Luận văn nghiên cứu, tính toán hệ thống xử lý nước thải cho trang trại chăn nuôi

TỔNG QUAN

Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi heo ở nước ta

Hiện nay, trên toàn quốc, nhiều mô hình chăn nuôi heo quy mô lớn đã được phát triển, chủ yếu tập trung tại 5 vùng trọng điểm, trong đó có Mộc Châu (Sơn La).

Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Lâm Đồng và các tỉnh duyên hải miền Trung đang đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do ngành chăn nuôi heo Tính đến năm 2002, tổng đàn heo cả nước đã đạt 23,20 triệu con, tạo ra khoảng 20 – 24 triệu m³ nước thải mỗi năm Nếu không được xử lý, lượng nước thải này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và vật nuôi.

Thành phần, tính chất của nước thải chăn nuôi heo

Nước thải chăn nuôi là loại nước thải đặc trưng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do chứa hàm lượng chất hữu cơ, cặn lơ lửng và nitơ (N) cao.

P và sinh vật gây bệnh trong nước thải cần được xử lý trước khi thải ra môi trường Việc lựa chọn quy trình xử lý nước thải cho cơ sở chăn nuôi phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nước thải.

1.2.1 Các chất hữu cơ và vô cơ

Các chất hữu cơ chưa được gia súc hấp thụ sẽ được bài tiết ra ngoài qua phân, nước tiểu và các sản phẩm trao đổi chất khác Thức ăn thừa cũng góp phần tạo ra ô nhiễm hữu cơ.

Nước thải chăn nuôi chứa 70–80% hợp chất hữu cơ, bao gồm protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon và các dẫn xuất của chúng, trong đó hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy và giàu Nitơ, photpho Phần còn lại, chiếm 20–30%, là các chất vô cơ như cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua và SO4 2-.

Các hợp chất hóa học trong phân và nước thải dễ dàng bị phân hủy, tạo ra các sản phẩm khác nhau tùy thuộc vào điều kiện hiếm khí hay kị khí Trong môi trường có O2, quá trình phân hủy sản sinh ra CO2, H2O, NO2 và NO3 Ngược lại, trong điều kiện thiếu khí, sản phẩm tạo thành chủ yếu là CH4, cùng với các hợp chất như acid amin, acid béo, aldehyde, CO2, H2O, NH3 và H2S.

N2, NH3, H2S, Indol, Scatol,…Các chất khí sinh ra trong quá trình phân hủy kị

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 3 khí và thiếu khí như NH 3, H2S,…gây mùi hôi thối trong khu vực nuôi và ảnh hưởng xấu đến môi trường không khí

Gia súc và gia cầm có khả năng hấp thụ Nito và Photpho kém, dẫn đến việc bài tiết chúng qua phân và nước tiểu Nước thải từ chăn nuôi heo thường chứa hàm lượng N và P cao, với N-tổng trong nước thải dao động từ 571 đến 1026 mg/L.

Theo nghiên cứu của Jongbloed và Lenis, đối với heo trưởng thành, khi tiêu thụ 100g nitơ, cơ thể sẽ giữ lại 30g, trong khi 50g được thải ra ngoài qua nước tiểu dưới dạng ure và 20g còn lại ở dạng phân nitơ vi sinh, khó phân hủy nhưng an toàn cho môi trường.

Nito bài tiết ra ngoài theo nước tiểu và phân dưới dạng ure, sau đó ure nhanh chóng chuyển hóa thành NH 3 theo phương trình sau đây:

(NH2)2CO + H2O → NH 4 + OH − + CO2 ↔ NH3↑ + CO 2 + H2O

Khi nước tiểu và phân được bài tiết ra ngoài, vi sinh vật tiết ra enzyme ureaza, chuyển hóa ure thành NH3 Sự phát tán của NH3 vào không khí gây ra mùi hôi, trong khi đó, nếu nó khuếch tán vào nước, sẽ dẫn đến ô nhiễm nguồn nước.

Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào:

Lượng ure trong nước tiểu pH của nước thải: khi pH tăng, NH 4 + sẽ chuyển thành NH 3 Ngược lại khi pH giảm, NH 3 chuyển thành NH4

NH3 + H2O ↔ NH 4 + + OH − Điều kiện lưu trữ nước thải

Hàm lượng N-NH 3 trong nước thải sau khi ra biogas khá lớn khoảng 304 – 471mg/l, chiếm 75 – 85% N tổng

Nước thải từ chăn nuôi có hàm lượng lớn nitơ (N) và phốt pho (P), gây ra hiện tượng phú dưỡng cho các nguồn nước tiếp nhận Hiện tượng này không chỉ làm giảm chất lượng nguồn nước mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến các sinh vật sống trong môi trường nước.

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 4

1.2.3 Vi sinh vật gây bệnh

Nước thải chăn nuôi chứa vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán có khả năng gây bệnh Nếu không được xử lý đúng cách, loại nước thải này có thể dẫn đến dịch bệnh cho gia súc và gia cầm, đồng thời lây lan một số bệnh cho con người.

Nghiên cứu của Nanxera cho thấy nước thải chăn nuôi chứa nhiều vi trùng gây bệnh có khả năng tồn tại lâu dài, như Erisipelothris insidiosa lên đến 92 ngày, Brucella từ 74 đến 108 ngày, Salmonella từ 6 đến 7 tháng, và Leptospira từ 5 đến 6 tháng Microbacteria tuberculosis có thể sống từ 75 đến 150 ngày, trong khi virus nở mồm long móng (FMD) tồn tại trong nước thải từ 100 đến 120 ngày Các vi trùng có nha bào như Bacillus tetani có thể sống từ 3 đến 4 năm Ngoài ra, nước thải chăn nuôi còn chứa trứng giun sán, với nhiều loại điển hình như Fasciola hepatica, Fasciola gigantica, Fasciolosis buski, Ascaris suum, Oesophagostomum sp, và Trichocephalus dentatus, có khả năng phát triển đến giai đoạn gây nhiễm trong khoảng 6 đến 28 ngày và tồn tại từ 5 đến 6 tháng.

Theo A.Kigirop, các vi trùng gây bệnh như Salmonella, E.coli và nha bào Bacillus anthracis có thể xâm nhập vào nguồn nước Salmonella có khả năng thấm sâu vào lớp đất bề mặt từ 30-40 cm, đặc biệt ở những khu vực thường xuyên tiếp nhận nước thải Trứng giun sán và vi trùng có thể lan truyền nhanh chóng và xa khi nhiễm vào nguồn nước, gây ra dịch bệnh cho con người và gia súc.

Nghiên cứu của Bonde chỉ ra rằng hầu hết các vi sinh vật gây bệnh không tồn tại lâu trong nước thải, với số lượng giảm nhanh chóng trong những ngày đầu và sau đó chậm lại Tuy nhiên, một số vi khuẩn có khả năng tồn tại lâu hơn trong nước ở vùng nhiệt đới, bao gồm Samonella typhi, Samonella paratyphi, E.coli, Shigella và Vibrio comma, mà có thể gây ra dịch tả.

G.Rheinnhinmer đã phân lập được nhiều loài nấm gây bệnh Đối với vi khuẩn và virus đường ruột, thời gian sống sót trong nước thải càng lâu thì số lượng cá thể của chúng càng giảm, và ngược lại.

Hệ vi sinh vật trong nước thải chăn nuôi rất đa dạng và phức tạp, chủ yếu bao gồm các loại vi khuẩn gây thối với mật độ từ 3-16 triệu tế bào/ml Ngoài ra, còn có vi khuẩn phân hủy đường mỡ và E.coli với số lượng từ 10^4 đến 10^7 tế bào/ml, cùng với vi khuẩn lưu huỳnh và vi khuẩn nitrat hóa.

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 5 vật này có ảnh hưởng lớn đến tính chất và khả năng tự làm sạch của nguồn nước.

Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo

Xử lý nước thải chăn nuôi heo là cần thiết để giảm nồng độ ô nhiễm trong nước thải xuống mức cho phép trước khi xả vào nguồn tiếp nhận Việc lựa chọn phương pháp làm sạch và quy trình xử lý nước thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

 Các yêu cầu về công nghệ và vệ sinh nước

 Các điều kiện của trại chăn nuôi

 Hiệu quả xử lý Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp sau :

Trong các phương pháp xử lý nước thải, xử lý sinh học được chọn là phương pháp chính Thường thì, công trình xử lý sinh học sẽ được bố trí sau các công trình xử lý cơ học và hóa lý để đảm bảo hiệu quả tối ưu.

1.3.1 Phương pháp xử lý cơ học

Mục đích chính của quá trình xử lý nước thải là tách chất rắn, cặn và phân ra khỏi hỗn hợp nước thải thông qua việc thu gom và phân loại Các phương pháp như song chắn rác và bể lắng sơ bộ được sử dụng để loại bỏ cặn thô, giúp giảm khối lượng cho các công trình xử lý tiếp theo Ngoài ra, ly tâm và lọc cũng là những phương pháp hiệu quả Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi thường cao, khoảng vài ngàn mg/L, và dễ lắng, do đó cần lắng sơ bộ trước khi chuyển sang các công trình xử lý tiếp theo.

Sau khi tách, nước thải được đưa sang các công trình phía sau, còn phần chất rắn được đem đi ủ để làm phân bón

1.3.2 Phương pháp xử lý hóa lý

Nước thải chăn nuôi chứa nhiều chất hữu cơ và chất vô cơ dạng hạt nhỏ, gây khó khăn trong việc lắng đọng và tách biệt bằng các phương pháp cơ học thông thường.

Phương pháp keo tụ là một giải pháp hiệu quả để loại bỏ các chất lơ lửng trong nước thải, thường gặp trong quá trình xử lý nước của sinh viên Trịnh Thị Trang - MT1101 6 Sử dụng các chất keo tụ như phèn nhôm, phèn sắt, và phèn bùn kết hợp với polymer trợ keo tụ giúp tăng cường hiệu quả của quá trình này Nguyên tắc hoạt động của phương pháp là đưa vào nước thải các hạt keo mang điện tích trái dấu với các hạt lơ lửng, giúp tạo ra các bông cặn lớn hơn và dễ lắng hơn khi thế điện động bị phá vỡ.

Nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) tại trại chăn nuôi heo 2/9 cho thấy phương pháp keo tụ có khả năng tách 80 – 90% hàm lượng chất lơ lửng trong nước thải chăn nuôi heo.

Ngoài keo tụ còn loại bỏ được P tồn tại ở dạng PO 4 3- do tạo thành kết tủa AlPO4 và FePO4

Phương pháp này hiệu quả trong việc loại bỏ hầu hết các chất bẩn trong nước thải chăn nuôi, nhưng chi phí xử lý lại cao, khiến việc áp dụng trở nên không hiệu quả về mặt kinh tế.

Tuyển nổi là phương pháp tách các hạt có khả năng lắng kém thông qua việc kết dính vào bọt khí nổi Mặc dù có hiệu quả trong việc tách biệt, chi phí đầu tư và vận hành cho phương pháp này lại cao, không mang lại hiệu quả kinh tế cho các trại chăn nuôi.

1.3.3 Phương pháp xử lý sinh học

Phương pháp xử lý chất thải này dựa vào hoạt động của vi sinh vật có khả năng phân hủy chất hữu cơ, sử dụng chúng cùng với một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng Tùy thuộc vào loại vi khuẩn hiếu khí hoặc kỵ khí, các công trình xử lý sẽ được thiết kế khác nhau Ngoài ra, lựa chọn giữa hồ sinh học hay bể nhân tạo cũng phụ thuộc vào khả năng tài chính và diện tích đất có sẵn.

1.3.3.1 Phương pháp xử lý hiếu khí

Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện có oxy Quá

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 7 trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn :

Oxy hóa các chất hữu cơ :

CO2 + H2O + ∆H Tổng hợp tế bào mới :

C x H y O z + O 2 + NH 3 Enzyme Tế bào vi khuẩn (C 5 H 7 O 2 N) + CO 2 + H 2 O - ∆H Phân hủy nội bào :

1.3.3.2 Phương pháp xử lý kỵ khí

Vi sinh vật kỵ khí hoạt động hiệu quả trong điều kiện yếm khí hoặc khi nồng độ oxy hòa tan rất thấp, giúp phân hủy các chất hữu cơ một cách tối ưu.

Trong quá trình phân hủy kỵ khí, có bốn giai đoạn diễn ra đồng thời Giai đoạn đầu tiên là thủy phân, trong đó các enzyme do vi khuẩn tiết ra chuyển hóa các phức chất và chất không tan như polysaccharide, protein, lipid thành các phức chất đơn giản hơn hoặc chất hòa tan như đường, acid amin, và acid béo Tiếp theo là giai đoạn acid hóa, trong đó vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành các sản phẩm đơn giản hơn như acid béo dễ bay hơi, rượu, acid lactic và methanol.

Trong quá trình phân hủy kỵ khí, có các giai đoạn quan trọng như acetic hóa và methane hóa Giai đoạn acetic hóa diễn ra khi vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetat, H2, CO2 và sinh khối mới Tiếp theo, giai đoạn methane hóa là giai đoạn cuối, trong đó acid acetic, H2, CO2, acid formic và methanol được chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới.

1.3.3.3 Các hệ thống xử lý bằng phương pháp sinh học

1 Hệ thống tự nhiên a Hồ sinh học

Các quy trình tự nhiên trong ao, hồ có thể được ứng dụng hiệu quả để xử lý nước thải Trong môi trường hồ, vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí, cùng với sự cộng sinh giữa vi khuẩn và tảo, đóng vai trò chủ đạo trong các quá trình sinh học Bên cạnh đó, các quá trình lý hóa như pha loãng, lắng, hấp phụ và kết tủa cũng góp phần quan trọng trong việc cải thiện chất lượng nước.

Việc sử dụng ao hồ để xử lý nước thải mang lại nhiều ưu điểm như giảm vốn đầu tư và đơn giản trong vận hành và bảo trì Tuy nhiên, do cơ chế xử lý diễn ra chậm, phương pháp này yêu cầu diện tích đất lớn và chỉ phù hợp với nước thải có mức độ ô nhiễm thấp Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí, cùng với các loại vi nấm, rêu, tảo và một số loài động vật khác.

Hệ hồ sinh học có thể phân loại như sau:

(1) Hồ hiếu khí (Aerobic Pond); (2) Hồ tùy nghi (Facultative Pond); (3) Hồ kỵ khí (Anaerobic Pond); (4) Hồ xử lý bổ sung

(1) Hồ hiếu khí (Aerobic Pond)

Hồ làm thoáng tự nhiên

Oxy trong hồ được cung cấp chủ yếu từ sự khuếch tán không khí qua mặt nước và quá trình quang hợp của thực vật nước như rong và tảo Để duy trì điều kiện hiếu khí đến đáy hồ, chiều sâu lý tưởng thường khoảng 30-40 cm Trong hồ, nước thải được xử lý thông qua quá trình cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn, cùng với sự xuất hiện của các động vật bậc cao như nguyên sinh động vật, chúng có nhiệm vụ làm sạch nước bằng cách tiêu thụ vi khuẩn Sự hiện diện của các nhóm vi khuẩn, tảo và nguyên sinh động vật trong hồ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm lưu lượng chất hữu cơ, khuấy trộn, pH, dưỡng chất, ánh sáng và nhiệt độ.

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải chăn nuôi heo

2.1.1 Các nước trên thế giới Ở Châu Á, các nước như: Trung Quốc, Thái Lan,… là những nước có ngành chăn nuôi công nghiệp lớn trong khu vực nên rất quan tâm đến vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi

Nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra nhiều công nghệ xử lý nước thải thích hợp như là:

 Kỹ thuật lọc yếm khí

 Kỹ thuật phân hủy yếm khí hai giai đoạn

Hiện nay, bể Biogas tự hoại đang được sử dụng rộng rãi tại Trung Quốc như một phần quan trọng trong các hệ thống xử lý nước thải trung tâm Đây là giải pháp lý tưởng cho các hộ gia đình chăn nuôi heo vừa và nhỏ ở vùng nông thôn, không chỉ giúp xử lý nước thải và giảm mùi hôi mà còn tạo ra năng lượng tái sử dụng.

Trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo tại Thái Lan thì trường đại học Chiang Mai đã có nhiều đóng góp rất lớn

Hệ thống HYPHI là một giải pháp xử lý nước thải tốc độ cao, bao gồm thùng lắng, bể chảy nút và bể UASB, được thiết kế đặc biệt cho các trại heo trung bình và lớn Hệ thống này tách phân heo thành hai dòng: một dòng chất lỏng với ít chất rắn và một dòng chất rắn có nồng độ cao Tại Nga, các nhà nghiên cứu cũng đang tiến hành nghiên cứu về xử lý nước thải từ phân heo và phân bò dưới các điều kiện khí hậu khác nhau, bao gồm cả điều kiện lạnh và nóng.

Một số tác giả Úc đề xuất rằng kỹ thuật SBR (sequencing batch reactor) là chiến lược hiệu quả để xử lý nước thải chăn nuôi heo Tại Ý, các phương pháp xử lý thông thường không đáp ứng được tiêu chuẩn cho phép đối với nước thải giàu Nitơ và Phospho từ chăn nuôi heo.

Sinh viên Trịnh Thị Trang (MT1101 16) đã nghiên cứu về hàm lượng Nitơ và Phospho trong nước thải sau khi xử lý Công nghệ SBR (Sequential Batch Reactor) được áp dụng để xử lý nước thải chăn nuôi giàu chất hữu cơ tại Ý, cho thấy khả năng giảm hơn 97% nồng độ COD, Nitơ và Phospho.

Công nghệ xử lý nước thải giàu chất hữu cơ sinh học trên thế giới hiện nay áp dụng đồng bộ các kỹ thuật lên men yếm khí, hiếu khí và thiếu khí nhằm đáp ứng nhu cầu kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường Dựa trên những thành tựu này, có thể đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp với từng điều kiện sản xuất cụ thể Sơ đồ khái quát dưới đây sẽ là cơ sở để lựa chọn mô hình xử lý thích hợp.

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát xử lý nước thải giàu chất hữu cơ sinh học

2.1.2 Ở Việt Nam Ở Việt Nam, nước thải chăn nuôi heo được coi là một trong những nguồn nước thải gây ô nhiễm nghiêm trọng Việc mở rộng các khu dân cư xung quanh các xí nghiệp chăn nuôi heo nếu không được giải quyết thỏa đáng sẽ gây ra ô

Phân hủy yếm khí tốc độ thấp

Tháp lọc yếm khí Phân hủy yếm khí tiếp xúc

Lọc hiếu khí và thiếu khí

Hồ thực vật thủy sinh Bùn

Mục tiêu kết quả chủ yếu

Xử lý yếm khí Xử lý hiếu khí 1)90%BOD

2) 99% mầm bệnh bị diệt 3)N,P,K còn nguyên

1) N, P, K và các loại yếu tố gây độc

2) Tiếp tục giảm COD và BOD

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 17 nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và gây ra những vấn đề mang tính chất xã hội phức tạp

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo đang thu hút sự chú ý lớn nhằm giảm ô nhiễm môi trường và tạo ra năng lượng mới Tại Việt Nam, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hai hướng: đầu tiên là sử dụng thiết bị yếm khí tốc độ thấp như bể lên men Biogas kiểu Trung Quốc, Ấn Độ, hoặc túi PE, nhằm phát triển kỹ thuật xử lý cho hộ gia đình chăn nuôi heo quy mô nhỏ Hướng thứ hai là xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị hoàn chỉnh, đồng bộ cho các xí nghiệp chăn nuôi công nghiệp Các nghiên cứu về quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo công nghiệp đã đưa ra nhiều kiến nghị quan trọng.

Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi công nghiệp có thể tiến hành như sau:

Quá trình xử lý nước thải bao gồm ba giai đoạn chính: đầu tiên là xử lý cơ học, trong đó nước thải được lắng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng; tiếp theo là xử lý sinh học, bắt đầu bằng công nghệ sinh học kị khí UASB, sau đó chuyển sang xử lý sinh học hiếu khí thông qua hệ thống Aerotank hoặc hồ sinh học; cuối cùng, nước thải được khử trùng trước khi được thải ra môi trường.

Các nghiên cứu của chúng ta đang đi đúng hướng và tiếp cận công nghệ được thế giới quan tâm Tuy nhiên, cần nâng cao số lượng và chất lượng nghiên cứu để nhanh chóng áp dụng vào thực tiễn sản xuất.

Cơ sở lựa chọn phương án xử lý nước thải

Để xác định dây chuyền công nghệ xử lý nước thải, việc phân tích các chỉ tiêu gây ô nhiễm là rất quan trọng Phân tích này quyết định công nghệ và hiệu suất của quá trình xử lý nước thải.

Nước thải chăn nuôi chủ yếu phát sinh từ quá trình tắm heo và rửa chuồng, dẫn đến thành phần chính của nước thải là phân và nước tiểu Do đó, hàm lượng BOD, Nitơ tổng và photpho tổng trong nước thải thường cao.

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 18 việc loại bỏ Nitơ và photpho trong nước là rất khó, thường được xử lý bằng phương pháp sinh học

Bảng 2.1 Thành phần nước thải chăn nuôi heo

Thông số Nồng độ Nồng độ tính toán Đơn vị QCVN 24-2009 cột B pH 7,23 – 8,07 7,5 5,5-9

Nguồn: Trường ĐH Bách Khoa TP HCM

Nước thải từ chăn nuôi heo có thành phần giàu chất hữu cơ, với tỷ lệ COD : BOD5 là 1,5 : 1, cho thấy tính khả thi trong việc xử lý bằng phương pháp sinh học Với BOD5 cao (2000 mg/l), cần thực hiện xử lý kỵ khí trước khi chuyển sang xử lý hiếu khí.

Dựa vào đó có thể đề xuất phương án xử lý nước thải chăn nuôi heo như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo

Làm phân bón Máy thổi khí

Nguồn tiếp nhận (tuần hoàn)

 Thuyết minh qui trình công nghệ

Nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn để loại bỏ ô nhiễm Đầu tiên, nước thải đi qua lưới chắn rác để loại bỏ rác lớn, sau đó được thu gom và chôn lấp Tiếp theo, nước thải đi qua bể lắng cát để lắng cát, trước khi được đưa đến bể điều hòa nhằm ổn định lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm Sau đó, nước thải được bơm đến bể lắng đợt I để tách chất hữu cơ dễ lắng, và bùn thu được được đưa đến bể nén bùn Nước thải tiếp tục qua bể UASB, nơi vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ thành các chất vô cơ và khí Tại đây, nước thải được tách bùn và khí, sau đó dẫn sang bể Aerotank để tiến hành phân hủy hiếu khí Bể được cung cấp khí liên tục để duy trì điều kiện hiếu khí cho vi sinh vật Cuối cùng, nước thải được đưa đến bể lắng II để tách nước và bùn hoạt tính, trước khi chuyển sang hồ sinh học Nước thải sau khi qua hồ sinh học đạt tiêu chuẩn loại B sẽ được thải ra nguồn tiếp nhận.

Hệ thống xử lý nước thải vận hành tương đối dễ dàng

Nước đầu ra đạt tiêu chuẩn

Khả thi về mặt kinh tế

Quá trình vận hành cần phải theo dõi thường xuyên cường độ sục khí trong bể

TÍNH TOÁN CHI TIẾT CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ

Song chắn rác

Song chắn rác là thiết bị quan trọng trong việc tách biệt các vật thô như giẻ, rác, vỏ đồ hộp, đá, gỗ và các chất thải khác trước khi đưa vào hệ thống xử lý Thiết bị này có thể được lắp đặt cố định hoặc di động, giúp ngăn ngừa tình trạng tắc nghẽn đường ống và mương dẫn, từ đó bảo vệ hiệu suất hoạt động của các bơm.

Lưu lượng nước thải ra của trại chăn nuôi là Q= 90(m 3 /ngđ)

Thời gian tắm heo trong ngày là 2 lần, mỗi lần là từ 6h – 7h30 ’ và từ 17h – 18h30 ’ Thời gian nước thải ra trong một ngày là 3 giờ

Lưu lượng nước thải vận chuyển qua song là:

Chọn các thông số kĩ thuật của mương đặt song chắn rác:

 Tốc độ của nước thải trước song chắn rác: v = 0,6m/s

Chiều cao lớp nước qua song chắn rác được xác định bằng độ dày tính toán trong mương dẫn, với h1 = h = 0,1m Tiết diện của song chắn rác được chọn là hình chữ nhật, với kích thước thanh là 10×20 mm.

Số khe hở của song chắn rác được tính theo công thức:

Trong đó: k: hệ số tính đến mức độ thu hẹp dòng chảy do chảy qua song chắn rác, lấy k =1,05

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 22 b: khoảng cách khe hở của song chắn rác, b – 25 mm, chọn b 16mm

(giáo trình “Xử lý nước thải” – trường đại học Kiến Trúc Hà Nội)

Chiều rộng song chắn rác:

Trong đó: s: chiều rộng của thanh chắn rác, s = 0,01m

Tổn thất áp lực qua song chắn rác:

Vận tốc nước thải trước song chắn được xác định là v = 0,6 m/s Hệ số k, tính đến sự tăng tổn thất do rác vướng mắc ở song chắn, có giá trị từ 2 đến 3, và trong trường hợp này, chọn k = 2 Hệ số sức cản cục bộ của than chắn, ký hiệu là ξ, được tính theo một công thức cụ thể.

Với β: hệ số phụ thuộc vào tiết diện ngangc của thanh Đối với thanh tiết diện hình chữ nhật thì β=2,42 α: góc nghiêng của thanh chắn so với phương ngang, α= 45 0

Vậy sau song chắn rác ta phải đào sâu mương dẫn một khoảng là 3,3 cm

Hàm lượng chất lơ lửng TSS sau khi qua lưới chắn rác giảm 10%, BOD 5 giảm 5%

Bảng 3.1 Tổng hợp các thông số thiết kế song chắn rác

STT Tên thông số Đơn vị Kích thước

2 Chiều cao lớp nước ở song m 0,1

Bể lắng cát ngang

Bể lắng cát có nhiệm vụ lắng đọng các hạt cặn lớn, giúp bảo vệ thiết bị máy móc khỏi mài mòn và giảm thiểu sự tích tụ của vật liệu nặng trong hệ thống ống, kênh, mương dẫn.

Bể lắng cát dùng để tách các hợp phần không tan vô cơ chủ yếu là cát ra khỏi nguồn nước

Chọn thời gian lưu nước trong bể lắng cát ngang: t = 60s

Lưu lượng nước tính toán: Q = 0,0083 (m/s)

Thể tích tổng cộng của bể lắng cát

Diện tích tiết diện ngang:

Trong đó: h: độ sâu tính toán của bể lắng cát, h=0,25 – 1m (điều 6.3.4.a-TCXD 51-

84) Chọn h= 0,25m v: tốc độ của nước thải trong bể lắng cát ngang, v=0,25 – 0,4m/s, chọn v0,3m/s

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 24 vs: vận tốc lắng của hạt có d = 0,2 mm, v s = 0,021 m/s

Chiều dài cần thiết của bể lắng cát:

Chiều rộng của bể lắng cát ngang

Lượng cát trung bình sau mỗi ngày đêm

Với q0: lượng cát trong 1000m 3 nước thải, q0 = 0,15m 3 cát/ngaydem

Chiều cao lớp cát trong bể lắng cát ngang trong 1 ngày đêm:

Với: hc: chiều cao lớp cát trong bể tx: chu kì lấy cát, tx = 1 ngđ

L: chiều dài bể lắng cát

B: chiều rộng bể lắng cát n: số ngăn công tác, n= 1

Chiều cao xây dựng của bể:

Trong đó: h : chiều cao công tác của bể lắng cát; h = 0,25m hc : chiều cao lớp cát trong bể; hc = 0,056m hbv: chiều cao bảo vệ; hbv = 0,3 m

Hàm lượng SS và BOD5 của nước thải sau khi đi qua bể lắng cát ngang giảm 5%, còn lại:

Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số thiết kế bể lắng cát

STT Tên thông số Đơn vị Kích thước

4 Thời gian lưu nước giây 60

Bể điều hòa

Bể điều hòa có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng và nồng độ nước thải, giúp ngăn ngừa lắng cặn và thực hiện quá trình thoáng khí sơ bộ Qua đó, bể hỗ trợ oxy hóa một phần chất hữu cơ trong nước thải, ổn định lưu lượng và nồng độ, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý tiếp theo tại các công trình xử lý Đặc biệt, việc này giúp tránh hiện tượng quá tải cho hệ thống xử lý Để duy trì điều hòa nồng độ và lưu lượng, bể được trang bị hệ thống thổi khí hoạt động liên tục.

Chọn thời gian lưu nước của bể điều hoà t = 6h (quy phạm 4 - 12h)

Xác định kích thước bể

Nước thải tại trang trại chăn nuôi được xả ra không liên tục, với hai thời điểm trong ngày kéo dài 1,5 giờ và cách nhau 9,5 giờ (từ 6h đến 7h30 và từ 17h đến 18h30) Thời gian xả nước thải lớn hơn thời gian lưu nước tại bể điều hòa (6 giờ), do đó, cần lựa chọn thể tích bể điều hòa phù hợp.

Q: lưu lượng nước thải (m 3 /h) t: thời gian nước chảy (h)

Chọn chiều cao hữu ích của bể điều là h = 3m

Chiều cao bảo vệ là h bv = 0,5m

→ Chiều cao xây dựng bể điều hòa là H = 3,5m

Diện tích mặt bằng bể:

Hàm lượng BOD 5 của nước thải sau khi đi qua bể điều hòa giảm 5%, còn :

Tính toán hệ thống cấp khí cho bể điều hòa

Lượng không khí cần thiết

Trong đó a: lượng không khí cấp cho bể điều hòa, a = 3,74 m 3 khí/m 3 nước thải (theo W.Wesley Echenfelder, Industrical Water Pollution Control, 1989)

Chọn hệ thông cấp khí bằng thép có đục lỗ, mỗi ngăn bao gồm 2 ống đặt dọc theo chiều dài bể (6,0 m)

Lưu lượng khí trong mỗi ống :

Trong đó : v là vận tốc khí trong ống, v ống – 15m/s, chọn vốngm/s Đường kính ống dẫn

Chọn ống Φ = 10mm, đường kính các lỗ 2 – 5mm, chọn dlỗ= 4mm=0,004m Vận tốc khí qua lỗ v lỗ =5 – 20m/s, chọn v lỗ = 10m/s

Lưu lượng khí qua 1 lỗ:

Số lỗ trên một ống:

Số lỗ trên 1m chiều dài ống ảnh hưởng đến áp lực và công suất của hệ thống nén khí Áp lực cần thiết cho hệ thống nén khí được xác định theo công thức cụ thể.

Htc = hd + hc + hf + H, trong đó hd là tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài ống dẫn, hc là tổn thất áp lực cục bộ, và hf là tổn thất qua thiết bị phân phối.

H: chiều cao hữu ích của bể điều hoà, H = 3 m

Tổng tổn thất h d và hc thường không vượt quá 0,4m, tổn thất hf không vượt quá 0,5m, do đó áp lực cần thiết là:

Công suất máy thổi khí tính theo công thức sau:

+ P: Công suất yêu cầu của máy (Kw/h)

+ G: trọng lượng dòng khí (kg/s)

+R: hằng số khí R = 8,314 (KJ/K.mol o K )

+ T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí đầu vào:

T1= 273 + 25 = 298 o K + P1 : áp lực tuyệt đối của không khí đầu vào, P1 = 1at

+ P 2 : áp lực tuyệt đối của không khí đầu ra, P 2 =H tc + 1at = 1,39 at

+ : hiệu suất của máy nén khí, = 0,7 – 0,9, chọn = 0,8

Chọn máy thổi khí có công suất 5,2 (Kw)

Tính toán các ống dẫn nước vào và ra khỏi bể điều hoà:

Chọn vận tốc nước vào bể là 0,7 (m/s), lưu lượng nước thải 30 (m 3 /h), đường kính ống vào là:

Chọn ống nhựa PVC có đường kính 120

Chọn vận tốc nước ra khỏi bể là 1m/s, đường kính ống dẫn nước ra:

Chọn ống nhựa PVC có đường kính 40

Tính bơm để bơm nước thải

Công suất của bơm được tính theo công thức:

H : chiều cao cột áp toàn phần, H = 8 (mH 2 O)

: khối lượng riêng của nước (kg/m 3 )

Công suất thực tế của máy bơm:

NTT = 1,2×N = 1,2×368 = 442 (W) Chọn 2 bơm công suất 0,5 kW, 1 bơm hoạt động và 1 bơm dự phòng

Hình 3.2 Mặt cắt bể điều hòa Bảng 3.3: Tổng hợp tính toán bể điều hoà

Chiều cao, H (m) 3,5 Đường kính ống dẫn khí, d ống (mm) 20 Đường kính lỗ khí, d lỗ (mm) 4

Số lỗ trên một ống, N 30

Số lỗ trên 1m chiều dài ống, n 6 Đường kính ống dẫn nước vào bể (mm) 120 Đường kính ống dẫn nước ra khỏi bể (mm) 40

Công suất máy thổi khí, P (kW) 5,2

Công suất máy bơm nước thải, N (kW) 0,5

Bể lắng đợt I

Bể lắng đợt I có nhiệm vụ loại bỏ tạp chất lơ lửng trong nước thải sau khi đã qua các công trình xử lý trước đó Tại đây, các chất lơ lửng có tỷ trọng lớn hơn nước sẽ lắng xuống đáy bể.

Chọn bể lắng đợt I có dạng hình tròn trên mặt bằng, nước thải vào từ tâm và thu nước theo chu vi bể (bể lắng ly tâm)

Diện tích bề mặt của bể lắng ly tâm trên mặt bằng được tính theo công thức:

Q: lưu lượng nước thải (m 3 /ngđ)

Để thiết kế bể lắng, tải trọng bề mặt được chọn là LA = 32 (m³/m².ngày) Đường kính bể lắng và đường kính ống trung tâm được tính toán với d = 20% D, tương ứng với d = 0,4 m Chiều sâu hữu ích của bể lắng được chọn là H = 2m, với chiều cao lớp bùn lắng hb = 0,7m, chiều cao lớp trung hòa hth = 0,2m và chiều cao bảo vệ hbv = 0,3m Tổng chiều cao của bể lắng đợt I sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.

Chiều cao ống trung tâm: h = 60%H = 60%×2= 1,2 (m)

Kiểm tra thời gian lưu nước của bể lắng:

Giả sử hiệu quả xử lý cặn lơ lửng đạt 65% ở tải trọng 32m 3 /m 2 ngày Lượng bùn tươi sinh ra mỗi ngày là:

Lưu lượng bùn tươi cần xử lý được tính toán như sau: M tươi = 2250gSS/m³ × 90m³/ngày × 0,65/1000g/kg = 131,6 kgSS/ngày Giả sử nước thải có hàm lượng cặn 5% (độ ẩm 95%), tỷ số VSS : SS là 0,8 và khối lượng riêng của bùn tươi là 1,053kg/l.

Lượng bùn tươi có khả năng phân huỷ sinh học:

M tươi (VSS) = 131,6 kgSS/ngày×0,8 = 105,3 (VSS/ ngày)

Hình 3.3 Mặt cắt bể lắng 1 Máng thu nước

Máng thu nước đặt ở vòng tròn, có đường kính bằng 0,8 đường kính bể:

Chiều dài máng thu nước:

Máng bê tông cốt thép dày 100mm, có lắp thêm máng răng cưa thép tấm không gỉ có dạng chữ V, góc 90 0 C

Tính bơm bùn đến bể nén bùn : bơm 1 giờ/ngày

Q : lưu lượng bùn bơm đến bể nén bùn (m 3 /h)

H : chiều cao cột áp toàn phần H = 8 (mH2O)

: khối lượng riêng của bùn (kg/m 3 ) = 1008 kg/m 3

NTT = 1,2×N = 1,2×247 = 297 (W) Chọn 2 bơm công suất 0,3 kW hoạt động luân phiên nhau để bơm bùn đến bể nén bùn

Tính bơm từ bể lắng I sang bể UASB

Công suất của bơm được tính theo công thức:

H : chiều cao cột áp toàn phần, H = 6 (mH 2 O)

: khối lượng riêng của nước (kg/m 3 )

N TT = 1,2×N = 1,2×288 = 345,6 (W), lấy = 0,4 kW Chọn 2 bơm công suất 0,4 kW, 1 bơm hoạt động và 1 bơm dự phòng

Hiệu quả lắng chất lơ lửng của bể là 60%

Hàm lượng BOD 5 của nước thải giảm 15%

Bảng 3.4 Tổng hợp tính toán bể lắng đợt I

Thông số Giá trị Đường kính bể lắng, D(m) 5,35

Chiều cao bể lắng, H(m) 4,2 Đường kính ống trung tâm, d(m) 1,07

Chiều cao ống trung tâm, h(m) 1,8

Kích thước máng Đường kính máng thu nước, m 4,28 Chiều dài máng thu nước, m 13,45 Chiều cao máng thu nước, m 0,5 Công suất bơm bùn đến bể nén bùn (kW) 0,3

Công suất bơm nước từ bể lắng 1 sang bể UASB (kW) 0,4

Bể UASB

Sử dụng lớp cặn lơ lửng chứa vi sinh vật yếm khí trong dịch lên men giúp giảm đáng kể hàm lượng COD và BOD trong nước thải Hệ thống nước thải chảy từ dưới lên không chỉ tối ưu hóa quá trình xử lý mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho xử lý hiếu khí trong bể aerotank.

Các thông số đầu vào:

Bùn nuôi cấy ban đầu với hàm lượng C ss = 30kgSS/m 3 (Theo “Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp”, Lâm Minh Triết)

Tỷ lệ MLSV/MLSS của bùn trong bể UASB = 0,75

Tải trọng bề mặt phần lắng, LA = 12 m 3 /m 2 ngày (Bảng 10 –9, “XLNT đô thị và công nghiệp” , Lâm Minh Triết)

Tải trọng thể tích L0 = 8kg COD/m 3 ngày (Bảng 10 – 10, “XLNT đô thị và công nghiệp”, Lâm Minh Triết)

Lượng bùn phân hủy kị khí cho vào ban đầu có TS = 5%

Y = 0,04 gVSS/gCOD, kđ = 0,025 ngày -1 , tc = 60 ngày Để giữ cho lớp bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng, tốc độ nước dâng trong bể phải giữ trong khoảng 0,6 – 0,9m/h, chọn v = 0,6m/h

Diện tích bề mặt cần thiết của bể UASB:

Diện tích bề mặt phần lắng

Thể tích ngăn phản ứng bể USAB:

C: hàm lượng COD đầu vào, COD = 3000mg/l

Chọn bể hình vuông, vậy mỗi cạnh là:

Chiều cao phần xử lý kỵ khí:

Chiều cao tổng cộng của bể là:

H: chiều cao phần xử lý kỵ khí

Hp: chiều cao phễu thu khí, h p = 1,5 – 2m, chọn hp = 1,5m hbv: chiều cao bảo vệ, h bv = 0,3m

Thể tích thưc của bể:

Thời gian lưu nước trong bể là 6h

Lượng bùn nuôi cấy ban đầu cho vào bể:

Css: hàm lượng bùn trong bể, kg/m 3

V: thể tích ngăn phản ứng

TS: hàm lượng chất rắn trong bùn nuôi cấy ban đầu, %

Hàm lượng COD của nước thải sau khi xử lý kị khí:

Hàm lượng BOD 5 của nước thải sau khi xử lý ki khí:

Diện tích bề mặt phần lắng A = 7,5 m 2

Bể có thiết kế gồm 2 chụp khí và 4 tấm hướng dòng, với tổng chiều cao của ngăn lắng, bao gồm cả chiều cao vùng lắng, chiếm hơn 30% tổng chiều cao bể Chiều cao lắng được chọn là 40% chiều cao tổng, tương đương 2,52 mét.

Thời gian lưu nước trong ngăn lắng, thời gian này phải lớn hơn 1h

Tính toán phễu thu khí

Bố trí phễu có chiều cao 1,5m Đáy phễu thu khí có chiều dài bằng cạnh đơn nguyên: l = W = 2,75m và chiều rộng w = 1,9m, và có 4 khe hở

Vậy phần diện tích bề mặt khe hở giữa các phễu thu khí là:

A: Diện tích bề mặt bể

Akh: Diện tích khe hở giữa các phễu thu khí

A p: Diện tích đáy phễu thu khí

Giá trị này nằm trong khoảng 15 – 20%

Tính toán tấm hướng dòng

Tấm hướng dòng cũng được đặt nghiêng một góc 60 0 so với phương ngang cách tấm chắn khí 0,19m

Tính toán lượng bùn sinh ra

Lượng sinh khới hình thành mỗi ngày

Y: hệ số sản lượng sinh tế bào, Y = 0,04 g VSS/g COD kđ: hệ số phân hủy nội bào, kđ = 0,025 ngày -1 c : thời gian lưu bùn (35 – 100 ngày), chọn c = 60 ngày

S0, S: lượng COD đầu vào và đầu ra bể

Lượng bùn dư sinh ra mỗi ngày

Css:hàm lượng bùn trong bể, C ss = 30kgSS/m 3

Lượng chất rắn từ bùn dư

Tính toán lượng khí metan sinh ra mỗi ngày

: thể tích khí metan sinh ra ở điều kiện chuẩn ( nhiệt độ 0 0 C và áp suất 1atm)

Px: lượng sinh khối sinh ra mỗi ngày (kgVS/ngày)

350,84: hệ số chuyển đổi lý thuyết lượng khí metan sản sinh từ 1kg BOD L chuyển thành khí metan và CO 2 (lit CH4 / kg BODL)

Tính dàn ống phân phối nước vào: Ống chính

Vận tốc nước chảy trong ống chính v = 0,8 – 2m/s Chọn vận tốc nước trong ống chính vc = 1m/s

Chọn ống nhựa PVC có đường kính ống Φ = 40 mm Ống nhánh

Từ ống chính chia làm 2 ống nhánh đi vào 2 đơn nguyên Vận tốc nước chảy trong ống nhánh v = 0,8 – 2m/s Chọn vận tốc nước trong ống chính vn = 1m/s

Chọn ống nhựa PVC có đường kính ống Φ = 30mm Ống nhánh nhỏ

Từ 2 ống nhánh chia làm 4 ống nhánh nhỏ đi vào mỗi đơn nguyên

Chọn ống nhựa PVC có đường kính ống Φ = 15mm

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 38 Ống dẫn nước thải sang Aerotank

Vận tốc nước chảy trong ống v = 0,1 – 0,5m/s, chọn v = 0,5m/s

Chọn ống nhựa PVC có đường kính ống Φ = 55mm

Giả sử hàm lượng COD giảm 20% sau khi qua xử lý sơ bộ Hiệu suất xử lý của bể UASB là 90%

Hàm lượng COD của nước thải sau xử lý kỵ khí:

Hàm lượng BOD 5 của nước thải sau xử lý kỵ khí:

Hàm lượng TSS của nước thải sau xử lý kỵ khí:

TSS = 650 × (1 – 0,9) = 65 mg/l Hàm lượng Coliform giảm 99%, lượng còn lại sau xử lý

Để theo dõi hoạt động trong bể, cần đặt các van lấy mẫu dọc theo chiều cao bể Các mẫu thu được từ cùng một van giúp ước đoán lượng bùn ở độ cao tương ứng Việc ước đoán này rất quan trọng để xác định tải trọng thực sự của bùn và thời gian lưu của bùn trong bể, từ đó có thể thực hiện các điều chỉnh cần thiết.

Trong điều kiện ổn định, tải trọng bùn duy trì ổn định, dẫn đến sự gia tăng mật độ bùn một cách đều đặn Tuy nhiên, việc lấy mẫu bùn vẫn được khuyến nghị thực hiện thường xuyên để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của dữ liệu.

Khi mở van, cần điều chỉnh để bùn chảy ra từ từ, nhằm thu được mẫu bùn tương tự như trong bể Nếu mở van quá lớn, nước sẽ thoát ra nhiều hơn Thông thường, nên lấy 50 – 150 ml mẫu hai lần, cách nhau ít nhất 1 giờ.

Bể cao 6,3m do đó dọc theo chiều cao bể đặt 9 van lấy mẫu, các van đặt cách nhau 0,7m, van dưới cùng đặt cách đáy 0,5m

Chọn ống và van lấy mẫu bằng nhựa PVC cứng Φ = 25mm

Bảng 3.5 Tổng hợp thiết kế bể UASB

Thể tích bể: dài x rộng x cao (m) 2,75×2,75×2,6,3

Thời gian lưu nước trong ngăn lắng là t(h) 5, với đường kính ống dẫn nước chính là D(mm) 40, đường kính ống dẫn nước nhánh là Dn(mm) 30, đường kính ống dẫn nước nhánh nhỏ là Dnn(mm) 15, và đường kính ống dẫn nước thải sang bể Aerotank là 55 mm.

Bể aerotank

Bể aerotank là một công nghệ phổ biến trong xử lý nước thải hiếu khí, chủ yếu dựa vào hoạt động và sinh sản của vi sinh vật để ổn định chất hữu cơ và keo tụ các hạt cặn lơ lửng Để nâng cao khả năng phân hủy của vi sinh vật, Nitơ và Photpho sẽ được bổ sung tùy theo thành phần cụ thể của nước thải.

* Các điều kiện, yêu cầu và các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình xử lý:

- Điều kiện đầu tiên: cung cấp oxi đủ và liên tục cho bể sao cho lượng DO ra khỏi bể lắng II không nhỏ hơn 2 mg/l

Nồng độ cho phép các chất bẩn hữu cơ trong nước thải rất quan trọng, vì nếu hàm lượng chất bẩn quá cao sẽ làm gián đoạn hoạt động sống của vi sinh vật, gây ra tình trạng "quá tải" Hơn nữa, sự hiện diện của nhiều chất độc hại có thể dẫn đến "sốc" cho vi sinh vật Do đó, cần phải pha loãng nước thải có nồng độ chất bẩn cao trước khi tiến hành xử lý.

Để đảm bảo quá trình sinh hóa diễn ra bình thường, lượng các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết như N, P, K, Ca, S phải nằm trong giới hạn cho phép Có thể lựa chọn các nguyên tố này theo tỷ lệ phù hợp để đạt hiệu quả tối ưu.

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 40 hay COD : N : P = 150 : 5 : 1

Các thông số tính toán cơ bản cho bể Aerotank xáo trộn hoàn toàn:

 Thời gian lưu bùn:θ c = 5 – 15 ngày

 Tỷ số F/M : 0,2 – 0,6 kg/kg.ngày

 Tải trọng thể tích : 0,8 – 1,92 kgBOD5/m 3 ngày

 Tỷ số thể tích trên lưu lượng giờ: W/Q = 3 – 5h

 Tỷ số tuần hoàn bùn hoạt tính: Q th /Q = 0,25 – 1

 Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn (tính theo chất rắn lơ lửng) là 10000 mg/l

Xác định BOD 5 của nước thải đầu vào và đầu ra của bể Aerotank

Ta có BOD5vào = 173 mg/l

Chọn hiệu quả xử lý của bể Aerotank là 80%

Tính BOD hòa tan trong nước ở đầu ra

Phương trình cân bằng vật chất:

BOD5 ra = BOD5 hòa tan trong nước đầu ra + BOD5 của chất lơ lửng trong nước đầu ra

Trong đó BOD 5ra = 34,6 mg/l

Hiệu quả xử lý TSS của bể aerotank là 70%

→SSra = 20 mg/l (giả sử 60% là cặn có thể phân hủy sinh học)

BOD chứa trong cặn lơ lửng ở đầu ra: 20×0,6 = 12 mg/l

Lượng oxy cần cung cấp để oxy hoá hết lượng cặn này được tính dựa vào phương trình phản ứng:

(lượng oxy cung cấp này chính là BOD 20 của phản ứng)

Vậy BOD hoàn toàn của chất rắn có khả năng phân huỷ sinh học ở đầu ra là: 12 x 1,42 (mgO2 tiêu thụ/mg tế bào bị oxy hoá) = 17 mg/l

BOD 5 của cặn lơ lửng của nước thải sau bể lắng II là:

BOD5 = 0,68 BOD20 = 0,68 x 17 = 11,6 mg/l BOD5 hoà tan trong nước ở đầu ra xác định như sau:

34,6 mg/l = BOD ht 5 + 11,6 mg/l BOD ht 5 = 23 mg/l

Tính hiệu quả xử lý:

Hiệu quả xử lý BOD 5 hòa tan:

Hiệu quả xử lý tính theo BOD 5 tổng cộng:

Xác định thể tích bể aerotank

Thể tích bể aerotank được tính theo công thức sau:

Trong đó: θc: thời gian lưu bùn, theo quy phạm 5 – 15 ngày, chọn θc = 10ngày

Q : lưu lượng trung bình ngày, Q = 90m 3 /ngày

Y : hệ số sản lượng bùn, Y = 0,4 – 0,8 mgVSS/mg BOD 5 , chọn Y = 0,6 mgVSS/mg BOD5

S0: hàm lượng BOD5 dẫn vào aerotank, S0 = 173 mg/l

S: hàm lượng BOD 5 hoà tan của nước thải dẫn ra khỏi aerotank,

X : nồng độ chất lơ lửng dễ bay hơi trong hỗn hợp bùn hoạt tính,

X = 3800 mg/l kd: hệ số phân huỷ nội bào, chọn kd = 0.06 ngày -1

Thời gian lưu nước của bể aeroten:

Xác định kích thước bể aeroten:

Chọn chiều cao hữu ích của bể là 2,0m, chiều cao bảo vệ là 0,5m

Vậy chiều cao tổng cộng của bể: H = 2,5m

Chọn chiều rộng của aerotank là B = 3m

Chiều dài bể aerotank là L = 4 m

Tính toán lượng bùn dư thải ra mỗi ngày

Hệ số sản lượng quan sát (Y obs ) là:

Lượng bùn sinh ra mỗi ngày theo VSS là:

Tổng lượng bùn sinh ra mỗi ngày theo TSS là:

Lượng cặn dư hằng ngày phải xả đi:

Xác định lưu lượng bùn thải:

Khi bùn dư được xả bỏ từ đường ống dẫn bùn tuần hoàn, lưu lượng xả ra (Q ra) sẽ bằng lưu lượng đầu vào (Q) Đồng thời, hàm lượng VSS trong bùn ở đầu ra chiếm tới 80% tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS).

Khi đó lưu lượng bùn dư thải bỏ được tính toán bằng công thức:

X : nồng độ VSS trong hỗn hợp bùn hoạt tính ở bể aerotank, X 3800mg/l

Xra: nồng độ VSS có trong SS ra khỏi bể lắng II, X ra = 0,8×20 = 16 mg/l (hiệu quả xử lý chất rắn lơ lửng của bể aerotank là 70%)

QW: lưu lượng bùn dư cần xử lý, m 3 /ngày

Q: lưu lượng nước thải, Q = 90m 3 /ngày

Tính hệ số tuần hoàn

Từ phương trình cân bằng vật chất viết đối với bể lắng aerotank theo sơ đồ hình 3.4 Cân bằng vật chất cho bể aerotank:

Qr: lưu lượng bùn hoạt tính tuần hoàn

X0: nồng độ VSS trong nước thải dẫn vào aerotank, mg/l

X: nồng độ VSS ở bể aerotank

Xu: nồng độ VSS trong bùn tuần hoàn, X u = 0,8 ×10000 = 8000 mg/l

Giá trị X 0 thường rất nhỏ so với X và Xu, do đó trong phương trình cân bằng vật chất ở trên có thể bỏ qua QX0

Khi đó phương trình cân bằng vật chất sẽ có dạng

Qr ×Xu = (Q+Qr)×X Chia 2 vế của phương trình trên cho Q và đặt tỷ số Qr/Q = α (α được gọi là tỷ số tuần hoàn) ta có: αX u = X + αX Hay α = X/(Xu – X) = 3800/(8000 – 3800) = 0,9

→ Lưu lượng bùn tuần hoàn:

Xác định lượng khí cấp cho aerotank

Khối lượng BOD L tiêu thụ trong qua trình sinh học bùn hoạt tính

0,68 là hệ số chuyển đổi BOD5 sang BOD20

Nhu cầu oxy cho quá trình là

1,42: hệ số chuyển đổi tế bào sang BOD

Thể tích không khí theo yêu cầu:

Lượng không khí yêu cầu theo lý thuyết (giả sử không khí có 23,2% trong lượng oxy và trong lượng riêng của không khí ở 20 0 C là 0,0118 kN/m 3 = 1,18 kg/m 3) là:

Giả sử hiệu quả vận chuyển oxy của thiết bị thổi khí là 8%, hệ số an toàn khi sử dụng trong thiết kế là 2

Lượng không khí yêu cầu đối với hiệu quả vận chuyển 8% sẽ bằng:

Kiểm tra phần không khí cần thiết cho xáo trộn hoàn toàn

Trị số này nằm trong khoảng cho phép q = 20 – 40 l/m 3 phút

Lượng không khí cần thiết để chọn máy nén khí

Tính toán máy thổi khí Áp lực cần thiết cho hệ thống ống nén khí được xác định theo công thức:

Htc = hd + hc + hf + H = 0,4 + 0,5 + 2,0 = 3,9 (m) Trong đó, hd và hc đại diện cho tổn thất áp lực dọc theo chiều dài ống và tổn thất cục bộ tại các điểm uốn, khúc quanh, tổng tổn thất hd và hc không vượt quá 0,4m hf là tổn thất qua thiết bị phân phối, với giá trị không vượt quá 0,5m.

H: chiều cao hữu ích của bể aerotank, H = 2,0m

.Công suất máy thổi khí tính theo công thức sau:

+ P: Công suất yêu cầu của máy (w/h)

+ G: trọng lượng dòng khí (kg/s)

+R: hằng số khí R = 8,314 (KJ/K.mol o K )

+ T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí đầu vào:

T1= 273 + 25 = 298 o K + P 1 : áp lực tuyệt đối của không khí đầu vào, P 1 = 1at

+ P2: áp lực tuyệt đối của không khí đầu ra, P 2 =Htc + 1at = 1,29 at

+ : hiệu suất của máy nén khí, = 0,7 – 0,9, chọn = 0,8

Chọn máy thổi khí có công suất 2 (Kw)

Chọn thiết bị khuêch tán khí:

Chọn thiết bị khuếch tán khí dạng đĩa xốp, đường kính 170mm, diện tích bề mặt F= 0,0227 m 2 , cường độ thổi khí 200l/phút.đĩa= 12 m 3 /h.đĩa

Các đĩa phân phối này sẽ được đặt sát đáy bể

Số đĩa cần phân phối trong bể:

4 đĩa thổi khí này sẽ được bố trí đều theo chiều dài bể, đặt theo chiều rộng 2 đĩa và chiều dài 2 đĩa

Tính toán đường ống dẫn khí Đường kính ống phân phối chính

Trong đó v: vận tốc khí trong ống dẫn khí chính chọn v= 15m/s

Q kk : lưu lượng khí cần cung cấp, Q kk = 0,067 m 3 /s

Từ ống chính ta phân vào 4 ống phụ phân phối khí vào bể, trên mỗi ống phụ đặt

Lượng khí qua mỗi ống nhánh là: Đường kính ống dẫn khí nhánh

Trong đó v: vận tốc khí trong ống dẫn khí nhánh chọn v= 15m/s

Qnh: lưu lượng khí cần cung cấp, Q nh = 0,004 m 3 /s

Kiểm tra lại tốc độ ống:

Vận tốc ống chính v= 13,33m/s thuộc khoảng cho phép 10 – 15m/s

Vận tốc ống nhánh v n = 13,3m/s thuộc khoảng cho phép 10 – 15m/s

Kiểm tra tỷ số F/M và tải trọng hữu cơ:

Tỷ số F/M xác định theo công thức sau:

X hàm lượng VSS trong bể, X= 3800mg/l τ thời gian lưu nước, τ= 3,6h

Giá trị này nằm trong khoảng cho phép của thông số thiết kế bể (0,2 – 0,6kg BOD5/kg VSS.ngày)

Giá trị này nằm trong khoảng cho phép của thông số thiết kế bể (0,8 – 1,92kg

Tính đường ống dẫn bùn tuần hoàn Đường kính ống dẫn bùn tuần hoàn:

Chọn vận tốc bùn chảy trong ống: v = 1m/s

Lưu lượng tuần hoàn : Qr = 443m 3 /ngđ Đường kính ống dẫn là:

Bảng 3.6 Tổng hợp tính toán bể aerotank

Thể tích bể: dài x rộng x cao 3m x 2,5m x 2,5m

Lưu lượng bùn thải Q w (m 3 /ngày) 1

Tỷ số tuần hoàn bùn, 0,9

Lưu lượng bùn tuần hoàn, Qr(m 3 /ngày) 81

Lượng không khí cần, Q kk (m 3 /ngày) 1152

Số đĩa sứ khuyếch tán khí, N (đĩa) 4 Đường kính ống dẫn khí chính, D(mm) 40 Đường kính ống dẫn khí nhánh, d(mm) 20 Đường kính ống dẫn bùn tuần hoàn, D b (mm) 50

Công suất máy cấp khí, (kW) 2

Hiệu quả xử lý Nito và photpho đạt 80%

Bể lắng II

Nước thải sau khi xử lý tại bể Aerotank sẽ được chuyển đến bể lắng II, nơi có chức năng lắng đọng bông bùn hoạt tính từ bể trước Một phần bùn lắng sẽ được tuần hoàn trở lại bể Aerotank, trong khi phần bùn dư sẽ được thải ra ngoài.

Chọn bể lắng đợt II là bể lắng ly tâm

Các thông số thiết kế đặc trưng cho bể lắng đợt II với bùn hoạt tính khuyếch tán bằng không khí như sau:

Tải trọng bề mặt, m 3 /m 2 ngày

Sinh viên: Trịnh Thị Trang - MT1101 49 o Lớn nhất: 40,7 – 48,8

Tải trọng chất rắn, kg/m 2 h

Chọn tải trọng bề mặt thích hợp cho bùn hoạt tính này là 20m 3 /m 2 ngày và tải trọng chất rắn là 5,5kg/m 2 h

Diện tích bề mặt bể lắng theo tải trọng bề mặt:

Q : lưu lượng trung bình ngày, m 3 /ngày

LA: tải trọng bề mặt, m 3 /m 2 ngày Diện tích bề mặt bể lắng tính theo tải trọng chất rắn là:

Q r : lưu lượng bùn tuần hoàn, m 3 /ngày

L S : tải trọng chất rắn, kgSS/m 2 ngày

Diện tích bề mặt lắng được tính theo tải trọng chất rắn, trong đó đường kính bể lắng và đường kính ống trung tâm được xác định với công thức d = 20%D, với D = 2,8m, dẫn đến d = 0,56m Chiều cao hữu ích của bể lắng được chọn là hL = 2m, với chiều cao lớp bùn lắng hb = 0,5m và chiều cao bảo vệ hbv = 0,3m Tổng chiều cao của bể lắng II được tính từ các thông số trên.

Chiều cao ống trung tâm; h = 60%hL = 60%×2= 1,2 (m)

Thời gian lưu nước của bể lắng:

Thể tích bể chứa bùn:

Vb = As×hb = 6,15×0,5 = 3 (m 3 ) + Thời gian lưu giữ bùn trong bể:

Giá trị này nằm trong khoảng cho phép LS < 500 m 3 /m.ngày

Máng thu nước đặt ở vòng tròn, có đường kính bằng 0,8 đường kính bể:

Máng bê tông cốt thép dày 100mm, có lắp thêm máng răng cưa thép tấm không gỉ có dạng chữ V, góc 90 0 C

Tính ống dẫn nước thải và ống dẫn bùn

 Ống dẫn nước thải vào:

Chọn vận tốc nước thải chảy trong ống: v = 0,7m/s

Lưu lượng nước thải vào bể:

Chọn ống nhựa PVC đường kính ống = 65mm

 Ống dẫn nước thải ra:

Chọn vận tốc nước thải chảy trong ống v = 0,7m/s

Lưu lượng nước thải : Q = 90m 3 /ngđ Đường kính ống là:

Chọn ống nhựa PVC có đường kính = 45mm

Chọn vận tốc bùn chảy trong ống: v = 1m/s

Lưu lượng bùn: Q b = Qr + Qw = 1 + 81 = 82 (m 3 /ngày) Đường kính ống dẫn là:

Chọn ống nhựa PVC đường kính ống = 45mm

Tính bơm bùn tuần hoàn

Q : lưu lượng bùn tuần hoàn (m 3 /h)

: khối lượng riêng của bùn, = 1008 (kg/m 3 )

Chọn 2 bơm công suất 0,3 kW, một bơm làm việc, 1 bơm dự phòng

Tính bơm bùn đến bể nén bùn

Thời gian bơm 15 phút/ngày

Q : lưu lượng bùn xả ra (m 3 /h)

: khối lượng riêng của bùn, = 1008 (kg/m 3 )

Chọn 2 bơm công suất 0,4 kW hoạt động luân phiên nhau

Bảng 3.7 Tổng hợp thiết kế bể lắng đợt II

Thông số Giá trị Đường kính bể lắng , D(m) 2,8

Chiều cao bể lắng, H(m) 2,8 Đường kính ống trung tâm, d(m) 0,56

Chiều cao ống trung tâm, h(m) 1,2

Thời gian lưu bùn, t b (h) 0,9 Đường kính ống dẫn nước thải vào (mm) 65 Đường kính ống dẫn nước thải ra (mm) 45 Đường kính ống dẫn bùn (mm) 45

Công suất bơm bùn tuần hoàn (kW) 0,3

Công suất bơm bùn đến bể nén bùn (kW) 0,6

Hiệu suất xử lý của bể lắng 2 là 70% Hàm lượng chất ô nhiếm còn lại sau khi qua bể lắng 2:

BOD5 = 52 × 0,3 = 15,6 mg/l COD = 112 × 0,3 = 33,6 mg/l TSS = 20 × 0,3 = 6 mg/l

P Tổng = 7,6 × 0,3 = 2,3 mg/l Tất cả các thông số đều đạt QCVN 24 – 2005 cột B

Cặn tươi từ bể lắng I và bùn hoạt tính từ bể lắng II có độ ẩm cao (92 – 96% và 99,2 – 99,7% tương ứng), do đó cần giảm độ ẩm và thể tích trước khi xử lý tiếp Một phần lớn bùn từ bể lắng II được quay lại aerotank, trong khi phần còn lại, gọi là bùn hoạt tính dư, được dẫn vào bể nén bùn Bể nén bùn có nhiệm vụ giảm độ ẩm của bùn hoạt tính dư thông qua quá trình lắng (nén) cơ học, nhằm đạt độ ẩm thích hợp (95 – 97%) cho các quy trình xử lý bùn tiếp theo.

Bể nén bùn tương tự như bể lắng ly tâm, nơi bùn được tách nước nhằm giảm thể tích Hỗn hợp bùn – nước được đưa vào ống trung tâm ở giữa bể, và dưới tác dụng của trọng lực, bùn sẽ lắng xuống và kết chặt lại Sau khi quá trình nén hoàn tất, bùn sẽ được rút ra khỏi bể bằng bơm hút bùn.

Lưu lượng bùn dư cần xử lý mỗi ngày:

QV = QI + QUASB + QII = 2,5 + 0,15 + 1 = 3,65 (m 3 /ngày)

Diện tích của bể nén bùn đứng được tính dựa theo công thức:

Trong đó: q o : Tải trọng tính toán lên diện tích mặt thoáng của bể nén bùn (m 3 /m 2 h),

Sinh viên Trịnh Thị Trang, mã số MT1101 54, đã thực hiện tính toán các kích thước liên quan đến bể nén bùn Đường kính của bể nén bùn được xác định với hệ số qo = 0,3 m³/m².h Đường kính ống trung tâm được tính là d = 0,1D = 0,1 × 0,8 = 0,08 m Đường kính phần loe của ống trung tâm là d1 = 1,35d = 1,35 × 0,08 = 0,1 m Cuối cùng, đường kính tấm chắn được tính là dch = 1,3d1 = 1,3 × 0,1 = 0,13 m.

Chiều cao công tác của bể nén bùn :

H = qo×t = 0,3×10 = 3 Với t : thời gian nén bùn Chọn t = 10h quy phạm (10 – 12h)

Chiều cao tổng cộng của bể nén bùn :

Htc = H + h1 + h2 + h3 = 3 + 0,3 + 0,3 + 0,8 = 4,4 (m) Trong đó : h1: chiều cao từ mực nước đến thành bể (m)

H 2 : chiều cao lớp bùn (m) h 3 : chiều cao phần chóp đáy bể (m)

Máng thu nước đặt vòng tròn theo thành bể, cách thành bể 0,3m Đường kính máng thu nước:

Lượng nước tách ra khỏi bùn:

Lượng bùn sau khi nén:

Tính công suất bơm hút bùn :

Thời gian hút bùn là 1 giờ

Q : lưu lượng bùn sau khi nén (m 3 /h)

H : chiều cao cột áp toàn phần H = 8 (mH 2 O)

: khối lượng riêng của bùn sau khi nén (kg/m 3 ) = 1200 (kg/m3)

NTT = 1,2.N = 1,2× 430= 515 (W) Chọn 2 bơm công suất 0,52 kW hoạt động luân phiên nhau

Bảng 3.8 Tổng hợp thiết kế bể nén bùn

Lưu lượng bùn sau khi nén đạt 3,6 m³/ngày với đường kính bể nén bùn là 0,8 m Ống trung tâm có đường kính 0,08 m, trong khi phần loe của ống trung tâm có đường kính 0,1 m Cuối cùng, đường kính tấm chắn là 0,13 m.

Chiều cao tổng cộng bể nén bùn, H tc (m) 4,4

Công suất bơm hút bùn (kW) 0,52

Hồ sinh học có nhiệm vụ ổn định tính chất nước thải và nâng cao hiệu quả khử các chất bẩn hữu cơ còn lại Trong hồ, nước thải được làm sạch thông qua quá trình tự nhiên, đồng thời tiêu diệt vi khuẩn gây hại (Coliform) nhờ tia cực tím từ ánh sáng mặt trời.

Chọn thời gian lưu nước trong hồ là 2 ngày đêm

(m 3 ) Lấy thể tích bể xây dựng là 200 m 3 dự trữ khi trời mưa

Chọn chiều cao bể là H = 2 m, chiều dài là L = 20 m, chiều rộng là B = 5 m Kích thước hồ sinh học: B x L x H = 4 × 3 × 1,1 (m)

Nước từ bể sinh học đạt tiêu chuẩn chất lượng cột B QCVN 24:2009, cho phép trang trại tái sử dụng nước này để rửa chuồng trại, giúp tiết kiệm chi phí mua nước sạch.

Hồ sinh học

Hồ sinh học có nhiệm vụ ổn định tính chất nước thải và nâng cao hiệu quả khử các chất bẩn hữu cơ còn lại Trong hồ, nước thải được làm sạch qua quá trình tự nhiên, đồng thời tiêu diệt vi khuẩn gây hại (Coliform) nhờ tia cực tím từ ánh sáng mặt trời.

Chọn thời gian lưu nước trong hồ là 2 ngày đêm

(m 3 ) Lấy thể tích bể xây dựng là 200 m 3 dự trữ khi trời mưa

Chọn chiều cao bể là H = 2 m, chiều dài là L = 20 m, chiều rộng là B = 5 m Kích thước hồ sinh học: B x L x H = 4 × 3 × 1,1 (m)

Nước từ bể sinh học đạt tiêu chuẩn chất lượng cột B QCVN 24:2009, cho phép trang trại tái sử dụng để rửa chuồng trại, giúp tiết kiệm chi phí mua nước sạch.

TÍNH KINH TẾ

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	1,68 MB