1. Dòng nội tuần hoàn trong quá trình A/O
Trong sơ đồ A/O tiền khử nitrat (pre-denitrification):
-
Q – lưu lượng nước thải sau lắng sơ cấp (primary effluent).
-
Vùng thiếu khí (Anoxic): nhận Q và dòng nội tuần hoàn từ cuối vùng hiếu khí. Tại đây xảy ra khử nitrat.
-
Vùng hiếu khí (Aerobic): nhận dòng ra của bể Anoxic (chính là dòng vào Aerotank). Tại đây xảy ra:
-
Oxy hóa NH4+ thành NOx−N (nitrification).
-
Oxy hóa chất hữu cơ còn lại, tổng hợp sinh khối.
-
-
Clarifier thứ cấp: lắng bùn hoạt tính, cho ra effluent và RAS.
Các tỷ số lưu lượng quan trọng:
-
\(IR = \dfrac{Q_{IR}}{Q}\) – tỷ số nội tuần hoàn (internal recycle ratio).
-
\(R = \dfrac{Q_R}{Q}\) – tỷ số bùn tuần hoàn (RAS recycle ratio).
Mục tiêu thiết kế: với nitrification hoàn toàn, chọn IR sao cho nồng độ NOx-N trong effluent, ký hiệu \(N_e\) đạt giá trị yêu cầu (thường 4–10 mg/L tùy tiêu chuẩn).
2. Cân bằng nitrat cho vùng hiếu khí
Xét riêng vùng hiếu khí thể tích \(V_a\), đặt:
-
N(t): nồng độ NOx-N trong vùng hiếu khí tại thời điểm t (xấp xỉ nồng độ sau clarifier, vì clarifier không có phản ứng sinh – khử nitrat).
-
Q(NOx): tốc độ sinh nitrat trong vùng hiếu khí do nitrification (kg/d).
-
\(Q_a\): lưu lượng tổng rời khỏi vùng hiếu khí:
\[Q_a = Q + Q_{IR} + Q_R = Q(1+IR+R)\]
Nếu coi vùng anoxic khử gần như hết nitrat hồi lưu, thì nồng độ NOx ở dòng vào hiếu khí (ra anoxic) gần bằng 0. Khi đó, cân bằng khối lượng động cho nitrat trong vùng hiếu khí là:
hay:
Chia cho \(V_a\):
Ở trạng thái ổn định thiết kế:
\[\frac{dN}{dt} = 0,\qquad N(t) = N_e\]
suy ra:
\[\boxed{Q(NO_x) = N_e Q(1+IR+R)}\]
Đây là cân bằng khối lượng: “Khối lượng nitrat sinh ra trong vùng hiếu khí = khối lượng nitrat đi ra theo 3 dòng: effluent, nội tuần hoàn, RAS”.
3. Từ cân bằng khối lượng đến công thức IR
Để tiện dùng trong thiết kế, người ta quy đổi khối lượng nitrat sinh ra về nồng độ tương đương theo lưu lượng vào:
\[NO_{x} = \frac{Q(NO_x)}{Q}\]
trong đó \(NO_{x}\) có đơn vị mg/...