Nguyên tắc cơ bản về kỹ thuật và quản lý vận hành của lưu vực sục khí máy thổi tải-thấp
1. Tổng quan
1.1 Nguyên lý hoạt động của bể sục khí thổi
Sục khí bằng máy thổi, thường được sử dụng ở Trung Quốc, chủ yếu bao gồm các kiểu sục khí khuếch tán, xoắn ốc và vi xốp. Một bể sục khí thường bao gồm một hệ thống sục khí, cấu trúc lưu vực và các cổng vào/ra, đóng vai trò là cấu trúc chính trong xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính. Các phương pháp sục khí phổ biến là sục khí cơ học và sục khí thổi. Hệ thống sục khí thổi thường bao gồm các thiết bị sục khí và máy thổi chuyên dụng. Các lưu vực thường được chia thành nhiều ngăn, mỗi ngăn có khả năng cấp nước vào độc lập. Nước thải đi vào lưu vực và thoát ra ở đầu đối diện. Trong quá trình này, không khí được chuyển qua máy nén đến bộ khuếch tán ở đáy lưu vực và thoát ra dưới dạng bong bóng.
1.2 Nghiên cứu liên quan về bể sục khí thổi
Nghiên cứu của Cheng Dandan et al. nhận thấy rằng trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị (WWTP) của Trung Quốc, máy thổi khí tiêu thụ khoảng 60% tổng năng lượng. Việc tích hợp hệ thống sục khí với điều khiển vòng lặp khép kín PID thông minh (DO) và triển khai các chiến lược tiết kiệm năng lượng của máy thổi-có thể giải quyết hiệu quả mức tiêu thụ năng lượng cao trong hệ thống sục khí của WWTP, giảm hơn 30%.
Lưu Hiểu Kỳ và cộng sự. sử dụng thiết bị sục khí dòng phân tán để tăng hàm lượng oxy trong nước thải trong quá trình xử lý đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng. Điều này cũng đạt được sự pha trộn và phân phối không khí-nước đồng đều, giảm yêu cầu về độ chính xác khi lắp đặt thiết bị sục khí.
Chang Kai và cộng sự. cải thiện hiệu suất của hệ thống bể sục khí thông thường bằng cách sửa đổi chế độ thu gom không khí ban đầu. Họ đã thay thế các thiết bị sục khí vi xốp truyền thống bằng các thiết bị sục khí vi xốp có tấm silicon-có hiệu suất truyền oxy cao và thay thế các bể sục khí dòng chảy đơn-thẳng-bằng các lưu vực dòng chảy ngoằn ngoèo ba-. Việc kết hợp kiểm soát sục khí chính xác đã nâng cao hơn nữa hệ thống, giải quyết các vấn đề về tiêu thụ năng lượng cao, hiệu suất thấp và truyền khối kém trong các phương pháp sục khí bằng máy thổi truyền thống.
1.3 Quản lý vận hành bể sục khí thổi
Bể sục khí thổi được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Tuân theo nguyên tắc "xử lý riêng cho các dòng chất thải khác nhau", đơn vị xử lý nước thải mặn của một WWTP cụ thể chủ yếu xử lý nước thải khử muối bằng điện từ quá trình chưng cất chân không-trong khí quyển, nước tinh khiết đã tách, nước thải trung hòa alkyl hóa và một số nước thải có độ mặn-nổi trên bề mặt. Thiết bị này có hệ thống xử lý sinh học ba{4}}giai đoạn, với bể sục khí thổi khí là giai đoạn thứ cấp. Nhu cầu oxy hóa học (COD) trung bình đầu vào của nó luôn ở mức dưới 100 mg/L, được phân loại là quy trình bùn hoạt tính-có tải trọng thấp. Ngoài việc nâng cấp thiết bị, việc duy trì hoạt động tối ưu đòi hỏi phải kiểm soát và điều chỉnh cẩn thận các thông số quy trình.
2. Tổng quan về cơ sở
2.1 Quy trình xử lý nước thải nhiễm mặn của đơn vị xử lý nước thải
Thiết bị này sử dụng quy trình "Cân bằng + Tách dầu + Tuyển nổi hai-Giai đoạn + Ba-Xử lý sinh học giai đoạn", với nước thải đã xử lý được gửi đến thiết bị đánh bóng. Bộ tách dầu sử dụng kết hợp dòng chảy ngang và thiết kế tấm nghiêng. Hai giai đoạn tuyển nổi lần lượt sử dụng Tuyển nổi không khí tạo bọt xoáy (CAF) và Tuyển nổi không khí hòa tan có áp suất trào ngược một phần (DAF). Ba giai đoạn sinh học lần lượt được thực hiện: Bể sục khí oxy tinh khiết III, Bể sục khí thổi và Bể sinh hóa thứ cấp (EM-BAF). Luồng quy trình được thể hiện trongHình 1.
2.2 Bể sục khí thổi Mô tả
Bể sục khí thổi khí là một cơ sở được tái sử dụng ban đầu được xây dựng vào năm 1995 như một phần của đơn vị xử lý nước thải có dầu. Nó sử dụng thiết kế sục khí theo dòng cắm-truyền thống với thể tích hiệu dụng là 3.888 m³ và thời gian lưu thủy lực (HRT) hiện tại là khoảng 17,6 giờ. Lưu vực hoạt động với hai đoàn tàu song song, mỗi đoàn có bốn khoang. Máy sục khí được lắp đặt phía dưới, được cung cấp bởi máy thổi ly tâm nhằm cung cấp oxy cho quá trình chuyển hóa bùn hoạt tính. Nó cũng được trang bị hai bể lắng thứ cấp (Φ18m x 5m).
Trong hệ thống sinh học ba{0}}giai đoạn:
- Giai đoạn 1 (Bể sục khí oxy tinh khiết III): Chức năng chính là loại bỏ COD.
- Giai đoạn 2 (Bể sục khí thổi): Chức năng chính là loại bỏ nitơ amoniac (NH₃-N), chức năng phụ là loại bỏ COD.
- Giai đoạn 3 (Bể sinh hóa thứ cấp - EM-BAF): Chức năng đánh bóng thêm COD và NH₃-N của nước thải, đảm bảo chất lượng nước cuối cùng.
2.3 Chất lượng nước thải và nước đầu vào của bể sục khí thổi
Nước thải vào bể sục khí thổi khí đến từ Bể sục khí oxy tinh khiết III, có giới hạn chất gây ô nhiễm: CODcr Nhỏ hơn hoặc bằng 300 mg/L, NH₃-N Nhỏ hơn hoặc bằng 30 mg/L, Chất rắn lơ lửng (SS) Nhỏ hơn hoặc bằng 50 mg/L.
Nước thải của nó cấp vào Bể sinh hóa thứ cấp, với các giới hạn: CODcr Nhỏ hơn hoặc bằng 120 mg/L, NH₃-N Nhỏ hơn hoặc bằng 30 mg/L, SS Nhỏ hơn hoặc bằng 50 mg/L.
Nước thải cuối cùng từ Bể sinh hóa thứ cấp phải đáp ứng: CODcr Nhỏ hơn hoặc bằng 70 mg/L, Dầu mỏ Nhỏ hơn hoặc bằng 5 mg/L, NH₃-N Nhỏ hơn hoặc bằng 3 mg/L.
Trong suốt năm 2021, CODcr trung bình chảy vào lưu vực là 67,094 mg/L và NH₃-N trung bình là 23,098 mg/L, cả hai đều đáp ứng yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên, COD đầu vào thấp đáng chú ý đã dẫn đến thiếu hụt nguồn carbon cho bùn hoạt tính, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất bình thường của nó. Ngược lại, lượng nitơ amoniac đủ và nồng độ chất ô nhiễm hữu cơ thấp trong dung dịch hỗn hợp sẽ tạo điều kiện cho quá trình nitrat hóa diễn ra hiệu quả.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động và biện pháp kiểm soát
3.1 Tác động của tải lượng nước đầu vào thấp và quá trình lão hóa bùn
Với COD đầu vào ở mức 67,094 mg/L-thấp hơn cả giới hạn thiết kế ( Nhỏ hơn hoặc bằng 300 mg/L) và nhu cầu cacbon của vi sinh vật (khoảng. 100 mg/L BOD₅)-bùn hoạt tính bị thiếu nguồn cacbon. Tải trọng thấp dẫn đến bùn phát triển chậm, khiến nó dễ bị lão hóa và hình thành cấu trúc lỏng lẻo. Bùn già, chết hình thành cặn nổi trên bề mặt bể lắng thứ cấp. Thiếu thiết bị thu gom cặn, cặn này chảy ra ngoài theo dòng nước thải, gây đục, vượt giới hạn COD và SS, gây quá tải cho Bể sinh hóa thứ cấp ở hạ lưu, ảnh hưởng đến chất lượng nước thải cuối cùng.
biện pháp đối phó: Tổ vận hành đã kiểm soát nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp rượu (MLSS). Sử dụng ống chia độ 1000 mL để kiểm tra Chỉ số Thể tích Bùn (SVI) trong 30 phút, họ duy trì SVI ở khoảng 20%, tương ứng với MLSS khoảng 2 g/L. Hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm cân bằng này với việc ngăn chặn quá trình lão hóa bùn, trôi nổi và suy giảm chất lượng nước. Sự phát triển bùn chậm có nghĩa là lãng phí bùn ở mức tối thiểu và không thường xuyên, cho phép vi khuẩn nitrat hóa có thời gian cư trú vượt quá thời gian tạo ra tối thiểu của chúng, thúc đẩy hơn nữa quá trình nitrat hóa.
3.2 Tác động của việc kiểm soát oxy hòa tan (DO)
Các vi sinh vật trong bùn hoạt tính chủ yếu là hiếu khí, thường cần DO trong khoảng 1-3 mg/L. Các tiêu chuẩn của công ty đặt ra phạm vi DO cho các bể sục khí dòng cắm truyền thống ở mức 2-4 mg/L, với quá trình nitrat hóa yêu cầu DO thường không dưới 2,0 mg/L. Tải lượng nước vào thấp hiện tại và nồng độ MLSS giảm hơn nữa đã làm giảm nhu cầu DO, khiến việc kiểm soát trở nên khó khăn. Việc duy trì trộn đầy đủ thường làm tăng DO lên trên 4 mg/L, đồng thời kiểm soát DO trong phạm vi mục tiêu đôi khi dẫn đến trộn không đủ ở một số khu vực, gây lắng đọng bùn.
Hơn nữa, DO cao làm tăng tốc độ phân hủy chất hữu cơ, làm trầm trọng thêm quá trình lão hóa bùn. Vì vậy, trên thực tế, DO được kiểm soát ở mức 3 mg/L. Ngoài ra, tất cả các van khí được điều chỉnh hàng tháng để cải thiện tính đồng nhất của quá trình trộn, kích hoạt lại các khối bông không hoạt động và duy trì sinh khối hoạt động.
3.3 Tác động của nhiệt độ nước
Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của vi sinh vật. Nhiệt độ thích hợp thúc đẩy hoạt động, trong khi nhiệt độ thấp ức chế hoặc làm giảm hoạt động, nhiệt độ cao có thể làm thay đổi sinh lý hoặc gây tử vong. Trong hệ thống này, vi khuẩn ưa nhiệt là nhóm chức năng chính. Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, nhiệt độ thường được duy trì trong khoảng 15–35 độ, mặc dù phạm vi phù hợp là 10–45 độ. Vượt quá 30 độ có thể làm biến tính protein nitrat hóa, làm giảm hoạt động của chúng. Bùn hoạt tính chứa cả vi khuẩn phân hủy COD{10}}và vi khuẩn nitrat hóa, trong đó quá trình nitrat hóa có phạm vi tối ưu hẹp hơn là 5–30 độ.
Dòng nước thải mặn chứa các dòng nhiệt độ-cao. Các sự cố trước đây liên quan đến nhiệt độ dòng vào vượt quá 40 độ trong nhiều ngày liên tiếp, dẫn đến sự phân hủy bùn, làm chết các chất phân huỷ COD và vi khuẩn nitrat hóa cũng như làm sập hệ thống. Sau đó, một nhiệt kế được lắp đặt trên đường nước thải của bể cân bằng để kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ xả không vượt quá 40 độ, đáp ứng yêu cầu về nhiệt độ bùn. Không có sự cố tương tự nào ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa xảy ra vào năm 2021.
3.4 Ảnh hưởng của độ kiềm
Theo các tiêu chuẩn doanh nghiệp liên quan, khi sử dụng bùn hoạt tính để loại bỏ amoniac, tổng độ kiềm có ảnh hưởng đến tỷ lệ nitơ amoniac không được nhỏ hơn 7,14; nếu không thì phải bổ sung độ kiềm. Với lượng NH₃-N chảy vào theo thiết kế là 30 mg/L và trung bình thực tế là 23,098 mg/L, tổng độ kiềm cần thiết không nhỏ hơn 214,2 mg/L. Hiện tại, độ kiềm đầu vào không đủ nên cần bổ sung tro soda (Na₂CO₃) hàng ngày để đáp ứng nhu cầu của quy trình.
3.5 Tác động của độ pH và các chất độc hại
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 hoặc<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Sự trao đổi chất của vi sinh vật hiếu khí có thể làm giảm nhẹ sự thay đổi độ pH. Ví dụ, việc sử dụng hợp chất nitơ có thể làm giảm độ pH trong quá trình nitrat hóa, trong khi quá trình khử carboxyl tạo ra các amin kiềm, làm tăng độ pH. Điều này cho phép-thích nghi lâu dài với nước thải có tính axit/kiềm nhẹ. Độ kiềm vốn có của nước thải cũng giúp ức chế sự giảm độ pH.
Tuy nhiên, sự thay đổi pH mạnh mẽ (ví dụ, dòng kiềm đột ngột chảy vào hệ thống axit) tác động đáng kể đến vi khuẩn và có thể làm gián đoạn hoạt động. Vì vậy, sự cần thiết phải trung hòa còn tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Sự dao động pH nhỏ và nhất quán, đặc biệt với axit/bazơ yếu, có thể không cần trung hòa. Biến động lớn hơn đòi hỏi phải điều chỉnh pH về mức trung tính.
Vi khuẩn nitrat hóa rất nhạy cảm với pH-, quá trình nitrat hóa tối ưu ở pH 7,2–8,0, trong khi các vi khuẩn nói chung thích pH 6,5–8,5. Đối với các loại nước thải công nghiệp cụ thể, loại chất độc hại thường cố định nhưng nồng độ và lượng thải lại dao động. Bên cạnh việc cân bằng, nồng độ chất độc hại phải được theo dõi và kiểm soát. Sau khi bùn thích nghi, giới hạn nồng độ ảnh hưởng tối đa phải được thiết lập dựa trên mức độ thích nghi và kinh nghiệm vận hành. Sự vượt quá kéo dài đòi hỏi các biện pháp như giảm dòng chảy vào, tăng tái chế bùn hoặc tăng cường oxy hóa để ngăn ngừa ngộ độc vi khuẩn và thất bại trong xử lý. Hiện tại, chưa phát hiện chất độc hại gây ngộ độc vi sinh vật trên dòng nước vào lưu vực.
3.6 Tác động của tải trọng va đập vào
COD đầu vào vẫn ở mức thấp ổn định với những biến động nhỏ, đồng thời NH₃-N và Nitơ tổng (TN) cũng nằm trong phạm vi tương đối ổn định trong thời gian dài. Mật độ nitrat hóa vẫn tương đối cố định. Tuy nhiên, do tốc độ tăng trưởng chậm nên sự gia tăng đột ngột, đáng kể của NH₃-N hoặc TN chảy vào có thể làm bão hòa khả năng loại bỏ của lưu vực, ảnh hưởng đến chất lượng NH₃-N và TN nước thải.
Về mặt lý thuyết, nhu cầu N và P của vi sinh vật tuân theo tỷ lệ BOD₅:N:P là 100:5:1. Tuy nhiên, hàm lượng N và P thay đổi rất nhiều tùy theo loại nước thải công nghiệp. Một số loại nước thải có hàm lượng N và P cao cần phải xử lý để đạt tiêu chuẩn. Một số khác bị thiếu hụt, cần bổ sung để tránh hạn chế quá trình trao đổi chất. Đối với các lưu vực đang vận hành xử lý nước thải có N/P thấp, mức ảnh hưởng khoảng 10 mg/L NH₃-N và 5 mg/L photphat có thể đáp ứng nhu cầu của vi sinh vật. Mức độ kéo dài dưới mức này đòi hỏi phải tăng liều lượng N/P.
Hoạt động hàng ngày yêu cầu giám sát chặt chẽ NH₃-N và TN trong tất cả dòng chảy vào và nước thải của bể cân bằng, cũng như trong dòng tái chế từ bể điều chỉnh, để tránh làm quá tải bộ phận đánh bóng hạ lưu và đe dọa đến sự an toàn của nước xả cuối cùng.
4. Kết luận
Là lò phản ứng nitrat hóa cốt lõi trong đơn vị xử lý nước thải nhiễm mặn, bể sục khí thổi yêu cầu phải theo dõi chặt chẽ nhiệt độ nước, NH₃-N đầu vào và TN. Kiểm soát chặt chẽ nồng độ MLSS, duy trì DO khoảng 3 mg/L và đảm bảo bổ sung đủ độ kiềm là rất cần thiết. Theo các biện pháp tối ưu này, hệ thống hoạt động ổn định với chất lượng nước thải tuyệt vời: COD trung bình là 54,213 mg/L, NH₃-N là 9,678 mg/L và SS là 23,849 mg/L, đáp ứng đầy đủ yêu cầu nước vào của Bể sinh hóa thứ cấp. Việc thử nghiệm, tóm tắt và tối ưu hóa liên tục từ nhiều khía cạnh cũng rất quan trọng để đảm bảo hơn nữa độ tin cậy của thiết bị và hiệu quả xử lý hệ thống.