giáo trình kỹ thuật xử lý nước thải chương 5 xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
CHƯƠNG 5. XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
A. TỔNG QUAN
5.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong
nước thải cũng như một số chất vô cơ như H
2
S, sunfit, ammonia, nitrate,…dựa trên hoạt
động của vi sinh vậtđể phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. trong quá trình này, vi
sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát
triển. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân chia thành hai loại:
- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện
không có oxy;
- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều
kiện cung cấp oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật được gọi là quá trình oxi hóa
sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất
phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai
đoạn chính như sau:
- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt vi sinh vật
- Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên
trong và bên ngoài tế bào;
- Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế
bào mới.
Tốc độ quá trình oxi hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng
các tạp chất và múc độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều
kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ
thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi
lượng.
5.2 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT
5.2.1 Sinh trưởng của tế bào (Cell Growth)

Tốc độ sinh trưởng của tế bào vi khuẩn: r
g
= -µX
+ r
g
: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (khối lượng/thể tích.thời gian);
+ µ: tốc độ sinh trưởng đặc biệt (thời gian
-1
);
+ X: nồng độ vi sinh vật (khối lượng/thể tích).
5.2.2 Sinh trưởng trong điều kiện giới hạn
Phương trình Monod:
+ µ: tốc độ sinh trưởng đặc biệt (thời gian
1-
);
+ µ
m
: tốc độ sinh trưởng cực đại (thời gian
1-
);
+ S: nồng độ cơ chất giới hạn sự sinh trưởng (khối lượng/thể tích);
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
111
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
+ K
s
: hằng số tốc độ ½, nồng độ cơ chất ở vị trí có tốc độ sinh trưởng bằng ½ tốc độ
sinh trưởng cực đại.
5.2.3 Quá trình sinh trưởng của tế bào và sự tiêu thụ cơ chất
r

g
= -Yr
su
+ r
g
: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (khối lượng/thể tích.thời gian);
+ Y: hệ số thu hoạch cực đại (mg/mg) – khối lượng tế bào hình thành/khối lượng cơ
chất bị tiêu thụ
Y phụ thuộc vào:
 Trạng thái oxi hóa của nguồn carbon và nguyên tố cung cấp dinh dưỡng;
 Mức độ polymer hóa cơ chất;
 Chu trình trao đổi chất;
 Tốc độ sinh trưởng;
 Các thông số vật lý khác của quá trình nuôi cấy vi sinh vật.
+ r
su
: tốc độ tiêu thụ cơ chất (khối lượng/thể tích.thời gian) được xác định theo công
thức sau
5.2.4 Ảnh hưởng của quá trình trao đổi chất nội bào
Tốc độ phân hủy nội bào:
r
d
= -k
d
X
+ k
d
: hệ số phân hủy nội bào (thời gian
-1
);

+ X: nồng độ tế bào (khối lượng/thể tích).
+ r
’
g
: tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật (khối lượng/thể tích.thời gian);
µ
’
m
: tốc độ sinh trưởng đặc biệt thực (thời gian
-1
).
5.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ
+ r
T
: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t
o
C;
+ r
20
: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ 20
o
C;
+ Ө: hệ số hoạt độ;
+ T: nhiệt độ.
Bảng 5.1 Hệ số hoạt độ của quá trình xử lý sinh học
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
112
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Quá trình Giá trị Ө
Khoảng dao động Đặc trưng

Bùn hoạt tính 1.00 – 1.08 1.040
Hồ thổi khí 1.04 – 1.10 1.080
Lọc nhỏ giọt 1.02 – 1.08 1.035
Nguồn:
5.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ
Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra
hàng trăn sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng
sinh hóa trong điều kiện kị khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:
Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kị khí xảy ra theo bốn giai đoạn (Hình 5.1):
Hình 5.1 Quá trình phân hủy kị khí
- Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;
- Giai đoạn 2: acid hóa;
- Giai đoạn 3: acetate hóa;
- Giai đoạn 4: methane hóa.
Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo,
carbonhydrate, cellulose, lignin,…trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành
những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa
protein thành amono acid, carbonhydrate thành đường đơn và chất béo thành các acid
béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa
thành acetic acid, H
2
và CO
2
. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic
acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO
2
và H
2
, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được
hình thành trong quá trình cắt mạch carbonhydrate. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ

có thể phân loại một số loại cơ chất nhất định như CO
2
và H
2
, formate, acetate, methanol,
methykamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
- 4H
2
+ CO
2
 CH
4
+ 2H
2
O
- 4HCOOH  CH
4
+ 3H
2
O + 2H
2
O
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
113
Chất hữu cơ
Vi sinh vật
CH
4
+ CO
2

+ H
2
+ NH
3
+ H
2
S + Tế bào mới
H
2
Phức chất hữu cơ CH
4
76%
Acid hữu cơ
Acetic acid
4%
20%
52%
24%
28%
72%
Quá trình thủy phân
Quá trình acetate
hóa và khử hydro
Quá trình
methane hóa
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
- CH
3
COOH  CH
4

+ CO
2
- 4CH
3
OH  3CH
4
+ CO
2
+ 6H
2
O + 4NH
3
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kị khí thành:
- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp
xúc kị khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kị khí với dòng
nước đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB);
- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình
lọc kị khí (Anaerobic Filter Process).
B. CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ
5.4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ
DẠNG TĂNG TRƯỞNG LƠ LỬNG
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau:
- Oxi hóa các chất hữu cơ:
- Tổng hợp tế bào mới:
- Phân hủy nội bào:
Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp 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 điều kiện tối ưu
cho quá trình oxi hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu quả cao hơn rất
nhiều. Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí có thể
chia thành:

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử
dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bể
phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí. Trong số những quá
trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất.
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình
bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate
hóa với màng cố định.
5.4.1 Động học quá trình bùn hoạt tính hiếu khí
a. Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn và không tuần hoàn (complete – mix
reactor without recycle)
Giả thiết: Hỗn hợp trong thiết bị được khuấy trộn hoàn toàn.
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
114
C
x
H
y
O
z
+ O
2
Enzyme
CO
2
+ H
2
O (+∆H)
C
x
H

y
O
z
+ NH
3
+ O2
Enzyme
Tế bào vi khuẩn + CO
2
+ H
2
O + C
5
H
7
NO
2
(-∆H)
C
5
H
7
NO
2
+ 5O2
Enzyme
5CO
2
+ 2H
2

O + NH
3
(±∆H)
Q
S
o
X
o
Q
S
X
V, X, S
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Thiết lập cân bằng vật chất cho sinh khối
Tích lũy = Vào – Ra + Sinh trưởng
- Ở trạng thái ổn định
+ Ө: thời gian lưu nước.
- Nồng độ cơ chất của nước thải sau xử lý:
Thiết lập cân bằng theo cơ chất:
Tích lũy = Vào – Ra – Tiêu thụ
- Ở trạng thái ổn định:
- Nồng độ sinh khối trong nước thải sau xử lý:
Xác định thông số động học:
Từ
Hay
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
115
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Từ
Hay

b. Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn và có tuần hoàn
Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time – HRT)
- Tại bể thổi khí
- Đối với cả hệ thống
Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time)
Giả thiết
- Hỗn hợp trong bể thổi khí được khuấy trộn hoàn toàn;
- Quá trình phân hủy sinh học chỉ xảy ra trong bể thổi khí.
Thiết lập cân bằng cho sinh khối
Tích lũy = Vào – Ra + Sinh trưởng
- Ở trạng thái ổn định
- Nồng độ cơ chất của nước thải sau xử lý
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
116
Q
S
o
X
o
Q
e
S
e
X
e
V, X, S
Bể
lắng
Q
r

, X
r
Q
w
, X
r
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Cân bằng cơ chất
Tích lũy = Vào – Ra – Tiêu thụ
- Ở trạng thái ổn định
- Nồng độ sinh khối trong nước thải sau xử lý:
5.4.2 Tính toán thiết kế bể thổi khí (Aerotank)
Bể thổi khí thường được làm bằng bê tông cốt thép với bề mặt thoáng tiếp xúc với
không khí. Đối với trạm xử lý công suất 0.22 – 0.44 m
3
/s
nên thiết kế hệ thống gồm 4 bể thổi khí để thuận tiện trong
vận hành và bảo trì bảo dưỡng. Những trạm xử lý công
suất lớn hơn 2.2 m
3
/s sẽ có từ 6 bể thổi khí trở lên.
Nếu sự dụng phương pháp cung cấp oxy bằng cách
khuếch tán khí, cấu trúc bể sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu
quả thổi khí và mức độ khuấy trộn. Trong trường hợp này,
chiều dày lớp nước trong bể phải dao động trong khoảng
4.5 – 7.5 m nhằm tạo điều kiện tăng tối đa hiệu quả của hệ
thống khuếch tán khí. Chiều cao an toàn thường dao động trong khoảng 0.3 – 0.6 m tính
từ mặt thoáng của lớp nước. Tỷ lệ giữa chiều rộng và độ sâu đóng vai trò quan trọng nếu
sử dụng hình thức khuấy trộn dạng dòng chảy xoắn ốc. Trong những bể thổi khí này, tỷ lệ
giữa chiều rộng và độ sâu bể thổi khí dao động trong khoảng 1.0:1.0 – 2.2:1.0 với giá trị

đặc trưng là 1.5:1.0.
Đối với các bể sử dụng hệ thống thổi khí cơ học, thuận tiện nhất là sử dụng một
máy thổi khí cho một bể. Tuy nhiên, tùy theo chiều dài và chiều rộng của từng bể thổi khí
mà bố trí đủ máy thổi khí cho các bể. Đối với các bể này, chiều cao an toàn của bể thổi
khí dao động trong khoảng 1.0 – 1.5 m. Kích thước đặc trưng của các bể thổi khí sử dụng
máy thổi khí được trình bày tóm tắt trong bảng 5.2.
Bảng 5.2 Kích thước đặc trưng của các bể thổi khí sử dụng máy thổi khí
Công suất máy thổi khí
(kW)
Độ sâu bể
(m)
Chiều rộng bể
(m)
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
117
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
7.5 3.0 – 3.6 9.0 – 12.0
15.0 3.6 – 4.2 10.5 – 15.0
22.5 3.9 – 4.5 12.0 – 18.0
30.0 3.6 – 5.1 13.5 – 20.0
37.5 4.5 – 5.5 13.5 – 23.0
56.0 4.5 – 6.0 15.0 – 26.0
75.0 4.5 – 6.0 18.0 – 27.0
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.
Tính toán thể tích bể
Xác định dung tích bể theo tỷ số F/M (khối lượng cơ chất/khối lượng bùn hoạt tính)
+ Q: lưu lượng nước cần xử lý (m
3
/ngày);
+ S

0
: nồng độ BOD
5
trong nước thải (mg/L);
+ X: nồng độ bùn hoạt tính (tính bằng VSS) (mg/L);
+ F/M: mg BOD
5
/mg bùn.
Xác định dung tích bể theo tốc độ sử dụng cơ chất của 1 gam bùn hoạt tính trong 1 đơn
vị thời gian
+ a: nồng độ bùn trong bể thổi khí (mg/L);
+ Z: độ tro của cặn, thường là 0.3 mg/mg.
Xác định dung tích bể theo thời gian lưu bùn
+ Ө
c
: thời gian lưu bùn (ngày);
+ k
d
: hệ số phân hủy nội bào (ngày
-1
);
+ Y: hệ số thu hoạch (mg bùn/mg BOD
5
bị tiêu thụ).
Xác định dung tích bể theo tải trọng cơ chất (kg BOD
5
/m
3
.ngđ)
+ L

a
: tải trọng chất hữu cơ tính trên một đơn vị thể tích bể (kg BOD
5
/m
3
.ngđ).
Đối với một loại nước thải mới, cần nghiên cứu trong mô hình phòng thí nghiệm
để xác định các thông số động học cần thiết cho việc tính toán thiết kế. Trong trường hợp
không thể triển khai mô hình phòng thí nghiệm, có thể tham khảo các thông số trong
bảng 5.3 và 5.4.
Bảng 5.3 Thông số điển hình tính toán thiết kế bể thổi khí
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
118
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Loại và chức
năng của
Aerotank
Thời gian
lưu bùn
(ngày)
F/M
Tải trọng (kg
BOD
5
/m
3
.ngđ)
Nồng độ
bùn trong
bể (mg/L)

Thời gian
lưu nước
(giờ)
Tỷ lệ tuần
hoàn
Có dòng chảy
đều (plug
aerotank)
3 – 15
0.2 –
0.6
0.32 – 0.64
1000 –
3000
4 – 8
0.25 –
0.75
Khuấy trộn
hoàn toàn
0.75 – 15
0.2 –
1.0
0.80 – 1.90
800 –
4000
3 – 5
0.25 –
1.00
Nạp nước thải
theo cấp

3 – 15
0.2 –
0.5
0.64 – 0.96
1500 –
3500
3 – 5
0.25 –
0.75
Khử BOD
5

kết hợp nitrate
hóa
8 – 20
0.1 –
0.2
0.08 – 0.32
1500 –
3000
6 – 15
0.50 –
1.50
Nitrate hóa
bằng bể riêng
biệt
15 – 100
0.05
– 0.2
0.048 – 0.14

1500 –
3000
3 – 6
0.50 –
2.00
Xử lý theo mẻ
kế tiếp nhau
10 – 30
0.04
– 0.1
0.08 – 0.24
2000 –
5000
12 – 50
Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000.
Bảng 5.4 Hệ số động học của quá trình bùn hoạt tính hiếu khí
Hệ số Đơn vị Khoảng giá trị Giá trị đặc trưng
µ
m
g VSS/g VSS.d 3.0 – 13.2 6.00
K
s
g bCOD/m
3
5.0 – 40.0 20.00
Y g VSS/g bCOD 0.30 – 0.50 0.40
k
d
g VSS/g VSS.d 0.06 – 0.20 0.12
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.

Bảng 5.5 Hệ số động học của quá trình bùn hoạt tính hiếu khí thực hiện nitrate hóa
Hệ số Đơn vị Khoảng giá trị Giá trị đặc trưng
µ
mn
g VSS/g VSS.d 0.20 – 0.90 0.75
K
sn
g NH
4
-N/m
3
0.50 – 1.00 0.74
Y
n
g VSS/g NH
4
-N 0.10 – 0.15 0.12
k
dn
g VSS/g VSS.d 0.05 – 0.15 0.08
K
0
g/m
3
0.40 – 0.60 0.50
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.
Các bước tính toán thiết kế hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí để xử lý BOD và thực hiện
các quá trình nitrate hóa
1. Thu thập/xác định đặc tính nước thải cần xử lý;
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011

119
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
2. Xác định đặc tính nước thải yêu cầu sau xử lý, đặc biệt các thông số NH
4
-N, TSS và
BOD;
3. Chọn hệ số an toàn đối với quá trình nitrate hóa để thiết kế thời gian lưu bùn trên cơ
sở TKN cực đại/trung bình. Hệ số an toàn có thể dao động trong khoảng 1.3 – 2.0;
4. Chọn nồng độ DO tối thiểu cần duy trì trong bể thổi khí. Nồng độ DO thấp nhất cần
thiết cho quá trình nitrate hóa là 2.0 mg/L;
5. Xác định tốc độ tăng trưởng đặc biệt cực đại đối với quá trình nitrate hóa (µ
m
) theo
nhiệt độ và nồng độ DO trong bể thổ khí và tính K
n
;
6. Xác định tốc độ tăng trưởng đặc biệt µ và thời gian lưu bùn ở tốc độ này để đạt nồng
độ NH
4
-N trong nước thải sau xử lý;
7. Xác định giá trị thời gian lưu bùn thiết kế bằng cách áp dụng hệ số an toàn ở bước 6;
8. Xác định tốc độ phát triển sinh khối;
9. Lập cân bằng ni tơ để tính NO
x
, nồng độ NH
4
-N bị oxi hóa;
10.Tính khối lượng VSS và TSS trong bể thổi khí;
11.Chọn nồng độ NLSS thiết kế và xác định thể tích bể thổi khí và thời gian lưu nước;
12.Xác định tổng lượng bùn phát sinh và hệ số Y

obs
:
13.Tính toán nhu cầu oxy;
14.Xác định độ kiềm cần hiệu chỉnh;
15.Thiết kế bể lắng đợt 2;
16.Thiết kế hệ thống thổi khí;
17.Tóm tắt chất lượng nước sau xử lý;
18.Tổng kết số liệu thiết kế vào bảng số liệu.
Tuần hoàn bùn hoạt tính
Xác định lưu lượng tuần hoàn bùn theo phương trình
Q
v
X
o
+ Q
t
X
t
= (Q
v
+ Q
t
)X
Trong thực tế nồng độ bùn trong nước thải đi vào bể X
o
là không đáng kể, ta có:
+ α: tỷ lệ tuần hoàn;
+ Q
v
: lưu lượng nước thải đi vào công trình xử lý (m

3
/h);
+ Q
t
: lưu lượng hỗn hợp bùn tuần hoàn lại (m
3
/h);
+ X: nồng độ bùn hoạt tính cần duy trì trong bể thổi khí (mg/L);
+ X
t
: nồng độ bùn hoạt tính trong hỗn hợp tuần hoàn hay sau khi lắng ở đáy bể lắng
2 (mg/L);
Xả bùn dư
Lượng bùn dư phải xả được tính dựa trên thời gian lưu bùn
+ Q
x
: lưu lượng bùn xả (m
3
/ngày);
+ V: thể tích bể aerotank (m
3
);
+ X
t
: nồng độ bùn hoạt tính trong dòng tuần hoàn (mg/L);
+ X: nồng độ bùn hoạt tính trong .bể aerotankn (mg/L);
+ X
ra
: nồng độ bùn hoạt tính trong nước ra khỏi bể lắng (mg/L);
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011

120
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
+ Q
ra
: lưu lượng nước đã xử lý ra khỏi bể lắng (m
3
/ngày);
+ Ө
c
: thời gian lưu bùn (ngày).
Lượng bùn sinh ra hàng ngày
Hệ số tính đến lượng bùn sinh ra hàng ngày
Theo tiêu chuẩn thiết kế của Nga và tiêu chuẩn ngành của Việt Nam, tổng lượng bùn sinh
ra có thể xác địnmh theo công thức:
M
bùn
= 0.8 (SS) + 0.3 (BOD
5
)
+ SS: lượng cặn lơ lửng trong nước thải (kg/ngày);
+ BOD
5
: lượng BOD
5
(kg/ngày).
5.4.3 Phân loại bể aerotank theo sơ đồ vận hành
Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình
phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Sục khí
liên tục nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì
bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Nồng độ oxy hòa tan trong nước ở bể lắng đợt 2 không

được nhỏ hơn 2 mg/L. Tốc độ sử dụng oxy hòa tan trong bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào:
- Tỷ số giữa lượng thức ăn (chất hữu cơ có trong nước thải) và lượng vi sinh vật: tỷ
lệ F/M;
- Nhiệt độ;
- Tốc độ sinh trưởng và hoạt độ sinh lý của vi sinh vật;
- Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất;
- Lượng các chất cấu tạo tế bào;
- Hàm lượng oxy hòa tan.
Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cần
phải hiểu rõ vai trò quan trọng của quần thể vi sinh vật. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy
các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới,
chỉ một phần chất hữu cơ bị oxi hóa hoàn toàn thành CO
2
, H
2
O, NO
3
-
, SO
4
2-
,…Một cách
tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm Pseudomonas,
Zoogloea, Achromobacter, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và
hai loại vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas và Nitrobacter. Thêm vào đó, nhiều loại vi
khuẩn dạng sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum cũng
tồn tại.
Yêu cầu chung khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưa vào hệ
thống cần có hàm lượng SS không được vượt quá 150 mg/L, hàm lượng dầu mỡ không
quá 25 mg/L, pH = 6.5 – 8.5, nhiệt độ 6

o
C < t
o
C < 37
o
C. Một số sơ đồ hệ thống bùn hoạt
tính sinh trưởng lơ lửng được trình bày trong hình 5.2.
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
121
Bể
lắng
Bể
lắng
Nước thải
Bùn
Bể thổi khí
Bùn thải
Tuần hoàn bùn
Nước sau
xử lý
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
a.Quá trình bùn hoạt tính hiếu khí cổ điển với dòng chảy nút (Conventional plug-flow
activated process)
b. Quá trình bùn hoạt tính hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn (Complete-mix acxtivated
process)
c. Sơ đồ bể aerotank nạp theo bậc
Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí.
5.5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ DẠNG
MẺ
Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu

làm đầy và xả cạn. Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt tính
hoạt động liên tục chỉ có điều tất cả xảy ra trong cùng một bể và được thực hiện lần lượt
theo các bước: (1) – Làm đầy; (2) – Phản ứng; (3) – Lắng; (4) – Xả cạn; (5) – Ngưng. Sơ
đồ hệ thống SBR được trình bày trong hình 5.3.
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
122
Bể
lắng
Bể
lắng
Nước thải
Bùn
Bùn thải
Tuần hoàn bùn
Nước sau
xử lý
Làm đầy Phản ứng Lắng Xả nước Ngưng
Nước sau xử lý
Bể
lắng
Bể
lắng
Nước thải
Máy thổi khí
Bùn thải
Tuần hoàn
bùn
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Hình 5.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống SBR.
Khi thiết kế bể SBR, không cần xây dựng bể điều hòa, bể lắng 1 và bể lắng 2.

Nước thải chỉ cần qua song chắn rác, bể lắng cát và bể tách dầu nếu cần, rồi nạp thẳng
vào bể. Số lượng bể, thời gian nạp vào từng bể phụ thuộc vào công suất và sự dao động
theo thời gian của lượng nước thải. Bể SBR luân phiên (liên tục) có thể khử được N và P
khi vận hành theo đúng các quy trình hiếu khí, thiếu khí và kị khí.
Các thông số cần thiết khi tính toán thiết kế
- Đặc tính nước thải;
- Thời gian lấy nước vào bể, thời gian thổi khí, thời gian lắng, thời gian xả nước;
- Thông số động học: F/M, Y;
- Nồng độ cặn trong phần chứa bùn;
- Thể tích nước được tháo khỏi bể sau mỗi chu kỳ;
- Chu kỳ xả bùn.
Cần xác định
- Dung tích hữu ích của bể;
- Lượng bùn tích lũy trong bể (theo chu kỳ xả bùn);
- Thể tích chứa bùn trong bể;
- Chiều cao an toàn từ lớp bùn đến mực nước phải xả;
- Chiều cao của lớp nước trong đã lắng trên lớp bùn;
- Lượng oxy cần thiết để khử BOD5 và lượng không khí cần vung cấp;
- Hệ thống cấp khí.
Các bước tính toán hệ thống SBR
1. Thu thập/xác định đặc tính nước thải cần xử lý;
2. Chọn số lượng bể SBR;
3. Chọn thời gian thổi khí, thời gian lắng và thời gian xả nước. Tính thời gian xả
nước vào hệ thống và tổng thời gian của một chu kỳ. Xác định số chu kỳ trong một
ngày;
4. Từ giá trị tổng số chu kỳ có thể hoạt động trên ngày, xác định thể tích nước thải có
thể xử lý trong hệ thống cho mỗi chu kỳ;
5. Chọn nồng độ MLSS và xác định tỷ lệ thể tích nước nạp vào bể so với tổng thể
tích bể. Xác định độ sâu của lớp nước sẽ được xả sau khi lắng. Với giá trị độ sâu tính
toán, xác định thể tích chứa bùn;

6. Xác định thời gian lưu bùn của thể tích SBR đã thiết kế;
7. Xác định tổng lượng TKN đã được nitrate hóa;
8. Tính nồng độ vi sinh vật cần để thực hiện quá trình nitrate hóa và xác định xem
thời gian thổi khí đã chọn có đủ để quá trình nitrate hóa xảy ra hiệu quả;
9. Hiệu chỉnh các giá trị thiết kế cần thiết;
10. Xác định tốc độ bơm xả nước sau xử lý;
11. Xác định lượng oxy cần thiết và tốc độ truyền khí trung bình;
12. Tính tỷ số F/M và tải trọng thể tích theo BOD;
13. Kiểm tra độ kiềm cần thiết;
14. Tổng kết số liệu thiết kế vào bảng số liệu.
5.6 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG MƯƠNG OXI HÓA
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
123
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Mương oxi hóa là dạng cải tiến của aerotank khuấy trộn hoàn toàn, làm việc theo
chế độ làm thoáng kéo dài, hỗn hợp bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động
tuần hoàn liên tục trong mương.
Khi thiết kế mương oxi hóa, áp dụng các công thức tính toán bể aerotank để xác định thể
tích của mương theo các thông số sau:
Thông số Ký hiệu Đơn vị Khoảng giá trị
Tỷ số cơ chất/vi sinh vật F/M kgBOD
5
/kgbùnhoạt tính.ngày 0.04 – 0.10
Nồng độ bùn hoạt tính X mg/L 2000 – 5000
Hệ số tuần hoàn bùn α = Q
t
/Q 1 – 2
Thời gian lưu nước trong
mương
HRT giờ 24 – 36

Thời gian lưu bùn
θ
ngày 15 – 50
Tốc độ nitrate hóa mg TKN/mg bùn.ngày 0.2 – 0.8
Tốc độ khử nitrate mg NO
3
-
/mgbùn.ngày ở 20
o
C 0.1 – 0.4
Vận tốc của hỗn hợp dòng
chảy tuần hoàn trong mương
v m/s. ≥ 0.25 – 0.3
Mương oxi hóa có thể xây bằng bê tông cốt thép hoặc bằng mương thành đất, mặt
trong ốp đá, láng xi măng hoặc nhựa đường. Nếu mương được làm bằng vật liệu không
phải bê tông cốt thép thì tại chỗ đặt các thiết bị làm thoáng cũng phải xây bằng bê tông
cốt thép để đảm bảo độ bền và độ ổn định.
Mương có mặt cắt ngang của mương có thể hình chữ nhật, hình thang. Chiều sâu
của mương tùy thuộc vào công suất bơm của thiết bị làm thoáng để đảm bảo khuấy trộn
và cấp khí đều, đồng thời tạo vận tốc tuần hoàn chảy dọc mương v ≥ 0.25 – 0.3 m/s, có
thể chọn H = 1 – 4 m. Chiều rộng trung bình của mương thường trung bình từ 2 – 6 m.
Ở những nơi không đủ chiều dài, bố trí mương theo hình zíc zắc, tại khu vực hai
đầu mương khi dòng nước đổi chiều, tốc độ nước chảy nhanh ở phía ngoài, chậm ở phía
trong làm cho bùn lắng lại, giảm hiệu quả xử lý. Do đó phải xây các tường hướng dòng
tại hai đầu mương để tăng tốc độ nước ở phía trong.
5.7 CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ DẠNG TĂNG TRƯỞNG
DÍNH BÁM
5.7.1 Tính toán thiết kế bể lọc nhỏ giọt (Trickling Filter)
Vật liệu lọc
Vật liệu lọc có thể bằng đá, than, xỉ, plastic.

- Đá
+ d = 10 – 25 mm;
+ Chiều cao lớp vật liệu lọc dao động trong khoảng 0.9 – 2.5 m và thường là 1.8 m.
- Plastic
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
124
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
+ Chiều cao lớp vật liệu lọc dao động trong khoảng 6 – 9 m và được gọi là tháp lọc sinh
học.
Hệ thống phân phối nước
- Sử dụng nguyên tắc phản lực;
- Áp lực tại vòi phun từ 0.5 – 0.7 m;
- Vận tốc phụ thuộc vào lưu lượng và thường bằng 1 vòng/10 phút;
- Khoảng cách từ lớp vật liệu lọc đến vòi phun từ 0.2 – 0.3 m.
Tốc độ quay của dàn phân phối nước được xác định theo công thức sau:
+ n: tốc độ vòng quay (vòng/phút);
+ q: tải trọng thủy lực của dòng vào (m
3
/m
2
.h);
+ R: tỷ số tuần hoàn;
+ A: số lượng đường ống phân phối của hệ thống phân phối nước;
+ DR: tốc độ tính bằng mm/đường ống phân phối.
Sàn đỡ
- Sàn đỡ được thiết kế sao cho phải thu nước đều;
- Phân phối đều khí;
- Khoảng cách từ sàn đến đáy dao động trong khoảng 0.6 – 0.8 m;
- Đáy bể dốc 1 – 2% về máng thu trung tâm;
- Tường giữa đáy và sàn phân phối có đặt cửa sổ thông gió. Tổng diện tích cửa số

chiếm 20% diện tích sàn.
Cấp khí
- Cấp khí tự nhiên phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ
+ Nhiệt độ của nước thấp hơn nhiệt độ của không khí, khi đó nhiệt độ khí trong lỗ rỗng
thấp nên khí sẽ đi từ trên xuống và ngược lại;
+ Khi nhiệt độ nước bằng nhiệt độ không khí, sẽ không có sự trao đổi khí nên cần thổi
khí với tốc độ 0.3 m
3
/m
2
.phút.
Thiết kế Trickling Filter
+ S
e
: BOD
5
tc
của nước thải sau lắng;
+ S
i
: BOD
5
tc
của nước thải vào bể trickling filter;
+ k
20
: hằng số phụ thuộc độ sâu của bể ở 20
o
C (gal/ft)
n

ft;
+ D: độ sâu (ft);
+ Q
v
: lưu lượng tính trên một đơn vị thể tích bể trickling filter (gal/phút.ft
2
) = Q/A;
+ Q: lưu lượng qua trickling filter, không tuần hoàn (gal/phút);
+ A: diện tích tiết diện của trickling filter (ft
2
);
+ n: hệ số thực nghiệm, n = 0.5.
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
125
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
+ k
2
: hằng số ứng với trickling filter có D
2
;
+ k
1
: hằng số ứng với trickling filter có D
1
;
+ D
1
: độ sâu của trickling filter 1;
+ D
2

: độ sâu của trickling filter 2;
+ x = 0.5 khi vật liệu là đá và dòng chảy theo phương thẳng đứng;
+ x = 0.3 khi vật liệu là plastic và dòng chảy theo phương ngang.
Bảng 5.6 Giá trị k
20
đối với tháp trickling filter có độ sâu 20 ft, vật liệu lọc bằng plastic
Loại nước thải K (gal/phút.ft)
0.5
Nước thải sinh hoạt 0.065 – 0.10
Nước thải sinh hoạt + Nước thải thực phẩm 0.060 – 0.08
Nước thải chế biến trái cây đóng hộp 0.020 – 0.05
Nước thải chế biến thịt 0.030 – 0.05
Nước thải giấy 0.020 – 0.04
Nước thải chế biến khoai tây 0.035 – 0.05
Nước thải nhà máy lọc dầu 0.020 – 0.07
Hiệu quả khử BOD
5
+ E: hiệu quả khử BOD
5
của trickling filter và bể lắng 2;
+ W: tải trọng BOD
5
của trickling filter (kg/ngđ);
+ V: thể tích vật liệu lọc (m
3
);
+ F: hệ số tuần hoàn nước
+ R = Q
T
/Q, trong đó Q

T
là lưu lượng tuần hoàn và Q là lưu lượng xử lý.
Bảng 5.7 Các thông số thiết kế trickling filter
Thông số Đơn vị Tải trong thấp Tải trong cao
Chiều cao lớp vật liệu lọc (VLL) M 1 – 3
0.9 – 2.5 (đá)
6 – 8 (plastic)
Loại vật liệu lọc Đá, than Đá, than, plastic
Tải trọng chất hữu cơ kgBOD
5
/m
3
VLL.ngđ 0.08 – 0.40 0.40 – 1.60
Tải trọng thủy lực m
3
/m
2
.ngđ 1.0 – 4.1 4.1 – 40.7
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
126
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Hệ số tuần hoàn 0 – 1.0 0.5 – 2.0
Tải trọng thủy lực bể lắng 2 m
3
/m
2
.ngđ 25 16
Hiệu quả khử BOD
5
sau trickling

filter và bể lắng 2
% 80 – 90 65 – 85
Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải có sử dụng trickling filter được trinh bày trong hình 5.4.
a. Trickling filter tải trọng thấp.
b. Trickling filter tải trọng thấp hoặc cao (khi cần chuyển hóa N-NH
3
thành NO
3
-
, tải
trọng thấp)
c. Trickling filter với dàn phun liên tục.
Hình 5.4 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải có sử dụng trickling filter.
Đối với hệ thống trickling filter hai bậc, hiệu quả khử BOD của bậc thứ hai được tính
theo công thức sau:
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
127
Nước thải
Bể lắng 1 Trickling Filter Bể lắng 2
Nước thải sau xử lý
Bùn
Dự
phòng
Tuần hoàn nước
Bùn
Xả bùn
Nước thải
Bể lắng 1 Trickling Filter Bể lắng 2
Nước thải sau xử lý
Bùn

Tuần hoàn nước
Bùn
Xả bùn
Nước thải
Bể lắng 1 Trickling Filter Bể lắng 2
Nước thải sau xử lý
Bùn
Tuần hoàn nước
Bùn
Xả bùn
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
+ E
1
: hiệu quả khử BOD của bể trickling filter thứ 1 (%);
+ E
1
: hiệu quả khử BOD của bể trickling filter thứ 2 (%);
+ W
2
: tải trọng BOD của bể trickling filter thứ 2 (kg.ngđ).
Ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải đến hiệu quả khử BOD có thể được tính theo công
thức sau:
E
T
= E
20
(1.035)
T-20
+ E
T

: hiệu quả khử BOD ở nhiệt độ T (%);
+ E
20
: hiệu quả khử BOD ở nhiệt độ 20
o
C (%).
5.7.2 Xử lý nước thải bằng đĩa tiếp xúc sinh học (RBC)
5.7.2.1 Tổng quan
Đĩa tiếp xúc sinh học đầu tiên được lắp đặt ở Tây Đức vào năm 1960, sau đó du
nhập sang Mỹ. Ở Mỹ và Canada, 70% số đĩa tiếp xúc sinh học được dùng để khử BOD
của các hợp chất carbon, 25% dùng để khử BOD của các hợp chất carbon kết hợp với
nitrate hóa nước thải, 5% dùng để nitrate hóa nước thải sau quá trình xử lý thứ cấp.
Đĩa sinh học gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng bằng polystyrene hoặc polyvinylclorua
(PVC) lắp trên một trục. Các đĩa được đặt ngập trong nước một phần và quay chậm.
Trong quá trình vận hành, vi sinh vật sinh trưởng, phát triển trên bề mặt đĩa hình thành
một lớp màng mỏng bám trên bề mặt đĩa. Khi đĩa quay, lớp màng sinh học tiếp xúc với
chất hữu cơ trong nước thải và với khí quyển để hấp thụ oxy. Đĩa quay sẽ ảnh hưởng đến
sự vận chuyển oxy và bảo đảm cho vi sinh vật tồn tại trong điều kiện hiếu khí.
5.7.2.2 Thiết kế
Để thiết kế đĩa tiếp xúc sinh học cần lưu ý các thông số sau: cách sắp xếp các đĩa
tiếp xúc sinh học, lưu lượng nạp, chất lượng nước thải đầu ra và nhu cầu của bể lắng thứ
cấp.
Cách sắp xếp đĩa tiếp xúc sinh học: người ta dùng các vách ngăn để chia bể xử lý
thành nhiều ngăn, mỗi ngăn có một đĩa sinh học hoạt động độc lập hoặc sử dụng nhiều bể
chứa các đĩa sinh học nối tiếp nhau. Người ta thường sử dụng các hệ thống xử lý từ ba
giai đoạn đĩa sinh học trở lên, việc sử dụng nhiều giai đoạn đĩa sinh học nhằm nitrate hóa
nước thải.
Lưu lượng nạp: lưu lượng nạp rất quan trọng đối với hiệu suất của đĩa sinh học,
nạp quá tải sẽ làm thiếu DO cần thiết cho quá trình, sinh mùi thối do khí H
2

S, sinh ra
nhiều vi sinh vật hình sợi làm giảm diện tích tiếp xúc bề mặt.
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
128
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Bảng 5.8 Các giá trị tham khảo để thiết kế hệ thống xử lý bằng đĩa sinh học.
Thông số
Cấp xử lý
Thứ cấp Kết hợp nitrate hóa Nitrate hóa riêng biệt
Lưu lượng nước thải nạp gal/ft
2
.d 2.0 – 4.0 0.75 – 2.00 1.0 – 2.5
Lưu lượng chất hữu cơ nạp
lb SBOD
5
/10
3
ft
2
.d 0.75 – 2.0 0.5 – 1.5 0.1 – 0.3
lb TBOD
5
/10
3
ft
2
.d 2.0 – 3.5 1.5 – 3.0 0.2 – 0.6
Lưu lượng nạp tối đa cho giai đoạn 1
lb SBOD
5

/10
3
.d 4 – 6 4 – 6
lb TBOD
5
/10
3
.d 8 – 12 8 – 12
Lưu lượng nạp NH
3
lb/10
3
ft
2
.d - 0.15 – 0.3 0.2 – 0.4
Thời gian lưu tồn nước (giờ) 0.7 – 1.5 1.5 – 4.0 1.2 – 2.9
BOD
5
nước thải sau xử lý mg/L 15 – 30 7 – 15 7 – 15
NH
3
nước thải sau xử lý mg/L - < 2 1 – 2
Nguồn: Metcalf & Eddy, 1991. (gal/ft
2
.d x 0.0407 = m
3
/m
2
.d; lb/10
3

ft
2
.d x 0.0049 =
kg/m
2
.d.)
Các thiết bị cơ khí cho đĩa sinh học
Trục quay. Trục quay dùng để gắn kết các đĩa sinh học bằng plastic và quay
chúng quanh trục. chiều dài tối đa của trục quay là 27 ft (8.23 m) trong đó 25 ft (7.62 m)
dùng để gắn các đĩa sinh học. Các trục quay ngắn hơn biến thiên từ 5 – 25 ft (1.52 – 7.62
m). Cấu trúc, đặc điểm của trục quay và cách gắn các đĩa sinh học vào trục phụ thuộc vào
cơ sở sản xuất.
Đĩa sinh học. Đĩa sinh học được sản xuất từ PE có nhiều nếp gấp để tăng diện tích
bề mặt. Tùy theo diện tích bề mặt người ta chia làm ba loại: loại có diện tích bề mặt thấp
(9290 m
2
/8.23 m trục), loại có diện tích bề mặt trung bình và loại có diện tích bề mặt cao
(11149 - 16723 m
2
/8.23 m trục).
Thiết bị truyền động. Thiết bị truyền động để quay các đĩa sinh học người ta có
thể dùng moteur truyền động gắn trực tiếp với trục hoặc dùng bơm nén khí. Trong trường
hợp dùng bơm nén khí các đầu phân phối khí đặt ngầm trong bể, thổi khí vào các chiết
tách hứng khí tạo thành lực đẩy làm quay đĩa sinh học. Bơm nén khí vừa quay đĩa vừa
cung cấp thêm oxy cho quá trình. Cả hai loại này đều có độ tin cậy cao.
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
129
Nước thải
đầu vào
Bộ phận truyền động

Trục RBC
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
130
Vách ngăn
Nước thải
đầu vào
Nước thải
đầu ra
Vách ngăn
Nước thải
đầu vào
Nước thải
đầu ra
Nước thải
đầu vào
Nước thải
đầu ra
Bùn
Bể lắng
1 2 3 4
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Hình 5.5. Cách sắp xếp RBC.
Bể chứa đĩa sinh học. Bể chứa có thể tích 45.42 m
3
cho 9290 m
2
đĩa sinh học, lưu
lượng nạp 0.08 m
3

/m
2
.d thông thường độ sâu của nước là 1.52 m và 40% diện tích đĩa
sinh học ngập trong nước thải.
Mái che. Mái che có thể làm bằng tấm sợi thủy tinh, có nhiệm vụ bảo vệ đĩa sinh
học khỏi bị hư hại bởi tia UV và các tác nhân vật lý khác, giữ nhiệt cần thiết cho quá
trình, khống chế sự phát triển của tảo.
Các sự cố trong vận hành bao gồm trục quay bị hỏng do thiết kế kém, sự mỏi
kim loại, quá nhiều vi sinh vật bám trên đĩa. Đĩa sinh học bị hư do tiếp xúc với nhiệt, các
dung môi hữu cơ, tia UV. Ổ bi bị kẹt do thiếu mỡ bò. Mùi hôi do lưu lượng nạp chất hữu
cơ quá cao. Để giải quyết các vấn đề trên hiện nay người ta có khuynh hướng đặt các đĩa
sinh học sâu hơn trong nước thải để làm giảm tải trọng của trục và ổ bi.
Bảng 5.8 Các thông số thiết kế đặc trưng của bể RBC
Thông số
Cấp xử lý
Đơn vị Khử BOD
Khử BOD và
nitrate hóa
Nitrate hóa
riêng biệt
Tải trọng thủy lực M
3
/m
2
ngđ 0.08 – 0.16 0.03 – 0.08 0.04 – 0.10
Tải trọng hữu cơ
g
SBOD/m
2
ngđ

4 – 10 2.5 – 8.0 0.5 – 1.0
g BOD/m
2
ngđ 8 – 20 5 – 16 1 – 2
Tải trọng hữu cơ cực
đại của bể xứ lý thứ 1
g
SBOD/m
2
ngđ
12 – 15 12 – 15
g BOD/m
2
ngđ 24 – 30 24 – 30
Tải trọng NH
3
g N/m
2
ngđ 0.75 – 1.50
Thời gian lưu nước h 0.7 – 1.5 1.5 – 4.0 1.2 – 3.0
BOD sau xử lý mg/L 15 – 30 7 – 15 7 – 15
NH
4
-N sau xử lý mg/L < 2 1 - 2
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.( g/m
3
ngđ x 0.0624 = lb/10
3
ft
3

ngđ)
Các bước tính toán thiết kế
1. Xác định nồng độ sBOD của nước thải trước và sau khi xử lý, lưu lượng cần xử lý;
2. Xác định diện tích bể RBC xử lý bậc 1 dựa trên sBOD cực đại từ 12–
15gsBOD/m
3
ngđ;
3. Xác định số trục RBC, sử dụng mật độ đĩa tiêu chuẩn 9300 m
2
/trục;
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
131
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
4. Chọn số dãy (ngăn) để thiết kế, lưu lượng vào mỗi ngăn, số bậc xử lý và diện tích
đĩa/trục của mỗi bậc xử lý. Đối với những bậc xử lý tải trọng thấp hơn, mật độ đĩa sẽ
cao hơn;
5. Dựa trên giả thiết thiết kế ở bước 4, tính nồng độ sBOD ở mỗi bậc. Xác định nồng độ
sBOD sau xử lý có đạt u cầu đặt ra khơng. Nếu chưa đạt, thay đổi số bậc xử lý, số
trục/mỗi bậc và /hoặc diện tích đĩa của mỗi bậc xử lý. Nếu sBOD sau xử lý đã đạt u
cầu, đánh giá các thơng số thiết kế tối ưu;
6. Thiết kế bể lắng 2;
7. Thống kê kết quả thiết kế thành bảng.
C. CÁC CƠNG TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ
5.8 TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỂ UASB
5.8.1 Cấu tạo
Đây là một
trong
những q
trình kị khí
được ứng

dụng rộng
rãi nhất
trên thế
giới do hai
đặc điểm
chính sau:
- Cả ba
q
trình,
phân
hủy –
lắng
bùn –
tách
khí,
được
lắp đặt
trong
cùng
một
cơng
trình;
- Tạo
thành
các loại
bùn hạt
có mật
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
132
Lan can bảo vệ

Ống thu nước sau xử
lý
Sàn công tác
Máng thu
nước dạng
răng cưa
Thiết bò tách
pha khí – lỏng -
rắn
Vách hướng
dòng hình côn
Cầu thang
Vỏ thiết bò
Hỗn hợp
nước thải
Lớp bùn kỵ khí
Ống bơm nước
vào thiết bò UASB
Bộ phận phân
phối đều lưu
lượng nước thải
Ống thoát
khí
Bình hấp
thụ khí
Bọt khí
Dung dòch
NaOH
5%
Ống dẫn khí

Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo UASB.
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ
lửng.
Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học kị khí sử dụng UASB còn có những ưu điểm so với
quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành;
- Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn;
- Bùn sinh ra dễ tách nước;
- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng;
- Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methane;
- Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kị khí có thể hồi phục và hoạt được sau một
thời gian ngưng nạp liệu.
Sơ đồ bể UASB được trình bày trong hình 5.2. Nước thải được nạp liệu từ phía
đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xảy ra khi các chất hữu cơ có trong nước thải tiếp
xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kị khí (chủ yếu là CH
4
và CO
2
) sẽ tạo nên
dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt.
Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt
bể. Tại đây, quá trình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo
ống dẫn qua bồn hấp thụ chứa dung dịch NaOH 5 – 10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí
lại lắng xuống. Nước thải theo máng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0.6 – 0.9 m/h (nếu bùn ở
dạng bùn hat). pH thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí dao động trong khoảng 6.6 –
7.6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để đảm bảo pH của nước thải
luôn luôn > 6.2 vì ở pH < 6.2, vi sinh vật chuyển hóa methane không hoạt động được.
Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi

sinh vật acetate hóa (2 – 3 giờ ở 35
o
C so với 2 – 3 ngày, ở điều kiện tối ưu). Do đó, trong
quá trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acid
hóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơ rất nhiều lần so với tốc độ chuyển
hóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa.
5.8.2 Quy trình vận hành
Do tại Việt Nam chưa có loại bùn hạt nên quá trình vận hành được thực hiện với tải trọng
ban đầu khoảng 3 kg COD/m
3
.ngđ. Mỗi khi đạt đến trạng thái ổn định, tải trọng này được
tăng lên gấp đôi cho đến khi đạt tải trọng 15 – 20 kg COD/m
3
.ngđ. Thời gian này kéo dài
khoảng 3 – 4 tháng. Sau đó, bể sẽ hoạt động ổn định và có khả năng chịu quá tải, cũng
như nồng độ chất thải khá cao. Khí methane thu được có thể sử dụng cho việc đun nấu và
cung cấp nhiệt. Lượng bùn sinh ra rất nhỏ nên không cần thiết phải đặt vấn đề xử lý bùn.
Quá trình xử lý này chỉ tiêu tốn một lượng năng lượng nhỏ năng lượng dùng để bơm
nước.
5.8.3 Tính toán thiết kế
Tải trọng thể tích đặc trưng của bể UASB có thể đạt hiệu quả xử lý 85 – 95%, ở nhiệt độ
30
o
C được trình bày tóm tắt trong bảng 5.9. Tải trọng thể tích của bể UASB theo nhiệt độ
đối với COD hòa tan, có hiệu quả xử lý 85 – 95%, nồng độ bùn trung bình 25 g/L được
trình bày trong bảng 5.10. Giá trị đặc trưng của thời gian lưu nước, vận tốc dòng chảy
ngược và chiều cao thiết bị được trình bày trong các bảng 5.11 và 5.12.
Bảng 5.9 Tải trọng thể tích của bể UASB hoạt động ơ 30
o
C, hiệu quả xử lý 85 – 95%.

ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
133
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
COD nước
thải (mg/L)
Tỷ lệ COD do
cặn gây ra
Tải trọng thể tích (kg COD/m
3
.ngđ)
Bùn dạng
bông bùn
Bùn hạt, dễ
loại TSS cao
Bùn hạt, mức
độ loại SS ít hơn
1000 – 2000
0.10 – 0.30 2 – 4 2 – 4 8 – 12
0.30 – 0.60 2 – 4 2 – 4 8 – 14
0.60 – 1.00
2000 – 6000
0.10 – 0.30 3 – 5 3 – 5 12 – 18
0.30 – 0.60 4 – 8 2 – 6 12 – 24
0.60 – 1.00 4 – 8 2 – 6
6000 – 9000
0.10 – 0.30 4 – 6 4 – 6 15 – 20
0.30 – 0.60 5 – 7 3 – 7 15 – 24
0.60 – 1.00 6 – 8 3 – 8
9000 – 18000
0.10 – 0.30 5 – 8 4 – 6 15 – 24

0.30 – 0.60 3 – 7
0.60 – 1.00 3 – 7
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.
Bảng 5.10 Tải trọng thể tích của bể UASB theo nhiệt độ đối với COD hòa tan, có hiệu
quả xử lý 85 – 95%, nồng độ bùn trung bình 25 g/L
Nhiệt độ (
o
C)
Tải trọng thể tích (kg s COD/m
3
.ngđ)
Nước thải có VFA Nước thải không có VFA
Khoảng Đặc trưng Khoảng Đặc trưng
15 2 – 4 3 2 – 3 2
20 4 – 6 5 2 – 4 3
25 6 – 12 6 4 – 8 4
30 10 – 18 12 8 – 12 10
35 15 – 24 18 12 – 18 14
40 20 – 32 25 15 – 24 18
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
134
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.
Bảng 5.11 Thời gian lưu nước có thể áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt trong các thiết
bị UASB cao 4 m
Nhiệt độ
(
o
C)
Thời gian lưu nước trung

bình (giờ)
Thời gian lưu nước cực đại (giờ) tính
cho trường hợp peak flow trong 4 – 6
giờ
16 – 19 10 – 14 7 – 9
22 – 26 7 – 9 5 – 7
> 26 6 – 8 4 – 5
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.
Bảng 5.12 Vận tốc nước chảy từ dưới lên và chiều cao bể UASB
Loại nước thải
Vận tốc (m/h) Chiều cao thiết bị (m)
Khoảng Đặc trưng Khoảng Đặc trưng
Gần 100% COD hòa
tan
1.0 – 3.0 1.5 6 – 10 8
Một phần COD hòa tan 1.0 – 1.25 1.0 3 – 7 6
Nước thải sinh hoạt 0.8 – 1.0 0.7 3 – 5 5
Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003.
Tính thể tích và kích thước bể
Để xác định thể tích và kích thước bể UASB cần xem xét:
- Tải trọng hữu cơ;
- Vận tốc dòng chảy;
- Thể tích xử lý hiệu quả là thể tích chiếm chỗ bởi lớp bùn và sinh khối hoạt tính;
- Thể tích vùng lắng.
Thể tích hữu dụng tối thiểu của bể UASB được tính toán dựa trên tải trọng hữu cơ lựa
chọn:
V
n
= thể tích hữu dụng tối thiểu của bể (m
3

);
Q = lưu lượng nước thải vào bể (m
3
/h);
S
0
= nồng độ COD của nước thải trước khi xử lý (mg/L);
L
org
= tải trọng chất hữu cơ (kg COD/m
3
.ngđ).
Trong trường hợp nước thải có nồng độ COD < 2500 mg/L, có thể tính thể tích bể
theo thời gian lưu nước:
ThS. Nguyễn Ngọc Châu - draft 2 -2011
135