CHƯƠNG 12. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Chapter 11
Xử lý nước thải bằng pp sinh học

1


T i l WWTP
Typical

2


Phản ứng sinh học hiếu khí
Aerobic bacteria demand oxygen to decompose dissolved
pollutants
„ Aerobic treatment usually yields better effluent quality that that
obtained
obta
ed in anaerobic
a ae ob c processes.
p ocesses.
P/h CHC: COHNS + O2 + Aerobes
-> CO2 + H2O + NH3 + other end products + energy
Tăng sinh khối:
COHNS + O2 + Aerobes +energy ->
> C2H7NO2 (new cells)
„

X: concentration of microorganism, mass/unit volume (nồng độ sinh
g/ )
khối,, mg/l)

S: concentration of substrate in solution (mass/unit volume) (nồng độ
cơ chất) ~ BOD5

3


Phân hủy kỵ khí
Gd 1: Acid formation
(Acidogenesis)
„ Gd 2: Methane formation
(Methanogenesis)
9 pH giảm trong quá trình phân
hủy kỵ khí
9 Quá trình Methanogenesis bị
ức chế khi pH 4-5
=> Điều
Điề chỉnh
hỉ h pH
H bằng
bằ kiềm
kiề
hoặc soda
„

COHNS + H2O (+ microbes)
-> CH4 + HCO3- +CO2 + NH3+ + C5H7O2N

4

So sánh qt hiếu khí & kỵ khí
Treatment capacity:
Aerobic: up to 3kgBOD/m3.day
day
Anaerobic: up to 50kg BOD/m3.day
„ Energy use
„ Energy production
1 tonne of COD removed anaerobically produces 320m3 methane
@250C. 1 m3 methane produces 20MJ of energy
„ Sludge production: 5
5-10
10 times more sludge from aerobic
treatment
„

5


Động học phản ứng sinh học
Tốc độ tăng trưởng
sinh khối

rg =

dX
= μX
dt

μ- tốc độ tăng trưởng
sinh khối riêng

(specific growth rate
rate,
time-1)

6


Ảnh hưởng của cơ chất & tốc độ tăng
t ở
trưởng
sinh
i h khối
(Mô hình Monod)

Cơ chất

Ks : mass/vol
μ m XS
rg =
(K S + S)
Y=

rg
− rs

μ m XS
S
=>r s = −
Y(K S + S)

rg- tốc độ tăng trưởng sinh khối
rs- tốc độ sử dụng cơ chất (tốc độ phân hủy BOD)
Y- Hệ số năng suất cực đại (tỷ lệ giữa sinh khối sinh
ra / cơ chất tiêu thụ),mg/mg
thụ) mg/mg
Y là giá trị thực nghiệm

kXS
,
rs = −
KS + S

voi

μm
k=
Y


Phân hủy
y vi sinh vật
ậ ((sinh
khối)
„

Tốc độ phân hủy sinh khối

rd=-kdX

μ m XS

=>r g ' = −
− k d X = −Yrs − k d X
KS + S
μ' = μ m
„
„

S
− kd
KS + S

Hệ số
ố năng
ă suất
ất thực
th (observed
( b
d yield
i ld coeeficient
fi i t
Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Yobs = −

rg'
rs

rT = r20θ (T − 20 )
8

Bể oxi hóa sinh
học
Phương trình cân bằng sinh khối tổng quát:
Lượng đi vào – lượng đi ra + tăng trưởng = tích tụ
„

Tích tụ: biến đổi hàm lượng chất khảo sát trong thiết bị theo thời gian
TB liên tục HĐ ổn định: nồng độ tại một vị trí không đổi theo thời gian =>
không tích tụ
TB gián đoạn, nồng độ biến thiên trong TB và tích tụ

•
•

•

dX
V
= QX
Q 0 − QX
Q + Vrg '
dt
™

™

rg' = −

μ m XS

− kdX
KS + S

Cân bằng sinh khối cho thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục, dòng vào
khô có
không
ó VSV:
VSV X0 = 0
μ mS
K S (1 + τk d )
Thời gian lưu thủy lực: τ 1 Q

τ

=

V

=

Ks + S

− kd ⇒ S =

τ(Yk − k d ) − 1


Bể
ể oxi hóa sinh học
Phương trình cân bằng cơ chất tổng quát

Lượng đi vào – lượng đi ra + tăng trưởng = tích tụ
„

V

dS
= QS0 − QS + Vrs
dt

thay rs =

kXS
kX ⎛ 1
⎞
k
vào pt
=
−
⎜
d⎟
KS + S μm ⎝ τ
⎠

⎛ kX ⎞⎛ 1
⎞
⎟⎟⎜ − k d ⎟ = 0
=> S0 − S − τ⎜⎜
⎠
⎝ μ m ⎠⎝ τ
⇒X=

μ m (S0 − S) Y(S0 − S)
=
k (1 + k d τ ) (1 + k d τ )

X = Yobs (S0 − S)

Yobs

rg

Y
=− =
rs 1 + k dτ


Activated sludge process

11


Thiế
Thi
ết kế bể aerotank với dòng tu
tuầ
ần hoàn bùn
a)

b)

Thiết kế bể aerotank với dòng tu
Thiế
tuầ
ần hoàn
bùn
™

™

Thời gian lưu trung bình của VSV
Vr X
τX =
Q W X r + Qe X e
Thời gian lưu thủy lực của thiết bị phản
ứng
V
τ =

™

r

Q
Thời gian lưu thủy lực (hydraulic retention
time) cho toàn hệ thống

Vr + VL
τ ht =
Q

Thiết kế bể aerotank với dòng tu
Thiế
tuầ
ần hoàn
bùn
™

PT cân bằng vật chất

V

dX
= QX 0 − [Q w X r + Q e X e ] + Vrg '
dt

TB HD liên tục ổn định, X0=0, từ ppt vật chất suyy ra
Q W X r + QeX e
r
= −Y S − k d
VX
X
r
1
= −Y S − k d
τX
X
voi rS = −

Q
(S0 − S) = − S0 − S
τ
V

rg' = −

μ m XS
− k d X = − Yr
Y s − kdX
KS + S


Thiết kế bể aerotank với dòng tu
Thiế
tuầ
ần hoàn
bùn
τ X Y (S 0 − S )
τ (1 + k dτ X )
K (1 + τ X k d )
S= S
τ X (Yk − k d ) − 1
X=

™

Tốc độ
ộ sử dụng
ụ g cơ chất riêng:

g

U =−

(
S 0 − S )Q (S 0 − S )
U=
=
VX

1

τX

= YU − k d

τX

rs
X


Thiết kế bể aerotank với dòng tu
Thiế
tuầ
ần hoàn
bùn
™

Tỷ số F/M:

QS 0 S 0
=
M VX τX
S −S
x100
E= 0
S0

F
™

Hiệu suất xử lý
ý

=

(
F
U=

M )E
100

Khối lượng
ợ g vi sinh vật
ậ tạo
ạ thành ((VSS,, kg/d):
g )
Px = Yobs Q(S0-S)

™


Thiết kế bể aerotank với dòng tu
Thiế
tuầ
ần hoàn
bùn
„

Tính lượng oxy tiêu thụ: bao gồm oxy tham gia phản ứng phân hủy
BOD trừ đi BOD tính trên sinh khối

C5H7NO2
113
1

+

5O2 -> CO2 + H2O + NH3 + nang lượng
l
160
1.42 (g)

O2 kl/d = BODU used – 1.42Px
kgO2 / d =

Q(S 0 − S )
− 1.42 Px

f

⎛1
⎞
kgO2 / d = Q(S 0 − S )⎜⎜ − 1.42Yobs ⎟⎟
⎝f
⎠


Thiết kế bể aerotank với dòng tu
Thiế
tuầ
ần hoàn
bùn
„

Tính lượng oxy tiêu thụ:

Khi có quá trình nitrat hóa
⎛1
⎞
kgO 2 / d = Q(S0 − S)⎜ − 1.42Yobs ⎟ + 4.57Q(N 0 − N )
⎝f
⎠


Thiết kế bể aerotank

Low F/M: filamentous organism
Hi h F/M:

High
F/M smallll di
dispersed
d flocs
fl
The depth control the aeration efficiency and usually ranges from 3 to 4.5 m.
The width controls the mixing and is usually kept between 5 to 10 m.
m WidthWidth
depth ratio should be adjusted to be between 1.2 to 2.2
19


Thiết kế bể aerotank

20


VD 12.1Tính sinh khố
khối bể hi
hiế
ếu khí tuầ
tuần hoàn
Nước thải có BOD5 250mg/l được xử lý trong thiết bị bùn hoạt tính
khuấy trộn hoạt động ổn định. Dòng ra có BOD5 dưới 20mg/l. Nhiệt độ
vận hành 200C.
C Lưu lượng là 19m3/ ngày.
ngày
Các điều kiện khác:
9 Nồng
g độ

ộ bùn tuần hoàn = 10,000mg/L
,
g ((SS)) = 8000mg/L
g ((VSS))
9 Mixed-liquor volatile suspended solids MLVSS = 3500mg/L = 0.8*MLSS
9 Thời gian lưu trung bình tX = 10d
9 Hệ số
ố động học Y = 0.65 kg sinh khối/kg
ố
BOD5 sử dụng, kd = 0.06d-1
9 Dòng ra chứa nồng độ bùn 20mg/L (80% là VSS) , BOD5 trong bùn là 62%
9 Chất thải có đủ chất dinh dưỡng


VD12.1 Tính sinh khố
khối bể hi
hiế
ếu khí tuầ
tuần hoàn
1. Tính BOD5 hòa tan ở dòng ra:
BOD ra = BOD hòa tan trong dòng ra + BOD trong bùn đi ra
20 = BODr + 20(0.62) => BOD5 hòa tan = 7.4mg/L
Hiệu suất xử lý dựa trên BOD hòa tan: E= (250-7.4)/250 = 97%
Hiệu suất xử lý tổng cộng : E= (250-20)/250
(250 20)/250 = 92%
2.Tính thể tích thiết bịị

X=

τ=

τ X Y (S 0 − S ) ⎫
τ (1 + k dτ X )⎪⎪

V
Q

τ X Y (S 0 − S )
10 * 0.65(250 − 7.4 )
⇒
V
=
Q
=
19
*
= 5.3m 3
⎬
3500 * (1 + 0.06(10))
X (1 + k dτ X )
⎪
⎪⎭


VD 6.1 Tính sinh khố
khối bể hi
hiế
ếu khí tuầ
tuần hoàn
3. Tính Yobs

Yobs = 0.406
4. Tính lưu lượng bùn thải QW theo 2 sơ đồ.
Xe = VSS dòng ra = 80% SS = 16mg/l
VX
τX =
QW X + Qe X e
10 =

5.3 * (3500)
⇒ QW = 0.4m 3 / d
QW (3500) + 19 * 16

τX =

VX
QW X r + Qe X e

5 * 3500
10 =
=> QW = 0.02m 3 / d
QW 8000 + 19 * 16


VD 6.1 Tính sinh khố
khối bể hi
hiế
ếu khí tuầ
tuần hoàn

⇒

5. Tính tỷ lệ hoàn lưu R=Qr/Q
3500(Q + Qr) = 8000Qr
R = 0.78
6. Thời g
gian lưu thủyy lực của hệ
V 5 .3
= 0.28d
τ= =
Q 199

7. Tốc độ sử dụng cơ chất U
U=

(S0 − S ) =
τX

mgBODsdd
250 − 7.4
= 0.26
mgMLVSS .d
0.26(3500)


VD 6.1 Tính sinh khố
khối bể hi
hiế
ếu khí tuầ
tuần hoàn
8. Tính F/M

F

S0
mgBOD5v
250
=
=
= 0.26
M τX 0.26(3500)
mgMLVSS .d

9. Tính tốc độ hình thành sinh khối X (mg/d)
PX =

b
0.406
Yobs
=
= 8.8 g / d
3
−3
( S 0 − S )Q 19( m )( 250 − 7.4)( mg / l ) * 10