1. MBBR và MBBR dạng đầy đủ là gì
2. Thiết kế quy trình MBBR
2.1 Giới thiệu chất mang màng sinh học
2.2 Loại bỏ các chất cacbon
2.3 Thiết kế MBBR tải cao
2.4 Thiết kế tải thông thường MBBR
2.5 Thiết kế MBBR tải thấp
2.6 Quá trình nitrat hóa của công nghệ MBBR
2.7 Khử nitrat của bể MBBR
2.7.1 Bể phản ứng màng sinh học di chuyển với quá trình khử nitơ trước
2.7.2 Bể phản ứng màng sinh học di chuyển với quá trình khử nitơ sau
2.7.3 Lò phản ứng màng sinh học kết hợp trước/sau khử nitrat
2.7.4 Kích thích khử nitrat
2.8 Tiền xử lý
2.9Tách chất lỏng rắn của MBBR
2.10 Những lưu ý khi thiết kế MBBR
2.10.1 MBBR Tốc độ dòng di chuyển (tốc độ dòng ngang)
2.10.2 Vấn đề về bọt bể MBBR
2.10.3 Dọn dẹp giường vận chuyển và lưu trữ tạm thời
1. MBBR và MBBR dạng đầy đủ là gì
Trong 20 năm qua, Lò phản ứng màng sinh học di chuyển (MBBR) đã phát triển thành một quy trình xử lý nước thải đơn giản, mạnh mẽ, linh hoạt và nhỏ gọn. Các cấu hình khác nhau của MBBR đã được sử dụng thành công để loại bỏ BOD, oxy hóa amoniac và loại bỏ nitơ, đồng thời có thể đáp ứng các tiêu chí chất lượng nước thải khác nhau bao gồm các giới hạn nghiêm ngặt về dinh dưỡng.
Lò phản ứng màng sinh học trên giường chuyển động sử dụng nhựa được thiết kế đặc biệt làm chất mang màng sinh học và thông qua việc khuấy trộn sục khí, chất lỏng sẽ
Chất mang có thể được lơ lửng trong lò phản ứng bằng cách hồi lưu hoặc trộn cơ học. Trong hầu hết các trường hợp, chất mang được lấp đầy từ 1/3 đến 2/3 lò phản ứng. Tính linh hoạt của MBBR cho phép kỹ sư thiết kế sử dụng tối đa trí tưởng tượng của mình. Sự khác biệt chính giữa MBBR và các lò phản ứng màng sinh học khác là nó kết hợp nhiều ưu điểm của phương pháp bùn hoạt tính và màng sinh học đồng thời tránh được nhiều nhược điểm nhất có thể.
1) Giống như các lò phản ứng màng sinh học chìm khác, MBBR có khả năng hình thành các màng sinh học hoạt tính chuyên biệt cao có thể thích ứng với các điều kiện cụ thể trong lò phản ứng. Màng sinh học hoạt tính có tính chuyên môn cao mang lại hiệu suất cao trên một đơn vị thể tích của lò phản ứng và tăng tính ổn định của quy trình, do đó làm giảm kích thước của lò phản ứng.
2) Tính linh hoạt và quy trình xử lý của MBBR rất giống với bùn hoạt tính, cho phép bố trí tuần tự nhiều bể phản ứng dọc theo hướng dòng chảy để đáp ứng nhiều mục tiêu xử lý (ví dụ: loại bỏ BOD, nitrat hóa, trước hoặc sau khử nitrat) mà không cần cần bơm trung gian.
3) Hầu hết sinh khối hoạt động được giữ lại liên tục trong lò phản ứng, do đó, không giống như quá trình bùn hoạt tính, MBBR Nồng độ chất rắn trong nước thải MBBR ít nhất phải cao bằng nồng độ chất rắn trong lò phản ứng. MBBR thấp hơn nhiều so với bể lắng truyền thống nên ngoài bể lắng truyền thống, MBBR có thể sử dụng nhiều Quy trình tách rắn-lỏng khác nhau.
4) MBBR rất linh hoạt và lò phản ứng có thể có hình dạng khác nhau. Đối với các dự án trang bị thêm, MBBR rất phù hợp cho việc trang bị thêm các ao hiện có.
2. Thiết kế quy trình MBBR
Thiết kế của MBBR dựa trên khái niệm rằng nhiều MBBR tạo thành một chuỗi, mỗi chuỗi có một chức năng cụ thể và các MBBR này phối hợp với nhau để hoàn thành nhiệm vụ xử lý nước thải. Sự hiểu biết này là phù hợp vì trong các điều kiện duy nhất được cung cấp (ví dụ như chất cho và chất nhận điện tử có sẵn), mỗi lò phản ứng có khả năng tạo ra một màng sinh học chuyên biệt có khả năng được sử dụng để đạt được một nhiệm vụ xử lý cụ thể. Cách tiếp cận mô-đun này có thể được xem như là một thiết kế đơn giản và dễ hiểu bao gồm một chuỗi nhiều lò phản ứng hỗn hợp hoàn toàn, mỗi lò phản ứng có một mục đích xử lý riêng. Ngược lại, thiết kế của hệ thống bùn hoạt tính rất phức tạp: do các phản ứng cạnh tranh luôn xảy ra nên để đạt được mục tiêu xử lý mong muốn trong thời gian lưu trú được giới hạn bởi từng bộ phận của bể (khu vực sục khí và không sục khí), Tổng thời gian lưu trú của chất rắn sinh học (SRT) phải được duy trì ở mức phù hợp để vi khuẩn có thể hòa trộn (liên quan đến tốc độ phát triển của vi khuẩn và đặc tính của nước thô) và cùng nhau phát triển.
Chính sự đơn giản của MBBR đã cho phép chúng ta hiểu rõ về màng sinh học trong MBBR trong thực tế thông qua quan sát của các nhà nghiên cứu, kỹ sư và người vận hành nhà máy xử lý nước thải. Phần lớn bài viết này trình bày các ví dụ về quan sát MBBR, qua đó chứng minh đó là những thành phần và yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế và vận hành MBBR.
2.1 Giới thiệu chất mang màng sinh học
Chìa khóa thành công của bất kỳ lò phản ứng màng sinh học nào là duy trì tỷ lệ phần trăm thể tích hoạt tính sinh học cao trong lò phản ứng. Nếu chuyển đổi nồng độ sinh khối trên chất mang MBBR sang nồng độ chất rắn lơ lửng thì giá trị thường nằm trong khoảng 1000 đến 5000 mg/l. Xét về khối lượng đơn vị, tốc độ loại bỏ của MBBR cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính. Điều này có thể được quy cho những điều sau đây.
1) Lực cắt tác dụng lên chất mang bằng năng lượng trộn (ví dụ như sục khí) kiểm soát hiệu quả độ dày của màng sinh học trên chất mang, do đó duy trì tổng hoạt tính sinh học cao.
2) Khả năng duy trì mức sinh khối chuyên dụng cao trong các điều kiện cụ thể trong mỗi lò phản ứng, không phụ thuộc vào tổng HRT của hệ thống.
3) Điều kiện dòng chảy rối trong lò phản ứng duy trì tốc độ khuếch tán cần thiết.
Lò phản ứng giường chuyển động có thể được sử dụng để loại bỏ BOD, quá trình nitrat hóa và khử nitrat và do đó có thể được kết hợp thành các quy trình khác nhau. Bảng 1-1 tóm tắt các quy trình khác nhau của MBBR. Việc xác định quy trình hiệu quả nhất có liên quan đến các yếu tố sau.
1) Điều kiện địa phương, bao gồm cách bố trí và mặt cắt thủy lực (độ cao) của nhà máy xử lý nước thải.
2) Quy trình xử lý hiện tại và khả năng sửa đổi các cơ sở và ao nuôi hiện có.
3) Mục tiêu chất lượng nước.
Bảng 1-1 Tóm tắt quy trình MBBR
| Mục đích xử lý | Quá trình |
|
MBBR đơn MBBR tải trọng cao được đặt trước quá trình bùn hoạt tính |
|
| Nitrat hóa |
MBBR đơn Bộ MBBR sau khi xử lý thứ cấp IFAS |
| Khử nitrat hóa |
MBBR một mình và sau quá trình khử nitrat, MBBR một mình và sau quá trình khử nitrat, Riêng MBBR và trước và sau quá trình khử nitrat, Post-MBBR để khử nitrat trong nước thải nitrat hóa. |
For moving bed reactors, the effective net biofilm area is the key design parameter, and the load and reaction rate can be expressed as a function of the carrier surface area, so the carrier surface area becomes a common and convenient parameter to express the performance of MBBR. the load of MBBR is often expressed as the carrier surface area removal rate (SAAR) or the carrier surface area loading (SALR). When the concentration of the host substrate is low (e.g., S>>K), the substrate removal rate of MBBR is zero-level response. When the main substrate concentration is low (e.g. S>>K), tốc độ loại bỏ cơ chất của MBBR là phản ứng bậc một. Trong các điều kiện được kiểm soát, tốc độ loại bỏ diện tích bề mặt chất mang (SAAR) có thể được biểu thị dưới dạng hàm của tải diện tích bề mặt chất mang (SALR), như được hiển thị trong Phương trình (1-1).
r =rtối đa-[L/(K+L)] (1-1)
r - tốc độ loại bỏ (g/(m2 -d));
rtối đa- tốc độ loại bỏ tối đa (g/(m2 -d)).
L - tốc độ tải (g/(m2 -d)).
K - hằng số nửa bão hòa.
2.2 Loại bỏ các chất có chứa cacbon
Tải trọng diện tích bề mặt (SALR) của chất mang cần thiết để loại bỏ carbon phụ thuộc vào mục đích xử lý quan trọng nhất của chất mang và phương pháp tách nước bùn.
Bảng 1-2 cung cấp phạm vi tải BOD thường được sử dụng cho các mục đích ứng dụng khác nhau. Nên sử dụng các giá trị tải thấp hơn khi quá trình nitrat hóa diễn ra ở cuối dòng. Tải trọng cao chỉ nên được sử dụng khi chỉ xem xét loại bỏ cacbon. Kinh nghiệm cho thấy rằng để loại bỏ cacbonat, oxy hòa tan trong pha lỏng chính là 2-3 mg/L là đủ và việc tăng thêm nồng độ oxy hòa tan là không có ý nghĩa để cải thiện tốc độ loại bỏ diện tích bề mặt chất mang (SARR).
Bảng 1-2 Giá trị tải BOD điển hình
| Mục đích ứng dụng |
BOD trên một đơn vị diện tích bề mặt chất mang đáp ứng (SALR) (g/m2.d) |
| Tải trọng cao (Loại bỏ 75%-80% BOD ) | 20 |
| Tải trọng cao (Loại bỏ 80%-90% BOD ) | 5-15 |
| Tải trọng thấp (Trước khi nitrat hóa) | 5 |
2.3 Thiết kế MBBR tải cao
Để đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản của xử lý thứ cấp nhưng cần hệ thống tải trọng cao nhỏ gọn, hãy cân nhắc sử dụng lò phản ứng giường chuyển động
Khi MBBR hoạt động ở mức tải cao, giá trị tải diện tích bề mặt sóng mang (SALR) của nó cao. Khi MBBR được vận hành ở tải cao, giá trị tải diện tích bề mặt chất mang (SALR) cao và mục tiêu chính là loại bỏ BOD hòa tan và dễ phân hủy khỏi nước chảy vào. ở tải trọng cao, màng sinh học đổ ra mất đi đặc tính lắng, do đó quá trình đông tụ hóa học, tuyển nổi không khí hoặc tiếp xúc với chất rắn thường được sử dụng để loại bỏ chất rắn lơ lửng khỏi nước thải của MBBR tải trọng cao. Tuy nhiên, nhìn chung, quy trình này là quy trình đơn giản, có thể đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản về xử lý thứ cấp với thời gian HRT ngắn. Kết quả nghiên cứu MBBR tải cao được trình bày trong Hình 1-3. Hình 1-3(a) cho thấy MBBR rất hiệu quả trong việc loại bỏ COD và về cơ bản là tuyến tính trong phạm vi tải trọng rộng. Hình 1- 3 (b) minh họa rằng khả năng lắng của nước thải MBBR rất kém, ngay cả ở tốc độ tràn bề mặt rất thấp, cho thấy rằng thực sự cần có chiến lược thu giữ chất rắn nâng cao. Quá trình tiếp xúc MBBR/chất rắn được sử dụng tại Nhà máy xử lý nước thải Mao Point ở New Zealand. Hình 1-4 thể hiện mối quan hệ giữa việc loại bỏ BOD hòa tan và tổng tải BOD vào nhà máy này. Hình 1-4 minh họa rằng các giá trị điển hình của việc loại bỏ BOD đối với MBBR tải cao là 70% đến 75%. Kết tụ sinh học và xử lý tiếp theo bằng quy trình tiếp xúc với chất rắn cho phép quy trình này đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản cho xử lý thứ cấp.
● Hình 1-3
(a) Tỷ lệ loại bỏ COD ở mức tải cao.
(b) Sự lắng đọng kém của màng sinh học tách ra dưới tải trọng cao
● Hình 1-4 Mối quan hệ giữa tốc độ loại bỏ BOD hòa tan và tổng tải BOD trong MBBR tải cao
2.4 Thiết kế tải thông thường MBBR
Khi xem xét quy trình xử lý thứ cấp thông thường, có thể chọn lò phản ứng giường chuyển động. Trong trường hợp này, 2 MBBR tuần tự trong hàng có thể đáp ứng các yêu cầu xử lý (mức xử lý thứ cấp).
Bảng 1- 4 tóm tắt việc loại bỏ BOD7 trong bốn nhà máy xử lý nước thải. Tất cả bốn WWTP đều sử dụng MBBR được nạp thông thường với tải hữu cơ MBBR là 7-10 gBOD7 /( m2 -d) (ở 10 độ ); Trước MBBR, các hóa chất đã được sử dụng để tạo bông và loại bỏ phốt pho, đồng thời tăng cường khả năng phân tách chất lơ lửng cũng được thực hiện.
2.5 Thiết kế MBBR tải thấp
Khi MBBR được đặt trước lò phản ứng nitrat hóa, phương án thiết kế kinh tế nhất là xem xét sử dụng MBBR để loại bỏ chất hữu cơ. Điều này cho phép lò phản ứng chuyển động nitrat hóa ở hạ lưu MBBR đạt được tốc độ nitrat hóa cao. Nếu tải BOD của MBBR nitrat hóa không giảm đủ, tốc độ nitrat hóa sẽ giảm đáng kể, do đó khiến lò phản ứng ở trạng thái kém hiệu quả.
Hình {{0}} (a) cho thấy tác động của việc tăng tải BOD lên tốc độ nitrat hóa chất mang. Đây là một ví dụ về tải BOD cao dẫn đến tải nitrat hóa quá mức ở phần sau khi chất hữu cơ bị loại bỏ ở phần trước. Trong ví dụ này, tốc độ nitrat hóa là 0,8 g/(m2 -d). Khi tải BOD là 2 g/(m2 -d) và oxy hòa tan trong chất lỏng chính là 6 mg/L. Tuy nhiên, khi tải BOD tăng lên 3 g/(m2 -d), tốc độ nitrat hóa là 0,8 g/(m2 -d). Tuy nhiên, khi tăng tải BOD lên 3 g/(m{13}}d), tốc độ nitrat hóa giảm khoảng 50%. Để khắc phục điều này, người vận hành có thể tăng nồng độ oxy hòa tan trong pha lỏng chính hoặc tăng tỷ lệ lấp đầy để giảm tốc độ tải bề mặt. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là không nên sử dụng cách tiếp cận như vậy trong thiết kế do thiếu tính kinh tế và hiệu quả. Hơn nữa, khi thiết kế MBBR để loại bỏ BOD, cần thực hiện một phương pháp thận trọng, chọn tốc độ tải thấp để định cỡ để đạt được hiệu quả tối đa trong quá trình nitrat hóa tiếp theo MBBR.
Hình 1-6(b) hiển thị tốc độ nitrat hóa của ba MBBR hiếu khí trong trình tự. Trong Hình 6(b), chất mang trong mỗi MBBR đã được loại bỏ để thử nghiệm nhỏ về tốc độ nitrat hóa. Các bài kiểm tra phụ kéo dài trong 6 tuần và được thực hiện hai lần. Trong mỗi thử nghiệm phụ, các điều kiện của ba lò phản ứng trong thử nghiệm gần như giống hệt nhau (ví dụ: oxy hòa tan, nhiệt độ, pH và nồng độ nitơ amoniac ban đầu). Kết quả thử nghiệm cho thấy lò phản ứng đầu tiên có tải lượng COD hòa tan cao nhất (5,6 g/(m2 -d)) và hầu như không có hiệu ứng nitrat hóa nhưng đã rất thành công trong việc loại bỏ tải lượng COD. Điều này được thể hiện qua hai khía cạnh sau đây.
(1) Tốc độ nitrat hóa của lò phản ứng giai đoạn thứ hai cao và gần bằng tốc độ của giai đoạn thứ ba.
(2) Tải lượng COD hòa tan ở giai đoạn thứ hai và thứ ba không khác biệt đáng kể.
Để thiết kế các lò phản ứng tải thấp, điều quan trọng là phải chọn tải diện tích bề mặt chất mang (SALR) một cách thận trọng. Có thể sử dụng phương trình sau để hiệu chỉnh tải diện tích bề mặt của chất mang (SALR) theo nhiệt độ của nước thải:
LT=L101.06(T-10)
LT - tải trọng ở nhiệt độ T.
L10 -10 độ ở tải trọng 4,5 g/(m2 -d).
● Hình 1-6
(a) Ảnh hưởng của lượng BOD và lượng oxy hòa tan đến tốc độ nitrat hóa ở 15 độ.
(b) Sự khác biệt về tốc độ nitrat hóa của các MBBR khác nhau trong dòng MBBR
2.6 Quá trình nitrat hóa của công nghệ MBBR
Có một số yếu tố có tác động đáng kể đến hiệu suất của MBBR nitro và phải được xem xét khi thiết kế MBBR nitro. Các yếu tố nặng nề nhất là.
(1) Tải hữu cơ.
(2) Nồng độ oxy hòa tan.
(3) Nồng độ amoniac.
(4) Nồng độ nước thải.
(5) độ pH hoặc độ kiềm.
Hình 1- 6 minh họa rằng để đạt được tốc độ nitrat hóa thỏa đáng trong MBBR nitrat hóa ở hạ lưu, điều quan trọng là phải loại bỏ chất hữu cơ khỏi nước thải ở MBBR thượng lưu; nếu không, màng sinh học dị chất sẽ cạnh tranh với nó về không gian và oxy, do đó làm giảm (dập tắt) hoạt động nitrat hóa của màng sinh học. Tốc độ nitrat hóa tăng khi lượng chất hữu cơ giảm cho đến khi oxy hòa tan trở thành yếu tố hạn chế. Chỉ ở nồng độ amoniac rất thấp (<2 mgN/l) does the available substrate (ammonia) become the limiting factor. It is thus the concentration of ammonia that is an issue when complete nitrification is required. In this case, 2 sequential reactors can be considered, with the first stage being limited by oxygen and the second by ammonia. As with all biological treatment processes, temperature has a significant effect on nitrification rates, but this can be mitigated by increasing the dissolved oxygen within the MBBR. As alkalinity decreases to very low levels, nitrification rates within the biofilm begin to be limited. Each of the important factors that affect nitrification are discussed below.
Ở nồng độ kiềm và amoniac đủ (ít nhất là ở giai đoạn đầu), tốc độ nitrat hóa sẽ giảm khi tải lượng chất hữu cơ
tăng cho đến khi oxy hòa tan trở thành yếu tố giới hạn. Trong màng sinh học nitrat hóa phát triển tốt, nồng độ oxy hòa tan sẽ chỉ hạn chế tốc độ nitrat hóa trên chất mang nếu tỷ lệ O2 trên NH4+-N dưới 2.0. Không giống như các hệ thống bùn hoạt tính, trong điều kiện hạn chế oxy, tốc độ phản ứng trong lò phản ứng tầng chuyển động thể hiện mối quan hệ tuyến tính hoặc gần đúng với nồng độ oxy hòa tan trong thể pha lỏng. Điều này có thể là do sự chuyển oxy qua màng chất lỏng cố định vào màng sinh học có thể là một bước quan trọng trong việc hạn chế sự vận chuyển oxy. Việc tăng nồng độ oxy hòa tan trong pha lỏng chính sẽ làm tăng gradient nồng độ oxy hòa tan trong màng sinh học. Ở tốc độ sục khí cao hơn, năng lượng trộn tăng lên cũng góp phần chuyển oxy từ pha lỏng chính sang màng sinh học. Như có thể thấy trong Hình 1- 6(a), nếu lượng chất hữu cơ được giữ không đổi (ví dụ: độ dày và thành phần màng sinh học không đổi), có thể dự đoán được mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ nitrat hóa và nồng độ oxy hòa tan. Hình 1-7 giải thích rằng việc tăng lượng oxy hòa tan trong pha lỏng chính sẽ góp phần vào tốc độ nitrat hóa cho đến khi nồng độ amoniac trong pha lỏng chính giảm xuống mức rất thấp.
● Hình 1-7 Ảnh hưởng của oxy hòa tan ở nồng độ amoniac thấp
Đối với màng sinh học nitrat hóa "tinh khiết" phát triển tốt, nồng độ amoniac trong pha lỏng chính không ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng cho đến khi O2:NH4+- N đạt từ 2 đến 5. Một số ví dụ về O2:NH{{6} } N được cho trong Bảng 1-5.
Bảng 1-5 Một số ví dụ về O:NHa+- N
| Tài liệu tham khảo | O2:NH4+- N |
| Hem(1994) |
＜2(Hạn chế oxy) 2.7(Quan trọng O2 nồng độ=9-20mg/L) 3.2(Quan trọng O2 nồng độ=6mg/L) ＞5 (Hạn chế amoniac) |
| Bonomo (2000) |
＞3-4 (Hạn chế amoniac) ＜1-2 (Hạn chế oxy) |
Thiết kế MBBR thường bắt đầu với giá trị ngưỡng là 3,2. Giá trị ngưỡng có thể điều chỉnh được. Sử dụng phương trình (1-3), nồng độ amoniac ở giá trị ngưỡng này có thể được sử dụng để ước tính tốc độ nitrat hóa thích hợp và được sử dụng làm cơ sở cho thiết kế.
rNH3-N= k × (SNH3-N) (n) (1-3)
rNH3-N-tốc độ nitrat hóa (g rNH3-N /(m2 -d)
k - hằng số tốc độ phản ứng (phụ thuộc vào vị trí và nhiệt độ).
SNH3-N - nồng độ cơ chất hạn chế tốc độ phản ứng.
n - số giai đoạn phản ứng (phụ thuộc vào vị trí và nhiệt độ).
Hằng số tốc độ phản ứng (k) với độ dày màng sinh học và độ khuếch tán của chất nền giới hạn ở nồng độ oxy hòa tan nhất định. Hệ số liên quan đến số lượng mức phản ứng (n) liên quan đến màng chất lỏng tiếp giáp với màng sinh học. Khi dòng chảy rối mạnh và lớp màng chất lỏng đứng yên mỏng, mức độ phản ứng có xu hướng {{0}}.5; khi dòng chảy rối chậm và màng chất lỏng đứng yên dày thì mức phản ứng có xu hướng bằng 1,0. Tại thời điểm này, sự khuếch tán trở thành yếu tố giới hạn tốc độ.
Nồng độ amoniac ở giá trị tới hạn (SNH{0}}N) có thể được ước tính từ tỷ lệ tới hạn và nồng độ oxy hòa tan thiết kế trong pha lỏng chính, như được hiển thị bên dưới. Việc tăng nồng độ oxy hòa tan trong pha lỏng chính có thể giúp giảm tỷ lệ tới hạn nhưng ít thành công. Ngoài ra, hãy xem xét trường hợp vi khuẩn dị dưỡng cạnh tranh không gian trong tải trọng lò phản ứng và điều kiện trộn nhất định, do đó làm giảm lượng oxy đi qua lớp dị dưỡng trên màng sinh học.
(SNH3-N)=1.72mg-N/L=(6mgO2/L - 0.5O2/L)/3.2
Lấy SNH{0}}N là 1,72, giả sử hằng số tốc độ phản ứng k=0.5 và giai đoạn phản ứng là 0,7, phương trình (1- 3) có thể được tính như sau.
rNH3-N=0.73g/(m2 -d)=0.5×1.720.7
Khi xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ đến MBBR nitrat hóa, một số yếu tố rất quan trọng. Cần lưu ý rằng nhiệt độ nước thải trong MBBR về bản chất có thể ảnh hưởng đến quá trình động học của quá trình nitrat hóa sinh học; tốc độ khuếch tán cơ chất vào và ra khỏi sinh khối; và độ nhớt của chất lỏng, do đó có thể có tác động gợn lên năng lượng cắt trên độ dày màng sinh học. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng vĩ mô được mô tả ở trên có thể được biểu thị bằng mối quan hệ sau.
kT2= kT1-θ(T2-T1) (1-4)
kT1 - hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T1.
kT2 - hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T2.
θ - hệ số nhiệt độ.
Mặc dù sự phụ thuộc vào nhiệt độ của động học quá trình nitrat hóa ở nhiệt độ thiết kế mùa đông làm giảm tốc độ nitrat hóa của MBBR, nhưng có thể quan sát thấy sự gia tăng nồng độ màng sinh học trên chất mang ở nhiệt độ thấp và ngoài ra, nồng độ oxy hòa tan trong lò phản ứng có thể tăng lên, điều này vừa làm giảm nhẹ ảnh hưởng tiêu cực của nhiệt độ đến tốc độ nitrat hóa. Ở nhiệt độ nước thải thấp hơn, sinh khối (g/m2) được quan sát thấy cao hơn. Ngoài ra, nồng độ oxy hòa tan trong pha lỏng chính có thể tăng lên mà không cần tăng tốc độ sục khí vì oxy trong pha này là do khả năng hòa tan cao hơn của chất lỏng ở nhiệt độ thấp. Điều này dẫn đến kết quả cuối cùng là mặc dù hoạt động của màng sinh học cao hơn hoạt động của màng sinh học (g NH3-N/(m2 -d) -> g SS/ m2) giảm nhưng hoạt động nitrat hóa trên một đơn vị diện tích bề mặt sóng mang vẫn có thể được duy trì ở mức cao. Sự thay đổi theo mùa của sinh khối với nhiệt độ nước thải đối với MBBR nitrat hóa bậc ba được thể hiện trong Hình 1- 8(a). Khi nhiệt độ nước thải tăng từ 〈15 độ lên 〉15 độ trong khoảng thời gian từ tháng 5 đến tháng 6, nồng độ sinh khối giảm mạnh. Hình 1- 8 (b) chia dữ liệu thành hai vùng theo nhiệt độ nước thải (〈15 độ và 〉15 độ ). Mặc dù hoạt động riêng của màng sinh học giảm ở vùng 〈15 độ, nhưng hiệu suất vĩ mô của lò phản ứng vẫn cao do tổng nồng độ sinh khối cao hơn và nồng độ oxy hòa tan cao hơn (do khả năng hòa tan khí tăng lên ở nhiệt độ thấp). Hiện tượng quan sát được này cho thấy tốc độ phản ứng bề mặt vĩ mô trên chất mang có thể được duy trì ở mức cao trong điều kiện nhiệt độ thấp, mặc dù tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitrat hóa giảm do thích ứng với màng sinh học.
● Hình 1-8 (a) Sự thay đổi theo mùa của nồng độ sinh khối và nhiệt độ trong MBBR với quá trình nitrat hóa bậc ba.
(b) Mối liên hệ giữa hoạt độ nitrat hóa và nồng độ oxy hòa tan ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau
2.7 Khử nitrat của bể MBBR
Lò phản ứng giường chuyển động đã được sử dụng thành công trong quá trình khử nitrat trước, sau và kết hợp. Ngược lại với các hoạt động sinh học khác giống như quá trình khử nitơ vật liệu, các yếu tố phải được xem xét trong thiết kế là.
1) Nguồn cacbon thích hợp và tỷ lệ cacbon và nitơ thích hợp trong lò phản ứng.
2) Mức độ khử nitrat mong muốn.
3) Nhiệt độ của nước thải.
4) Oxy hòa tan trong nước hồi lưu hoặc nước thượng nguồn.
2.7.1 Lò phản ứng màng sinh học di chuyển với quá trình khử nitơ trước
Khi cần loại bỏ BOD, quá trình nitrat hóa và loại bỏ nitơ vừa phải, MBBR với quá trình khử nitrat phía trước là rất phù hợp. Để tận dụng tối đa thể tích của lò phản ứng anoxic, nước cấp phải có tỷ lệ COD dễ phân hủy sinh học và nitơ amoniac (C) phù hợp. /N). Do giai đoạn nitrat hóa của MBBR đòi hỏi lượng oxy hòa tan cao nên lượng oxy hòa tan trong quá trình hồi lưu có tác động đáng kể đến hiệu suất của MBBR. Điều này dẫn đến giới hạn trên của tỷ lệ hồi lưu tiết kiệm nhất (Q hồi lưu/Q dòng vào) trong sản xuất. Trên giá trị này, hiệu quả tổng thể của quá trình khử nitrat sẽ giảm khi dòng hồi lưu tăng thêm. Nếu bản chất của nước thải phù hợp cho quá trình khử nitơ đầu cuối, tỷ lệ loại bỏ nitơ thường nằm trong khoảng từ 50% đến 70% với tỷ lệ hoàn trả từ (1:1) đến (3:1). Trong thực tế sản xuất, tốc độ khử nitrat có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: vị trí, sự khác biệt theo mùa trong đặc tính nước thải (ví dụ C/N), nồng độ oxy hòa tan được đưa vào lò phản ứng và nhiệt độ nước thải.
2.7.2 Lò phản ứng màng sinh học di chuyển với quá trình khử nitơ sau
When the degradable carbon in the wastewater is naturally insufficient, or has been consumed by upstream processes, or when the wastewater treatment plant occupies an area subject to when the need for concise and high-speed denitrification is limited, MBBR with posterior denitrification can be considered. because the denitrification performance is not affected by internal circulation or carbon source, the posterior denitrification process can achieve high denitrification rates (>80%) ở HRT ngắn.
Nếu các yêu cầu về BOD và nitrat trong nước thải nghiêm ngặt hơn thì có thể cần phải khử nitrat sau khi MBBR sục khí nhỏ. Kinh nghiệm vận hành cho thấy rằng nếu có quá trình lắng đọng ở thượng nguồn thì có thể nồng độ phốt pho sau quá trình khử nitrat không đủ để tổng hợp tế bào và hiệu suất khử nitrat có thể bị ức chế tại thời điểm đó.
Khi cacbon được lấp đầy quá mức, tốc độ loại bỏ diện tích bề mặt chất mang nitrat tối đa (SARR) của nguồn cacbon được sử dụng có thể lớn hơn 2g/(m2 -d). Tốc độ loại bỏ diện tích bề mặt nitrat đối với các nguồn carbon khác nhau và nhiệt độ khác nhau được đưa ra trong Hình 2-9.
● Hình 1-9 Tốc độ loại bỏ diện tích bề mặt của chất mang có nguồn cacbon khác nhau theo hàm số của nhiệt độ
2.7.3 Lò phản ứng màng sinh học kết hợp trước/sau khử nitrat
Lò phản ứng giường di động với quá trình khử nitơ phía trước và phía sau có thể được kết hợp, do đó tận dụng được tính kinh tế của quá trình khử nitrat phía trước. Thiết kế của lò phản ứng khử nitrat phía trước có thể được coi là bể sục khí vào mùa đông. Thiết kế có thể xem xét sử dụng lò phản ứng khử nitrat phía trước làm bể sục khí vào mùa đông. Điều này là do.
1) Tăng thể tích bể phản ứng sục khí giúp cải thiện quá trình nitrat hóa.
2) Nhiệt độ nước thấp hơn có thể dẫn đến tăng nồng độ oxy hòa tan và giảm COD hòa tan, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử nitrat phía trước.
3) Vào mùa đông, lò phản ứng sau khử nitrat có thể đảm nhận tất cả các nhiệm vụ khử nitrat.
2.7.4 Kích thích khử nitrat
Trong quá trình khử nitrat MBBR, một máy trộn cơ học chìm gắn trên đường ray đã được sử dụng để tuần hoàn và trộn chất lỏng trong lò phản ứng
cơ thể và chất mang. Các khía cạnh sau đây cần được xem xét cụ thể khi thiết kế máy khuấy: (1) vị trí và hướng của máy khuấy; (3) Loại máy khuấy; (3) năng lượng khuấy động.
Mật độ tương đối của chất mang màng sinh học là khoảng 0,96, do đó nó sẽ nổi trong nước mà không cần sử dụng năng lượng, điều này khác với quá trình bùn hoạt tính. Khi không có năng lượng áp dụng trong quá trình bùn hoạt tính, chất rắn (bùn) sẽ lắng xuống.
Do đó, trong MBBR, máy khuấy phải được đặt gần mặt nước nhưng không quá gần mặt nước, nếu không sẽ tạo ra dòng xoáy ở mặt nước lại và từ đó đưa không khí vào lò phản ứng. Như được hiển thị trong Hình 1-10, máy khuấy phải hơi nghiêng xuống để chất mang có thể được đẩy sâu hơn vào lò phản ứng. Thông thường, MBBR không sục khí cần năng lượng từ 25 đến 35 w/m3 để khuấy trộn toàn bộ chất mang. Việc kích thích MBBR khử nitrat cần được xem xét đặc biệt. Không phải tất cả các máy khuấy đều phù hợp để sử dụng trong MBBR trong thời gian dài. Nhà sản xuất máy khuấy (ABS), sử dụng một số thiết bị MBBR, đã phát triển máy khuấy ABS123K đặc biệt phù hợp cho lò phản ứng giường chuyển động. Máy khuấy này được làm bằng thép không gỉ với cánh khuấy cong về phía sau, có khả năng chịu được sự mài mòn của máy khuấy bởi chất mang. Để tránh hư hỏng giá đỡ và mài mòn máy khuấy, máy khuấy ABS123K có các thanh tròn 12 mm được hàn dọc theo cánh của cánh quạt. Khi sử dụng trong lò phản ứng giường chuyển động, tốc độ của máy khuấy ABS123K khá thấp (90 vòng/phút ở 50 Hz và 105 vòng/phút ở 60 Hz). Năng lượng trộn cần thiết để khuấy trộn MBBR khử nitrat có liên quan đến tỷ lệ lấp đầy chất mang và sự phát triển màng sinh học dự kiến. Kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng khuấy trộn hiệu quả hơn ở tỷ lệ lấp đầy chất mang thấp (ví dụ:<55%). At higher fill ratios, it is difficult for the agitator to circulate the carriers and therefore high carrier fill ratios should be avoided. Low filling ratios and correspondingly high carrier surface loadings increase the biofilm concentration and thus sink the carrier, making it easier for the stirrer to stir the carrier and circulate it in the reactor. From this point of view, it is important to choose the appropriate denitrification reactor size, as a proper reactor size allows for a filling ratio and mechanical stirring to be compatible.
● Hình 10
(a) Cánh khuấy ABS123K hướng mặt nước và nghiêng 30 độ xuống dưới để đẩy chất mang vào sâu hơn trong lò phản ứng;
(b) MBBR khử nitrat đang vận hành tại nhà máy xử lý nước thải
2.8 Tiền xử lý
Giống như các công nghệ màng sinh học chìm khác, nước cấp cho MBBR cần được xử lý trước thích hợp. Để ghi và lắng tốt, cần tránh sự tích tụ lâu dài của các vật liệu trơ khó chịu như mảnh vụn, nhựa và cát trong MBBR. Do MBBR được lấp đầy một phần bằng chất mang nên các vật liệu trơ này rất khó loại bỏ khi chúng đi vào MBBR. Khi có sẵn phương pháp xử lý chính, các nhà sản xuất MBBR thường khuyến nghị rằng khe hở lưới không lớn hơn 6 mm và nếu không có phương pháp xử lý chính thì phải lắp đặt lưới mịn từ 3 mm trở xuống. Ngoài ra, nếu MBBR được thêm vào quy trình hiện tại thì không cần thêm lưới nếu mức xử lý hiện tại đã cao.
2.9 Tách chất rắn-lỏng của MBBR
So với quy trình bùn hoạt tính, quy trình giường chuyển động rất linh hoạt xét theo quan điểm khả năng phân tách chất rắn-lỏng sau đó lớn. Hiệu quả xử lý sinh học của quá trình giường chuyển động không phụ thuộc vào bước tách chất rắn-lỏng, do đó đơn vị tách chất rắn-lỏng của nó có thể thay đổi. Ngoài ra, nồng độ chất rắn của nước thải MBBR thấp hơn ít nhất một bậc so với quá trình bùn hoạt tính. Do đó, nhiều công nghệ tách rắn-lỏng đã được áp dụng thành công cho MBBR, có thể kết hợp với các công nghệ tách rắn-lỏng đơn giản và hiệu quả như tuyển nổi không khí hoặc bể lắng mật độ cao nơi đất đai có giá trị cao. Khi trang bị thêm các nhà máy xử lý nước thải hiện có, các bể lắng hiện có có thể được sử dụng để tách chất rắn trong MBBR.
2.10 Những cân nhắc khi thiết kế MBBR
Sau đây là rất quan trọng đối với việc thiết kế MBBR.
2.10.1 Tốc độ dòng di chuyển MBBR (Tốc độ dòng chảy ngang)
The peak flow rate (flow divided by reactor cross-sectional area) at peak flow through the MBBR must be considered in the design with a small flow rate (e.g. 20m/h), the carriers can be evenly distributed in the reactor. Too high travel flow rate (e.g. >35m/h), các sóng mang sẽ tích tụ ở lưới đánh chặn và tạo ra tổn thất cột áp lớn. Đôi khi các điều kiện thủy lực ở tốc độ dòng chảy cao nhất sẽ quyết định hình dạng và số lượng MBBR. Tư vấn với nhà sản xuất và xác định tốc độ dòng chảy thích hợp là điều quan trọng đối với thiết kế MBBR. Tỷ lệ khung hình của lò phản ứng cũng là một yếu tố. Nói chung, tỷ lệ khung hình nhỏ (ví dụ: 1:1 hoặc ít hơn) giúp giảm sự trôi dạt của chất mang về phía lưới chặn ở tốc độ dòng chảy cao nhất và cho phép phân phối chất mang đồng đều hơn trong lò phản ứng.
2.10.2 Vấn đề về bọt bể MBBR
Các vấn đề về bọt không phổ biến ở MBBR nhưng dễ xảy ra khi khởi động hoặc vận hành kém. Do hai vách ngăn ở giữa bể liên hoàn cao hơn mặt nước nên lượng bọt sẽ bị hạn chế ở MBBR. Nếu phải kiểm soát bọt thì nên sử dụng chất chống tạo bọt. Việc sử dụng chất khử bọt sẽ bao phủ chất mang và cản trở sự khuếch tán của chất nền đến màng sinh học, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của MBBR. Không nên sử dụng chất khử bọt silic vì chúng không tương thích với chất mang nhựa.
2.10.3 Dọn dẹp giường vận chuyển và lưu trữ tạm thời
Đối với các lò phản ứng giường di động được thiết kế và xây dựng tốt, mặc dù hiếm khi xảy ra hư hỏng nhưng vẫn cần cân nhắc vấn đề làm thế nào để di chuyển vật mang ra khỏi lò phản ứng và cất giữ nó khi lò phản ứng ngừng hoạt động do bảo trì, v.v. . Tất cả chất lỏng trong lò phản ứng, bao gồm cả chất mang, có thể được xả ra bằng bơm xoáy bánh xe lõm 10 cm. Nếu tỷ lệ lấp đầy được thiết kế phù hợp, chất mang trong lò phản ứng này có thể được chuyển tạm thời sang lò phản ứng khác. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó khôi phục cả hai lò phản ứng về tỷ lệ lấp đầy ban đầu khi di chuyển các vật mang trở lại. Khi các chất mang được bơm trở lại lò phản ứng, cách hợp lý duy nhất để đo chính xác tỷ lệ lấp đầy chất mang là làm trống thiết bị phản ứng và đo chiều cao chất mang trong cả hai lò phản ứng. Lý tưởng nhất là sẽ có một bể chứa khác hoặc thiết bị chưa sử dụng khác có thể được sử dụng làm thùng chứa tạm thời cho các vật chứa, sao cho có thể dễ dàng đảm bảo tỷ lệ lấp đầy chất mang của lò phản ứng ban đầu.