Bể SBR trong xử lý nước thải: Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động

Bể SBR (Sequencing Batch Reactor) là một công nghệ tiên tiến trong xử lý nước thải, được ứng dụng rộng rãi nhờ hiệu quả cao và chi phí thấp. Bài viết này sẽ giới thiệu chi tiết về nguyên lý hoạt động, ưu điểm và các ứng dụng cụ thể của bể SBR trong xử lý nước thải. Hãy cùng Song Phụng tìm hiểu cách công nghệ này giúp cải thiện chất lượng nước thải, bảo vệ môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn về xử lý nước.

Bể SBR là gì?

Bể SBR (Sequencing Batch Reactor) là một trong những công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Đây là một hệ thống xử lý sinh học theo mẻ, cho phép thực hiện các quá trình xử lý nước thải trong một bể duy nhất thông qua nhiều pha hoạt động tuần tự. Với cấu tạo đơn giản và hiệu quả cao, bể SBR đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong các nhà máy xử lý nước thải.

Cấu tạo của bể SBR 

Bể SBR được cấu tạo từ các thành phần chính sau:

• Bể chính (Reactor) là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống SBR, nơi diễn ra toàn bộ các quá trình xử lý nước thải. Bể chính thường được làm bằng bê tông hoặc thép không gỉ, có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt của quá trình xử lý nước thải. Kích thước và dung tích của bể chính được thiết kế dựa trên lưu lượng nước thải và nhu cầu xử lý của từng khu vực cụ thể.
• Hệ thống sục khí là một phần không thể thiếu trong bể SBR, đảm bảo cung cấp đủ oxy cho quá trình oxy hóa sinh học. Hệ thống này bao gồm các máy sục khí và các ống dẫn khí, giúp phân phối khí oxy đều khắp bể. Máy sục khí thường được lắp đặt dưới đáy bể, tạo ra các bọt khí nhỏ giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa oxy và nước thải, từ đó tối ưu hóa quá trình xử lý.
• Hệ thống xả nước trong bể SBR được thiết kế để xả nước đã được xử lý ra ngoài sau mỗi chu kỳ hoạt động. Hệ thống này bao gồm các van xả và các ống dẫn nước, đảm bảo nước sau xử lý được xả ra một cách hiệu quả và an toàn. Các van xả thường được điều khiển tự động, giúp quản lý quá trình xả nước một cách chính xác và hiệu quả.
• Bộ điều khiển tự động là trung tâm quản lý và điều khiển các pha hoạt động của bể SBR. Bộ điều khiển này thường sử dụng các cảm biến để theo dõi các thông số vận hành như mức nước, nồng độ oxy, pH và nhiệt độ.

Cách tính toán bể SBR trong xử lý nước thải

Cách tính toán bể SBR (Sequence Batch Reactor) trong xử lý nước thải bao gồm các bước và thông số chính như sau:

Thu thập dữ liệu đầu vào

• Lưu lượng nước thải trung bình (Q)
• Nồng độ BOD5, COD, các chất ô nhiễm cần xử lý
• Yêu cầu chất lượng nước thải đầu ra theo tiêu chuẩn quy định
• Nồng độ bùn hoạt tính (MLSS) trong bể thường chọn từ 1500 đến 5000 mg/l
• Thời gian lưu bùn (SRT) thường từ 10 đến 30 ngày, phổ biến là 15 ngày
• Chỉ số thể tích bùn (SVI) khoảng 120-150 ml/g
• Hệ số sản lượng tế bào Y khoảng 0,4 – 0,8 mg VSS/mg BOD5
• Nhiệt độ nước thải, pH, và các điều kiện môi trường khác

Xác định số bể SBR

Thường chọn ≥ 2 bể để đảm bảo vận hành liên tục, luân phiên các giai đoạn làm đầy, phản ứng, lắng, rút nước và nghỉ.

Xác định bCOD, nbCOD và nbSS

• Hàm lượng bCOD được tính bằng công thức:

bCOD = 1,65 x BOD5 (đơn vị mg/l)

Đây là giá trị biểu thị lượng oxy cần thiết để phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong nước thải.

• Hàm lượng nbCOD được tính bằng cách lấy COD trừ đi nCOD, tức:

nbCOD = COD – nCOD (mg/l)

Đây là phần COD không bị phân hủy sinh học.

• Hàm lượng nbSS được tính theo công thức:

nbSS = (TSS x MLVSS) / MLSS (1 – 0,68) (mg/l)

Trong đó các thông số được giải thích như sau:

• TSS: Tổng hàm lượng chất lơ lửng đầu vào, tính bằng mg/l. Trong đó có khoảng 68% là chất lơ lửng có thể bị phân hủy sinh học.
• MLVSS: Hàm lượng cặn lơ lửng bay hơi trong bể, tính bằng mg/l. Đây là phần vi sinh vật có thể bị đốt cháy khi nung ở nhiệt độ cao.
• MLSS: Hàm lượng chất rắn lơ lửng tổng cộng trong bể, tính bằng mg/l.

Xác định chu kỳ vận hành bể SBR

• Thời gian làm đầy bể được xác định theo công thức:
  tld = tpu + tl + tcn (đơn vị giờ)

Trong đó:

• tld: Thời gian làm đầy bể (giờ)
• tpu: Thời gian phản ứng (giờ)
• tl: Thời gian lắng (giờ)
• tcn: Thời gian chắt nước (giờ)

Tổng thời gian hoạt động của một chu kỳ (Tck) được tính bằng:
Tck = tld + tpu + tl + tcn (giờ)

Số chu kỳ hoạt động trong ngày đêm (24h) được tính:
n1 = 24 / Tck (chu kỳ)

Lượng nước làm đầy cho một chu kỳ được tính bằng:
Vld = Q / n2 (m³)

Trong đó:

• Q: Lưu lượng nước thải (m³/ngày đêm)
• n2: Số chu kỳ của 2 bể SBR (n2 = n1 x 2), tính theo chu kỳ

Xác định kích thước của bể SBR

Nội dung tính toán bao gồm:

• Tính thể tích của bể SBR, ký hiệu là VT
• Tính chiều cao xây dựng của bể, ký hiệu là Hxd
• Tính diện tích mặt bằng của bể, ký hiệu là F

Nguyên lý hoạt động của bể SBR xử lý nước thải

Bể SBR hoạt động dựa trên công nghệ xử lý nước thải sinh học theo mẻ, chia thành các pha hoạt động cụ thể.

 

Pha làm đầy (Fill)

Trong giai đoạn này, nước thải được đưa vào bể xử lý trong khoảng thời gian từ 1 đến 3 tiếng. Nước thải mang theo các chất hữu cơ và dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật phát triển. Đồng thời, trong pha này cũng diễn ra các quá trình như:

• Làm dầy – tĩnh: giúp tập trung vi sinh vật.
• Hòa trộn: trộn đều nước thải và bùn hoạt tính.
• Sục khí: cung cấp oxy cần thiết để vi sinh vật phát triển mạnh mẽ hơn.

Nhờ vậy, các phản ứng vi sinh diễn ra hiệu quả ngay từ khi nước thải được tiếp nhận.

Pha sục khí (React)

Sau khi bể đã được làm đầy, hệ thống sục khí sẽ bắt đầu hoạt động. Oxy được cung cấp để hỗ trợ quá trình oxy hóa sinh học, trong đó các vi sinh vật sử dụng oxy để phân hủy các chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành CO2 và nước. Pha sục khí là giai đoạn quan trọng nhất trong quy trình, quyết định hiệu quả xử lý của bể SBR.

Pha này cung cấp oxy liên tục và khuấy trộn hỗn hợp trong bể nhằm:

• Tăng cường sự phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật.
• Đảm bảo các phản ứng sinh hóa diễn ra thuận lợi trong môi trường hiếu khí.
• Thực hiện quá trình Nitrat hóa, biến đổi ammonium (NH3) thành nitrit (NO2) và cuối cùng thành nitrat (NO3), giảm độc tính của nitrogen trong nước thải.
  Pha sục khí giúp cải thiện chất lượng nước và tăng hiệu quả xử lý.

Pha lắng (Settle)

Sau khi quá trình xử lý sinh học hoàn thành, bể chuyển sang pha lắng để tách bùn ra khỏi nước thải.

• Bể được giữ trong trạng thái tĩnh, không khuấy trộn hay sục khí.
• Các chất rắn, bùn vi sinh lắng xuống dưới đáy bể.
• Quá trình lắng diễn ra trong khoảng 2 giờ để đảm bảo bùn được cô đặc tối đa.

Giai đoạn này giúp thu hồi bùn hoạt tính và làm trong nước thải trước khi xả ra môi trường.

Pha rút nước (Draw)

Sau khi nước và bùn đã được phân tách, bể SBR chuyển sang pha rút nước. Nước trong từ phía trên của bể được xả ra ngoài thông qua hệ thống xả nước. 

• Nước thải đã qua xử lý được thu hồi để xả hoặc tái sử dụng.
• Quá trình này đảm bảo nước đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường.
• Pha rút nước kết thúc chu trình vận hành bể SBR và chuẩn bị cho lần xử lý tiếp theo.

Pha Ngưng (Idle)

Pha Ngưng là giai đoạn cuối cùng trong chu kỳ hoạt động của bể SBR. Đây cũng là thời gian bảo trì và kiểm tra các thiết bị, đảm bảo bể hoạt động ổn định và hiệu quả.

• Đây là thời gian để bảo trì, vệ sinh và kiểm tra các thiết bị trong bể.
• Pha này giúp đảm bảo bể vận hành ổn định và hiệu quả trong các chu kỳ xử lý tiếp theo.
• Trong pha ngưng, bể không tiếp nhận hay xử lý nước thải mà tập trung duy trì và chuẩn bị cho chu kỳ mới.

Chu trình xử lý Nitơ trong nước thải của bể SBR

Quá trình xử lý Nitơ trong nước thải của bể SBR được thực hiện thông qua hai giai đoạn chính là Nitrat hóa và quá trình khử Nitrat.

Giai đoạn 1: Nitrat hóa

Trong quá trình này, vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng oxy để chuyển hóa Amoni (NH4) trong nước thải thành Nitrit (NO2-) và sau đó là Nitrat (NO3-). Quá trình này được chia làm hai bước:

Nitrosomonas (Nitrit được chuyển hóa từ Amoni):

NH4 + 1.5 O2 → NO2- + H2O + H+ 

Nitrobacter (Nitrat được chuyển hóa từ Nitrit):

NO2- + 0.5 O2 → NO3-

Giai đoạn này diễn ra trong pha sục khí, khi lượng oxy hòa tan trong nước đủ để các vi khuẩn thực hiện quá trình oxy hóa. Sự hiện diện của oxy là yếu tố quyết định, giúp các vi khuẩn này hoạt động hiệu quả.

Giai đoạn 2: Khử Nitrat

Quá trình khử Nitrat diễn ra trong điều kiện thiếu oxy (yếm khí), khi vi khuẩn khử Nitrat sử dụng Nitrat làm nguồn oxy để phân hủy các chất hữu cơ. 

Nitrit được chuyển hóa từ Nitrat rồi chuyển hóa tiếp thành khí Nitơ (N2):

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2

Kết quả cuối cùng là Nitrat được chuyển hóa thành khí Nitơ (N2) và thải ra môi trường, ngăn chặn sự tích tụ của Nitrat trong nước thải. Giai đoạn này thường diễn ra trong pha lắng và pha ngưng, khi lượng oxy trong bể giảm xuống mức tối thiểu, tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn khử Nitrat hoạt động.

Ưu nhược điểm của bể SBR

Bể SBR có nhiều ưu điểm nổi bật, nhưng cũng không tránh khỏi một số nhược điểm cần lưu ý.

Ưu điểm

1. Hiệu quả xử lý cao: Bể SBR có khả năng xử lý nước thải hiệu quả, loại bỏ đến 90-95% các chất ô nhiễm.
2. Thiết kế linh hoạt: Có thể điều chỉnh thời gian và điều kiện cho từng pha hoạt động, phù hợp với nhiều loại nước thải khác nhau.
3. Tiết kiệm không gian: Bể SBR thực hiện nhiều giai đoạn trong một bể duy nhất, giúp tiết kiệm diện tích xây dựng.
4. Dễ vận hành và bảo trì: Hệ thống điều khiển tự động giúp quản lý dễ dàng, giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì.

Nhược điểm

1. Chi phí đầu tư ban đầu cao: Việc thiết lập hệ thống bể SBR yêu cầu chi phí đầu tư ban đầu lớn.
2. Yêu cầu kỹ thuật cao: Đòi hỏi sự hiểu biết và kỹ thuật cao để vận hành và duy trì hiệu quả.
3. Khả năng bị tắc nghẽn: Nếu không được vận hành đúng cách, bể SBR có thể bị tắc nghẽn do bùn tích tụ.

Có thể bạn sẽ quan tâm:

• Bể tuyển nổi là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng
• Bể lọc sinh học là gì? Phân loại và nguyên lý hoạt động
• Bể hiếu khí là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bể hiếu khí

Những lưu ý bạn cần biết 

Để bể SBR hoạt động hiệu quả và bền vững, cần lưu ý một số điểm quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành.

Tính toán làm bể SBR

Khi thiết kế bể SBR, cần tính toán chính xác kích thước bể, hệ thống sục khí và thời gian cho từng pha hoạt động. Điều này đảm bảo bể SBR có thể xử lý lượng nước thải dự kiến và đạt hiệu quả cao nhất.

Trong quá trình vận hành

Trong quá trình vận hành, cần kiểm tra thường xuyên các thiết bị, đảm bảo hệ thống sục khí hoạt động ổn định và không bị tắc nghẽn. Ngoài ra, cần theo dõi chất lượng nước thải đầu ra, điều chỉnh thời gian và điều kiện của từng pha hoạt động khi cần thiết.

Trong quá tình Nitrat hóa

Quá trình Nitrat hóa đòi hỏi cung cấp đủ oxy và điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter. Cần duy trì mức oxy hòa tan trong nước ở mức thích hợp và kiểm tra thường xuyên các thông số vận hành để đảm bảo quá trình diễn ra hiệu quả.

Tổng kết

Bể SBR là một giải pháp xử lý nước thải tiên tiến, mang lại hiệu quả cao và linh hoạt trong vận hành. Bằng cách hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và những lưu ý quan trọng, bạn có thể tận dụng tối đa công nghệ này để bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng nước thải. Trong bối cảnh nhu cầu xử lý nước thải ngày càng tăng, bể SBR thực sự là một công nghệ không thể bỏ qua. Mong là với những thông tin mà Song Phụng mang đến đã giúp được mọi người phần nào hiểu thêm về bể SBR.

Gợi ý cho bạn:

• Bể tách dầu mỡ trong xử lý nước thải là gì? Tìm hiểu cấu tạo chi tiết
• Vai trò của bể điều hòa trong xử lý nước thải hiện nay
• Bể UASB – Giải pháp tối ưu cho xử lý nước thải