PDF Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Nguyễn Văn Sức

Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Nguyễn Văn Sức

MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ .............................................................................. 5
Chƣơng 1
NGUỒN GỐC VÀ THÀNH PHẦN CỦA NƢỚC THẢI ............................. 9
1.1. NGUỒN GỐC NƢỚC THẢI ....................................................................... 9
1.1.1. Nƣớc thải sinh hoạt ............................................................................ 9
1.1.2. Nƣớc thải công nghiệp ....................................................................... 9
1.2. TÍNH CHẤT CỦA NƢỚC THẢI .............................................................. 10
1.2.1. Tính chất vật lý của nƣớc thải .......................................................... 10
1.2.2. Thành phần hóa học của nƣớc thải .................................................. 12
1.2.3. Thành phần sinh học của nƣớc thải .................................................. 13
1.3. TÁC ĐỘNG CỦA NƢỚC THẢI CHƢA ĐƢỢC XỬ LÝ ......................... 13
1.4. HỆ THỐNG THU GOM NƢỚC THẢI ..................................................... 18
1.4.1. Mạng lƣới thu gom nƣớc thải .......................................................... 18
1.4.2. Hệ thống thu gom nƣớc thải kết hợp................................................ 18
1.4.3. Thiết kế hệ thống thu gom nƣớc thải ............................................... 19
1.4.4. Những công trình phụ của hệ thống cống ........................................ 20
1.4.5. Định lƣợng lƣu lƣợng nƣớc thải ...................................................... 20
1.4.6. Thiết kế thời gian sử dụng và dự đoán dân số
cho hệ thống thu gom nƣớc thải ...................................................... 22
1.5. MỤC ĐÍCH VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI ............... 24
1.5.1. Mục đích xử lý nƣớc thải ................................................................. 24
1.5.2. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải .................................................... 25
1.5.3. Phân loại mức độ xử lý nƣớc thải .................................................... 26
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................... 30
Chƣơng 2
XỬ LÝ SƠ BỘ NƢỚC THẢI ......................................................................... 31
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................ 31
2.2. THIẾT BỊ CHẮN RÁC .............................................................................. 31
2.2.1. Lƣới chắn rác ................................................................................... 31
2.2.2. Song chắn rác ................................................................................... 32
2.2.3. Lƣới chắn rác mịn ............................................................................ 37
2.2.4. Thiết bị nghiền rác ........................................................................... 38
2.3. BỂ LẮNG CÁT .......................................................................................... 38
311
2.3.1. Mục đích của bể lắng cát ................................................................. 38
2.3.2. Đặc trƣng của chất rắn trong nƣớc thải ............................................ 38
2.3.3. Thiết kế bể lắng cát .......................................................................... 39
2.3.4. Tiêu chuẩn thiết kế bể lắng cát ........................................................ 41
2.3.4.1. Bể lắng cát hình chữ nhật ...................................................... 42
2.3.4.2. Bể lắng cát sục khí ................................................................ 43
2.3.4.3. Bể lắng cát dòng xoáy ........................................................... 43
2.4. BỂ TÁCH DẦU.......................................................................................... 44
2.4.1. Đặc điểm của dầu mỡ trong nƣớc thải ............................................. 44
2.4.2. Phƣơng pháp xử lý dầu mỡ .............................................................. 45
2.5. BỂ ĐIỀU HÕA ........................................................................................... 46
2.5.1. Những ƣu, nhƣợc điểm khi sử dụng bể điều hòa ............................. 46
2.5.2. Xây dựng và vận hành bể điều hòa .................................................. 47
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................... 52
Chƣơng 3
LẮNG, KEO TỤ VÀ TUYỂN NỔI.......................................................... 54
3.1. QUÁ TRÌNH LẮNG .................................................................................. 54
3.1.1. Lắng của các hạt rời rạc ................................................................... 54
3.1.2. Thiết kế bể lắng bậc I cho lắng bông tụ loại 2 ................................. 63
3.1.3. Một số loại bể lắng bậc I để lắng bông tụ loại 2 .............................. 67
3.1.3.1. Bể lắng dòng chảy ngang ...................................................... 69
3.1.3.2. Bể lắng chất rắn tiếp xúc ....................................................... 70
3.1.3.3. Bể lắng tấm nghiêng .............................................................. 71
3.1.4. Các thông số thiết kế bể lắng bậc I .................................................. 75
3.1.4.1. Mục đích thiết kế ................................................................... 75
3.1.4.2. Cơ cấu dòng vào .................................................................... 75
3.1.4.3. Cơ cấu dòng ra ...................................................................... 76
3.2. KEO TỤ, BÔNG TỤ .................................................................................. 77
3.2.1. Keo tụ ............................................................................................... 78
3.2.2. Bông tụ ............................................................................................. 81
3.2.3. Thiết kế quá trình keo tụ/bông tụ ..................................................... 82
3.2.3.1. Keo tụ/bông tụ gián đoạn ...................................................... 82
3.2.3.2. Hệ thống keo tụ/bông tụ liên tục ........................................... 82
3.2.3.3. Mô hình toán học của quá trình bông tụ ................................ 83
3.2.3.4. Tiếp xúc chất rắn của dòng hƣớng lên .................................. 85
3.3. TUYỂN NỔI............................................................................................... 87
312
3.3.1. Cơ sơ lý thuyết ................................................................................. 88
3.3.2. Thiết kế hệ thống DAF .................................................................... 90
3.3.2.1. Cân bằng khối lƣợng trong bể DAF ...................................... 90
3.3.2.2. Một số tham số cơ bản trong thiết kế DAF ........................... 92
Chƣơng 4
BỂ PHẢN ỨNG VÀ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG SINH HỌC
TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI ............................................................... 94
4.1. KHÁI NIỆM BỂ PHẢN ỨNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI ................ 94
4.2. ĐỘNG HỌC BỂ PHẢN ỨNG ................................................................... 94
4.3. CÁC BỂ PHẢN ỨNG ................................................................................ 96
4.3.1. Bể phản ứng gián đoạn .................................................................... 96
4.3.2. Bể dòng chảy đều (PFR) ngƣợc với bể FMT ................................. 100
4.3.3. Bể phản ứng dòng khuếch tán ........................................................ 101
4.3.4. Bể phản ứng khuấy trộn hoàn chỉnh nối tiếp ................................. 104
4.4. CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI ............. 106
4.4.1. Hiệu suất sinh khối ........................................................................ 109
4.4.2. Các phản ứng sinh học liên quan đến xúc tác enzym .................... 114
4.4.3. Động học của phản ứng xúc tác enzym ......................................... 114
4.4.4. Tốc độ tăng trƣởng sinh khối riêng ................................................ 117
4.4.5. Các giá trị hệ số sinh học điển hình trong xử lý nƣớc thải ............ 117
4.4.6. Các yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng đến sự tăng trƣởng của tế bào . 118
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ................................................................................. 118
Chƣơng 5
XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH .............. 121
5.1. MÔ HÌNH HÓA BỂ PHẢN ỨNG BÙN HOẠT TÍNH ........................... 121
5.2. XỬ LÝ BÙN TUẦN HOÀN .................................................................... 125
5.2.1. Các thông số điển hình trong hệ thống xử lý bùn tuần hoàn .......... 125
5.2.2. Cân bằng vật chất và các tham số thiết kế
trong hệ thống bùn tuần hoàn ........................................................ 126
5.2.3. Một số phƣơng trình bổ sung đối với c cho thiết kế .................... 128
5.2.4. Dòng tuần hoàn, Qr ........................................................................ 128
5.2.5. Nhu cầu oxy trong bể sục khí ........................................................ 130
5.2.6. Các quá trình cải tiến xử lý bùn hoạt tính ...................................... 131
5.2.6.1. Quá trình bùn hoạt tính truyền thống (CAS) ....................... 131
5.2.6.2. Quá trình bùn hoạt tính nạp từng bậc (SFAS) ..................... 132
5.2.6.3. Quá trình bùn hoạt tính tiếp xúc ổn định (CSAS) ............... 133
313
5.2.6.4. Quá trình bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn chỉnh (CMAS) .... 134
5.2.6.5. Quá trình sục khí kéo dài..................................................... 134
5.2.6.6. Quá trình bùn hoạt tính mẻ kế tiếp (SBRAS) ...................... 135
5.2.6.7. Mƣơng oxy hóa ................................................................... 136
5.2.6.8. Bể trục sâu ........................................................................... 139
5.3. SO SÁNH CÁC QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH ................................. 140
5.4. TÍNH CHẤT CỦA NƢỚC THẢI SAU KHI XỬ LÝ .............................. 141
5.5. BỂ LẮNG BẬC HAI ĐỐI VỚI BÙN HOẠT TÍNH ................................ 142
5.6. HỆ THỐNG TRỘN VÀ SỤC KHÍ .......................................................... 147
5.6.1. Truyền oxy và sử dụng oxy ........................................................... 147
5.6.2. Sục khí khuếch tán ......................................................................... 148
5.6.3. Hệ thống sục khí cơ học ................................................................. 151
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................. 152
Chƣơng 6
QUÁ TRÌNH SINH TRƢỞNG BÁM DÍNH .......................................... 156
6.1. GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................................. 156
6.2. LỌC NHỎ GIỌT ...................................................................................... 157
6.2.1. Phân loại lọc nhỏ giọt và áp dụng .................................................. 159
6.2.2. Các yếu tố cần phải đƣợc xem xét trong thiết kế bể lọc nhỏ giọt .. 161
6.2.3. Quá trình thiết kế ........................................................................... 164
6.2.4. Ƣu nhƣợc điểm của các quá trình lọc sinh học nhỏ giọt ................ 170
6.3. TIẾP XÖC SINH HỌC QUAY ................................................................ 171
6.3.1. Mô tả thiết bị .................................................................................. 172
6.3.2. Các quá trình trong RBC ................................................................ 173
6.3.3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của quá trình RBC .................................. 174
6.3.4.1. Khử BOD ............................................................................ 174
6.3.4.2. Bậc của các đơn vị RBC...................................................... 174
6.3.4.3. Các bƣớc thực hiện trong thiết kế RBC .............................. 176
6.4. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ KẾT HỢP ........................................... 176
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................. 179
Chƣơng 7
XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ .............................. 181
7.1. GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................................. 181
7.1.1. Các giai đoạn của quá trình kỵ khí ................................................. 181
7.1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đối với quá trình anaerobic ........................ 183
314
7.2. CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ ....................................................... 187
7.2.1. Quá trình tăng trƣởng lơ lửng kỵ khí ............................................. 187
7.2.2. Quá trình khuấy trộn hoàn chỉnh ................................................... 188
7.2.3. Bể kỵ khí gián đoạn kế tiếp ............................................................ 188
7.3. THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH TĂNG TRƢỞNG KỴ KHÍ ............................. 189
7.4. QUÁ TRÌNH LỚP BÙN KỴ KHÍ ............................................................ 190
7.6. QUÁ TRÌNH BỂ KỴ KHÍ VÁCH NGĂN ............................................... 196
7.7. BỂ KỴ KHÍ LỚP BÙN DI CHUYỂN (AMBR) ...................................... 197
7.8. QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ TĂNG TRƢỞNG BÁM DÍNH ........................... 197
7.8.1. Bể kỵ khí tăng trƣởng bám dính dòng hƣớng lên .......................... 197
7.8.2. Bể kỵ khí tăng trƣởng bám dính lớp bùn giãn nở
dòng hƣớng lên (AEBR) ................................................................ 197
7.8.3. Bể kỵ khí lớp giả hóa lỏng tăng trƣởng bám dính (FBR) .............. 197
7.8.4. Quá trình tăng trƣởng bám dính dòng hƣớng xuống...................... 198
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................. 198
Chƣơng 8
CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NITƠ, PHỐT PHO
VÀ XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG HỒ SINH HỌC ................................. 201
8.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................. 201
8.2. QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA ................................................................... 201
8.2.1. Động học nitrat hóa ........................................................................ 202
8.2.2. Khử nitrat ....................................................................................... 204
8.2.3. Đo tốc độ nitrat hóa và khử nitrat hóa ........................................... 207
8.3. KHỬ PHỐT PHO ..................................................................................... 210
8.3.1. Các giai đoạn khử phốt pho ........................................................... 210
8.3.2. Các quá trình xử lý phốt pho .......................................................... 212
8.3.2.1. Các quá trình sinh học ......................................................... 212
8.3.2.2. Xử lý phốt pho bậc một tăng cƣờng chất hóa học (CEPT) . 213
8.4. XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG HỒ SINH HỌC ........................................ 217
8.4.1. Các loại của hồ sinh học ................................................................ 217
8.4.2. Hồ kỵ khí ....................................................................................... 217
8.4.2.1. Quá trình phân hủy kỵ khí ................................................... 218
8.4.2.2. Thiết kế hồ kỵ khí ............................................................... 218
8.4.3. Hồ tùy nghi .................................................................................... 219
8.4.3.1. Sự thay đổi theo không gian trong hồ tùy nghi ................... 220
8.4.3.2. Thiết kế hồ tùy nghi ............................................................ 221
315
8.4.4.Hồ trƣởng thành ...................................................................... 222
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................. 222
Chƣơng 9
BÙN SINH HỌC VÀ ỔN ĐỊNH BÙN ................................................... 224
9.1. BÙN SINH HỌC ...................................................................................... 224
9.2. ĐỊNH LƢỢNG CHẤT RẮN (BÙN) ........................................................ 225
9.3. HỆ THỐNG XỬ LÝ BÙN ....................................................................... 225
9.3.1. Bể lắng bùn .................................................................................... 226
9.3.2. Nén bùn .......................................................................................... 227
9.4. ỔN ĐỊNH BÙN ........................................................................................ 229
9.4.1. Phân hủy kỵ khí ............................................................................. 230
9.4.2. Các điều kiện cho phân hủy kỵ khí ................................................ 232
9.5. PHÂN HỦY HIẾU KHÍ ........................................................................... 233
9.6. CÁC QUÁ TRÌNH KHÁC ĐỂ PHÂN HỦY BÙN .................................. 235
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................. 235
Chƣơng 10
XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA LÝ ..................... 237
10.1. HẤP PHỤ ............................................................................................... 237
10.1.1. Hấp phụ đẳng nhiệt ...................................................................... 237
10.1.2. Hấp phụ hỗn hợp nhiều cấu tử ..................................................... 241
10.1.3. Chất hấp phụ ................................................................................ 243
10.1.4. Động học hấp phụ ........................................................................ 245
10.1.4.1. Vùng truyền khối ............................................................... 245
10.1.4.2. Dung tích hấp phụ tại điểm thoát ...................................... 246
10.1.4.3. Phân tích và thiết kế lớp tiếp xúc than hoạt tính hạt ......... 246
10.2. TRAO ĐỔI ION ..................................................................................... 248
10.2.1. Chất trao đổi ion .......................................................................... 249
10.2.2. Phản ứng trao đổi ion ................................................................... 249
10.2.3. Dung tích trao đổi của nhựa trao đổi ion ..................................... 250
10.2.4. Hóa học của trao đổi ion .............................................................. 250
10.2.5. Ứng dụng phƣơng pháp trao đổi ion ............................................ 251
10.3. TRÍCH LY .............................................................................................. 253
10.3.1. Cơ sở của phƣơng pháp trích ly ................................................... 253
10.3.2. Cân bằng khối lƣợng đối với tháp khử khí .................................. 255
10.3.3. Quy trình thiết kế tháp khử khí .................................................... 259
316
10.4. OXY HÓA BẬC CAO ........................................................................... 261
10.4.1. Giới thiệu chung .......................................................................... 261
10.4.2. Phƣơng pháp oxy hóa bậc cao ..................................................... 264
10.4.2.1. Các phƣơng pháp không quang hóa .................................. 264
10.4.2.2. Các phƣơng pháp quang hóa ............................................. 266
10.4.3. Một số ví dụ áp dụng thực tế của oxy hóa bậc cao (AOP) ........... 270
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................. 271
Chƣơng 11
KHỬ TRÙNG NƢỚC THẢI SAU KHI XỬ LÝ ..................................... 273
11.1. KHÁI NIỆM VỀ KHỬ TRÙNG ............................................................ 273
11.1.1. Các tác nhân khử trùng ................................................................ 273
11.1.2. Cơ chế khử trùng .......................................................................... 276
11.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt độ của chất khử trùng ................ 276
11.2. KHỬ TRÙNG BẰNG CLO VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA CLO ............ 279
11.2.1. Phản ứng của clo trong nƣớc ....................................................... 279
11.2.2. Phản ứng điểm thoát (breakpoint) với Clo ................................... 280
11.2.3. Khử trùng bằng clo dioxit ............................................................ 284
11.2.4. Khử clo ........................................................................................ 284
11.2.4.1. Khử clo bằng SO2 .............................................................. 284
11.2.4.2. Khử clo bằng các hợp chất sufit ........................................ 285
11.2.4.3. Khử clo bằng than hoạt tính .............................................. 285
11.2.5. Thiết kế hệ thống khử trùng bằng clo .......................................... 286
11.3. KHỬ TRÙNG VỚI OZON .................................................................... 287
11.3.1. Mô hình toán học quá trình khử trùng bằng ozon ........................ 288
11.3.2. Các sản phẩm phụ tạo thành khi khử trùng bằng ozon ................ 289
11.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP HÓA HỌC KHÁC ............................................ 289
11.5. KHỬ TRÙNG BẰNG BỨC XẠ TỬ NGOẠI (UV) .............................. 290
11.6. SO SÁNH CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG ................................ 292
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP .................................................................. 294
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 296