BÓ CARROUSEL

1. Lịch sử phát triển của Carrousel:

a) Mương Paveer:

• Hình vành khăn, sâu 0.9 đến 1.5m
• Thổi khí và lắng luân phiên.
• Nước vào, ra chỉ thực hiện ở giai đoạn lắng.
• Quy trình xử lí dạng bậc.
• Lắng ở chiều sâu không lớn nên nước ra có chất lượng tốt.
  

b) Mương oxy hóa hoạt động liên tục có 2 mương bên hông:

• Hoạt động luân phiên Aerotank và lắng
• Oxy hoá ở mương chính
• Lắng ở hai mương bên hông

c) Mương oxy hóa hoạt động liên tục có hai hành lang:

• Lắng nước luân phiên.
• Gọn, thời gian lắng và thải từ 30-40 phút
• Thải nước sạch bằng tấm chảy tràn hoặc cố định

d) Mương oxy hóa có bể lắng riêng:

e) Bể Carrousel 1000:

Bể Carrousel 1000 được DHV thiết kế để xử lý cho các khu dân cư nhỏ, các nhà máy, xí nghiệp…có lượng nước thải thấp. Bể Carrousel 1000 có thể phục vụ cho khu dân cư với quy mô dân số từ 1000-5000 người. Carrousel-1000 được thiết kế trước yêu cầu đặt ra: Chi phí xây dựng thấp, tối đa hóa hiệu quả xử lý với chi phí thấp.

f) Bể Carrousel 2000:

Carrousel 2000 là một phát triển mang tính hiện đại của mương oxy hóa truyền thống. Bể phản ứng thực chất là một mương vòng với tường ngăn cách ở giữa và một máy thổi khí bề mặt ở một hoặc cả hai đầu của tường. Máy thổi khí cung cấp oxy vào nước thải trong bể phản ứng hòa trộn hoàn toàn nước thải và bùn hoạt tính và duy trì dòng chảy trong kênh. Nước thải đã hòa trộn đi qua máy thổi khí sau đó qua vùng hiếu khí và thiếu khí, nơi quá trình loại bỏ BOD, nitrat hóa và khử nitrat diễn ra, tất cả trong một bể phản ứng trong một tiến trình liên tục.

Máy thổi khí OXYRATOR là máy trục thẳng, tốc độ chậm, thổi khí bề mặt, được thiết kế đặc biệt để đạt được quá trình oxy sinh hóa đủ và hiệu quả cho nước thải trong bể phản ứng bằng cách điều chỉnh lượng oxy đầu vào để đạt được nhu cầu oxy hữu hiệu.

Bộ xử lý CARCON là phần mềm trọn gói điều chỉnh lượng oxy đầu vào và chiều dài của vùng hiếu khí cà thiếu khí trong bể phản ứng, bằng cách cài đặt và thay đổi số lượng máy thổi khí làm việc, tốc độ và độ ngập của máy thổi khí.

Mỗi đơn nguyên bể với dòng nội tuần hoàn đã tiết kiệm cho phí vận hành cũng như chi phí lắp đặt bơm. Chỉ một cặp bộ phận đẩy  (vài kW) được cài đặt trong bể phản ứng tiền xử lý Nitrat để duy trì lượng bùn hoạt tính trong nước thải hòa trộn ở trạng thái lơ lửng.

Bể được thiết kế đảm bảo đồng thời các quá trình khử BOD, khử N,P. Bể có hình dáng uyển chuyển, các vùng thiếu khí, hiếu khí được bố trí đan xen nhau. Hiệu quả xử lý của bể đạt hiệu suất cao đã được kiểm chứng là do các yếu tố sau :

+ Thiết kế thủy lực là yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo dòng chảy xoắn ốc, tăng khả năng chịu sốc tải.

+ Cổng nội tuần hoàn : Cổng nội tuần hoàn được thiết kế để đảm bảo lưu lượng nội tuần hoàn, cổng nội tuần hoàn đóng mở do sự thay đổi dòng chảy mà không cần thêm thiết bị.

+ Máy khuấy Oxyrator : Do DHV chế tạo và cung cấp, Oxyrator là máy trục thẳng, tốc độ chậm, thổi khí bề mặt, được thiết kế đặc biệt để đạt được quá trình oxy sinh hóa đủ và hiệu quả cho nước thải trong bể phản ứng bằng cách điều chỉnh lượng oxy đầu vào để đạt được nhu cầu oxy hữu hiệu.

+ Bộ xử lý CARCON : là phần mềm trọn gói điều chỉnh lượng oxy đầu vào và chiều dài của vùng hiếu khí cà thiếu khí trong bể phản ứng, bằng cách cài đặt và thay đổi số lượng máy thổi khí làm việc, tốc độ và độ ngập của máy thổi khí.

g) Bể Carrousel 3000:

Bể Carrousel 3000 được xây dựng vào năm 1999 tại Hà Lan. Bể được nghiên cứu xây dựng trước yêu cầu về: quỹ đất xây dựng, công suất xử lý lớn. Bể có dạng tròn, các đặc điểm của Carrousel-2000 được giữu nguyên. Để giảm chiều dài bể có chiều sâu có thể đạt 8m, quy trình thiết kế thủy lực đặc biệt đảm bảo hiệu quả xử lý và không để xuất hiện các vùng nước chết. Việc vận hành bể tương đối phức tạp.

II –  NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ CARROUSEL

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Carrousel đều dựa trên việc phát triển có tính đột phá công nghệ mương oxy hóa. Cũng giống như tất cả các mương oxy hóa thông thường, Carrousel có hình dạng giống một trường đua và có trang bị các tường ngăn nằm dọc theo chiều dài bể. Hỗn hợp nước và bùn được trộn với khí trời bằng các máy sục khí bề mặt trục đứng có vận tốc vòng quay thấp (23-35 vòng/phút).Việc sử dụng các máy sục khí này đảm bảo việc khuấy trộn được tiến hành thích hợp, tạo ra dòng chảy ngang và độ xáo trộn nhất định trong bể nhằm tránh hiện tượng bùn lắng xuống đáy bể.

Trong khi nước thải chảy thành 1 vòng trong bể, vi sinh vật hiếu khí (bùn hoạt tính) phân hủy các hợp chất hữu cơ và các hợp chất chứa Nito (N). Tùy thuộc vào trạng thái vận hành mà ta đang sử dụng, hỗn hợp nước thải và bùn sẽ chảy qua các khu vực giàu oxy (hiếu khí), cạn kiệt oxy (thiếu khí) và kỵ khí hoàn toàn nhằm tiến hành các quá trình loại N và Photpho (P) theo phương pháp sinh học.

Thông thường, hệ thống Carrousel sẽ được sử dụng xử lý nước thải đã được xử lý sơ bộ bằng phương pháp cơ học (lược rác, tách cát) và không cần dùng đến bể lắng sơ bộ. Trong trường hợp như vậy, việc thiết kế hệ thống Carrousel dựa trên thời gian lưu bùn dài (theo hình thức thông khí kéo dài) nhằm tiến hành quá trình nitrat (NO₃^–) hoàn toàn, sinh ra lượng bùn có tính ổn định cao và có thể đem xả bỏ một cách dễ dàng mà không cần dùng đến bất cứ quá trình làm ổn định bùn nào khác (bể phân hủy bùn). Tuy nhiên, nếu nhiệt độ môi trường cao, thời gian lưu bùn có thể được giảm xuống đáng kể. Trong bất kỳ tình huống nào, bùn tách ra từ bể lắng sau Carrousel hoàn toàn có thể được đem đi tách nước theo phương pháp truyền thống hoặc tiên tiến.

Cấp Oxy và khuấy trộn

Một đặc điểm đặc biệt của công nghệ Carrousel là việc sử dụng máy sục khí bề mặt tốc độ thấp kiểu turbine, trục đứng. Loại máy sục khí bề mặt này cung cấp lượng oxy cần thiết hỗ trợ quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ, trong khi đó vẫn duy trì được trạng thái lơ lửng của vi sinh vật trong nước thải bằng cách tạo ra các dòng chảy rối của nước thải trong toàn bộ thể tích mương.

Các đặc tính kỹ thuật của máy sục khí bề mặt về phương diện công suất cấp oxy và công suất khuấy trộn vẫn được giữ nguyên trong suốt vòng đời thiết bị. Trong khung thời gian ngắn (ví dụ 1 – 2 giờ), chế độ chảy trong bể là chế độ “chảy đều”, trong khi đó đối với khung thời gian lớn hơn (ví dụ như thời gian lưu nước của bể), chế độ chảy là chế độ khuấy trộn hoàn chỉnh. Chế độ thủy lực đa dạng như vậy cho phép tận dụng được các ưu điểm của mỗi loại dòng chảy trong một bể. Máy sục khí bề mặt được lắp đặt trên đầu bể nên có thể dễ dàng tháo lắp và sữa chữa, khác với các hệ thống phân phối khí dạng đĩa hay ống được lắp chìm dưới đáy bể. Cấu hình cơ bản của hệ thống Carrousel được trình bày ở hình 3

Hình 3 : Cấu hình cơ bản của hệ thống Carrousel

Nhằm giúp tăng tối đa tính linh hoạt trong lúc vận hành và tăng khả năng loại chất dinh dưỡng, ta cần điều chỉnh lượng điện năng cung cấp cho máy sục khí bề mặt dựa trên nhu cầu oxy thực tiễn và tải trọng thực tiễn đang vận hành. Đối với hệ thống Carrousel, tổng lượng oxy cấp vào có thể được thay đổi bằng cách thay đổi số vòng quay của máy sục khí bề mặt.

Một yếu tố quan trọng là máy đo oxy hòa tan (DO), lắp đặt phía hạ lưu của khu vực hiếu khí (chịu tác động mạnh của máy sục khí bề mặt) sẽ đo lượng DO thực. Giá trị DO thực được truyền dẫn dưới dạng tín hiệu đến hệ thống điều khiển tự động hoạt động theo nhiều phương thức khác nhau. Hệ thống này sẽ tối ưu lượng Oxy đưa vào nước thải bằng cách thay đổi số vòng quay của máy sục khí bề mặt. Ngoài DO, còn có các thông số khác có thể tác động đến số vòng quay của máy sục khí bề mặt như pH, nhiệt độ nước thải, lưu lượng, NH₄-N và NO₃-N, v.v. Bằng cách làm như vậy, lượng oxy cung cấp vào luôn đáp ứng được nhu cầu oxy thực tiễn trong lúc vận hành, đồng thời cũng tiết kiệm được điện năng tiêu thụ của máy sục khí bề mặt. Tại các thời điểm, khi nhu cầu oxy thực rất thấp, lượng oxy cần cấp có thể được tiết giảm hơn nữa bằng cách dừng hẳn hoạt động của 1 máy sục khí, nhờ đó tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ.

Máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy

Con tim của hệ thống xử lý nước thải nằm ở công nghệ Carrousel do kết quả của quá trình xử lý và chất lượng nước sau xử lý phụ thuộc vào sự hoạt động của Carrousel Máy sục khí bề mặt với tên thương mại với các đĩa khuấy có hình dạng “chiếc dù lật ngược” sẽ được sử dụng để cấp khí cho Carrousel. Trong quá trình thiết kế, Máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy không chỉ đơn thuần là thiết bị cung cấp oxy, các quá trình hoạt động về cơ khí, động học (điện năng, kích thước, hình dạng bánh công tác, tốc độ vòng quay và chiều sâu ngập nước, v.v) và các đặc điểm về quá trình xử lý (công suất oxy cung cấp, năng lượng phân bố nhằm tạo dòng chảy, khuấy trộn, v.v) được xem là các phần bên trong của cả một quy trình thiết kế quá trình xử lý, mô hình thủy lực cho toàn bộ công nghệ Carrousel. Nói tóm lại, Máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy được thiết kế riêng biệt nhằm phục vụ cho việc vận hành công nghệ Carrousel.

Tốc độ và chức năng TẮT / MỞ của máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy sẽ được điều khiển bởi hệ thống điều khiển tự động theo thời gian dựa trên giá trị của các thông số quá trình đo đạc bởi các thiết bị đo lắp trong hệ thống.

Các đặc tính của Oxyrator:

• hiệu suất truyền oxy 2,1 – 2,4 kg O_­2/kWh
• đường kính lên tới 4m
• công suất lên tới 160kW
• giảm thiểu việc bảo trì

Phần mềm điều khiển Tự động ( phần mềm CARCON)

Quá trình điều khiển hệ thống Carrousel được thực hiện bằng phần mềm Tự động, được nghiên cứu & phát triển qua nhiền năm nghiên cứu và thực nghiệm việc điều khiển Carrousel. Phần mềm này là phần mềm điều khiển đa biến số và là bộ não của hệ thống điều khiển công nghệ Carrousel

Tất các tín hiệu đo như thiết bị đo PH, T, Q, DO, NO₃^–, … sẽ chuyển về bộ xử lý trung tâm được đặt trong nhà điều hành. Với bất kể sự thay đổi của một thông số nào sẽ được bộ vi xử lý như thay đổi tốc độ quay của Oxyrator, cửa nội tuần hoàn, máy khấy chìm… để đảm bỏa yêu cầu xử lý.

b) Cơ chế các quá trình diễn ra trong bể Carrousel

Quá trình xử lý diễn ra trong cả hai vùng thiếu khí (anoxic) và hiếu khí (aerobic). Quá trình đồng hóa khử nitơ xảy ra đồng thời với quá trình khử BOD và quá trình nitrat hóa và khử N₂  được diễn ra đồng thời với quá trình khử BOD.

+ Quá trình nitrat hóa:

Khử Amonia NH₄⁺ bằng phương pháp sinh hóa, NH₄⁺ bị oxy hóa theo 2 bước:

++ Bước 1: NH₄⁺ bị oxy hóa thành NO₂^– do tác động của vi khuẩn nitrit hóa theo phản ứng: NH₄⁺ + 1,5O₂ à NO₂^– + 2H_­⁺ + H₂O.

++ Bước 2: oxy hóa thành NO₂^– thành NO₃^– do tác động của vi khuẩn nitrat hóa theo phản ứng: NO₂^– + 0,5O₂ àNO₃^–.

Tổng hợp hai quá trình này: NH₄⁺ + 2O₂ à NO₃^– + 2H_­⁺ + H₂O.

Các vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat hóa trong mương bao gồm có thể kể tên như vi khuẩn dị dưỡng như nitrosomonas và nitrobacter. Song song với quá trình nitrat hóa, trong vùng hiếu khí cũng diễn ra quá trình khử BOD. Tại đây, các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học bị oxy hóa thành thức ăn cho các vi khuẩn dị dưỡng trong bùn hoạt tính. Ôxy được cung cấp bởi các loại máy khuấy bể mặt kiểu trục đứng sẽ đảm bảo cung cấp đầy đủ lượng oxy cần thiết đảm bảo hiệu quả xử lý đồng thời cả BOD và nitrat hóa.

+ Quá trình khử Nitơrat hóa:

Diễn ra trong vùng thiếu khí của mương (vùng Anoxic). Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ quá trình chuyển NO₃^– thành N₂ và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Quá trình khử NO₃^– có thể mô tả bằng các phản ứng sau:

NO₃^– + 1,183CH₃OH + 0,273H₂CO₃ à 0,091C₅H₇O₂N + 0,454N₂ + 1,82H₂O + HCO₃^–

NO₂^– + 0,681CH₃OH + 0,555H₂CO₃ à0,047C₅H₇O₂N +0,476N₂ + 1,251H₂O + HCO₃^–

O₂^– +0,952CH₃OH+0,061H₂CO₃ à 0,091C₅H₇O₂N+1,057N₂+0,585H₂O+ 0,061HCO₃^–

Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn tự dưỡng. Nhờ quá trình này mà N dạng hợp chất được giải phóng thành N₂ dạng phân tử bay khỏi mặt đất. Qua đây cũng thấy, để tăng hiệu quả xử lý N thì hai quá trình này diễn ra liên tục và liên tiếp để đạt hiệu quả xử lý mong muốn. Do vậy, mương oxy hóa đã được thiết kế theo hình ô van hoặc trường đua nhằm mục đích này.

Vai trò của hàm lượng bùn hoạt tính trong mương là vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tốc độ và hiệu quả xử lý nước thải. Bùn hoạt tính đóng vai trò là chất nền cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển. Lượng bùn hoạt tính cần được tái sinh để đảm bảo được mật độ bùn hữu hiệu cho sự phát triển của vi sinh vật. Thông thường để tiết kiệm

c) Sự khôi phục Oxy và Kiềm:

Trong hệ thống Carrousel 2000, quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat xảy ra đồng thời trong những khu vực khác nhau của cùng một bể phản ứng. Quá trình được miêu tả tóm tắt như sau:

Quá trình Nitrat hóa (phương trình rút gọn): NH­_3­-N + O₂ → NO₂-N → NO₃-N. Tại đây, oxy và kiềm trong nước thải hòa trộn được tiêu thụ. Đối với quá trình oxy hóa 1.0 mg/l của tổng nito (TKN) trong nước thải đầu vào, theo lý thuyết cần 4.6 mg/l oxy và 7.14 mg/l kiềm. Điều đó có nghĩa là để oxy hóa amoniac, lượng oxy cần đến lớn hơn rất nhiều so với lượng cần để oxy hóa một hàm lượng BOD tương tự.

Cùng với đó, độ pH bắt đầu giảm, khi kiềm được tiêu thụ. Đôi lúc phải thêm hóa chất vào để duy trì độ pH trong phạm vi thích hợp để hoàn thành quá trình Nitrat hóa và để đảm bảo chất lượng dòng. Đây là một cách tốt kém và không thuận tiện để bổ sung lượng kiềm.Quá trình khử Nitrat (phương trình rút gọn):

NH₃-N + C → NO₂-N → N₂

Trong quá trình này oxy được bù lại và kiềm được khôi phục. Đối với mỗi 1.0 mg/l nitrat giảm bớt, 3.5 mg/l kiềm (CaCO₃) được hồi phục. Lượng kiềm được hồi phục này sẽ di chuyển đến vùng hiếu khí trong bể Carrousel 2000 để hoàn thiện hơn quá trình Nitrat hóa, giảm một cách hiệu quả hoặc thậm chí loại bỏ hẳn chi phí cho hóa chất. Lượng oxy khôi phục không tốn thêm một chi phí nào trực tiếp giảm nhu cầu năng lượng của hệ thống.

Công nghệ Carrousel 2000 khôi phục lượng kiềm và oxy tiêu thụ với quy mô lớn trọn vẹn trong bể phản ứng tiền xử lý Nitrat trong quá trình loại bỏ Nito. Hệ thống giảm năng lượng đầu vào và đồng thời kiềm được khôi phục theo con đường tự nhiên.

d) Sự loại bỏ Photpho:

Trong công nghệ Carrousel nguyên bản, sự loại bỏ Photpho xảy ra nhờ các vi sinh vật sử dụng Photpho cho quá trình sinh trưởng của chúng. Trong phần lớn các trường hợp, hiệu suất loại bỏ Photpho là đủ, nhưng khi tiêu chuẩn dòng thải chặt chẽ hơn, việc loại bỏ Photpho tăng cường có thể đạt được bằng ba cách:

• Kết tủa đồng thời bằng hóa chất trong bể hiếu khí.
• Xử lý bậc ba, ví dụ như quá trình lọc cát và lắng bậc II.
• Loại bỏ Photpho bằng các phương pháp của bể phản ứng kỵ khí.

Quá trình kết tủa đồng thời có thể đạt được kết quả chấp nhận được, nhưng chi phí vận hành lớn hơn rất nhiều. Xử lý bậc ba yêu cầu một sự đầu tư cao và chi phí vận hành cao hơn. Điều đó có nghĩa là, trong phần lớn các trường hợp phương pháp loại bỏ Photpho sinh hóa là sự lựa chọn tốt hơn, quá trình được giải thích chi tiết như sau.

Bùn hoạt tính trong bể phản ứng Carrousel được liên tiếp cho vào vùng hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí, nó giúp cho sự sinh trưởng của các vi khuẩn tích lũy Photpho, làm cho chúng có khả năng hấp thụ Photpho nhiều hơn lượng chúng thực sự cần.

Dưới điều kiện yếm khí, sinh khối hấp thụ Photpho tăng cường phân hủy lượng photpho cao phân tử chúng tích trữ. Kết quả là Photpho được giải phóng và đồng thời năng lượng sinh ra để duy trì quá trình sinh hóa này. Sinh khối sau đó di chuyển đến vùng hiếu khí của bể Carrousel nơi mà lượng Photpho sinh khối không cần đến sẽ được hấp thụ từ nước thải và tích trữ dưới dạng Photpho cao phân tử (Polime) Những Polime giàu Photpho sẽ được thu lại và loại bỏ khỏi hệ thống cùng với bùn dư, hoàn thành quá trình loại bỏ Photpho sinh hóa.

Theo quy ước, trong hệ thống sinh học tải trọng thấp với sự loại bỏ Photpho sinh hóa, bùn với hàm lượng Photpho cao cần được ổn định thêm dưới điều kiện yếm khí trong bể phân hủy bùn; việc này sẽ giải phóng Photpho một lần nữa.

Lợi thế của hệ thống Carrousel 2000 là bùn mà nó tạo ra đã được ổn định hoàn toàn, vì thế không cần thêm bước xử lý phân hủy nữa, điều đó có nghĩa là Photpho sẽ còn lại trong bùn. Hệ thống loại bỏ Photpho sinh học hoàn toàn này có thể đạt được hàm lượng Photpho là 1ppm (một phần triệu) ở dòng thải ra. Hàm lượng Photpho thấp hơn nữa có thể đạt được nhưng sau đó đòi hỏi thêm quá trình kết tủa với hóa chất.

Bảng 1: Hiệu quả xử lý nước thải từ một vài nhà máy xử lý nước thải áp dụng công nghệ Carrousel ở Trung Quốc:

III –  DANH SÁCH THIẾT BỊ TRONG BỂ CARROUSEL

a) Thiết bị Oxyrator

OXRATOR là một máy thổi khí bề mặt trục thẳng hiệu quả cao, tốc độ chậm, được khai thác bởi công ty DHV để sử dụng cho công nghệ Carrousel. Máy thổi khí kết hợp cung cấp Oxy, hòa trộn và đẩy nước thải di chuyển trong bể phản ứng. Phần lớn năng lượng máy thổi khí tiêu thụ sử dụng cho quá trình hòa trộn và cấp khí.

Thiết kế của bể phản ứng Carrousel 2000 với máy thổi khí OXYRATOR là kết quả của những năm nghiên cứu và thử nghiệm, vì chỉ một sự kết hợp hợp lý về kích thước và hình dáng của bể phản ứng và máy thổi khí, một sự phân chia năng lượng chính xác giữa việc thổi khí, hòa trộn và đẩy trong OXYRATOR, sự lựa chọn chính xác vị trí, kích thước của những bức tường ngăn và hướng dòng  mới có thể dẫn tới một hệ thống tổng thể hiệu quả và tiết kiệm.

Hơn 900 nhà máy xử lý nước thải, hoạt động khắp thế giới và làm hài lòng những người sử dụng chứng tỏ rằng DHV hiểu những tính chất sinh học và thủy lực của hệ thống và có khả năng thiết kế một nhà máy đạt được những điều kiện đặc biệt, thể hiện một cách hợp lý và hiệu quả.

b) CARcon – Hệ thống điều khiển Carrousel 2000:

Hệ thống Carrousel 2000 không rắc rối, cả sự hoạt động và duy trì nó đều dễ dàng. Khoảng 50 năm kinh nghiệm và một cơ sở dữ liệu các thông tin được phân tích và thu thập có hệ thống dựa trên sự vận hành của hơn 900 nhà máy xử lý nước thải, cung cấp cho DHV các phương pháp để phát triển 1 hệ thống điều khiển quá trình hoàn hảo, gọi là CARcon. Ứng dụng này cho phép người vận hành có thể điều khiển quá trình hoạt động và hiệu quả.

Sự điều khiển chiều dài và thể tích của vùng thiếu khí: Phần mềm bao gồm một thuật toán điều khiển nồng độ DO, để vùng thiếu khí đủ dài cho việc loại bỏ Nito một cách hợp lý. Trạng thái đề phòng của cho sự thay đổi lượng oxy đầu vào yêu cầu. CARcon tính toán được rằng sự thay đổi trong lượng oxy đầu vào của máy thổi khí không cho thấy ngay lập tức trong hàm lượng DO cao hơn, Mặt khác, nó có thể dẫn tới một hệ thống dao động, không ổn định.

Đối phó với những thay đổi về tải trọng: Dòng nước thải và theo đó là nhu cầu oxy thay đổi trong thời gian ngày và đêm và cũng khác nhau trong mùa đông và mùa hè. CARcon điều chỉnh lượng oxy đầu vào yêu cầu của máy thổi khí bằng cách chọn độ ngập hợp lý của máy thổi khí hoặc thay đổi số lượng(động cơ tốc độ gấp đôi hay máy biến tần). CARcon là một công cụ thực tiễn và dễ dàng để vận hành quá trình xử lý sinh hóa  với khả năng hoạt động cao nhất và tiêu thụ năng lượng thấp nhất.

Danh sách thiết bị và giá ước tính cho dự án xử lý nước thải công suất 5000 m³/d.

IV –  SO SÁNH BỂ CARROUSEL VỚI CÁC BỂ XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KHÁC

• So sánh – hệ thống AOE (Anoxic – Aerobic – Endogenous):

+   Hệ thống xục khí hiệu suất cao

+   Bảo dưỡng phức tạp

+   Cần nhiều cánh dẫn dòng

+   Yêu cầu nhiều thiết bị phức tạp

• So sánh – hệ thống ORBAL

+   Hệ thống mương ôxy hóa

+   Hiệu quả xục khí thấp (dạng đĩa)

+   Hiệu quả xử lý ni tơ thấp

+   Hiệu quả xử lý phốt pho thấp

+   Cần nhiều thiết bị hỗ trợ

+   Khả năng lắng của bùn thấp

• So sánh – SBR (Sequencing Batch Reactor)

+   Lắp đặt khép kín

+   Vận hành phức tạp

+   Thích nghi kém với sự thay đổi về thủy lực

+   Không linh hoạt

+  Kiểm soát quá trình rất khó, đòi hỏi hệ thống quan trắc các chỉ tiêu tinh vi, hiện đại.

+ Do có nhiều phương tiện điều khiển hiện đại nên việc bảo trì bảo dưỡng trở nên rất khó khăn.

+ Có khả năng nước đầu ra ở giai đoạn xả ra cuốn theo các bùn khó lắng, váng nổi.

+ Do đặc điểm là ko rút bùn ra nên hệ thống thổi khí dễ bị nghẹt bùn.

+ Nếu các công trình phía sau chịu sốc tải thấp thì phải có bể điều hòa phụ trợ.

• So sánh với Aeroten:

+ Về công suất: Bể Aeroten áp dụng cho công suất lớn nhu cầu về diện tích đất sử dụng ít hơn mương oxy hóa ở cùng một mức độ.

+ Về mức độ xử lý: như nhau đều xử lý sinh học đến hoàn toàn. Tuy nhiên, khi hàm lượng BOD lớn xử lý bằng Aeroten khó đạt hiệu quả tốt như mương Oxy hóa khi xử lý các chất dinh dưỡng N, P trong nước thải. Để xử lý được các chất dinh dưỡng, trước Aeroten người ta phải bố trí các ngăn thiếu khí để khử các hợp chất chứa N.

+ Mương oxy hóa và Aeroten đều sử dụng oxy bão hòa —->Hiệu suất của cao .

+ Về Cơ chế: trong bể aeroten và mương oxy hóa bùn hoạt tính và oxy hòa trộn lẫn nhau thành hỗn hợp bão hòa oxy tạo điều kiện cho các vi khuẩn phân hủy các hợp chất hữu cơ.

• So sánh các công trình xử lý tự nhiên(hồ sinh học, cánh đồng lọc…) với Mương oxy hóa cải tiến:

+  Chi phí đầu tư thấp hơn, vận  hành  đơn giản, nước thải không cần phải khử trùng sau xử lý.

+ Yêu cầu diện tích lớn hơn mương oxy hóa ở cùng một mức độ.

+ Yêu cầu tính đệm cao.

+  Khó điều khiển quá trình xử lý.

+  Xuất hiện nhiều vùng nước chết(ví dụ hồ sinh học), do vậy dung tích xây dựng lớn còn với mương oxy hóa cải tiến không.

+ Xây dựng trong điều kiện địa chất tốt mực nước ngầm thấp, vùng ít mưa (vì mưa ảnh hưởng tới quá trình xử lý tự nhiên).

• So sánh với các công trình nhân tạo theo nguyên lý lọc – dính bám (bể Biophin)

+ Về công suất: Bể Biofin áp dụng cho công suất lớn nhu cầu về diện tích đất sử dụng ít hơn mương oxy hóa ở cùng một mức độ.

+ Về mức độ xử lý: như nhau đều xử lý sinh học đến hoàn toàn. Tuy nhiên, khi hàm lượng BOD lớn xử lý bằng bể lọc sinh học khó đạt hiệu quả tốt như mương Oxy hóa.

+ Mương oxy hóa sử dụng oxy bão hòa còn biophin là sử dụng oxy tiếp xúc(biophin sử dụng quạt gió)—->Hiệu suất của mương cao hơn.

+ Về cơ chế: trong mương oxy hóa bùn và oxy hòa trộn lẫn nhau thành hỗn hợp bão hòa oxy còn biophin thì bùn bọc quanh lớp vật liệu lọc.

+ Oxy thổi qua và vi sinh vật sử dụng oxy này oxy hóa chất hữu cơ. Biophin hoạt động gián đoạn do sau thổi khí cần có thời gian cho vi sinh vật hoạt động còn mương oxy hóa hoạt động theo chiều dài của bể nên hoạt động liên tục.

• So sánh với mương oxy hóa truyền thống khác(OD):

+ OD Liên Tục:

• Hiệu quả thấp.
• Không ổn định.
• Chi phí cao.

+ OD Gián Đoạn:

• Tốn năng lượng vì máy thổi khí hoạt động ở các mực nước khác nhau.
• Vận hành máy thổi khí phức tạp.

+ Thiết bị làm thoáng: Giúp cung cấp oxy cho hoạt động sống của vi sinh vật và tạo chiều dòng chảy cho nước trong mương. Mương oxy hóa truyền thống sử dụng các thiết bị sau để cấp khí :

• Rolô trục ngang : Gây ô nhiễm không khí do mùi từ nước dễ dàng thoát ra ngoài. Không vận chuyển hiệu quả các chất rắn lơ lửng.
• Dàn khí nén : Lượng ôxy tăng nhanh theo chiều dọc, từ dưới lên. Nhưng dễ thoát ra ngoài và không hiệu quả theo chiều ngang. Cải thiện bằng cách sử dụng thêm chân vịt bơm nước đặt vuông góc với đáy mương.
• Bơm nước : Hệ thống này, bơm nước phun vào không khí, giúp nước thải tiếp xúc với không khí bên ngoài. Dễ bị tắc bơm.
• Hệ thống làm thoáng kết hợp giữa thổi khí và khuấy trộn: Không khí sẽ được thổi vào mương. Các chân vịt sẽ khuấy trộn không khí này, đảm bảo không khí phân bố đều trong nước. Mặt khác hệ thống này đảm bảo vận tốc trong mương là 0,3 m/s.

b) Các cải tiến của mương oxy hóa cải tiến so với mương oxy hóa truyền thống để đảm bảo quả hiệu quả xử lý

• Tích hợp thêm ngăn khử NO₃^– làm tăng khả năng loại N.
• Thiết kế cổng nội tuần hoàn tăng hiệu quả xử lý đồng thời tăng khả năng chịu sốc tải.
• Khuấy chìm trong ngăn khử NO₃^– tăng hiệu quả khử NO₃^‑
• Sử dụng máy sục khí bề mặt (Oxyrator) cung cấp oxy hữu hiệu liên tục, đầy đủ và ổn định. Khắc phục được các khuyết điểm của thiết bị làm thoáng nêu trên trong mương oxy hoa truyền thống.
• Tích hợp thêm bể kỵ khí, loại được thêm P.
• Thiết kế thủy lực độc đáo: Xây dựng thêm tường chắn tạo dòng chảy đều, chịu được sốc tải.
• Chiều sâu của mương đã tăng nên.
• Thiết kế gọn, giảm diện tích sử dụng đất.

V –  KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CARROUSEL

Hệ thống Carrousel đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc xử lý nước thải sinh hoạt & công nghiệp so với các công nghệ khác ở những thuận lợi sau:

• Hiệu quả loại chất hữu cơ hòa tan (BOD₅) cao, đến 95%. Nồng độ BOD₅ của nước thải sau xử lý thường chỉ còn ít hơn 10 mg/l và thỉnh thoảng thấp hơn 6 mg/l.
• Công nghệ Carrousel cho phép đạt tỉ lệ nitrat hóa cao (hơn 90%).
• Với việc phân chia được các khu vực hiếu khí / thiếu khí trong Carrousel, tỉ lệ khử nitrat (denitrification) đạt rất cao; hàm lượng Tổng Nito (TKN) trong nước thải sau xử lý thường ít hơn 10 mg/l.
• Khi cần thiết, có thể tiến hành việc loại Photpho (P) bằng phương pháp sinh học với hiệu suất cao (hơn 80%).
• Chi phí xây dựng và vận hành thấp.
• Việc vận hành rất đơn giản bởi vì chỉ sử dụng ít thiết bị đi kèm.
• Vận hành đơn giản và đáng tin cậy nhờ sử dụng máy sục khí bề mặt có độ bền cao và bảo trì dễ dàng hơn so với bảo trì thiết bị phân phối khí dạng đĩa hay ống lắp chìm dưới đáy bể
• Bùn sinh ra có tính ổn định rất cao nên không cần dùng thêm quá trình phân hủy để ổn định bùn (phân hủy kị khí hoặc hiếu khí).
• Công nghệ Carrousel có tính đệm rất cao nhằm hấp thu sự thay đổi đột ngột tải trọng hữu cơ (tăng đột biến). Các thay đổi đột ngột này không ảnh hưởng đến sự ổn định của Carrousel. Ngoài ra, Carrousel chịu được một hàm lượng chất vô cơ, kim loại nặng nhất định trong nước thải mà không ảnh hưởng gì đến quá trình phân hủy của vi sinh vật trong bể.

Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa rất thích hợp để áp dụng Carrousel. Tuy nhiên, để áp dụng Carrousel chúng ta cần giải quyết các vấn đề sau:

• Diện tích đất: Để có quỹ đất sạch để triển khai dự án là vấn đề cần đặt ra khi quyết định phương án.
• Vấn đề mùi: DHV chưa đề cập đến vấn đề này, Carrousel là dạng cải tiến của mương oxy hóa. Vấn đề mùi của công trình xử lý này cũng là hạn chế khi áp dụng trong điều kiện mà vùng cách ly vệ sinh không đảm bảo yêu cầu.

Với quy mô công suất nhỏ như các nhà máy, xí nghiệp, khu chế xuất…thì việc sử dụng Carrousel-1000 được cho là tối ưu.

So sánh Carrousel 1000 với các công nghệ xử lý nước thải khác.

BÓ CARROUSEL

1. Lịch sử phát triển của Carrousel:

a) Mương Paveer:

• Hình vành khăn, sâu 0.9 đến 1.5m
• Thổi khí và lắng luân phiên.
• Nước vào, ra chỉ thực hiện ở giai đoạn lắng.
• Quy trình xử lí dạng bậc.
• Lắng ở chiều sâu không lớn nên nước ra có chất lượng tốt.

b) Mương oxy hóa hoạt động liên tục có 2 mương bên hông:

• Hoạt động luân phiên Aerotank và lắng
• Oxy hoá ở mương chính
• Lắng ở hai mương bên hông

c) Mương oxy hóa hoạt động liên tục có hai hành lang:

• Lắng nước luân phiên.
• Gọn, thời gian lắng và thải từ 30-40 phút
• Thải nước sạch bằng tấm chảy tràn hoặc cố định

d) Mương oxy hóa có bể lắng riêng:

e) Bể Carrousel 1000:

Bể Carrousel 1000 được DHV thiết kế để xử lý cho các khu dân cư nhỏ, các nhà máy, xí nghiệp…có lượng nước thải thấp. Bể Carrousel 1000 có thể phục vụ cho khu dân cư với quy mô dân số từ 1000-5000 người. Carrousel-1000 được thiết kế trước yêu cầu đặt ra: Chi phí xây dựng thấp, tối đa hóa hiệu quả xử lý với chi phí thấp.

f) Bể Carrousel 2000:

Carrousel 2000 là một phát triển mang tính hiện đại của mương oxy hóa truyền thống. Bể phản ứng thực chất là một mương vòng với tường ngăn cách ở giữa và một máy thổi khí bề mặt ở một hoặc cả hai đầu của tường. Máy thổi khí cung cấp oxy vào nước thải trong bể phản ứng hòa trộn hoàn toàn nước thải và bùn hoạt tính và duy trì dòng chảy trong kênh. Nước thải đã hòa trộn đi qua máy thổi khí sau đó qua vùng hiếu khí và thiếu khí, nơi quá trình loại bỏ BOD, nitrat hóa và khử nitrat diễn ra, tất cả trong một bể phản ứng trong một tiến trình liên tục.

Máy thổi khí OXYRATOR là máy trục thẳng, tốc độ chậm, thổi khí bề mặt, được thiết kế đặc biệt để đạt được quá trình oxy sinh hóa đủ và hiệu quả cho nước thải trong bể phản ứng bằng cách điều chỉnh lượng oxy đầu vào để đạt được nhu cầu oxy hữu hiệu.

Bộ xử lý CARCON là phần mềm trọn gói điều chỉnh lượng oxy đầu vào và chiều dài của vùng hiếu khí cà thiếu khí trong bể phản ứng, bằng cách cài đặt và thay đổi số lượng máy thổi khí làm việc, tốc độ và độ ngập của máy thổi khí.

Mỗi đơn nguyên bể với dòng nội tuần hoàn đã tiết kiệm cho phí vận hành cũng như chi phí lắp đặt bơm. Chỉ một cặp bộ phận đẩy  (vài kW) được cài đặt trong bể phản ứng tiền xử lý Nitrat để duy trì lượng bùn hoạt tính trong nước thải hòa trộn ở trạng thái lơ lửng.

Bể được thiết kế đảm bảo đồng thời các quá trình khử BOD, khử N,P. Bể có hình dáng uyển chuyển, các vùng thiếu khí, hiếu khí được bố trí đan xen nhau. Hiệu quả xử lý của bể đạt hiệu suất cao đã được kiểm chứng là do các yếu tố sau :

+ Thiết kế thủy lực là yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo dòng chảy xoắn ốc, tăng khả năng chịu sốc tải.

+ Cổng nội tuần hoàn : Cổng nội tuần hoàn được thiết kế để đảm bảo lưu lượng nội tuần hoàn, cổng nội tuần hoàn đóng mở do sự thay đổi dòng chảy mà không cần thêm thiết bị.

+ Máy khuấy Oxyrator : Do DHV chế tạo và cung cấp, Oxyrator là máy trục thẳng, tốc độ chậm, thổi khí bề mặt, được thiết kế đặc biệt để đạt được quá trình oxy sinh hóa đủ và hiệu quả cho nước thải trong bể phản ứng bằng cách điều chỉnh lượng oxy đầu vào để đạt được nhu cầu oxy hữu hiệu.

+ Bộ xử lý CARCON : là phần mềm trọn gói điều chỉnh lượng oxy đầu vào và chiều dài của vùng hiếu khí cà thiếu khí trong bể phản ứng, bằng cách cài đặt và thay đổi số lượng máy thổi khí làm việc, tốc độ và độ ngập của máy thổi khí.

g) Bể Carrousel 3000:

Bể Carrousel 3000 được xây dựng vào năm 1999 tại Hà Lan. Bể được nghiên cứu xây dựng trước yêu cầu về: quỹ đất xây dựng, công suất xử lý lớn. Bể có dạng tròn, các đặc điểm của Carrousel-2000 được giữu nguyên. Để giảm chiều dài bể có chiều sâu có thể đạt 8m, quy trình thiết kế thủy lực đặc biệt đảm bảo hiệu quả xử lý và không để xuất hiện các vùng nước chết. Việc vận hành bể tương đối phức tạp.

II –  NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ CARROUSEL

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Carrousel đều dựa trên việc phát triển có tính đột phá công nghệ mương oxy hóa. Cũng giống như tất cả các mương oxy hóa thông thường, Carrousel có hình dạng giống một trường đua và có trang bị các tường ngăn nằm dọc theo chiều dài bể. Hỗn hợp nước và bùn được trộn với khí trời bằng các máy sục khí bề mặt trục đứng có vận tốc vòng quay thấp (23-35 vòng/phút).Việc sử dụng các máy sục khí này đảm bảo việc khuấy trộn được tiến hành thích hợp, tạo ra dòng chảy ngang và độ xáo trộn nhất định trong bể nhằm tránh hiện tượng bùn lắng xuống đáy bể.

Trong khi nước thải chảy thành 1 vòng trong bể, vi sinh vật hiếu khí (bùn hoạt tính) phân hủy các hợp chất hữu cơ và các hợp chất chứa Nito (N). Tùy thuộc vào trạng thái vận hành mà ta đang sử dụng, hỗn hợp nước thải và bùn sẽ chảy qua các khu vực giàu oxy (hiếu khí), cạn kiệt oxy (thiếu khí) và kỵ khí hoàn toàn nhằm tiến hành các quá trình loại N và Photpho (P) theo phương pháp sinh học.

Thông thường, hệ thống Carrousel sẽ được sử dụng xử lý nước thải đã được xử lý sơ bộ bằng phương pháp cơ học (lược rác, tách cát) và không cần dùng đến bể lắng sơ bộ. Trong trường hợp như vậy, việc thiết kế hệ thống Carrousel dựa trên thời gian lưu bùn dài (theo hình thức thông khí kéo dài) nhằm tiến hành quá trình nitrat (NO₃^–) hoàn toàn, sinh ra lượng bùn có tính ổn định cao và có thể đem xả bỏ một cách dễ dàng mà không cần dùng đến bất cứ quá trình làm ổn định bùn nào khác (bể phân hủy bùn). Tuy nhiên, nếu nhiệt độ môi trường cao, thời gian lưu bùn có thể được giảm xuống đáng kể. Trong bất kỳ tình huống nào, bùn tách ra từ bể lắng sau Carrousel hoàn toàn có thể được đem đi tách nước theo phương pháp truyền thống hoặc tiên tiến.

Cấp Oxy và khuấy trộn

Một đặc điểm đặc biệt của công nghệ Carrousel là việc sử dụng máy sục khí bề mặt tốc độ thấp kiểu turbine, trục đứng. Loại máy sục khí bề mặt này cung cấp lượng oxy cần thiết hỗ trợ quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ, trong khi đó vẫn duy trì được trạng thái lơ lửng của vi sinh vật trong nước thải bằng cách tạo ra các dòng chảy rối của nước thải trong toàn bộ thể tích mương.

Các đặc tính kỹ thuật của máy sục khí bề mặt về phương diện công suất cấp oxy và công suất khuấy trộn vẫn được giữ nguyên trong suốt vòng đời thiết bị. Trong khung thời gian ngắn (ví dụ 1 – 2 giờ), chế độ chảy trong bể là chế độ “chảy đều”, trong khi đó đối với khung thời gian lớn hơn (ví dụ như thời gian lưu nước của bể), chế độ chảy là chế độ khuấy trộn hoàn chỉnh. Chế độ thủy lực đa dạng như vậy cho phép tận dụng được các ưu điểm của mỗi loại dòng chảy trong một bể. Máy sục khí bề mặt được lắp đặt trên đầu bể nên có thể dễ dàng tháo lắp và sữa chữa, khác với các hệ thống phân phối khí dạng đĩa hay ống được lắp chìm dưới đáy bể. Cấu hình cơ bản của hệ thống Carrousel được trình bày ở hình 3

Hình 3 : Cấu hình cơ bản của hệ thống Carrousel

Nhằm giúp tăng tối đa tính linh hoạt trong lúc vận hành và tăng khả năng loại chất dinh dưỡng, ta cần điều chỉnh lượng điện năng cung cấp cho máy sục khí bề mặt dựa trên nhu cầu oxy thực tiễn và tải trọng thực tiễn đang vận hành. Đối với hệ thống Carrousel, tổng lượng oxy cấp vào có thể được thay đổi bằng cách thay đổi số vòng quay của máy sục khí bề mặt.

Một yếu tố quan trọng là máy đo oxy hòa tan (DO), lắp đặt phía hạ lưu của khu vực hiếu khí (chịu tác động mạnh của máy sục khí bề mặt) sẽ đo lượng DO thực. Giá trị DO thực được truyền dẫn dưới dạng tín hiệu đến hệ thống điều khiển tự động hoạt động theo nhiều phương thức khác nhau. Hệ thống này sẽ tối ưu lượng Oxy đưa vào nước thải bằng cách thay đổi số vòng quay của máy sục khí bề mặt. Ngoài DO, còn có các thông số khác có thể tác động đến số vòng quay của máy sục khí bề mặt như pH, nhiệt độ nước thải, lưu lượng, NH₄-N và NO₃-N, v.v. Bằng cách làm như vậy, lượng oxy cung cấp vào luôn đáp ứng được nhu cầu oxy thực tiễn trong lúc vận hành, đồng thời cũng tiết kiệm được điện năng tiêu thụ của máy sục khí bề mặt. Tại các thời điểm, khi nhu cầu oxy thực rất thấp, lượng oxy cần cấp có thể được tiết giảm hơn nữa bằng cách dừng hẳn hoạt động của 1 máy sục khí, nhờ đó tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ.

Máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy

Con tim của hệ thống xử lý nước thải nằm ở công nghệ Carrousel do kết quả của quá trình xử lý và chất lượng nước sau xử lý phụ thuộc vào sự hoạt động của Carrousel Máy sục khí bề mặt với tên thương mại với các đĩa khuấy có hình dạng “chiếc dù lật ngược” sẽ được sử dụng để cấp khí cho Carrousel. Trong quá trình thiết kế, Máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy không chỉ đơn thuần là thiết bị cung cấp oxy, các quá trình hoạt động về cơ khí, động học (điện năng, kích thước, hình dạng bánh công tác, tốc độ vòng quay và chiều sâu ngập nước, v.v) và các đặc điểm về quá trình xử lý (công suất oxy cung cấp, năng lượng phân bố nhằm tạo dòng chảy, khuấy trộn, v.v) được xem là các phần bên trong của cả một quy trình thiết kế quá trình xử lý, mô hình thủy lực cho toàn bộ công nghệ Carrousel. Nói tóm lại, Máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy được thiết kế riêng biệt nhằm phục vụ cho việc vận hành công nghệ Carrousel.

Tốc độ và chức năng TẮT / MỞ của máy sục khí bề mặt sử dụng đĩa khuấy sẽ được điều khiển bởi hệ thống điều khiển tự động theo thời gian dựa trên giá trị của các thông số quá trình đo đạc bởi các thiết bị đo lắp trong hệ thống.

Các đặc tính của Oxyrator:

• hiệu suất truyền oxy 2,1 – 2,4 kg O_­2/kWh
• đường kính lên tới 4m
• công suất lên tới 160kW
• giảm thiểu việc bảo trì

Phần mềm điều khiển Tự động ( phần mềm CARCON)

Quá trình điều khiển hệ thống Carrousel được thực hiện bằng phần mềm Tự động, được nghiên cứu & phát triển qua nhiền năm nghiên cứu và thực nghiệm việc điều khiển Carrousel. Phần mềm này là phần mềm điều khiển đa biến số và là bộ não của hệ thống điều khiển công nghệ Carrousel

Tất các tín hiệu đo như thiết bị đo PH, T, Q, DO, NO₃^–, … sẽ chuyển về bộ xử lý trung tâm được đặt trong nhà điều hành. Với bất kể sự thay đổi của một thông số nào sẽ được bộ vi xử lý như thay đổi tốc độ quay của Oxyrator, cửa nội tuần hoàn, máy khấy chìm… để đảm bỏa yêu cầu xử lý.

b) Cơ chế các quá trình diễn ra trong bể Carrousel

Quá trình xử lý diễn ra trong cả hai vùng thiếu khí (anoxic) và hiếu khí (aerobic). Quá trình đồng hóa khử nitơ xảy ra đồng thời với quá trình khử BOD và quá trình nitrat hóa và khử N₂  được diễn ra đồng thời với quá trình khử BOD.

+ Quá trình nitrat hóa:

Khử Amonia NH₄⁺ bằng phương pháp sinh hóa, NH₄⁺ bị oxy hóa theo 2 bước:

++ Bước 1: NH₄⁺ bị oxy hóa thành NO₂^– do tác động của vi khuẩn nitrit hóa theo phản ứng: NH₄⁺ + 1,5O₂ à NO₂^– + 2H_­⁺ + H₂O.

++ Bước 2: oxy hóa thành NO₂^– thành NO₃^– do tác động của vi khuẩn nitrat hóa theo phản ứng: NO₂^– + 0,5O₂ àNO₃^–.

Tổng hợp hai quá trình này: NH₄⁺ + 2O₂ à NO₃^– + 2H_­⁺ + H₂O.

Các vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat hóa trong mương bao gồm có thể kể tên như vi khuẩn dị dưỡng như nitrosomonas và nitrobacter. Song song với quá trình nitrat hóa, trong vùng hiếu khí cũng diễn ra quá trình khử BOD. Tại đây, các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học bị oxy hóa thành thức ăn cho các vi khuẩn dị dưỡng trong bùn hoạt tính. Ôxy được cung cấp bởi các loại máy khuấy bể mặt kiểu trục đứng sẽ đảm bảo cung cấp đầy đủ lượng oxy cần thiết đảm bảo hiệu quả xử lý đồng thời cả BOD và nitrat hóa.

+ Quá trình khử Nitơrat hóa:

Diễn ra trong vùng thiếu khí của mương (vùng Anoxic). Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ quá trình chuyển NO₃^– thành N₂ và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Quá trình khử NO₃^– có thể mô tả bằng các phản ứng sau:

NO₃^– + 1,183CH₃OH + 0,273H₂CO₃ à 0,091C₅H₇O₂N + 0,454N₂ + 1,82H₂O + HCO₃^–

NO₂^– + 0,681CH₃OH + 0,555H₂CO₃ à0,047C₅H₇O₂N +0,476N₂ + 1,251H₂O + HCO₃^–

O₂^– +0,952CH₃OH+0,061H₂CO₃ à 0,091C₅H₇O₂N+1,057N₂+0,585H₂O+ 0,061HCO₃^–

Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn tự dưỡng. Nhờ quá trình này mà N dạng hợp chất được giải phóng thành N₂ dạng phân tử bay khỏi mặt đất. Qua đây cũng thấy, để tăng hiệu quả xử lý N thì hai quá trình này diễn ra liên tục và liên tiếp để đạt hiệu quả xử lý mong muốn. Do vậy, mương oxy hóa đã được thiết kế theo hình ô van hoặc trường đua nhằm mục đích này.

Vai trò của hàm lượng bùn hoạt tính trong mương là vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tốc độ và hiệu quả xử lý nước thải. Bùn hoạt tính đóng vai trò là chất nền cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển. Lượng bùn hoạt tính cần được tái sinh để đảm bảo được mật độ bùn hữu hiệu cho sự phát triển của vi sinh vật. Thông thường để tiết kiệm

c) Sự khôi phục Oxy và Kiềm:

Trong hệ thống Carrousel 2000, quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat xảy ra đồng thời trong những khu vực khác nhau của cùng một bể phản ứng. Quá trình được miêu tả tóm tắt như sau:

Quá trình Nitrat hóa (phương trình rút gọn): NH­_3­-N + O₂ → NO₂-N → NO₃-N. Tại đây, oxy và kiềm trong nước thải hòa trộn được tiêu thụ. Đối với quá trình oxy hóa 1.0 mg/l của tổng nito (TKN) trong nước thải đầu vào, theo lý thuyết cần 4.6 mg/l oxy và 7.14 mg/l kiềm. Điều đó có nghĩa là để oxy hóa amoniac, lượng oxy cần đến lớn hơn rất nhiều so với lượng cần để oxy hóa một hàm lượng BOD tương tự.

Cùng với đó, độ pH bắt đầu giảm, khi kiềm được tiêu thụ. Đôi lúc phải thêm hóa chất vào để duy trì độ pH trong phạm vi thích hợp để hoàn thành quá trình Nitrat hóa và để đảm bảo chất lượng dòng. Đây là một cách tốt kém và không thuận tiện để bổ sung lượng kiềm.Quá trình khử Nitrat (phương trình rút gọn):

NH₃-N + C → NO₂-N → N₂

Trong quá trình này oxy được bù lại và kiềm được khôi phục. Đối với mỗi 1.0 mg/l nitrat giảm bớt, 3.5 mg/l kiềm (CaCO₃) được hồi phục. Lượng kiềm được hồi phục này sẽ di chuyển đến vùng hiếu khí trong bể Carrousel 2000 để hoàn thiện hơn quá trình Nitrat hóa, giảm một cách hiệu quả hoặc thậm chí loại bỏ hẳn chi phí cho hóa chất. Lượng oxy khôi phục không tốn thêm một chi phí nào trực tiếp giảm nhu cầu năng lượng của hệ thống.

Công nghệ Carrousel 2000 khôi phục lượng kiềm và oxy tiêu thụ với quy mô lớn trọn vẹn trong bể phản ứng tiền xử lý Nitrat trong quá trình loại bỏ Nito. Hệ thống giảm năng lượng đầu vào và đồng thời kiềm được khôi phục theo con đường tự nhiên.

d) Sự loại bỏ Photpho:

Trong công nghệ Carrousel nguyên bản, sự loại bỏ Photpho xảy ra nhờ các vi sinh vật sử dụng Photpho cho quá trình sinh trưởng của chúng. Trong phần lớn các trường hợp, hiệu suất loại bỏ Photpho là đủ, nhưng khi tiêu chuẩn dòng thải chặt chẽ hơn, việc loại bỏ Photpho tăng cường có thể đạt được bằng ba cách:

• Kết tủa đồng thời bằng hóa chất trong bể hiếu khí.
• Xử lý bậc ba, ví dụ như quá trình lọc cát và lắng bậc II.
• Loại bỏ Photpho bằng các phương pháp của bể phản ứng kỵ khí.

Quá trình kết tủa đồng thời có thể đạt được kết quả chấp nhận được, nhưng chi phí vận hành lớn hơn rất nhiều. Xử lý bậc ba yêu cầu một sự đầu tư cao và chi phí vận hành cao hơn. Điều đó có nghĩa là, trong phần lớn các trường hợp phương pháp loại bỏ Photpho sinh hóa là sự lựa chọn tốt hơn, quá trình được giải thích chi tiết như sau.

Bùn hoạt tính trong bể phản ứng Carrousel được liên tiếp cho vào vùng hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí, nó giúp cho sự sinh trưởng của các vi khuẩn tích lũy Photpho, làm cho chúng có khả năng hấp thụ Photpho nhiều hơn lượng chúng thực sự cần.

Dưới điều kiện yếm khí, sinh khối hấp thụ Photpho tăng cường phân hủy lượng photpho cao phân tử chúng tích trữ. Kết quả là Photpho được giải phóng và đồng thời năng lượng sinh ra để duy trì quá trình sinh hóa này. Sinh khối sau đó di chuyển đến vùng hiếu khí của bể Carrousel nơi mà lượng Photpho sinh khối không cần đến sẽ được hấp thụ từ nước thải và tích trữ dưới dạng Photpho cao phân tử (Polime) Những Polime giàu Photpho sẽ được thu lại và loại bỏ khỏi hệ thống cùng với bùn dư, hoàn thành quá trình loại bỏ Photpho sinh hóa.

Theo quy ước, trong hệ thống sinh học tải trọng thấp với sự loại bỏ Photpho sinh hóa, bùn với hàm lượng Photpho cao cần được ổn định thêm dưới điều kiện yếm khí trong bể phân hủy bùn; việc này sẽ giải phóng Photpho một lần nữa.

Lợi thế của hệ thống Carrousel 2000 là bùn mà nó tạo ra đã được ổn định hoàn toàn, vì thế không cần thêm bước xử lý phân hủy nữa, điều đó có nghĩa là Photpho sẽ còn lại trong bùn. Hệ thống loại bỏ Photpho sinh học hoàn toàn này có thể đạt được hàm lượng Photpho là 1ppm (một phần triệu) ở dòng thải ra. Hàm lượng Photpho thấp hơn nữa có thể đạt được nhưng sau đó đòi hỏi thêm quá trình kết tủa với hóa chất.

Bảng 1: Hiệu quả xử lý nước thải từ một vài nhà máy xử lý nước thải áp dụng công nghệ Carrousel ở Trung Quốc:

III –  DANH SÁCH THIẾT BỊ TRONG BỂ CARROUSEL

a) Thiết bị Oxyrator

:

OXRATOR là một máy thổi khí bề mặt trục thẳng hiệu quả cao, tốc độ chậm, được khai thác bởi công ty DHV để sử dụng cho công nghệ Carrousel. Máy thổi khí kết hợp cung cấp Oxy, hòa trộn và đẩy nước thải di chuyển trong bể phản ứng. Phần lớn năng lượng máy thổi khí tiêu thụ sử dụng cho quá trình hòa trộn và cấp khí.

Thiết kế của bể phản ứng Carrousel 2000 với máy thổi khí OXYRATOR là kết quả của những năm nghiên cứu và thử nghiệm, vì chỉ một sự kết hợp hợp lý về kích thước và hình dáng của bể phản ứng và máy thổi khí, một sự phân chia năng lượng chính xác giữa việc thổi khí, hòa trộn và đẩy trong OXYRATOR, sự lựa chọn chính xác vị trí, kích thước của những bức tường ngăn và hướng dòng  mới có thể dẫn tới một hệ thống tổng thể hiệu quả và tiết kiệm.

Hơn 900 nhà máy xử lý nước thải, hoạt động khắp thế giới và làm hài lòng những người sử dụng chứng tỏ rằng DHV hiểu những tính chất sinh học và thủy lực của hệ thống và có khả năng thiết kế một nhà máy đạt được những điều kiện đặc biệt, thể hiện một cách hợp lý và hiệu quả.

b) CARcon – Hệ thống điều khiển Carrousel 2000:

Hệ thống Carrousel 2000 không rắc rối, cả sự hoạt động và duy trì nó đều dễ dàng. Khoảng 50 năm kinh nghiệm và một cơ sở dữ liệu các thông tin được phân tích và thu thập có hệ thống dựa trên sự vận hành của hơn 900 nhà máy xử lý nước thải, cung cấp cho DHV các phương pháp để phát triển 1 hệ thống điều khiển quá trình hoàn hảo, gọi là CARcon. Ứng dụng này cho phép người vận hành có thể điều khiển quá trình hoạt động và hiệu quả.

Sự điều khiển chiều dài và thể tích của vùng thiếu khí: Phần mềm bao gồm một thuật toán điều khiển nồng độ DO, để vùng thiếu khí đủ dài cho việc loại bỏ Nito một cách hợp lý. Trạng thái đề phòng của cho sự thay đổi lượng oxy đầu vào yêu cầu. CARcon tính toán được rằng sự thay đổi trong lượng oxy đầu vào của máy thổi khí không cho thấy ngay lập tức trong hàm lượng DO cao hơn, Mặt khác, nó có thể dẫn tới một hệ thống dao động, không ổn định.

Đối phó với những thay đổi về tải trọng: Dòng nước thải và theo đó là nhu cầu oxy thay đổi trong thời gian ngày và đêm và cũng khác nhau trong mùa đông và mùa hè. CARcon điều chỉnh lượng oxy đầu vào yêu cầu của máy thổi khí bằng cách chọn độ ngập hợp lý của máy thổi khí hoặc thay đổi số lượng(động cơ tốc độ gấp đôi hay máy biến tần). CARcon là một công cụ thực tiễn và dễ dàng để vận hành quá trình xử lý sinh hóa  với khả năng hoạt động cao nhất và tiêu thụ năng lượng thấp nhất.

Danh sách thiết bị và giá ước tính cho dự án xử lý nước thải công suất 5000 m³/d.

IV –  SO SÁNH BỂ CARROUSEL VỚI CÁC BỂ XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KHÁC

• So sánh – hệ thống AOE (Anoxic – Aerobic – Endogenous):

+   Hệ thống xục khí hiệu suất cao

+   Bảo dưỡng phức tạp

+   Cần nhiều cánh dẫn dòng

+   Yêu cầu nhiều thiết bị phức tạp

• So sánh – hệ thống ORBAL

+   Hệ thống mương ôxy hóa

+   Hiệu quả xục khí thấp (dạng đĩa)

+   Hiệu quả xử lý ni tơ thấp

+   Hiệu quả xử lý phốt pho thấp

+   Cần nhiều thiết bị hỗ trợ

+   Khả năng lắng của bùn thấp

• So sánh – SBR (Sequencing Batch Reactor)

+   Lắp đặt khép kín

+   Vận hành phức tạp

+   Thích nghi kém với sự thay đổi về thủy lực

+   Không linh hoạt

+  Kiểm soát quá trình rất khó, đòi hỏi hệ thống quan trắc các chỉ tiêu tinh vi, hiện đại.

+ Do có nhiều phương tiện điều khiển hiện đại nên việc bảo trì bảo dưỡng trở nên rất khó khăn.

+ Có khả năng nước đầu ra ở giai đoạn xả ra cuốn theo các bùn khó lắng, váng nổi.

+ Do đặc điểm là ko rút bùn ra nên hệ thống thổi khí dễ bị nghẹt bùn.

+ Nếu các công trình phía sau chịu sốc tải thấp thì phải có bể điều hòa phụ trợ.

• So sánh với Aeroten:

+ Về công suất: Bể Aeroten áp dụng cho công suất lớn nhu cầu về diện tích đất sử dụng ít hơn mương oxy hóa ở cùng một mức độ.

+ Về mức độ xử lý: như nhau đều xử lý sinh học đến hoàn toàn. Tuy nhiên, khi hàm lượng BOD lớn xử lý bằng Aeroten khó đạt hiệu quả tốt như mương Oxy hóa khi xử lý các chất dinh dưỡng N, P trong nước thải. Để xử lý được các chất dinh dưỡng, trước Aeroten người ta phải bố trí các ngăn thiếu khí để khử các hợp chất chứa N.

+ Mương oxy hóa và Aeroten đều sử dụng oxy bão hòa —->Hiệu suất của cao .

+ Về Cơ chế: trong bể aeroten và mương oxy hóa bùn hoạt tính và oxy hòa trộn lẫn nhau thành hỗn hợp bão hòa oxy tạo điều kiện cho các vi khuẩn phân hủy các hợp chất hữu cơ.

• So sánh các công trình xử lý tự nhiên(hồ sinh học, cánh đồng lọc…) với Mương oxy hóa cải tiến:

+  Chi phí đầu tư thấp hơn, vận  hành  đơn giản, nước thải không cần phải khử trùng sau xử lý.

+ Yêu cầu diện tích lớn hơn mương oxy hóa ở cùng một mức độ.

+ Yêu cầu tính đệm cao.

+  Khó điều khiển quá trình xử lý.

+  Xuất hiện nhiều vùng nước chết(ví dụ hồ sinh học), do vậy dung tích xây dựng lớn còn với mương oxy hóa cải tiến không.

+ Xây dựng trong điều kiện địa chất tốt mực nước ngầm thấp, vùng ít mưa (vì mưa ảnh hưởng tới quá trình xử lý tự nhiên).

• So sánh với các công trình nhân tạo theo nguyên lý lọc – dính bám (bể Biophin)

+ Về công suất: Bể Biofin áp dụng cho công suất lớn nhu cầu về diện tích đất sử dụng ít hơn mương oxy hóa ở cùng một mức độ.

+ Về mức độ xử lý: như nhau đều xử lý sinh học đến hoàn toàn. Tuy nhiên, khi hàm lượng BOD lớn xử lý bằng bể lọc sinh học khó đạt hiệu quả tốt như mương Oxy hóa.

+ Mương oxy hóa sử dụng oxy bão hòa còn biophin là sử dụng oxy tiếp xúc(biophin sử dụng quạt gió)—->Hiệu suất của mương cao hơn.

+ Về cơ chế: trong mương oxy hóa bùn và oxy hòa trộn lẫn nhau thành hỗn hợp bão hòa oxy còn biophin thì bùn bọc quanh lớp vật liệu lọc.

+ Oxy thổi qua và vi sinh vật sử dụng oxy này oxy hóa chất hữu cơ. Biophin hoạt động gián đoạn do sau thổi khí cần có thời gian cho vi sinh vật hoạt động còn mương oxy hóa hoạt động theo chiều dài của bể nên hoạt động liên tục.

• So sánh với mương oxy hóa truyền thống khác(OD):

+ OD Liên Tục:

• Hiệu quả thấp.
• Không ổn định.
• Chi phí cao.

+ OD Gián Đoạn:

• Tốn năng lượng vì máy thổi khí hoạt động ở các mực nước khác nhau.
• Vận hành máy thổi khí phức tạp.

+ Thiết bị làm thoáng: Giúp cung cấp oxy cho hoạt động sống của vi sinh vật và tạo chiều dòng chảy cho nước trong mương. Mương oxy hóa truyền thống sử dụng các thiết bị sau để cấp khí :

• Rolô trục ngang : Gây ô nhiễm không khí do mùi từ nước dễ dàng thoát ra ngoài. Không vận chuyển hiệu quả các chất rắn lơ lửng.
• Dàn khí nén : Lượng ôxy tăng nhanh theo chiều dọc, từ dưới lên. Nhưng dễ thoát ra ngoài và không hiệu quả theo chiều ngang. Cải thiện bằng cách sử dụng thêm chân vịt bơm nước đặt vuông góc với đáy mương.
• Bơm nước : Hệ thống này, bơm nước phun vào không khí, giúp nước thải tiếp xúc với không khí bên ngoài. Dễ bị tắc bơm.
• Hệ thống làm thoáng kết hợp giữa thổi khí và khuấy trộn: Không khí sẽ được thổi vào mương. Các chân vịt sẽ khuấy trộn không khí này, đảm bảo không khí phân bố đều trong nước. Mặt khác hệ thống này đảm bảo vận tốc trong mương là 0,3 m/s.

b) Các cải tiến của mương oxy hóa cải tiến so với mương oxy hóa truyền thống để đảm bảo quả hiệu quả xử lý

• Tích hợp thêm ngăn khử NO₃^– làm tăng khả năng loại N.
• Thiết kế cổng nội tuần hoàn tăng hiệu quả xử lý đồng thời tăng khả năng chịu sốc tải.
• Khuấy chìm trong ngăn khử NO₃^– tăng hiệu quả khử NO₃^‑
• Sử dụng máy sục khí bề mặt (Oxyrator) cung cấp oxy hữu hiệu liên tục, đầy đủ và ổn định. Khắc phục được các khuyết điểm của thiết bị làm thoáng nêu trên trong mương oxy hoa truyền thống.
• Tích hợp thêm bể kỵ khí, loại được thêm P.
• Thiết kế thủy lực độc đáo: Xây dựng thêm tường chắn tạo dòng chảy đều, chịu được sốc tải.
• Chiều sâu của mương đã tăng nên.
• Thiết kế gọn, giảm diện tích sử dụng đất.

V –  KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CARROUSEL

Hệ thống Carrousel đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc xử lý nước thải sinh hoạt & công nghiệp so với các công nghệ khác ở những thuận lợi sau:

• Hiệu quả loại chất hữu cơ hòa tan (BOD₅) cao, đến 95%. Nồng độ BOD₅ của nước thải sau xử lý thường chỉ còn ít hơn 10 mg/l và thỉnh thoảng thấp hơn 6 mg/l.
• Công nghệ Carrousel cho phép đạt tỉ lệ nitrat hóa cao (hơn 90%).
• Với việc phân chia được các khu vực hiếu khí / thiếu khí trong Carrousel, tỉ lệ khử nitrat (denitrification) đạt rất cao; hàm lượng Tổng Nito (TKN) trong nước thải sau xử lý thường ít hơn 10 mg/l.
• Khi cần thiết, có thể tiến hành việc loại Photpho (P) bằng phương pháp sinh học với hiệu suất cao (hơn 80%).
• Chi phí xây dựng và vận hành thấp.
• Việc vận hành rất đơn giản bởi vì chỉ sử dụng ít thiết bị đi kèm.
• Vận hành đơn giản và đáng tin cậy nhờ sử dụng máy sục khí bề mặt có độ bền cao và bảo trì dễ dàng hơn so với bảo trì thiết bị phân phối khí dạng đĩa hay ống lắp chìm dưới đáy bể
• Bùn sinh ra có tính ổn định rất cao nên không cần dùng thêm quá trình phân hủy để ổn định bùn (phân hủy kị khí hoặc hiếu khí).
• Công nghệ Carrousel có tính đệm rất cao nhằm hấp thu sự thay đổi đột ngột tải trọng hữu cơ (tăng đột biến). Các thay đổi đột ngột này không ảnh hưởng đến sự ổn định của Carrousel. Ngoài ra, Carrousel chịu được một hàm lượng chất vô cơ, kim loại nặng nhất định trong nước thải mà không ảnh hưởng gì đến quá trình phân hủy của vi sinh vật trong bể.

Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa rất thích hợp để áp dụng Carrousel. Tuy nhiên, để áp dụng Carrousel chúng ta cần giải quyết các vấn đề sau:

• Diện tích đất: Để có quỹ đất sạch để triển khai dự án là vấn đề cần đặt ra khi quyết định phương án.
• Vấn đề mùi: DHV chưa đề cập đến vấn đề này, Carrousel là dạng cải tiến của mương oxy hóa. Vấn đề mùi của công trình xử lý này cũng là hạn chế khi áp dụng trong điều kiện mà vùng cách ly vệ sinh không đảm bảo yêu cầu.

Với quy mô công suất nhỏ như các nhà máy, xí nghiệp, khu chế xuất…thì việc sử dụng Carrousel-1000 được cho là tối ưu.

So sánh Carrousel 1000 với các công nghệ xử lý nước thải khác.