Bài giảng Quá trình nitrate hóa( các kiểu lọc sinh học)

QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA (CÁC KIỂU LỌC SINH HỌC) Mục tiêu Sinh viên nắm vững các nội dung: • Công suất lọc của từng kiểu lọc sinh học • Ước tính được khả năng lọc dựa trên Climit, TAN và DO. • Ưu nhựợc điểm của các kiểu lọc sinh học • Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến động học của biofilm • Thiết kế hệ thống lọc sinh học tương ứng với mức thức ăn tối đa cung cấp vào hệ thống Nội dung • Công suất lọc sinh học • Loại lọc sinh học • Sơ đồ hệ thống lọc sinh học •Kiểu lọc sinh học nào? •Kích cỡ bể lọc? •Loại giá thể? •Kết hợp với quá trình lọc nào? Công suất của lọc sinh học Công suất lọc sinh học - (g TAN/ngày) Phụ thuộc vào: • Tỉ lệ nitrate hóa - rTAN (g TAN/m2/ngày) • Diện tích bề mặt giá thể riêng - SSA (m2/m3) • Thể tích giá thể - V (m3) Công suất của lọc sinh học Công suất lọc = rTAN * SSA * V Đơn vị: (g TAN/ngày)= (g TAN/m2/ngày)*(m2/m3)*(m3) Các kiểu lọc • Lọc chảy nhỏ giọt (Trickling filter) • Lọc quay (rotating biological contactor) • Lọc hạt (Bead filter) • Lọc giá thể chuyển động (Moving bed biofilm reactor) • Lọc giá thể chìm (submerged filter) • Lọc dòng đáy (Fluidized bed filter) 1. Lọc chảy nhỏ giọt Giá thể lọc bên trong lọc sinh học Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt Xác định các thông số: B 1. Lượng thức ăn cao nhất (kg feed/day) B 2. Protein trong thức ăn (%) B 3. Nhiệt độ (°C) B 4. TAN sinh ra (PTAN = g TAN/day) B 5. TAN cho phép (g/m3) B 6 Nitrate hóa giảm PTAN Phản nitrate hóa (%) B 7. Nitrate cho phép (g/m3) B 8. Thay nước để điều khiển N-NO3- giảm PTAN B 9. Hiệu quả xử lý (TE) (%) Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt Xác định các thông số: B 10. dòng chảy điều khiển TAN (m3/day) QTAN = PTAN / ( CTAN,IN – CTAN,OUT) = PTAN / (1-TE/100) x CTAN,OUT B 11. Diện tích bề mặt giá thể cần thiết (A) và thể tích lọc(V) TAN removal rate (rTAN in g TAN/m2/day) A (m2) = PTAN (g TAN/day) / rTAN (g TAN/m2/day) V (m3) = A (m2) / SSA (m2/m3) Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt Xác định các thông số: B 13. Diện tích tiết diện (ф (m2)) và đường kính (Ø (m)) bể lọc Độ cao của giá thể cố định (H (m)) ф (m2) = V (m3) / H (m) Ø (m) = 2 x √(ф (m2) /3.1416) Cố định: Hàm lượng TAN mong muốn, Hiệu quả xử lý, rTAN, Độ cao bể lọc Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt Lọc sinh học QfRTAN Thiết kế bể lọc chảy nhỏ giọt Hiệu qu E CTAN,IN CTAN,OUT CLimit ri = a √ [CTAN,IN]-0.1 (g/m2/day) a = 7.81*10-4 H * + 0.2 (m/day) H = hydraulic surface load (m/day) r* C*=2 gNH4-N/m3 If CTAN,IN ≥ 2 g/m3 then CTAN,IN= C*TAN = 2 g/m3 (thay đổi tùy loại giá thể lọc) Xác định hiệu quả lọc Thiết kế lọc chảy nhỏ giọt SSA : 150-234 m2/m3 rTAN : 0.1-1.0 gTAN/m2/day HSL : 100-750 m3/m2/day Độ cao: 2-4 m (Bovendeur et al., 1987; Nijhof, 1995; Kamstra et al, 1998) Đặc điểm của bể lọc chảy nhỏ giọt
Dễ thiết kế/lắp đặt
Sục khí/khử khí CO2
Ổn định cao
Làm mát trong mùa hè
Không cần bảo trì
Hoạt động liên tục
Hiệu suất thấp (g TAN/m3day)
Bể lọc lớn
Biofilm dễ bị tróc
Chi phí vừa phải
Tạo bọt
Tổn thất năng lượng 2. Lọc quay Lọc quay Fresh-Culture System Inc., Breinigsville, USA Website: www.fresh-culture.com Diện tích bề mặt: 600 ft2 Mật độ bề mặt: 92 ft2/ft3 Lực quay: Khí hoặc nước Tốc độ quay: 2-3 rpm Vật liệu bể: PVC Diện tích sàn: 12 ft2 RBC-600 RBC-10000 Lọc quay  Chia ngăn: Vi khuẩn chuyên biệt  Lượng nạp tối đa: 300 m3/m2/day  Tốc độ quay ngoại biên: 0.18- 0.39 m/s  Ngập nước: 40%  Khử hàm lượng CO2: 39% Brazil,2006. Aquacult. Eng. 34, 261-274. Lọc quay Brazil,2006. Aquacult. Eng. 34, 261-274. TAN nạp vào (g/m2/ngày) T A N b ị l o ạ i b ỏ ( g / m 2 / n g à y ) Thông số thiết kế Xác định thông số thiết kế: Bước 1. Xác định nhu cầu oxy(kg O2/day) Bước 2. Xác định dòng chảy cho cung cấp oxy(L/day) Kiểm tra số lượng bể trao đổi mỗi giờ(Bể/giờ) Bước 3. Xác định lượng TAN sinh ra(kg TAN/day) Bước 4. Xác định tỉ lệ loại bỏ TAN (g/m2/day) Bước 5. Xác định diện tích bề mặt giá thể (A giá thể = m2) (Timmons and Ebeling, 2007) Brazil,2006. Aquacult. Eng. 34, 261-274. Van Gorder and Jug-Dujakovic, 2005, Journ. of Rec. Aquaculture, 6: 23-38 Đặc điểm
Sục khí thụ động
Tổn thất năng lượng thấp
Không bị ngẹt
Hiệu quả
Khử khí
Dễ kết nối (với bộ phận khác)
Chi phí hoạt động thấp
Tự làm sạch
Thiết bị đắt tiền
Nguyên lý hoạt động phức tạp (Điều khiển bằng động cơ)
Chiếm diện tích lớn (See also Wheaton,1994; Timmons and Ebeling 2007) 3. Lọc hạt Hạt giá thể lọc Biofilm bám trên giá thể O2 Org. Wastes CO2 BOD Phân hủy NH3O2 Bicarbonates Nitrate CO2 NO2 Nitrate hóa Biofilm di dưỡng Theo Malone et al., 1998 VK nitrate hóaHạt nhựa Hoạt động của lọc hạt Hoạt động của lọc hạt Thông số thiết kế Bước 1. Thể tích của hệ thống –Vs (m3) Bước 2. Sinh khối cá tối đa (kg) Bước 3. Lượng thức ăn tối đa(kg /ngày) Bước 4. Hàm lượng protein trong thức ăn(%) Bước 5. Nhiệt độ hoạt động(°C) Bước 6. Nồng độ muối (ppt) Bước 7. Lượng TAN sinh ra/kg thức ăn (ETAN) Bước 8. Điều chỉnh lượng TAN sinh ra với thức ăn có protein cao hơn (P2, %) ETAN = P2 [(30gTAN/kg feed)/35% protein)] Bước 9. Điều chỉnh tỉ lệ nitrate hóa (Is= 30%) Drennan et al., 2006. Aquacult. Eng. 34, 403-416 Thông số thiết kế Drennan et al., 2006. Aquacult. Eng. 34, 403-416 Bước 10. Điều chỉnh TANT theo trao đổi nước TANlọc sinh học = TANT - (1,5mg/L)(Qtrao đổi (L/ngày) )(10-3) Bước 11Thể tích bể lọc –Vb (m3) Tăng cường giá thể lọc Vgiá thể lọc = TANBiofilter/530 g TAN/m3 = …m3 Khuyến cáo mô hình… Bước 12. Dòng chảy(Q) qua bể lọc Tỉ lệ nạp = 806 L/phút/m3 hạt Q = (806 L/phút/m3 hạt)(m3 hạt)/kg thức ăn= ..L/min/kg thức ăn Đặc điểm của lọc hạt  Kết hợp loại bỏ chất rắn và nitrate hóa  Loại bỏ chất rắn cỡ nhỏ  Dễ lắp đặt và vận hành  Quản lý biofilm (rửa thường xuyên)  Dễ kết nối  Không khử khí  Hòa tan dinh dưỡng  Không sục khí bên trong  Tổn thất năng lượng Aquaculture Systems Technologies, (New Orleans, LA, USA) 4. Lọc giá thể chuyển động Sơ đồ trại nuôi cá rô phi 300 tấn Lọc trống Oxy lỏng Giá thể chuyển động Chất thải rắn Son en Breugel, The Netherlands Phân bón Bể khử nitrate (Phản nitrate hóa) Retour water flow Bể lọc sinh học (Nitrate hóa) Hiệu quả của lọc giá thể chuyển động Hiệu quả loại bỏ TAN của giá thể Kaldness K1, SSA= 500 m2/m3, 24 °C TAN sinh ra (g TAN/m3) T A N b ị l o ạ i b ỏ ( g T A N / m 2 / n g à y ) Ưu điểm của lọc giá thể chuyển động Chiếm diện tích nhỏ Sử dụng toàn bộ thể tích bể (không bị góc chết) Ít tích tụ chất thải rắn Dễ mở rộng Giá thể không bị nghẹt Dễ vận hành Dễ kết nối với các thành phần khác trong hệ thống 5. Lọc dòng đáy Lọc với giá thể cát (PrAqua Technologies, Nanaimo, British Colombia) Diện tích bề mặt riêng cát: 4000-45000 m2/m3 Tỉ lệ loại bỏ TAN - Nước lạnh : 0,2-0,4 kg/m3 trải rộng/day - Nước ấm : 0,6-1,0 kg/m3 trải rộng/day (Timmons et al, 2001) Các bước thiết kế bể lọc dòng đáy - Xác định TAN đầu vào - Xác định thể tích cát dựa vào tỉ lệ loại bỏ TAN/m3 cát - Chọ độ sâu thiết kế cho giá thể cát - Xác định diện tích tiết diện bể lọc - Chọn cỡ cát liên quan đến tốc độ dòng - Xác định tốc độ dòng nước - So sánh tốc độ dòng cho điều khiển chất lượng nước trong bể cá, điều chỉnh diện tích tiết diện nếu cần thiết - Kiểm tra cân bằng oxy hòa tan - Thiết kế hệ thống phân phối nước Q (m3/min)= tốc độ dòng đáy (m/s) x A(m2) x 60 s/min (For design see Timmons et al, 2001) Đặc điểm của bể lọc dòng đáy  Bềmặt diện tích riêng cao  Sức nổi đồng đều  Đầu tư thấp  Cỡ cát liên quan đến nhiệt độ  Hiệu quả loại bỏ TAN cao  Cần khử CO2  Controlled flow  Tổn thất cột nước  Oxy cung tấp từ nước  Khó vận hành  Khó bảo trì