Tính toán thiết kế công nghệ USBF ứng dụng trong xử lý nước thải.

Chun đề
Tính tốn thiết kế cơng nghệ USBF ứng dụng trong xử lý nước
thải.
1. Mô hình bể USBF
Hình 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mô hình USBF
Ghi chú:
T1. Thùng chứa nước thải
T2. Ngăn thiếu khí (Anoxic)
T3. Ngăn hiếu khí
T4. Ngăn lắng lọc (USBF)
P1. Bơm nước thải
P2. Bơm bùn
P3. Bơm khí nén
V1. Van nước thải
V2. Van tuần hoàn bùn
V3. Van xả bùn
V4, V5: Các van khí nén
Q1. Lưu lượng kế nước thải
Q2. Lưu lượng kế bùn tuần
hoàn
Q3. Lưu lượng kế khí nén
K. Thanh phân phối khí
S1, S2, S3, S4, S5: Các vò trí
lấy mẫu
1
1
1.1 Cấu tạo mô hình
Cấu tạo mô hình được trình bày ở hình 1.1. Mô hình có thể tích 100 lit gồm có 3
module chính: ngăn thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) và ngăn lắng lọc bùn sinh học
dòng ngược (USBF). Nước thải trong thùng chứa T1 được sục khí liên tục nhằm cân bằng
nồng độ trong suốt quá trình thí nghiệm và tránh hiện tượng phân hủy kò khí gây mùi hôi. Sau

đó nước thải được máy bơm đònh lượng P1 vào ngăn thiếu khí, bơm P1 được trang bò van điều
chỉnh lưu lượng V1 và lưu lượng kế Q1 để kiểm soát lưu lượng nước thải bơm vào hệ thống.
Nước thải từ ngăn thiếu khí T2 tự chảy đến ngăn hiếu khí T3 theo nguyên lý bình thông nhau
qua khe hở ở phần dưới mô hình. Không khí được cấp vào ngăn hiếu khí T3 bằng hệ thống
sục khí bao gồm các ống phân phối khí (diffuser) K phân bố dưới đáy ngăn hiếu khí và được
nối với máy thổi khí P3, lưu lượng khí được theo dõi và điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q3 và
van V4. Nước thải tiếp tục đi qua ngăn lắng T4 theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở
giữa vách ngăn của ngăn USBF và chảy ngược lên máng thu nước đặt phía trên ngăn USBF
và dẫn nước sau xử lý ra ngoài. Bùn lắng đọng dưới đáy ngăn lắng sẽ được bơm bùn P2 bơm
tuần hoàn lại ngăn thiếu khí T2, một phần sẽ được thải bỏ qua van xả V3. Lưu lượng bùn tuần
hoàn được kiểm soát và điều chỉnh bằng van V2 và lưu lượng kế Q2. Các thiết bò cần thiết
khác bao gồm: 1 máy bơm nước thải đầu vào, 1 máy bơm bùn và 1 máy thổi khí, 2 lưu lượng
kế nước, 1 lưu lượng kế khí, van điều chỉnh, thanh phân phối khí…
1.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình
Mô hình được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ C, quá trình nitrat hóa/khử
nitrat và loại bỏ dinh dưỡng (N, P). Nước thải trước khi xử lý bằng mô hình được lấy từ bể
điều hòa đã được loại bỏ chất rắn, sau đó được bơm đònh lượng vào ngăn thiếu khí trộn lẫn
với dòng tuần hoàn bùn, ngăn này có vai trò như ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic selector)
thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic selection) và chọn lọc trao đổi chất
(Metabosilism selection) để làm tăng cương hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm tăng
cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật hình sợi gây vón bùn
và nổi bọt. Quá trình loại bỏ C, khử nitrate và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này. Sau đó nước
thải chảy tự động từ ngăn thiếu khí qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn USBF. Ở
đây Oxy được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua một máy bơm khí. Nước thải sau ngăn
hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống
theo phương thẳng đứng. Đây chính là giai đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả
lọc và xử lý sinh học dùng chính khối bùn hoạt tính. Phần nước trong đã đươc xử lý phía trên
chảy tràn vào mương thu khí đầu ra và tự động chảy ra ngoài. Một phần hỗn hợp nước thải và
bùn trong ngăn này được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí.
1.3 Các quá trình diễn ra trong hệ thống

− Quá trình khử C
Đây là một trong các quá trình chính được thiết kế cho mô hình USBF. Quá trình này
đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải vì nó ảnh hưởng đến các quá trình
khác. Các vi sinh vật sử dụng nguồn C từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất
cần thiết cung cấp cho sinh trưởng và phát triển, sinh sản tế bào mới…Trong mô hình USBF,
quá trình khử C được diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn USBF.
− Quá trình nitrat hóa (Nitrification) và khử nitrat hóa (Detrinification)
Trong tất cả các phương pháp được sử dụng để loại bỏ nitơ, kết hợp hai quá trình nitrat
hóa và khử nitrat là phương pháp có hiệu suất cao, ổn đònh và giảm giá thành xử lý do đơn
giản được hệ thống, tiết kiệm diện tích cho việc thiết lập hệ thống. Trong mô hình nghiên cứu
này, hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat được kết hợp trong một hệ thống nhưng diễn ra
trong hai ngăn khác nhau là ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí.
Quá trình nitrat hóa diễn ra chủ yếu trong ngăn hiếu khí của hệ thống. Đây là quá
trình tự dưỡng, vi khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước (trước hết là Amonia,
NH
4
+
) để lấy năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng.
NH
4
+
+ 2 O
2
 NO
3
-
+ 2 H
+
+ H
2

O
Quá trình diễn ra qua hai giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn nitrit hóa và giai đoạn
nitrat hóa.
+ Giai đoạn nitrit hóa: NH
4
+
sẽ được oxy hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrit hóa
(Nitrosomonas và Nitrosospira) theo phương trình phản ứng sau:
NH
4
+
+ 1,5 O
2
 NO
2
-
+ 2 H
+
+ H
2
O
+ Giai đoạn nitrat hóa: NO2- sẽ được chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrat hóa
(Nitrobacteria) theo phương trình phản ứng sau:
NO
2
-
+ 0,5 O
2
 NO
3

-
Quá trình khử nitrat diễn ra chủ yếu trong ngăn thiếu khí, là quá trình khử nitrat tạo ra
sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử
NO
3
-
 N
2
Trong quá trình này dòng tuần hoàn bùn từ ngăn hiếu khí đến ngăn thiếu khí đóng một
vai trò rất lớn về mặt cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể cả NO
3
-
(sản phẩm
của quá trình nitrat hóa diễn ra trong ngăn hiếu khí). Đồng thời dòng tuần hoàn bùn sẽ mang
theo các vi sinh vật, nguồn C tham gia vào quá trình. Đây cũng là một trong những ưu điểm
của mô hình này là do sự liên kết giữa các module thực hiện các chức năng khác nhau trong
cùng một hệ thống đơn giản.
− Quá trình khử Phospho
Phospho có trong nước thải cả dưới dạng các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các vi sinh vật
sử dụng P dưới dạng orthophosphate, polyphosphate để duy trì hoạt động, dự trữ và vận
chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới…
Trong mô hình USBF, việc kết hợp 3 module thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học cùng
với dòng tuần hoàn bùn hoạt tính tạo nên dòng liên tục. Quá trình khử P được kết hợp với quá
trình khử C, quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Việc kết hợp các module cũng như các quá
trình hỗ trợ của các vi sinh vật được luân phiên trong các điều kiện thiếu khí và yếm khí, từ
đó thúc đẩy các quá trình xử lý diễn ra vượt trội hơn mức bình thường.
Nước thải vào ngăn thiếu khí đầu tiên, ở đây trong môi trường thiếu khí, các vi khuẩn
sẽ tác động phân giải các hợp chất chứa P trong nước thải để giải phóng P. Dòng P hòa tan
(Soluble phosphorus) từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn
ưa P hấp phụ và tích lũy. Các vi khuẩn này hấp phụ P cao hơn mức bình thường vì ngoài việc

phục vụ cho việc tổng hợp và duy trì tế bào, vận chuyển năng lượng, chúng còn tích lũy một
lượng dư vào trong tế bào để sử dụng cho giai đoạn hoạt động sau. Trong ngăn USBF, nhờ
quá trình lắng của bùn hoạt tính nên P sẽ được loại bỏ. Ngoài ra, nhờ dòng bùn hoạt tính tuần
hoàn trở lại nên một số vi khuẩn ưa P sẽ được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí sẽ tiếp tục phát
triển và hấp phụ các P hòa tan có trong ngăn hiếu khí.
− Quá trình lọc sinh học và lắng trong ngăn USBF
Ngăn USBF là một module đóng vai trò cực kỳ quan trọng, ưu điểm chính của mô hình
được thể hiện ở module này. Quá trình lọc dòng ngược với quá trình lắng diễn ra ở đây. Ngăn
USBF có dạng hình trụ chóp ngũ diện úp ngược, đáy là hình chữ nhật hướng lên, đỉnh hướng
xuống, mặt bên là các hình tam giác. Vì vậy việc thu hồi bùn lắng và tuần hoàn bùn rất thuận
lợi và dễ dàng. Từ trên xuống dưới, ngăn USBF có thể chia thành 3 vùng: vùng nước trong
trên cùng, vùng tiếp theo là vùng có lớp bùn lơ lững chưa lắng đóng vai trò như một lớp lọc
sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng nén của bùn lắng. Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào
ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có
vận tốc giảm dần, nghóa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ
lững lâu hơn do các lý do sau:
+ Do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc
di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên trên theo
phương thẳng đứng.
+ Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra một lớp cản làm
giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc. Khi các bông bùn đủ nặng
chúng sẽ lắng xuống đáy tạo nên gradient vận tốc di chuyển của của dòng bùn lắng
từ trên xuống ngược với dòng dòch chuyển của nước.
+ Sự tuần hoàn bùn hoạt tính ở đáy ngăn USBF tạo ra một gradient vận tốc hướng
xuống. Điều này thật có ý nghóa vì hiệu suất lọc và tiếp tục xử lý sinh học sẽ nâng
cao hơn so với bể lọc truyền thống.
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của hệ thống, dưới đây là một số
điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và đến khả năng xử lý của hệ
thống:

− Chế độ thủy động: Chế độ thủy động là một trong những yếu tố rất quan trọng trong
quá trình xử lý vì nó ảnh hưởng tới sự tiếp xúc của bùn hoạt tính với nước thải, trạng
thái lơ lững và sự phân bố bùn lơ lững đồng đều…Yêu cầu phải đảm bảo dòng thủy
động như yêu cầu thiết kế, nếu không thì hệ thống sẽ không vận hành được hay hiệu
quả xử lý không cao.
− Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Đây là một trong các thông số quan trọng nhất trong xử
lý nước thải. Nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kỵ khí hay hiếu khí. Trong
mô hình này, DO trong ngăn thiếu khí vào khoảng 0,2mg/l và trong ngăn hiếu khí là
khoảng 2 – 4 mg/l. Như vậy ngăn thiếu khí không cần sục khí còn ngăn hiếu khí phải
sục khí. Các bóng khí phải thật mòn để có thể dễ dàng hòa tan vào trong nước thải.
− Nhiệt độ: Nhiệt độ trong hệ thống ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật và khả
năng hòa tan của oxy hòa tan trong nước. Nếu nhiệt độ quá cao thì vi sinh vật có thể bò
chết. Ngược lại nếu nhiệt độ quá thấp , quá trình thích nghi, sinh trưởng và phát triển
của vi sinh vật sẽ bò chậm lại, quá trinh nitrat hóa, lắng,… bò giảm hiệu suất rõ rệt.
Nhiệt độ tối ưu là khoảng từ 20 – 35
0
C phù hợp với nhiệt độ phòng thí nghiệm.
− pH: Ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống enzyme vi sinh
vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn… ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý vi sinh vật.
Khoảng pH tối ưu là từ 6,5 – 8,5. Nước thải đô thò thường có khoảng pH này.
− Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): Các chất dinh dưỡng như C, N, P … Đây là
các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Do đó, quá trình
vận hành phải theo dõi yếu tố này. Ở một số hệ thống xử lý nước thải người ta thường
bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật. Tuy nhiên trong mô hình USBF
thì không cần thiết phải thêm vào do thiết kế quá trình đặc biệt đã đảm bảo các điều
kiện dinh dưỡng hỗ trợ lẫn nhau của các công đoạn của vi sinh vật, mặt khác trong
nước thải hầu như đã chứa đủ những chất dinh dưỡng cần thiết.
2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI BAN ĐẦU
Kết quả phân tích nước thải lấy tại bể điều hòa của trạm xử lý nước thải chợ Đầu mối
Thủ Đức như bảng 2.1

Bảng2. 1 Tính chất nước thải đầu vào mô hình
Lần phân tích pH Độ dục COD BOD5
∑N ∑P
SS
Lần 1 6,48 92,3 534,4
Lần 2 6,97 286 365 446
Lần 3 6,78 52,5 392,32
Lần 4 7,2 84 355,2
Lần 5 7,15 65,7 436 320 8,6
Lần 6 7,37 64,2 342,4 200 35
Lần 7 7,35 444,4 12,4
Lần 8 6,72 450 510
Lần 9 7,54 95,2 290
Lần 10 327 30,8
Lần 11 368 43,12
Lần 12 450 43,4
Dựa vào bảng kết quả ta có thể kết luận nước thải của chợ có các chỉ tiêu ô nhiễm
tương đối cao, có chứa thành phần hữu cơ cao, dễ phân hủy sinh học. Tỷ lệ BOD
5
/COD
khoảng 0,64, BOD
5
:N:P khoảng 30:3:1. Nước thải có nồng độ như vậy rất phù hợp với quá
trình xử lý sinh học kết hợp cũng như rất phù hợp với mô hình bể USBF.

3. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC
Sử dụng hai phương trình sau để tìm các thông số động học (K, K
s
, Y và K
d

) từ các số
liệu thu thập được:
KSK
K
SS
X
U
s
11
.
1
0
+=
−
=
θ
(4.1)
d
su
c
K
X
r
Y −−=
θ
1
(4.2)
Hai phương trình trên có dạng phương trình đường thẳng y = ax + b. Các biến số và
thông số của 2 phương trình trên có thể trình bày như bảng 3.1
Bảng 3.1 Các biến số và thông số của các phương trình

Phương trình y x a b
KSK
K
U
s
11
.
1
+=
1/U 1/S K
s
/K 1/K
d
c
KYU
−=
θ
1
1/θ
c
U Y - K
d
i. Xác đònh tốc độ sử dụng cơ chất riêng K (1/ngày) và hằng số bán tốc
độ Ks (mg/L)
Các thông số động học để xác đònh tốc độ sử dụng cơ chất riêng K (1/ngày) và hằng
số bán tốc độ K
s
(mg/L) được trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.1
Bảng3.2 Các thông số dùng để tính tốc độ sử dụng cơ chất riêng K (1/ngày) và hằng
số bán tốc độ K

s
(mg/L)
X (mg/L) θ (ngày) S
o
(mg/L) S (mg/L) S
o
- S (mg/L) y x
3500 0,307 454,24 54,00 400,24 2,6866 0,0185
3500 0,269 310,25 42,00 268,25 3,5074 0,0238
3500 0,230 333,47 75,80 257,67 3,1298 0,0132
3500 0,192 301,92 72,00 229,92 2,9230 0,0139
3500 0,154 370,60 82,20 288,40 1,8642 0,0122
3500 0,134 291,04 85,32 205,72 2,2868 0,0117
3500 0,115 377,74 94,56 283,18 1,4239 0,0106
3500 0,096 382,50 110,78 271,72 1,2367 0,0090
3500 0,077 246,50 102,50 144,00 1,8668 0,0098
3500 0,058 277,95 168,40 109,55 1,8404 0,0059
3500 0,045 312,80 185,40 127,40 1,2309 0,0054
3500 0,038 382,50 224,40 158,10 0,8502 0,0045
Trong đó: X (mg/L) là nồng độ bùn trong ngăn hiếu khí
θ (ngày) là thời gian lưu nước trong ngăn hiếu khí
S
0
, S (mg/L) là nồng độ COD đầu vào và đầu ra của ngăn hiếu khí
SS
X
y
−
=
0

θ
S
x
1
=
Hình3. 1 Đồ thò xác đònh K và K
s
ii. Xác đònh hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại Y và hệ số phân
hủy nội bào K
d
Các thông số động học để xác đònh tốc độ sử dụng cơ chất cực đại Y (mgVSV/mg) và
hệ số phân hủy nội bào K
d
(1/ngày) được trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.2
Bảng 3.2 Các thông số dùng để tính hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại Y và
hệ số phân hủy nội bào K
d
X (mg/L) θ (ngày) θ
c
(ngày) S
o
(mg/L) S (mg/L) S
o
- S (mg/L) Y X
3500 0,307 10 454,24 54,00 400,24 0,1000 0,3722
3500 0,269 9,8 310,25 42,00 268,25 0,1020 0,2851
3500 0,230 7,8 333,47 75,80 257,67 0,1282 0,3195
3500 0,192 8,2 301,92 72,00 229,92 0,1220 0,3421
3500 0,154 6,7 370,60 82,20 288,40 0,1493 0,5364
3500 0,134 7,8 291,04 85,32 205,72 0,1282 0,4373

3500 0,115 5,4 377,74 94,56 283,18 0,1852 0,7023
3500 0,096 3,2 382,50 110,78 271,72 0,3125 0,8086
3500 0,077 4,1 246,50 102,50 144,00 0,2439 0,5357
3500 0,058 3,6 277,95 168,40 109,55 0,2778 0,5434
3500 0,045 2,8 312,80 185,40 127,40 0,3571 0,8124
3500 0,038 2,6 382,50 224,40 158,10 0,3846 1,1763
Trong đó: X là nồng độ bùn trong ngăn hiếu khí
θ
c
là tuổi của bùn
S
0
, s là nồng độ COD đầu vào và đầu ra ngăn hiếu khí
c
y
θ
1
=
;
X
SS
x
θ
−
=
0
Hình 3.2 Đồ
thò xác đònh
Y và K
d

Từ hai đồ
thò của hình 1
và 2 ta có thể xác đònh kết quả các thông số động học như sau: K = 1,47; K
s
= 74,545; Y =
1,89; K
d
= 0,07. Ý nghóa của các thông số động học này như sau:
Tốc độ sử dụng cơ chất riêng K = 1,47 ngày
-1
nghóa là 1g bùn hoạt tính sẽ tiêu thụ hết
1,47g COD trong một ngày. Tốc độ này khá lớn chứng tỏ khả năng sử dụng các chất dinh
dưỡng của vi sinh vật là khá cao.
Hằng số bán tốc độ K
s
= 74,545 mg/L nghóa là tại thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng ½
tốc độ cực đại thì nồng độ cơ chất (COD) bằng 74,545.
Hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại Y = 1,89 mgVSV/mg nghóa là cứ tiêu thụ 1mg
COD thì có 1,89 mg bùn hoạt tính được sản sinh. Hệ số này là rất cao chứng tỏ khả năng hấp
thu cơ chất của bùn hoạt tính là rất lớn hay hoạt tính của bùn rất mạnh.
Hệ số tốc độ phân hủy nội bào K
d
= 0,07 ngày
-1
nghóa là trong một ngày, cứ 1g sinh
khối được tạo ra thì 0,07g bò mất đi để duy trì tế bào mới hay bò chết đi hay bò tiêu thụ bởi các
VSV ở bậc dinh dưỡng cao hơn. Hệ số này tương đối cao, điều này được giải thích bằng tuổi
của nồng độ bùn cao. Hơn nữa phần sinh khối chết đi đóng vai trò quan trọng cho hệ thống
USBF vì chúng cung cấp nguồn Cacbon và năng lượng nội tại cho các VSV ở ngăn thiếu khí
khi chúng được tuần hoàn trở lại.

Các thông số động học trên đã chứng minh vì sao mô hình bể USBF lại có hiệu quả xử
lý cao.
b. XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BÙN TỐI ƯU
Kết quả xử lý COD theo nồng độ bùn được trình bày ở bảng 5 và hình 3. ta thấy nồng
độ bùn hoạt tính có thể duy trì đến rất cao, nồng độ bùn đến 5000 mg/L mà hiệu quả xử lý
vẫn đạt 80,1%. Nồng độ bùn tối ưu là khoảng 3500 mg/L, ở nồng độ nhỏ hơn 3500 mg/L thì
hiệu quả xử lý tăng khi nồng độ bùn tăng, còn với nồng độ lớn hơn 3500 mg/L thì ngược lại.
Lúc đầu, khi hàm lượng bùn thấp thì hàm lượng VSV thấp nên VSV không thể sử
dụng hết các chất hữu cơ có trong nước thải nên hiệu quả xử lý không cao. Khi tăng nồng độ
bùn lên thì lượng VSV bắt đầu tăng và hiệu quả xử lý các chất hữu cơ tăng nhanh một cách
đáng kể. Tuy nhiên, khi hàm lượng bùn quá nhiều thì số lượng VSV quá cao, trong nước thải
không đủ nguyên liệu và Oxy cho quá trình phát triển của VSV, chúng sẽ cạnh tranh về dinh
dưỡng và năng lượng, nhu cầu về Oxy trong ngăn hiếu khí sẽ tăng lên đáng kể. Các VSV dần
dần chuyển qua giai đoạn hô hấp nội bào, làm giảm hoạt tính và số lượng VSV và hệ quả là
làm giảm hiệu quả khử COD.
Bảng 3.3 Hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn X (mg/L)
X (mg/L) S
o
(mg/L) S (mg/L) H (%)
1000 450,00 179,52 60,1
1500 290,00 82,00 71,7
2000 444,40 75,65 83,0
2500 392,32 60,64 84,5
3000 402,30 53,70 86,7
3500 546,00 45,60 91,6
4000 365,00 33,60 90,8
4500 355,20 57,60 83,8
5000 342,40 68,26 80,1
Hình 3.3 Hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn X (mg/L)
c. XÁC ĐỊNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ COD THEO TẢI LƯNG

Hiệu quả xử lý COD theo tải lượng COD được trình bày ở bảng 3.4 và hình 3.4. Tải
trọng thích hợp khoảng 2,34 kgCOD/m
3
.ngày, hiệu quả xử lý đạt tới khoảng 91,9%. Khi tải
trọng tăng dần đến 2,34 kgCOD/m
3
.ngày thì hiệu quả tăng dần. Nếu tải trọng quá nhỏ thì
lượng chất hữu cơ cung cấp cho VSV không đủ để thực hiện các quá trình xử lý nên hiệu quả
xử lý không cao. Còn nếu tải lượng quá lớn thì lượng chất hữu cơ sẽ vượt xa mức đồng hóa
của VSV tham gia quá triình xử lý nên hiệu quả xử lý cũng giảm đáng kể.
Bảng 3.4 Hiệu quả xử lý COD theo tải lượng L (kgCOD/m
3
.ngày)
S
o
(mg/L) HTR (ngày) L (kgCOD/m
3
.ngày) S (mg/L) H (%) F/M
436,00 0,2304 1,26 65,76 84,9 0,3503
355,20 0,2688 1,37 57,60 83,8 0,2446
392,32 0,3072 1,46 60,64 84,5 0,2364
365,00 0,1536 3,48 33,60 90,8 0,4399
534,40 0,1920 2,34 43,20 91,9 0,5153
450,00 0,1344 3,24 88,63 80,3 0,6199
290,00 0,0960 3,57 82,00 71,7 0,5592
342,40 0,0768 4,62 68,26 80,1 0,8254
368,00 0,0448 8,15 148,32 59,7 1,5207
327,00 0,0576 9,28 134,72 58,8 1,0510
450,00 0,0384 7,73 179,52 60,1 2,1695
Hình3. 4

Hiệu quả xử
lý COD theo
tải lượng L
(kgCOD/m3.ngày)
d. XÁC ĐỊNH LƯNG BÙN HOẠT TÍNH TUẦN HOÀN THÍCH HP
Hiệu quả xử lý COD theo lượng bùn hoạt tính tuần hoàn được trình bày ở bảng 3.5 và
hình 3.5. Lượng bùn hoạt tính tuần hoàn thích hợp là khoảng 80% lượng bùn sinh ra trong
ngăn USBF. Hiệu quả xử lý COD thích hợp khi lượng bùn tuần hoàn khoảng 80%, nếu lượng
bùn tuần hoàn nhỏ hơn thì hiệu quả xử lý không cao vì lượng VSV sinh ra không đủ để tiêu
thụ hết các chất ô nhiễm có trong nước thải. Còn nếu tuần hoàn bùn quá nhiều thì lượng VSV
quá nhiều sẽ xảy ra những tranh chấp về dinh dưỡng và năng lượng, làm giảm hoạt tính và số
lượng của VSV nên hiệu quả xử lý giảm.
Bảng 3.5 Hiệu quả xử lý COD theo lượng bùn hoạt tính tuần hoàn (%)
Lượng bùn tuần hoàn
(%)
So (mg/L) S (mg/L) H (%)
50 442,00 179,52 59,4
60 312,50 82,00 73,8
70 342,40 62,40 81,8
80 534,40 43,20 91,9
90 394,60 60,64 84,6
100 450,00 112,00 75,1
e. HIỆU QUẢ XỬ LÝ CÁC CHỈ TIÊU KHÁC
Hiệu quả xử lý một số chỉ tiêu như pH, độ đục, BOD
5
, ∑N, ∑P và SS được trình bày ở
bảng 8. Ta thấy pH sau xử lý tăng so với pH ở đầu vào, chứng tỏ khả năng xử lý của các sinh
vật là khá tốt vì quá trình sinh học hiếu khí thường làm pH tăng. Hiệu quả xử lý độ đục không
cao nhưng độ đục đầu vào của nước thải ở đây không cao, chỉ tiêu này có thể không cần quan
tâm trong hiệu quả xử lý của mô hình.

Hình 3.5 Hiệu quả xử lý COD theo lượng bùn hoạt tính tuần hoàn (%)
Hiệu quả xử lý BOD
5
của mô hình khá cao, đạt đến 91%. Hiệu quả xử lý cao như vậy
có thể giải thích do vai trò của ngăn thiếu khí và việc kết hợp các quá trình loại bỏ chất hữu
cơ với các quá trình khác. Phần lớn chất hữu cơ được tiêu thụ hết ở ngăn thiếu khí để các
VSV sử dụng cho các quá trình xử lý trong ngăn này, hơn nữa phần hữu cơ còn lại sẽ được
phân hủy tiếp ở ngăn hiếu khí và ngăn USBF. Ở đây quá trình loại bỏ Cacbon diễn ra liên tục
làm cho hiệu quả xử lý tăng lên đáng kể so với các mô hình truyền thống.
Hiệu quả xử lý Nitơ đạt đến 87%, nhờ xen kẽ các quá trình nitrit hóa, nitrat hóa và
khử nitrat trong các ngăn khác nhau của hệ thống đã hỗ trợ tích cực trong việc xử lý Nitơ.
Hiệu quả xử lý Phospho đạt 80%, nồng độ Phospho đầu vào không lớn nên nồng độ Phospho
của nước thải sau xử lý là khá nhỏ.
Hiệu quả xử lý SS cũng khá cao, đạt tới 85%, nó thể hiện ưu điểm của quá trình lọc
ngược bùn sinh học của ngăn USBF cũng như toàn bộ hệ thống. Ngoài ra đặc tính của bùn,
quá trình ổn đònh và lắng bùn cũng ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý.
Bảng 3.6 Hiệu quả xử lý pH, độ đục, BOD
5
,
∑
N,
∑
P và SS
pH Độ dục BOD
5
∑N ∑P SS
Đầu
vào
Đầu
ra

Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)

6,5 7,0 92,3 41,1 55
7,0 7,3 286,0 55,4 81 35,0 6,7 81 446 91 80
6,8 7,6 52,5 23,8 55
320,0 27,8 91
7,2 7,4 84,0 20,0 76 30,8 3,9 87
7,2 7,5 65,7 27,0 59 8,6 2,7 69
7,4 7,5
64,2 12,0 81
200,0 24,0 88 43,1 14,0 68
6,7 7,2 95,2 18,6 80
12,4 2,5 80
7,5 7,6
43,4 7,0 84 510 78 85
4. TÍNH TOÁN BỂ USBF
NƯỚC THẢI
TỪ BỂ ĐIỀU HÒA
NƯỚC THẢI
TỪ BỂ ĐIỀU HÒA
NƯỚC THẢI
TỪ BỂ ĐIỀU HÒA
Diffuser
800
900 900
800
1000800 900
27 2
65 06 5065039 8
18000
11000
400 400 55 50

800
1500
Ø300
3080
500
500 65 00
36 30
3000
1000 3000
5 000100012000
250
25 0 7000
2 50
2 50
250 2502 5025 0
A A
MÁNG THU NƯỚC RĂNG CƯA
Sắt rỗng
φ 30
Ø100
Ø100
BÙN HOẠT TÍNH
TUẦN HOÀN
-1.50
±0.00
+3.50
+4.00
±0.00
3
7

8
5
2
6
6
0
6
0
7
0
MẶT BẰNG
MẶT CẮT A - A
850 1000 850
1700
500
Tính toán thể tích bể
Thể tích mô hình: V = 100L = 0,1m
3
, trong đó thể tích ngăn thiếu khí V
thk
= 29,5L, thể
tích ngăn hiếu khí V
hk
= 55,3L, thể tích ngăn USBF V
USBF
= 15,2L.
Dựa vào kết quả nghiên cứu mô hình tải trọng COD thích hợp để xử lý là khoảng
2,34kgCOD/m
3
.ngày, ứng với thời gian lưu nước (HRT) ở ngăn hiếu khí θ = 0,192ngày

(4,6h), nồng độ COD đầu vào S
o
= 534,4mg/L, tỷ lệ F/M khoảng 0,52.
Nồng độ COD đầu vào S
o
= 505mg/L, chọn thời gian lưu nước thiết kế θ = 4h. Thể
tích ngăn hiếu khí là:
333
24
4*2000
. ===
θ
QV
hk
m
3
Từ đó ta tính được thể tích của toàn bể USBF:
602
3,55
100.333
3,55
100.
===
hk
V
V
m
3
Chọn chiều cao công tác H
ct

= 5m, thể tích bể lấy bằng 600 m
3
, diện tích toàn bể là
120
5
600
===
ct
H
V
S
m
3
Lấy tỷ lệ chiều dài : chiều rộng là 8:3 (theo tỷ lệ của mô hình), từ đó ta tính được
chiều dài của bể là 18m, chiều rộng của bể là 7m.
Đáy của ngăn hiếu khí : đáy của ngăn thiếu khí là 5:3, từ đó ta tính được: đáy của
ngăn hiếu khí là 11m, đáy của ngăn thiếu khí là 7m.
Chiều cao bảo vệ 0,5m, khi đó thể tích bể USBF là 693m
3
− Chiều dài: L = 18m
− Chiều rộng: B = 7m
− Chiều cao: H = 5 + 0,5 = 5,5m (0,5m là chiều cao bảo vệ).
− Thể tích ngăn thiếu khí: V
thiếu khí
= 204,4m
3
− Thể tích ngăn hiếu khí: V
hiếu khí
= 383,2m
3

− Thể tích ngăn USBF: V
USBF
= 105,3m
3
Chọn bể thu bùn có chiều dài 3m, chiều rộng 1,25m, chiều cao bằng chiều cao của bể
USBF, tức bằng 5,5m. Khi đó thể tích bể thu bùn là20,6m
3
Khi đó, tải lượng COD (τ) là:
03,3
4
10.24.505
3
===
θ
τ
o
S
kg/m
3
COD/ngày
Tỷ số F/M =
59,0
3500.4
24.684,0.505
.
684,0.
===
X
S
M

F
o
θ
Trong đó: 0,684 là hằng số chuyển đổi COD thành BOD
5
( chỉ áp dụng đối với
nước thải sinh hoạt)
X là nồng độ bùn hoạt tính trong ngăn hiếu khí, lấy X = 3500mg/L.
Tính toán lượng bùn sinh ra và tuần hoàn:
Hệ số sản lượng quan sát
4,1
07,0.51
89,1
.1
=
+
=
+
=
cd
obs
K
Y
Y
θ
Trong đó: Y
obs
là hệ số sản lượng quan sát
Y là hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại, theo nghiên cứu thì
Y=1,89

K
d
là
Thiết bò:
− Bơm bùn nhúng chìm để bơm bùn tuần hoàn và bùn dư (2 cái), công suất 10,8m
3
/h, H
= 7m, N = 1 kW, điện 3 pha, 50Hz, 3000vòng/phút.
− Hệ thống phân phối khí gồm 108 Diffuser bố trí đều trên diện tích bể.
Lượng Oxi cấp cho bể theo BOD
5
Khối lượng BOD
5
cần xử lý mỗi ngày:
47010.2000).50285(10.).(
33
5
=−=−=
QBODLG
ht
v
kg/ngày đêm
Lượng Oxi yêu cầu:
M = G – (1,42.P
x
) = 470 – 1,42.225,6 = 150 kg/ngày đêm
Xác đònh lượng Oxi cần thiết
Lượng Oxi cần thiết theo yêu cầu:
Giả sử hiệu quả vận chuyển oxi của thiết bò thổi khí là 8%, hệ số an toàn khi sử dụng
trong thiết kế là 2.

Giả sử không khí chứa 23,2% O
2
theo trọng lượng và trọng lượng riêng của không khí
ở 20
0
C là 0,0118kN/m
3
= 1,18kg/m
3
, lượng không khí yêu cầu theo lý thuyết là:
548
232,0.18,1
150
=
m
3
/ngày đêm
Lượng không khí yêu cầu với hiệu quả vận chuyển 8% là:
548/0,08 = 6850 m
3
/ngày đêm
Lượng không khí cần thiết để chọn máy nén khí là:
q = 4,76.2 = 9,52m
3
/ph = 5920l/phút
p lực cần thiết cho hệ thống khí nén xác đònh theo công thức:
ct d cb f
H H H H H= + + +
Trong đó: H
d

: tổn thất áp lực do ma sát theo chiều dài ống dẫn.
H
cb
: tổn thất áp lực cục bộ
H
f
: tổn thất qua thiết bò phân phối
H: chiều sâu hữu ích của bể
Tổn thất H
d
và H
cb
thường không vượt quá 0,4m; tổn thất H
f
không quá 0,5m. Do đó,
áp lực cần thiết sẽ là:
H
ct
= 0,4 + 0,5 + 5 = 5,9m
p lực không khí sẽ là:
87,1
33,10
33,10
=
+
=
ct
H
P
Công suất máy khí nén tính theo công thức:

52,2
7,0.102
45,0).157,1.(34400
.102
).1.(34400
29,029,0
=
−
=
−
=
n
qP
N
kW
n là hiệu suất máy khí nén, chọn n = 70%
Tính toán hệ thống phân phối khí:
Theo “ Xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp” Lâm Minh Triết
Lưu lượng khí qua đóa sứ 11 – 96 (l/phút)
Chọn =90 (l/phút) = 5,4(m
3
/h)
Tổng số đóa sục khí cần dùng trong bể
106
90
10.60.159,0
10.
3
3
===

q
Q
n
k
cái
Hệ thống phân phối khí được bố trí dọc theo thành của ngăn hiếu khí là đường ống
cấp khí chính, từ đó sẽ có 2 ống nhánh đi dọc theo thành ngang của ngăn hiếu khí từ đó sẽ nối
vào các ống nhánh xuống đáy bể. Ở ống nhánh bên trong, sẽ gắn thêm các ống nhánh dọc
theo thành bể rồi đi vào phần nghiêng phía dưới của ngăn USBF. Chọn số đóa trên nhánh ống
nhánh phía ngoài là 42 dóa, ống nhánh bên trong là 66 dóa. Trên ống nhánh bên ngoài có 7
ống nhánh xuống đáy, mỗi ống có 6 dóa sục khí, còn ống nhánh bên trong có 7 ống nhánh đối
xứng với ống trước và gắn thêm 8 ống nhánh xuống đáy, mỗi nhánh có 3 dóa sục khí.
Khoảng cách giữa các dóa sục khí bên ngoài phần nghiêng là 0,65m
Khoảng cách giữa các dóa sục khí bên trong phần nghiêng không cách đều vì càng vô
trong thì thể tích càng giảm nên ta lấy khoảng cách càng vô trong càng xa. Cụ thể là dóa 2
cách dóa 1 là 0,8m, dóa 3 cách dóa 2 là 0,9m, dóa 3 cách vách ngăn 1m.
Khoảng cách giữa các ống nhánh ở đáy nằm ngoài phần nghiêng là 0,9m, ống cách
tường 0,8 m.
Khoảng cách giữa các ống nhánh ở đáy nằm ngoài phần nghiêng là 0,9m, ống cách
tường 0,6 m, ống cách tường còn lại là 0,2m, ống này cách ống bên trong 0,7m.
Tính toán đường kính ống phân phối khí
Chọn đường kính ống chính D = 114 mm.
Thiết diện ống chính
2 2
2
. 3,14.0,114
0,0095( )
4 4
D
S m

π
= = =
Với ống nhánh có lưu lượng vào mỗi ống nhánh q
k1
= 6,04(l/s) và vận tốc (6-9 m/s) có
thể chọn đường kính ống nhánh d = 34mm.
Tổng thiết diện của các ống nhánh
0079,0
4
034,0.14,3
4
22
==Σ
d
s
π
m
2
<0,0095
Vậy ống chính có thể đảm bảo vận chuyển khí đủ cho các ống nhánh.
*Các thơng số thiết kế bể USBF:
Thể tích bể USBF là 693m
3
− Chiều dài: L = 18m
− Chiều rộng: B = 7m
− Chiều cao: H = 5 + 0,5 = 5,5m (0,5m là chiều cao bảo vệ).
− Thể tích ngăn thiếu khí: V
thiếu khí
= 204,4m
3

− Thể tích ngăn hiếu khí: V
hiếu khí
= 383,2m
3
− Thể tích ngăn USBF: V
USBF
= 105,3m
3
Thể tích bể thu bùn là20,6m
3
− Chiều dài: L = 3m
− Chiều rộng: B = 1,25m
− Chiều cao: H = 5 + 0,5 = 5,5m (0,5m là chiều cao bảo vệ).
Thiết bò:
− Bơm bùn nhúng chìm để bơm bùn tuần hoàn và bùn dư (2 cái), công suất 10,8m
3
/h, H
= 7m, N = 1 kW, điện 3 pha, 50Hz, 3000vòng/phút.
− Hệ thống phân phối khí gồm 108 Diffuser bố trí đều trên diện tích bể.