thải. Xử lý cơ học là giai đoạn chuẩn bị và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý tiếp theo. Một số công trình xử lý được ứng dụng để xử lý cơ học là: ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 9 2.1.1.1. Song chắn rác, lưới chắn rác và thiết bị nghiền rác Nước thải trước khi đưa vào hệ thống xử lý phải đi qua song chắn rác hoặc thiết bị nghiền rác. Tại đây, các thành phần rác có kích thước lớn như: vỏ vụn, vỏ đồ hộp, xác thực vật, bao bì, đá cuội,…sẽ được giữ lại. Nhờ đó mà tránh làm tắc nghẽn bơm, đường ống hoặc mương dẫn. Đây chính là bước quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử lý phía sau. Vận tốc dòng chảy thường nằm trong khoảng 0,8 ÷ 1 m/s nhằm tránh lắng cát. Song chắn rác: thường làm bằng kim loại, có tiết diện tròn hoặc vuông được đặt ở cửa vào mương dẫn. Tùy theo kích thước khe hở, song chắn rác được phân ra thành các loại: thô, trung bình và mịn. Khoảng cách giữa các thanh đối với song chắn rác thô từ 60 ÷ 100 mm, đối với song chắn rác mịn từ 10 ÷ 25 mm. Rác bị giữ lại có thể được lấy ra theo phương pháp thủ công hoặc dùng thiết bị cào rác cơ khí. Lưới chắn rác: được chia thành lưới chắn rác trung bình và lưới chắn rác mịn, tùy thuộc vào kích thước mắt lưới. Lưới chắn rác trung bình được chế tạo từ một tấm thép khoan lỗ với kích thước lỗ từ 5 ÷ 25 mm dùng để khử cặn và có thể đặt sau song chắn rác thô. Lưới chắn rác di động mịn dùng để lọc hoặc thu nhặt tảo với kích thước mắt lưới từ 15 ÷ 64 µm. Thiết bị nghiền rác: có thể thay thế cho song chắn rác, được dùng để nghiền, cắt vụn rác ra các mảnh nhỏ hơn và có kích thước đều hơn, không cần tách rác ra khỏi dòng chảy. Rác vụn này sẽ được giữ lại ở công trình phía sau như bể lắng cát, bể lắng đợt một. Thiết bị này có bất lợi khi rác nghiền chủ yếu là vải vụn vì có thể sẽ gây nguy hại cho cánh khuấy, tắc nghẽn ống dẫn bùn, hoặc dính chặt trên các ống khuếch tán khí trong hệ thống xử lý sinh học. Thông thường phải có song chắn rác đặt song song với thiết bị nghiền rác để hỗ trợ trong thời gian bảo dưỡng hoặc duy tu thiết bị nghiền rác. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 10 2.1.1.2. Bể lắng cát Bể lắng cát có nhiệm vụ loại bỏ cát, xỉ lò, hoặc các tạp chất vô cơ có kích thước từ 0,2 ÷ 2 mm ra khỏi nước thải nhằm đảm bảo an toàn cho bơm khỏi bị cát, sỏi bào mòn, tránh tắc nghẽn đường ống và các công trình sinh học phía sau. Có ba loại bể lắng cát: bể lắng cát ngang, bể lắng cát thổi khí và bể lắng cát xoay (có khuấy trộn cơ khí). - Trong bể lắng cát ngang, dòng chảy theo hướng ngang với vận tốc không vượt quá 0,3 m/s. Bể lắng cát ngang thường được sử dụng cho các trạm xử lý có công suất nhỏ. - Trong bể lắng cát thổi khí, khí nén được đưa vào một cạnh theo chiều dài tạo dòng chảy xoắn ốc, cát lắng xuống đáy dưới tác dụng của trọng lực. Cần kiểm soát tốc độ thổi khí sao cho tốc độ chuyển động của dòng chảy đủ chậm cho các hạt lắng được, đồng thời dễ dàng tách cặn hữu cơ bám trên hạt và đủ lớn để ngăn không cho các cặn hữu cơ lắng. Bể lắng cát thổi khí thường được áp dụng cho các trạm xử lý có công suất lớn. - Bể lắng cát xoay có dạng trụ tròn, nước thải được đưa vào theo phương tiếp tuyến tạo nên dòng chảy xoáy, cát tách khỏi nước lắng xuống đáy dưới tác dụng của trọng lực và lực ly tâm. Vận tốc trong bể được kiểm soát bằng cánh khuấy trục đứng. 2.1.1.3. Bể điều hòa Bể điều hòa có nhiệm vụ điều hòa về lưu lượng và nồng độ trên dòng thải và ngoài dòng thải. Ngoài ra bể điều hòa còn giúp nâng cao hiệu suất của các quá trình phía sau, đồng thời làm giảm kích thước cũng như chi phí của các công trình phía sau. Bể điều hòa có thể được đặt sau song chắn rác, trước trạm bơm, bơm đều nước thải lên bể lắng đợt một. Trong bể điều hòa thường có thiết bị khuấy trộn nhằm hòa trộn để san bằng nồng độ chất bẩn cho toàn hệ thống nước thải có trong bể và để ngăn ngừa cặn lắng trong bể, pha loãng nồng độ chất độc hại nếu có để đảm bảo chất lượng nước thải là ổn định cho hệ thống xử lý sinh học phía sau. Trong bể cũng cần phải đặt các thiết bị thu gom và xả bọt, váng nổi. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 11 2.1.1.4. Bể lắng Bể lắng có nhiệm vụ lắng các hạt cặn lơ lửng có sẵn trong nước thải, bông cặn hình thành trong quá trình keo tụ tạo bông ( bể lắng đợt 1) hoặc bông bùn hoạt tính hay màng vi sinh được sinh ra trong quá trình xử lý sinh học ( bể lắng đợt 2 ). Theo cấu tạo và hướng dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang, bể lắng đứng và bể lắng ly tâm. - Bể lắng ngang: dòng nước chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc không lớn hơn 0,001 m/s và thời gian lưu nước từ 1,5 ÷ 2,5 giờ. - Bể lắng đứng: nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với vận tốc 0,5 ÷ 0,6 m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động trong khoảng 0,75 ÷ 2 giờ. - Bể lắng ly tâm: có cào gạt bùn với đường kính trên 10 m, thực chất có dòng chảy ngang nên có thể gọi là bể lắng ngang. 2.1.1.5. Tách dầu mỡ Nước thải của một số xí nghiệp ăn uống, chế biến bơ sữa, các lò mổ, xí nghiệp ép dầu,... thường có lẫn dầu mỡ. Các chất này thường nhẹ hơn nước và nổi lên trên bề mặt. Nước thải sau xử lý không lẫn dầu mỡ mới được phép đưa vào thủy vực. Ngoài ra, nước thải có lẫn dầu mỡ khi vào xử lý sinh học sẽ làm bít các lỗ hổng ở vật liệu lọc, ở phin lọc sinh học và còn làm hỏng cấu trúc bùn hoạt tính trong bể Aerotank. 2.1.1.6. Lọc cơ học Lọc được ứng dụng trong xử lý nước thải để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ khi không thể loại bỏ được bằng phương pháp lắng. Trong các loại phin lọc, thường có các loại phin lọc dùng vật liệu dạng tấm và loại hạt. - Vật liệu dạng tấm có thể làm bằng tấm thép có đục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken,…và cả các loại vải khác nhau ( thủy tinh, amiăng, bông, len, sợi tổng hợp ). Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủ bền và dẻo cơ học, không bị trương nở và phá hủy ở điều kiện lọc. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 12 - Vật liệu dạng hạt là cát thạch anh, than gầy ( anthracit ), than cốc, sỏi, đá nghiền, thậm chí là cả than nâu, than bùn hay than gỗ. Đặc tính quan trọng của lớp hạt lọc là độ xốp và bề mặt riêng. Quá trình lọc có thể xảy ra dưới áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng hoặc áp suất cao trước vách vật liệu lọc hay áp suất chân không sau lớp vật liệu lọc. Các phin lọc làm việc sẽ tách các phần tử tạp chất phân tán hoặc lơ lửng khó lắng ra khỏi nước. Các phin lọc làm việc không hoàn toàn dựa vào nguyên lý cơ học. Khi nước qua lớp lọc, dù ít dù nhiều cũng tạo ra một lớp màng trên bề mặt các hạt vật liệu lọc, đó là lớp màng sinh học. Do đó, ngoài tác dụng tách các phần tử tạp chất phân tán ra khỏi nước, các màng sinh học cũng đã biến đổi các chất hòa tan trong nước thải nhờ quần thể vi sinh vật có trong màng sinh học. Chất bẩn và màng sinh học sẽ bám vào bề mặt vật liệu lọc dần dần bít các khe hở của lớp lọc làm cho dòng chảy chậm dần lại hoặc ngừng chảy. Trong quá trình làm việc người ta phải rửa phin lọc, để tách bớt màng bẩn ra khỏi lớp vật liệu lọc. Trong xử lý nước thải, thường dùng thiết bị lọc chậm, lọc nhanh, lọc kín, lọc hở. Ngoài ra còn dùng loại lọc ép khung bản, lọc quay chân không, các máy vi lọc hiện đại. Đặc biệt là đã cải tiến các vật liệu lọc trước đây thuần túy là lọc cơ học thành lọc sinh học, trong đó vai trò của màng sinh học được phát huy hơn nhiều. Tuy nhiên, quá trình lọc cơ học ít khi được ứng dụng trong xử lý nước thải, thường chỉ sử dụng trong trường hợp nước sau xử lý đòi hỏi có chất lượng cao. 2.1.2. Các phương pháp hóa lý 2.1.2.1. Keo tụ Các hạt cặn có kích thước nhỏ hơn 10-4 mm thường không tự lắng được mà luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng. Muốn loại bỏ các hạt cặn lơ lửng phải dùng biện pháp xử lý cơ học kết hợp với biện pháp hóa học, tức là cho vào nước cần xử lý các chất phản ứng để tạo ra các hạt keo có khả năng kết dính lại với nhau và dính kết các hạt cặn lơ lửng trong nước, tạo thành các bông cặn lớn hơn có trọng lượng đáng kể. Do đó, bông cặn mới tạo ra sẽ dễ dàng lắng xuống ở bể lắng. Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào trong nước các chất keo tụ thích hợp như: phèn nhôm ( Al2(SO4)3 ), phèn sắt ( FeSO4, ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 13 Fe2(SO4)3 hoặc FeCl3 ). Các loại phèn này được đưa vào nước thải dưới dạng dung dịch hòa tan.  Phèn nhôm: Khi cho phèn nhôm vào nước chúng sẽ phân ly thành các ion Al3+, sau đó các ion này sẽ bị thủy phân thành Al(OH)3. Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+ Trong phản ứng thủy phân trên, ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ tạo thành, còn giải phóng ra các ion H+. Các ion H+ này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước ( được đánh giá bằng HCO3- ). Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ để trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước. Chất dùng để kiềm hóa thông dụng nhất là vôi ( CaO ). Một số trường hợp khác có thể dùng Sô đa ( Na2CO3 ) hoặc sút ( NaOH ). Thông thường phèn nhôm đạt hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước thải có pH = 5,5 ÷ 7,5.  Phèn sắt (II): Phèn sắt (II) khi cho vào nước sẽ phân ly thành ion Fe2+ và sau đó bị thủy phân thành Fe(OH)2. Fe2+ + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H+ Fe(OH)2 vừa tạo thành vẫn còn độ hòa tan trong nước lớn, khi trong nước có oxy hòa tan, Fe(OH)2 sẽ bị oxy hóa thành Fe(OH)3. 4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 Quá trình oxy hóa chỉ diễn ra tốt khi giá trị pH của nước từ 8 ÷ 9 và phải có độ kiềm cao. Vì vậy, thường dùng loại phèn này khi cần kết hợp vôi làm mềm nước.  Phèn sắt (III): ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 14 Phèn sắt (III) loại FeCl3 hoặc Fe2(SO4)3 khi cho vào nước phân ly thành Fe3+ và bị thủy phân thành Fe(OH)3. Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ Vì phèn sắt (III) không bị oxy hóa nên không cần nâng cao pH của nước như sắt (II). Phản ứng thủy phân xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 ÷ 6,5. Các muối sắt có ưu điểm hơn so với muối nhôm trong việc làm đông tụ các chất lơ lửng của nước vì: - Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp, - Khoảng pH tác dụng rộng hơn, - Tạo kích thước và độ bền bông keo lớn hơn, - Có thể khử được mùi vị khi có H2S. Nhưng muối sắt cũng có nhược điểm, đó là chúng tạo thành phức chất hòa tan có màu làm cho nước có màu. Trong quá trình keo tụ tạo bông của hydroxit nhôm hoặc sắt, người ta thường thêm vào các chất trợ keo tụ. Các chất này bao gồm: tinh bột, các ete, cellulose,…Ngoài ra còn có các chất trợ keo tụ tổng hợp, chất hay dùng nhất là polyacrylamit. Việc dùng các chất bổ trợ này làm giảm liều lượng các chất keo tụ, giảm thời gian quá trình keo tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo. 2.1.2.2. Tuyển nổi Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục khí nhỏ vào pha lỏng. Các bọt khí này sẽ kết dính với các hạt cặn. Khi khối lượng riêng của tập hợp bọt khí và cặn nhỏ hơn khối lượng riêng của nước, cặn sẽ theo bọt khí nổi lên bề mặt. Tùy theo phương thức cấp không khí vào nước, quá trình tuyển nổi bao gồm các dạng sau:  Tuyển nổi bằng khí phân tán ( Dispersed Air Flotation ): ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 15 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.  Tuyển nổi chân không ( Vacuum Flotation ): Bão hòa không khí ở áp suất khí quyển, sau đó thoát khí ra khỏi nước ở áp suất chân không. Hệ thống này ít được sử dụng trong thực tế vì khó vận hành và chi phí cao.  Tuyển nổi bằng khí hòa tan ( Dissolved Air Flotation ): 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 – 100 µm. 2.1.2.3. Hấp phụ Quá trình hấp phụ được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc hai pha không hòa tan là pha rắn ( chất hấp phụ ) với pha khí hoặc pha lỏng. Dung chất ( chất bị hấp phụ ) sẽ đi từ pha lỏng ( pha khí ) đến pha rắn cho đến khi nồng độ dung dịch đạt cân bằng. Các chất hấp phụ thường dùng là: Than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagel, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất ( xỉ tro, xỉ mạt sắt,…).Trong những chất trên thì than hoạt tính là chất được dùng phổ biến nhất. Than hoạt tính dạng: bột và dạng hạt đều được dùng để hấp phụ. Lượng chất hấp phụ tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ có thể được kể đến là: phenol, alkylbenzen, thuốc nhuộm các hợp chất thơm. 2.1.2.4. Trao đổi ion Phương pháp này có thể tương đối triệt để các tạp chất ở trạng thái ion trong nước như: Zn, Cu, Cr, Ni, Mn, Hg,…cũng như các hợp chất của asen, photpho, cyanua, chất phóng xạ. Người ta thường sử dụng nhựa trao đổi ion nhằm hai mục đích: khử cứng và khử khoáng. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 16  Khử cứng: Cho nước cần xử lý chảy qua cột nhựa cation ở dạng RNa 2RNa + CaSO4  R2Ca + Na2SO4 2RNa + MgSO4  R2Mg + Na2SO4 Khi lớp nhựa cation mất hiệu lực, người ta sẽ tái sinh bằng dung dịch muối ăn NaCl R2Ca + 2NaCl 2RNa + CaCl2 R2Mg + 2NaCl 2RNa + MgCl2  Khử khoáng: Cho nước cần xử lý chảy qua từng cột nhựa cation và nhựa anion riêng rẽ hay qua một cột kết hợp giữa nhựa cation và nhựa anion: RSO3H + NaCl  RSO3Na + HCl 2 RSO3H + Na2SO4  2RSO3Na + H2SO4 RSO3H + NaHCO3  RSO3Na + CO2 + H2O RSO3H + Na2CO3  2RSO3Na + CO2 + H2O ROH + HCl  RCl + H2O 2ROH + H2SO4  R2SO4 + H2O Khi lớp nhựa cation và nhựa anion mất hiệu lực, người ta tái sinh bằng dung dịch axit HCl và dung dịch xút NaOH như sau: RSO3Na + HCl  RSO3H + NaCl RCl + NaOH  ROH + NaCl 2.1.3. Các phương pháp hóa học 2.1.3.1. Trung hòa Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau, do đó cần phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH của nước thải tạo điều kiện thích hợp cho các quá trình xử lý hóa lý và sinh học. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 17 Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch acid hoặc muối acid, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hòa dung dịch nước thải H+ + OH- = H2O Mặc dù quá trình đơn giản về lý thuyết, nhưng vẫn có thể gây ra một số vấn đề trong thực tế như: giải phóng các chất ô nhiễm dễ bay hơi, sinh nhiệt, làm rỉ sét máy móc thiết bị,… Vôi ( Ca(OH)2 ) được sử dụng rộng rãi như một bazơ dùng để xử lý các loại nước thải có tính axit, trong khi đó acid sunfuric ( H2SO4 ) là một chất tương đối rẻ tiền dùng để xử lý nước thải có tính bazơ. 2.1.3.2. Phương pháp oxy hóa – khử Phương pháp oxy hóa – khử được dùng để: - Khử trùng nước thải nhằm tiêu diệt các loại vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun, sán,… - Chuyển một nguyên tố hòa tan sang kết tủa hoặc sang thể khí. - Biến đổi một chất không phân hủy sinh học thành nhiều chất đơn giản hơn, có khả năng đồng hóa bằng vi khuẩn. - Loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải: Cu, Pb, Zn, Cr, Ni, As,… và một số chất độc như cyanua. Các chất oxy hóa thông dụng như: ozon ( O3 ), chlorine ( Cl2 ), hydro peroxide (H2O2), kali permanganate (KMnO4 ) Quá trình này thường phụ thuộc vào pH và sự hiện diện của chất xúc tác. 2.1.3.3. Kết tủa hóa học Kết tủa hóa học thường được sử dụng để loại trừ các kim loại nặng trong nước. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất để kết tủa các kim loại là tạo thành hydroxide, ví dụ: Cr3+ + 3OH-  Cr(OH)3 Fe3+ + 3OH-  Fe(OH)3 ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 18 Phương pháp kết tủa hóa học hay được sử dụng nhất là phương pháp tạo kết tủa với vôi. Soda cũng có thể được sử dụng để kết tủa các kim loại dưới dạng hydroxide (Fe(OH)3), carbonate ( CaCO3 ),…Anion carbonate tạo ra hydroxide do phản ứng thủy phân với nước: CO32- + H2O  HCO3- + OH- 2.1.4. Phương pháp sinh học Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật nhằm loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, cũng như một số chất vô cơ như: H2S, sulfide, ammonia, các muối nitrat,…ra khỏi nước thải.Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để sinh trưởng và phát triển. Quá trình xử lý sinh học gồm các bước sau: - Chuyển hóa các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hòa tan thành thể khí và thành các vỏ tế bào vi sinh. - Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào sinh vật và các chất keo vô cơ có trong nước thải. - Loại các bông cặn sinh học ra khỏi nước thải bằng phương pháp lắng trọng lực. Do vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học nên tùy vào tính chất hoạt động của chúng, phương pháp xử lý sinh học có thể chia thành hai loại: phương pháp xử lý kỵ khí và phương pháp xử lý hiếu khí. Ngoài ra trong một số trường hợp, người ta cũng sử dụng kết hợp cả hai quá trình kỵ khí và hiếu khí.  Phương pháp xử lý kỵ khí: sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, quá trình xử lý diễn ra trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là các quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn: Vi sinh vật ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 19 - Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử. - Giai đoạn 2: Acid hóa - Giai đoạn 3: Acetat hóa - Giai đoạn 4: Methane hóa Các chất hữu cơ chứa nhiều hợp chất cao phân tử như: Protein, chất béo, carbonhydrate, cellulose, lignin,…trong giai đoạn thủy phân sẽ cắt mạch tạo thành các phân tử đơn giản hơn, dễ thủy phân hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành các amino acid, cacbonhydrate thành đường đơn và chất béo thành acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại tiếp tục được chuyển hóa thành acid acetic, H2 và CO2. Vi khuẩn methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như là CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methyl amine và CO. Các phương trình phản ứng diễn ra như sau: 4H2 + CO2  CH4 + 2H2O 4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH  CH4 + CO2 4CH3OH  3CH4 + CO2 + H2O 4(CH3)3N + H2O  9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3  Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, quá trình xử lý diễn ra trong tình trạng có oxy. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí gồm 3 giai đoạn: - Oxy hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ΔH - Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + O2 + NH3 Tế bào vi khuẩn (C5H7O2N) + CO2 + H2O – ΔH - Phân hủy nội bào: Enzyme Enzyme Enzyme ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 20 C5H7O2N + O2 5CO2 + H2O + NH3 ± ΔH Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp kỵ khí và hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo ra điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn xử lý sinh học tự nhiên. 2.2 VÍ DỤ VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP  Công ty giấy Tân Mai Thu gom Bể điều hòa Bể trộn Lắng 2 Bể phản ứng kết hợp lắng đứng Bể chứa bột Aerotank Lắng 1 Nguồn tiếp nhận Khử trùng Bể nén bùn Bể chứa bùn Bột giấy tái sử dụng Hố thu gom Bể điều hòa Nước thải sản xuất xeo giấy Bùn làm phân bón Lọc ép dây đai Nước thải sản xuất bột giấy NaOH, Phèn sắt ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 21 CHƯƠNG III LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHÍNH 3.1. CƠ SỞ ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ: Từ các thông số thiết kế: - Lưu lượng nước thải cần xử lý là 3000 m3/ngày đêm. - Tính chất nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945-2005 (Loại B) Bảng 3.1 Tính chất nước thải loãng đầu vào và tiêu chuẩn xả thải STT Thành phần Đơn vị Tính chất nước thải thô TCVN 5945-2005 (Loại B) 1 TSS 1800 100 2 BOD5 467 50 3 COD 752 80 Nước thải nhà máy có chỉ tiêu SS chủ yếu là các xơ sợi mịn và bột giấy ở dạng lơ lửng. Để thu hồi bột giấy và xơ sợi mịn lẫn trong nước thải, phương án tối ưu là sử dụng lưới chắn rác mịn và xử lý bằng phương pháp hóa lý (quá trình keo tụ tạo bông và lắng bông cặn). Nước thải nhà máy có tỉ lệ BOD5 : COD > 0,5 . Phù hợp cho xử lý bằng phương pháp sinh học ( hiếu khí ). Trong xử lý sinh học hiếu khí có nhiều công trình khác nhau như: bể Aerotank,bể lọc sinh học (Bioohin), bể sinh học tiếp xúc quay (RBC), bể Unitank. Ta cần cân nhắc lựa chọn sao cho phù hợp điều kiện thực tế (lưu lượng, nồng độ các chất ô nhiễm, vị trí nơi xử lý, đặc điểm nguồn tiếp nhận,…). Bảng 3.2 So sánh các công trình xử lý sinh học hiếu khí Công trình Ưu điểm Nhược điểm Aerotank +Hiệu quả xử lý cao đạt trên 89% +Thời gian khởi động ngắn +Ít tạo mùi hôi +Cần thêm bể lắng 1(loại bớt chất bẩn trước khi vào bể) và bể lắng 2 (lắng cặn, bùn hoạt tính) Biophin +Thiết bị đơn giản, ít tốn năng lượng +Hiệu quả xử lý kém hơn Aerotank +Ruồi, muỗi phát sinh ảnh hưởng công trình và môi trường sống RBC +Chiếm ít diện tích +Hiệu quả xử lý phụ thuộc yếu tố nhiệt độ không khí Unitank +Cấu trúc gọn,ít chiếm diện tích +Thích hợp với lưu lượng vào ra +Vận hành khó do nhiều thông số +Đầu tư thiết bị tốn kém ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 22 thay đổi +Dễ dàng mở rộng, tăng công suất do thiết kế dạng Module Từ bảng (3.2) cho thấy việc xử lý nước thải nhà máy theo phương pháp sinh học hiếu khí dạng công trình bể Aerotank là khả thi nhất. 3.2. THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ: 3.2.1 Sơ đồ công nghệ: Nước thải loãng Hố thu gom Lưới chắn rác mịn Bể điều hòa Bể trộn cơ khí Bể lắng ly tâm đợt 1 Bể tạo bông cơ khí Bể Aerotank Bể lắng ly tâm đợt 2 Bể khử trùng Nguồn tiếp nhận Song chắn rác làm sạch cơ giới NaOH, Phèn sắt Nước tách bùn tuần hoàn Thu hồi xơ sợi Máy thổi khí Polymer anion Clorine Máy thổi khí Bùn tuần hoàn Polymer cation Đốt, chôn lấp Bể chứa bùn Bể nén bùn ly tâm Máy ép bùn băng tải ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 23 Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải loãng nhà máy sản xuất giấy – bột giấy. 3.2.2 Thuyết minh công nghệ : Nước thải loãng cùng các nước thải khác (nước làm mát, nước thải sinh hoạt, nước vệ sinh nhà máy…) được bơm tới trạm xử lý nước thải. Đầu tiên nước thải sẽ đi qua song chắn rác và chảy vào hố thu gom. Song chắn rác có nhiệm vụ giữ lại các tạp chất thô để tránh gây tắc nghẽn đường ống, mương dẫn và làm hỏng bơm. Hố thu gom có nhiệm vụ tập trung nước thải và để đảm bảo lưu lượng cho các bơm hoạt động. Hố thu gom được đặt 2 bơm nhúng chìm hoạt động đồng thời để phân phối nước thải vào bể điều hòa. Nước thải trước khi vào bể điều hòa sẽ chảy qua lưới chắn rác mịn, tại đó các xơ sợi mịn được thu hồi và tái sử dụng bột giấy. Bể điều hòa có hệ thống khuấy trộn phía dưới để điều hòa nồng độ và lưu lượng dòng thải. Từ bể điều hòa nước thải được bơm đến bể trộn cơ khí để khử màu, các chất rắn lơ lửng, một phần chất hữu cơ hòa tan và một số chất độc bằng phương pháp hóa lý. Tại đây, NaOH và phèn sắt được châm vào nước thải bằng bơm định lượng để đạt được giá trị pH tối ưu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình keo tụ tạo bông và quá trình xử lý sinh học phía sau. Bể trộn cơ khí có lắp đặt hệ thống motor cánh khuấy dạng tua bin 6 cánh giúp cho hóa chất có thể trộn đều với nước thải. Tiếp theo, nước thải sẽ được dẫn qua bể tạo bông cơ khí và bể lắng ly tâm đợt 1 để hoàn tất quá trình keo tụ. Tại đây nước thải sẽ được châm polymer anion để tăng tính kết dính giữa các hạt keo với cặn bẩn,hình thành các bông cặn đủ lớn để dễ dàng tách ra khỏi nước bằng phương pháp lắng. Bùn lắng đọng dưới đáy bể lắng ly tâm đợt 1 sẽ được bơm về bể chứa bùn. Nước thải sau lắng sẽ được dẫn qua bể Aerotank. Tại đây quá trình xử lý sinh học hiếu khí sẽ diễn ra nhờ O2 được cấp từ hệ thống sục khí đặt chìm dưới đáy bể. Các vi sinh vật hiếu khí sẽ phân hủy các chất hữu cơ còn lại trong nước thải thành các chất vô cơ đơn giản (CO2 và H2O). Hiệu quả xử lý của bể Aerotank tính theo COD và BOD là 90-95%. Nước thải sau khi qua bể Aerotank được dẫn đến bể lắng ly tâm đợt 2 để loại bỏ bùn hoạt tính. Một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể Aerotank để duy trì ổn định mật độ vi sinh vật, phần bùn còn lại được bơm về bể chứa bùn trước khi đến bể nén bùn ly tâm. Bùn sau nén sẽ được đưa đến máy ép bùn băng tải để tách nước. Sau đó sẽ được đem đi đốt cùng vỏ cây, mùn và dịch cô đặc. Nước tách bùn sẽ được tuần hoàn trở lại về bể điều hòa để xử lý lại chung với nước thải. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 24 Nước thải sau khi qua bể lắng ly tâm đợt 2 sẽ được dẫn đến bể khử trùng để loại bỏ các mầm bệnh có trong nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận. 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHÍNH: BỂ AEROTANK 3.3.1. Nhiệm vụ Tại bể Aerotank các hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ được phân hủy bởi các vi sinh vật hiếu khí. Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ có trong bể Aerotank qua 3 giai đoạn chính sau: 1. Giai đoạn 1: Tốc độ oxy hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxy 2. Giai đoạn 2: Vi sinh phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi. Chính giai đoạn này chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. 3. Giai đoạn 3: Sau một thời gian khá là dài thì tốc độ oxy hóa bị chững lại, tốc độ tiêu thụ oxy tăng lên. Đây là giai đoạn xảy ra quá trình nitrat hóa các muối amon. Hiệu quả xử lý của bể Aerotank tính theo COD và BOD là 90-95%. 3.3.2. Tính toán Sau khi qua các công trình xử lý sơ bộ,tải lượng ô nhiễm của dòng thải giảm Các thông số đầu vào của bể Aerotank *COD : 40 % *BOD5 : 35 % *TSS : 85 % *COD : 451 mg/l *BOD5 : 303 mg/l *TSS : 270 mg/l Bảng 3.3. Các thông số thiết kế đặc trưng cho bể Aerotank xáo trộn hoàn toàn Tên thông số Đơn vị Giá trị MLVSS/MLSS - 0,7 ÷ 0,8 Thời gian lưu bùn (SRT), Өc ngày 5 ÷ 15 Tỷ lệ BOD5 trong nước thải và bùn hoạt tính (F/M) kg BOD5/kg bùn.ngày 0,2 ÷ 0,6 Tải trọng BOD5 trên một đơn vị thể tích, La kg BOD5/m3.ngày 0,8 ÷ 1,9 Nồng độ bùn hoạt tính trong bể (MLVSS), X mg/l 800 ÷ 4000 Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn (MLSS), Xr mg/l 4000 ÷ 12000 ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 25 Hệ số tuần hoàn bùn, α - 0,25 ÷ 1 (Nguồn: Giáo trình “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – NXB Xây Dựng – TS.Trịnh Xuân Lai) Bảng 3.4. Giá trị đặc trưng của các hệ số động học trong xử lý nước thải Tên thông số Đơn vị Giá trị Trung bình K ngày-1 2 ÷ 10 4 Ks mg BOD5/l 25 ÷ 100 60 mg COD/l 15 ÷ 70 40 Hệ số sản lượng bùn ,Y mg VSS/mg BOD5 0,4 ÷ 0,8 0,6 mg VSS/mg COD 0,3 ÷ 0,6 0,4 Hệ số phân hủy nội bào, Kd ngày-1 0,02 ÷ 0,1 0,055 (Nguồn: Giáo trình “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – NXB Xây Dựng – TS.Trịnh Xuân Lai) A. Các thông số thiết kế bể Aerotank - Lưu lượng nước thải: Qngàytb = 3000 m3/ngày đêm = 125 m3/h. - Hàm lượng COD đầu vào: 451 mg/l. - Hàm lượng BOD5 đầu vào: S0 = 303 mg/l. - Hàm lượng BOD5 đầu ra: S’ = 50 mg/l. - Hàm lượng SS đầu vào : 270 mg/l. - Nước thải sau bể lắng ly tâm đợt 2 chứa SSra = 60mg/l, trong đó có chứa 65% cặn dễ phân hủy sinh học. - Nước thải khi vào bể Aerotank có hàm lượng chất lơ lửng bay hơi (nồng độ vi sinh vật ban đầu): X0 = 0. - Tỷ số giữa lượng chất rắn lơ lửng bay hơi (MLVSS) với lượng chất rắn lơ lửng (MLSS) trong bùn hoạt tính: MLVSS:MLSS = 0,7. - Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn (tính theo lượng chất rắn lơ lửng – MLSS): Xr = 10000 mg/l. - Nồng độ bùn hoạt tính (tính theo lượng chất rắn lơ lửng bay hơi – MLVSS)trong bể Aerotank: X = 3500 mg/l. - Thời gian lưu bùn trong hệ thống: Өc = 10 ngày. - Hệ số chuyển đổi giữa BOD5 : BOD20 (BOD hoàn thành): f = 0.68. - Hệ số phân hủy nội bào: Kd = 0.072 ngày-1. - Hệ số sản lượng bùn (tỷ số giữa tế bào được tạo thành với lượng chất nền được tiêu thụ): Y = 0,6 mg VSS/mg BOD5. - Loại và chức năng của bể: Aerotank xáo trộn hoàn toàn. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 26 B. Tính kích thước bể Aerotank Hình 3.2 Sơ đồ làm việc của hệ thống Trong đó: - Q, Qr, Qw, Qe : Lưu lượng nước đầu vào, lưu lượng bùn tuần hoàn, lưu lượng bùn xả và lưu lượng nước đầu ra ( m3/ngày ). - X, Xr, Xe: Nồng độ bùn hoạt tính (tính theo lượng chất rắn lơ lửng bay hơi) trong bể Aerotank, nồng độ bùn tuần hoàn và nồng độ bùn sau khi qua bể lắng ly tâm đợt 2 (mg/l). - S0, S: Nồng độ chất nền (tính theo BOD5) đầu vào và đầu ra sau khi qua bể Aerotank và bể lắng ly tâm đợt 2 (mg/l). ***Phương trình cân bằng vật chất: BOD5 đầu ra = BOD5 hòa tan đi ra từ bể Aerotank + BOD5 chứa trong lượng cặn lơ lửng đầu ra Trong đó: - BOD5 đầu ra : S’ = 50 mg/l. - BOD5 hòa tan đi ra từ bể Aerotank : S (mg/l) - Lượng cặn lơ lửng đầu ra: SSra = 60 mg/l, trong đó có chứa 65% cặn dễ phân hủy sinh học. => Xác định BOD5 chứa trong cặn lơ lửng đầu ra : Lượng cặn dễ phân hủy sinh học chứa trong lượng cặn lơ lửng đầu ra: 0,65 × 60 = 39 mg/l. Bể Aerotank Bể lắng ly tâm đợt 2 Q, X0, S0 (Q+Qr), X Qe, Xe, S Qw, Xr Qr, Xr, S ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 27 - Lượng oxy cung cấp để oxy hóa hết lượng cặn dễ phân hủy sinh học chính là giá trị BOD20 của lượng cặn dễ phân hủy sinh học: C5H7O2N + 5O2  5CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng 113 mg 160 mg 1 mg 1,42 mg Vậy: BOD20 = 39 × 1,42 = 55,38 mg/l. - BOD5 chứa trong cặn lơ lửng đầu ra sẽ là: BOD5 = BOD20 × 0,68 = 55,38 × 0,68 = 37,66 mg/l. - BOD5 hòa tan đi ra từ bể Aerotank: 50= S + 37,66 => S = 50 – 37,66 = 12,34 mg/l. - Hiệu quả xử lý tính theo BOD5 hòa tan: 0 0 S SSE −= × 100% = 303 34,12303 − × 100% = 95,9 % - Hiệu quả xử lý BOD5 của bể Aerotank : 0 ' 0 0 S SSE −= × 100% = 303 50303− × 100% = 83,5 % - Thể tích bể Aerotank: )1( )( 0 cd c tb ngày KX SSYQ V θ θ ++× −××× = = )10072,01(3500 )34,12303(106,03000 ++× −××× = 869 m3. - Thời gian lưu nước trong bể: tb hQ Vt = = 125 869 = 6,95 giờ = 0,29 ngày. Bảng 3.5. Các kích thước điển hình của bể Aerotank xáo trộn hoàn toàn Tên thông số Đơn vị Giá trị Chiều cao hữu ích m 3 ÷ 4,6 Chiều cao bảo vệ m 0,3 ÷ 0,6 Khoảng cách từ đáy đến đầu khuếch tán khí m 0,45 ÷ 0,75 Tỉ số rộng : cao (B:H) - 1 : 1 ÷ 2,2 : 1 (Nguồn: Giáo trình “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – NXB Xây Dựng – TS.Trịnh Xuân Lai) ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 28 - Chọn: Chiều cao hữu ích : H= 4,5 m Chiều cao bảo vệ : Hbv = 0,5 m Chiều cao xây dựng bể Aerotank: Hxd = H + Hbv = 4,5 + 0,5 = 5 m. - Chọn tỉ số: B:H = 2:1 => Chiều rộng của bể Aerotank: B = 2 × H = 2 × 4,5 = 9 m. - Chiều dài của bể Aerotank sẽ là: L= V / (B × H) = 869 / (9 × 4,5) = 22 m. - Kích thước bể Aerotank: L × B × Hxd = 22 m × 9 m × 5 m. Bảng 3.6. Các thông số thiết kế xây dựng bể Aerotank STT Tên thông số Đơn vị Số liệu thiết kế 1 Chiều dài bể Aerotank m 22 2 Chiều rộng bể Aerotank m 9 3 Chiều cao bể Aerotank m 5 4 Thể tích bể Aerotank m3 869 C. Tính lượng bùn thải ra mỗi ngày - Hệ số sản lượng quan sát (Yobs): Yobs = cdK Y θ×+1 = 10072,01 6,0 ×+ = 0,349 mg sinh khối/mg BOD5 được khử - Lượng bùn hoạt tính sinh ra mỗi ngày do khử BOD (tính theo MLVSS): Px(VSS) = Yobs × Qtbngày × (S0 – S) × 10-3 = 0,349 × 3000 × (303 – 12,34) × 10-3 = 304,3 kgVSS/ngày. - Lượng bùn hoạt tính sinh ra mỗi ngày do khử BOD5 (tính theo MLSS): MLVSS / MLSS = 0,7 => MLSS = MLVSS / 0,7  Px(SS) = Px(VSS) / 0,7 = 304,3 / 0,7 = 434,7 kg SS/ngày. - Lượng bùn thải ra mỗi ngày: Pth(SS) = Px(SS) - Qtbngày × SSra × 10-3 =434,7 – 3000 × 60 × 10-3 = 254,7 kgSS/ngày. - Lượng bùn thải ra mỗi ngày từ đáy bể lắng ly tâm đợt 2 theo đường tuần hoàn bùn: eerw c XQXQ VX + =θ => cr cee w X XQVXQ θ θ−= = 107000 104230003500869 × ××−× = 25,45 m3/ngày. ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 29 Trong đó: - Xr: Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn (tính theo MLVSS); Xr = 10000 × 0,7 = 7000 mg/l. - Xe: Nồng độ bùn sau khi qua bể lắng ly tâm đợt 2 (tính theo MLVSS); Xe = 60 × 0,7 = 42 mg/l. - Qe: Lưu lượng nước đưa ra ngoài từ bể lắng ly tâm đợt 2 (xem như lượng nước thất thoát do tuần hoàn bùn là không đáng kể) => Qe = Qtbngày = 3000 m3/ngày. D.Tính hệ số tuần hoàn bùn α - Phương trình cân bằng vật chất viết cho bể lắng ly tâm đợt 2 là: (Qtbngày + Qr) X = QrXr + QwXr => = − ×−×= − − = 35007000 700045,2535003000 XX XQXQ Q r rw tb ngày r 2949,1 m 3/ngày. - Hệ số tuần hoàn bùn: 3000 1,2949== tb ngày r Q Qα = 0,983 E.Kiểm tra tỷ số F/M và tải trọng thể tích của bể Aerotank - Tỉ số F/M: 2990 3500290 3030 , ,Xt S M F = × = × = ngày-1. - Tải trọng thể tích của bể Aerotank: 051 869 30001030310 330 , V QS L tb ngày a = ××= ×× = −− kgBOD5/m3.ngày F.Tính lượng oxy cần cung cấp cho bể Aerotank - Lượng Oxy lý thuyết cần cung cấp: ĐỒ ÁN MÔN HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI GVHD: TS Vũ Trần Mai Anh - TS Bùi Xuân Thành SVTH: Lê Thế Sơn Thiết kế bể Aerotank cho hệ thống xử lý nước thải ngành giấy và bột giấy, công suất 3000 m3/ngày.đêm Page 30 3304421 680 1034123033000421 10 330 0 ,,, ),(P, f S)(SQ OC x(VSS) tb ngày ×−×−×=×− ×−× = −− = 850,22 kgO2/ngày. - Lượng Oxy cần thiết theo thực tế: 80 1 024,1 1 22281 179228501 0241 1 )2026()20(26 20 0 ,, ,, α,CCβ COCOC T S S t ××    −× =××    −× = −− = 1359 kgO2/ngày. Trong đó: - C: Nồng độ oxy cần duy trì trong bể, C = 2 mg/l. - α: Hệ số điều chỉnh lượng oxy ngấm vào nước thải, α = 0,8. - β: Hệ số điều chỉnh lực căng bề mặt theo hàm