Tính toán thiết kế bể Anoxic (bể sinh học thiếu khí)

1. BỂ ANOXIC XỬ LÝ NI TƠ TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Trong xử lý nước thải, “Bể Anoxic” là bể quan trọng trong quá trình xử lý amoni và nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học. Công nghệ khử nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học phổ biến nhất hiện nay là: Nitrat hóa và khử Nitrat, diễn biến của quá trình này như sau:

Tính toán thiết kế bể Anoxic (bể sinh học thiếu khí)

Nitrat hóa
Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO2(dạng vô cơ) hơn là các nguồn các bon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng.
Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan tới hai loại vi sinh vật , đó là vi khuẩn Nitrosomonas và Vi khuẩn Nitrobacter. Ở giai đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành nitrat:
Bước 1. NH4– + 1,5 O2 –> NO2– + 2H+ + H2O
Bước 2. NO2– + 0,5 O2 –> NO3–
Các vi khuẩn Nitrosomonas và Vi khuẩn Nitrobacter sử dụng năng lượng lấy từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Có thể tổng hợp quá trình bằng phương trình sau :
NH4+ + 2 O2 –> NO3– + 2H+ + H2O (*)
Cùng với quá trình thu năng lượng, một số ion Amoni được đồng hoá vận chuyển vào trong các mô tế bào. Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằng phương trình sau:
4CO2 + HCO3– + NH4+ + H2O –> C5H7NO2 + 5O2
C5H7NO2 tạo thành sinh khối. Toàn bộ quá trình ôxy hoá và phản ứng tổng hợp được thể hiện qua phản ứng sau :
NH4+ + 1,83O2 + 1,98 HCO3– –> 0,021 C5H7NO2 + 0,98 NO3–  +  1,041  H2O + 1,88 H2CO3
Lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá amôni thành nitrat cần 4,3 mg O2/ 1mg NH4+. Giá trị này gần bằng với giá trị 4,57 thường được sử dụng trong các công thức tính toán thiết kế. Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trình tổng hợp sinh khối tế bào không được xét đến.
Khử nitrit và nitrat:
Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitrat Denitrificans (dạng kị khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất hữu cơ. Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
+ Khử nitrat :
NO3– + 1,08 CH3OH + H+ –> 0,065 C5H7NO2 + 0,47 N2 + 0,76 CO2 + 2,44 H2O
+ Khử nitrit :
NO2– + 0,67 CH3OH + H+ –> 0,04 C5H7NO2 + 0,48 N2 + 0,47 CO2 + 1,7 H2O
Như vậy để khử nitơ công trình xử lý nước thải cần :

1. Điều kiện thiếu khí ( thiếu ôxy tự do )

2. Có nitrat (NO3- ) hoặc nitrit (NO2-)

3. Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat;

4. Có nguồn cácbon hữu cơ

5. Nhiệt độ nước thải không thấp.

6. Các vị trí của bể anoxic xử lý ni tơ trong hệ thống xử lý nước thải giàu amoni:

Vị trí bể anoxic trước bể aerotank (phổ biến nhất)
 

Bể anoxic đặt trước bể vi sinh hiếu khí có các ưu điểm như: không cần bổ sung nguồn chất hữu cơ, dễ kiểm soát DO <1 mg/l. Nhược điểm của đặt bể anoxic trước bể aerotank là hàm lượng nitơ đầu vào thấp, cần phải hồi lưu nước thải từ bể aerotank về bể anoxic.

Vị trí bể anoxic sau bể aerotank
 

Công nghệ đặt bể anoxic sau bể aerotank có ưu điểm: không cần hồi lưu nước từ bể aerotank về bể anoxic, nước tự chảy. Nhược điểm của công nghệ này là phải bổ sung chất hữu cơ vào bể anoxic, phải có công đoạn sục khí sau bể anoxic để loại bỏ khí nitơ (nếu không có công đoạn này bùn sẽ nổi ở bể lắng).

 2. TÍNH TOÁN BỂ ANOXIC TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

– q0: Công suất nước thải phải xử lý (m3/ngày)

– BOD0… SS0: Thông số đầu vào của nước thải (g/m3)
– BODK…SSK: Thông số đầu ra của nước thải sau khi được xử lý (g/m3)
– α (α≥0): Hệ số hồi lưu nước thải đã được oxy hóa và bùn hoạt tính từ sau ngăn oxic trở về ngăn Anoxic (một phần bùn trở về ngăn điều hòa)
– q: Công suất nước thải đi vào các ngăn điều hòa, anoxic, oxic: q=q0(1+α)

2.1. Xác định tỉ lệ bùn tuần hoàn về Bể Anoxic xử lý ni tơ trong hệ thống xử lý nước thải:

Độ ẩm của bùn là 99% nên lượng N-NO3 quay về bể anoxic là: 0,01.α.q0 NO3K . Trong đó:
NO3K  = NH40-NH4K     
Trong các quá trình xử lý nước thải, yêu cầu hữu cơ tính theo BOD được các định theo tỉ lệ BOD: (TN) là 5:1 vì vậy tại bể anoxic thiết lập được sự cân bằng sau đây:
(NH40-NH4K)q0 = NO3K q0+0,01.α.q0 NO3K+0,2(BOD0-BODK)q0    
α= 100[NH40-NH4K – NO3K– 0,2(BOD0-BODK) ]/ NO3K        
Ghi chú:Trong trường hợp không đủ hữu cơ (BOD) thì phải bổ sung các chất hữu cơ như methanol hoặc ethanol.

2.2. Tính toán bể Anoxic xử lý ni tơ trong hệ thống xử lý nước thải

Nồng độ NH4in, BODin, NO3in đi vào bể Anoxic được xác định như sau:

Thời gian lưu cần thiết của hệ vi sinh vật (VSV) tại bể khử Nitơ (ngày)

Thể tích tối thiểu của ngăn Anoxic (m3)

Lượng bùn tạo thành từ quá trình khử Nitơ (kg/ngày)