Hướng dẫn tính toán thiết kế bể anoxic theo tỷ lệ khử nitrat

Trong cấu trúc các trạm xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp hiện nay, ô nhiễm dinh dưỡng bởi Nitơ (N) và Phốt pho (P) nồng độ cao luôn là bài toán hóc búa. Nếu không được xử lý triệt để, lượng chất dinh dưỡng này xả vào tự nhiên sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, kích thích tảo và rong rêu bùng phát, làm suy kiệt oxy hòa tan trong nguồn tiếp nhận.

Để giải quyết tận gốc vấn đề này, công nghệ sinh học thiếu khí với tâm điểm là bể Anoxic được ứng dụng như một mắt xích bắt buộc. Bài viết này, các chuyên gia công nghệ tại NTS Engineering sẽ hướng dẫn bạn chi tiết phương pháp tính toán thiết kế bể Anoxic theo tỷ lệ khử nitrat (SDNR) cùng các yếu tố động học ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bể.

Bể Anoxic là gì?

Bể Anoxic (bể thiếu khí) là một công trình xử lý sinh học trong hệ thống xử lý nước thải, hoạt động trong điều kiện thiếu oxy hòa tan (DO < 0,5 mg/L). Tại đây, các vi sinh vật thiếu khí sử dụng nitrat (NO3-) thay thế oxy để thực hiện quá trình hô hấp và chuyển hóa nitơ thành khí nitơ (N₂) thoát ra môi trường.

Bể Anoxic thường được bố trí trước hoặc xen kẽ với bể hiếu khí trong các công nghệ xử lý nước thải như AAO, AO, MBBR, MBR hay SBR. Vai trò chính của bể là loại bỏ Nitơ tổng (TN), giảm nồng độ nitrat trong nước thải và hạn chế hiện tượng phú dưỡng nguồn tiếp nhận.

Trong thực tế, hiệu quả xử lý của bể Anoxic phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ nitrat, nguồn carbon hữu cơ, nhiệt độ, pH, tỷ lệ tuần hoàn bùn và tỷ lệ tuần hoàn nitrat. Việc tính toán thiết kế bể Anoxic chính xác sẽ giúp nâng cao hiệu suất xử lý Nitơ, giảm chi phí vận hành và đảm bảo nước thải đầu ra đáp ứng các quy chuẩn môi trường hiện hành.

>> Tham khảo thêm: Bể Anoxic là gì và những điều cần biết trong xử lý nước thải

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.

Thông số thiết kế bể Anoxic tham khảo

Để bể Anoxic hoạt động ổn định và đạt hiệu suất khử Nitơ cao, các kỹ sư thiết kế thường tham khảo các thông số sau:

Ví dụ tính toán thiết kế bể Anoxic

Giả sử một hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt có các thông số sau:

• Lưu lượng thiết kế: 500 m³/ngày
• Tổng Nitơ đầu vào: 40 mg/L
• Tổng Nitơ đầu ra yêu cầu: 10 mg/L

Lượng Nitơ cần loại bỏ:

15.000 gN/ngày

Giả sử:

• SDNR = 0,12 g NO3-N/gMLVSS.ngày
• MLVSS = 3.000 mg/L

Khi đó thể tích bể Anoxic cần thiết khoảng:

42 m³

Đây chỉ là ví dụ tham khảo. Trên thực tế, kỹ sư cần tính toán thêm các yếu tố như nhiệt độ, tỷ lệ tuần hoàn nitrat, tải lượng BOD, nguồn carbon bổ sung và đặc tính nước thải để xác định thể tích tối ưu cho từng dự án cụ thể.

Những lưu ý khi vận hành bể Anoxic

Để duy trì hiệu quả khử nitrat ổn định, người vận hành cần lưu ý:

• Không để DO trong bể vượt quá 0,5 mg/L.
• Đảm bảo nguồn carbon đầy đủ cho vi sinh vật khử nitrat.
• Theo dõi định kỳ chỉ tiêu NO3-N, TN và COD.
• Duy trì tỷ lệ tuần hoàn nitrat phù hợp với tải lượng Nitơ đầu vào.
• Kiểm tra hoạt động của máy khuấy chìm để tránh hiện tượng lắng bùn cục bộ.
• Thường xuyên theo dõi pH và nhiệt độ nhằm duy trì điều kiện tối ưu cho vi sinh vật.

Câu hỏi thường gặp về bể Anoxic

Bể Anoxic có cần sục khí không?

Không. Bể Anoxic chỉ sử dụng máy khuấy chìm để tạo sự khuấy trộn mà không cung cấp oxy cho nước thải.

Thời gian lưu nước trong bể Anoxic là bao lâu?

Thông thường từ 2 – 4 giờ tùy theo tải lượng Nitơ và yêu cầu chất lượng nước đầu ra.

DO trong bể Anoxic bao nhiêu là phù hợp?

Nồng độ DO nên duy trì dưới 0,5 mg/L, tốt nhất trong khoảng 0,2 – 0,3 mg/L.

Khi nào cần bổ sung Methanol cho bể Anoxic?

Khi nguồn carbon hữu cơ trong nước thải không đủ để phục vụ quá trình khử nitrat, kỹ sư có thể bổ sung Methanol, Acetate hoặc các nguồn carbon tương đương.

Bể Anoxic và bể Aerotank khác nhau như thế nào?

Bể Anoxic xử lý Nitơ thông qua quá trình khử nitrat trong điều kiện thiếu khí, trong khi bể Aerotank xử lý chất hữu cơ và Nitrat hóa Amoni trong điều kiện hiếu khí.

Lời kết

Việc tính toán thiết kế bể Anoxic không đơn thuần là áp dụng các công thức toán học khô khan, mà đòi hỏi kỹ sư công nghệ phải thấu hiểu sâu sắc bản chất động học vi sinh và sự tương tác giữa các thông số dòng tuần hoàn (IR, R). Thiết kế sai thể tích bể hoặc tính toán thiếu tải lượng carbon bổ sung sẽ khiến toàn bộ hệ thống xử lý Nitơ bị tê liệt.

Với vị thế là đơn vị top đầu trong lĩnh vực tổng thầu công nghệ môi trường, NTS Engineering sở hữu đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm thực chiến, sẵn sàng đồng hành cùng doanh nghiệp trong việc tính toán, thiết kế, thi công và tối ưu hóa vận hành trạm xử lý nước thải. Hãy liên hệ ngay với chúng tôi qua hotline: 0888 167 247 hoặc website https://ntse.vn/ để nhận được giải pháp công nghệ xử lý nước thải tối ưu và tiết kiệm chi phí nhất!