tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải thuộc da - bể AEROTANK

Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải
4.7 BỂ AEROTANK
a. Chức năng :
Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học nhờ vi sinh vật hiếu khí
b. Tính toán
 Các thông số thiết kế và vận hành bể Aerotank
• Lưu lượng nước thải Q = 300 m
3
/ ngày = 12.5 m
3
/ h
• Hàm lượng BOD
5
đầu vào S
0
= 700 mg/L
• Hàm lượng COD đầu vào là 1 250 mg/L
• Hàm lượng SS đầu vào là 120 mg/L
• Nhiệt độ duy trì trong bể 25
O
C
• Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại C
o BOD
5
ở đầu ra ≤ 100 mg/L
o COD ở đầu ra ≤ 400 mg/L
o Cặn lơ lửng ở đầu ra SS
ra
= 100 mg/L gồm 65% cặn có thể phân hủy sinh học
• Nước thải khi vào bể Aerotank có hàm lượng chất rắn lơ lửng bay hơi ( nồng độ vi
sinh vật ban đầu ) X

0
= 0
• Nồng độ bùn hoạt tính trong bể Aerotank ( MLVSS ) được duy trì trong bể là
X = 3 000 mg/L
• Thời gian lưu bùn trung bình
θ
c
= 10 ngày
• Tỉ số giữa lượng chất rắn lơ lửng bay hơi ( MLVSS ) với lượng chất rắn lơ lửng
( MLSS ) có trong nước thải là 0.8

8.0=
MLSS
MLVSS


• Nồng độ bùn hoạt tính trong dòng tuần hoàn G = 10 000 mg SS/L
• Hệ số chuyển đổi giữa BOD
5
và BOD
20
là BOD
5
: BOD
20
= 0.7
• Loại và chức năng bể : Bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh.
• Giả sử nước thải của nhà máy có chứa đầy đủ lượng chất dinh dưỡng Nitơ, Photpho
và các chất vi lượng khác đủ cho sinh trưởng tế bào
• Hệ số sinh trưởng cực đại: Y = 0.5 g VSS / g BOD

5
tính toán
• Hệ số phân hủy nội bào: K
d
= 0.06 ( ngày
-1
)

Trang 60
Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải
 Sơ đồ làm việc của Aerotank

Q
r
, X
r
, S
Q+Q
r
, X
Q, X
0
, S
0
Q
e
, X
e
, S
Q

w
, X
r
Trong đó :
•
Q, Q
r
, Q
w
, Q
e
: Lưu lượng nước thải đầu vào, lưu lượng bùn tuần hoàn, lưu lượng
bùn xả và lưu lượng nước thải đầu ra, m
3
/ngày.

•
X
0
, X, X
r
, X
e
: hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào, hàm lượng bùn hoạt tính trong bể
Aerotank, hàm lượng SS của lớp bùn tuần hoàn và hàm lượng bùn sau khi qua bể
lắng 2, mg/L.

•
S
0

, S : Nồng độ chất nền ( tính theo BOD
5
) ở đầu vào và nồng độ chất nền sau khi
qua bể lắng 2, mg/L.

 Tính toán chi tiết bể Aerotank

Nồng độ BOD
5
hòa tan sau lắng 2 trong nước thải đầu ra
Phương trình cân bằng vật chất
BOD
5
ở đầu ra = BOD
5
hòa tan đi ra từ bể Aerotank + BOD
5
của cặn
lơ lửng ở đầu ra
Trong đó
• BOD
5
ở đầu ra : 100 mg/L
• BOD
5
của cặn lơ lửng ở đầu ra được xác đònh như sau


Trang 61
Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải

¾ Lượng cặn có thể phân hủy sinh học có trong cặn lơ lửng ở đầu ra
0.65 x 100 mg/L = 65 mg/L
¾ Lượng oxy cần cung cấp để oxy hóa hết lượng cặn có thể phân hủy
sinh học của nước thải sau bể lắng 2 là
65 mg/L x ( 1.42 mg O
2
tiêu thụ / mg tế bào bò oxy hóa ) = 92.3 mg/L
Lượng oxy này chính là giá trò BOD
20
của phản ứng. Quá trình tính
toán dựa vào phương trình phản ứng sau
C
5
H
7
O
2
N + 5O
2
→ 5CO
2
+ 2H
2
O + NH
3
+ Năng lượng
113 160
1 mg 1.42 mg
¾ Lượng BOD
5

của cặn lơ lửng của nước thải sau bể lắng 2
BOD
5
= BOD
20
x 0.7 = 92.3 x 0.7 = 64.6 mg/L
• BOD
5
hòa tan của nước thải sau bể lắng 2 là S, mg/L
100 = S + 64.6
S = 35.4 mg/L

Hiệu quả làm sạch
• Hiệu quả làm sạch theo BOD
5
hòa tan
%95100
700
4.35700
%100
0
0
=×
−
=×
−
=
S
SS
E

•

Hiệu quả làm sạch cho toàn hệ thống

%86100
700
100700
%100
0
0
=×
−
=×
−
=
S
SS
E
ra


Thể tích bể Aerotank

)1(
)(
0
cd
c
KX

SSYQ
V
θ
θ
×+×
−×××
=

Trong đó
o
V : Thể tích bể Aerotank, m
3

o
Q = 300 m
3
/ngày : Lưu lượng nước đầu vào

Trang 62
Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải
o
Y = 0.5 g VSS / g BOD
5
tính toán : Hệ số sản lượng cực đại
o
θ
c
= 10 ngày : Thời gian lưu bùn
o
S

0
– S = 700 – 35.4 = 664.6 mg/L
o
X = 3000 mg/L : Nồng độ bùn hoạt tính trong bể Aerotank
o
K
d
= 0.06 ngày
-1
: Hệ số phân hủy nội bào

()
7.207
1006.013000
6.6645.030010
=
×+×
×××
=V

m
3
Chọn V = 210 m
3

Thời gian lưu nước của bể aerotank

7.0
300
210

===
Q
V
θ

ngày = 16.8 giờ

Lượng bùn dư phải xả mỗi ngày khỏi bể Aerotank
•

Hệ số tạo bùn từ BOD
5


3125.0
1006.01
5.0
1
=
×+
=
+
=
cd
obs
K
Y
Y
θ

•

Lượng bùn dư sinh ra mỗi ngày do khử BOD
5
( tính theo MLVSS )
P
x
= Y
obs
x Q x ( S
0
– S )
P
x (VSS )
= 0.3125 x 300 x ( 700 – 35.4 ) x 10
-3
kg/g
= 62.3 kg VSS / ngày
•

Tổng lượng cặn lơ lửng sinh ra mỗi ngày
P
x (SS)
= 9.77
8.0
3.62
8.0
==
)VSS (x
P

kg SS / ngày ( vì
8.0=
MLSS
MLVSS
)

•

Lượng bùn dư cần xử lý mỗi ngày
Lượng bùn dư cần xử lý = Tổng lượng bùn – Lượng SS trôi ra khỏi lắng 2
M
dư (SS)
= 77.9 kg SS/ngày – 300 m
3
/ngày x 100 g/m
3
x 10
-3
kg/g
M
dư (SS)
= 47.9 kg SS/ngày
•

Lượng bùn dư có khả năng phân hủy sinh học cần xử lý
M
dư (VSS)
= 47.9 kg SS/ngày x 0.8 = 38.32 kg VSS/ngày

Trang 63

Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải

Lượng bùn dư xả ra hàng ngày từ đáy bể lắng 2 theo đường tuần hoàn bùn
•

Giả sử lưu lượng nước ra khỏi bể lắng 2 (Q
e
) = lưu lượng đầu vào (Q) = 300
m
3
/ngày ( xem như lượng nước thất thoát do tuần hoàn bùn là không đáng kể )
•

Thời gian lưu bùn trong hệ thống được tính theo công thức sau

erW
c
XQXQ
XV
×+×
×
=
θ

→

cr
ce
w
X

XQXV
Q
θ
θ
×
×
×−×
=

Trong đó
o
Nồng độ chất rắn bay hơi có trong bùn hoạt tính tuần hoàn
X
r
= 10 000 mg SS/L x 0.8 = 8 000 mg VSS/L
o
Nồng độ chất rắn bay hơi có trong dòng ra từ bể lắng 2
X
e
= 100 mg SS/L x 0.8 = 80 mg VSS/L
•

Lượng bùn dư thải từ bể lắng 2

875.4
108000
10803003000210
=
×
××−×

=
w
Q m
3
/ngày = 0.203 m
3
/h

Hệ số tuần hoàn bùn và lưu lượng bùn tuần hoàn
•

Lập cân bằng vật chất cho bể Aerotank ( xem như lượng chất hữu cơ bay hơi ở
đầu ra của hệ thống là không đáng kể )
Q X
0
+ Q
r
X
r
= ( Q + Q
r
) X
•

Ta có X
0
= 0, chia 2 vế cho Q và đặt
Q
Q
r

=
α
là hệ số bùn tuần hoàn.
6.0
30008000
3000
=
−
=
−
=
XX
X
r
α

•

Lượng bùn tuần hoàn
Q
r
=
Q×
α
= 0.6 x 300 m
3
/ngày = 180 m
3
/ngày = 7.5 m
3

/h

Kiểm tra chỉ tiêu làm việc của bể aerotank
•

Tải trọng thể tích

1/10
210
700300
3
0
=×
×
=
×
=
−
gkg
V
SQ
L
BOD
kg BOD
5
/ m
3
.ngày
Giá trò này nằm trong khoảng thông số cho phép khi thiết kế bể ( 0.8
÷

1.9 )

Trang 64
Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải
•

Tỉ số F / M

33.0
30007.0
700
/
0
=
×
=
×
=
X
S
MF
θ

mg BOD
5
/ mg VSS ngày
Giá trò này nằm trong khoảng thông số cho phép khi thiết kế bể ( 0.2
÷
1 )
•

Giá trò của tốc độ sử dụng chất nền ( BOD
5
) của 1 gram bùn hoạt tính trong 1
ngày

316.0
30007.0
4.35700
0
=
×
−
=
×
−
=
X
SS
θ
ρ


Lượng oxy cần cung cấp cho bể Aerotank dựa trên BOD
5

•

Lượng oxy cần thiết trong điều kiện tiêu chuẩn của phản ứng ở 20
0

C
OC
0
=
f
SSQ
1000
)(
0
−
– 1.42 P
x (VSS)
Với f là hệ số chuyển đổi giữa BOD
5
và BOD
20
, f = 0.7

→ OC
0
=
10007.0
)4.35700(300
×
−×
–1.42 x 62.3 = 196.36 kg O
2
/ngày
•

Lượng oxy thực tế cần sử dụng cho bể trong điều kiện thực tế ở 25
0
C
OC
t
= OC
0

20
25
20
024.1
1
−
×
−
T
L
CC
C

Trong đó
o
C
20
= 9.08 mg/L : Nồng độ oxy bão hòa trong nước ở 20
0
C ( tra bảng
phụ lục D,
“Unit Operation Processes In Environment Engineering”

)
o
C
25
= 7.01 mg/L : Nồng độ oxy bão hòa trong nước ở 25
0
C
o
C
L
: Lượng oxy hòa tan cần duy trì trong bể, chọn C
L
= 2 mg/L
o
T = 25
0
C : Nhiệt độ nước thải
OC
t
= 196.36 x 1.316
024.1
1
201.7
08.9
2025
=×
−
−
kg O
2

/ ngày

Lượng không khí cần thiết để cung cấp vào bể
Q
kk
=

f
OU
O
C
t
×

Trong đó

Trang 65
Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải
o
OC
t
= 316.1 kg O
2
/ ngày : Lượng oxy thực tế cần cung cấp cho bể
o
OU : Công suất hòa tan oxy vào nước thải của thiết bò phân phối

Chọn dạng đóa xốp, đường kính 170 mm, diện tích bề mặt đóa 0.02 m
2


Cường độ thổi khí 225 L/phút. đóa

Độ sâu ngập nước của thiết bò phân phối h=3.5 m, chiều sâu bể 3.7 m

Tra bảng 7.1, trang 112
“ Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước
thải”
– Trònh Xuân Lai, ta có Ou = 7 g O
2
/ m
3
.m
OU = Ou x h = 7 x 3.5 = 24.5 g O
2
/m
3

o
f : Hệ số an toàn, chọn f = 1.5
•

Lượng không khí cần thiết cho máy thổi khí

=×
×
=
−
5.1
105.24

1.316
3
KK
Q
19353 m
3
/ngày = 13440L/phút = 0.224 m
3
/s
•

Kiểm tra lượng khí cấp vào bể Aerotank

51.64
300
19353
===
Q
Q
C
kk
m
3
khí / m
3
nước thải
•

Lượng khí cần để khử 1 kg BOD
5

1.97
10)4.35700(300
19353
10)(
33
0
=
×−×
=
×−×
=
−−
SSQ
Q
q
kk
m
3
khí / kg BOD
5


Số đóa cần phân phối trong bể

60
225
13440
225

===
kk
Q
N
đóa

Kích thước bể aerotank
•

Chọn chiều cao hữu ích của bể h = 3.7 m ; chiều cao bảo vệ là h
bv
= 0.3 m.
Chiều cao xây dựng bể Aerotank
H = h + h
bv
= 3.7 + 0.3 = 4 m
•

Diện tích mặt bằng bể aerotank
F = V / h
= 210 / 3.7 = 56.76 m
2
•

Chọn chiều rộng bể B = 6 m, chiều dài bể L = 10 m

Trang 66
Chương 4 : Tính Toán – Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải
•

Tổng thể tích xây dựng bể
V
xd
= 4 x 10 x 6 = 240 m
3
Vậy bể Aerotank có kích thước như sau
L x B x H = 10 m x 6 m x 4 m
 Tính toán các thiết bò phụ

Tính toán máy thổi khí
•

Chọn 2 máy thổi khí hoạt động luân phiên và 1 máy dự phòng.
•

Áp lực cần thiết cho hệ thống máy thổi khí tính theo mét cột nước
H
m
= h
d
+ h
c
+ h
f
+ H
Trong đó
o
h
d
: Tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài trên đường ống

o
h
c
: Tổn thất cục bộ
o
h
f
: Tổn thất qua thiết bò phân phối
o
H : Độ sâu ngập nước của miệng vòi phun, H = 3.5 m
Tổng tổn thất h
d
+ h
c
thøng không vượt quá 0.4 m; tổn thất h
f
không quá 0.5 m
Vậy H
m
= 0.4 + 0.5 + 3.5 = 4.4 m
•

Áp lực máy thổi khí tính theo Atmosphere
P
m
= H
m
/ 10.12 = 0.44 atm
•

Công suất máy thổi khí

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
××
××
= 1
7.29
283.0
1
2
P
P
en
TRG

P
m

Trong đó
o
P
m
: Công suất yêu cầu của máy thổi khí, kW
o
G: Trọng lượng của dòng không khí, kg/s.
G = Q
kk
x
ρ
khí
= 0.224 m
3
/s x 1.3 kg/m
3
= 0.29 kg/s
o
R : Hằng số khí R = 8.314 kJ/K.mol.
O
K
o
T : Nhiệt độ tuyệt đối của không khí đầu vào, T = 273 + 25 = 298
O
K

Trang 67