Bài giảng Xử lý nước cấp - Chương 2: Các sơ đồ công nghệ xử lý nước, các phương pháp xử lý nước

135 trang hapham 1480

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Xử lý nước cấp - Chương 2: Các sơ đồ công nghệ xử lý nước, các phương pháp xử lý nước", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_xu_ly_nuoc_cap_chuong_2_cac_so_do_cong_nghe_xu_ly.pdf

Nội dung text: Bài giảng Xử lý nước cấp - Chương 2: Các sơ đồ công nghệ xử lý nước, các phương pháp xử lý nước

Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Chương 2: CÁC SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC, CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC. 2.1. CÁC NGUYÊN TẮC LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC: Xử lý nước là quá trình làm thay đổi thành phần, tính chất nước tự nhiên theo yêu cầu của các đối tượng sử dụng phụ thuộc vào thành phần, tính chất của nước nguồn và yêu cầu chất lượng của nước, của đối tượng sử dụng. 2.1.1. Các biện pháp xử lý cơ bản: 1. Biện pháp cơ học: sử dụng cơ học để giữ lại cặn không tan trong nước. Các công trình: Song chăn rác, lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc. 2. Phương pháp hóa học: dùng các hóa chất cho vào nước để xử lý nước như keo tụ bằng phèn, khử trùng bằng Clor, kiềm hóa nước bằng voi, dùng hóa chất để diệt tảo (CuSO4, Na2SO4). 3. Biện pháp lý học: khử trung nước bằng tia tử ngoại, sóng siêu âm. Điện phân nước để khử muối Trong 3 biện pháp xử lý nước nêu trên thì biện pháp cơ học là xử lý nước cơ bản nhất. Có thể dùng biện pháp cơ học để xử lý nước độc lập hoặc kết hợp các biện pháp hóa học và lý học để rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu quả xử lý. 2.1.2. Lựa chọn công nghệ xử lý nước: Cơ sở để lựa chọn công nghệ xử lý nước dựa vào các yếu tố sau: - Chất lượng của nước nguồn (nước thô) trước khi xử lý - Chất lượng của nước yêu cầu (sau xử lý) phụ thuộc mục đích của đối tượng sử dụng. - Công suất của nhà máy nước - Điều kiện kinh tế kỹ thuật - Điều kiện của địa phương. 2.2 Các công nghệ xử lý nước 2.2.1. Công nghệ xử lý nước mặt Hình 2-1: Công nghệ xử lý nước mặt Nguyễn Lan Phương 18
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Co > 2500mg/l Nước thô Co < 2500mg/l Co < 50mg/l, M<500 Coban Lắng sơ bộ Song chắn, lưới chắn Xử lý sơ bộ Chất keo tụ Co < 150mg/l, M <1500 Khuấy trộn Lọc tiếp xúc Keo tụ, tạo bông Lọc chậm Lắng Cl2 Khử trùng Lọc nhanh Cl Khử trùng 2 Khử trùng Cl2 Bể chứa nước sạch Trạm bơm II MLCN Nguyễn Lan Phương 19
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 2.2.2. Công nghệ xử lý nước ngầm: Hình 2-2: Công nghệ xử lý nước ngầm Fe ≤ 9mg/l Nước thô Cl2 Ca(OH)2 Fe ≥ 9mg/l Vôi Phèn Làm thoáng tự nhiên Trộn Keo tụ hoặc cưỡng bức Làm thoáng đơn giản Lắng tiếp xúc + lọc nhanh Lọc nhanh Lắng Khử trùng Khử trùng Bể chứa nước sạch Trạm bơm II Mạng lưới cấp nước 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC: 2.3.1. Phương pháp keo tụ 2.3.1.1. Bản chất lý hóa của quá trình keo tụ: Cặn bẩn trong nước thiên nhiên thường là hạt cát, sét, bùn, sinh vật phù du, sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ Các hạt cặn lớn có khả năng tự lắng trong nước, còn cặn bé ở trạng thái lơ lửng. Trong kỹ thuật xử lý nước bằng các biện pháp xử lý cơ học như lắng tĩnh, lọc chỉ có thể loại bỏ những hạt có kích thước lớn hơn 10-4mm, còn những hạt cặn có d<10-4mm phải áp dụng xử lý bằng phương pháp lý hóa. Đặc điểm cơ bản của hạt cặn bé là do kích thước vô cùng nhỏ nên có bề mặt tiếp xúc rất lớn trên một đơn vị thể tích, các hạt cặn này dễ dàng hấp thụ, kết bám với các chất xung quanh hoặc lẫn nhau để tạo ra bông cặn to hơn. Mặt khác Nguyễn Lan Phương 20
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP các hạt cặn đều mang điện tích và chúng có khả năng liên kết với nhau hoặc đẩy nhau bằng lực điện từ. Tuy nhiên trong môi trường nước, do các loại lực tương tác giữa các hạt cặn bé hơn lực đẩy do chuyển động nhiệt Brown nên các hạt cặn luôn luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng. Bằng việc phá vỡ trạng thái cân bằng động tự nhiên của môi trường nước, sẽ tạo các điều kiện thuận lợi để các hạt cặn kết dính với nhau thành các hạt cặn lớn hơn và dễ xử lý hơn. Trong công nghệ xử lý nước là cho theo vào nước các hóa chất làm nhân tố keo tụ các hạt cặn lơ lửng. 2.3.1.2. Các phương pháp keo tụ: 1. Keo tụ bằng các chất điện ly: Cho thêm vào nước các chất điện ly ở dạng các ion ngược dấu. Khi nồng độ của các ion ngược dấu tăng lên, thì càng nhiều ion được chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kéo dẫn tới việc giảm độ lớn của thế điện động, đồng thời lực đẩy tĩnh điện cũng giảm đi. Nhờ chuyển động Brown các hạt keo với điện tích bé khi va chạm dễ kết dính bằng lực hút phân tử tạo nên các bông cặn ngày càng lớn. 2. Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu: Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách tạo ra trong nước một hệ keo mới tích điện ngược dấu với hệ keo cặn bẩn trong nước thiên nhiên và các hạt keo tích điện trái dấu sẽ trung hòa lẫn nhau. Chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, đưa vào nước dưới dạng hòa tan, sau phản ứng thủy phân chúng tạo ra hệ keo mới mang điện tích dương có khả năng trung hòa với các loại keo mang điện tích âm. 3+ 2- Al2(SO4)3 → 2Al + 3SO4 (1) 3+ - FeCl3 → Fe + 3Cl (2) 3+ + Al + 3H2O → Al(OH)3 + 3H (3) 3+ + Fe + 3H2O → Fe(OH)2 + 3H (4) Các ion kim loại mang điện tích dương một mặt tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong lớp điện tích kép của hạt cặn mang điện tích âm, làm giảm thế điện động ξ, giúp các hạt keo dễ liên kết lại với nhau bằng lực hút phân tử tạo ra các bông cặn. Mặt khác các ion kim loại tự do lại kết hợp với nước bằng phản ứng thủy phân, các phân tử nhôm hydroxit và sắt hydroxit là các hạt keo mang điện tích dương, có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo thành Nguyễn Lan Phương 21
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP các bông cặn. Đồng thời các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 kết hợp với các anion có trong nước và kết hợp với nhau tạo ra bông cặn có hoạt tính bề mặt cao. Các bông cặn này khi lắng sẽ hấp thụ cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn, các hợp chất hữu cơ, các chất mùi vị tồn tại ở trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng trong nước. 2.3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. 1. pH: Ta thấy nồng độ Al(OH)3 và Fe(OH)3 trong nước sau quá trình thủy phân các chất keo tụ là yếu tố quyết định quá trình keo tụ. Từ phản ứng (3) (4) - phản ứng thủy phân giải phóng H+, pH của nước giảm làm giảm tốc độ phản ứng thủy phân do đó phải khử H+ để điều chỉnh pH. Ion H+ thường được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước, khi độ kiềm tự nhiên không đủ để trung hòa H+ ta phải pha thêm vôi hoặc sô đa vào nước để kiềm hóa. Phèn nhôm có hiệu quả keo tụ cao nhất ở pH = 5,5 – 7,5 Phèn sắt pH: 3,5 - 6,5 và 8-9 Al2(SO4)3 + Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2 2FeCl3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 2. Nhiệt độ: Nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các hạt keo tăng lên làm tăng tần số va chạm và kết quả kết dính tăng. Do đó nhiệt độ nước tăng làm lượng phèn cần keo tụ giảm, thời gian và cường độ khuấy trộn giảm. 3. Hàm lượng và tính chất của cặn. Hàm lượng cặn tăng thì lượng phèn cần thiết cũng tăng. Hiệu quả keo tụ phụ thuộc vào tính chất cặn tự nhiên như kích thước, diện tích, mức độ phân tán 2.3.2. Thiết bị, công trình pha chế, định lượng dung dịch hóa chất 2.3.2.1. Sơ đồ công nghệ quá trình keo tụ nước. Nguyễn Lan Phương 22
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Cấp nước sạch Thiết bị Chuẩn bị dung Công trình hòa định lượng dịch công tác trộn phèn Công trình Công trình Đến công trình Nước trộn phản ứng xử lý tiếp theo nguồn Hình 2-3: Sơ đồ công nghệ quá trình keo tụ nước. 1. Công trình hòa phèn: pha thành dung dịch 10 ÷ 20%, loại bỏ tạp chất (Bề hòa phèn). 2. Công trình chuẩn bị dung dịch phèn công tác. Dung dịch nồng độ 5 ÷ 10% (bể tiêu thụ) 3. Thiết bị định lượng: định lượng phèn công tác vào nước tùy thuộc vào chất lượng nước nguồn. 4. Công trình trộn: tạo điều kiện phân tán hóa chất vào nước xử lý, yêu cầu nhanh, đều, thời gian khuấy trộn t = 1,5 ÷3’ (tùy thuộc vào loại công trình). 5. Công trình phản ứng: tạo điều kiện cho quá trình dính kết các hạt cặn với nhau (keo tụ, hấp phụ) để tạo thành các tập hợp cặn có kích thước lớn. Thời gian phản ứng t = 6 ÷30’ (tùy thuộc loại công trình phản ứng). 2.3.2.2 Các loại hóa chất dùng để keo tụ nước. 1. Các loại hóa chất dùng để keo tụ: a. Phèn nhôm: Al2(SO4)3.18H2O (bánh, cục, bột). * Phèn nhôm không tinh khiết: dạng cục, bánh màu xám chứa: Al2SO4 ≥ 35,5% (9%Al2O3). H2SO4 tự do ≤ 2,3%. Trọng lượng thể tích khi đổ thành đống γ = 1,1 ÷ 1,4T/m3. * Phèn nhôm tinh khiết: dạng bánh, cục màu xám sáng chứa: Al2 ≥ 40,3% (13,3%Al2O3). Cặn không tan ≤ 1%. b. Phèn sắt: FeSO4. 7H2O tinh thể màu vàng chứa: (47 ÷ 53%) FeSO4 (0,25 ÷1%)H2SO4 Nguyễn Lan Phương 23
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP (0,4 ÷ 1%) Cặn không tan đựng trong thùng gỗ. Trọng lượng thể tích: γ = 1,5t/m3 * FeCl3: dung dịch màu nâu chứa FeCl3: 98 ÷ 96%. c. Vôi chưa tôi sản xuất ở 2 dạng cục, bột - Khi tôi vôi cho dư nước (3,5m3 nước cho một tấn vôi) thu được vôi nhão, 1 tấn vôi cục tạo ra 1,6 ÷ 2,2 m3 vôi. - Khi tôi vôi không cho dư nước (0,7m3 nước cho 1 tấn vôi) thu được vôi tôi ở dạng bột sệt. Vì vôi có độ hòa tan thấp nên thường định lượng dể cho vào nước dưới dạng sữa vôi. d. Sô đa: Là bột màu trắng dễ hút ẩm chứa 95% Na2Co3: 1% NaCl e. Xút NaOH: là bột màu trắng đục bay hơi trong không khí có chứa (92 ÷ 95%) NaOH. (2,5 ÷ 3%)Na2CO3; (1,5 ÷ 3,75%)NaCl và 0,2% Fe2O3. 2. Xác định liều lượng phèn: a. Xác định liều lượng phèn tối ưu (phương pháp Jar-Test). Mô tả phương pháp: L1 L2 L3 L4 L5 L6 Hình 2-4: Bộ Jar-Test Thiết bị gồm một máy khuấy (kiểu chân vịt) có 6 cách khuấy, có trang bị biến độ vận tốc. Mỗi cách khuấy ứng với một bình thể tích 1 lít (dó khắc độ phân chia đến 1 lít). Mỗi bình được đổ đầy một thể tích nước cần phân tích. Sau đó tiến hành. * Cho chất keo tụ vào mỗi bình với liều lượng khác nhau, đồng thời khuấy mạnh (100-200 vòng/phút) trong thời gian 2-3 phút. * Sau 2-3 phút khuấy nhẹ với cường độ 20-40 vòng phút trong thời gian 20-30’. * Lắng kết tủa trong thời gian 30-60’ Nguyễn Lan Phương 24
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP * Lấy mẫu nước đã lắng trong mỗi bình (phải lấy cùng độ sâu như nhau) sau đó phân tích. + Độ đục (khối lượng chất huyền phù) + Độ màu, hóa cặn lơ lửng, độ pH, độ kiềm + Lượng kim loại dư Fe, Al. * Mục tiêu của phép thử Jar-Test: - Xác định liều lượng phèn tối ưu - Xác định vùng pH keo tụ tối ưu b. Xác định liều lượng phèn theo số liệu kinh nghiệm (20 TCN 33-2005). *Liều lượng phèn nhôm (tính theo sản phẩm khô). Bảng 2-1:Liều lượng phèn nhôm Liều lượng phèn nhôm Hàm lượng cặn lơ lửng mg/l (Sản phẩm khô mg/l) đến 100 25 - 35 100 - 200 30 - 45 200 - 400 40 - 60 400 - 600 45 - 70 600 - 800 55-80 800 - 1000 60 - 90 1000 - 1400 65 -105 1400 - 1800 75 - 115 1800 - 2200 80 - 125 2200 2500 90 - 130 * Khi dùng phèn sắt, liều lượng lấy bằng một nửa liều lượng phèn nhôm với cùng chất lượng nước nguồn. Khi xử lý nước có màu Lp = 4/M mg l M: độ màu của nước nguồn. Pt/Co Khi xử lý nước vừa đục vừa có màu Nguyễn Lan Phương 25
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Xác định liều lượng phèn cho cả hai trường hợp sau đó so sánh chọn lấy giá trị lớn. 3. Xác định liều lượng chất kiềm: Sau khi xác định liều lượng phèn Lp phải kiểm tra độ kiềm của nước theo yêu cầu keo tụ. ⎛⎞L 100 L =−+eKiomglp 1. . / kk⎜⎟ ⎝⎠eCpk - Lk; Lp: Liều lượng chất kiềm, phèn mg/l - ek; ep: Trọng lượng đương lượng của chất kiềm và của phèn mg/mgđlg. NaOH; ek = 40 mg/mgđlg; Al2SO4 ep = 57 mg/mgđlg CaO; ek = 28 mg/mgđlg; FeCl3 ep = 54 mg/mgđlg Na2CO3; ek = 53 mg/mgđlg; FeSO4 ep = 76 mg/mgđlg - Kio: Độ kiềm của nước nguồn mgđlg/l - Ck: Hàm lượng hóa chất tinh khiết %. 2.3.2.3 Pha chế dung dịch hóa chất: 1. Bể hòa phèn, chuẩn bị dung dịch phèn công tác: a. Hòa phèn, chuẩn bị dung dịch phèn công tác bằng khí nén: Cấp nước sạch I Cấp không khí nén 1 II 0,5 ÷ 0,6m 45 ÷500 2 2 d ≥150 Tới thiết bị 0,1 ÷ 0,2m định lượng Xả vào hệ thống thoát nướ c d4≥ 100 1= 0,005 Hình 2-5: Hòa phèn, chuẩn bị dung dịch phèn công tác bằng khí nén I: Bể hòa trộn phèn II. Bể dung dịch phèn công tác bể tiêu thụ 1. Sàn bê tông đục lỗ 2. Giàn ống phân phối khí nén. Nguyễn Lan Phương 26
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Tính toán cấu tạo bể. - Dung tích bể QnLp 3 + Bể hòa: w h = m 10.000.bh .γ w.h bh 3 + Bể tiêu thụ: Wmtt = . btt Trong đó: - Q: Lưu lượng nước xử lý; m3/h 3 - Lp: Liều lượng phèn; g/m - btt: Nồng độ dung dịch trong bể hòa (10 ÷ 20%); bể tiêu thụ (5 ÷ 10%) - n. Thời gian giữa 2 lần pha chế; h Q ≤ 1200m3/mgđ n = 24h 1200 ÷ 10.000m3/ngđ n = 12h 10.000 ÷ 50.000 m3/ngđ n = 8-12h 50.000 ÷ 100.000 m3/ngđ n = 6-8h > 100.000m3/ngđ n = 3 ÷ 4h - Giàn ống phân phối khí nén. Giàn ống bằng vật liệu có khả năng chống ăn mòn (thép không rỉ hoặc ống nhựa) dạng xương cá trên các ống khoan hai hàng lỗ so le nhau, đường kính lỗ khoan dlỗ = 3 ÷ 4mm. Các lỗ khoan hướng xuống dưới tạo với phương đứng 1 góc 450. Được tính toán với các thống số sau: + Cường độ khí nén: 2 - Bể hòa Wkk = 8 ÷10l/s-m 2 - Bể tiêu thụ Wkk = 3 ÷ 5l/s-m + Tốc độ không khí: - Trong ống Vống = 10 ÷ 15m/s - Qua lỗ Vlỗ = 20 ÷ 25m/s + Áp lực khí nén: Pkk = 1 ÷ 1,5 at * Yêu cầu cấu tạo: mặt trong bể phải được bảo vệ bằng vật liệu chịu axit để chống tác dụng ăn mòn của dung dịch phèn. b. Hòa tan phèn bằng máy khuấy Nguyễn Lan Phương 27
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Bể hòa tan phèn dùng máy khuấy loại cánh quạt phẳng để hòa tan phèn hạt có kích thước hạt nhỏ hơn 20mm. - Số vòng quay trên trục cánh quạt n = 30 ÷ 40 v/p Động cơ l B (D) Hình 2-6: Hòa phèn bằng máy khuấy - Số vòng quay trên trục cánh quạt n = 30 ÷ 40 v/p - Chiều dài cánh quạt tính từ trục quay, lấy bằng 0,4 ÷ 0,45 chiều rộng hoặc đường kính của bể hòa phèn. l = (0,4 ÷ 0,45) (B(D)) - Diện tích cánh quạt lấy bằng 0,1 ÷ 0,2 m2. Cho 1m3 dung dịch trong bể hòa. - Công suất động cơ của máy khuấy có cán quạt phẳng nằm ngang được xác định theo công thức. P Nhndz= 0,5 . .34 . . ( KW) η ρ. Trọng lượng thể tích của dung dịch được khuấy trộn (kg/m3). h. Chiều cao cánh quạt (m) n. Số vòng quay trên trục cánh quạt (vòng/s) d. Đường kính của vòng tròn do đầu cánh quạt tạo ra khi quay (m) z. Số cánh quạt trên trục cánh khuấy. η. Hệ số hữu ích của động cơ chuyển động. 2. Chuẩn bị dung dịch vôi: Nguyễn Lan Phương 28
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP a. Bể tôi vôi: Xây gạch hoặc bê tông cốt thép có dung tích đủ lượng vôi dùng cho trạm 30 - 45 ngày, với lượng nước 3 ÷ 3,5 m3 cho 1 tấn vôi cục. Bể chia thành nhiều ngăn để luân phiên tôi và thau rửa. b. Bể pha vôi sữa: Vôi sữa ở dạng khuếch tán không bền. Các hạt vôi nhỏ có thể lắng xuống trong môi trường khuếch tán. Do đó phải được khuấy trộn để các hạt vôi không lắng xuống. Có thể dùng một trong các biện pháp sau để khuấy trộn. + Khuấy trộn bằng bơm tuần hoàn 2 + Khuấy trộn bằng khí nén Wkk = 8-10l/m + Khuấy trộn bằng máy khuấy với số vòng quay không nhỏ hơn 40 vòng/phút. QnL v 3 Dung tích bể pha vôi sữa: w()v = m 10.000.bv .γ 3 ; 3 3 Q = m /h Lv: g/m ; bv = 5%; γ = 1 tấn/m . 2.3.2.4. Định lượng dung dịch hóa chất vào nước. 1. Thiết bị định lượng không đổi Ống thông hơi (2) Phao ∆H ∆H (3) Đầu gắn (1) (4) Màng định lượng Nối ống mềm Hình 2-7: Thiết bị định lượng không đổi. 1. Thùng dung dịch phèn công tác 2. Phao, ống gắn màng định lượng 3. Ống mềm 4. Phễu thu nhận phèn dẫn tới bể trộn Nguyễn Lan Phương 29
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Khi mức dung dịch trong thùng thay đổi vị trí của phao sẽ thay đổi song khoảng cách từ mức dung dịch đến tâm ống trên phao có gắn màng định lượng không đổi. Vì vậy lượng dung dịch thu được luôn không đổi. Lưu lượng dung dịch xác định theo công thức: qgHdd = 0,62.ω 2 ∆ 0,62 : Hệ số lưu lượng ω : Diện tích lỗ thu trên màng định lượng; m2 2. Thiết bị định lượng thay đổi tỷ lệ với lưu lượng nước xử lý. Khi lưu lượng tính toán thay đổi thay đổi, mức nước trong thùng A thay đổi dẫn đến vị trí ống mềm thay đổi, ∆H thay đổi và lưu lượng dung dịch cho vào sẽ thay đổi theo công thức sau:. qgHdd = 0,62.ω 2 ∆ 2 Van tự động 1 D2 hóa chất ∆H 4 B A 3 q1 A. Thùng nước xử lý B. Thùng dung dịch hóa chất công tác Đến bể trộn Qtt q 2 5 Hình 2-8: Thiết bị định lượng thay đổi tỷ lệ với lưu lượng nước xử lý. 1- Phao nổi; 2- Dây; 3- Đối trọng; 4- Ống mềm; 5- Ejecter 3. Bơm định lượng: Thường dùng bơm pittong, bơm màng, bơm ruột gà. Bơm pitong, bơm màng dùng để định lượng dung dịch phèn và bão hòa. Nguyễn Lan Phương 30
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Bơm ruột gà để định lượng dung dịch vôi sữa đậm đặc hoặc vôi tôi. 4. Định lượng dung dịch vôi sữa. ∆H Tấm chắn định lượng Tới bể chứa vôi sữa Tới bể trộn Dung dịch vôi sữa vào Hình 2.9: Thiết bị định lượng vôi sữa ∆H không đổi do đó lưu lượng dung dịch vôi sữa cho vào là 1 hằng số(qdd = const). Khi cần thay đổi lưu lượng dung dịch vôi sữa thì phải thay đổi vị trí của màn chắn hoặc thay đổi kích cỡ của tấm chắn định lượng. 2.3.3. Công trình trộn: Mục tiêu của quá trình trộn là đưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán đều trong môi trường nước trước khi phản ứng keo tụ xảy ra, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa chúng với các thành phần tham gia phản ứng. Hiệu quả của quá trình trộn phụ thuộc vào cường độ và thời gian khuấy trộn. Thời gian khuấy trộn hiệu quả được tính cho đến lúc hóa chất đã phân tán đều vào nước và đủ để hình thành các nhân keo tụ nhưng không quá lâu làm ảnh hưởng đến các phản ứng tiếp theo. Trong thực tế thời gian hòa trộn hiệu quả từ 3 giây đến 2 phút. Quá trình trộn được thực hiện bằng các công trình trộn, theo nguyên tắc cấu tạo và vận hành được chia ra: * Trộn thủy lực: về bản chất là dùng các vật cản để tạo ra sự xáo trộn trong dòng chảy của hỗn hợp nước và hóa chất. Trộn thủy lực có thể thực hiện trong: Nguyễn Lan Phương 31
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Ống đẩy của trạm bơm nước thô - Bể trộn có vách ngăn - Bể trộn đứng * Trộn cơ khí: dùng năng lượng của cánh khuấy để tạo ra dòng chảy rối. 2.3.3.1. Trộn thủy lực. 1. Khuấy trộn bằng máy bơm: ở trạm xử lý có công suất nhỏ có thể cho dung dịch hóa chất vào đầu ống đẩy của bơm nếu chiều dài ống dẫn từ bơm đến công trình xử lý nhỏ hơn 200m, tốc độ nước trong ống dẫn v không nhỏ hơn 1,2m/s để có thể xới và tải cặn lắng bám vào đường ống trong thời gian bơm ngừng hoạt động. 2. Thiết bị trộn trong ống dẫn Thường được sử dụng như khâu trộn sơ bộ khi cần cho 2 hay nhiều loại hóa chất đồng thời cho vào nước. Biện pháp đơn giản nhất là sau điểm cho hóa chất, thay 1 đoạn ống nguồn đến bể trộn chính bằng 1 đoạn ống có đường kính d bé hơn với vnước = 1,2 ÷ 1,5m/s, chiều dài đoạn ống trộn tính theo tổn thất áp lực bằng 0,3 ÷ 0,4m. Nếu ống nước nguồn không đủ chiều dài cần thiết phải dùng thiết bị trộn vành chắn thay cho đoạn ống trộn. Vành chắn tạo ra dòng chảy rối loạn trong ống, đường kính lỗ vành chắn chọn với tổn thất cục bộ 0,3 ÷ 0,4m. Hình 2-10: Thiết bị trộn vành chắn 1 1. Ống dẫn nước 3 2. Vành chắn 3. Ống dẫn dung dịch 3. Bể trộn vách ngăn (bể trộn ngang). 2 Bể gồm 1 đoạn mương bê tông cốt thép có các vách trộn chắn ngang. Số lượng vách ngăn thường lấy là 3. Để tạo nên sự xáo trộn dòng chảy trên các vách ngăn có thể khoét các hàng cửa sole hoặc các hàng lỗ cho nước đi qua. - Tiết diện cửa hoặc lỗ tính với vận tốc nước đi qua là Vlỗ = 1m/s. - Đường kính lỗ: dlỗ = (20 ÷ 40)mm f - Tổng diện tích lỗ trên diện tích vách ngăn: ∑ lo =÷0,3 0,35 Fvachngan Nguyễn Lan Phương 32
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Mép của hàng lỗ trên cùng ngập sâu trong nước từ (10-15)cn 4Q - Số lượng lỗ trên 1 vách ngăn: n = π vd2 Trong đó: + Q: lưu lượng nước qua bể trộn (m3/s) + v: vận tốc nước qua lỗ (m/s) + d: đường kính lỗ (m) Tấm ngăn Tấm đục lỗ ngăn đục lỗ Tới bể Nước nguồn phản ứng Nước Tới bể nguồn phản ứng Hình 2-11: Bể trộn vách ngăn đục lỗ - Tổn thất áp lực qua mỗi vách ngăn: h = (0,10 ÷ 0,15)m. - Tổng tổn thất áp lực trong bể: ∑h = (0,30 - 0,45)m - Kích thước của bể tính theo vận tốc nước chảy ở phần mương cuối bể: Vc = 0,6 ÷ 0,7m/s và vận tốc ở phần đầu bể không nhỏ hơn 0,3m/s (vđ < 0,3m/s). - Khoảng cách giữa các vách ngăn lấy không bé hơn chiều rộng bể trộn. * Áp dụng: Trộn nước với dung dịch hóa chất chứa ít cặn như phèn, xô đa. Nguyễn Lan Phương 33
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Thời gian trộn từ 1 ÷ 2 phút. 4. Bể trộn đứng: Áp dụng trong các nhà máy nước có xử lý bằng vôi sữa. Với chiều nước chảy từ dưới lên, các hạt vôi sẽ được giữ ở trạng thái lơ lửng và hòa tan dần. Cấu tạo bể trộn đứng gồm 2 phần, phần thân trên có tiết diện vuông hoặc tròn, phần đáy có dạng hình côn với góc hợp thành giữa các tường nghiêng trong khoảng 30 - 400. Kích thước bể trộn, được tính với chỉ tiêu sau: 2 - Diện tích mặt bằng của bể: F1 ≤ 15m - Vận tốc nước dâng ở phần thân trên: V2 = 25-28mm/s - Chiều cao bể tính theo thời gian hòa trộn: + Pha trộn với phèn t = 1,5 - 2 phút + Pha trộn với vôi t = 3 phút - Kích thước máng thu tính theo vận tốc nước chảy trong máng Vm = 0,6m/s. Ngoài ra còn có thể sử dụng giàn ống khoan lỗ thu nước thay cho máng vòng hoặc thu nước bằng phễu. a 3 h 2 h Sang bể phản ứng 1 h 30-400 Phèn Vôi Nướ c nguồn Hình 2-12: Bể trộn đứng * Xác định kích thước bể: Qt. - Dung tích bể: w = (m3) b 60.N Trong đó: + Q: công suất trạm xử lý (m3/s) Nguyễn Lan Phương 34
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP + t: thời gian nước lưu trong bể (phút) + N: số bể (N≥ 2) ab− α - Xác định chiều cao h1: hg= .cot . (m) 1 22 Trong đó: + a: Kích thước phần dưới đáy bể (m) aFm= 2 () + b: Kích thước phần trên bể (m) bFm= 1 () Q 2 + Fm2 = () v2 Q 2 + Fm1 = () v1 - Xác định chiều cao h2 (m) w 2 hm2 = () F2 3 www()2b1=− m 1 w(=++hF F FF .) m3 1112123 I.5. Ưu nhược điểm của phương pháp trộn thủy lực: * Ưu: - Cấu tạo công trình đơn giản, không cần máy móc và thiết bị phức tạp. - Giá thành quản lý thấp * Nhược: - Không điều chỉnh được cường độ khuấy trộn khi cần thiết. - Do tổn thất áp lực lớn nên công trình xây dựng phải cao. Trường hợp áp lực nguồn nước còn dư (nguồn nước trên cao tự chảy hoặc áp lực bơm nước nguồn còn dư) nên chọn bể trộn thủy lực. 2.3.3.2 Bể trộn cơ khí: Trộn cơ khí là dùng năng lượng của cánh khuấy để tạo ra dòng chảy rối. Việc khuấy trộn được tiến hành trong bể trộn hình vuông hoặc hình tròn với tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng là 2:1. Nguyên tắc: Nước và hóa chất đi vào phía đáy bể, sau khi hòa trộn đều sẽ thu dung dịch trên mặt bể để đưa sang bể phản ứng. Cánh khuấy có thể là cánh tuốc bin hoặc cách phẳng gắn trên trục quay. Nguyễn Lan Phương 35
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP D2 phèn Mương tràn nước 1/4D sang bể phản ứng Ống dẫn nước D≤1/2a D từ b ơm đến a Hình 2-13: Bể trộn cơ khí Tốc độ quay của trục chọn theo kiểu cánh khuấy và kích thước cánh khuấy. - Cánh khuấy kiểu tuốc bin có tốc độ quay trên trục là 500 - 1500 vòng/phút. - Cánh khuấy phẳng: n = 50 - 500 vòng/phút. Thời gian khuấy trộn 30 - 60s. Cách khuấy làm bằng hợp kim hoặc thép không rỉ. Bộ phận truyền động đặt trên mặt bể, trục quay đặt theo phương thẳng đứng. Năng lượng cần thiết để cho cánh khuấy chuyển động trong nước tính theo công thức: 3 N = 51. Cd.f.v (w) Trong đó: + Cd: Hệ số sức cản của nước phụ thuộc vào tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng của cánh khuấy. Bảng 2-2:Bảng xác định Cd l/b 5 20 >20 Cd 1,2 1,5 1,9 + f: Diện tích hữu ích của bản cách khuấy, tính theo tiết diện vuông góc với chiểu chuyển động của cánh khuấy (m2). + v: vận tốc chuyển động tương đối của cánh khuấy so với nước. 2.π n vms= 0,75 ( / ) 60 Trong đó: Nguyễn Lan Phương 36
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP R: bán kính vành ngoài của cánh khuấy (m) n: tốc độ quay của trục cánh khuấy (vòng/phút) Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn phụ thuộc vào tiết diện bản cánh khuấy và tốc độ chuyển động của cánh khuấy. Như vậy bằng cách điều chỉnh tốc độ quay trên trục sẽ điều chỉnh được năng lượng tiêu hao và cường độ khuấy trộn. * Ưu nhược điểm của trộn cơ khí: - Ưu: + Thời gian khuấy trộn nhỏ (t = 30 ÷ 60 giây) nên dung tích bể nhỏ. + Điều chỉnh được cường độ khuấy trộn theo yêu cầu. - Nhược: + Thiết bị phức tạp, yêu cầu có trình độ quản lý cao + Tốn điện năng, thường khoảng 0,8 ÷ 1,5kW/h/1000m3 nước. Áp dụng: cho các nhà máy nước có mức độ cơ giới hóa cao, thường là nhà máy có công suất vừa và lớn. 2.3.3.3. Yêu cầu chung về cấu tạo: Bể trộn thường được xây dựng thành 1 hoặc nhiều ngăn, tùy theo công suất xử lý và qui trình công nghệ của nhà máy nước. Không cần xây dựng bể hoặc ngăn dự phòng nhưng phải có biện pháp đề phòng sự cố. Khi bể chỉ có 1 ngăn, phải có ống hoặc mương dẫn nước vòng qua bể sang khâu xử lý tiếp theo để dây chuyền xử lý không bị gián đoạn nếu bể trộn ngừng làm việc để sửa chữa. Vận tốc nước từ bể trộn sang khâu xử lý tiếp theo v = (0,8 - 1)m/s. 2.3.4. Phản ứng tạo bông cặn: 2.3.4.1. Nguyên lý chung: Hiệu quả quá trình keo tụ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Với mỗi nguồn nước cụ thể sau khi đã xác định liều lượng và loại phèn sử dụng thì hiệu quả keo tụ chỉ phụ thuộc vào cường độ khuấy trộn G và thời gian hoàn thành phản ứng tạo bông cặn T. Thực tế 2 đại lượng này được xác định bằng thực nghiệm. Quá trình hình thành bông cặn thường cần có G = 30 - 70s-1, thời gian phản ứng từ 15 - 35’. 0,5 ⎛⎞P Giá trị gradien vận tốc xác định theo công thức: G = ⎜⎟ ⎝⎠µV Trong đó: - µ : độ nhớt động lực của nước (N m2/s) - P: năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn nước (W) Nguyễn Lan Phương 37
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - v: thể tích bể phản ứng V = Q.T (m3) Tùy theo phương pháp khuấy trộn, bể phản ứng tạo bông cặn được phân thành 4 loại: - Thủy lực - Cơ khí - Khí nén - Bể phản ứng có lớp hạt tiếp xúc. 2.3.4.2. Bể phản ứng tạo bông cặn thủy lực Nguyên lý: Sử dụng năng lượng của dòng nước, kết hợp với các giải pháp về cấu tạo, để tạo ra các điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc và kết dính giữa các hạt keo và cặn bẩn trong nước. Theo cơ chế cấu tạo và vận hành: - Bể phản ứng xoáy: + Bể phản ứng hình trụ: 15 - 20’ + Bể phản ứng hình côn: 6 - 10’ - Bể phản ứng vách ngăn: 20 - 30’ - Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng: 20 - 30’ Bể phản ứng thủy lực có: + Gradien vận tốc G = 30 - 50s-1 + Thời gian phản ứng T = 15 - 30 phút 1. Bể phản ứng xoáy gồm 2 kiểu: a. Bể phản ứng xoáy hình trụ thường đặt trong bể lắng đứng, áp dụng cho các nhà máy nước có công suất nhỏ. Bể gồm một ống hình trụ đặt ở tâm bể đi vào phần trên của bể lắng đứng. Nước từ bể trộn được dẫn bằng ống rồi qua 2 vòi phun cố định đi vào phần trên của bể. Hai vòi đặt đối xứng qua tâm bể, với hướng phun ngược nhau và chiều phun nằm trên phương tiếp tuyến với chu vi bể. Do tốc độ vòi phun lớn, nước chảy quanh thành bể tạo thành chuyển động xoáy từ trên xuống. Các lớp nước ở bán kính quay khác nhau có tốc độ chuyển động khác nhau, tạo điều kiện tốt cho các hạt cặn, keo va chạm kết dính với nhau tạo thành bông cặn. - Đường kính vòi phun chọn theo tốc độ nước ra khỏi vòi v = 2-3m/s - Tổn thất áp lực tại vòi phun h = 0,06v2 (m) Trong đó: Nguyễn Lan Phương 38
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - v: vận tốc nước qua miệng vòi phun (m/s) - Đường kính bể xác định theo công thức: 4Qt D = (m) 60π Hn Trong đó: - Q: Lưu lượng nước xử lý (m3/h) - t: Thời gian lưu lại của nước trong bể phản ứng: t = 15-20’ - H; Chiều cao bể phản ứng = 0,9 chiều cao vùng lắng của bể lắng đứng (m). (H = 0,9Hl) - n: số bể phản ứng làm việc đồng thời. 0,2D 0,5m (2) Từ bể H trộn đến (1) 0,8m (3) Hình 2-14: Bể phản ứng xoáy hình trụ (1) Ống dẫn nước vào bể: v = 0,7 ÷ 1,2m/s (2) Vòi phun (3) Sàn khử vận tốc xoáy - Nước chứa bông cặn đi ra từ bể phản ứng. Ở đây theo đường chu kỳ bể đặt các vách ngăn hướng dòng xếp hình nan quạt để dập tắt chuyển động xoáy và phân phối đều nước vào bể lắng. Khoảng cách giữa các vách ngăn từ 0,1 - 0,6m qv - Đường kính miệng vòi phun: Dv =1,13 (m) µ.vv Trong đó: Nguyễn Lan Phương 39
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 3 + qv: lưu lượng qua 1 vòi phun (m /s) + µ: hệ số lưu lượng + Vv: vận tốc nước qua vòi (2-3)m/s Cường độ khuấy trộn trong bể xác định = gradien vận tốc: Qvγ 2 G = (s-1) 2vη Trong đó: - Q: lưu lượng nước vào bể (m3/s) - γ: trọng lượng riêng của nước (kg/m3) - v: tốc độ nước qua vòi phun (m/s) - V: dung tích bể phản ứng (m3) - η: độ nhớt động học của nước (m2/s) b. Bể phản ứng xoáy hình côn (hình phễu). - Nước đi vào ở đáy bể và dâng dần lên mặt bể. Trong quá trình đi lên do tiết kiệm dòng chảy tăng dần nên tốc độ nước giảm dần. Do ảnh hưởng quán tính, tốc độ của dòng nước phân bố không đều trên cùng mặt phẳng nằm ngang ở tâm bể, tốc độ càng lớn hơn và dòng chảy ở tâm có xu hướng phân tán dần ra phía thành bể. Ngược lại, do ma sát các dòng chảy phía ngoài lại bị các dòng bên trong kéo lên. Sự chuyển đông thuận nghịch tạo ra các dòng xoáy nước nhỏ phân bố đều trong bể làm tăng hiệu quả khuấy D 3 h (3) 2 h V2 (2) (4) 1 h 50-700 V1 Nước từ bể trộn tới (1) (5) Xả cặn d Nguyễn Lan Phương 40
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Hình 2-15: Bể phản ứng hình côn. 1). Đường dẫn nước vào bể (2). Máng thu nước xung quanh bể (3). Máng tập trung (4). Nước ra khỏi bể (5). Van xả cặn Các bông cặn được tạo ra có kích thước tăng dần theo chiều nước chảy, đồng thời tốc độ giảm dần sẽ không phá vỡ, bông cặn lớn đó. Nước với bông cặn đã hình thành được thu trên mặt bể và đưa sang bể lắng. - Dung tích bể phản ứng xoáy hình côn tính với thời gian nước lưu lại t = 6- 10’ - Góc giữa các tường nghiêng 50-700 - Tốc độ nước đi vào đáy bể: V1 = 0,6 - 1,2m/s - Tốc độ nước tại điểm thu nước trên bề mặt bể V2 = 4-10mm/s - Để thu nước trên bề mặt bể dùng máng hoặc ống khoan lỗ đặt ngập (bể có bề mặt lớn) hay dùng phễu đặt ngập (bể có bề mặt nhỏ). Tốc độ nước chảy trong bộ phận dẫn nước từ bể phản ứng sang bể lắng không được lớn hơn 0,1m/s đối với nước đục và không được lớn hơn 0,05m/s đối với nước màu để đảm bảo cho bông cặn đã hình thành không bị phá vỡ. Khoảng cách dẫn nước sang bể lắng càng nhỏ càng tốt. Lưu ý: Dùng bể phản ứng xoáy nước trước khi vào bể cần phải được tách hết khí hòa tan trong nước để tránh hiện tượng bọt khí dâng lên trong bể sẽ làm phá vỡ các bông kết tủa vừa tạo thành. * Tính toán: Qt. - Dung tích bể: w()= m3 b 60.n Trong đó: + Q: lưu lượng nước cần xử lý (m3/s) + t: thời gian nước lưu lại bể, t = 6-10 phút. Q 2 - Diện tích đáy của bể Fm1 = () V1 Trong đó: + V1: vận tốc ở đáy bể (V1 = 0,6 - 1,2m/s) Q 2 - Diện tích phần hình trụ Fm2 = () V2 Nguyễn Lan Phương 41
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Trong đó: + V2: vận tốc nước trên bề mặt bể (V2 = 4-10mm/s) Dd− α - Chiều cao h1: hgm= .cot ( ) 1 22 Trong đó: + D: đường kính phần trên của bể (m) + d: đường kính phần đáy bể (m) - Dung tích phần hình côn của bể: 1 3 w(111212=++hF F FF .)() m 3 π =++hD(Dd)()22 d m 3 12 1 3 - Dung tích phần trên của bể: W2 = Wb - W1 (m ) w 2 - Xác định chiều cao h2: hm2 = () F2 - Chiều cao bảo vệ: h3 = 0,4 ÷ 0,5m * Ưu nhược điểm của bể - Ưu: Hiệu quả cao, tổn thất áp lực và dung tích bể nhỏ. - Nhược: Khó tính toán bộ phận thu nước bề mặt vì phải đảm bảo 2 yêu cầu là thu nước đều và không phá vỡ bông cặn. + Hình dáng cấu tạo đặc biệt nên khó xây dựng bằng bê tông cốt thép. Thực tế: áp dụng cho nhà máy có công suất nhỏ. 2. Bể phản ứng có vách ngăn: thường kết hợp với bể lắng ngang. Dùng vách ngăn để tạo sự thay đổi liên tục của dòng nước tạo ra hiệu quả khuấy trộn làm cho các hạt cặn vận chuyển lệch nhau sẽ va chạm và kết dính với nhau tạo bông cặn. Bể có cấu tạo hình chữ nhật, trong bể có các vách ngăn hướng dòng nước chuyển động ziczắc theo phương ngang hoặc đứng. Số vách ngăn tính theo 2 chỉ tiêu: - Dung tích bể: phụ thuộc thời gian nước lưu lại bể cần thiết. + t = 20 phút khi xử lý nước đục + t = 30-35 phút khi xử lý nước có màu và độ đục thấp - Tốc độ chuyển động của dòng nước giữa hai vách ngăn: Tốc độ chuyển động của dòng nước giảm dần từ 0,3m/s ở đầu bể xuống 0,1m/s ở cuối bể. Nguyễn Lan Phương 42
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Hiệu quả phản ứng có thể điều chỉnh theo chất lượng nước nguồn bằng cách giảm chiều dài dòng chảy (giảm thời gian phản ứng) khi các cửa đi nước ra ở các ngăn khác nhau. Bể phản ứng có vách ngăn thường có từ 8 - 10 chỗ ngoặt đổi chiều dòng nước. Khoảng cách giữa các vách ngăn không nhỏ hơn 0,7m đối với bể có vách ngăn ngang và có thể nhỏ hơn 0,7m đối với bể có vách ngăn đứng. Chiều sâu trung bình của bể: Hthiết bị = 2 ÷ 3m Độ dốc đáy bể: i = 0,02 ÷ 0,03 để xả cặn. Tổn thất áp lực trong bể tính theo công thức: H = 0,15 .v2.m (m) Trong đó: + v: tốc độ nước chảy trong hành lang giữa các vách ngăn (m/s) + m: số chỗ ngoặt 1 H 4 5 2 4 5 4 1 6 b L 3 B Hình 2-16: Bể phản ứng có vách ngăn ngang. 1. Mương dẫn nước 4. Cửa đưa nước ra 2. Mương xả cặn 5. Van xả cặn 3. Cửa đi nước vào 6. Vách ngăn hướng dòng. Nguyễn Lan Phương 43
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP * Tính toán: Qt. - Dung tích bể: w()= m3 b 60.n Trong đó: + Q: công suất của trạm xử lý (m3/h) + t: thời gian nước lưu lại trong bể (phút) + n: số bể w b 3 - Diện tích bề mặt bể: Fmb = () H b Trong đó: - Hb: Chiều cao bể (m) thường lấy Hb = 2 ÷ 3m Q - Chiều rộng mỗi hành lang: bm= () 3600.vH .b . n Trong đó: - v: tốc độ nước chảy dọc theo hành lang. - Chiều dài bể phản ứng thường lấy bằng chiều rộng bể lắng ngang. - Số hành lang: Lbể = n.b + (n-1)δ (m) Lbe + δ → n = b +δ Trong đó: + n: số hành lang (8-10) + b: chiều rộng mỗi hành lang (m) + δ: bề dày vách ngăn (δ = 0,15m) * Ưu nhược điểm: - Ưu: Đơn giản trong xây dựng và quản lý vận hành. - Nhược: Khối lượng xây dựng lớn do có nhiều vách ngăn và có đủ chiểu cao thỏa mãn tổn thất áp lực trong toàn bể. * Áp dụng: - Bể phản ứng có vách ngăn ngang thường được sử dụng cho các bạn xử lý có Q ≥ 30.000m3/ngđêm. - Bể phản ứng có vách ngăn đứng áp dụng cho trạm cho công suất Q ≥ 6000m3/ngđêm. Nguyễn Lan Phương 44
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 3. Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng: thường đặt ngay trong phần đầu của bể lắng ngang. Bể có chiều rộng bằng chiều rộng của bể lắng ngang. 2 3 1 Hình 2-17: Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng 1- Ống đưa nước vào 2- Vách ngăn hướng dòng 3- Bể lắng Bể thường được chia thành nhiều ngăn dọc. Nước vào bể qua các ống phân phối đều đặt dọc theo đáy bể. Đáy bể có tiết diện hình phễu với các vách ngăn ngang nhằm mục đích giảm dần tốc độ dâng lên của dòng nước, đồng thời phân bố đều dòng đi lên trên toàn bộ bề mặt bể, giữ cho lớp cặn được ổn định. Khi qua hết phần đáy nước được khuấy trộn sơ bộ và bông cặn nhỏ đã hình thành, nước và bông cặn nhỏ tiếp tục đi lên hấp thu các hạt cặn nhỏ và lớn dần lên. Trong lượng bông cặn lớn dần làm cho tốc độ đi lên của nó giảm dần, trong khi tốc độ dòng nước không đổi. Sự lệch pha đó giúp cho các hạt cặn nhỏ trong dòng nước va chạm và kết dính với bông cặn. Lên đến bề mặt bể các bông cặn sẽ bị cuốn đi theo dòng chảy ngang sang bể lắng. - Hệ thống phân phối nước vào bể có thể dùng máng có lỗ (lỗ của máng hướng ngang) hoặc ống có lỗ (thường dùng ống nhựa khoan lỗ, lỗ xuôi xuống tạo với phương thẳng đứng 1 góc 450). - Khoảng cách giữa trục máng và ống không lớn hơn 3m (thường 2m). - Tốc độ nước chảy ở đầu máng hoặc ống phân phối V = 0,5 ÷ 0,6m. - Tổng diện tích lỗ bằng 30 ÷ 40% diện tích tiết diện của máng hoặc ống phân phối. - Đường kính lỗ d ≥ 25mm Nguyễn Lan Phương 45
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Tốc độ trung bình của dòng nước đi lên qua lớp cặn lơ lửng (V1) phụ thuộc hàm lượng cặn của nước nguồn. + Nước có độ đục thấp: Co < 20mg/l → V1 = 0,9mm/s Co = 20 ÷ 50mg/l → V1 = 1,2m/s + Nước có độ đục trung bình: Co = 50-250mg/l → V1 = 1,6mm/s + Nước có độ đục lớn Co = 250 - 2500mg/l → V1 = 2,2mm/s - Nước từ bể phản ứng sang bể lắng phải chảy qua tường tràn ngăn cách giữa 2 bể, tốc độ tràn V2 ≤ 0,05m/s. - Tốc độ nước chảy giữa tường tràn và vách ngăn lửng V3 ≤ 0,03m/s - Chiều cao lớp cặn lơ lửng ≥ 3m - Thời gian lưu nước trong bể t ≥ 20 phút * Tính toán: Q - Diện tích mặt bằng của bể phản ứng Fm= ()2 vn. Trong đó: + Q: công suất của trạm xử lý (m3/s) + v: tốc độ đi lên của dòng nước trong bể phản ứng ở phần trên + n: số bể phản ứng (lấy bằng số bể lắng ngang). Q.t - Thể tích bể phản ứng w= (m3 ) 60.n Trong đó: + t: thời gian nước lưu trong bể (t = 20phút) - Tính toán hệ thống ống phân phối Q 2 + Tiết kiệm ống phân phối: ωong = ()m vNo. Trong đó: vô: tốc độ nước chảy trong ống (m/s) (Vô = 0,5 ÷ 0,6m/s) N: Số ống phân phối 4Q + Đường kính ống phân phối: Dm= () π vNo ∑ flo + Từ =÷0,30 0,35 → Xác định ∑flỗ = (0,30-0,35). ωống. ωong Chọn dlỗ ≥ 25mm → Xác định được diện tích 1 lỗ (flỗ) Nguyễn Lan Phương 46
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP f → Số lỗ n = ∑ lo flo * Ưu nhược điểm: - Ưu: + Hiệu quả cao + Cấu tạo đơn giản + Không cần máy móc cơ khí + Không tốn chiều cao xây dựng - Nhược: Khởi động chậm, thường lớp cặn lơ lửng được hình thành và làm việc có hiệu quả chỉ sau 3 ÷ 4 giờ làm việc. 2.3.4.4. Phản ứng tạo bông cơ khí * Nguyên lý: dùng năng lượng của cánh khuấy chuyển động trong nước để tạo ra sự xáo trộn dòng chảy. Cách khuấy thường có dạng bản phẳng đặt đối xứng qua trục quay và toàn bộ được đặt theo phương nằm ngang hay thẳng đứng. Kích thước cánh khuấy chọn phụ thuộc vào kích thước và cấu tạo bể phản ứng. 2 4 1 3 5 h2 h1 Hình 2-18: Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí. 1. Mương phân phối nước vào 4. Cánh khuấy 2. Buồng phản ứng 5. Vách ngăn 3. Trục quay - Bể phản ứng nên chia thành các ngăn với mặt cắt ngang dòng chảy có dạng hình vuông, kích thước cơ bản: 3,6m x 3,6m ; 3,9m x 3,9m ; 4,2m x 4,2m - Dung tích bể tính cho thời gian nước lưu lại 10 - 30’ Nguyễn Lan Phương 47
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Theo chiều dài, mỗi ngăn lại được chia làm nhiều buồng bằng cách vách ngăn hướng dòng theo phương thẳng đứng. Trong mỗi buồng đặt 1 guồng cánh khuấy. - Các guồng cánh khuấy được cấu tạo sao cho có cường độ khuấy trộn giảm dần từ buồng đầu tiên đến buồng cuối cùng, tương ứng với sự lớn dần của bông cặn. * Guồng cánh khuấy có cấu tạo gồm trục quay và các bản cánh đặt đối xứng ở 2 hoặc 4 phía quanh trục. - Đường kính guồng tính đến mép cánh khuấy ngoài cùng lấy nhỏ hơn bề rộng hoặc chiều sâu bể 0,3-0,4m. - Kích thước bản cánh khuấy được tính với tỷ lệ của tổng diện tích bản cánh với diện tích mặt cắt ngang bể là 15-20%. - Tốc độ quay của guồng khuấy 3-5v/p’ - Tốc độ của cánh khuấy xác định theo công thức: 2π Rn Vms= (/)(2.18) 1 60 Trong đó: + R: bán kính chuyển động của cánh khuấy, tính từ mép ngoài của cánh đến tâm trục quay. + n: số vòng quay trong 1 phút (vòng/phút): n = (3-5) vòng/phút Khi cánh khuấy chuyển động trong nước, nước bị cuốn theo với tốc độ 1/4 tốc độ của cánh khuấy. → Tốc độ chuyển động của cánh khuấy so với nước 13 Va = V1 - Vn = VVV−= 1144 1 2.π Rn ⇒ Va = 0,75 (ms / ) (2.19) 60 Trong đó: + Vn: tốc độ chuyển động của nước do cánh khuấy tạo ra - Để đảm bảo hiệu quả phản ứng tránh làm vỡ hoặc lắng các bông cặn lớn đã hình thành thì 0,25m/s ≤ V ≤ 0,75m/s. - Cường độ khuấy trộn: 0,5 ⎛⎞P −1 Gs= ⎜⎟ () ⎝⎠µ.v Trong đó: Nguyễn Lan Phương 48
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - P: năng lượng tiêu thụ tính bằng năng lượng cần để đưa cánh khuấy di chuyển trong nước theo công thức: P = 51.C.F.v3 (W) (2.20) Trong đó: + F: tổng diện tích của các bản cánh (m2) + v: tốc độ chuyển động tương đối của cánh khuấy so với nước (m/s) + c: hệ số sức cản của nước phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều dài l và chiều rộng b của bản cánh quạt. Bảng 2-3 l/b 5 20 >21 C 1,2 1,5 1,9 - V: dung tích bể (m3) - µ: độ nhớt động lực của nước (N.S/m2) Nhận xét: - Từ P = 51.CF.v3 ⇒ P chủ yếu phụ thuộc vào v. Tiết diện bản cánh F có ảnh hưởng không đáng kể và thường bị khống chế bởi kích thước giới hạn so với kích thước bể. - v có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng quay hoặc bán kính quay của cánh khuấy. * Thực tế giảm v ở các buồng kế tiếp thực hiện cách giảm số vòng quay của cánh khuấy. Khi bể có nhiều buồng phản ứng kế tiếp, sự chênh lệch của G giữa các buồng nhỏ thì có thể dùng biện pháp thay đổi kích thước và bán kính quay của cánh khuấy. * Bộ phận truyền động gồm động cơ điện, bánh răng trục út hoặc dây xích thường đặt trên mặt hoặc bên ngoài thành bể nơi khô ráo. Có thể dùng 1 động cơ cho nhiều guồng khuấy hoặc mỗi guồng khuấy 1 động cơ. * Cấu tạo bể phải đảm bảo điều kiện phân phối đều nước vào các ngăn, khi cần thiết có thể cách ly từng ngăn riêng biệt để sửa chữa, Không cần xây dựng ngăn dự phòng. Nước từ bể phản ứng được dẫn bằng mương hoặc ống sang bể lắng, v = 0,15 - 0,3m/s. Thời gian nước lưu trong bể t = 20 - 30 phút. Nguyễn Lan Phương 49
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP * Ưu nhược điểm: - Ưu: - Có khả năng điều chỉnh cường độ khuấy trộn theo ý muốn. - Nhược: - Cần có máy móc, thiết bị cơ khí chính xác. - Điều kiện quản lý vận hành phức tạp. * Áp dụng: cho các nhà máy nước công suất lớn, có mức độ cơ giới hóa cao trong sản xuất. 2.4 LẮNG NƯỚC 2.4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình lắng: Lắng là một khâu xử lý quan trọng trong công nghệ xử lý nước. Là giai đoạn làm sạch sơ bộ trước khi đưa nước vào bể lọc để hoàn thành quá trình làm trong nước. Dựa trên nguyên lý rơi theo trọng lực, việc làm lắng có thể loại bỏ từ 90-99% lượng chất bẩn chứa trong nước. 2.4.1.1 Một số khái niệm cơ bản: - Độ lớn thủy lực của hạt: là tốc độ rơi của hạt trong môi trường tĩnh. - Đường kính tương đương: Đường kính tương của 1 hạt có hình dạng bất kỳ là đường kính của 1 hạt hình cầu có độ lớn thủy lực bằng độ lớn của hạt đó. - Tập hợp hạt đồng nhất ổn định: Là tập hợp hạt trong đó quá trình lắng không thay đổi hình dạng, kích thước và có độ lớn thủy lực không thay đổi. - Tập hợp hạt không đồng nhất, ổn định: Là tập hợp hạt có độ lớn thủy lực khác nhau nhưng do kích thước là hình dạng ổn định nên độ lớn thủy lực không thay đổi. - Tập hợp hạt không đồng nhất, không ổn định: là tập hợp hạt có độ lớn thủy lực khác nhau nhưng do kích thước là hình dạng ổn định nên độ lớn thủy lực không thay đổi. - Tập hợp hạt không đồng nhất, không ổn định: là tập hợp hạt có độ lớn thủy lực khác nhau và thay đổi trong quá trình lắng. 2.4.1.2 Động học của quá trình lắng 1. Lắng tĩnh: Trong môi trường nước ở trạng thái tĩnh, dưới tác dụng của trọng lực các hạt cặn rơi xuống theo phương thẳng đứng. Tốc độ rơi của hạt phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, tỷ trọng của hạt, đồng thời phụ thuộc vào các yếu tố môi trường như lực đẩy nổi, lực cản của nước. Ngoài ra trong quá trình rơi, các hạt cặn tự do có tốc độ rơi khác nhau nên lại tác động lẫn nhau bằng cách cuốn theo hoặc liên kết thành các bông cặn lớn hơn. Nguyễn Lan Phương 50
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP * Lắng tự do của các hạt cặn Xét 1 hạt cặn lý tưởng hình cầu, có mật độ đồng nhất, trong quá trình lắng không thay đổi hình dáng và kích thước, không tham gia vào sự tương tác với các hạt cặn khác. Trong môi trường trường tĩnh tốc độ rơi ban đầu của hạt bằng không. Dưới tác dụng cảu trọng lực, hạt bắt đầu rơi. Tại thời điểm t bất kỳ, hạt chuyển động với tốc độ u (mm/s) theo phương thảng đứng. Các lực tác động lên hạt chuyển động bao gồm: - Lực hút trọng trường πd 3 P = m.g = .(ρ1 − ρ 2 ).g 6 Lực quán tính Fc πd 3 du P = m.a = (ρ1 − ρ2 ). F 6 dt P Lực cản của môi trường nước 2 2 Fc = ϕ0.ρ0.u .d Trong đó: - m : khối lượng riêng của hạt - g : gia tốc trọng trương - a : gia tốc rơi của hạt - d : đường kính của hạt - ρ1, ρ0 : tỷ trọng của cặn và của nước - ϕ : hệ số sức cản cử nước Theo định luật Newton, có thể viết cân bằng lực lên hạt cặn P - Fc = F Hoặc πd 3 πd 2 du .(ρ − ρ ).g − ϕ .ρ .u 2 .d 2 = .(ρ − ρ ). 6 1 2 0 0 6 1 2 dt Từ phương trình cho thấy với 1 hạt cặn có kích thước xác định, tốc độ rơi của hạt sẽ biến đổi theo thời gian tính từ thời điểm hạt bắt đầu rơi. Bằng thực nghiệm, nhiều tác giả xác định được rằng, khi hạt bắt đầu rơi, hạt cặn có tốc độ tăng dần cho đến lúc đạt tốc độ ổn định. Khoảng thời gian tăng tốc đó rất ngắn (0,2 - 0,5s) và được coi như không đáng kể so với tổng thời gian lắng kéo dài (30 phút - vài giờ). Do vậy có thể coi chuyển động đều có tốc độ không đổi và biểu thị bằng phương trình. Nguyễn Lan Phương 51
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP π ρ − ρ u = . 1 0 .gd 6ρ0 ρ0 Hệ số sức cản của nước ϕ0 trong trường hợp này là hệ số Reynol trong trường lắng. Hệ số Reynol được xác định theo công thức: ρ .u.d ud R = 0 = e µ γ Trong đó: - µ : độ nhớt động học của nước - γ : độ nhớt động lực của nước Khi Re thay đổi ϕ0 thay đổi theo. Giá trị Re là đại lượng đặc trưng cho dòng chảy thế chỗ của nước ngược với phương rơi xuống của hạt cặn. Xét theo điều kiện dòng chảy ta có: + Khi Re 2000 dòng chảy ngược của nước là dòng chảy rối hoàn toàn. So với lực đẩy của dòng nước, lực nhớt có giá trị không đáng kể và không ảnh hưởng đến sự chuyển động của hạt cặn. Giá trị ϕ0 không phụ thuộc vào Re mà là 1 hằng số. ϕ0 = 0,4 24 1 < Re < 50 ϕ0 = 4 Re 4.7 1 < Re < 1600 ϕ0 = 3 Re Re < 1600 ϕ0 = 0,4 Thay các giá trị của hệ số sức cản ϕ0 và hệ số Re vào (3.5) ta có: 1 q ρ1 − ρ0 2 Re < 1 u = . .( ).d 18 γ ρ0 0,8 1 q ρ1 − ρ0 0,8 1,4 1< Re < 50 u = . 0,6 .( ) .d 18 γ ρ0 0,6 1 q ρ1 − ρ0 0,6 0,8 50< Re < 1600 u = . 0,2 .( ) .d 2,13 γ ρ0 Nguyễn Lan Phương 52
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 0,5 ρ1 − ρ0 0,5 0,5 1600 u0 mới lắng xuống được đáy bể. Các hạt tốc độ rơi u ≤ u0 sẽ chỉ lơ lửng hoặc bị cuốn theo dòng nước lên phía trên. Hình 2-18: Chuyển động của cặn ở bể lắng đứng trong môi trường động Khi nước xử lý chỉ chứa các hạt cặn tự do, hiệu quả lắng sẽ có giá trị đúng bằng tỷ lệ lượng cặn có tốc độ lắng cao hơn tốc độ dòng nước so với hàm lượng cặn của nước. Tốc độ dòng nước tính theo công thức: Q H u0 = = (m/s) F T0 Trong đó: - Q: lưu lượng nước xử lý (m3/s) - F: diện tích mặt bằng bể lắng (m2) - H : chiều cao bể lắng (m) Nguyễn Lan Phương 53
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - T0 : thời gian nước lưu trong bể lắng, tính bằng thời gian nước từ đáy lên mặt bể (s). Trường hợp nước chứa cặn kết dính (cặn tự nhiên hoặc do keo tụ) hiệu quả lắng đạt trị số cao hơn. Ban đầu các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn tốc độ dòng nước sẽ bị đẩy dần lên, trong quá trình đi lên các hạt cặn kết dính với nhau và tăng dần kích thước cho đến khi tốc độ lắng lớn hơn tốc độ nước và rơi xuống. Như vậy khi lắng keo tụ bằng bể lắng đứng, hiệu quả lắng không chỉ phụ thuộc vào diện tích bể mà còn phụ thuộc chiều cao lắng. Chiều cao lắng thường được xác định bằng thực nghiệm theo hiệu quả lắng yêu cầu. b. Lắng ngang So với lắng đứng, hiệu quả lắng với dòng nước chuyển động theo phương nằm ngang đạt hiệu quả cao hơn. Xét trường hợp bể lắng ngang với điều kiện tối ưu nhất: - Dòng nước chuyển động theo phương ngang trong chế độ chảy tầng, tốc độ dòng chảy tại mọi điểm trong bể đều bằng nhau. Thời gian lưu lại của mọi phân tử nước đi qua bể đều bằng nhau và bằng dung tích bể chia cho lưu lượng dòng chảy. - Trên mặt cắt ngang vuông góc với chiều dòng chảy ở đầu bể, nồng độ các hạt cặn có cùng kích thước tại mọi điểm đều bằng nhau. - Hạt cặn lắng ngừng chuyển động khi chạm đáy bể. Để thỏa mãn các điều kiện trên, trong bể lắng ngang tối ưu phải tồn tại 4 vùng riêng biệt: vùng phân phối đảm bảo đưa nước vào và phân phối đều nước, cặn trên toàn bộ mặt cắt ngang đầu bể; vùng lắng; vùng chứa cặn; vùng thu nước. Xét chuyển động tự do của hạt cặn trong bể lắng ngang, ngoài lực rơi tự do hạt cặn còn chịu lực đẩy theo phương nằm ngang của dòng chảy. Quĩ đạo chuyển động của các hạt cặn tự do là véc tơ tổng hợp 2 lực nói trên. Nếu gọi các kích thước cơ bản của vùng lắng bằng ký hiệu: chiều sâu H; chiều rộng B; chiều dài L thì các giá trị cư bản được biểu thị bằng: H L H.V0 = → u 0 = (*) u0 V0 L Q Q Q u 0 = = (m/s) → F = F BL u 0 Q v = (m/s) (*) 0 B.H Trong đó: - u0 : tốc độ rơi của hạt cặn (m/s) Nguyễn Lan Phương 54
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - v0 : tốc độ chuyển động của dòng nước (m/s) - Q : lưu lượng của dòng nước qua vùng lắng (m3/s) - F : diện tích bề mặt vùng lắng (m2) L Vùng lắng H Q Q Vùng chứa cặn Vùng phân phối Vùng thu nước Hình 2-19: Sơ đồ phân vùng trong bể lắng Từ (*) cho thấy tốc độ lắng cặn (hiệu quả lắng) chỉ phụ thuộc vào diện tích bể mặt bể, hoàn toàn không phụ thuộc vào các yếu tố khác như chiều sâu hoặc thời gian nước lưu lại. Hình 2-20: Sơ đồ quĩ đạo chuyển động của các hạt cặn tự do trong bể lắng ngang Theo sơ đồ hiệu quả lắng bằng tổng tỷ lệ của lượng cặn có tốc độ lắng lớn hơn hoặc bằng tốc độ u0 và 1 phần lượng cặn có tốc độ lắng nhỏ hơn u0 so với hàm lường cặn có trong nước. Hiệu quả lắng của các hạt cặn có tốc độ lắng nhỏ có thể xác định theo tương quan. h u Gn = .100 = .100.(%) H u0 Trường hợp nước chứa cặn kết dính hoặc keo tụ quĩ đạo chuyển động của các hạt cặn lắng là 1 đường cong. Càng xa điểm xuất phát, kích thước các hạt càng tăng lên do quá trình keo tụ, do vậy tốc độ rơi cũng tăng lên. So với cặn tự nhiên, hiệu quả lắng cặn keo tụ cao hơn. Tốc độ lắng cặn không chỉ phụ thuộc vào diện tích mặt bế mà còn phụ thuộc chiều sâu lắng H và thời gian nước lưu lại H trong bể t0 = u0 Nguyễn Lan Phương 55
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Hình 2-21: Sơ đồ quĩ đạo chuyển động của cặn keo tụ trong bể lắng ngang Theo sơ đồ, nếu quá trình keo tụ xảy ra thuận lợi, thì gần như toàn bộ các hạt cặn H có tốc độ lắng u 1000ng/l tạo thành các đám cặn, khi đám mây cặn lắng xuống, nước từ dưới đi lên qua các khe rỗng giữa các bông cặn tiếp xúc với nhau, lực ma sát tăng lên làm hạn chế tốc độ lắng của đám bông cặn nên gọi là lắng hạn chế. 2. Các loại bể lắng: - Lắng tĩnh và lắng theo từng mẻ kế tiếp: + Hồ chứa nước. + Trong công nghiệp sau 1 mẻ sản xuất nước được xả ra, để lắng bớt cặn, được bơm tuần hoàn lại để tái sản xuất. - Bể lắng ngang: bể lắng có dòng nước chảy ngang, cặn rơi thẳng đứng. - Bể lắng đứng: bể lắng có dòng nước chảy đi từ dưới lên, cặn rơi từ trên xuống. - Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng: nước đi từ dưới lên qua lớp cặn lơ lửng được hình thành trong quá trình lắng cặn, cặn dính bám vào lớp cặn, nước trong thu trên bề mặt, cặn thừa đưa sang ngăn nén cặn, từng thời kỳ xả ra ngoài. Nguyễn Lan Phương 56
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Lắng trong các ống tròn hoặc trong các hình trụ vuông, lục lăng đặt nghiêng so với phương ngang 60o : Nước đi từ dưới lên, cặn trượt theo đáy ống. 2.4.2 Bể lắng đứng: Bể lắng đứng nước chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên trên, còn các hạt cặn rơi ngược chiều với chiều chuyển động của dòng nước từ trên xuống. Bể lắng đứng thường có mặt bằng hình vuông hoặc hình tròn, được sử dụng cho trạm có công suất nhỏ (Q ≤3000 m3/ngđ). Bể lắng đứng thường kết hợp với bể phản ứng xoáy hình trụ. Bể có thể xây bằng gạch hoặc bêtông cốt thép. Ống trung tâm có thể là thép cuốn hàn điện hay bê tông cốt thép. D (5) (6) h3 (7) (4) Sang bể lọc nhanh Nước từ bể trộn tới (1) H =H (2) 2 1 (1) Năng phản ứng xoáy (2) Vùng lắng (3) Vùng chứa cặn (4) Ống nước vào (3) (5) Vòi phun o (6) Máng thu h1 40-60 (8) (7) Ông nước ra (8) Ống xả cặn Hình 2-22: Sơ đồ cấu tạo để lắng đứng Nguyên tắc làm việc: Nước chảy vào ống trung tâm giữa bể (ngăn phản ứng) đi xuống dưới vào bể lắng. Nước chuyển động theo chiều từ dưới lên trên, Nguyễn Lan Phương 57
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP cặn rơi từ trên xuống đáy bể. Nước đã lắng trong được thu vào máng vòng bố trí xung quanh thành bể và đưa sang bể lọc. Cặn tích lũy ở vùng chứa nén cặn được thải ra ngoài theo chu kỳ bằng ống và van xả cặn. * Tính toán: 1. Chọn vận tốc dòng nước đi lên bằng độ lớn thủy lực của hạt v = u0 2. Xác định diện tích mặt bằng của bể Q F = β . tt + F (m2) b 3,6.v.n f Trong đó: + β: hệ số sử dụng dung tích của bể (hay hệ số phân bố không đều) phụ thuộc vào đường ính (D) và chiều cao lắng của bể (H2). Bảng 2-4: Bảng xác định hệ số β D(a)/H2 1 1,5 2 2,5 β 1,3 1,5 1,75 2,0 + Chiều cao lắng H2 = 2,6 - 50m s + Qtt : lưu lượng tính toán của trạm (m /h) + v: tốc độ chuyển động của dòng nước đi lên (mm/s) - tốc độ này lấy bằng tốc độ lắng u0 của cặn. Bảng 2-5: Bảng tốc độ rơi u0 Tốc độ rơi của Đặc điểm nước nguồn và phương pháp xử lý cặn u0 (mm/s) 1. Xử lý có dùng phèn - Nước đục ít (hàm lượng cặn (C0 < 50 mg/l 0,35 - 0,45 - Nước đục vừa (hàm lượng cặn (C0 < 50-250 mg/l) 0,45 - 0,50 - Nước đục (hàm lượng cặn C0 = 250-250mg/l) 0,50 - 0,60 2. Xử lý sắt trong nước ngầm 0,60 - 0,65 3. Xử lý nước mặt không dùng phèn 0,12 - 0,15 + n: số bể lắng 2 + ff : diện tích mặt bằng phần phản ứng (m ) Nguyễn Lan Phương 58
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 3. Đường kính của bể lắng. (F +F )4 D = b f (m) π 4. Hệ thống thu nước đã lắng trong ở bể lắng đứng thực hiện bằng hệ thống máng vòng xung quanh bể. 2 Khi Fb > 12m thì làm thêm các ống hoặc máng có đục lỗ hình nan quạt tập trung nước vào máng chính. 2 Fb = (12 - 30) m làm 4 nhánh 2 Fb > 30m làm (6 ÷8) nhánh Hình 2-23: Hệ thống thu nước đã lắng trong ở bể lắng đứng Nước chảy trong ống hoặc máng với vận tốc v = 0,6 - 0,7 m/s Trường hợp không cho chảy tràn mà đục lỗ quanh máng lấy dlỗ = 20 ÷30mm và vlỗ = 1m/s Đường kính ổng xả : Dxả = 150 - 200mm 5. Phần nén cặn: 1 W = h (F +F + F .F ) (m3) c 3 1 1 2 1 2 πh → W = 1 (D2 + d 2 + D.d) (m3) c 12 Trong đó: + h1 : chiều cao phần lắng cặn (m) D − d α h = ( ).cot g (m) 1 2 2 + D : đường kính mặt trên (m) πD 2 + F = (m2) diện tích mặt trên (m2) 1 4 + d : đường kính đáy dưới (m) Nguyễn Lan Phương 59
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP πD 2 + F = (m2) 1 4 6. Thời gian giữa 2 lần xả cặn (chu kỳ xả cặn): W .n.δ T = c tb Qtt (Cmax − m) Trong đó: 3 + Wc : dung tích phần chứa cặn (m ) 3 + Qtt : công suất trạm xử lý (m /h) 2+ Cmax: C0 + 1,92 [ Fe ] + Cp + Cv (mg/l) + m: hàm lượng cặn ra khỏi bể (m ≤ 20 mg/l) + δtb : Nồng độ cặn ép trong ngăn cặn (mg/l) Bảng 2-6 : Nồng độ trung bình (δtb) của cặn ép δtb (mg/l) sau thời gian Cmax (mg/l) 3 giờ 4 giờ 6 giờ 8 giờ (10-12) giờ Đến 100 6500 7500 8000 8500 95000 100 - 400 19000 21500 24000 25000 27000 400 - 1000 24000 25000 27000 29000 31000 1000 - 2000 29000 31000 33000 35000 37000 f: lượng nước dùng cho việc xả cặn. K . W .n P = p c .100 (%) Qtt .T Trong đó: + Kp : hệ số pha loãng khi xả cặn, Kp = 1,15 - 1,2 + T : Thời gian xả cặn (h) + n : số lượng bể lắng 3 + Wc : dung tích phần chứa cặn (m ) 2.5.3 Bể lắng ngang: Bể lắng ngang có dạng hình chữ nhật, có thể làm bằng gạch hoặc bêtông cốt thép. Sử dụng cho các trạm xử lý có Q > 300 m3/ngđ đối với trường hợp xử lý nước có dùng phèn và áp dụng với công suất bất kỳ cho trạm xử lý không dùng phèn. Nguyễn Lan Phương 60
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP (3) (6) (7) Bể ph ản 3 Sang bể lọc ứng (1) (2) (4) (8) (5) (9) Hình 2-24: Sơ đồ cấu tạo bể lắng ngang (1) Ống dẫn nước từ bể phản ứng sang (2) Máng phân phối nước (3) Vách phân phối đầu bể (4) Vùng lắng (5) Vùng chứa cặn (6) Vách ngăn thu nước cuối bể (7) Máng thu nước (8) Ống dẫn nước sang bể lọc (9) Ống xả cặn. * Cấu tạo bể lắng ngang gồm 4 bộ phận chính : - Bộ phận phân phối nước vào bể - Vùng lắng cặn - Hệ thống thu nước đã lắng - Hệ thống thu xả cặn * Căn cứ vào biện pháp thu nước đã lắng người ta chia bẻ lắng ngang làm 2 loại: - Bể lắng ngang thu nước cuối bể: thường kết hợp với bể phản ứng có vách ngăn hoặc bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng. - Bể lắng ngang thu nước bề mặt: thường kết hợp với bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng. Bể lắng ngang thường chia làm nhiều ngăn, chiều rộng mỗi ngăn từ 3 ÷6m. Chiều dài bể không qui định. Khi bể có chiều dài quá lớn có thể cho nước chảy xoay chiều. Để giảm bớt diện tích bề mặt xây dựng có thể xây dựng bể lắng nhiều tầng (2,3 tầng). *Tính toán bể lắng ngang. Nguyễn Lan Phương 61
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 1. Tổng diện tích mặt bằng của bể Q .α F = tt (m2) 3,6.uo Trong đó: 3 + Qtt : công suất của trạm xử lý (m /h) + uo : tốc độ lắng của hạt cặn trong bể lắng ngang (mm/s) + α : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của dòng chảy rối. u α = 0 V u − tb 0 30 Trong đó: Vtb là tốc độ trung bình của dòng chảy theo phương ngang Vtb = K. u0 (m/s) Với K là hệ số phụ thuộc vào tỷ số giữa chiều dài (L) và chiếu cao vùng lắng của bể (H0). Bảng2-7: Bảng xác định K và α L/H0 10 15 20 25 K 7,5 10 12 13,5 α 1,33 1,5 1,67 1,82 Chú ý: Khi tính toán, ban đầu giả thiết tỷ lệ L/H để tính toán xác định. Sau đó kiểm tra lại. 2. Chiều rộng của bể lắng ngang Q B = tt (m) 3,6.Vtb .H 0 .N Trong đó: + H0 : chiều cao vùng lắng của bể (m) , H0 = 2,5 ÷ 3,5m + N : Số bể lắng 3. Chiều dài của bể F L = (m) B 4. Tính toán hệ thống phân phối nước vào bể và thu nước trong. * Để phân phối nước đều trên toàn bộ diện tích bể lắng, cần đặt vách ngăn có đục lỗ ở đầu bể, cách tường (1 ÷2)m. Đoạn dưới của vách ngăn trong phạm vi chiều cao từ 0,3 ÷0,5m) kể từ mặt trên của vùng chứa nén cặn không cần phải khoan lỗ. Các lỗ của ngăn phân phối có thể tròn hoặc vuông, đường kính hay kích thước cạnh 50 x 150mm, vận tốc nước qua lỗ 0,2 ÷0,3 m/s Nguyễn Lan Phương 62
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP ≥ 0,3m H0 0,3 ÷0,5m Hình 2-25: Ngăn phân phối nước Tính toán: - Tổng diện tích lỗ Q 2 Σfläù = (m ) Vläù Trong đó: + Q: lưu lượng nước vào bể (m3/s) + Vlỗ : vận tốc nước qua lỗ (m/s) - Số lỗ Σf n = läù fläù 2 πd läù Trong đó: f = läù 4 * Để thu nước đều, có thể dùng hệ thống máng thu nước ở cuối hay hệ thống ống châm lỗ thu nước bề mặt. Bể lắng ngang thu nước ở cuối dùng máng thu nước như máy phân phối ở đầu bể. Nước sau khi lắng qua tường thu có lỗ vào ngăn thu để dẫn sang bể lọc. Bề rộng ngăn thu có thể bằng hoặc nhỏ hơn ngăn phân phối. Tốc độ nước qua lỗ tường thu V≤0,5m/s. Đối với bể lắng ngang thu nước bề mặt phải thiết kế máng theo hoặc ống có lỗ chảy ngập. Đường kính lỗ dlỗ ≥ 25mm, vận tốc nước chảy qua lỗ Vlỗ = 1m/s. Tốc độ nước chảy cuối máng hoặc ống Vô = 0,6 ÷0,8 m/s. Máng và ống phải chặt trên 2/3 chiều dài của bể lắng. Nước từ máng hoặc ống phải tự chảy vào máng chính. Khoảng cách giữa các trục máng hoặc ống không quá 3m, cách tới tường bể từ (0,5 ÷ 1,5)m. Lưu ý: ống dẫn nước vào bể, ống phân phối và ống dẫn nước ra khỏi bể lắng phải tính toán với khả năng dẫn được lưu lượng nước lớn hơn lưu lượng tính toán từ 20 - 30%. 5. Tính toán hệ thống thu và xả cặn bể lắng Cặn ở bể lắng ngang thường tập trung ở nửa đầu của bể. Vì lượng cặn lớn nên việc xả cặn rất quan trọng. Nếu xả cặn không kịp thời sẽ làm giảm chiều lắng Nguyễn Lan Phương 63
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP của bể. Mặt khác cặn có chứa chất hữu cơ, khi lên men tạo nên bọt khí làm phá vỡ bông cặn và vẫn đục nước đã lắng. - Xả cặn bằng cơ giới Động cơ điện Hệ thống gặt cặn Hình 2-26: Xả cặn bằng cơ giới Bể lắng phải thiết kế dung tích vùng chứa và nén cặn theo kích thước của thiết bị xả cặn. * Ưu: Có khả năng tự động hóa, cơ giới hóa * Nhược: Chi phí điện năng. Ít kinh tế. - Xả cặn bằng thủy lực: Hệ thống thu cặn bằng ống hoặc máng, đảm bảo xả 30-60% lượng cặn trong thời gian 20-40 phút. D 3m Máng xả có lỗ Máng xả có lỗ Hình 2-27: Máng thu cặn Đáy bể lắng giữa ống hoặc máng thu cặn phải cấu tạo hình lăng trụ, với góc nghiêng của các cạnh 45o. Khoảng cách giữa các trục máng không lớn hơn 3m. Vận tốc của cặn ở cuối ống hoặc máng không nhỏ hơn 1m/s, vận tốc qua lỗ Vlỗ = 1,5m/s; đường kính lỗ dlỗ ≥ 25mm khoảng cách giữa các tâm lỗ 300-350m. Σf läù = 0,7 với mức xả cặn 50%. Fäúng (maïng) Nguyễn Lan Phương 64
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Σf läù = 0,5 với mức xả cặn 60%. Fäúng (maïng) * Xác định lượng cặn đã lắng trong bể T.Qtt .(Cmax − m) 3 We = (m ) N.δ tb Trong đó: + T: thời gian làm việc giữa 2 lần xả cặn (h) (6-24 giờ - khi xả cặn bể vẫn làm việc bình thường. + N : Số lượng bể lắng ngang + m hàm lượng căn còn lại trong nước sau lắng (10 -12 mg/l) + δtb : nồng độ trung bình của cặn đã nén. + Cmax: hàm lượng cặn trong nước đưa vào bể lắng. Cmax = Co + K. P + 0,25 M + Lv (mg/l) Trong đó: • Co : hàm lượng cặn trong nước nguồn (mg/l) • P : liều lượng phèn tính theo sản phẩm không ngậm nước (g/m3) • K : độ tinh khiết của phèn Phèn nhôm sạch K = 0,55 Phèn nhôm kỹ thuật K = 1,0 Phèn sắt clorua K = 0,8 • M: Độ màu cảu nước nguồn theo thang platin - coban • Lv : liều lượng vôi kiềm hóa nước (mg/l) * Lượng nước dùng cho việc xả cặn lắng K . W .N P = p c . 100 (%) Qtt .τ Trong đó: + Kp : hệ số pha loãng cặn - Kp = 1,3 ÷ 1,5 + E : thời gian 1 lần xả cặn (h), τ = 8 - 10’ 2.5.4 Bể lắng lớp mỏng: Bể lắng lớp mỏng có cấu tạo giống như bể lắng ngang thông thường, nhưng khác với bể lắng ngang là trong vùng lắng của bể lắng lớp mỏng được đặt thêm Nguyễn Lan Phương 65
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP các bản vách ngăn bằng thép không rỉ hoặc bằng nhựa. Các bản vách ngăn này nghiêng 1 góc 45o - 60o so với mặt phẳng nằm ngang và song song với nhau. * Ưu: Do cấu tạo thêm các bản vách ngăn nghiêng nên bể lắng lớp mỏng có hiệu suất lắng cao hơn bể lắng ngang. * Nhược: - Lắp ráp phức tạp và tốn vật liệu làm vách ngăn. - Do bể có chế độ làm việc ổn định nên đòi hỏi nước đã hòa trộn chất phản ứng cho vào bể phải có chất lượng tương đối ổn định. Theo chiều của dòng chảy bể lắng lớp mỏng được chia làm 3 loại” 1. Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang 2. Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiên ngược chiều 3. Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiên cùng chiều. (4) (1) (2) I-I I (5) (5) (3) (6) I (1) Hình 2-28: Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang 1. Các bản vách ngăn 4. Tường thu nước ra 2. Tường phân phối nước vào 5. Ống dẫn nước sang bể lọc 3. Ống đưa nước vào 6. Ống xả cặn Nước ra Q0 Q0 V 0 Xả cặn Hình 2-29:Nguyên lý làm việc của bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngược chiều. 2.5.5 Bể lắng li tâm (Radian) Nguyễn Lan Phương 66
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Bể lắng li tâm có dạng hình tròn, đường kính từ 5m trở lên. Thường dùng để sơ lắng nguồn nước có hàm lượng cặn cao, Co > 2000 mg/l. Áp dụng cho trạm có công suất lớn Q ≥ 30.000 m3/ngđ. (4) 1. Ống dẫn vào (2) (5) 2. Máng thu nước 3. Cánh gạt bùn bằng cao su 4. Hệ thống cào bùn 5. Ống dẫn nước sang bể lọc 6. Ống xả cặn Nước từ bể trộn tới (6) (1) Hình 2-30: Sơ đồ cấu tạo bể lắng ly tâm * Nguyên tắc làm việc: Nước cần xử lý theo ống trung tâm vào ngăn phân phối, phân phối đều vào vùng lắng. Nước từ vùng lắng chuyển động từ trong ra ngoài và từ dưới lên trên. Cặn được lắng xuống đáy. Nước trong thì được thu vào máng vàng vào máng tập trung theo đường ống sang bể lọc. Để thu bùn có thiết bị gạt cặn gồm dầm chuyển động theo ray vòng tròn. Dầm treo giàn cào thép có các cánh gạt ở phía dưới. Nhờ những cánh gạt này, cặn lắng ở đáy được gạt vào phễu và xả ra ngoài theo ống xả cặn. * Tính toán bể lắng li tâm: 1. Diện tích mặt bằng của bể Q F = 0,21( )1,07 + f (m2) u0 Trong đó: + Q : lưu lượng nước tính toán (m3/h) + u0 : tốc độ lắng tính toán (mm/s), xác định trên cơ sở thực nghiệm - u0 = 0,4 ÷ 1,5 mm/s. + f: diện tích vùng xoáy của bể lắng (m2). * Diện tích vùng xoáy Nguyễn Lan Phương 67
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 2 2 f = π . r x (m ) Trong đó: rx - bán kính vùng xoáy Rx = rp + 1 (m) Rp: bán kính ngăn phân phối nước hình trụ, rp = 2 ÷ 4m (trị số lớn dùng cho bể có công suất lớn, Q ≥ 120000 m3/ ngày đêm). * Bán kính của bể F R = − (m) π 2. Chiều cao bể lắng Trong đó: + h : chiều sâu tại thành bể lắng (m) ; h = 1,5 - 2,5m + i : độ dốc đáy bể ; i = 0,05 ÷ 0,08 2.4.6 Bể lắng trong có tầng cặn lơ lửng * Nguyên tắc làm việc: Nước cần xử lý sau khi đã trộn đều chất phản ứng ở bể trộn (không qua bể phản ứng) theo đường ống dãn nước vào, qua hệ thống phân phối với tốc độ thích hợp vào ngăn lắng. Ở đây sẽ hình thành lớp cặn lơ lửng. (1). Ống phân phối nước vào bể (3) (2). Ngăn lắng (4) (5) (8) (3). Tầng bảo vệ (4). Ống dẫn nước sang bể lọc (5). Cửa sổ thu cặn (6). Ngăn chứa nén cặn (6) (7). Ống xả cặn (2) (8). Ống thu nước trong ở ngăn nén cặn (1) (7) Hình 2-31 Sơ đồ nguyên tắc làm việc của bể lắng trong Một hạt cặn trong lớp cặn lơ lửng chịu tác dụng của lực đẩy của dòng nước đi lên và trọng lượng của bản thân. Khi dòng nước đi lên có vận tốc thích hợp thì hạt cặn sẽ tồn tại ở trạng thái lơ lửng hay còn gọi là trang thái cân bằng động. Thực ra mỗi hạt cặn không ngừng hoạt động, nó chuyển động hỗn loạn nhưng toàn bộ lớp cặn ở trạng thái lơ lửng. Nguyễn Lan Phương 68
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Khi đi qua lớp cặn ở trạng thái lơ lửng, các hạt cặn tự nhiện có trong nước sẽ va chạm và kết dính với các hạt cặn lơ lửng và được giữa lại. Kết quả nước được làm trong. Khi làm việc hạt cặn lơ lửng không ngừng biến đổi về độ lớn và hình dạng do kết dính các hạt cặn trong nước nên lớn dần, mặt khác do tác dụng dòng nước đi lên và do va chạm lẫn nhau nên hạt cặn bị phá vỡ. Như vậy, nếu xét ở 1 thời điểm nào đấy, lớp cặn lơ lửng là 1 hệ phân tán không đồng nhất. Có thể coi kích thước trung bình của cặn lơ lửng không tăng khi giữ nguyên tốc độ của dòng nước đi lên và tính chất của nước nguồn cũng như liều lượng phèn đưa vào nước luôn không đổi. Trong quá trình làm việc, thể tích lớp cặn không ngừng tăng lên. Để có hiệu quả làm trong ổn định phải có biện pháp giữ cho thể tích cặn lơ lửng ổn định. Do đó khi thiết kế bể phải có kết cấu hợp lý để đưa cặn thừa ra khỏi thể tích cặn lơ lửng. Cặn thừa tràn qua cửa sổ sang ngăn nén cặn. Cặn lắng xuống đáy được đưa ra ngoài còn nước bong được thu bằng ống đưa ra ngoài. Thông thường bể lắng trong tầng cặn lơ lửng gồm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn chứa nén cặn. Lớp nước ở phía trên tầng cặn lơ lửng gọi là tầng bảo vệ - không cho cặn lơ lửng bị cuốn theo dòng nước qua máng tràn. Để bể lắng trong làm việc tốt cần lưu ý: - Lưu lượng nước đưa vào bể phải ổn định hoặc thay đổi dần dần trong phạm vi không quá ± 15% trong 1 giờ và nhiệt độ nước đưa vào thay đổi không quá ± 1oC trong 1 giờ. - Nước trước khi đưa vào bể lắng phải qua ngăn tách khí. Nếu không trong quá trình chuyển động từ dưới lên trên, các bọt khí sẽ kéo theo các hạt cặn tràn vào máng thu nước trong làm giảm chất lượng nước sau lắng. * Ưu nhược điểm: - Ưu: + Hiệu quả xử lý cao + Ít tốn diện tích xây dựng + Không cần bể phản ứng, bởi vì quá trình phản ứng và tạo bông kết tủa xảy ra trong điều kiện keo tụ tiếp xúc ngay trong lớp cặn lơ lửng của bể lắng. - Nhược: + Kết cấu phức tạp + Chế độ quản lý chặt chẽ, đòi hỏi công trình làm việc liên tục suốt ngày đêm. + Nhạy cảm với sự dao động lưu lượng và nhiệt độ của nước. Nguyễn Lan Phương 69
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP * Áp dụng: Theo TCXD - 33: 1985 nên áp dụng cho trạm có Q ≤3000 m3/ngđ. * Các loại bể lắng trong Loại 1: Làm việc theo nguyên tắc: Sự ổn định của tầng cặn lơ lửng được đảm bảo đồng thời với thiết bị khuấy trộn cơ học. Bể lắng trong kiểu hành lang có mặt bằng hình chữa nhật hoặc hình vuông, được chia làm 3 ngăn: ngăn nén cặn ở giữa, 2 ngăn lắng 2 bên. Sơ đồ cấu tạo bể lắng trong kiểu hành lang được trình bày trên hình. 8 4 h 3 6 h (b) (a) 3 5 2 0 60-90 60-900 0 0 50-700 60-90 50-70 h 1 h 2 4 Sang bể lọc 1 7 Nguyễn Lan Phương 70
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Hình 2-32: Cấu tạo bể lắng trong kiểu hành lang h0 = Chiều cao không có cặn , h1 = Chiều cao lớp cặn , h2 = Chiều cao lắng a. Ngăn lắng, b. Ngăn nén cặn 1- Ống nước vào, 2- Ống phân phối , 3- Lớp cặn, 4- Máng thu , 5- Cửa sổ thu cặn 6- Lá chắn, 7- Ống xả cặn; 8- Ống thu nước cưỡng bức h1: Chiều cao lớp cặn lơ lửng, tính từ mép dưới cửa sổ thu cặn đến mặt dưới vùng cặn lơ lửng. h1 = 2 + 2,3m. h2: Chiều cao vùng lắng trong (hay tầng bảo vệ), tính từ lớp cặn lơ lửng đến mặt nước, h2 = 1,5 + 2m (nếu nước đục lấy trị số nhỏ, nước có màu lấy trị số lớn). h3: Chiều cao xây dựng, h3 = 0,3 + 0,5m. h4: Chiều cao cửa sổ thu cặn, h4 = 0,2m. h5: Chiều cao từ mép dưới cửa thu cặn đến vị trí chuyển tiếp giữa thành đứng và thành nghiêng của ngăn lắng, h5 = 1 + 1,5m. h6: Chiều cao từ mép dưới cửa sổ thu cặn đến lớp cặn trong ngăn nén cặn h6 ≥ 0,5m. h7: Độ ngập của ống thu nước trong ở ngăn nén cặn. h7 = 0,3 ÷ 0,5m h0: Chiều cao từ mép dưới lớp cặn lơ lửng đến ống phân phối có thể xác định bằng tính toán. Sơ bộ có thể lấy bằng 0,5÷ 1,0m. Góc giữa các tường nghiêng phần đáy của vùng cặn lơ lửng α=50÷70o. Khoảng cách giữa các máng thu hoặc ống thu trong vùng lắng lấy không lớn hơn 3m. Để đảm bảo cặn thừa đưa sang ngăn nén cặn được tốt, cần làm những lá chắn hướng dòng. Lá chắn có thể làm bên ngăn lắng hay bên ngăn nén cặn. Nếu q2 lớn nên làm bên ngăn nén cặn. Tính toán bề lắng trong kiểu hành lang. a. Tính lượng nước dùng để xả cặn ra khỏi ngăn chứa nén cặn tính bằng % lưu lượng nước xử lí). Nguyễn Lan Phương 71
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP K p (Cmax − C) Pc = .100(%) δ tb Trong đó: Kp: Hệ số pha loãng của cặn. Lấy Kp = 1,2 Cmax: Hàm lượng cặn lớn nhất cho vào bể lắng kể cả hóa chất, tính theo công thức. C: Hàm lượng cặn còn lại trong nước sau khi lắng. C = 10 ÷ 12 mg/l. δtb: Nồng độ trung bình của cặn đã được ép chặt trong vùng chứa nén cặn, phụ thuộc vào thời gian nén cặn, lấy theo bảng 2.5. Bảng 2.8: Nồng độ trung bình của cặn ép Hàm lượng chất lơ Nồng độ trung bình của cặn đã ép chặt δtb (mg/l) lửng lớn nhất đưa vào bể (mg/l) 3h 4h 6h 8h 10-12h Đến 100 6400 7500 8000 85000 95000 100 ÷ 400 1900 21500 24000 25000 27000 400 ÷ 1000 24000 25000 27000 29000 31000 1000 ÷ 2500 29000 31000 33000 35000 37000 Thời gian nén cặn lấy từ 3 ÷ 12h. Giá trị nhỏ dùng cho nước có hàm lượng cặn lớn hơn 400 ng/l. Đối với nước có độ màu lớn, độ đục nhỏ, hàm lượng cặn nhỏ hơn 400 mg/l thì thời gian lắng lấy từ 8 ÷ 12h. b. Diện tích toàn phần của bể lắng trong: gồm 2 ngăn lắng và 1 ngăn ép cặn. 2 F = F1 + Fc (m ) K.Q 2 F1 = (m ) 3,6.vl (1− K).Q 2 Fc = (m ) 3,6.vl .α Trong đó: K: Hệ số phân chia lưu lượng giữa ngăn lắng và ngăn nén cặn. Lấy theo bảng 2.7: Bảng 2-9 Tốc độ nước dâng ở ngăn lắng phía Hàm lượng cặn lớn trên lớp cặn lơ lửng v(mm/s) Hệ số phân chia nhất vào bể (mg/l) liều lượng K Mùa hè Mùa đông Đến 20 0,4 ÷ 0,5 0,6 ÷ 0,7 0,65 ÷ 0,8 Nguyễn Lan Phương 72
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 20 ÷ 100 0,5 ÷ 0,6 0,7 ÷ 0,8 0,8 ÷ 0,75 100 ÷ 400 0,6 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,0 0,75 ÷ 0,7 400 ÷ 1000 0,8 ÷ 1,0 1,0 ÷ 1,1 0,7 ÷ 0,65 1000 ÷ 2500 1,0 ÷ 1,2 1,1 ÷ 1,2 0,65 ÷ 0,6 vl : Tốc độ lắng (mm/s) Q: Lưu lượng nước tính toán (m3/h) α: Hệ số giảm tốc độ nước dâng lên ở ngăn chứa nén cặn so với ngăn lắng α = 0,9. Chú ý: Tốc độ cho trong bảng là dùng với phèn nhôm. Nếu dùng với phèn sắt có thể tăng thêm 10%. Khi tính toán diện tích cho bể lắng trong, tính cả cho 2 trường hợp: Tính cho thời kỳ mùa mưa (mùa hè) với hàm lượng cặn và lưu lượng tính toán lớn nhất. Tính cho thời kỳ mùa khô (mùa đông) với hàm lượng cặn nhỏ nhất và lưu lượng trung bình. Sau đó so sánh 2 kết quả tính được, diện tích nào lớn hơn sẽ được chọn. Các kiểu bề lắng trong khác. 2.4.7 Công trình lắng sơ bộ Công trình lắng sơ bộ dùng trong trường hợp nước nguồn có nhiều cặn (> 2500 mg/l) để lắng bớt những cặn nặng gây khó khăn cho việc xả cặn, giảm bớt dung tích vùng chứa cặn bể lắng và giảm liều lượng chất phản ứng. Các công trình lắng sơ bộ như: Bể lắng ngang sơ bộ, hồ lắng tự nhiên hay kết hợp mương dẫn nước từ sông vào trạm bơm cấp I để làm công trình lắng sơ bộ. 1 Bể lắng ngang sơ bộ: Tốc độ lắng cặn từ 0,5 ÷ 0,6 m/s. Các chi tiết tính toán và thiết bị giống bể lắng ngang thu nước cuối bể. 2 hồ lắng tự nhiên: Khi dùng hồ tự nhiên để lắng nước sơ bộ không dùng chất phản ứng thì lấy chiều sâu hồ 1,5 - 3,5m, thời gian lưu nước 2-7 ngày (trị số lớn dùng cho nước có độ màu cao). Tốc độ nước chảy trong hồ không quá 1mm/s. Dự kiến 1 năm tháo rửa hồ 1 lần và có biện pháp cũng như thiết bị tháo rửa hồ như chia hồ làm 2 ngăn xả riêng biệt, lắp đặt bơm hút bùn và đường ống hút bùn. Bờ hồ phải cao hơn mặt đất bên ngoài 0,5m. Nguyễn Lan Phương 73
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 2.5 QUÁ TRÌNH LỌC VÀ BỂ LỌC 2.5.1 Khái niệm chung: Bể lọc được dùng để lọc một phần hay toàn bộ cặn bẩn có trong nước tuỳ thuộc vào yêu cầu đối với chất lượng nước của đối tượng dùng nước. Bể lọc gồm: vỏ bể, lớp vật liệu lọc, hệ thống thu nước lọc và phân phối nước rửa , hệ thống dẫn nước vào bể lọc và thu nước rửa bể lọc. Tốc độ lọc tính bằng m/h là đại lượng biểu thị số lượng nước (m3) lọc qua 1m2 diện tích của lớp vật liệu lọc trong thời gian 1 giờ. Tốc độ lọc được xác định Q V = (m/h) F Q: lưu lượng nước đi vào bể lọc (m3/h) F: diện tích bể lọc (m2) Nước lọc qua bể lọc do hiệu số áp lực ở cửa vào và cửa ra của bể Hiệu suất áp lực của bể lọc hở bằng hiệu số cột mực nước ở trong bể và chiều cao cột nước trong ống thu nước lọc dẫn về bể chứa. Hiệu số áp lực trước và sau lớp vật liệu lọc gọi là tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc Tổn thất áp lực tại thời điểm khi bể lọc ban đầu làm việc gọi là tổn thất ban đầu bằng tổn thất khi lọc nước sạch qua lớp vật liệu lọc sạch Tổn thất áp lực ban đầu trong lớp vật liệu lọc phụ thuộc vào tốc độ lọc, độ nhớt của nước, kích thước và hình dạng của nước lỗ rỗng trong lớp vật liệu lọc, chiều dày lớp vật liệu lọc. Trong quá trình lọc số lượng cặn bẩn trong nước do vật liệu lọc giữ lại ngày càng tăng, cho nên tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc cũng không ngừng tăng lên, khi đến 1 trị số giới hạn lớp vật liệu lọc bị nhiễm bẩn hoàn toàn. vật liệu lọc có thể là các hạt hoặc lưới cứng, màng lọc hoặc gạch xốp Khi tổn thất áp lực trong lớp lọc đạt được trị số giới hạn hoặc khi chất lượng nước lọc xấu hơn quy định thì sửa lớp vật liệu lọc bằng nước hoặc bằng các biện pháp có học khác. 1. Phân loại bể lọc: * Theo đặc điểm vật liệu lọc được chia ra: - Vật liệu lọc dạng hạt: hạt cát, thạch cát, thạch anh nghiền, than antraxit, đá hoa macnetit (Fe3O4) được ứng dụng rộng rãi và phổ biến nhất - Lưới lọc: lớp lọc có lưới có mắt lưới đủ bé để giữ lại các cặn bẩn trong nước. Dùng làm sạch sơ bộ hoặc để lọc ra khỏi nước phù su, rong Nguyễn Lan Phương 74
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Màng lọc: lớp lọc là vải bong, sợi thuỷ tinh, sợi nilông, màng nhựa xốp. Màng lọc dùng trong bể cấp nước lưu động. * Tuỳ theo tốc độ lọc, bể lọc có hạt vật liệu lọc hạt chia ra - Bể lọc chậm: Với tốc độ lọc 0,1- 0,5m/h - Bể lọc nhanh: Với tốc độ lọc 2 - 15 m/h - Bể lọc cực nhanh: Với tốc độ lọc > 25m/h * Theo độ lớn của hạt vật liệu lọc chia ra: - Bể lọc hạt bé (ở bể lọc chậm) kích thước hạt của lớp trên cùng d 0,8mm dùng để lọc sơ bộ Bể lọc nhanh có thể là hạt đồng nhất về kích thước và trọng lượng riêng (cát thạch anh) hoặc có thể vật liệu hạt không đồng nhất (bể lọc 2 lớp: lớp trên là than antraxit, lớp dưới là cát thạch anh). Bể lọc chậm nước chảy từ trên xuống dưới. Bể lọc nhanh hướng hướng chuyển động thuộc nước qua vật liệu lọc có thể khác nhau (trên →xuống dưới, dưới lên ở bể lọc tiếp xúc, từ trong ra, từ trên xuống ở bể lọc 2 chiều). Khi lọc nước, tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc tăng lên, còn độ chênh áp lực của bể lọc không đổi nên vận tốc lọc giảm dần. Bể lọc có thể làm việc với tốc độ lọc tăng dần (tốc độ lớn ở đầu chu kỳ, tốc độ bé ở cuối chu kỳ) hoặc vận tốc cố định trong suốt chu kỳ lọc (cố định tốc độ bằng thị điều chỉnh tốc độ lọc). 2. Vật liệu của bể lọc hạt Yêu cầu: - Đảm bảo thành phần hạt theo yêu cầu phân loại - Đảm bảo mức đồng nhất về kích thước hạt - Đảm bảo độ bền cơ học - Đảm bảo độ bền hoá học đối với nước lọc - Rẻ, thuận tiện trong khai thác, vận chuyển Độ lớn và độ đồng nhất của hạt trong lớp vật liệu lọc xác định bằng phân tích rây trên 1 số cỡ rây khác nhau. a. Đường kính tương đương của hạt VLL xác định theo công thức: 100 d td = pi ∑ di Pi: số % lượng cát (tính theo trọng lượng) còn lại trên rây có đường kính ≥ mắt rây tương ứng di Nguyễn Lan Phương 75
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP b. Hệ số không đồng nhất của lớp VLL d K = 60 d10 d10 : kích thước của cỡ rây khi sàng cho lọt qua 10% tổng số hạt d60 : kích thước của cỡ rây khi sàng cho lọt qua 60% tổng số hạt c. Đường bình trung bình hạt vật liệu lọc : d50 d. Độ bền cơ học: là chỉ tiêu chất lượng quan trọng vì nếu vật liệu lọc có độ bền cơ học không đạt yêu cầu khi rửa lọc, các hạt nằm trong tình trạng hỗn loạn, va chạm vào nhau sẽ bị bào mòn và vỡ vụn,làm rút ngắn thời gian của chu kỳ lọc. và chất lượng nước lọc xấu đi. Độ bền cơ học của vật liệu lọc đánh giá bằng 2 chỉ tiêu: độ bào mòn, độ vỡ vụn * Xác định bào mòn và vỡ vụn: Lấy 100g lọt qua rây cỡ 1mm và còn lại trên rây 0,5mm đã được sấy khô, cho vào bình thuỷ tinh có 150m nước cát → lắc đều trong 24 giờ trên máy rung thí nghiệm. Sau 24h, lấy vật liệu lọc ra, sấy khô ở to = 105oC đến trọng lượng không đổi - Độ bào mòn được xác định bằng số % trọng lượng hạt của mẫu thử qua rây cỡ 0,25m. - Độ vỡ vụn được xác định bằng số % trọng lượng hạt của mẫu thử qua rây cỡ 0,5m nhưng nằm trên rây cỡ 0,25m Hạt vật liệu lọc có độ bền cơ học đảm bảo khi độ vỡ vụn ≤ 4% Hạt vật liệu lọc có độ bền cơ học đảm bảo khi độ mài mòn ≤ 0,5% e. Độ bền hoá học: là chỉ tiêu quan trọng, đảm bảo cho nước lọc không bị nhiễm bẩn bởi các chất có hại cho sức khoẻ con người hoặc có hại cho quy trình công nghệ của sản phẩm nào đó khi dùng nước. Cách xác định: Lấy 3 bình thí nghiệm, cho vào mỗi bình 10g vật liệu lọc cần thử đã rửa sạch và sấy khô ở 60oC, sau đó rót vào mỗi bình 500ml nước cất. Pha vào bình thứ 1: 250mg NaCl (môi trường trung tính), bình thứ 2: 100mg HCl (môi trường acid); bình chứa 3: 100mg NaOH (môi trường kiềm) Cứ sau 4giờ lắc các bình thí nghiệm một lần. Sau 24giờ đem lọc qua giấy lọc. Phân tích nước lọc thuộc 3 mẫu để tìm các chỉ tiêu: cặn hoà tan, độ oxy hoá, nồng độ H2S. Vật liệu lọc có độ bền hoá học khi: - Hàm lượng cặn hoà tan ≤ 20mg/l Nguyễn Lan Phương 76
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Độ oxy hoá ≤ 10mg/l - Hàm lượng acid Silicxic ≤ 10mg/l 3. Vật liệu đỡ: Vật liệu đỡ đặt giữa lớp vật liệu lọc và hệ thống thu nước lọc. Chức năng của lớp đỡ là ngăn không cho hạt vật liệu lọc chui qua lỗ của hệ thống ống thu nước ra ngoài; vật liệu đỡ còn có tác dụng phân phối đều nước rửa theo diện tích của bể lọc. Sỏi và đá dăm dùng làm lớp đỡ phải có độ bền cơ học và hóa học và không chứa ≥ 10% hạt là đá vôi. DmaxVL đỡ ≤ 2 Dmin VL đỡ Dmin của lớp trên cùng vật liệu đỡ ≤ 2 D vật liệu lọc Chiều dày của các lớp đỡ trong bể lọc dùng hệ thống ống khoan lỗ để phân phối nước rửa lọc trở lực lớn chọn theo số liệu sau: Bảng 2-10: Chiều dày lớp đỡ Độ lớn hạt (mm) Chiều dày lớp đỡ (mm) 16 - 32 Mặt trên thuộc lớp này cao hơn lỗ của hệ thống ống phân phối nước 100mm 8 - 16 100 4 - 8 100 2 - 4 50 Lưu ý: Lớp đỡ làm tăng chiều cao của bể lọc, do đó làm tăng giá thành xây dựng bể. Mặt khác khi rửa lọc, lớp đỡ có thể bị xáo trộn, gây ra các hố lồi lõm trên mặt bể lọc, phá hoại sự làm việc bình thường của bể lọc. Do đó khi thiết kế bể lọc tốt nhất là dùng hệ thống phân phối nước rửa lọc có thể để trực tiếp vật liệu lọc lên trên mà không cần lớp đỡ 4. Lý thuyết cơ bản của quá trình lọc nước: Khi lọc nước có chứa các hạt cặn bẩn qua lớp vật liệu lọc có thể xảy ra các quá trình sau: - Cặn bẩn chứa trong nước lắng đọng thành màng mỏng trên bề mặt của lớp vật liệu lọc - Cặn bẩn chứa trong nước lắng đọng trong các lỗ rỗng của lớp vật liệu lọc - Một phần cặn lắng đọng trên bề mặt tạo thành màng lọc, một phần thì lắng đọng trong các lỗ rỗng của lớp vật liệu lọc . Nguyễn Lan Phương 77
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP a. Quy luật của quá trình lọc nước qua màng lọc tạo ra trên bề mặt lớp cát (bể lọc chậm) Giả thiết các hạt cặn giữ lại trên màng lọc là không nén được và có thể tích bằng nhau bằng thể tích của hạt hình cầu đường kính d Kết quả nghiên cứu tổn thất áp lực qua màng lọc: MV (1− P)2 H = K . .L (mét cột nước) P Φ2d2 P3 Trong đó: - d: đường kính hạt cặn - Φ: hệ số hình dạng của cặn - Kp: hệ số đặc trưng cho tính chất thuộc cặn - µ: độ nhớt động học của nước - V: vận tốc lọc - P: độ rỗng của màng lọc - L: chiều dày của màng lọc * Tổn thất qua màng lọc H ở thời điểm bất kỳ kể từ đầu chu kỳ lọc 2 H = β.µ.M.V .T + Ho (m) Trong đó: - Ho: tổn thất áp lực trong lớp cát sạch (tổn thất ban đầu thuộc bể lọc) - β: tổn thất đơn vị của cặn 2 H = β.µ.M.V .T + Ho (m) - M: khối lượng cặn (tấn) * Thời gian 1 chu kỳ lọc H − H T = 1 o (h) o β.µ.M.v2 H1 : độ chênh áp của bể lọc theo thiết kế Đa số cặn tạo ra khi sử lý nước là cặn nén được. Độ rỗng của chúng giảm khi tăng độ chênh áp lực qua màng lọc, tổn thất đơn vị của cặn β tăng lên khi chiều dày và tổn thất áp lực qua màng tăng tên n β = βo . H n: chỉ số nén Khi n≠ 1 ⇒ 1−n 1−n H1 − Ho To = 2 (h) (1− n)µ.βo.M.V n, βo đặc trưng cho tổn thất của cặn xác định bằng thực nghiệm Nguyễn Lan Phương 78
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP b. Quy luật của quá trình lọc nước qua lớp vật liệu lọc giữ cặn bẩn trong các lỗ rỗng (lọc nhanh) * Khi lọc nước qua vật liệu lọc , cặn bẩn bị lớp vật liệu lọc giữ lại, còn nước được làm trong, cặn tích luỹ dần trong các lỗ rỗng làm tăng tổn thất thuỷ lực của lớp lọc. Lọc trong nước là quá trình làm việc cơ bản của bể lọc, còn tăng tổn thất áp lực của lớp vật liệu lọc là quá trình đi kèm với quá trình lọc. Nên cả 2 quá trình cần phải tính đến khi tính toán, thiết kế và quản lý bể lọc. Hiệu quả lọc của lớp lọc là kết quả của 2 quá trình ngược nhau: quá trình tách cặn bẩn ra khỏi nước và gắn lên bề mặt hạt dưới tác dụng lực dính kết và quá trình tách các hạt cặn bẩn đã bám lên bề mặt của hạt để chuyển chúng ngược vào nước dưới tác dụng của lực thuỷ động. Quá trình lọc xảy ra cho đến khi mà cường độ dính kết các hạt cặn bẩn vào bề mặt hạt > cường độ tách chúng Do quá trình tích luỹ ngày càng nhiều cặn bẩn trong các lỗ rỗng của cát lọc, cường độ tách cặn do lực thuỷ động gây ra ngày càng tăng. * Các hạt cặn không có khả năng dính kết lên bề mặt lớp vật liệu lọc , sau thời gian lọc, số lượng cặn tích luỹ trong lớp vật liệu lọc tăng lên, số lượng cặn đã bám vào bề mặt các hạt cát lọc bị dòng nước đẩy xuống dưới cũng ngày càng tăng và cai trò các lớp vật liệu nằm gần sát bề mặt trong quá trình lọc giảm dần 2.3.4.2 Bể lọc chậm: Tốc độ lọc VL = 0,1-0,5m/h 1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc 5 Næåïc vaìo 1 6 4 2 3 Sang bãø chæïa 7 8 Nguyễn Lan Phương 79
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Hình 2-33: Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc làm việc của bể lọc chậm 1. Đường dẫn nước vào bể; 2. Cát lọc; 3. Lớp vật liệu đỡ 4. Máng phân phối; 5. Máng thu nước rửa 6. Tháo nước rửa bể; 7. Hệ thống thu nước sau lọc 8. Xả khô bể Nước từ máng phân phối đi vào bể qua lớp cát lọc với vận tốc rất nhỏ (0,1÷0,5)m/h. Lớp cát lọc thường là cát thạch anh. Cát lọc được đổ trên lớp sỏi đỡ, dưới lớp sỏi đỡ là hệ thống thu nước đã lọc sang bể chứa nước sạch. * Chiều dày lớp cát lọc và lớp sỏi đỡ theo TCXD - 33:1985 ghi trong bảng Bảng 2-11: Cấu tạo lớp cát lọc và lớp sỏi đỡ trong bể lọc chậm Tên vật liệu lọc và lớp đỡ Cỡ hạt của vật liệu Chiều dày lớp vật liệu (mm) (mm) Cát thạch cao 0,3 - 1 800 Cát thạch anh 1 - 2 50 Sỏi hoặc đá dăm 2 - 5 100 Sỏi hoặc đá dăm 5 - 10 100 Sỏi hoặc đá dăm 10 - 20 100 Sỏi hoặc đá dăm 20 - 40 100 1.300 * Hệ thống thu nước: chọn theo diện tích mặt bằng của bể - Khi bể lọc chậm có diện tích từ 10-15m2 → thu nước bằng màng đặt chìm dưới đáy bể - Khi diện tích bể lọc chậm lớn hơn 15m2 →hệ thống thu nước bằng ống đục lỗ bằng gạch hoặc ống bêtông có khe hở, ống bêtông rỗng * Lớp nước trên mặt cát lọc lấy bằng 1,5m. Khi bể lọc có mái che, khoảng cách từ mặt cát lọc đến mái phải đảm bảo việc rửa và thay thế cát lọc. * Bể lọc chậm có thể xây bằng gạch hoặc bêtông cốt thép có dạng hình chữ nhật hoặc vuông. Chiều rộng mỗi ngăn của bể không được lớn hơn 6m và bề dài không lớn hơn 60m. Số bể lọc chậm không ít hơn 2 Đáy bể có độ dốc 5% về phía van xả đáy Khi có nhiều bể phải có hệ thống máng phân phối để đảm bảo phân phối nước đều vào mỗi bể Nguyễn Lan Phương 80
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP * Ưu, nhược điểm - Ưu: + Khi cho nước qua bể lọc với vận tốc nhỏ (0,1-0,3m/h), trên bề mặt cát dần dần hình thành màng lọc. Nhờ màng lọc hiệu quả xử lý cao, 95-99% cặn bẩn và vi trùng có trong nước bị giữ lại trên màng lọc + Xử lý nước không dùng phèn do đó không đòi hỏi sử dụng nhiều máy móc, thiết bị phức tạp + Quản lý, vận hành đơn giản - Nhược + Diện tích lớn do tốc độ lọc chậm + Khó tự động hoá và cơ giới hoá, phải quản lý bằng thủ công nặng nhọc * Áp dụng + Dùng cho trạm có công suất nhỏ Q ≤ 1000m3/mgđ, hàm lượng cặn ≤ 50mg/l, độ màu ≤ 50o. + Khi phục hồi không lấy cát ra (xới bằng cơ khí và rửa bằng nước) có thể áp dụng cho n/m có Q ≤ 30.000m3/ngđ, hàm lượng cặn ≤ 700mg/l, độ màu đến 50o 2. Rửa bể lọc chậm: Có thể rửa bằng thủ công hoặc bán cơ giới - Rửa bằng thủ công: Ngăn không cho nước vào bể, để cho nước lọc rút xuống dưới mặt cát lọc khoảng 20cm, dùng xẻng xúc 1 lớp cát trên bề mặt dày 2- 3m, đem đi rửa, phơi khô. Sau khoảng 10-15 lần rửa, chiều dầy lớp cát lọc còn lại khoảng 0,6-0,7m thì xúc toàn bộ số cát còn lại đem đi rửa và thay cát sạch vào đúng bằng chiều dày thiết kế - Rửa bằng bán cơ giới: ngừng làm việc bể lọc (không cho nước trong chảy ra). Cho nước vào bể chảy ngang bề mặt nước (cường độ 1÷2l/sm2), dùng dụng cụ vào khuấy. Cặn theo đường nước cuốn vào máng thu ở cuối bể * Quản lý vận hành: Trước khi cho bể vào làm việc, phải đưa nước vào bể qua ống thu nước ở dưới và dâng dần lên nhằm dồn hết không khí ra khỏi lớp cát lọc. Khi mực nước dâng lên trên mặt cát lọc từ 20-30cm thì ngừng lại và mở van cho nước nguồn vào bể đến ngang cao độ thiết kế. Mở van điều chỉnh tốc độ lọc và điều chỉnh cho bể lọc làm việc đúng tốc độ tính toán Trong quá trình làm việc, tổn thất qua bể lọc tăng dần lên, hàng ngày phải điều chỉnh van thu nước 1 lần để đảm bảo tốc độ lọc ổn định. Khi tổn thất áp lực đạt đến trị số giới hạn 1-2 thì ngừng vận hành rửa bể 3. Tính toán bể lọc chậm: - Diện tích bể lọc chậm Nguyễn Lan Phương 81
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Q F = (m2) V Trong đó: + Q: lưu lượng nước xử lý (m3/h) + V: tốc độ lọc (m/h), tốc độ lọc phụ thuộc hàm lượng cặn lấy theo bảng 2 - Số bể lọc: Sơ bộ chọn bể theo công thức: ⎛ N ⎞ ⎜ ⎟.V ≤ Vtc ⎝ N −1⎠ Trong đó: + N: số bể lọc + Vtc: tốc độ lọc tăng cường - tốc độ làm việc của bể khi có 1 bể ngừng làm việc để rửa hoặc sửa chữa Bảng 2-12: Tốc độ lọc trong bể lọc chậm Hàm lượng cặn trong nước Tốc độ lọc (m/h) nguồn đưa vào bể (mg/l) Khi làm việc bình thường, V Khi bể làm việc tăng cường, Vtc ≤ 25 0,3 - 0,4 0,4 - 0,5 >25 0,2 - 0,3 0,3 - 0,4 Khi sử lý nước ngầm 0,5 0,6 - Chiều cao toàn phần của bể: H = ht + hđ + hc + hn + hp (m ) Trong đó: + ht : chiều dày lớp sàn đáy thu nước lọc từ 0,3 - 0,5m + hđ : chiều dày lớp sỏi đỡ (m) + hc : chiều dày lớp cát (m) + hn : chiều cao lớp nước (0,8 - 1,8)m, thường lấy 1,5m + hp : chiều cao dự phòng (m), 0,3 - 0,5 m - Cường độ rửa lọc: q . n q = o ∑ (l/s.m2) r 3,6 Trong đó: 2 3 2 + qo : lượng nước lọc qua 1m bể trong 1 giờ (m /m .h) + Σn: tổng số ngăn tập trung nước để rửa Cường độ rửa tính toán phải nằm trong giới hạn 1-2l/s.m2 Nguyễn Lan Phương 82
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP - Dung tích nước cho 1 lần rửa 1 ngăn lọc q .f .t W = r n r (m3) r 1000 Trong đó: + fn : diện tích 1 ngăn cần rửa b f = .l n n b: chiều rộng 1 bể (m) l : chiều dài bể (m) n : số ngăn trong 1 bể + tr : thời gian rửa 1 ngăn lọc (giây) Tr = 10 - 20 phút 2.3.4.3 Bể lọc nhanh trọng lực: (bể lọc nhanh phổ thông) 1. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc: Hình 2 -34: Bể lọc nhanh trọng lực 2 1. ÄÚng dáùn næåïc vaìo bãø bv H (tæì bãø làõng sang) 2. Maïng phán phäúi næåïc loüc 3 vaì thu næåïc ræía loüc r H 3. Maïng phuû phán phäúi næåïc 1 loüc vaì thu næåïc ræía loüc 4. Låïp váût liãûu loüc 4 L 9 5. Låïp váût liãûu âåî H 6. Saìn âåî chuûp loüc 5 7. ÄÚng thu næåïc trong vãö d bãø chæïa H 6 13 8 8. ÄÚng cáúp næåïc ræía bãø 11 loüc 12 10 7 9. ÄÚng xaí næåïc ræía loüc 10. Van xaí næåïc loüc âáöu 11. Cæía quaín lyï (D = 500- 600mm) 12. Háöm thu næåïc (cao 1m) ÄÚ Nguyễn Lan Phương 83
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Nguyên tắc làm việc của bể lọc nhanh - Khi lọc : Nước qua bể lọc chuyển động theo chiều từ trên xuống, qua lớp vật liệu lọc, sỏi đỡ vào hệ thống thu nước trong và được đưa về bể chứa nước sạch. Khi làm việc mở van 1,7; các van khác đều đóng Cơ chế của quá trình lọc: do hạt vật liệu lọc lớn nên khe hở giữa các hạt vật liệu lọc lớn do đó các hạt cặn được giữ lại trong lòng vật liệu lọc theo cơ chế lọc nhanh. Sức cản thuỷ lực tăng dần dẫn đến công suất của bể giảm. Lúc này phải tiến hành rửa bể lọc. - Rửa bể lọc: + Rửa nước thuần tuý: nước rửa do bơm hoặc đài cung cấp, nước chuyển 2 động ngược từ dưới đáy bể lên. Lưu lượng nước rửa qr = 15 - 20l/s.m Đóng van 1,7 _ bể ngừng làm việc. Nếu dùng máng 2 tầng đóng van tầng trên lại, mở van 8,9 nước qua hệ thống phân phối phun qua lớp đỡ, lớp vật liệu lọc ở trạng thái lơ lửng, nước kéo theo các cặn bẩn tràn vào máng thu nước rửa, thu về máng tập trung rồi theo van 9 xả ra ngoài mương thoát nước Quá trình rửa được tiến hành đến khi nước rửa hết đục thì ngưng rửa + Rửa gió nước kết hợp: Bước 1: Hạ nước xuống mực nước cách mặt cát 20cm (đóng van 1, mở van 7 đến lúc mực nước cách cát 20cm thì đóng van 7 lại) 2 Bước 2: Sục gió rửa (mở van 13) với lưu lượng gió, qg = 15 - 20l/s.m trong thời gian 2-3 phút. Gió có nhiệm vụ làm tơi cặn bám vào xung quanh hạt vật liệu lọc. 2 Bước 3: Mở van 8,9 cho nước vào từ từ với cường độ qn = 8-10l/s.m . Thời gian 2-3 phút, cho đến lúc thấy nước trong Sau khi rửa bể lọc để bể lọc hoạt động vào chu kỳ mới, đóng van 8,9; mở van 1, mở van 10 để xả nước lọc đầu chu kỳ do chất lượng nước chưa đảm bảo. Thời gian xả nước lọc đầu quy định 6-10 phút. Sau đó đóng van 10 lại, mở van 7 ra. 2. Tính toán bể lọc nhanh Bể lọc nhanh được tính toán theo 2 chế độ: chế độ làm việc bình thường và chế độ làm việc tăng cường Trong trạm xử lý có số bể lọc đến 20, cần dự tính ngừng 1 bể lọc để sửa chữa. Khi trạm có số bể lọc lớn hơn 20 bể, cần dự tính ngưng 2 bể để sửa chữa đồng thời. a. Diện tích các bể lọc của trạm xử lý Nguyễn Lan Phương 84
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Q F = (m2) T.Vbt − 3,6w.t1 − a.t 2.Vbt Trong đó: + Q : công suất trạm xử lý (m3/ngđ) + T : thời gian làm việc của trạm trong 1 ngày đêm (giờ) + Vbt : tốc độ lọc tính toán ở chế độ làm việc bình thường (m/h), lấy theo bảng 2 + a : số lần rửa bể lọc trong 1 ngày đêm ở chế độ làm việc bình thường + w : cường độ rửa lọc (l/s.m2) + t1 : thời gian rửa lọc (giờ) + t2 : thời gian ngừng bể lọc để rửa (kể cả xả nước lọc đầu), t2 = 0,35giờ Bảng 2-13: Tốc độ lọc ở chế độ làm việc bình thường và tăng cường Tốc độ lọc Đặc trưng của lớp vật liệu lọc VL(m/h) Chiều dày Ở chế Ở chế Đường Kiểu Đường Đường Hệ số của lớp vật độ độ kính bể lọc kính nhỏ kính lớn không liệu học bình tăng tương nhất, nhất, đồng (mm) thường cường đương, d (mm) d (mm) nhất K V V min max d (mm) bt tc td (m/h) (m/h) Bể lọc Cát thạch 0,5 1,25 0,7÷0,8 2÷2,2 5,5÷6 6÷7,5 nhanh anh 1 lớp 700÷800 vật 0,7 1,6 0,8÷1,0 1,8÷2,0 1200÷1300 7,0÷8 8-10 liệu lọc với cỡ 0,8 2,0 1,0÷1,2 1,5÷1,7 1800÷2000 8÷10 10-12 hạt khác nhau Bể lọc Cát thạch 0,5 1,25 0,7÷0,8 2÷2,2 8÷10 10÷12 nhanh anh có 2 700÷800 lớp 0,8 1,8 1-1,2 2÷2,2 Ăngtraxit Nguyễn Lan Phương 85
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP vật liệu 400-500 lọc Xác định số lượng bể lọc và diện tích 1 bể lọc phải căn cứ vào quy mô sản xuất, điều kiện cung cấp thiết bị, điều kiện xây dựng và quản lý Số lượng bể phải không được nhỏ hơn 2. Diện tích 1 bể lọc không quá 100m2 - Số lượng bể có thể xác định theo công thức thực nghiệm N = 0,5 F - Diện tích 1 bể lọc F f = (m2) N - Tốc độ lọc tính toán theo chế độ làm việc tăng cường xác định theo công thức N Vtc = Vbt . (m/h) N − N1 Trong đó: + Vtc : tốc độ lọc tăng cường (m/h) + N1 : số bể lọc ngừng làm việc Trị số Vtc phải nhỏ hoan hoặc bằng trị số Vtc cho phép theo bảng 2-. Nếu vượt quá chỉ số cho phép thì phải giảm Vbt cho thích hợp - Chiều cao bể lọc nhanh H = Hđ + HL + Hn + hbv (m) Trong đó: + Hđ : chiều dày lớp đỡ (chiều cao từ đáy bể lọc cho đến mặt trên của lớp vật liệu đỡ) (m) + HL : chiều dày lớp vật liệu lọc chọn theo bảng 2- + Hn : chiều cao lớp nước trên lớp vật liệu học, Hn = 1,5 - 2,0n + Hbv : chiều cao từ mặt nước đến mặt bể lọc, Hbv ≥ 0,3m Bảng 2-14: Chiều dày các lớp đỡ Cỡ hạt lớp đỡ Chiều dày các lớp đỡ (mm) 40÷20 Mặt trên lớp này cao bằng mặt trên của ống phân phối nhưng phải cao hơn lỗ phân phối ít nhất là 100mm 20÷10 100÷150 Nguyễn Lan Phương 86
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 10÷5 100÷150 5÷2 50÷100 Chú ý : * Khoảng cách từ đáy ống phân phối đến đáy bể lọc: 80÷100mm * Khi rửa gió, nước kết hợp cần lấy chiều dày lớp đỡ cỡ hạt 10÷5mm và 5÷2mm bằng 150-200mm cho mỗi lớp b. Hệ thống phân phối nước rửa lọc và thu nước lọc: * Nhiệm vụ: phân phối đều nước rửa trên toàn bộ diện tích bể lọc Hệ thống phân phối nước chia làm 2 loại: hệ thống phân phối trở lực nhỏ và hệ thống phân phối trở lực lớn * Hệ thống phân phối trở lực nhỏ: bao gồm giàn ống phân phối và sàn phân phối - thể hiện ở hình 2-35 5 1 6 2 3 4 Hình 2-35 Hệ thống phân phối trở lực nhỏ 1- Cát lọc; 2- Lớp sỏi đỡ; 3- Sàn phân phối; 4- Ống phân phối nước rửa lọc; 5- Máng thu nước rửa lọc; 6- Ống xả nước rửa lọc Hệ thống phân phối trở lực nhỏ ít được sử dụng vì phân phối nước không đều do tốc độ của dòng nước bên trong hệ thống phân phối nhỏ. * Hệ thống phân phối trở lực lớn + Hệ thống phân phối trở lực lớn gồm giàn ống phân phối có ống chính và các ống nhánh đấu với nhau theo dạng hình xương cá. Giàn ống phân phối được đặt trong lớp sỏi ở sát đáy bể Nguyễn Lan Phương 87
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Diện tích tiết diện ngang của ống chính phân phối phải lấy cố định cho cả chiêu dày. Tốc độ nước chảy trong ống dẫn nước rửa đến bể lọc không quá 2m/s. Tốc độ nước chảy ở đầu ống phân phối chính 1-1,2m/s và ở đầu các ống nhánh là 1,8-2,0m/s Các ống nhánh được khoan 2 hàng lỗ so le ở nửa bên dưới có hướng tạo thành 45o so với phương đứng. Đường kính lỗ 10-12mm. Tổng diện tích các lỗ cần lấy bằng (30-35)% diện tích tiết diện ngang của ống chính. Khoảng cách giữa các trục của ống nhánh: 250-300mm Khoảng cách giữa các tim lỗ: 200-300mm ÄÚng nhaïnh ÄÚng chênh Läù Läù 4 5° 45° ÄÚng nhaïnh 250-300mm 200-300mm Hình 2-36: Giàn ống phân phối nước rửa lọc Tính toán 2 πdlo Từ đường kính dlỗ = 10-12mm, xác định được flỗ = 4 Từ tốc độ nước chảy trong ống phân phối chính và lưu lượng tính toán → xác định được tiết diện của ống chính 2 Qr πDc 2 Fc = = (m ) Vc 4 2 2 πDc (0,3÷ 0,35)Dc Σflỗ = n.f1lỗ = (30-35)% → Số lỗ n = 2 4 d1lo Trong đó: + Qr : lượng nước cần thiết để rửa lọc f.W Q = (m3/s) r 1000 Nguyễn Lan Phương 88
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP + f : diện tích 1 bể lọc (m2) + W : cường độ rửa lọc (l/s.m2) Sau khi đã xác định được số lỗ cần thiết, bố trí chúng theo 2 hàng so le Tổn thất áp lực qua hệ thống phân phối V2 V2 ⎛ 2,2 ⎞ V2 V2 Σh = ξ. c + n = ⎜ +1⎟ c + n (m) ff ⎜ 2 ⎟ 2g 2g ⎝ Ka ⎠ 2g 2g Σflo Trong đó: K co = = (0,2 ÷ 0,3) Fbe Chú ý: Để thoát khí cho ống có trở lực lớn cần phải bố trí ống xả khí kể từ cuối ống đi lên. Trong trường hợp rửa bằng gió và nước kết hợp, giàn ống phân phối gió có cấu tạo tương tự giàn ống phân phối nước, thường đặt trong lớp sỏi đỡ ở phía trên giàn phân phối nước Giàn ống phân phối gió đặt cách bề mặt trên của lớp sỏi đỡ 100mm Tốc độ khí trong ống chính, ống nhánh lấy bằng 15-20m/s. Lỗ phân phối có đường kính (2÷5)mm. Tổng diện tích các lỗ bằng 0,35÷0,4 diện tích tiết diện ngang của ống chính. Khoảng cách giữa các lỗ 180-250mm. Khoảng cách giữa các ống nhánh 250-300mm Trường hợp không có lớp sỏi đỡ thay lỗ phân phối bằng khe hở dài 10÷15mm, chiều rộng bé hơn kích thước hạt vật liệu nhỏ nhất 0,1mm. Áp lực không khí qua khỏi lỗ hoặc khe lấy bằng 2 lần chiều cao cột nước trong bể lọc khi rửa tính từ đáy bể. Tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối không khí là 1m. Ống dẫn gió chính phải cao hơn mức nước cao nhất trong bể lọc và phải có thiết bị chống khả năng nước lọt vào đó khi rửa bể lọc Áp dụng cho bể có diện tích bé. * Tính toán hệ thống phân phối gió rửa - Lưu lượng gió yêu cầu: Wgio.f 3 Qgió = (m /s) 1000 2 Trong đó: + Wgió : cường độ gió rửa (l/s.m ) + f : diện tích bể lọc (m2) Từ Qgió xác định đường kính ống chính, ống nhánh, đường kính và số lỗ gió, khoảng cách giữa các lỗ gió tương tự hệ thống phân phối nước rửa lọc + Hệ thống phân phối trở lực lớn bằng chụp lọc: Nguyễn Lan Phương 89
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP Chụp lọc được lắp trên sàn bằng thép hoặc bêtông cốt thép. Số lượng chụp lọc không nhỏ hơn 50chiếc cho 1m2 diệnt ích công tác của bể lọc. Cát được đổ ngay trên sàn gắn chụp lọc. Chụp lọc sử dụng ở Việt Nam thường có 2 dạng chụp lọc hình nấm (ngắn đuôi) và chụp lọc có lỗ hoặc xẻ khe dài đuôi. 4 1 1 2 3 2 Hình 2-37: Các loại chụp lọc hình nấm (ngắn đuôi) 1 - Chụp lọc; 2- Ống phân phối nước rửa lọc; 3 - Sàn bê tông gắn chụp lọc; 4 - Lớp cát lọc 1 27 5 3 110 280 2 Không khí 65 1 17 Nước 4 Hình 2-38: Chụp lọc có hệ thống ống thu nước và gió dài 1 - Phần đầu chụp lọc Nguyễn Lan Phương 90
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP 2- Ống phân phối nước rửa lọc 3 - Sàn gắn chụp lọc 4 - Khe thu khí 5 - Ren lắp chụp lọc - Chụp lọc hình nấm thể hiện ở hình 2-37 N ước rửa sau khi đi qua hệ thống giàn ống phân phối ở phía dưới sàn gắn chụp lọc sẽ được phân phối vào lớp cát lọc để rửa qua các khe hở của chụplọc. Chụp lọc làm bằng chất dẻo, hộp kim không rỉ, thép mạ. Diện tích các khe hở của chụp lọc lấy bằng 0,8÷1% diện tích công tác của bể lọc. T ốc độ chuyển động của dòng nước hoặc hỗn hợp gió nước qua chụp lọc không nhỏ hơn 1,5m/s Chiều rộng của các khe của chụp lọc phải nhỏ hơn đường kính trung bình của lớp vật liệu lọc. Chiều rộng khe thường bằng 0,4mm Khi rửa bằng gió nước kết hợp, diện tích tiết diện ngang của ống chính và ống nhánh phân phối không khí phải lấy cố định trên toàn bộ chiều dài. Tổng diện tích các lỗ phân phối gió lấy bằng 0,35÷0,40 diện tích tiết diện ngang của ống chính. Tốc độ không khí trong ống nhánh và ống chính 15-20m/s. Khoảng cách giữa các lỗ và khe hở: 150-200mm, khoảng cách giữa các ống nhánh 250÷300mm. Tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối khí lấy bằng 1m Chụp lọc hình nấm - xẻ khe loại này thường không phân phối đều gió và nước vào lớp cát cần rửa vì vậy hiệu quả rửa lọc không cao - Chụp lỗ có lỗ hoặc khe dài đuôi (hình 2-38) T ổng diện tích lỗ hoặc khe bằng 0,6÷0,8% diện tích công tác của bể lọc. Khi dùng chụp lọc sứ có lỗ d = 4mm thì phải có lớp đỡ vật liệu lọc với cỡ hạt từ 2-5mm dày 150-200mm Loại chụp lọc này có ống thu nước dài và trên ống có lỗ hoặc khe để thu gió vào nên khả năng thu gió và nước riêng biệt rồi hoà trộn và phan phối lên trên. Khi rửa gió nước kết hợp bên dưới sàn bêtông gắn đuôi chụp lọc sẽ hình thành 2 tầng khí nước riêng biệt. Nước có áp theo đường dưới ống đi lên, khí nén vào lỗ ở phía trên đuôi chụp lọc và sẽ hòa trộn với nước trước khi ra ngoài phía đầu chụp lọc. Do đó hiệu quả khi rửa vật liệu lọc rất cao. Lúc này không cần thiết kế giàn ống phân phối nước và gió như loại chụp hình nấm. Chụp lọc được gắn bằng ren vặn vào êcu đặt sẵn trong sàn c. Máng thu nước rửa lọc: Nguyễn Lan Phương 91
Bài giảng : XỬ LÝ NƯỚC CẤP M ục đích: thu nước đều trên tòn bộ diện tích bể và tiêu nước 1 cách nhanh chóng Để thu nước đều các máng thu được đặt song song nhau và song song với thành bể, khoảng cách giữa 2 máng kề nhau tính từ tim máng không được lớn hơn 2,2m. Mép trên của máng phải cùng một độ cao và tuyệt đối nằm ngang. Đáy máng thu có độ dốc 0,01 về phía máng tập trung. Máng thu nước rửa có thể bằng thép, chất dẻo, gỗ, bêtông cốt thép Hình dạng máng thu nước rửa theo mặt cắt ngang 1,5x 1,5x x x x x x x Khi dùng biện pháp rửa lọc bằng gió nước kết hợp cần gắn thêm các tấm chắn bảo vệ vào mép máng hay phễu thu để ngăn chặn việc cuốn trôi cát lọc vào máng thu - Chiều rộng của máng q 2 B = K5 m (m) (1,57 + a)3 Trong đó: 3 + qm : lưu lượng nước rửa tháo qua máng (m /s), tính theo công thức Q m = W .d.l (l/s) W : cường độ rửa lọc (l/s.m2) d : khoảng cách giữa các tâm máng (m) l : chiều dài của máng (m) Nguyễn Lan Phương 92