Hướng dẫn tính toán thiết kế bể anoxic theo tỷ lệ khử nitrat và các yếu tố ảnh hưởng khác

Hầu hết trong nước thải có các thành phần dinh dưỡng nito (N) và photpho (P) với nồng độ cao, nếu không được xử lý trước khi xả vào tự nhiên, chúng sẽ gây ô nhiễm nguồn nước cũng như tạo điều kiện cho tảo, rong rêu và các vi sinh vật có hại phát triển. Việc tính toán thiết kế bể anoxic ảnh hưởng rất lớn trong quá trình xử lý nước thải.

Hiện nay, phương pháp xử lý sinh học thường được áp dụng để khử các hợp chất chứa những thành phần này, trong đó luôn kể đến bể thiếu khí hay được gọi là bể anoxic, một trong những công trình quan trọng góp phần xử lý hiệu quả N và P thông qua quá trình khử nitrat (NO₃^–) và khử P. Vậy hãy cùng Công ty TNHH Kỹ thuật NTS tìm hiểu Tính toán thiết kế bể thiếu khí (Anoxic) theo tỷ lệ khử nitrat và các yếu tố ảnh hưởng khác.

Quá trình khử nitrat

Quá trình khử nitrat là quá trình chuyển hóa N-NO3– thành khí N2 trong điều kiện thiếu khí (DO < 1) có sự góp mặt của các nhóm vi khuẩn dị dưỡng bao gồm: Pseudomonas citronellolis, Bacillus lichenliformis, Wolinella succinogenes. Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ quá trình chuyển hóa nitrat thành khí nito, và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Vì vậy, khi nước thải đến bể thiếu khí sẽ thiếu đi hàm lượng cacbon, cần phải bổ sung thêm các hợp chất chứa cacbon (ví dụ CH3OH) để vi khuẩn thu nhận làm nguồn tổng hợp tế bào.

Nguyên lý cơ bản của quá trình khử nitrat

Trong môi trường không có oxy hòa tan, vi sinh vật sẽ sử dụng nitrat như một chất nhận electron thay thế cho oxy. Quá trình này cần có sự hiện diện của nguồn carbon hữu cơ, có thể là COD trong nước thải hoặc được bổ sung từ bên ngoài (methanol, acetate…). Khi quá trình khử nitrat diễn ra đầy đủ, sản phẩm cuối cùng là khí nitơ trơ, không gây hại cho môi trường.

Vai trò của quá trình trong xử lý nước thải

Việc khử nitrat không chỉ giúp giảm tải nitơ trong nước thải mà còn góp phần hạn chế tình trạng phú dưỡng, ngăn chặn sự phát triển quá mức của tảo. Bên cạnh đó, quá trình này thường được kết hợp với loại bỏ photpho sinh học, tạo nên một giải pháp toàn diện, nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống xử lý.

Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat

Hiệu quả của bể anoxic phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Vì thế Kỹ sư thiết kế và vận hành cần nắm rõ các yếu tố này đo lường và tính toán bể anoxic nhằm đạt được tỷ lệ khử nitrat cao nhất

Ảnh hưởng của nồng độ nitrat đến hệ số tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn

Một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả khử nitrat trong bể anoxic chính là nồng độ nitrat có trong nước thải. Vi khuẩn dị dưỡng khử nitrat sử dụng nitrat như chất nhận electron trong quá trình hô hấp thiếu khí. Do đó, nồng độ nitrat trực tiếp ảnh hưởng đến hệ số tốc độ tăng trưởng (μ) của chúng.

µ_N2=µ_N2max*[(NO_3^–)/(K_NO3-+NO₃^–)]

Ảnh hưởng của nồng độ cacbon đến hệ số tốc độ tăng trưởng

Vi sinh vật khử nitrat cần carbon làm nguồn năng lượng để thực hiện phản ứng. Nếu nước thải thiếu hụt carbon, quá trình khử nitrat sẽ bị hạn chế. Vì vậy, trong thực tế, người ta thường bổ sung thêm methanol, ethanol hoặc acetate để đảm bảo tỷ lệ COD/N ở mức 4–6, giúp vi sinh vật hoạt động ổn định.

µ_N2=µ_N2max*C/(K_C+C)

Ảnh hưởng của pH

pH của nước thải nên nằm trong khoảng 6,5–7,5. Nếu vượt ngoài ngưỡng này, khả năng hoạt động của vi sinh vật sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất khử nitrat không đạt yêu cầu.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ tối ưu để quá trình khử nitrat diễn ra mạnh mẽ là trong khoảng 20–35°C. Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình khử NO3– và được biểu thị bằng phương trình:
P = 0,25.T²
Trong đó:

• P: phần trăm tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn khử NO₃–
• T: nhiệt độ (độ C)

Hướng dẫn tính toán thiết kế bể anoxic (bể thiếu khí) theo tỷ lệ khử nitrat:

Để thiết kế bể anoxic phù hợp, cần tính toán dựa trên tỷ lệ khử nitrat cũng như các thông số vận hành thực tế.

Các thông số đầu vào cần thiết trước khi tính toán thiết kế bể thiếu khí Anoxic

Một số thông số cơ bản cần được xác định trước khi tiến hành tính toán bao gồm:

• Lưu lượng nước thải (Q, m³/ngày).
• Nồng độ nitrat đầu vào (NO3–in, mg/L) và đầu ra (NO3–out, mg/L) mong muốn.
• Hiệu suất khử nitrat cần đạt.
• Thời gian lưu thủy lực (HRT).
• Nồng độ COD sẵn có hoặc kế hoạch bổ sung nguồn carbon ngoài.

Cách tính toán thiết kế bể thiếu khí Anoxic

Từ những thông số trên, có thể xác định tải lượng nitơ cần loại bỏ theo công thức:
NO_r = V_a.SDNR.MLVSS
SDNR = 0,3.(F/M) + 0.029
Trong đó: 

• NO_r: lượng nitrat bị khử g/ngày.đêm
• V_a :thể tích bể thiếu khí
• SDNR: tỷ lệ khử nitrat riêng g NO₃-N/g MLVSS.ngày.đêm
• MLVSS: lượng chất hữu cơ bay hơi
• F/M: g BOD/g MLVSS.ngày.đêm trong bể anoxic
• Giá trị SDNR có giá trị từ 0,04 – 0,42 g NO₃-N/g MLVSS.ngày.đêm với bể thiếu khí có tỷ lệ các chất dinh dưỡng đầy đủ, tuy nhiên nếu không có nguồn cacbon thì SDNR chỉ nhận giá trị từ 0,01 – 0,04 g NO₃-N/g MLVSS.ngày.đêm
• Thời gian lưu nước được thiết kế cho bể thiếu khí thường từ 2 – 4h.

Giá trị SDNR ở 20⁰C được thể hiện trên hình sau:

Tại nhiệt độ T bất kỳ, SDNR được tính theo công thức: Sơ đồ thể hiện Giá trị SDNR ở 20 độ C

SDNR_T = SDNR₂₀.(1,026)^T-20

Tỷ lệ F/Mb được hiểu là một hàm của tải lượng BOD đến bể anoxic và nồng độ sinh khối dị dưỡng hoạt động:

F/M_b=Q.S₀/V_a.X_b

Trong đó:

• F/M_b :tỷ lệ BOD và F/M dựa trên nồng độ sinh khối hoạt động, g BOD/g sinh khối
• Q: lưu lượng dòng vào, m3/ngày.đêm
• S₀: nồng độ BOD vào, mg/L
• V_a: thể tích bể anoxic, m³
• X_b: nồng độ sinh khối bể anoxic, mg/L

Đối với các giá trị anoxic có nhiệt độ thấp hơn, F/M_b cao hơn, dẫn đến nồng độ rbCOD lớn hơn và do đó tốc độ phản ứng sinh học và SDNR cao hơn.

Giá trị SDNR phụ thuộc vào tỷ lệ tuần hoàn nitrat (IR).

Với tỷ lệ tuần hoàn IR >1 :

IR = 2 thì SDNR_adj = SDNR_IR1 – 0,166.ln(F/M) – 0,0078

IR = 3 – 4 thì SDNR_adj = SDNR_IR1 – 0,029.ln(F/M) – 0,012

Trong đó:

• SDNR_adj: SDNR điều theo tỷ lệ tuần hoàn
• SDNR_IR1: giá trị SDNR với tỷ lệ tuần hoàn = 1
• F/M: tỷ lệ F/M trong bể thiếu khí

Nitrat sinh ra ở bể hiếu khí = Nitrat dòng vào + Nitrat tuần hoàn + Nitrat trong bùn tuần hoàn.

Q.NO_x = N_e(Q + IR.Q + RQ)

IR=(NO_x/N_e).1-R

Lượng nitrat tuần hoàn lại bể thiếu khí = (IR.Q + R.Q).N_e (g/ngày.đêm)

Trong đó:

• IR: tỷ lệ tuần hoàn nitrat
• R: tỷ lệ tuần hoàn bùn hoạt tính
• NO_x: lượng nitrat sinh ra trong bể hiếu khí, mg NO₃-N/L
• N_e: nồng độ nitrat dòng ra, mg/L

Ảnh hưởng của tỷ lệ IR đến nồng độ NO₃-N đầu ra với tỷ lệ tuần hoàn bùn R = 0.5.

Có thể thấy rằng việc tính toán bể anoxic không chỉ dừng lại ở công thức, mà còn ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nitơ, thời gian lưu, nồng độ carbon, nhiệt độ và pH. Chỉ khi thiết kế phù hợp, bể thiếu khí mới đạt hiệu quả khử nitrat tối ưu, góp phần nâng cao chất lượng nước thải đầu ra.

Với kinh nghiệm nhiều năm trong lĩnh vực thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải, Công Ty TNHH Kỹ Thuật NTS cam kết mang đến cho khách hàng những giải pháp hiệu quả, tiết kiệm và bền vững. Áp dụng đúng hướng dẫn tính toán bể anoxic sẽ giúp doanh nghiệp tuân thủ các quy chuẩn môi trường, đồng thời tối ưu hóa chi phí vận hành lâu dài.

Tham khảo thêm:  Về dịch vụ Về dự án Về sản phẩm