Chun đề
Tính tốn thiết kế cơng nghệ USBF ứng dụng trong xử lý nước
thải.
1. Mô hình bể USBF
Hình 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mô hình USBF
Ghi chú:
T1. Thùng chứa nước thải
T2. Ngăn thiếu khí (Anoxic)
T3. Ngăn hiếu khí
T4. Ngăn lắng lọc (USBF)
P1. Bơm nước thải
P2. Bơm bùn
P3. Bơm khí nén
V1. Van nước thải
V2. Van tuần hoàn bùn
V3. Van xả bùn
V4, V5: Các van khí nén
Q1. Lưu lượng kế nước thải
Q2. Lưu lượng kế bùn tuần
hoàn
Q3. Lưu lượng kế khí nén
K. Thanh phân phối khí
S1, S2, S3, S4, S5: Các vò trí
lấy mẫu
1
1
1.1 Cấu tạo mô hình
Cấu tạo mô hình được trình bày ở hình 1.1. Mô hình có thể tích 100 lit gồm có 3
module chính: ngăn thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) và ngăn lắng lọc bùn sinh học
dòng ngược (USBF). Nước thải trong thùng chứa T1 được sục khí liên tục nhằm cân bằng
nồng độ trong suốt quá trình thí nghiệm và tránh hiện tượng phân hủy kò khí gây mùi hôi. Sau

− Quá trình khử C
Đây là một trong các quá trình chính được thiết kế cho mô hình USBF. Quá trình này
đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải vì nó ảnh hưởng đến các quá trình
khác. Các vi sinh vật sử dụng nguồn C từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất
cần thiết cung cấp cho sinh trưởng và phát triển, sinh sản tế bào mới…Trong mô hình USBF,
quá trình khử C được diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn USBF.
− Quá trình nitrat hóa (Nitrification) và khử nitrat hóa (Detrinification)
Trong tất cả các phương pháp được sử dụng để loại bỏ nitơ, kết hợp hai quá trình nitrat
hóa và khử nitrat là phương pháp có hiệu suất cao, ổn đònh và giảm giá thành xử lý do đơn
giản được hệ thống, tiết kiệm diện tích cho việc thiết lập hệ thống. Trong mô hình nghiên cứu
này, hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat được kết hợp trong một hệ thống nhưng diễn ra
trong hai ngăn khác nhau là ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí.
Quá trình nitrat hóa diễn ra chủ yếu trong ngăn hiếu khí của hệ thống. Đây là quá
trình tự dưỡng, vi khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước (trước hết là Amonia,
NH
4
+
) để lấy năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng.
NH
4
+
+ 2 O
2
 NO
3
-
+ 2 H
+
+ H
2

-
Quá trình khử nitrat diễn ra chủ yếu trong ngăn thiếu khí, là quá trình khử nitrat tạo ra
sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử
NO
3
-
 N
2
Trong quá trình này dòng tuần hoàn bùn từ ngăn hiếu khí đến ngăn thiếu khí đóng một
vai trò rất lớn về mặt cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể cả NO
3
-
(sản phẩm
của quá trình nitrat hóa diễn ra trong ngăn hiếu khí). Đồng thời dòng tuần hoàn bùn sẽ mang
theo các vi sinh vật, nguồn C tham gia vào quá trình. Đây cũng là một trong những ưu điểm
của mô hình này là do sự liên kết giữa các module thực hiện các chức năng khác nhau trong
cùng một hệ thống đơn giản.
− Quá trình khử Phospho
Phospho có trong nước thải cả dưới dạng các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các vi sinh vật
sử dụng P dưới dạng orthophosphate, polyphosphate để duy trì hoạt động, dự trữ và vận
chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới…
Trong mô hình USBF, việc kết hợp 3 module thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học cùng
với dòng tuần hoàn bùn hoạt tính tạo nên dòng liên tục. Quá trình khử P được kết hợp với quá
trình khử C, quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Việc kết hợp các module cũng như các quá
trình hỗ trợ của các vi sinh vật được luân phiên trong các điều kiện thiếu khí và yếm khí, từ
đó thúc đẩy các quá trình xử lý diễn ra vượt trội hơn mức bình thường.
Nước thải vào ngăn thiếu khí đầu tiên, ở đây trong môi trường thiếu khí, các vi khuẩn
sẽ tác động phân giải các hợp chất chứa P trong nước thải để giải phóng P. Dòng P hòa tan
(Soluble phosphorus) từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn
ưa P hấp phụ và tích lũy. Các vi khuẩn này hấp phụ P cao hơn mức bình thường vì ngoài việc

− Chế độ thủy động: Chế độ thủy động là một trong những yếu tố rất quan trọng trong
quá trình xử lý vì nó ảnh hưởng tới sự tiếp xúc của bùn hoạt tính với nước thải, trạng
thái lơ lững và sự phân bố bùn lơ lững đồng đều…Yêu cầu phải đảm bảo dòng thủy
động như yêu cầu thiết kế, nếu không thì hệ thống sẽ không vận hành được hay hiệu
quả xử lý không cao.
− Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Đây là một trong các thông số quan trọng nhất trong xử
lý nước thải. Nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kỵ khí hay hiếu khí. Trong
mô hình này, DO trong ngăn thiếu khí vào khoảng 0,2mg/l và trong ngăn hiếu khí là
khoảng 2 – 4 mg/l. Như vậy ngăn thiếu khí không cần sục khí còn ngăn hiếu khí phải
sục khí. Các bóng khí phải thật mòn để có thể dễ dàng hòa tan vào trong nước thải.
− Nhiệt độ: Nhiệt độ trong hệ thống ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật và khả
năng hòa tan của oxy hòa tan trong nước. Nếu nhiệt độ quá cao thì vi sinh vật có thể bò
chết. Ngược lại nếu nhiệt độ quá thấp , quá trình thích nghi, sinh trưởng và phát triển
của vi sinh vật sẽ bò chậm lại, quá trinh nitrat hóa, lắng,… bò giảm hiệu suất rõ rệt.
Nhiệt độ tối ưu là khoảng từ 20 – 35
0
C phù hợp với nhiệt độ phòng thí nghiệm.
− pH: Ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống enzyme vi sinh
vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn… ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý vi sinh vật.
Khoảng pH tối ưu là từ 6,5 – 8,5. Nước thải đô thò thường có khoảng pH này.
− Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): Các chất dinh dưỡng như C, N, P … Đây là
các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Do đó, quá trình
vận hành phải theo dõi yếu tố này. Ở một số hệ thống xử lý nước thải người ta thường
bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật. Tuy nhiên trong mô hình USBF
thì không cần thiết phải thêm vào do thiết kế quá trình đặc biệt đã đảm bảo các điều
kiện dinh dưỡng hỗ trợ lẫn nhau của các công đoạn của vi sinh vật, mặt khác trong
nước thải hầu như đã chứa đủ những chất dinh dưỡng cần thiết.
2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI BAN ĐẦU
Kết quả phân tích nước thải lấy tại bể điều hòa của trạm xử lý nước thải chợ Đầu mối
Thủ Đức như bảng 2.1

) từ các số
liệu thu thập được:
KSK
K
SS
X
U
s
11
.
1
0
+=
−
=
θ
(4.1)
d
su
c
K
X
r
Y −−=
θ
1
(4.2)
Hai phương trình trên có dạng phương trình đường thẳng y = ax + b. Các biến số và
thông số của 2 phương trình trên có thể trình bày như bảng 3.1
Bảng 3.1 Các biến số và thông số của các phương trình

s
(mg/L)
X (mg/L) θ (ngày) S
o
(mg/L) S (mg/L) S
o
- S (mg/L) y x
3500 0,307 454,24 54,00 400,24 2,6866 0,0185
3500 0,269 310,25 42,00 268,25 3,5074 0,0238
3500 0,230 333,47 75,80 257,67 3,1298 0,0132
3500 0,192 301,92 72,00 229,92 2,9230 0,0139
3500 0,154 370,60 82,20 288,40 1,8642 0,0122
3500 0,134 291,04 85,32 205,72 2,2868 0,0117
3500 0,115 377,74 94,56 283,18 1,4239 0,0106
3500 0,096 382,50 110,78 271,72 1,2367 0,0090
3500 0,077 246,50 102,50 144,00 1,8668 0,0098
3500 0,058 277,95 168,40 109,55 1,8404 0,0059
3500 0,045 312,80 185,40 127,40 1,2309 0,0054
3500 0,038 382,50 224,40 158,10 0,8502 0,0045
Trong đó: X (mg/L) là nồng độ bùn trong ngăn hiếu khí
θ (ngày) là thời gian lưu nước trong ngăn hiếu khí
S
0
, S (mg/L) là nồng độ COD đầu vào và đầu ra của ngăn hiếu khí
SS
X
y
−
=
0

3500 0,115 5,4 377,74 94,56 283,18 0,1852 0,7023
3500 0,096 3,2 382,50 110,78 271,72 0,3125 0,8086
3500 0,077 4,1 246,50 102,50 144,00 0,2439 0,5357
3500 0,058 3,6 277,95 168,40 109,55 0,2778 0,5434
3500 0,045 2,8 312,80 185,40 127,40 0,3571 0,8124
3500 0,038 2,6 382,50 224,40 158,10 0,3846 1,1763
Trong đó: X là nồng độ bùn trong ngăn hiếu khí
θ
c
là tuổi của bùn
S
0
, s là nồng độ COD đầu vào và đầu ra ngăn hiếu khí
c
y
θ
1
=
;
X
SS
x
θ
−
=
0
Hình 3.2 Đồ
thò xác đònh
Y và K
d

Các thông số động học trên đã chứng minh vì sao mô hình bể USBF lại có hiệu quả xử
lý cao.
b. XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BÙN TỐI ƯU
Kết quả xử lý COD theo nồng độ bùn được trình bày ở bảng 5 và hình 3. ta thấy nồng
độ bùn hoạt tính có thể duy trì đến rất cao, nồng độ bùn đến 5000 mg/L mà hiệu quả xử lý
vẫn đạt 80,1%. Nồng độ bùn tối ưu là khoảng 3500 mg/L, ở nồng độ nhỏ hơn 3500 mg/L thì
hiệu quả xử lý tăng khi nồng độ bùn tăng, còn với nồng độ lớn hơn 3500 mg/L thì ngược lại.
Lúc đầu, khi hàm lượng bùn thấp thì hàm lượng VSV thấp nên VSV không thể sử
dụng hết các chất hữu cơ có trong nước thải nên hiệu quả xử lý không cao. Khi tăng nồng độ
bùn lên thì lượng VSV bắt đầu tăng và hiệu quả xử lý các chất hữu cơ tăng nhanh một cách
đáng kể. Tuy nhiên, khi hàm lượng bùn quá nhiều thì số lượng VSV quá cao, trong nước thải
không đủ nguyên liệu và Oxy cho quá trình phát triển của VSV, chúng sẽ cạnh tranh về dinh
dưỡng và năng lượng, nhu cầu về Oxy trong ngăn hiếu khí sẽ tăng lên đáng kể. Các VSV dần
dần chuyển qua giai đoạn hô hấp nội bào, làm giảm hoạt tính và số lượng VSV và hệ quả là
làm giảm hiệu quả khử COD.
Bảng 3.3 Hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn X (mg/L)
X (mg/L) S
o
(mg/L) S (mg/L) H (%)
1000 450,00 179,52 60,1
1500 290,00 82,00 71,7
2000 444,40 75,65 83,0
2500 392,32 60,64 84,5
3000 402,30 53,70 86,7
3500 546,00 45,60 91,6
4000 365,00 33,60 90,8
4500 355,20 57,60 83,8
5000 342,40 68,26 80,1
Hình 3.3 Hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn X (mg/L)
c. XÁC ĐỊNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ COD THEO TẢI LƯNG

Hiệu quả xử
lý COD theo
tải lượng L
(kgCOD/m3.ngày)
d. XÁC ĐỊNH LƯNG BÙN HOẠT TÍNH TUẦN HOÀN THÍCH HP
Hiệu quả xử lý COD theo lượng bùn hoạt tính tuần hoàn được trình bày ở bảng 3.5 và
hình 3.5. Lượng bùn hoạt tính tuần hoàn thích hợp là khoảng 80% lượng bùn sinh ra trong
ngăn USBF. Hiệu quả xử lý COD thích hợp khi lượng bùn tuần hoàn khoảng 80%, nếu lượng
bùn tuần hoàn nhỏ hơn thì hiệu quả xử lý không cao vì lượng VSV sinh ra không đủ để tiêu
thụ hết các chất ô nhiễm có trong nước thải. Còn nếu tuần hoàn bùn quá nhiều thì lượng VSV
quá nhiều sẽ xảy ra những tranh chấp về dinh dưỡng và năng lượng, làm giảm hoạt tính và số
lượng của VSV nên hiệu quả xử lý giảm.
Bảng 3.5 Hiệu quả xử lý COD theo lượng bùn hoạt tính tuần hoàn (%)
Lượng bùn tuần hoàn
(%)
So (mg/L) S (mg/L) H (%)
50 442,00 179,52 59,4
60 312,50 82,00 73,8
70 342,40 62,40 81,8
80 534,40 43,20 91,9
90 394,60 60,64 84,6
100 450,00 112,00 75,1
e. HIỆU QUẢ XỬ LÝ CÁC CHỈ TIÊU KHÁC
Hiệu quả xử lý một số chỉ tiêu như pH, độ đục, BOD
5
, ∑N, ∑P và SS được trình bày ở
bảng 8. Ta thấy pH sau xử lý tăng so với pH ở đầu vào, chứng tỏ khả năng xử lý của các sinh
vật là khá tốt vì quá trình sinh học hiếu khí thường làm pH tăng. Hiệu quả xử lý độ đục không
cao nhưng độ đục đầu vào của nước thải ở đây không cao, chỉ tiêu này có thể không cần quan
tâm trong hiệu quả xử lý của mô hình.

Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)
Đầu
vào
Đầu
ra
H
(%)

800
1500
Ø300
3080
500
500 65 00
36 30
3000
1000 3000
5 000100012000
250
25 0 7000
2 50
2 50
250 2502 5025 0
A A
MÁNG THU NƯỚC RĂNG CƯA
Sắt rỗng
φ 30
Ø100
Ø100
BÙN HOẠT TÍNH
TUẦN HOÀN
-1.50
±0.00
+3.50
+4.00
±0.00
3
7

(4,6h), nồng độ COD đầu vào S
o
= 534,4mg/L, tỷ lệ F/M khoảng 0,52.
Nồng độ COD đầu vào S
o
= 505mg/L, chọn thời gian lưu nước thiết kế θ = 4h. Thể
tích ngăn hiếu khí là:
333
24
4*2000
. ===
θ
QV
hk
m
3
Từ đó ta tính được thể tích của toàn bể USBF:
602
3,55
100.333
3,55
100.
===
hk
V
V
m
3
Chọn chiều cao công tác H
ct

− Thể tích ngăn USBF: V
USBF
= 105,3m
3
Chọn bể thu bùn có chiều dài 3m, chiều rộng 1,25m, chiều cao bằng chiều cao của bể
USBF, tức bằng 5,5m. Khi đó thể tích bể thu bùn là20,6m
3
Khi đó, tải lượng COD (τ) là:
03,3
4
10.24.505
3
===
θ
τ
o
S
kg/m
3
COD/ngày
Tỷ số F/M =
59,0
3500.4
24.684,0.505
.
684,0.
===
X
S
M

K
d
là
Thiết bò:
− Bơm bùn nhúng chìm để bơm bùn tuần hoàn và bùn dư (2 cái), công suất 10,8m
3
/h, H
= 7m, N = 1 kW, điện 3 pha, 50Hz, 3000vòng/phút.
− Hệ thống phân phối khí gồm 108 Diffuser bố trí đều trên diện tích bể.
Lượng Oxi cấp cho bể theo BOD
5
Khối lượng BOD
5
cần xử lý mỗi ngày:
47010.2000).50285(10.).(
33
5
=−=−=
QBODLG
ht
v
kg/ngày đêm
Lượng Oxi yêu cầu:
M = G – (1,42.P
x
) = 470 – 1,42.225,6 = 150 kg/ngày đêm
Xác đònh lượng Oxi cần thiết
Lượng Oxi cần thiết theo yêu cầu:
Giả sử hiệu quả vận chuyển oxi của thiết bò thổi khí là 8%, hệ số an toàn khi sử dụng
trong thiết kế là 2.

: tổn thất áp lực do ma sát theo chiều dài ống dẫn.
H
cb
: tổn thất áp lực cục bộ
H
f
: tổn thất qua thiết bò phân phối
H: chiều sâu hữu ích của bể
Tổn thất H
d
và H
cb
thường không vượt quá 0,4m; tổn thất H
f
không quá 0,5m. Do đó,
áp lực cần thiết sẽ là:
H
ct
= 0,4 + 0,5 + 5 = 5,9m
p lực không khí sẽ là:
87,1
33,10
33,10
=
+
=
ct
H
P
Công suất máy khí nén tính theo công thức:

q
Q
n
k
cái
Hệ thống phân phối khí được bố trí dọc theo thành của ngăn hiếu khí là đường ống
cấp khí chính, từ đó sẽ có 2 ống nhánh đi dọc theo thành ngang của ngăn hiếu khí từ đó sẽ nối
vào các ống nhánh xuống đáy bể. Ở ống nhánh bên trong, sẽ gắn thêm các ống nhánh dọc
theo thành bể rồi đi vào phần nghiêng phía dưới của ngăn USBF. Chọn số đóa trên nhánh ống
nhánh phía ngoài là 42 dóa, ống nhánh bên trong là 66 dóa. Trên ống nhánh bên ngoài có 7
ống nhánh xuống đáy, mỗi ống có 6 dóa sục khí, còn ống nhánh bên trong có 7 ống nhánh đối
xứng với ống trước và gắn thêm 8 ống nhánh xuống đáy, mỗi nhánh có 3 dóa sục khí.
Khoảng cách giữa các dóa sục khí bên ngoài phần nghiêng là 0,65m
Khoảng cách giữa các dóa sục khí bên trong phần nghiêng không cách đều vì càng vô
trong thì thể tích càng giảm nên ta lấy khoảng cách càng vô trong càng xa. Cụ thể là dóa 2
cách dóa 1 là 0,8m, dóa 3 cách dóa 2 là 0,9m, dóa 3 cách vách ngăn 1m.
Khoảng cách giữa các ống nhánh ở đáy nằm ngoài phần nghiêng là 0,9m, ống cách
tường 0,8 m.
Khoảng cách giữa các ống nhánh ở đáy nằm ngoài phần nghiêng là 0,9m, ống cách
tường 0,6 m, ống cách tường còn lại là 0,2m, ống này cách ống bên trong 0,7m.
Tính toán đường kính ống phân phối khí
Chọn đường kính ống chính D = 114 mm.
Thiết diện ống chính
2 2
2
. 3,14.0,114
0,0095( )
4 4
D
S m

− Thể tích ngăn hiếu khí: V
hiếu khí
= 383,2m
3
− Thể tích ngăn USBF: V
USBF
= 105,3m
3
Thể tích bể thu bùn là20,6m
3
− Chiều dài: L = 3m
− Chiều rộng: B = 1,25m
− Chiều cao: H = 5 + 0,5 = 5,5m (0,5m là chiều cao bảo vệ).
Thiết bò:
− Bơm bùn nhúng chìm để bơm bùn tuần hoàn và bùn dư (2 cái), công suất 10,8m
3
/h, H
= 7m, N = 1 kW, điện 3 pha, 50Hz, 3000vòng/phút.
− Hệ thống phân phối khí gồm 108 Diffuser bố trí đều trên diện tích bể.