TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỤM BỂ KỊ KHÍ

CÔNG NGHỆ KỊ KHÍ

I. Quá trình kị khí

Thủy Phân:

+ Quá trình xảy ra chậm

+ Tốc độc phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất

+ Chất béo thủy phân rất chậm

Acid hóa

+Vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols,..

+ Sự hình thành của các Axit có thể làm pH giảm xuống 4.

Acetic hóa

+Vi khuẩn Acetic chuyển hóa sản phẩm ở giai đoạn acid hóa thành H₂, acetate, O₂ và sinh khối mới.

Methane hóa

+ Các sản phẩm ở giai đoạn acetic hóa chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới

Trong 3 Giai đoạn thủy phân, acid hóa và acetic hóa, COD trong dung dịch hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn methane.

Hình 0.1. Công nghệ kị khí cơ bản

II. Một số loại bể kị khí:

1. Bể UASB ( Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor)

Hình 1.1. Mô hình bể UASB dạng bồn thép

Hình 1.2. Mô hình bể UASB dạng bể xây BTCT

Hình 1.3. Mô hình bể UASB dạng bể xây BTCT

** Bể UASB được nghiêng cứu và phát triển bởi Lettinga (1980s) được áp dụng rộng rãi ở Hà Lan và trên thế giới

Nguyên lý: Nước Thải được phân phối từ đáy lên đi xuyên qua tầng bùn mật độ cao với hoạt tính của vi sinh vật cao, sinh ra sinh khối và các khí biogas, cuối cùng nước đi vào máng thu nước phía trên và ra ngoài. Bộ phận tách khí đặt ở dưới vùng lắng để đảm bảo điều kiện lắng tốt nhất cho bông bùn. Khí bay lên theo ống thu khí ra ngoài.

Đặc điểm của bể UASB là chịu đượcc tải COD cao hơn so với các bể kị khí khác, quá trình phát triển nhờ vào tầng bùn hạt (dense granulated sluge).

Bùn hạt có khả năng lắng tốt ở phần gần đáy, nên nồng độ và mật độ ở gần đáy bể (sluge bed- bùn đệm) rất cao, nồng độ bùn từ 50-100 g/l.
Bùn nhẹ và phân tán ở phần mặt bể ( tầng bùn dãn nở - Sluge blanket) chỉ dao động từ 5-40 g/l.
Nước thải và bùn được xáo trộn với nhau nhờ dòng vào và các bọt khí.

2. R2S (Reactor Two Stages)

Hình 2.1. Mô hình bể R2S

Hình 2.2. Bên trong bể R2S

Hình 2.3Kiểu phân phối nước trong bể R2S

Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật sơ bộ của bể R2S

Tiêu chuẩn kĩ thuật (Specifications)

Có thể xử lý lên đến 40kgCOD/m³/ngày

COD trong khoảng từ 1000 – 50000mg/l

Phù hợp cho tải lượng COD 4500 kg COD/ngày

Chức năng (Funtionality)

Dựa vào dòng chảy tuần hoàn (recirculation) bên trong và bên ngoài, vận tốc đi lên của dòng nước có thể dễ điều chỉnh hơn khi vận hành. Dòng chảy được dẫn vào bồn qua buồng pha loãng (dilution) hoặc khuấy trộn để ngăn ngừa quá tải những hạt kị khí. Hệ thống phân phối nước mang lại hiệu suất cao và dễ dàng phân phối đều. R2S là hệ thống mở ở trên nên dễ dàng vận hành, hệ thống lắng được thiết kế để tạo dòng chảy tuần hoàn phía trong cho tỷ lệ tải lượng cao.

Những tấm hướng dòng được thiết kế để tách đôi bùn/biogas và nước thải.

3. E2E (Effluent to Energy)

Hình 3.1. 3D minh họa bể E2E

4. So sánh R2S, E2E và UASB

Hình 4.1. Chêch lệch độ cao của các cụm bể kị khí với từng công nghệ khác nhau

III. Ví dụ tính toán:

Sử dụng bể UASB trong xử lý nước thải công nghiệp cần xác định:

Thể tích và kích thước bồn (size and dimension reactor)
Thời gian lưu nước (detention time)
Thời gian lưu bùn (reactor SRT)
Nồng độ VSS trung bình trong vùng sinh khối (biomass zone) của bồn
Sản sinh khí methane
Năng lượng có thể được tạo ra từ khí methane
Độ kiềm (Alkalinity)

Yêu cầu của nước thải đầu ra sẽ xử lý được hơn 90% COD. Thành phần chính của nước thải chủ yếu là chất hòa tan bao gồm hợp chất cacbonhydrat, và bùn hạt. Giải sử rằng 50% COD và bùn, 90% sulfat được giảm về mặt sinh học, và nồng độ VSS là 150 g/m³

Giả sử thiết kế bể UASB với nước thải có tính chất như sau

Bảng 3.1

Tóm tắt những thông số thiết kế trong những giai đoạn phát triển khác nhau khi xáo trộn hoàn toàn chất rắn lơ lửng (Theo Mecalf-eddy)

Bảng 3.2

Y=0.08g VSS/gCOD

Với Y: sinh khối sinh ra trên 1 đơn vị khối lượng chất nền

K_d = 0.03gVSS/gVSS.d

Với K_d: Hệ số sản lượng hay hệ số sản xuất sinh khối

µ_m= 0.25 gVSS/ gVSS.d

Với µ_m: Tốc độ sinh trưởng

F_d = 0.15gVSS phân tử còn lại/ g VSS sinh khối phân rã
Lượng khí methane ở 35°C = 40l CH₄/gCOD
Thể tích mực nước trong bể = 85% thể tích bồn
Chiều của cột thu khí gas 2.5m

1. Xác định thể tích bồn dựa vào tải trọng hữu cơ

a) Dựa vào bảng 1.2 sau chọn tải trọng hữu cơ trung bình là 10kg sCOD/m³.d

Bảng 3.2

Trong đó VFA: Votiled Fatty Acid

V_n = 200m³

b) Xác định thể tích nước

2. Xác định kích thước bể

a. Đầu tiên xác định diện tích mặt cắt ướt (cross-sectional aere) dựa vào vận tốc chảy lên. Chọn v = 1.5m/h

b. Xác định chiều cao mực nước

Tổng chiều cao của bồn, chọn chiều cao bảo vệ H_G = 2.5m

H_T = H_L + H_G = 8.4 + 2.5 = 10.9 m

Vậy bồn có kích thước: Đường kính 6m

Chiều cao 10.9m

3. Xác định tời gian lưu nước

4. Xác định thời gian lưu bùn

a) Q.X_e = P_x.Vss= Lượng bùn thải mỗi ngày

X_e: Lượng MLVSS dư mỗi ngày

Ta lại có công thức

Vậy ta cần tìm

Nồng độ chất nền đầu ra, vì ít nhất có 90% COD được xử lý nên:

S = (1-0.9) x 2000(g/m³) = 200 g/m³

Nồng độ nbVSS = 50% lượng VSS cần xử lý

nbVSS = 0.5 x (150 g/m³) = 75 g/m³

pCOD cần xử lý:

pCOD = 0.5 x (2300-2000) g/m³ = 150 g/m³

Tổng lượng nồng độ chất nền:

S₀ = (2000+150) = 2150 g/m³

b. Thời gian lưu bùn:

Từ 2 công thức a và b ta có:

5. Nồng độ chất nền đầu ra với thời gian lưu bùn là 52 ngày tại 30°C

6. Xác định nếu SRT hợp lí, tỉ lệ của chất nền đầu ra với COD

Vì 4.4% < 10% nên thời gian lưu bùn là hợp lý.

7. Xác định nồng độ chất rắn (X_TSS) trong vùng sinh khối của bồn

a) Ta có công thức

Vì xem như tất cả chất rắn ở trong dòng thải cho nên lưu lượng bùn dư Q_w=0 nên X_TSS có thể được tính như sau:

b) Xử lý X_TSS với thể tích V cùng hiệu suất Vn

Giá trị ước tính nằm trong khoảng hàm lượng chất rắn của bể UASB.

8. Xác định hàm lượng khí methane và năng lượng được tạo ra

Xác định COD được xử lý

COD= (2150 -200) g/m³

Xác định COD để xử lý sulfate như chất nhận điện tử, 0.67gCOD được xử lý thì 1g Sulfate được giảm COD_SR = 0.9 (200g SO₄/m³) (0.67g COD/ gSO₄) = 120.6 g/m³

Xác định COD được dùng bởi vi khuẩn trong quá trình methan hóa (Methanogenic bacteria)

COD_MB = (1950-120.6) g/m³ (1000m³/d) =1829400 g/d

Xác định Methane được sinh ra ở 30°C :

Lượng CH₄: 0.3935L/g (1829400gCOD/d)= 719869L/d = 719.9 m³/d

Tổng lượng gas sản phẩm ( sử dụng 65% CH₄) : 719.9 m³/d x 0.65 =1107.5 m³/d

9. Xác định năng lượng được sinh ra bởi khí methane

Tỷ trọng của Methan ở 30°C và 50.1kJ/g methane tra bảng (1.1)

Tỷ trọng ở 35°C = 0.6346g/L (bảng 1.1)

Tỷ trọng methane ở 30°C :

Năng lượng sản phẩm: (719,869 l CH₄/d) (0.6451 g/l) (50.1 kJ/g) = 23.3.10⁶ KJ

10. Xác định độ kiềm

Độ kiềm trong khí ở 30 và 35°C là 1800 mg/l mà độ kiềm trong dòng chảy là 500mg/l, nên lượng kiềm cần thêm vào là : 1800-500= 1300 mgCaCO₃/l

Lượng kiềm thêm vào mỗi ngày là : 1300 mg CaCO₃/l x (1000m³/d) x (1kg/10³g) = 1300 kgCaCO₃/d

(Theo Ví dụ 10-3/ Wastewater engineering Treatment and Reuse - Mecalf -Eddy/ trang 13-16)

Cụm bể UASB

Theo Wastewater engineering Treatment and Reuse - Mecalf -Eddy