Đồ án Ứng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) trong xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

uả làm sạch từ 80 – 95 %. b. Bể Aerotank hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR – Sequencing Batch Reactor): Là một dạng xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính. Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn tối thiểu của bể là 2. Bể lắng đợt 1 Bể SBR 1 Bể SBR 2 Khử trùng Xả bùn Nguồn tiếp nhận  Sơ đồ: Đặc điểm: - BOD của nước thải sau xử lý thường < 20 mg/l. - Hàm lượng cặn lơ lửng 3 – 25 mg/l và N-NH3 từ 0,3 – 12 mg/l. - Bể SBR làm việc không cần bể lắng đợt 2. Bể SBR có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, hiệu quả xử lý cao, khử được các chất dinh dưỡng nitơ, dễ vận hành. Sự dao động lưu lượng nước thải ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Nhược điểm chính của bể là công suất xử lý nhỏ, để hoạt động có hiệu quả phải thường xuyên kiểm tra theo dõi các bước xử lý nước thải. c. Đĩa lọc sinh học: Đĩa lọc sinh học được dùng để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo nguyên lý dính bám. Đĩa lọc là các tấm nhựa, gỗ,… hình tròn đường kính 2 đến 4m, dày dưới 10mm ghép với nhau thành khối cách nhau 30 đến 40mm và các khối này được bố trí thành dãy nối tiếp quay đều trong bể chứa nước thải. Tốc độ quay của đĩa từ 1 đến 2 vòng/phút và đảm bảo dòng chảy rối, không cho bùn cặn lắng lại trong bể nước thải. Trong quá trình quay, phần dưới của đĩa ngập trong nước thải. Quá trình hấp phụ và dính bám các chất hữu cơ dạng hòa tan, keo và vẫy bùn lên màng sinh vật hình thành trước đó được diễn ra. Khi quay lên phía trên, vi khuẩn sẽ lấy ôxy để ôxy hóa chất hữu cơ và giải phóng CO2. Màng sinh vật dày 2 đến 4mm, phụ thuộc vào vận tốc quay của đĩa. Bùn cặn màng sinh vật được lắng lại trong bể lắng đợt 2. d.Công nghệ MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor: * Giới thiệu: MBBR là quá trình kết hợp giữa hai quá trình màng sinh học và quá trình bùn hoạt tính. Trong đó, vi sinh vật phát triển trên bề mặt các hạt nhựa polyetylen (đệm) lơ lửng trộn lẫn với nước thải trong bể phản ứng. Không khí cấp vào bể vừa để cung cấp ôxy cho vi sinh vật sử dụng vừa là động lực cho các đệm chuyển động trong bể (các đệm plastic nhẹ, có khối lượng riêng xấp xỉ khối lượng riêng của nước). Nước được xử lý từ bể phản ứng sẽ chảy qua một lưới lọc trước khi vào bể lắng bậc II, mục đích của lưới lọc là giữ lại các đệm plastic trong bể phản ứng. Công nghệ MBBR có khả năng xử lý hiệu quả rất cao đối với các nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơ và nitơ cao. * Hoạt động: Trong quá trình xử lý nước thải, quần xã các vi sinh vật phát triển trên bề mặt các đệm plastic. Hầu hết các vi sinh vật trên lớp màng là vi sinh vật dị dưỡng (chúng sử sụng cacbon hữu cơ để tạo sinh khối) với ưu thế hơn là các vi khuẩn tùy tiện. Các vi khuẩn tùy tiện này có thể sử dụng ôxy hòa tan trong nước, hoặc khi lượng ôxy hòa tan không đủ chúng sẽ sử dụng nitrate, nitrite. Tại bề mặt của lớp màng sinh học đọng lại các chất lỏng phân biệt rõ ràng do sự di chuyển lẫn lộn trong bể phản ứng. Chất dinh dưỡng và ôxy khuếch tán qua lớp chất lỏng đến bề mặt của màng sinh học. Trong khi đó, các sản phẩm của sự phân hủy sinh học sẽ được khuếch tán nhanh từ màng sinh học ra ngoài môi trường chất lỏng chuyển động , quá trình như thế cứ tiếp diễn. Khi vi sinh vật phát triển và tăng lên nhiều lần, sinh khối trên các đệm cũng tăng lên, lớp màng sinh vật ngày càng dày. Khi đó sẽ ảnh hưởng đến khả năng cung cấp ôxy hòa tan cơ chất trong bể phản ứng đến tất cả các vi sinh vật trên màng sinh học. Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng của màng sinh học thì cần thiết nhất ôxy hòa tan và cơ chất khuếch tán trong suốt quá trình. Khi ôxy hòa tan và cơ chất khuếch tán qua mỗi lớp màng có sau thì các vi sinh vật ở lớp trước đó tiêu thụ càng nhiều. Lượng oxy hòa tan sẽ giảm dần trong quá trình tạo màng sinh học và sẽ tạo ra các sản phẩm của sự phân hủy hiếu khí, thiếu khí và yếm khí ở các lớp của màng sinh vật. * Cấu tạo của đệm: Đệm có nhiều hình dạng khác nhau, thông thường các đệm có hình trụ đứng, đường kính khoảng 10mm, cao 7mm, bên trong và bề mặt ngoài có nhiều khe để tăng diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt của các đệm plastic là rất lớn (120 - 950 m2/m3). Đêm được làm bằng vật liệu Polyethylen để đảmm bảo độ bền, không bị gãy vỡ trong quá trình làm việc. Bể lắng đợt I Bể lắng đợt II * Ưu điểm của MBBR so với những phuơng pháp xử lý sinh học truyền thống: - Sự khuếch tán của chất khí và các chất hòa tan đến vi sinh vật tốt hơn rất nhiều, tốc độ sử dụng cơ chất tăng. - Khả năng tạo sinh khối rất lớn (nồng độ bùn hoạt tính trong bể phản ứng có thể đạt 6000 mg/l). - Giảm thể tích bể phản ứng sinh học vì bề mặt riêng của các đệm plastic rất lớn, do đó công nghệ này thích hợp cho các công trình xử lý nước thải có quy mô nhỏ hoặc để nâng cấp các công trình đã tồn tại mà không đủ diện tích mặt bằng. - Quá trình khử Nitơ và phốt pho rất tốt. - MBBR có thể sử dụng cho tất cả các loại bể sinh học (aerobic, anoxic, hoặc anaerobic). - Hiệu quả xử lý cao. - Vận hành đơn giản và chi phí thấp. I.3.3.2. Bể lắng đợt II: Bể lắng đợt II có nhiệm vụ tách sinh khối lắng trong nước, giữ lại các màng vi sinh ở bể MBBR và các thành phần chất không hòa tan chưa được giữ lại ở bể lắng đợt I. Các màng vi sinh như các bông cặn tiếp xúc với nhau tạo thành các đám bông cặn và lắng xuống đáy trong quá trình xử lý. Tốc độ lắng của đám bông cặn phụ thuộc và nồng độ và tính chất của cặn. I.3.4. Khử trùng: Khử trùng là công đoạn tiếp sau xử lý bậc II. Các phương pháp khử trùng thường dùng là: Clo, ozon, tia cực tím. Mục đích của quá trình này là nhằm đảm bảo nước trước khi xả ra nguồn tiếp nhận không còn vi trùng, virut gây bệnh và lây bệnh, khử mầu, khử mùi… Đề xuất sơ đồ công nghệ: Nước thải sinh hoạt Song chắn thô Song chắn tinh Bể lắng cát và tách dầu mỡ Bể điều hòa Bể lắng đợt I MBBR Bể lắng đợt II Khử trùng Nguồn tiếp nhận Thùng gom rác Cấp khí Sân phơi cát Bể nén bùn Máy ép bùn Thùng dầu, mỡ Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Nước thải sinh hoạt của đô thị theo mương dẫn sau khi qua song chắn rác sẽ được tách các tạp chất có kích thước lớn trôi nổi lơ lửng trong nước như gỗ, nhựa, giấy, vỏ hoa quả… Trong thành phần cặn lắng nước thải thường có độ cát với độ lớn thủy lực 18mm/s. Đây là các phần tử vô cơ có kích thước và tỷ trọng lớn. Mặc dù không độc hại, nhưng chúng cản trở hoạt động của của các công trình xử lý nước thải như làm giảm dung tích công tác của công trình, gây khó khăn cho việc xả bùn cặn, phá hủy quá trình công nghệ của trạm xử lý nước thải… Để đảm bảo cho các công trình xử lý sinh học nước thải hoạt động ổn định cần phải có công trình và thiết bị lắng cát phía trước, tại đây các loại cặn thô như cát, sỏi, mảnh vỡ thủy tinh, sẽ được tách ra khỏi dòng thải. Phần nổi lên trên là bọt dầu, mỡ cũng sẽ được thiết bị gạt bọt tách ra khỏi dòng nước. Do nước thải sinh hoạt chủ yếu được sinh ra trong những thời gian sinh hoạt cao điểm của con người, vì vậy mà lưu lượng và thành phần của nước thải sinh hoạt sẽ không giống nhau ở mọi thời điểm, do đó dòng thải sau khi qua song chắn và bể lắng cát sẽ được ổn định tại bể điều hòa. Tại bể MBBR, chất hữu cơ trong nước thải bị ôxy hóa bởi các vi sinh vật có trong nước thải và các vi sinh vật bám dính trên đệm sinh học lơ lửng trong nước thải. Ban đầu, loại đệm này nhẹ hơn nước nên chúng sẽ lơ lửng trên mặt nước nhưng khi có màng bám vi sinh vật xuất hiện trên bề mặt, khối lượng riêng của đệm sẽ tăng lên và trở nên nặng hơn nước và sẽ chìm xuống dưới. Tuy nhiên, nhờ có chuyển động thủy lực của nước trong bể được cấp bởi hệ thống sục khí, các đệm này sẽ chuyển động liên tục trong nước thải. Các chất hữu cơ cũng bám vào các khe nhỏ của đệm. Các vi sinh vật bám dính trên các đệm sẽ sử dụng chất hữu cơ để tạo thành sinh khối vi sinh vật, trong quá trình này các chất hữu cơ trong nước thải sẽ được xử lý. Trước khi qua bể lắng bậc 2, hỗn hợp trong bể MBBR được chảy qua một tấm lưới chắn trong bể để ngăn các hạt nhựa lại. Dòng nước được tách sinh khối và lắng bùn tại bể lắng đợt 2. Nước trong sẽ chảy sang bể khử trùng đuợc hoà trộn chung với dung dịch chlorine nhằm diệt các vi khuẩn. Nước thải sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột A và được xả ra nguồn tiếp nhận gần đó. Bùn từ bể lắng sẽ được bơm qua bể nén bùn sau đó được đưa vào máy ép bùn, bùn khô sẽ được đưa đi chôn lấp hoặc tận dụng. Chương II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.1. Quá trình lắng của các hạt rắn trong nước thải: Trong xử lý nước thải, quá trình lắng được sử dụng để loại các tạp chất ở dạng huyền phù thô ra khỏi nước. sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực. Nước thải nói chung thường là hệ dị thể đa phân tán hợp thể không bền. Trong quá trình lắng, kích thước, mật độ, hình dạng của các hạt và cả tính chất vật lý của hệ bị thay đổi. Nước thải có khối lượng riêng và độ nhớt cao. Độ nhớt và khối lượng riêng của nước thải chỉ chứa các hạt rắn được tính theo công thức: (2.1) (2.2) Trong đó: - : Độ nhớt động lực học của nước thải và nước sạch, Pa.s; - : Nồng độ thể tích của các hạt lơ lửng, kg/m3; - : Khối lượng riêng của nước thải và nước sạch, kg/m3; - : Phần thể tích của pha lỏng, (2.3) - : Thể tích của pha lỏng và pha rắn trong nước thải, m3 Tùy thuộc vào nồng độ và khả năng tác động tương hỗ lẫn nhau giữa các hạt rắn, có thể xảy ra 3 loại lắng chính (hay còn gọi là vùng lắng) sau: lắng riêng rẽ từng hạt, lắng keo tụ và lắng vùng bao gồm lắng tập thể và lắng chen. * Cơ sở của quá trình lắng riêng rẽ từng hạt là các định luật Newton và Stockes với giả thiết hạt lắng có dạng hình cầu: Khi lắng, hạt rắn chịu tác dụng của các lực: Lực trọng trường: (2.4) Lực Archimedes: (2.5) Lực ma sát: (2.6) Trong đó: : Khối lượng riêng của hạt rắn và chất lỏng; : Thể tích của hạt rắn, : Đường kính hạt rắn; : Gia tốc trọng trường, m/s2; : Vận tốc tương đối của hạt rắn so với chất lỏng; : Hệ số ma sát; : Diện tích tiết diện ngang của hạt rắn, . Theo định luật II Newton, ta có: (2.7) Sau một thời gian ngắn ban đầu, gia tốc chuyển động sẽ bằng () và vận tốc lắng sẽ không đổi, thay giá trị các lực vào (2.7) và giải phương trình trên, ta có vận tốc lắng. Vận tốc lắng cho các hạt hình cầu: (2.8) Hệ số phụ thuộc vào chế độ thủy động của dòng chất lỏng bao quang hạt mà đặc trưng bởi chuẩn số Reynold (). Vận tốc lắng của các hạt hình cầu ở vùng định luật Stockes trong xử lý nước thải được tính theo công thức: . * Khi nồng độ các hạt rắn trong dung dich tương đối thấp, chúng sẽ lắng không giống nhau và sẽ kết hợp lại với nhau trong quá trình lắng gọi là lắng keo tụ. * Khi nồng độ chất rắn lơ lửng trong hệ thống cao hơn 500 mg/l thường xảy ra lắng vùng bao gồm lắng tập thể và lắng nén. Loại lắng này xảy ra cùng với loại lắng riêng rẽ từng hạt và lắng keo tụ, có đặc điểm là các hạt rất gần nahu. Khi hạt lắng xuống chiếm chỗ của chất lỏng và dòng chất lỏng bị thay thế đi lên sẽ cản trở làm giảm vận tốc lắng của hạt khác. Do mật độ hạt rắn cao nên lắng vùng thường dẫn đến lắng cả khối với bề mặt phân cách rõ rệt giữa các khối chất rắn – lỏng và nước trong. II.2. Quá trình xử lý sinh học hiếu khí với công nghệ MBBR: II.2.1. Cơ chế: Khi đưa nước thải vào trong hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, các chất bẩn hữu cơ ở trạng thái hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ sẽ được hấp phụ lên bề mặt tế bào vi khuẩn. Sau đó chúng được chuyển hóa và phân hủy nhờ vi khuẩn. Quá trình này gồm 3 giai đoạn: - Khuếch tán, chuyển dịch và hấp phụ chất bẩn từ môi trường nước lên bề mặt tế bào vi khuẩn; - Oxy hóa ngoại bào và vận chuyển các chất bẩn hấp phụ được qua màng tế bào vi khuẩn; - Chuyển hóa các chất hữu cơ thành năng lượng, tổng hợp sinh khối từ chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng khác bên trong tế bào vi khuẩn. * Sự chuyển hóa các chât hữu cơ và các chất dinh dưỡng nhờ vi khuẩn hiếu khí được biểu diễn theo các phương trình sau: - Quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ: Các vi sinh vật trong nước thải ôxy hóa các chất ô nhiễm có thể oxy hóa để tạo ra năng lượng: CxHyOz CO2 + H2O + ∆E CxHyOzNt CO2 + H2O + ∆E - Quá trình tổng hợp để xây dựng tế bào: CxHyOz + NH3 +O2 + ∆E C5H7NO2 + CO2 + H2O CxHyOzNt + NH3 +O2 + ∆E C5H7NO2 + CO2 + H2O - Quá trình ôxy hóa nội bào: C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + ∆E Trong quá trình ôxy hóa sinh hóa hiếu khí, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, lưu huỳnh, phốt pho cũng được chuyển hóa thành nitrat (NO3-), sunphat (SO42-), phốt phát (PO43-), CO2 và H2O. Khi môi trường cạn nguồn cacbon hữu cơ, các loại vi khuẩn Nitrit hóa (Nitrosomonas) và Nitrat hóa (Nitrobacter) thực hiện quá trình Nitrat hóa theo 2 giai đoạn: H4+ + 76O2 + 5CO2 C5H7NO2 + 54NO2 + 52H2O + 109H+ 400NO2- + 195O2 + NH3 + 2H2O + 5CO2C5H7NO2 + 400NO3- II.2.2. Sự phát triển của tế bào và động học của phản ứng lên men: Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của vi sinh vật, quá trình phát triển của chúng được chia thành nhiều giai đoạn: - Giai đoạn tiềm phát: vi sinh vật chưa thích nghi với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi. Đến cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng, các tế bào mới tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng. - Giai đoạn lũy tiến: Vi sinh vật phát triển với tốc độ riên không đổi, sau một thời gian nhất định, tổng số lượng tế bào cũng như trọng lượng tế bào tăng lên gấp đôi. - Giai đoạn tốc độ chậm: Tốc độ phát triển giảm dần tới mức cân bằng ở cuối pha, ở các vi sinh vật cho sản phẩm trao đổi chất thì giai đoạn này chính là giai đoạn hình thành sản phẩm như enzym, alcol, axit hữu cơ, vitamin… - Giai đoạn cân bằng: Số lượng tế bào sống được giữ ở mức không đổi. Tinh chất sinh lý của tế bào vi sinh vật bắt đầu thay đổi, cụ thể là cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. - Giai đoạn suy tàn: Tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn, dẫn đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự hủy. Nguyên nhân suy tàn chủ yếu là do nguồn thức ăn trong môi trường đã cạn, sự tích lủy sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế và đôi khi tiêu diệt cả vi sinh vật. Trong giai đoạn lũy tiến, sinh khối tăng theo biểu thức: (2.9) Trong đó: : Tốc độ tăng trưởng của sinh khối, ; : Nồng độ sinh khối, ; : Tốc độ tăng trưởng riêng, ; : Thời gian. Phương trình Monod dựa trên giả thuyết: Tốc độ sử dụng dinh dưỡng và tốc độ sinh trưởng bị giới hạn bởi tốc độ các phản ứng enzym, bao gồm cả sự thiếu các chất cần thiết, phương trình có dạng: (2.10) Trong đó: S: Nồng độ cơ chất, mg/l; : Hằng số bán bảo hòa, khi nồng độ cơ chất (mg/l); : Tốc độ tăng trưởng riêng lớn nhất. Khi dư thừa dinh dưỡng, nghĩa là S >> thì hằng số tốc độ sinh trưởng là cực đại, và hệ thống chủ yếu bị giới hạn bởi sinh khối. Phương trình tốc độ tăng trưởng của sinh khối có dạng: (2.11) Khi S << , hệ thống bị giới hạn dinh dưỡng, và tốc độ sinh trưởng là bậc 0 với sinh khối, nghĩa là tốc độ sinh trưởng độc lập với sinh khối hiện có. Khi S = , hằng sô tốc độ sinh trưởng bằng Thay (2.9) vào (2.10), ta được: (2.12) Nếu như tất cả dinh dưỡng được chuyển hóa thành sinh khối thì tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ bằng tốc độ sản sinh sinh khối. Nhưng vì sự dị hóa chuyển hóa một phần dinh dưởng thành các sản phẩm phụ nào đó nên tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ lớn hơn tốc độ tạo sinh khối: (2.13) Hay: (2.14) Y: Hệ số đồng hóa : Tốc độ sử dụng cơ chất, Cơ sở của công nghệ MBBR là các đệm plastic được giữ lơ lửng và chuyển động liên tục trong quá trình phản ứng trong bể. Trong quá trình xử lý, các đệm này được chuyển động do chuyển động của dòng nước và quá trình cấp khí. Các vi sinh vật có khả năng phân giải chất hữu cơ trong nước thải bám dính và phát triển trên bề mặt các đệm. Các vi sinh vật hiếu khí sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải để để phát triển thành sinh khối vi sinh vật. Quần xã vi sinh vật sẽ phát triển và dày lên rất nhanh cùng với sự suy giảm các chất ô nhiễm ttrong nước thải. Khi đạt đến một độ dày nhất định, khối lượng vi sinh vật sẽ tăng lên, khả năng bám dính của vi sinh vật ở lớp bên trong sẽ giảm đi cho đến khi chúng không bám được lên bề mặt đệm nữa mà bong ra rơi vào trong nước thải. Một lượng nhỏ vi sinh vật còn sót lại bám trên các đệm sẽ tiếp tục sử dụng chất hữu cơ có trong nước thải để hình thành nên một quần xã sinh vật mới bám dính trên đệm. Từ phương trình (2.14): Đặt : Tốc độ sử dụng cơ chất bởi một đơn vị sinh khối. Nên (2.14) được viết: Suy ra: Nồng độ sinh khối tỷ lệ với tốc độ sử dụng cơ chất. Từ phương trình cân bằng sinh khối cho bể phản ứng, công thức tính sinh khối: : Hệ số phân hủy nội bào. * Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình: - pH của quá trình: Khoảng pH thích hợp từ 6,5 đến 8,5. - Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp từ 20 – 27 oC. - Thời gian lưu trong bể - Chế độ sục khí: Đảm bảo ôxy ở nồng độ bảo hòa và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. - Tỉ lệ C:N:P = 100:5:1. Nếu chất dinh dưỡng trong nước thải không đủ thì sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, lúc đó lượng bùn hoạt tính sẽ giảm. - Kim loại nặng: Các kim loại nặng có khả năng làm enzim mất hoạt tính xúc tác, một số kim loại nặng là chất kìm hãm cạnh tranh, dễ phản ứng với tâm hoạt độn của enzim, làm cơ chất không tiến đến enzim được. Một số kim loại nặng là chất độc đối với vi sinh vật như Hg, Pb…Hàm lượng các chất khoáng khi cao hơn nồng độ cho phép cực đại cũng có thể ảnh hưởng xấu đến tốc độ làm sạch nước thải. II.2.3. Quá trình Nitrat hóa: Quá trình nitrat hóa có thể xảy ra nếu như ngay từ đầu nitơ tồn tại dưới dạng nitơ amoniac. Tốc độ biến đổi từ amoniac thành nitrat đối với bùn hoạt tính như sau: Cứ 3mg N-NH4+ trong thời gian 1 giờ thì nitrat hóa được 1g chất hữu cơ. Độ tăng trưởng của vi sinh vật di dưỡng có ý nghĩa tới việc ôxy hóa các chất ô nhiễm cacbon, nó cao hơn so với độ tăng trưởng của các vi khuẩn nitrat hóa tụ dưỡng. Do vậy, độ tuổi của bùn trong hệ thống có tác dụng nhất định đối với quá trình nitrat hóa. Nitrat hóa nước thải trước khi xả vào nguồn tiếp nhận cho phép giảm đáng kể yêu cầu ôxy trong nước nguồn. Quá trình gồm các bước: - NH4+ bị ôxy hóa thành NO2do tác động của vi khuẩn Nitrit theo phản ứng: NH4+ + 1,5O2 NO2- + 2H+ + H2O - Ôxy hóa NO2- thành NO3- do tác động của vi khuẩn nitrat hóa: NO2- + 0,5O2 NO3- Tổng hợp quá trình chuyển hóa NH4+ thành NO3-: NH4+ + 2O2 NO3+ 2H2+ + H2O Có khoảng 20 – 40 % NH4+ bị đồng hóa thành vỏ tế bào, cho nên có thể tổng hợp quá trình Nitrat hóa bằng phản ứng sau: NH4+ + 1,731O2 + 1,962HCO3- 0,038C5H7NO2 + 0,96NO3- + 1,077H2O + 1,769H2CO3 Nồng độ NH4+ và NO3- ảnh hưởng tới tốc độ tăng trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrit hóa và vi khuẩn nitrat hóa. Tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn nitrat hóa lớn hơn rất nhiều so với vi khuẩn nitrit hóa. Tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn trong quá trình là: Trong đó: : Tốc độ tăng trưởng riêng của vi sinh vật (ngày -1) : Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (ngày-1) N: Hàm lượng Nitơ trong nước thải (g/m3) KN: Hệ số bán bão hòa (g/m3) Chương III:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Lưu lượng nước thải theo đề bài là 2000 m3/ngày, chọn hệ số dư là 1,2. Nên công suất thiết kế tối đa của hệ thống là = 2000 * 1,2 = 2400 m3/ngày đêm. Lưu lương tối thiểu là: 1600 m3/ngày. III.1.Mương dẫn nước thải: Mương dẫn nước thải thường làm bằng bê tông cốt thép, có tiết diện hình chữ nhất hở để dễ theo dõi, quan sát, làm vệ sinh. Mương dẫn phải đảm bảo sao cho duy trì tốc độ tự làm sạch và hạn chế quá trình lắng cặn trong mương. Chọn bề rộng của mương dẫn: B = 0,15 (m) = 150 (mm) Vận tốc dòng nước là m/s Độ dốc tối thiểu của mương sao cho tránh lắng cặn trong mương được tính theo công thức thực nghiệm: , với : đường kính ống, (mm), d = B = 150 (mm) Do đó: 0,67% Từ công thức: = (3.1) - : Lưu lượng nước thải tối đa, m3/s; -: Vận tốc dòng chảy trong mương, m/s; -: Tiết diện ướt, m2; Suy ra: Mặt khác, , : Chiều cao mực nước trong mương, m; Suy ra, Chọn chiều cao mương dẫn tính từ mực nước trở lên (m) Vậy kích thước của mương dẫn là: - Chiều rộng: 0,15 (m) - Chiều cao 0,47 (m). III.2. Song chắn rác thô: Vì nước thải sinh hoạt chứa các tạp chất thô chủ yếu là giấy, rác, túi nilon, vỏ cây… Do đó có thể lựa chọn song chắn rác tiết diện hình chữ nhật có lượn tròn hai đầu để giảm tổn thất áp lực và vớt rác dễ dàng. Song chắn được làm bằng thép không gỉ. Khoảng cách giữa 2 thanh của song chắn là 30 mm. Góc nghiêng của song chắn so với mặt phẳng ngang là 60o. Hệ số hình dạng thanh là β = 1,67. Chọn vận tốc dòng nước chảy qua khe giữu các thanh là 0,8 m/s. Số lượng khe hở của song chắn, n được xác định: (3.2) Trong đó: - : Lưu lượng nước thải tối đa, m3/s; - : Vận tốc nước chảy qua song chắn (Chọn = 0,8 m/s); -: Độ sâu lớp nước trước song chắn, (= 0,27 m); -: Hệ số tính đến sự thu hẹp dòng chảy qua song chắn, (= 1,05); -: Khoảng cách giữa các thanh, = 0,03 m; Thay các số liệu vào (3.1) ta có:  Chọn n = 5 (khe) Chiều rộng toàn bộ thiết bị chắn rác: (3.3) Với : bề dày của thanh song chắn rác, chọn m; Suy ra: 0,22 (m) Ta có: Do đó, ta cần mở rộng mương dẫn tại vị trí đặt song chắn. Chọn góc mở rộng của mương là Chiều dài đoạn mở rộng được tính theo công thức: 0,09 (m). (3.4) Chiều dài đoạn thu hẹp sau song chắn: (m) (3.5) Chọn chiều dài đoạn mương mở rộng: (m) Vậy, toàn bộ chiều dài đoạn mương đặt song chắn: (m) (3.6) Tổn thất áp lực của dòng thải sau khi đi qua song chắn được tính theo công thức:  = (3.7) (3.8) Trong đó: - : Tổn thất áp suất, m; - v: Vận tốc dòng chảy trước song chắn, v = 0,7 m/s; - P: Hệ số tính đến tăng trở lực do song chắn bị bịt kín bởi vật thải, (P 3); - : Trở lực cục bộ của song chắn; - g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2; - s: Chiều dày thanh chắn, chọn s = 0,01 m; - b: Khoảng cách giữu các thanh, b = 0,03 m; -: Góc nghiêng của thanh so với mặt phẳng ngang, = 60o; -: Yếu tố hình dạng của thanh chắn, = 1,67. Thay số liệu vào công thức (3.7), xác định được trở lực cục bộ của song chắn là: = 0,33, và từ công thức (3.8), tổn thất áp lực của dòng thải sau khi qua song chắn là: = (m). Chiều cao xây dựng mương đặt song chắn: III.3. Bể lắng cát và tách dầu mỡ: Bể lắng cát được tính toán với tốc độ dòng chảy đủ lớn (0,3 m/s) để các phần tử hữu cơ nhỏ không lắng lại và đủ nhỏ (0,15 m/s) để cát và các tạp chất rắn vô cơ không bị cuốn theo dòng chảy ra khỏi bể. Bể thường được tính toán để giữ lại các hạt cát có độ lớn thủy lực 18 – 24 mm/s (đường kính hạt 0,2 – 0,25mm). Phía trên có bố trí cần gạt bọt và dầu mỡ. Chọn bể lắng cát ngang - TCXDVN 51:2006. Chiều dài phần lắng: (3.9) Trong đó: - : Tốc độ chuyển động ngang của nước trong bể lắng cát khi lưu lượng nước thải tối đa (), Chọn (m/s); -: Chiều sâu phần lắng (m), chọn = 0,25 (m)-TCVN 51:2006; -: Độ lớn thủy lực của hạt rắn, =18,7 mm/s (d = 0,2 m/s); -: Hệ số thực nghiệm có tính đến hệ số thủy lực và tốc độ lắng của hạt cát trong bể, với =18,7 mm/s thì =1,7 - TCXDVN 51:2006. Do đó: 5,7(m). Chiều rộng của bể: 0,44(m). Thể tích ngăn chứa cát: Với: - T: Thời gian giữa 2 lần vớt cát, chọn 1 ngày; - N: Số người sử dụng hệ thống, tiêu chuẩn 100 l/người.ngày; N == 24000 (người) - a: Lượng cát giữ lại trong bể lắng tính trên đầu người/ngày (theo TCXDVN 51:2006, a = 0,02 l/người.ngày) Suy ra: = 0,48 (m3) Chiều cao lớp cát lắng trong bể: (m). Để ổn định tốc độ dòng chảy trong bể lắng cát ngang, ở phía cuối bể xây dựng đập tràn kiểu máng đo lưu lượng theo tỉ lệ với chiều sâu dòng chảy Hn trong bể lắng cát. Vậy: Bể lắng cát được xây dựng với: - Chiều dài bể lắng cát: L = 5,7 (m); - Chiều rộng bể lắng cát: B = 0,44 (m); - Chiều cao bể lắng cát: H = Hn + + Hbv = 0,25 + 0,19 + 0,3 = 0,74(m). (Hbv: Khoảng cách từ mực nước đến thành bể) III.4. Song chắn tinh: Sau khi qua bể lắng cát, nước thải theo mương dẫn đến song chắn tinh. Khoảng cách giữa 2 thanh song chắn là: s =0,01 (m), vận tốc dòng nước chảy qua khe giữu các thanh là 0,9 m/s. Số lượng khe hở của song chắn, n được xác định theo (3.2) 12 (khe) Chiều rộng của thiết bị chắn rác tinh được xác định theo công thức (3.3) (m); Do đó, cần mở rộng mương dẫn tại vị trí đặt song chắn. Chọn góc mở rộng của mương dẫn là . Chiều dài đoạn mở rộng được tính theo (3.4), 0,15 (m) Chiều dài đoạn thu hẹp sau song chắn tính theo (3.5), 0,08 (m) Chọn chiều dài đoạn mương mở rộng: (m) Vậy, toàn bộ chiều dài đoạn mương đặt song chắn tinh: (m) Tổn thất áp lực của dòng thải sau khi đi qua song chắn được tính theo công thức (3.7) và (3.8): Từ (3.8), trở lực cục bộ của song chắn là: Từ (3.7), tổn thất áp lực của dòng thải sau khi qua song chắn: = Chiều cao xây dựng mương đặt song chắn tinh: III.5. Bể điều hòa: Lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải ở các đô thị luôn thay đổi theo thời gian. Sự dao động về lưu lượng nước thải, thành phần và nồng đô chất bẩn sẽ ảnh hưởng không tốt đến hiệu quả làm sạch nước thải. Đối với công trình xử lý sinh học, cần phải đảm bảo sự ổn định về chế độ thủy lực cũng như chế độ dinh dưỡng ở trong đó. Giả thiết hàm lượng chất rắn lơ lửng, chỉ số BOD, COD và vi khuẩn trong nước thải sau khi qua các công đoạn trước đó coi như không đổi. Dung tích bể điều hòa được xác định: V