Thiết kế mô hình xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten

Phạm Hương Quỳnh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

86(10): 167 - 173

THIẾT KẾ MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ THỐNG AEROTEN

Phạm Hương Quỳnh*, Phạm Thị Thu
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT
Thiết kế mô hình hệ thống aeroten, lập quy trình vận hành và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình vận hành mô hình, qua đó phục vụ cho công tác thí nghiệm của sinh viên, giáo viên
chuyên ngành Môi Trường. Ngoài ra mô hình cũng có thể được ứng dụng để xác định thông số tối
ưu trong việc thiết kế, vận hành hệ thống xử lý nước thải trên thực tế: thời gian lưu, pH, hàm
lượng khoáng, muối vv…
Thiết kế thành công mô hình xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten, với hiệu xuất xử lý BOD 5 có
thể đạt 96,28%, hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải vào hệ thống đạt 500 mg/l. Mô hình được
chế tạo bằng vật liệu Meka trong suốt, do đó có thể quan sát các hiện tượng xảy ra trong quá trình
tiến hành thí nghiệm. Kết cấu nhỏ gọn, vững chắc. Rất thuận lợi cho việc vận chuyển và sử dụng
trong thời gian dài.
Từ khóa: Mô hình Aeroten, xử lý nước thải, xử lý hiếu khí.


ĐẶT VẤN ĐỀ
Môi trường và những vấn đề liên quan đến
môi trường luôn là đề tài được bàn luận một
cách sâu sắc trong kế hoạch phát triển bền
vững của bất kỳ quốc gia nào. Trong một vài
thập niên gần đây, tình trạng ô nhiễm– suy
thoái– suy giảm chất lượng môi trường ngày
càng trở nên nghiêm trọng, đó là hậu quả của
việc phát thải bừa bãi các chất thải có
nguy cơ gây ô nhiễm cao chưa qua xử lý
vào môi trường.
Việt Nam là một đất nước đang trong giai
đoạn phát triển, việc chú trọng đến bảo vệ
môi trường còn chưa tương xứng với hậu quả
mà nó sẽ gây ra. Thể hiện, một số KCN và
phần lớn các làng nghề đều phát thải chất thải
gây ô nhiễm vào môi trường, nhiều con sông
tại các thành phố lớn đều ô nhiễm nặng, từ đó
gây ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe
của người dân.
Vấn đề cấp bách đặt ra trong giai đoạn hiện
nay là cần ngăn chặn và xử lý triệt để các
nguồn gây ô nhiễm trước khi phát thải vào
môi trường, điều đó đồng nghĩa với việc các
nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, khu
thương mại… có phát sinh chất thải cần phải


Tel: 0916 827728, Email: quynhktmt@gmail.com

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xử lý triệt để, đối với các làng nghề cần có hệ
thống thu gom và xử lý tập trung trước khi
thải ra môi trường.
Tuy nhiên trên thực tế, việc thiết kế hệ thống
xử lý nước thải thường gặp một số khó khăn
như: quá trình lựa chọn thông số thiết kế
không tối ưu, hàm lượng chất ô nhiễm luôn
biến đổi, sai số trong quá trình thiết kế… qua
đó sẽ làm giảm hiệu suất của công trình xử lý.
Để góp phần vào việc nâng cao chất lượng
trong đào tạo chuyên ngành môi trường và lựa
chọn các thông số thiết kế cũng như vận hành
hệ thống xử lý nước thải trên thực tế, đề tài
“thiết kế mô hình xử lý nước thải bằng hệ
thống Aeroten” đã được nhóm nghiên cứu
lựa chọn để xây dựng và nghiên cứu. Sự
thành công của đề tài sẽ được ứng dụng vào
việc nghiên cứu và đề xuất ra các giải pháp
tối ưu trong việc xử lý nước thải trên thực tế.
TỔNG QUAN
Bể aeroten (còn được gọi là bể oxy hóa) được
cấp khí cưỡng bức. Trong hệ thống, các vi
sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại dưới
dạng bông sinh học (bùn hoạt tính). Trong
quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm, sinh khối
được tạo thành.
167

http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phạm Hương Quỳnh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí –
bùn hoạt tính ngày nay đã trở nên rất phổ
biến và quen thuộc. Tổ tiên của phương pháp
này là tiến sỹ Angus Smith. Vào thập niên 80
ông đã nghiên cứu việc làm thoáng khí tạo
điều kiện ôxi hóa chất hữu cơ làm giảm ô
nhiễm trong nước thải[4]. Từ đó đến nay có
rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề
này. Năm 1910 Black và Phelps trong công
trình nghiên cứu của mình đã thấy rằng có thể
làm giảm ô nhiễm nước thải thấy bằng cách
sục khí. Nhiều thí nghiệm tiếp theo của Clark
và Gage trong suốt 2 năm 1912 và 1913 cho
thấy răng Nước thải được làm thoáng cùng
với việc nuôi cấy vi sinh trong các hồ sễ làm
tăng khả năng làm sạch của nước[4]. Dựa vào
kết quả này TS G.J Flower thuộc Đại học
Manchester – Anh thực hiện một số thí
nghiệm tương tự cùng với việc nghiên cứu
của Arden và Lockett tại viên nghiên cứu
nước thải Manchester đã đi đến kết luận :
Bùn đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý
nước thải bằng cách sục khí. Công trình này
được công bố vào ngày 3/5/1914. Arden và
Lockett đặt tên cho quá trình này là Quá trình
bùn hoạt tính[5].
Hiện nay, phương pháp sinh học hiếu khí –
bùn hoạt tính ngày càng trở nên phổ biến và
quen thuộc, nó đã và đang được áp dụng để
xử lý hầu hết các loại nước thải có hàm lượng
chất hữu cơ cao: nước thải sinh hoạt, nước
thải công nghiệp thực phẩm, nước thải bệnh
viện… Hiệu suất của công trình khá cao,
trung bình từ 80 – 96%. Hàm lượng chất ô
nhiễm có thể xử lý BOD5 < 1200 mg/l. Lưu
lượng xử lý của công trình khá lớn, đặc biệt là
công trình xử lý bằng bể aeroten, tại Trung
Quốc đã ghi nhận bể aeroten xử lý với lưu
lượng lên tới 35000 m3/ngđ. [3]
Như vậy có thể nói, sự ra đời của phương
pháp sinh học hiếu khí đã mở ra một hướng đi
thiết yếu trong lĩnh vực xử lý nước thải, nó
góp phần quan trọng vào việc giải quyết bài
toán ô nhiễm môi trường, đặc biệt là vấn đề ô
nhiễm môi trường nước bởi các chất hữu cơ.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH AEROTEN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

86(10): 167 - 173

Nguồn nước vào bể
Lưu lượng Q = 6 (l/h). Nồng độ cơ chất đưa
và bể BOD5 = 500 (mg/l). PH = 7 ÷ 8. Lưu
lượng dòng vào Q = 6 (l/h) = 0.144 (m3/ngđ).
Hàm lượng chất dinh dưỡng COD : N : P =
100 : 5 : 1. Hàm lượng cặn lơ lửng SS ≤ 150
(mg/l). Độ tro của bùn hoạt tính z = 0.3.
Yêu cầu sau xử lý
Nước sau xử lý đảm bảo cột (B) TCVN 59452005:Hàm lượng cơ chất đầu ra: BOD5 = 50
(mg/l). Hàm lượng cặn lơ lửng: SS = 50
(mg/l) trong đó có 65% là cặn bay hơi.
Hàm lượng ôxi hoà tan DO = 2 ÷ 4 (mg/l).
Kết quả tính toán bể Aeroten
-Lượng BOD5 hoà tan trong nước thải đầu ra:
Lượng chất hữu cơ trong cặn lơ lửng tại đầu ra:
50 x 0,65 = 32.5 (mg/l)
Hàm lượng BOD20 khi ôxi hoá hoàn toàn cặn:
32.5 x 1.42 = 46.15 (mg/l).
Coi:
BOD5
 0.68
BOD20
Lượng BOD5 trong cặn lơ lửng đầu ra:
46.15 x 0.68 = 31.38 (mg/l)
Hàm lượng BOD5 hoà tan trong nước thải
đầu ra
S = 50 – 31.38 = 18.62 (mg/l)
- Hiệu suất xử lý của hệ thống
S S
E o
.100
S0
Trong đó
So - nồng độ BOD5 ban đầu: So = 500
(mg/l).
S - nồng độ BOD5 hoà tan trong nước thải
đầu ra: S = 18.62 (mg/l).
=> Hiệu suất xử lý của hệ thống là:
500  18.62
E
.100  96,28%
500
- Thể tích làm việc của bể Aeroten
Sử dụng bể aeroten dạng hình chữ nhật trên
tiết diện ngang.

168

http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phạm Hương Quỳnh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Thể tích làm việc của bể được tính theo
công thức:
Q  Y  c  ( So  S )
V 
X  (1  k  c )
d
(m3).
Trong đó:
X – Nồng độ bùn hoạt tính trong bể.
(Theo bảng 5.1- [1] )
X = 1500 (mg/l).
kd – Hiệu suất phân huỷ nội bào
Y- Hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại
(mg BOD5/mg bùn) (Theo bảng 5.1[1])
kd = (0.02 – 0.1) → chọn kd = 0.06 (ng-1).
Y = (0.3 – 0.8) → chọn Y = 0.38 (mg
BOD5/ mg bùn).
Q – Lưu lượng nước thải đưa vào bể → Q =
0.144 (m3/ngđ).
c - Tuổi của bùn.
c = (0.75 -15) → chọn c = 3.4 (ngày).
V

0.144  0.38  3.4  (500  18.62)
 0.049 6(m3 )
1500  (1  0.06  3.4)

=> Dung tích làm việc của bể V = 50 (lit).
- Thời gian lưu của nước thải trong bể
Là khoảng thời gian mà nước thải được sục
khí, được xác định theo công thức:
- Lượng cặn phải xả đi hàng ngày khi hệ
thống hoạt động ổn định
- Hệ số sản sinh bùn từ việc khử BOD5.
y
Y 

b 1  k  c
d

0.38
 0.3156
1  0.06  3.4

- Lượng bùn hoạt tính sinh ra do khử BOD5.
Px = Yb x Q x (So - S) x 10-3 = 0.3156 x
0.144 x (500 – 18.62)x 10-3= 0.0219
(kg/ngđ).
- Tổng lượng cặn lơ lửng sinh ra theo độ tro.

P
P  x  0.0219  0.03125
xl 1  z 1  0.3

(kg/ngđ).

- Lượng bùn dư phải xả hàng ngày.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

86(10): 167 - 173

Pxả = Pxl - Q . SS .10-3 = 0.03125 – 0.144 x
50 x 10-3 = 0.024 (kg/ngđ).
- Lưu lượng bùn dư phải xả hàng ngày (Qxả)
Khi hệ thống hoạt động ổn định, bùn dư
được xả từ đáy bể lắng theo đường tuần
hoàn bùn.

c 

Qxa

VX
· X t  Qra  X ra

Qxả  V  X  Qra  X ra  c . [6.6 – [1].
X t c
Trong đó
Qxả- Dung tích bùn xả ra (m3/ngày).
V – Thể tích bể Aeroten (m3)
Xt – Nồng độ bùn tuần hoàn trong dung dịch
tuần hoàn (mg/l)
Chọn hàm lượng cặn lơ lửng tuần hoàn
Ct = 4500 (mg/l)
Xt = Ct x (1 – 0.3) = 5400 x 0.7 = 3150
(mg/l).
X – Nồng độ bùn trong bể aeroten: X =
1500(mg/l).
Xra – Nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải
ra khỏi bể lắng (mg/l).
Xra = SS x 0.65 = 50 x 0.65 = 32.5 (mg/l).
Qra - Lưu lượng nước thải đã xử lý ra khỏi bể
lắng (m3/ngđ)
Coi Qra = 0.144 (mg/l)
Qxả  0.0496 1500  0.144  32.5  3.4  5.46 103
3150  3.4
(m3/ngđ)
- Thời gian tích luỹ cặn
Là khoảng thời gian thực hiện tuần hoàn toàn
bộ lượng cặn sinh ra, nhằm đảm bảo lượng
bùn hoạt tính trong bể đạt X = 1500 (mg/l).
Thời gian tích luỹ cặn được xác định theo
công thức:
t

V  X 0.0496 1500 10 3

 3.4
Px
0.0219

- Lưu lượng dòng tuần hoàn
Mục đích:

169

http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phạm Hương Quỳnh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Đảm bảo lượng bùn trong bể aeroten luôn ổn
định X = Const = 1500 (mg/l), trong suốt
thời gian hoạt động của bể.
Điều chỉnh dễ dàng nồng độ bùn hoạt tính
trong bể aeroten bằng cách tăng hoặc giảm
lượng dòng tuần hoàn.
Lượng tuần hoàn được xác định theo
phương trình cân bằng khối lượng bùn hoạt
tính đi vào và đi ra khỏi bể.
Qo . Xo + Qt . Xt = (Qv + Qt).X
Coi nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải đi
vào bể là không đáng kể
→ Xo = 0
Hệ số tuần hoàn:
Q
X
1500
  t 

 0.91
Qv
Xt  X
3150  1500
 Lưu lượng dòng tuần hoàn: Qt = α .Qv =
0.91 x 0.144 = 0.131 (m3/ngđ).
- Kiểm tra thông số hoạt động của bể
- Tỷ lệ khối lượng BOD5 có trong nước thải
và khối lượng bùn hoạt tính.
So
F
500


 0.968
M X
0.344  1500
(mg BOD5/ mg bùn)
Giá trị này nằm trong khoảng cho phép thiết
kế bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh là: 0,2
– 1.( bảng 5.1 - [2] )
 vi sinh vật phát triển ổn định, tạo nha bào,
tạo bông sinh học, hệ thống xử lý hiệu quả.
- Tải trọng BOD5 trên một đơn vị thể tích
(kg BOD5/ m3.ngđ).

So  Q 500  0.144  103

 1,452
V
0.0496
Giá trị này nằm trong khoảng cho phép khi
thiết kế bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh là:
0,8 – 1,9 (gBOD5/m3.ngày) [2]
=> Đảm bảo vi sinh vật hoạt động tốt.
- Tốc độ sử dụng chất nền của 1 gam bùn
hoạt tính.
La 



( F / M )  E So  S
500  18.62


100
X
0.344  1500

86(10): 167 - 173

Để đảm bảo an toàn và dễ quan sát trong quá
trình tiến hành thí nghiệm, ta chọn vật liệu
làm bể là vật liệu nhựa chịu lực: Mica. Độ dày
bể  =5 (mm). Các mặt của bể được gắn kết
với nhau bằng keo chuyên dụng. Thể tích làm
việc của bể V = 50 (lit) = 50000 (cm3)
Chọn: Chiều cao dự phòng hdp = 10 (cm).
Chiều cao làm việc h = 35 (cm).
Chiều rộng của toàn bể b = 32 (cm).
=> chiều dài của bể

V
50000

 44.7(cm)
b  h 35  35
chọn L = 45 (cm).
=> chiều cao của toàn bể: H = h + hdp =
45(cm) = 450 (mm).
- Lưu lượng không khí cần thiết.[1]
- Lượng ôxi cần cấp vào bể trong điều kiện
tiêu chuẩn.
Q  ( So  S )
OCo 
 1.42  Px
f
L

f 

Với
=>OCo=

BOD5
COD = 0.6

0.144 (500  18.62)
 1.42  0.0219  0.08443
1000 0.6

(kg/ngđ)
- Lượng không khí cần thiết trong điều kiện
thực tế (t = 20oC)
C20
1
OCt  OCo 

t 20
  C20  Cl 1.027  
Trong đó:
C20 – Nồng độ ôxi hoà tan ở 200c: C20 = 9.08
(mg/l).
Cl – Nồng độ ôxi hoà tan trong bể aroten, chọn
Cl = 2 (mg/l).
α – Hệ số điều chỉnh lượng ôxi ngấm vào nước
thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt
động bề mặt, loại thiết bị làm thoáng và kích
thước của bể: α = 0.8.

 - Hệ số điều chỉnh sức căng bề mặt theo hàm
lượng muối:  =1

= 0.97 (g BOD5/ g bùn)
- Tính chọn kích thước bể Aeroten
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

170

http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phạm Hương Quỳnh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

=>OCt = 0.08443 x
9.08
1
= 0.1354 (kg/ngđ).

2020
9.08  2 1.027
 0.8
- Lượng không khí cần thiết
Sử dụng thiết bị phân phối khí có kích
thước trung bình,đường kính lỗ phân phối
dlỗ = 1(mm).
Công suất hoà tan oxi vào nước của thiết bị
phân phối khí có kích thước trung bình là: [1].
Ou = 7 (gO2/m3.m)
Hệ thống phân phối khí được đặt cách đáy
bể 2 (cm), tức hệ thống này ngập sâu
h = 35 -2 = 33 (cm).
→ công suất hoà tan ôxi vào nước ở độ sâu
h = 0.33 (m).
OU = Ou x h = 7 x 0.33 = 2.31 (kg/ngđ)
=> Lượng không khí cần thiết đưa vào bể:
Qk =

OCt
f
OU

Với f = (1.5 - 2), chọn f = 1.7.
→Qk  0.13541000 1.7  99.645
2.31
(m3/ngđ)
= 69.2(l/p) = 1,1533.10-3 (m3/s).
Tính toán thiết bị phụ
- Tính toán hệ thống phân phối khí.
Sử dụng hệ thống phân phối khí dạng xương
cá, với 1 ống chính và 6 ống nhánh, các ống
nhánh đặt vuông góc với thành dọc của bể,
lỗ phân phối khí được phân bố đều trên các
ống nhánh, theo chiều ngang bể các lỗ được
phân bố so le nhau.
- Tính Toán máy nén khí
Năng suất yêu cầu của máy thổi khí:
Qk = 1,1533.10-3 (m3/s).
Công suất của máy thổi khí:

Pmáy  G  R  T1   P2 
 
29.7  n  e   P 
 1
(w).

0.283


 1 (kw).=64



- Tính toán bể lắng thứ cấp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

86(10): 167 - 173

Bể lắng thứ cấp có dạng hình chữ nhật với
đáy dạng hình chóp.
Tính toán vùng lắng:
Chọn thời gian lưu của nước thải trong bể
lắng thứ cấp t = 2 (h).
→ Thể tích làm việc của bể là:
WL = (Q + Qt). t = Q.(1 +  ).t =
0.144 (1  0.91)
-3
3
 2 = 22.92.10 (m )
24
Chọn chiều cao làm việc của bể là:
hl = 0.3 (m).
→ Diện tích tiết diện ngang của bể là:
S

W 22.92  103

0.071625 m3 )
(
hl
0.32

Chọn chiều dài của bể: l1 = b = 0.32 (m).
→ Chiều rộng của bể là:
b2  S  0.71625  0.2269(m) .
L1
0.32
Chọn b2 = 0.23 (m).
Vận tốc làm việc lắng của hạt cặn:
 k C L 10

6

Vl = Vmax. e
[1].
Trong đó:
Vmax = 7 (m/h).
K = 600.
Cl – Nồng độ cặn tại mặt phân chia tại mặt
giữa phần lắng trong và lắng cặn.
Với CL =

1
.Ct = 1  4500  2250( g / m3 ) .
2
2
6

600225010

=> VL = 7. e
=1.8147 (m/h) = 0.5
(mm/s).
Để đảm bảo quá trình lắng đạt hiệu quả cao
→ vận tốc nước dâng trong bể lắng (Vl) <
vận tốc lắng của hạt cặn trong bể(Vd).
Với S = 0.071625 (m2)
→ vận tốc dâng của nước trong bể là:
Q  Qt
Q  (1   )
Vd  V
 v

S
S
0.144  (1  0.91)
 0.16(m / h)
24  0.071625

171

http://www.lrc-tnu.edu.vn