THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MƯƠNG OXI HÓA - OXIDATION DITCH

 

I. Khái quát về mương oxi hóa

Mương oxi hóa là dạng cải tiến của bể aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài. Với bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động tuần hoàn liên tục, phá hủy các chất hữu cơ. Do đó tạo ra khối lượng tế bào chết lớn, làm tăng khối lượng chất rắn bùn hoạt tính. Hỗn hợp gồm nước thải và bùn hoạt được chuyển tới bể lắng bậc hai để phân tách khỏi nước thải đầu ra đã qua xử lý và bùn kết. Một phần bùn thải này được tái tuần hoàn đến đầu dẫn nước thải vào bể mương oxy hóa và trở lại thành bùn hoạt tính, phá hủy thêm tải lượng BOD5 hữu cơ. Điểm khác của quy trình xử lý oxy hóa là không đòi hỏi bể lắng bậc 1. Nước thải thô đầu vào có thể được dẫn thẳng đến các bể mương oxy hóa để xử lý.

Hình 1.1 Hệ thống mương oxi hóa và bể lắng 2

Hình 1.2 Hệ thống Mương oxi hóa

Mương oxi hóa còn được gọi là bể phản ứng vòng lặp liên tục (CLRs = continuous loop reactor) có hình bầu dục hoặc đường đua, được trang bị các thiết bị sục khí cơ học  hỗ trợ cho dòng chảy. Mương áp dụng cho các khu xử lý nhỏ và vừa, công suất khoảng 2000 – 20000 m³/ngày. Năng lượng cung cấp cho quá trình sục khí cũng dùng để trộn. Thời gian xáo trộn hoàn toàn từ 5 đến 15 phút.

 Bằng việc gia tăng chiều dài đã tạo ra một vùng anoxic sau vùng hiếu khí, khử bỏ dinh dưỡng (BNR = biological nutrient removal) được hoàn thành trong một bể đơn – thể tích lớn cùng với thời gian lưu bùn lâu sẽ giúp cho quá trình khử dinh dưỡng hiệu quả hơn. Hầu hết BOD được khử trong vùng hiếu khí, nitrat được sử dụng cho quá trình hô hấp nội bào (endogenous respiration).

Hình 1.3 Các quá trình trong mương oxi hóa.

Thông số tiêu biểu trong thiết kế mương oxi hóa cho:

Quá trình oxi hóa sinh học chất hữu cơ (carbonaceous BOD) và nitrat hóa: (bảng 23 – 7, Water and waste water engineering)

Thời gian lưu bùn: 15 – 30 (ngày)

MLSS                    : 3000 – 5000 (mg/l)

Thời gian lưu nước: 15 – 30 ( giờ)

Tuần hoàn bùn       : 75 – 150 (% so với tốc độ dòng chảy trung bình)

 Quá trình khử nitrat hóa ( bảng 23 – 8, Water and waste water engineering)

Thời gian lưu bùn: 20 – 30 (ngày)

MLSS                    : 2000 – 4000 (mg/l)

Tổng thời gian lưu nước: 5 – 15 ( giờ)

Thời gian lưu nước trong vùng anoxic: 1 – 3 (giờ)

Thời gian lưu nước trong vùng hiếu khí: 4 – 12 (giờ)

Tuần hoàn bùn       : 50 – 100 (% so với tốc độ dòng chảy trung bình)

II. Đặc điểm chung

Dự phòng: Hai đơn vị thường được xây dựng để dự phòng, hoặc là giữa chúng có khoảng cách hoặc là dùng tường chung

Xử lý sơ bộ (Preliminary treatment): Lưới chắn rác hoặc lược rác cơ học sẽ được sử dụng thay vì máy nghiền hoặc máy xé rác.

Xử lý bậc 1: Xử lý bậc 1 không được sử dụng

Tiêu biểu, quy trình được chọn để nitrat hóa và loại bỏ BOD là sục khí mở rộng. Lý do chính để chọn sục khí mở rộng là nó giảm thiểu việc sản sinh bùn bằng cách cung cấp khoảng thời gian dài cho quá trình khử bùn nội sinh của khối bùn.

Thiết kế về tải lượng: Dựa vào quá trình sục khí mở rộng với sự cân bằng, tốc độ dòng thiết kế điển hình là tốc độ dòng chảy trung bình hằng ngày. Nếu không thì, khu xử lý cần phải xử lý thủy lực hằng ngày ở nhiều đỉnh mức. Nên sử dụng tải lượng BOD/NH4 trung bình (kg/ngày) cho mức cao nhất trong tháng làm cơ sở cho thiết kế.

 Thời gian lưu bùn (SRT): Để phân hủy nội sinh, SRT thường từ 15 – 30 ngày ( Metcalf & Eddy, 2003). Thời gian lâu hơn (40 ngày) để giảm lượng bùn thải.

Oxy hòa tan (Dissolved oxygen): Điều kiện để quá trình nitrat hóa được tiến hành là DO phải trên 2mg/l, tốc độ nitrat hóa tăng khi tăng DO lên khoảng 3-4 mg/l. Bởi vì các thiết bị sục khí bề mặt tại các vị trí cố định thường được sử dụng, mức DO giảm xuống khi chênh lệch khỏang cách với thiết bị sục khí do đó phải bố trí khoảng cách hợp lý giữa các đơn vị.

Thời gian lưu nước: 15-30 giờ ( Metcalf & Eddy, 2003)

Tuần hoàn bùn: Do nhu cầu giữ lại các vi sinh vật nitrat hóa trong nồng độ, giới hạn trên của bùn tuần hoàn cho mương oxi hóa cao hơn so với các quá trình bùn hoạt tính hỗn hợp. Khoảng từ 75 – 150% lưu lượng dòng chảy (Metcalf & Eddy, 2003)

Hình dạng mương: Hình dạng mương là hình bầu dục thon dài, các cấu hình khác bao gồm: uốn cong ở một đầu, uốn cong ở cả hai đầu, gấp làm đôi, ống xoắn và tròn,.. Các ngăn có thể phân tách bằng một bức tường hoặc bởi một ngăn như hòn đảo ở trung tâm.

 

Hình 2.1 Hệ thống mương oxi hóa dạng tròn 

 

 Hình 2.2 Bể lắng trong mương oxi hóa dạng tròn.

 

Hình 2.3 Mương oxi hóa hình bầu dục

Hình 2.4 Mương oxi hóa đôi – dùng tường chung

 

Thiết bị sục khí: Aire – O2, khối quay dạng bàn chải, khối quay dạng đĩa, Aerostrip,... 

Hình 2.5 Aire –O2

Hình 2.6 Thiết bị thổi khí Aerostrip trong mương dạng tròn

Hình 2.7 Khối quay dạng bàn chải

 

Hình 2.8 Khối quay dạng đĩa

 

Hình 2.9 Landy - 7

Vận tốc mương: Vận tốc thiết kế trong kênh là 0.3m/s. Nhà sản xuất đánh giá các thiết bị sục khí trên 1 đơn vị thể tích trên 1 mét chiều dài cơ sở để duy trì vận tốc 0.3m/s – bảng 1.

Thể tích mương: Thể tích mương được xác định bởi tốc độ dòng chảy và thời gian lưu nước, thời gian lưu nước dựa trên phương trình động học. Các nhà sản xuất cung cấp quy tắc ngón tay cái ( phương pháp thô sơ để đánh giá hay đo lường, dựa trên kinh nghiệm chứ không dựa vào sự chính xác)  cho độ sâu chất lỏng và chiều rộng của mương là một hàm chiều dài của roto.

 

III. Ưu và nhược điểm

Ưu điểm:

• Ổn định về hiệu suất so với các quá trình sinh học khác do mực nước không đổi và xả liên tục làm giảm tốc độ tràn đập.
• Thời gian lưu nước dài và xáo trộn hoàn toàn sẽ giảm thiểu ảnh hưởng của sự cố shock tải trọng .
• Tạo ra ít bùn hơn so với các quá trình sinh học khác để tạo ra hoạt động sinh học mở rộng trong quá trình bùn hoạt tính.
• Vận hành sử dụng năng lượng hiệu quả dẫn đến giảm chi phí năng lượng so với các quá trình sinh học khác.
• Khả năng nitrat hóa và khử nitrat hóa trong một bể.
• Không cần bể lắng sơ cấp vì thời gian lưu bùn đủ để phân hủy chất rắn thường được tách trong bể lắng sơ cấp.

Nhược điểm

• Nồng độ chất rắn lơ lủng ở đầu ra tương đối cao so với các cải tiến khác của quá trình bùn hoạt tính.
• Yêu cầu diện tích lớn hơn các phương án xử lý bùn hoạt tính khác, nên chi phí thu hồi đất tương đối cao.

IV. Tính toán

Ví dụ 1( ví dụ 8-7/779/Metcalf & Eddy): Xác định chu kì hiếu khí bị gián đoạn trong mương oxi hóa ( Oxidation ditch) cho quá trình khử nito:

Xác định thời gian của hệ thống mương oxi hóa cần vận hành như 1 ngăn phản ứng anoxic cho quá trình gián đoạn hiếu khí để sản xuất nồng độ NO₃-N trong dòng ra là 7 mg/l, dựa vào điều kiện thiết kế dưới đây:

Điều kiện thiết kế:

Thể tích mương oxi hóa = 8700 m³

Thời gian lưu bùn = 25 ngày

MLSS = 3500 g/m³

MLVSS = 2500 g/m³

Sinh khối = 0.4 g sinh khối/g MLVSS

Nhiệt độ = 15°C

Y = 0.4 gVSS/ gbCOD

K_d20 = 0.12 g/g.d

Tốc độ dòng vào = 7570 m³/d

Nồng độ NO3 trong mương oxi hóa = 27 g/m³

1. Xác định tỉ lệ tương đối giữa đặc trưng khử nito và nồng độ sinh khối dị dưỡng:

a. Tốc độ phản ứng của BOD ở nhiệt độ 15°C:

​

​b. Hệ số sử dụng oxy:

c. Hiệu suất của sinh khối dị dưỡng:

d. Tỉ lệ tương đối giữa đặc trưng khử nito và nồng độ sinh khối dị dưỡng:

2. Nồng độ sinh khối có trong hỗn hợp chất lỏng: 

3. Xác định lượng NO3-N khử theo yêu cầu:

Nồng độ nitrat cần xử lý (NO_r) = (27 – 7) g/m³ = 20 g/m³

NO_r = (7570m³/d).( 20g/m³) = 151400 g/d

4. Xác định NO3-N được khử trong quá trong thời gian anoxic hoạt động

Anoxic NOr = (SDNR_b) (X_b) (V)

= ( 0,033 gNO₃-N/ g sinh khối.d). (1000g/m³). (8700 m³)

= 287100 g/d

5. Thời gian anoxic hoạt động mỗi ngày: 

Hệ số của ngày = 12,7h/ 24h = 0.52

 

Ví dụ 2 ( Ví dụ 23-8/1016/Water and Wastewater Engineering): Xác định thể tích mương oxi hóa mở rộng cho quá trình oxi hóa Carbon BOD và nitrat hóa cho thành phố của Cartouche Lake, sử dụng thông tin thiết kế bên dưới:

• Dữ liệu nước đầu vào:

Lưu lượng: 14200 m³/ ngày

bCOD = 205 mg/l

NH3-N = 16,8 mg/l

TSS = 160 mg/l

Chất rắn lơ lửng bay hơi dễ phân hủy sinh học = 95 mg/l

Nhiệt độ thấp nhất = 12°C

pH = 7

Độ kiềm = 90 mgCaCO3/l

• Dữ liệu nước đầu ra:

bCOD “<,=” 20 mg/l

NH3 – N “<,=” 1 mg/l

TSS “<,=” 10 mg/l

Giả sử MLSS = 3000mg/l, MLVSS = 0,7 MLSS và DO = 3 mg/l

a. Giả sử kiểm soát soát được quá trình nitrat hóa, và chọn hệ số động lực học từ bảng 1-1:​

Ta được bảng 1-2:

b. Hệ số động lực học ở 12°C bởi vì nhiệt độ giới hạn tốc độ sinh trưởng phát triển của vi sinh vật nitrat hóa. Sử dụng phương trình chuẩn trong bảng 1-2:

c. Giá trị chọn cho N là nồng độ dòng ra bởi vì nó là giới hạn. DO thiết kế cần đạt được ngưỡng DO trong hệ thống hiếu khí.

e. Sử dụng hệ số an toàn 2,5

 

f. U cho oxi hóa BOD và hệ số động lực học ở nhiệt độ chính xác từ bảng 1-3:

​

g. Sử dụng  cho giả thuyết MLSS = 3000 mg/l và S = 0 được đề nghị bởi WEF (1998)

 h. Như câu f, cho quá trình nitrat hóa ta chọn hệ số động lực học từ bảng 1-1

i. Hệ số của MLVSS cho vi sinh vật nitrat hóa được tính toán:

MLVSS = (0,02)(2100 mg/l) = 42 mg/l

Thời gian lưu nước cho quá trình kiểm soát nitrat hóa

k. Thể tích mương oxi hóa

Để dự phòng và linh hoạt trong quá trình vận hành, 2 đến 3 mương oxi hóa nên được xây dựng, Giả sử 2 mương thì thể tích mỗi mương khoảng 4700m³

Theo nguồn: Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering, Water and Wastewater Engineering, WesTech Engineering, Ovivo water, Modelica-based model for activated sludge system researc

Nhận đào tạo Revit cho ngành môi trường, nhận thiết kế, lập bản vẽ 2D, 3D (Shopdrawing), hồ sơ các trạm xử lý nước thải - Liên hệ: 036 8428 094 - Tuấn