Giáo trình Xử lý nước thải

323 trang hapham 1690

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Xử lý nước thải", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_xu_ly_nuoc_thai.doc

Nội dung text: Giáo trình Xử lý nước thải

GIÁO TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1
Chương 1 NGUỒN GỐC VÀ THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC THẢI3 Chương 2 XỬ LÝ SƠ BỘ NƯỚC THẢI 18 Chương 3 LẮNG, KEO TỤ VÀ TUYỂN NỔI 46 Chương 4 CÁC LOẠI BỂ PHẢN ỨNG VÀ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 100 Chương 5 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH 133 ChƯƠNG 6 QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH 173 Chương 7 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ 195 Chương 8 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỒ SINH HỌC 221 Chương 9 KHỬ NITƠ VÀ PHỐT PHO TRONG NƯỚC THẢI 229 Chương 10 BÙN SINH HỌC VÀ ỔN ĐỊNH BÙN 243 Chương 11 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ 256 Chương 12 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY VÀ OXY HÓA BẬC CAO 271 Chương 13 KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI SAU KHI XỬ LÝ 288 TÀI LIỆU THAM KHẢO 312 PHỤ LỤC 317 2
Chương 1 NGUỒN GỐC VÀ THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC THẢI 1. 1. NGUỒN GỐC NƯỚC THẢI Nước thải có nguồn gốc từ các nguồn nước sử dụng trong công nghiệp và sinh hoạt. Nước mưa và nước thấm cũng là một nguồn nước thải khá lớn. Bản thân nước mưa là nước sạch nhưng khi rơi xuống mặt đất sẽ bị pha trộn và nhiễm bẩn. 1. 1. 1. Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải đen và nước thải xám. Nước thải từ toilet được gọi là nước thải đen. Nước thải đen chứa hàm lượng cao chất rắn và một lượng đáng kể thức ăn cho vi khuẩn (nitơ và phốt pho). Nước thải đen có thể được tách thành hai phần: phân và nước tiểu. Mỗi một người, hàng năm có thể thải ra trung bình 4 kg N và 0,4 kg P trong nước tiểu và 0,55 kg N và 0,18 kg P trong phân. Nước thải xám bao gồm nước giặt rũ quần áo, tắm rửa và nước sử dụng trong nhà bếp. Nước từ trong nhà bếp có thể chứa lượng lớn chất rắn và dầu mỡ . Cả hai loại nước thải đen và thải xám có thể chứa mầm bệnh của người đặc biệt là nước thải đen. 1. 1. 2. Nước thải công nghiệp Rất khó phân loại nước thải từ tất cả các ngành công nghiệp. Mỗi một ngành công nghiệp có nước thải đặc chưng của ngành đó. Ví dụ, nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm chứa các chất hữu cơ mang màu và một số hóa chất độc hại khó phân hủy. Nước thải của các cơ sở xi mạ chứa hàm lượng kim loại nặng cao và có pH thấp. Nước thải chế biến thực phẩm chủ yếu là chứa các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy bằng vi sinh. 1. 2. TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC THẢI 1. 2. 1. Tính chất vật lý của nước thải Tính chất vật lý của nước thải bao gồm nhiệt độ, màu sắc, mùi vị và chất rắn. 1. Nhiệt độ Nhiệt độ của nước thải thay đổi rất lớn, phụ thuộc vào mùa trong năm. Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ lắng, mức độ oxy hòa tan và hoạt động của vi sinh vật. Nhiệt độ của nước thải là một yếu tố hết sức quan trọng đối với một số bộ phận của nhà máy xử lý nước thải như bể lắng và bể lọc. 3
2. Màu sắc Nước thải chứa oxy hòa tan (DO) thường có màu xám. Nước thải có màu đen thường có mùi hôi thối chứa lượng oxy hòa tan rất ít hoặc không có. 3. Chất rắn Chất rắn bao gồm các chất lơ lửng hoặc các chất hòa tan trong nước và nước thải. Chất rắn được chia thành các phần khác nhau, nồng độ của chúng cho biết chất lượng của nước thải và là tham số quan trọng để kiểm soát các quá trình xử lý. Thành phần chất rắn trong nước thải bao gồm: - Tổng chất rắn, (TS), bao gồm tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và tổng chất rắn hòa tan (TDS). Mỗi một phần của chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan có thể chia thành phần bay hơi hoặc phần cố định. Tổng chất rắn là các chất còn lại trong cốc sau khi bay hơi mẫu nước thải trong một giờ hoặc qua đêm trong lò nung ở nhiệt độ từ 103 0C đến 1050C. TS được xác định bằng công thức: (A-B) 1000 mg TS/l = (1.1) Thể tích mẫu, ml A - trọng lượng của cặn khô + trong lượng của cốc, mg B - trọng lượng của cốc, mg 1000 – hệ số chuyển đổi 1000 ml/l - Tổng chất rắn lơ lửng, (TSS), được quy cho cặn không có khả năng lọc. TSS là một tham số quan trọng đối với nước thải và là một trong những tiêu chuẩn trong xử lý nước. Tiêu chuẩn TSS đối với nước thải sau khi xử lý sơ cấp và thứ cấp thường bằng 30 và 12 mg/l. TSS được xác định bằng cách lọc mẫu đã được trộn đều qua giấy lọc có kích thước lỗ bằng 0,2 m. Cặn giữ lại trên giấy lọc được nung trong lò nung trong thời gian ít nhất là 1 giờ ở nhiệt độ từ 103 0C đến 1050C cho đến khi khối lượng không đổi. TSS được xác định bằng công thức: (C – D) 1000 (1.2) mg TSS = Thể tích mẫu, ml C - trọng lượng của giấy lọc và cốc nung + cặn khô, mg D – trọng lượng của giấy lọc và cốc nung, mg - Tổng chất rắn hòa tan, (TDS), chất rắn hòa tan được gọi là cặn không có khả năng lọc. Tổng chất rắn hòa tan trong nước thải thô nằm trong khoảng từ 250 – 850 mg/l. 4
TDS được xác định như sau: mẫu sau khi được trộn đều, lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh có kích thước lỗ bằng 2,0 m. Dịch lọc được bay hơi trong thời gian ít nhất là 1 giờ trong lò nung ở nhiệt độ 180 2 0C. Trọng lượng tăng lên của cốc nung là trọng lượng của TDS được xác định bằng công thức: (E – F) 1000 mg/TDS/l = Thể tích mẫu, ml (1.3) E - trọng lượng cặn khô + cốc nung, mg F - trọng lượng cốc, mg - Chất rắn bay hơi và chất rắn cố định – cặn từ TS, TSS hoặc TDS được nung ở 5500C. Trọng lượng bị mất sau khi nung là chất rắn bay hơi. Ngược lại, chất rắn còn lại là chất rắn cố định. Phần chất rắn bay hơi và chất rắn cố định được xác định bằng công thức: (G - H) 1000 mg chất rắn bay hơi/l = (1.4) Thể tích mẫu, ml (H - I ) 1000 (1.5) mg chất rắn cố định /l = Thể tích mẫu, ml G – trọng lượng của cặn + trọng lượng cốc trước khi nung, mg H – trọng lượng cặn + cốc nung hoặc phin lọc sau khi nung, mg I – trọng lượng cốc hoặc phin lọc, mg Xác định phần bay hơi của chất rắn để kiểm soát hoạt động của nhà máy xử lý nước thải, bởi vì nó cho biết kết quả thô của lượng chất hữu cơ trong phần chất rắn của nước thải. Kết quả xác định chất rắn bay hơi và chất rắn cố định không phân biệt độ chính xác giữa chất hữu cơ và vô cơ, bởi vì lượng mất khi nung không xác nhận chỉ có hợp chất hữu cơ mà còn một số hợp chất muối vô cơ cũng bị phân hủy. Xác định các chất hữu cơ có thể được tiến hành bằng kiểm tra nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng cacbon hữu cơ (TOC). - Chất rắn có khả năng lắng - các vật liệu lơ lửng có khả năng lắng trong một thời gian xác định. Chất rắn lắng được biểu diễn theo đơn vị ml/l hoặc mg/l. Phương pháp thể tích để xác định chất rắn có khả năng lắng như sau: 5
Cho nước thải vào ống đong hình trụ có các vạch chia thể tích. Sau khi hỗn hợp được trộn đều, để im trong thời gian 45 phút. Dùng đũa thủy tinh đầu bọc cao su đảo nhẹ quanh thành ống. Sau đó, để im thêm 15 phút nữa. Ghi thể tích chất rắn lắng theo ml/l. Một thí nghiệm khác để xác định chất rắn có khả năng lắng là phương pháp trọng lượng. Đầu tiên, xác định tổng chất rắn lơ lửng như đã giới thiệu ở trên. Sau đó, xác định chất rắn lơ lửng không có khả năng lắng từ dung dịch của cùng một mẫu đã được để lắng trong thời gian 1 giờ. Tiếp theo, xác định TSS (mg/l) của dịch lỏng. Kết quả thu được là tổng chất rắn không có khả năng lắng. Chất rắn có khả năng lắng được xác định theo công thức: [mg chất rắn có khả năng lắng /l ] = [mg TSS/l) - (mg chất rắn không có khả năng lắng/l) ( 1.6 ) 1. 2. 2. Thành phần hóa học của nước thải Chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan trong nước thải chứa các chất hữu cơ và vô cơ. Chất hữu cơ có thể là hydrat cacbon, mỡ, dầu, chất béo, chất hoạt động bề mặt, protein, thuốc trừ sâu, các hợp chất hữu cơ bay hơi, các chất hóa học độc hại, v.v. Các chất vô cơ bao gồm kim loại nặng, chất dinh dưỡng (N, P), pH, độ kiềm, clo, sulfua Các chất khí như CO2, N2, O2, H2S và CH4 cũng có thể có mặt trong nước thải. Nồng độ nitơ trong nước thải sinh hoạt thô (nước thải chưa xử lý) từ 25 – 85 mg/l đối với tổng nitơ (bao gồm N-nitrat, N-amoni, N-nitrit và N- hữu cơ); 12 – 50 mg/l là + N – NH4 ; 8 – 35 mg/l là N – hữu cơ. Nồng độ nitơ hữu cơ được xác định bằng tổng nitơ kieldahl (TKN). Tổng nồng độ phốt pho trong nước thải thô nằm trong khoảng từ 2 – 20 mg/l, trong đó bao gồm từ 1 – 5 mg/l là phốt pho hữu cơ và từ 1 -15 mg/l là phốt pho vô cơ. Phốt pho và nitơ trong nước thải là những chất dinh dưỡng cho sự phát triển và tái tạo của vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải và trong nước tự nhiên. Nồng độ chất hữu cơ của nước thải thường được đo bằng nhu cầu oxy sinh hóa trong thời gian 5 ngày (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng cacbon hữu cơ (TOC). Đo BOD5 là đo lượng oxy đòi hỏi để oxy hóa chất hữu cơ trong mẫu trong thời gian 5 ngày ổn định sinh học ở 200C. Giai đoạn này là giai đoạn oxy hóa cacbon BOD (CBOD). Xử lý nước thải bậc hai được thiết kế đặc biệt để khử CBOD. Tỷ lệ của C, N và P trong nước thải là một tham số hết sức quan trọng đối với quá trình xử lý sinh học. Tỷ lệ chung chấp nhận được trong nước thải BOD/N/P để xử lý sinh học là 100/5/1 tương ứng, nghĩa là 100 mg/l BOD, 5 mg/l N và 1 mg/l P. Nhu cầu oxy hóa học (COD) là đo lượng tương đương oxy với hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu bị oxy hóa bởi chất oxy hóa mạnh như là K 2CrO4. Đo COD thuận tiện cho việc kiểm soát quá trình xử lý nước thải vì thời gian xác định nhanh hơn BOD 5. Giá trị COD thường cao hơn BOD 5. Tỷ lệ điển hình giữa COD và BOD 5 trong nước thải thô thường là 0,5 : 1 và có thể giảm xuống 0,1 : 1 đối với nước thải sau khi xử lý bậc hai. Vùng COD tiêu chuẩn đối với nước thải thô từ 200 – 600 mg/l. 6
1. 2. 3. Đặc tính sinh học của nước thải Các nhóm vi sinh vật chủ yếu tìm thấy trong nước thải là các vi khuẩn, nấm, protozoa, vi thực vật, động vật và virus. Hầu hết các vi sinh vật (vi khuẩn và protozoa) có lợi trong xử lý nước thải. Tuy nhiên, một số vi khuẩn gây bệnh, nấm, protozoa và virus tìm thấy trong nước thải cũng được quan tâm đặc biệt do tính độc hại của chúng. Vi khuẩn chỉ thị : các vi sinh vật gây bệnh thường được đào thải bởi con người từ hệ thống tiêu hóa. Nguồn bệnh lan truyền trong nước thường là bệnh tiêu chảy, thương hàn, sốt thương hàn, lỵ, v.v. Nói chung, nồng độ vi khuẩn gây bệnh trong nước thải có nồng độ rất thấp và rất khó nhận biết. Hiện nay, một số loại vi khuẩn như tổng coliforms (TC), coliform của phân (FC) và khuẩn nhiễm trùng phân (FC) được sử dụng làm vi sinh vật chỉ thị cho nguồn nước và nước thải bị ô nhiễm nguồn bệnh. 1. 3. TÁC ĐỘNG CỦA NƯỚC THẢI CHƯA ĐƯỢC XỬ LÝ Các chất bẩn trong nước thải là tác nhân tác động trực tiếp đối với môi trường và sức khỏe con người. Đó là chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ phân hủy sinh học, vi khuẩn gây bệnh, hợp chất hữu cơ khó phân hủy, chất dinh dưỡng (N, P), kim loại nặng và các chất vô cơ hòa tan. Bảng 1.1. đưa ra sự tác động điển hình của các chất ô nhiễm trong nước thải đối với môi trường và con người. Chất rắn trong nước thải sinh hoạt có thể lắng đọng thành cặn, làm tắc hệ thống ống thoát nước, lấp đầy kênh rạch và sông ngòi. Dầu mỡ tạo thành bọt trôi nổi gây mất thẩm mỹ của nguồn nước tự nhiên. Chất dinh dưỡng N và P gây ra sự phú dưỡng trong nước. Các hồ và nước sông chảy với tốc độ chậm bị ảnh hưởng nhiều hơn so với nước sông chảy tốc độ nhanh hơn. Trong các hồ và sông có dòng chảy chậm, tảo được nuôi dưỡng bằng các chất dinh dưỡng, khi chúng bị phân hủy sẽ lắng xuống mặt đáy như trầm tích. Sau đó, chất dinh dưỡng lại được giải phóng khỏi trầm tích trở lại pha nước. Đây là chu trình sinh sản và chết của tảo trong môi trường nước. Trong giai đoạn đầu, sự sống dưới nước phú dưỡng khá phong phú, tảo phát triển rất mạnh, một lượng lớn tảo bắt đầu chết để cho một chu kỳ sinh sản mới. Sự phân hủy tảo chết làm cho BOD của nước tăng lên, dẫn đến nước bị suy giảm lượng oxy. Một số loại tảo tiết ra chất độc có thể làm nguy hại đến các loại chim ăn cá và làm gây bỏng lên da khi tiếp xúc với nước. Nước bị phú dưỡng sẽ nâng giá thành xử lý, đặc biệt trong xử lý nước cho mục đích sinh hoạt. Kim loại nặng và các chất độc hại khác được sử dụng trong nhà là những nguồn ô nhiễm cho nguồn nước. Kim loại nặng bao gồm Cu, Zn, Cd, Ni, Cr và Pb có nguồn gốc từ những vật liệu chế tạo đường ống cung cấp nước, các chất tẩy rửa, các loại vật liệu sử dụng để lợp mái nhà, hệ thống thoát nước, v.v. Khi hàm lượng kim loại nặng trong nước thải đủ cao, chúng sẽ đầu độc vi khuẩn, thực vật, động vật và con người. Các nguồn khác của những vật liệu độc hại có trong nước thải gia đình là thuốc chữa bệnh quá đát, chất diệt côn trùng và diệt cỏ, các dung môi hữu cơ, sơn và các chất hóa học khác. Các chất này có thể ăn mòn đường ống dẫn nước thải và làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hệ thống của nhà máy xử lý nước thải. Khi có mặt với hàm lượng cao, kim loại nặng trong nước thải sẽ gây bất lợi cho quá trình xử lý. 7
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của nước thải đến môi trường Chất ô nhiễm Nguồn gốc Tác động đến môi trường Chất rắn lơ lửng Nước sinh hoạt, nước thải Gây ra sự lắng đọng bùn và điều (SS) công nghiệp, xói mòn bởi kiện kỵ khí trong môi trường dòng chảy. nước. Hợp chất hữu cơ Nước thải sinh hoạt và Gây ra phân hủy sinh học dẫn đến phân rã sinh học nước thải công nghiệp. sử dụng quá lượng oxy mà nguồn nước có thể tiếp nhận dẫn đến các điều kiện không thích hợp. Vi khuẩn gây bệnh Nước thải sinh hoạt. Truyền bệnh cho cộng đồng. (Pathogens) Chất dinh dưỡng Nước thải sinh hoạt và Có thể gây ra hiện tượng phú nước thải công nghiệp. dưỡng Các chất hữu cơ Nước thải công nghiệp. Có thể gây ra mùi và vị, có thể là khó phân hủy chất độc hoặc chất gây ung thư. Kim loại nặng Nước thải công nghiệp, Độc nước hầm mỏ Các chất vô cơ hòa Nước sử dụng cho sinh Ảnh hưởng đến việc sử dụng lại tan hoạt và công nghiệp. nguồn nước thải. Để ngăn cản sự hủy hoại môi trường, nước thải cần phải được xử lý. Xử lý nước thải là loại bỏ các chất rắn và BOD của nước thải. Trên cơ sở đó, cần phải đưa ra mức độ xử lý nước thải để đạt được nồng độ tới hạn của chất bẩn trước khi thải ra môi trường. Mức độ xử lý nước thải sẽ phụ thuộc vào các tiêu chuẩn cho phép của từng quốc gia. 1. 4. HỆ THỐNG THU GOM NƯỚC THẢI 1. 4. 1. Mạng lưới thu gom nước thải Trước khi đưa vào hệ thống xử lý, nước thải cần phải được thu gom từ các cơ sở sản xuất (nước thải công nghiệp) hoặc từ các khu vực dân cư (nước thải sinh hoạt). Hệ thống thu gom nước thải được tính toán thiết kế đồng bộ và phù hợp với công suất của nhà máy xử lý. Hình 1.1 dưới đây đưa ra sơ đồ điển hình hệ thống thu gom nước thải bao gồm hệ thống thu gom nước thải riêng biệt và hệ thống thu gom nước thải kết hợp với nước mưa pha trộn. 8
1. 4. 2. Hệ thống thu gom nước thải kết hợp Sử dụng cho cả nước mưa và nước thải. Hệ thống thích hợp với những vùng có mùa mưa kéo dài và những vùng khó lắp đặt hai hệ thống trong đường phố dày đặc các mạng lưới dịch vụ khác như điện, viễn thông, ống dẫn khí Hệ thống thu gom kết hợp không thích hợp với những vùng có mùa mưa ngắn và những vùng có đường giao thông còn xấu dẫn đến tích lũy cát trong đường ống. Hệ thống thu gom kết hợp có giá thành thấp hơn 40% so với hệ thống riêng biệt. Hệ thống thu gom nước thải điển hình Hệ thống riêng biệt Nước mưa Hệ thống kết hợp Hệ thống nước vệ Nước vệ sinh và nước sinh mưa Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống thu gom nước thải 1. 4. 3. Thiết kế hệ thống thu gom nước thải Để thiết kế và lắp đặt hệ thống thu gom nước thải cần thiết phải nắm được những điểm chính sau đây: 1. Xây dựng bản đồ chi tiết của khu vực 2. Nghiên cứu về thổ nhưỡng (các loại đất) 3. Nghiên cứu thủy văn (nước ngầm) 4. Các số liệu về thời tiết (mưa) 5. Xây dựng chi tiết sơ đồ nơi giao nhau của các con đường, các khu vực lắp đặt hệ thống điện, cáp viễn thông 6. Nghiên cứu khả năng tiêu thụ nước và cung cấp nước sạch. 7. Ghi nhận những vùng phát triển công nghiệp, dịch vụ thương mại, các khu vực dân cư 9
8. Chỉ ra những điểm thu nước thải, trạm bơm và nơi lấy nước thải để xử lý 9. Dự đoán phát triển dân số. 10. Dự đoán các vùng sẽ phát triển. Thiết kế hệ thống dẫn nước là tìm ra các phần chênh lệch của dòng chảy trên cùng một đường ống. Tuy nhiên, vẫn có những thay đổi về tính chất dòng chảy trong hệ thống ống dẫn cho nên cần phải được xem xét các điểm sau đây một cách cẩn thận trong thiết kế: 1. Nước cống chứa các chất lơ lửng. Chất lơ lửng có khả năng lắng ở đáy của đường ống và làm cho tốc độ dòng chảy chậm lại dẫn đến làm tắc ống dẫn. Để tránh lắng trong đường ống, cần thiết phải đặt ống dẫn với một độ nghiêng (gradient) để tạo ra tốc độ chảy có khả năng tự làm sạch . 2. Đường ống dẫn nước thải tuân theo nguyên lý trọng lực và được lắp đặt theo một độ nghiêng liên tục tới nơi thải. Ở đó nước thải được xử lý hoặc chôn lấp. 3. Tốc độ dòng chảy trong cống đủ mạnh sao cho chất lơ lửng trong nước thải không bị kết lại với nhau để lắng; nghĩa là tốc độ sẽ tạo ra khả năng tự làm sạch trong đường ống. Điều này hết sức quan trọng bởi vì, nếu như một số chất lắng đọng xảy ra mà không bị loại bỏ sẽ làm cản trở dòng chảy, gây ra sự lắng đọng tiếp theo dẫn đến làm tắc đường ống. Bề mặt phẳng bên trong đường ống bị tắc do bị ăn mòn liên tục gây bởi chất rắn lơ lửng trong nước thải. Do vậy, cần thiết phải giới hạn dòng chảy cực đại trong đường ống. 1. 4. 4. Những công trình phụ của hệ thống cống Các công trình phụ của hệ thống cống bao gồm cửa cống, lỗ đèn chiếu sáng, bể hãm, siphon, trạm bơm Cửa cống có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật, liên kết với cống dẫn để đảm bảo cho công nhân bảo hành có thể đi vào để quan sát, làm sạch và cọ rửa. Cửa cống còn được xem là hệ thống thông gió với các lỗ ở nắp đậy. Cửa cống, tại đó là nơi nối liền của hai hay nhiều đường cống, đường kính ống dẫn, hướng ống dẫn có thể thay đổi hoặc sắp đặt các vị trí ghép nối các đường ống có độ cao khác nhau. 1. 4. 5. Định lượng lưu lượng nước thải Để đảm bảo lượng nước sử dụng trong một khu vực dân cư hay một khu đô thị, xây dựng hệ thống cấp nước cần phải có những số liệu sau: 1. Tốc độ tiêu thụ nước (số lít nước trong một ngày trên một đầu người) 2. Số lượng dân sẽ được cung cấp: (Lượng nước) = (Nhu cầu trên đầu người) (dân số) (1.9) 10
Sẽ rất khó khăn đánh giá một cách chính xác số lượng nước có thể đảm bảo nhu cầu cho cộng đồng vì có rất nhiều những tham số thường xuyên thay đổi ảnh hưởng đến sự tiêu thụ nước. Những yếu tố ảnh hưởng đến nhu cầu sử dụng nước trên một đầu người là: 1. Quy mô của thành phố; nhu cầu nước trên một đầu người đối với thành phố. 2. Hiện diện các khu công nghiệp. 3. Điều kiện về thời tiết. 4. Thói quen sử dụng nước và tình trạng về kinh tế. 5. Chất lượng của nước: Nếu nước có chất lượng cao và an toàn, mức độ tiêu thụ sẽ tăng lên vì người ta không tìm các nguồn nước khác để sử dụng (ví dụ như đào giếng và sử dụng nước mưa ). 6. Áp suất trong hệ thống phân phối nước. 7. Giá thành của nước. Tương ứng với lượng tiêu thụ nước sạch, một lượng nước thải thải ra hàng ngày vào hệ thống cống dẫn. Sự thay đổi lưu lượng nước thải tương ứng theo thời gian của ngày, ngày của tuần và mùa của năm (hình 1.2). Định lượng sự biến đổi lưu lượng nước thải hết sức quan trọng để thiết kế và vận hành nhà máy xử lý nước thải. Bằng cách sử dụng giờ, ngày, tháng sử dụng nước, hệ số cực đại của lưu lượng nước thải có thể được xác định theo công thức: Lưu lượng cực đại (1.10) Hệ số cực đại (PF) = Lưu lượng trung bình trong một thời gian dài Lưu lượng cực đại (nước sinh hoạt) Lưu lượng 3,00h 9,00h 15,00h 21,00h 3,00h Thời gian Hình 1.2. Sự thay đổi lưu lượng nước thải theo thời gian trong ngày 11
Các tham số lưu lượng cực đại và lưu lượng trung bình thường được xác định bằng cách so sánh các giá trị lưu lượng cực đại có sẵn từ các nhà máy xử lý khác nhau. Để có những kết quả chính xác về lưu lượng cực đại cần phân tích các số liệu và thời gian ít nhất là 3 năm. Lượng nước thải khi không có nước mưa trong mùa khô được xác định theo đầu người như sau: (Lượng nước thải) = (Nước thải trên đầu người đóng góp mỗi ngày (Dân số) 1. 4. 6. Thiết kế thời gian sử dụng và dự đoán dân số cho hệ thống thu gom nước thải Cần phải dự đoán chính xác số lượng nước thải và sự phát triển dân số kèm theo trong tương lai. Nói chung, hệ thống thu gom nước thải phải đảm bảo hoạt động có hiệu quả từ 5 – 10 năm sau khi xây dựng. Thiết kế thời gian sử dụng được thiết lập như sau: - Kéo dài thời gian sử dụng của các thiết bị. - Có khả năng mở rộng - Có thể tiên đoán trước sự tăng trưởng dân số, bao gồm phát triển công nghiệp, phát triển thương mại, di cư và nhập cư, v.v. - Các nguồn nguyên liệu có sẵn Phương pháp dự đoán dân số: Một số phương pháp đã được chấp nhận để dự đoán dân số trong tương lai cho dưới đây: 1. Phương pháp tăng hình học 2. Phương pháp tăng số gia 3. Tỷ lệ giảm của phương pháp tăng trưởng 4. Phương pháp đồ thị đơn giản 5. Phương pháp đồ thị so sánh 6. Phương pháp tỷ lệ 7. Phương pháp đường cong logic Phương pháp gia tăng hình học – dựa trên giả thiết phần trăm tốc độ tăng trưởng là không đổi và tuân theo biểu thức: dP/dt = kP ; lnP = lnP0 + kt. Khi sử dụng phương 12
pháp gia tăng hình học, phải chú ý vì có thể tạo ra một kết quả quá lớn đối với một thành phố phát triển nhanh trong một thời gian ngắn. Phương pháp tăng số gia - tốc độ tăng trưởng được giả thiết là trong quá trình tăng hoặc giảm phụ thuộc vào độ trung bình tăng số gia trong quá khứ là dương hoặc là âm. Dân số trong thập niên tương lai sẽ tìm được bằng cách bổ sung sự gia tăng số học trung bình vào số lượng đã biết trước đó trong các thập kỷ tiếp theo. Tỷ lệ giảm của phương pháp tăng trưởng - độ giảm trung bình trong phần trăm tăng được tìm thấy, sau đó được trừ phần trăm tăng mới nhất để nhận phần trăm tăng ở thập kỷ tiếp theo. Phương pháp đồ thị đơn giản - đồ thị được xây dựng từ các số liệu có sẵn giữa thời gian và số lượng dân số. Đồ thị sau đó được làm trơn và mở rộng tới năm thích hợp. Phương pháp này cho các kết quả gần đúng và nên sử dụng cùng với các giá trị thu được của các phương pháp khác. Phương pháp đồ thị so sánh - các thành phố có những điều kiện và đặc trưng tương tự như thành phố trong tương lai, có số dân đã được xác định để lựa chọn. Tiếp theo, giả thiết thành phố sẽ phát triển như thành phố được lựa chọn tương tự như thành phố phát triển trong quá khứ. Phương pháp tỷ lệ - dân số địa phương và dân số của cả nước đối với bốn hoặc năm thập kỷ đã biết từ các cuộc điều tra dân số. Tỷ lệ của dân số địa phương và dân số quốc gia sau đó được xác lập trong các thập kỷ đã điều tra. Xây dựng đồ thị giữa thời gian và tỷ lệ rồi ngoại suy đến những năm trong tương lai. Tỷ lệ tìm được sẽ nhân với dân số của cả nước trong tương lai tại năm cuối cùng của thời kỳ thiết kế. 1. 5. MỤC ĐÍCH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1. 5. 1. Mục đích xử lý nước thải Mục đích của xử lý nước thải là đảm bảo nước sau khi xử lý thải ra môi trường phải an toàn, không làm nguy hại đến sức khỏe cộng đồng và không làm ô nhiễm các nguồn nước hoặc gây ra thiệt hại cho môi trường khác. Hệ thống xử lý nước thải được thiết kế để làm giảm một số thành phần trong nước thải (giảm thiểu hoặc loại bỏ các vật liệu hữu cơ, chất rắn, chất dinh dưỡng (N, P), các vi sinh vật gây bệnh và các chất ô nhiễm khác tới mức chấp nhận theo quy định của từng quốc gia. Ở Việt nam, có bộ tiêu chuẩn nước thải công nghiệp và tiêu chuẩn thải TCVN (xem phần phụ lục). Các nguồn tiếp nhận của nước thải sau khi xử lý chủ yếu là sông suối, ao hồ. Nước thải sau khi được xử lý phải đạt được nồng độ tới hạn. Nghĩa là, khi thải ra nguồn tiếp nhận không làm cho các chất bẩn vượt quá ngưỡng mà sông suối, hồ, ao có khả năng tự làm sạch. 13
1. 5. 2. Các phương pháp xử lý nước thải Tùy thuộc vào tính chất của các loại nước thải (nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp hoặc hỗn hợp nước thải công nghiệp và sinh hoạt), các phương pháp xử lý sau đây thường được áp dụng: - Phương pháp vật lý: chắn bằng lưới lọc các vật liệu thô trôi nổi trong nước thải; khuấy trộn; keo tụ/ bông tụ, tuyển nổi, lắng, lọc - Phương pháp hóa học: kết tủa; hấp phụ, hấp thụ; oxy hóa khử và khử trùng. - Phương pháp sinh học: quá trình hiếu khí; quá trình kỵ khí Phương pháp xử lý bậc cao bao gồm phương pháp vật lý và hóa học như quá trình khử nitơ và phốt pho trong nước thải (xử lý bậc ba), là sự kết hợp của cả ba quá trình: vật lý, hóa học và sinh học, trong đó chủ yếu là quá trình sinh học (đối với quá trình nitrat hóa và khử nitrat). Để khử phốt pho, trước hết sử dụng quá trình sinh học để chuyển đổi phốt pho hữu cơ thành các ortho phốt phát bằng chu trình kỵ khí/hiếu khí, sau đó, phốt pho dưới dang ortho phốt phát được kết tủa bằng các tác nhân hóa học. Hình 1.3 đưa ra sơ đồ tổng quát của các phương pháp xử lý nước thải. Trong thực tế, một nhà máy xử lý nước thải thường có thể kết hợp cả ba phương pháp: vật lý, hóa học Các phương pháp xử lý nước thải Bằng phương Bằng phương Bằng phương pháp vật lý pháp hóa học pháp sinh học Hiếu khí Kỵ khí Kết tủa Hấp phụ Khử trùng Lưới Trộn Bông tụ Tuyển Lọc Lắng Truyền chắn nổi khí rác Hình 1.3. Sơ đồ tổng quát các phương pháp xử lý nước thải 14
và sinh học hoặc sử dụng từng phương pháp riêng rẽ. Ví dụ, khi xử lý nước thải sinh hoạt chỉ chứa chất thải dễ phân hủy bằng vi sinh vật, thường kết hợp phương pháp vật lý (lưới chắn rác, khuấy trộn, lắng ), phương pháp sinh học (hiếu khí hoặc kỵ khí hoặc cả hai) và phương pháp hóa học (khử trùng). Nhiều loại nước thải có thành phần phức tạp (chứa kim loại nặng, hàm lượng COD cao) như nước thải dệt nhuộm, nước thải thuộc da, xi mạ, v.v., cần phải kết hợp cả ba phương pháp với tất cả các kỹ thuật mới đạt hiệu quả xử lý. 1. 5. 3. Phân loại mức độ xử lý nước thải - Xử lý bậc một, trong giai đoạn xử lý bậc một, các phương pháp vật lý như chắn rác, lắng, tuyển nổi, v.v., được sử dụng để loại bỏ các vật rắn trôi nổi và có khả năng lắng. Chất lượng nước thải đáp ứng gần loại C (TCVN-5945). - Xử lý bậc hai, các quá trình hóa học và sinh học được sử dụng để loại bỏ hầu hết các vật chất hữu cơ. Chất lượng nước thải đạt loại A, B (TCVN – 5945). - Xử lý bậc ba, tách các thành phần khác như nitơ và phốt pho, hai thành phần này rất khó loại bỏ trong xử lý bậc hai. Chất lượng nước được nâng cao và có thể sử dụng lại. - Xử lý bậc 4, để loại bỏ các hạt keo tan. Loại bỏ các vật liệu hữu cơ không phân hủy sinh học - Xử lý bậc 5, loại bỏ các chất vô cơ. Xử lý bậc bốn trở đi còn được gọi là xử lý bậc cao. Sơ đồ xử lý nước thải đưa ra trong hình 1.4. Bảng 1.2 trình bày tóm tắt mức độ xử lý được áp dụng trong xử lý nước thải. Bảng 1.3 mô tả sự phân loại các quá trình xử lý nước thải được đề nghị bởi WHO. Mục tiêu của xử lý bậc một là hạn chế sự hư hại gây ra bởi các chất rắn có độ cứng và rác cho các thiết bị và đường ống ở các các quá trình xử lý tiếp theo. Trong xử lý sơ bộ, sử dụng phương pháp vật lý (lọc, lắng sơ bộ) có thể được tăng cường bằng cách thêm vào các chât hóa học. Các chất hữu cơ được loại bỏ chủ yếu trong xử lý bậc hai với các quá trình hóa học và sinh học. Trong xử lý bậc cao, chất rắn lơ lửng còn lại và các thành phần khác của nước thải không thể giảm thiểu trong quá trình xử lý trước đó được loại bỏ bằng sự kết hợp các quá trình khác nhau như hấp phụ, oxy hóa, lọc sâu, v.v. 15
Bảng 1.2 Mức độ xử lý nước thải Mức độ xử Mục đích lý Tiền xử lý Loại bỏ các thành phần của nước thải như là rẻ, mảnh gỗ, vật trôi nổi, cát và dầu mỡ . Bậc một Loại bỏ hoàn toàn hoặc từng phần chất rắn lơ lửng và các vật chất hữu cơ từ nước thải Bậc hai Loại bỏ vật chất hữu cơ có khả năng phân rã sinh học (hòa tan hoặc lơ lửng) và các chất lơ lửng. Khử trùng cũng là một trường hợp điển hình trong xử lý bậc hai Bậc ba Loại bỏ các chất lơ lửng tàn dư (sau xử lý bậc hai) thường được sử dụng bằng phương pháp lọc với môi trường lọc là cát hoặc lọc bằng lưới lọc kích thước lỗ nhỏ hoặc lưới lọc mịn. Khử trùng cũng là một trường hợp trong xử lý bậc ba. Loại bỏ các chất dinh dưỡng cũng có thể tiến hành trong giai đoạn này. Xử lý bậc Loại bỏ các vật liệu lơ lửng và hòa tan còn lại sau khi xử lý sinh học khi mà nước thải cao được yêu cầu sử dụng lại. Bảng 1.3. Đặc trưng của quá trình xử lý nước thải theo mức độ tăng dần (WHO) Xử lý sơ bộ Bậc hai Bậc 3 Bậc cao Song, lưới chắn rác Bùn hoạt tính Nitrat hóa Xử lý bằng hóa học Loại bỏ cát Sục khí kéo dài Khử nitrat Thẩm thấu ngược Lắng sơ bộ Bể sục khí Kết tủa hóa học Điện ly Hấp phụ bằng than hoạt Nghiền rác Lọc nhỏ giọt Khử trùng tính Tách dầu mỡ Đĩa quay sinh học Lọc trực tiếp Trao đổi ion chọn lọc Ổn định dòng chảy Xử lý kỵ khí /UASB Oxy hóa bằng hóa chất Lọc áp suất Tách phốt pho bằng Trung hòa pH Lọc kỵ khí Oxy hóa sinh học Imhoff tank Hồ ổn định Xây dựng các bể chứa Khử độc Cánh đồng tưới Nuôi trồng thủy sản Nuôi trồng thủy sản 16
Nước thải chưa xử lý Lưới lọc Xử lý Sơ bộ Máy nghiền rác Điều hòa dòng chảy Đo dòng chảy Xử lý Bể lọc cát bậc một Sục khí sơ bộ Thải Khử trùng Lắng sơ bộ Quàn lý bùn sơ cấp Bùn hoạt tính, A/S Lọc Xử lý nhỏ bậc hai giọt Thải Bể làm trong bậc hai Tiệt trùng Quản lý bùn bậc hai Tách chất rắn Thải Kiểm soát nitơ Loại bỏ phốt pho Tiệt trùng Xử lý bậc cao Quản lý bùn bậc ba Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải 17
Chương 2 XỬ LÝ SƠ BỘ NƯỚC THẢI Xử lý sơ bộ là giai đoạn đầu tiên của nhà máy xử lý nước thải. Khử trùng đôi khi cũng được sử dụng trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Hệ thống và thiết bị sử dụng trong giai đoạn xử lý sơ bộ bao gồm: 1. Song và lưới chắn rác 2. Máy nghiền rác 3. Bể lắng cát, dầu mỡ 4. Bể làm thoáng sơ bộ 5. Tiệt trùng 2. 1. THIẾT BỊ CHẮN RÁC 2. 1. 1. Lưới chắn rác Sử dụng lưới chắn rác để loại bỏ hoàn toàn các vật liệu trôi nổi như rác, rẻ rách, giấy, nilon, xác chết động vật, mảnh vỡ kim loại để bảo vệ cho hệ thống bơm của nhà máy cũng như ngăn cản không cho chúng đi vào giai đoạn xử lý sau. Lưới chắn rác có thể được chia ra nhiều loại: lưới chắn rác thô, chắn rác trung bình hoặc lưới chắn rác mịn (hình 2.1). Hoạt động làm sạch của lưới chắn rác có thể bằng thủ công hoặc cơ học. Bảng 2.1 đưa ra các loại lưới chắn rác thường được dùng trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Lưới chắn rác thô làm sạch bằng thủ công sử dụng phổ biến nhất được đặt ở trước hệ thống bơm nước thải. Sau đây, chúng ta sẽ nghiên cứu về cơ sở lý thuyết và thiết kế song chắn rác (bar rack) trong nhà máy xử lý nước thải. Bảng 2.1. Các loại lưới chắn rác Loại lưới chắn rác Bề mặt lưới Phân loại Kích thước Vật liệu chế tạo lưới Áp dụng kích thước lỗ (inch) (inch) Song chắn rác Thô 0,6 – 1,5 Thép, thép không rỉ Xử lý sơ bộ Lưới chắn nghiêng Trung bình 0,01-0,1 Thép không rỉ Xử lý thứ cấp Lưới nghiêng quay Thô 0,03×0,09×2 Tấm đồng Xử lý sơ bộ 18
Dạng trống (quay) Thô 0,1-0,2 Thép không rỉ, dây Xử lý sơ bộ thép đan Trung bình 0,01 – 0,1 Thép không rỉ, sợi Xử lý sơ bộ thép đan Mịn 0,01 – 0,1 Thép không rỉ Xử lý thứ cấp Đĩa quay Trung bình 0,01 – 0,4 Thép không rỉ Xử lý sơ bộ Mịn 0,001 – 0,02 Thép không rỉ Xử lý sơ bộ Ly tâm Mịn 0,002-0,02 Thép không rỉ, Xử lý sơ cấp, polyeste bậc hai Hình 2.1. Các loại lưới lọc 2. 1. 2. Song chắn rác Song chắn rác (hình 2.2) bao gồm các thanh bằng thép không rỉ sắp xếp song song với nhau tạo thành các khe hở. hình dáng bề mặt của các thanh hướng về phía dòng thải chảy tới. Thanh có thể là hình chữ nhật, hình chữ nhật có cạnh sắc, hình bán nguyệt, hình tròn 19
Hình 2.2. Song chắn rác Tổn thất thủy lực qua song chắn rác là một hàm của tốc độ dòng chảy tới và tốc độ dòng chảy qua song chắn rác (hình 2.3). Phương trình Bernoulli có thể sử dụng để xác định tổn thất thủy lực qua song chắn rác: v 2 V 2 h h h (2.1) 1 2g 2 2g h h1 v V V h2  Hình 2.3. Tổn thất thủy lực qua song chắn rác Độ chênh lệch dòng nước thải chảy qua song chắn rác được xác định bởi công thức: V 2 v2 h h h ( 2.2) 1 2 2gC 2 20
trong đó h 1 - độ sâu phía trên dòng chảy, m h2 - độ sâu phía dưới dòng chảy, m h - tổn thất thủy lực, m V - tốc độ dòng chảy qua thanh chắn rác, m/s v - tốc độ dòng chảy tới song chắn rác, m/s g - gia tốc trọng trường, 9,81m.s2 C - hệ số thải, giá trị điển hình của C = 0,84, C 2 = 0,74 Phương trình (2.2) có thể viết: 1 V 2 v2 h (2.3) 0,7 2g Phương trình 2.4. dưới đây trình bày sự tổn thất áp lực liên quan đến hình dáng của thanh và khe hở của song chắn rác : 4 / 3 w v 2 H  sin (2.4) b 2g trong đó: H - tổn thất áp lực, m w - độ rộng cực đại của mặt thanh chắn rác đối diện với dòng thải, m b - khe hở nhỏ nhất giữa các thanh chắn rác, m v - tốc độ dòng thải tới song chắn rác, m g - gia tốc trọng trường  - góc nghiêng của song chắn rác  - hệ số phụ thuộc vào hình dáng thanh chắn rác (hình 2.4 và bảng 2.2) 21
Hình 2.4. Hình dáng thanh chắn rác Bảng 2.2. Giá trị của  Hình dáng thanh chắn rác  Hình chữ nhật mép nhọn 2.42 Hình chữ nhật với bề mặt tròn 1.83 Hình tròn 1.79 Hình chữ nhật có mặt hình bán nguyệt ở phía trên và dưới dòng chảy 1.67 Dạng giọt nước mắt 0.76 2. 1. 2. 1. Các thông số thiết kế song chắn rác - Vận tốc dòng chảy trong thời gian lưu lượng cực đại không vượt quá 0,7 m/s. - Độ rộng khe hở giữa các song chắn rác từ 25 đến 44 mm - Song chắn rác đặt nghiêng với độ dốc từ 300 đến 450 - Tổn thất thủy lực qua song chắn rác cho phép từ 0,60 đến 0,70 m. Song chắn rác nên được làm sạch khi tổn thất thủy lực lớn hơn các giá trị cho phép này. Ví dụ 2.1 Tính tốc độ (V) qua song chắn rác khi tốc độ (v) của nước thải tới song chắn rác là 0,60 m/s và tổn thất thủy lực đo được là 38 mm Giải: Sử dụng phương trình (2.3) V 2 v2 h 0,7(2g) 22
V 2 (0,60m / s)2 0.038m 0,7(2 9,81m / s2 ) V 2 0,082 V 0,94m / s Ví dụ 2.2 Thiết kế song chắn rác. Cho biết các thông số sau đây: Lưu lượng thiết kế cực đại vào mùa mưa là 0,631m3/s Tốc độ qua song chắn rác ở dòng chảy cực đại trong mùa mưa là 0,90 m/s Tốc độ qua song chắn rác thiết kế cực đại vào mùa khô là 0,6 m/s Song chắn rác đặt nghiêng  = 600, với thiết bị làm sạch bằng cơ học Độ sâu phía trên song chắn rác của dòng chảy bằng 1,12 m Giải: Bước 1: Tính khoảng cách và đường kính của của thanh : (a) Xác định tổng diện tích khe hở (A) qua song chắn rác: F A max v Fmax - dòng chảy cực đại của nước thải v - Tốc độ qua song chắn rác ở dòng cực đại vào mùa mưa 0,631m3 / s A 0,70m 2 0,90m / s (b) Tính tổng chiều rộng các khe của song chắn rác w A/ d w - tổng độ rộng của các khe hở, m d - độ sâu của dòng thải, m w = 0,70 m / 1,12 m = 0,625 m (c) Chọn chiều rộng của khe bằng 25 mm 23
(d) Tính số khe hở, n = w(m) / 0,025m = 0,625m / 0,025m = 25. Sử dụng 24 thanh có chiều rộng bằng 10 mm và chiều dày 50 mm (e) Tính chiều rộng (W) của buồng đặt song chắn rác : Chiều rộng (W) = 0,625 m + 0,01m 24 = 0,86m (f) Tính chiều cao của song chắn rác Chiều cao = 1,12m / sin600 = 1,12m / 0,086 = 1,29m Cho phép tăng độ rộng của khung thêm tối thiểu là 0,6m, như vậy chiều cao của song chắn rác được chọn là 2 m (g) Xác định hệ số hiệu dụng (EC) EC = ( Tổng độ rộng của khe hở ) / ( Chiều rộng của buồng đặt song chắn rác) EC = 0,625 m / 0,865 m = 0,72 2. 1. 3. Lưới chắn rác mịn Lưới chắn rác mịn được sử dụng trong các nhà mày xử lý nước thải để xử lý sơ bộ hoặc xử lý sơ cấp (bậc 1). Khe hở của lưới lọc có thể được đan bằng dây thép, đục thành lỗ trên tấm kim loại hoặc sắp xếp các thanh chắn sát nhau với độ rộng của khe hở từ 1.5 – 6.4 mm. Lưới lọc mịn trong tiền xử lý có thể ở dạng quay hoặc cố định (hình 2.5). Hình 2.5. Lưới lọc quay (Rotary discscreen) Tổn thất áp lực qua lưới lọc mịn có thể được xác định theo phương trình: 24
2 2 1 v 1 Q h (2.5) 2g C 2 CA trong đó: h - tổn thất áp lực, m v - tốc độ, m/s C - hệ số thải của lưới g - gia tốc trọng trường, m/s2 Q - dòng qua lưới lọc m3/s A - diện tích khe hở có hiệu quả của phần lưới lọc đặt trong nước, m2 Giá trị của C phụ thuộc vào kích thước, khe hở và phần trăm diện tích khe hở của lưới. Giá trị điển hình của C đối với lưới lọc mịn sạch là 0,60. Tổn thất áp lực của nước sạch qua lưới lọc sạch tương đối nhỏ. Tuy nhiên, tổn thất áp lực của nước thải qua lưới lọc mịn trong thời gian vận hành phụ thuộc vào phương pháp và số lần làm sạch, phụ thuộc vào kích thước và số lượng của chất rắn lơ lửng trong nước thải và kích thước khe hở của lưới lọc. 2. 1. 4. Thiết bị nghiền rác Thiết bị nghiền rác (hình 2.6) có thể thay thế song chắn rác hoặc lưới lọc được sử dụng để cắt và nghiền các vật liệu thô tới kích thước từ 6 – 10 mm sao cho chúng không làm hư hại các thiết bị xử lý trong hệ thống sau đó và được thu lại trong bể lắng sơ cấp (bể lắng loại 1). Hình 2.6. Thiết bị nghiền rác 25
2. 2. BỂ LẮNG CÁT 2. 2. 1. Mục đích của bể lắng cát - Bảo vệ các thiết bị khỏi bị ăn mòn. - Giảm sự lắng đọng chất rắn trong các đường ống và các kêng dẫn. - Giảm tần số làm sạch các thiết bị. 2. 2. 2. Đặc trưng của chất rắn trong nước thải - Hàm lượng chất rắn từ 35 đến 80% - Hàm lượng chất bay hơi từ 1 đến 55% - Khối lượng riêng của cát sấp xỉ bằng 1,6 gam/cm3 2. 2. 3. Thiết kế bể lắng cát Mục đích thiết kế: - Cung cấp đủ thời gian lưu để cát sa lắng. - Duy trì tốc độ không đổi để rửa sạch bùn hữu cơ. Tốc độ chảy của nước thải trong bể lắng được xác định theo phương trình của Camp – Shields: 8 k g d p w Vc (2.6) f w trong đó: Vc - vận tốc của nước, m/s g – gia tốc trọng trường, 9,81m/s2 d – đường kính hạt rắn, m f – hệ số ma sát Darey – Weisbach, bằng 0.02 đối với nước thải sinh hoạt 3 p – khối lượng riêng của hạt rắn, kg/m 3 w – khối lượng riêng của nước, kg/m k – hằng số thực nghiệm, liên quan đến độ dày của chất hữu cơ bằng 0.04 – 0.06 26
Vận tốc điển hình, Vc = 15 tới 30 cm/s đối với các hạt hữu cơ. Khó khăn trong thiết kế bể lắng cát là duy trì V c luôn không đổi vì sự không ổn định của lưu lượng nước thải. Để khắc phục vấn đề này, người ta thiết kế một đập chắn (hình 2. 7) cho nước chảy qua để duy trì tốc độ trong kêng hình chữ nhật: Q V const (2.7) c Wh W – độ rộng của kênh hình chữ nhật. h – độ cao bên trên mặt của đập. Từ công thức (2.7) ta có: Q WV const (2.8) c h Lưu lượng nước qua đập được xác định bằng công thức: 3/ 2 Q CW 2g l W (2.9) l – chiều dài của đập vuông góc với dòng chảy, m Cw – hệ số của đập, thay đổi với đặc trưng của đập sấp xỉ bằng 0,4 đối với đập có bề mặt nghiêng. Hình 2.7. Đập chắn có bề mặt nghiên để duy trì dòng chảy trong kênh dẫn nước thải Phương trình Bernoulli khi tiếp cận tới đập của dòng chảy được biểu diễn theo công thức: P V 2 P V 2 A A Z B B (H P h) (2.10) g 2g A g g W P Vì ở áp suất khí quyển nên : B 0 g 27
Tổng áp suất ở bề mặt của phần A ở mọi nơi là như nhau. Do vậy, giả sử tốc độ V không đổi: P V 2 P V 2 V 2 A A ZA A' A' Z' A H P (2.11) g 2g g 2g A 2g W A’ h B H A Pw ZA A B Hình 2.8. Mô hình biểu diễn sự tiếp cận của dòng chảy qua đập chắn Kết hợp phương trình (2.10) và (2.11): V 2 V 2 A H P B H P h (2.12) 2g W 2g W hoặc V 2 V 2 B A h (2.13) 2g 2g V 2 và V 2g(h A (2.14) B 2g Với đập có độ rộng đồng nhất L: h H Q L V dh B (2.15) h 0 h H V 2 Q = L 2g(h A )dh (2.16) h 0 2g 3 / 2 3 / 2 2 V 2 V 2 2g L H A A (2.17) 3 2g 2g 28
V 2 2 Nếu: A H thì Q 2g LH 3 / 2 (2.18) 2g 3 Để hiệu chỉnh gần đúng cho phương trình (2.18), người ta đưa vào hệ số đập: 2 Q C 2g LH 3 / 2 (2.19) Wr 3 3 / 2 Q CW 2gLH (2.20) 2. 2. 3. 1. Lựa chọn các loại đập ngăn để duy trì tốc độ dòng chảy trong bể lắng cát 1. Tốc độ dòng chảy cũng có thể đạt được không đổi bằng cách xây dựng đập đối xứng, (hình 2.9 và hình 2.10). h h 2x Hình 2.9. Đập chắn đối xứng Xét dòng chảy qua đập với chiều cao h: Q V h2x (2.21) 2g(h V 2 / 2g h2x Từ phương trình (2.16) và phương trình (2.19): Q CW 2gh h.2x (2.22) Lưu lượng dòng chảy sẽ là: h Q C 2gh2xdh (2.23) W 0 k Trong đó 2x là hàm của h = : h 29
h k h Q C 2gh dh 2gC k dh 2gC kh W W W 0 h 0 Q 2gC k const (2.24) h W k Như vậy xây dựng đập có 2x sẽ tạo ra một tốc độ không đổi trong kênh dẫn h phía thượng nguồn (upstream). Hệ số đập đối với đập đối xứng, CW 0.98. 2. Để duy trì tốc độ V c, có thể cho dòng thải qua một kệnh dẫn hẹp (hình 2.11). Kênh dẫn hẹp có tổn thất thủy lực ít hơn đập. Lưu lượng và thủy lực trong kênh hẹp liên quan với nhau bởi phương trình: 3/ 2 Q kWh (2.25) Chú ý: h trong kêng dẫn xác định h trong bể lắng cát. Q Trong bể lắng cát: Vc (2.26) A Hình 2.10. Đập đối xứng 30
Xác định hình học của bể sao cho Q/A = const đối với tất cả lưu lượng. Lấy vi phân phương trình của đập để nhận dòng chảy tăng lên trên độ sâu một khoảng dh: 3 1/ 2 dQ KWh dh (2.27) 2 W – độ rộng của kênh. Dòng chảy qua tiết diện x phải như nhau: 3 dQ V xdh kWh1/ 2dh (2.28) C 2 x - độ rộng của tiết diện x ở độ cao h: 3KW 1/ 2 x h (2.29) 2VC 2. 2. 3. 2. Tiêu chuẩn thiết kế bể lắng cát Có ba dạng bể lắng cát thường được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước thải: bể lắng cát ngang hoặc bể lắng cát dòng chảy ngang hình chữ nhật; bể lắng cát sục khí, và bể lắng dòng xoáy (vortex). Tốc độ lắng của các hạt hình cầu phân tán trong dòng chảy tầng được trình bày theo định luật Stoke: g( )d 2 v s (2.30) s 18 trong đó: vs - tốc độ lắng, m/s g - gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2 3 s – khối lượng riêng của hạt rắn, kg/m - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3  - độ nhớt của chất lỏng, kg/s.m 2. 2. 3. 2. 1. Bể lắng cát hình chữ nhật Bể lắng cát hình chữ nhật có thể kiểm soát tốc độ dòng chảy tốt hơn các loại bể lắng khác và thường được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước thải có công suất nhỏ (hình 2.11). Bảng 2.5. đưa ra tiêu chuẩn thiết kế bể lắng cát ngang hình chữ nhật. 31
Hình 2.11. Bể lắng cát hình chữ nhật có kênh dẫn hẹp để ổn định dòng chảy Bảng 2.5. Tiêu chuẩn thiết kế bể lắng cát ngang Tham số thiết kế Khoảng Điển hình Thời gian lưu (s) 45-90 60 Tốc độ ngang (m/s) 0.25-0.4 0.3 Tốc độ lắng đối với (m/phút) d = 0.21mm 1.0-1.3 1.15 d = 0.15mm 0.6-0.9 0.75 Tổn thất thủy lực trong vùng kiểm soát theo 30-40 36 % của % độ sâu của kênh Độ dài cho phép bổ sung đối với sự sáo trộn 25-50 40 vùng vào và vùng ra (%) 2. 2. 3. 2. 2. Bể lắng cát sục khí 1. Ưu điểm của bể lắng cát sục khí: - Có thể sử dụng để bổ sung hóa chất, khuấy trộn và keo tụ trước xử lý bậc một. Bể lắng cát sục khí được mô tả trong hình 2.12 32
- Nước thải còn mới do vậy sẽ khử được mùi và khử BOD5. - Tổn thất thủy lực rất nhỏ - Loại dầu mỡ bằng thiết bị gạt - Khử các vật liệu hữu cơ có khả năng bị thối rữa bằng sục khí. 2. Nhược điểm Giải phóng các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) và gây mùi. 3. Thông số thiết kế bể lắng cát sục khí - Sâu từ 2 đến 5 m; chiều dài từ 7,5 đến 20 m; chiều rộng từ 2,5 đến 7 m; tỷ lệ chiều rộng / độ sâu : 1: 1 - 5: 1; tỷ lệ chiều dài / chiều rộng : 2,5: 1 - 1. - Tốc độ ngang tại bề mặt: từ 0,6 đến 0,8 m/s. - Thời gian lưu tại lưu lượng cực đại từ 2 đến 5 phút. - Cung cấp không khí từ 4,6 đến 12,4 lít / s. m theo chiều dài bể. Lưu lượng khí cao hơn được sử dụng đối với bể rộng và sâu hơn . - Cấu trúc dòng vào: dòng vào bể lắng phải kiểu lan truyền, vận tốc lớn hơn 0,3 m/ s ở tất cả các điều kiện. - Cấu trúc dòng ra: dòng ra phải vuông góc với dòng vào có vận tốc lớn hơn 0,3 m /s ở tất cả các điều kiện. - Vách ngăn: có các vách ngăn dọc và ngang - Hình học bể: xem xét vị trí đặt bộ phận khuyếch tán khí, độ dốc của bể, phễu chứa cát, buồng thu cát và thiết bị lấy cát. Hình 2.12. Bể lắng cát sục khí 33
Ví dụ 2.4.2 - Thiết kế hai bể lắng cát với dòng chảy kiểu xoắn ốc. - Thiết kế điển hình đối với lưu lượng cực đại dẫn tới từ trạm bơm : 1,56 m3/s. - Do giảm áp lực và thiết kế các bơm, lưu lượng cực đại còn: 1,321 m3/s. - Thời gian lưu: 4 phút ở lưu lượng cực đại (Q max). - Tốc độ cung cấp không khí : 7,8 l / s.m của chiều dài bể. - Cung cấp các vòi khuếch tán khí với bọt khí thô. Cung cấp dung tích 150% không khí đối với lưu lượng cực đại - Tốc độ lối vào và lối ra : 0,3 m/s - Chiều rộng của bể : 3,5 m - Băng tải xoay để đẩy cát tới phễu thu cát. Giải: A. Hình học của bể lắng cát 3 1. Lưu lượng cực đại (Qmax) qua mỗi bể : 0,661 m /giây. - Thể tích : 0,661 m3/giây 4 phút 60 giây/phút = 158,6 m3 - Độ sâu trung bình của nước ở giữa bể bằng 3,65m. Khoảng cách dự trữ : 0,8 m. Độ sâu tổng cộng: 3,65m + 0,8 m = 4,45 m Diện tích bề mặt: 158,6 m3 / 3,65 m = 43,5 m2 Chiều dài của bể: 43,5 m2 / 3,5 m = 12,5 m 13m. Diện tích bề mặt thiết kế : 3,5 m 13 m = 45,5 m2 2. Sắp xếp hệ thống khuếch tán khí: dọc theo chiều dài bể, ở một bên và cách đáy 0,6m 3. Thời gian lưu thực sau khi tính toán ở lưu lượng cực đại Qmax = ( 3,5m 13 m 3,65 m )  ( 0,661 m3/giây 60 giây/ phút) = 4,2 phút. Khi chỉ có một bể hoạt động: HRT = 2,1 phút. 34
B. Thiết kế hệ thống cung cấp không khí 1. Lượng không khí cần cung cấp: 7,8 lít /giây.m 13 m = 101,4 lít / giây. Tổng dung tích của khuếch tán khí: 1,5 101,4 lít/giây = 152,1 lít/giây cho mỗi bể. Dung tích máy thổi cho cả hai bể : 2 152,1 lít /giây = 18,3 m3/phút. Cung cấp hai máy thổi khí 20 m3/ phút (một máy dự phòng) ở áp suất vận hành là 27,6 kN/m2 ở lối ra. Ống dẫn khí sẽ dẫn khí với lưu lượng 0,15 m 3/phút vào mỗi bể. Trang bị các van điều khiển và đồng hồ đo lưu lượng trên tất cả các đường ống nhánh để cân bằng dòng khí. 2. Thiết bị khuếch tán và máy thổi Cung cấp thiết bị khuếch tán khi thô với ống phun không khí và phụ tùng để lắp đặt hệ thống. C. Tải trọng bề mặt 1. Khi cả hai bể cùng hoạt động, tải trọng bề mặt sẽ là: ( 0,661 m3/giây 86400 giây/ngày)  ( 3,5 m 13 m) = 1255,2 m3/m2.ngày. 2. Tải trọng bề mặt khi một bể không làm việc: 2 1255,2 = 2510,4 m3/m2/ngày D. Cơ cấu dòng vào 1. Sắp xếp cơ cấu dòng vào Tạo một kênh dẫn rộng 1 m với hai lỗ có kích thước 1m 1 m, Cung cấp vách ngăn để tạo dòng chảy ngang thành dòng chảy kiểu dòng chảy lan truyền. Cung cấp một cửa trượt để đóng một bể không làm việc hoặc bảo dưỡng. 2. Tính độ giảm áp suất nước khi qua kết cấu của dòng vào : V 2 V 2 z 2 1 h 2g 2g L Z = Z1 - Z2 = sự chênh lệch về độ cao của mặt nước vào trong kênh và vào bể lắng ( m). 35
1,321 m3/s V1= = 0,33 m/s 1 m 4,06 m ( độ sâu giả thiết của nước trong kênh) 1,321 m3/s V1 = = 0,1 m/s 3,5 m 3,82 m ( độ sâu giả thiết của nước trong bể) V 2 V 2 2 1 0,005 m (quá nhỏ, có thể bỏ qua) 2g 2g hL = hL ( vào kênh dẫn) + hL ( giảm tại cửa vào) hL ( vào kênh dẫn = 0) Dòng chảy qua vách ngăn: Q Cd A 2ghL 2 Trong đó A = diện tích lỗ, m và Cd là hệ số thải = 0,61 đối với cổng vào có ghờ hình vuông 2 3 1,321m / s Z hL 0,24m 2 0,61 1m 1m 2 9,81m / s E. Cơ cấu của dòng ra 1. Sắp xếp cơ cấu dòng ra, xây dựng một đập hình chữ nhật dài 2,5m, máng nước (kích thức 2,5 m 1,5 m); một hố chứa nước dòng ra (2,3 m 1,5 m) và đường ống dẫn nước ra. Thiết kế một cổng có thể di chuyển ở thùng ra để rút nước máng dẫn, khi một bể không làm việc. 2. Áp suất của nước trên đập: 2 Q C L' 2gH 3 3 d trong đó: Q - lưu lượng trên đập, m3/s H - áp suất (chiều cao nước) trên đập, m Cd - hệ số thải = 0,624 và L’ = L – 0,2 H ( L – chiều dài của đập.) Ở thiết kế lưu lượng cực đại, khi cả hai bể hoạt động, Q = 0,661 m3/s. 36
Tính H : Giả sử L’ = 2,47m H = 0,28 m 2,5 – 0,2 0,28 = 2,47m. Chọn H = 0,28m. 3. Chiều cao từ đáy của bể đến bề mặt đập : 3,65 m – 0,28 m = 3,37 m. 4. Áp suất trên toàn bộ đập tại Qmax khi một bể không hoạt động. Giả sử L’ = 2,41m H = 0,45 m L = 2,5 – 0,2 0,45 = 2,41m . Chọn H = 0,45 m. 5. Độ sâu của nước trong bể ở Qmax khi một bể không hoạt động: Độ sâu của nước = ( chiều cao của đập) + ( Áp suất trên đập) = 3,37m + 0,45 m = 3,82m F. Giảm thủy lực qua bể lắng cát Tổng giảm thủy lực = h L ở kết cấu dòng ra + h L ở kết cấu dòng vào + h L trong bể + hL do các vách ngăn. Giảm thủy lực do vách ngăn dòng vào và ra: v2 A h C 2 b L D 2g A trong đó v2 - tốc độ qua bể; Ab - hình chiếu vuông góc của diện tích vách ngăn ; CD - hệ số kéo = 1,9 đối với bản phẳng 3 v2= 1,321 m /s  [ (3,5 m rộng) ( 3,82 m độ sâu của nước) ] = 0,099 m/s (0,099m / s) 2 0,5 h 1,9 0,0005m L 2 9,81m / s 2 1 Độ giảm thủy lực quá nhỏ, do vậy, có thể bỏ qua. Kết quả tính tương tự áp dụng cho độ giảm thủy lực gây bởi vách ngăn dòng ra. 2. 2. 3. 2. 3. Bể lắng cát dòng xoáy (vortex) Nguyên tắc của bể lắng dòng xoáy là nước thải chứa cát đi vào bể lắng theo hướng tiếp tuyến với bể và tạo ra dòng xoáy. Dưới tác dụng của lực ly tâm và trọng lực, cát 37
và các chất rắn khác nhanh chóng được thu vào vùng trung tâm của bể, đi vào phễu thu cát và lắng dọc theo độ dốc của đáy bể (hình 2.13a và 2.13b). Ưu điểm của bể lắng cát dòng xoáy là có thể tích hợp nên tiết kiệm được mặt bằng; hiệu suất tách cát cao; nhu cầu năng lượng thấp; dung tích của bể đạt đến 3000 l/s; giảm số lượng đập chắn và bảo dưỡng. Hình 2.13. Bể lắng cát dòng xoáy 38
2. 3. BỂ ĐIỀU HÒA Nước thải chảy vào nhà máy xử lý có sự thay đổi về lưu lượng và tính chất của nó. Để đạt được hiệu quả xử lý tốt nhất, lưu lượng dòng thải cần phải ổn định. Ổn định lưu lượng dòng thải bằng cách xây dựng bể điều hòa dòng chảy trước khi vào các hệ thống xử lý. Trong hầu hết các trường hợp, bể điều hòa dòng chảy được đặt sau lưới chắn rác, bể lắng cát và trước bể lắng sơ cấp. Thông qua điều hòa, tốc độ nước hoặc lưu lượng được kiểm soát qua hệ thống xử lý nước thải. Ngoài ra, điều hòa dòng chảy có thể kiểm soát dòng chảy qua mỗi giai đoạn của hệ thống xử lý, cho phép đủ thời gian đối với các quá trình xử lý bằng các phương pháp vật lý, sinh học và hóa học. Bể điều hòa có thể được thiết kế trong dây truyền xử lý hoặc bên cạnh dây chuyền xử lý (hình 2.14a và 2.14b). Thể tích cần thiết của bể điều hòa được thiết kế dựa trên dòng khối lượng của nước thải biến đổi theo thời gian (hình 2.15a và 2.15b). Các yếu tố chính cần phải nghiên cứu trong khi thiết kế bể điều hòa là hình dáng, thiết bị trộn và cung cấp không khí, hệ thống bơm 2. 3. 1. Những ưu điểm khi sử dụng bể điều hòa - Tăng cường xử lý sinh học, giảm thiểu bị sốc do tải trọng cao các chất ức chế vi sinh vật vì chúng đã bị pha loãng và pH ổn định. - Cải thiện quá trình lắng các bể lắng thứ cấp (sau khi xử lý sinh học) do duy trì được tải trọng chất rắn. - Nâng cao hiệu quả đối với nhà máy công suất nhỏ đã quá tải. Những nhược điểm chính: - Cần có một diện tích đất lớn để xây dựng - Gây mùi. - Phải bảo dưỡng bổ sung - Tăng giá thành xử lý. 2. 3. 2. Xây dựng và vận hành bể điều hòa Vật liệu xây dựng bể điều hòa có thể bằng đất, bê tông hoặc bể bằng thép. Hình học của bể được thiết kế theo kiểu bể phản ứng khuấy trộn hoàn chỉnh, sử dụng thiết bị sục khí khí nén hoặc bằng thiết bị khuấy cơ học. Hàm lượng DO trong quá trình sục khí trong bể điều hòa bằng 1 mg/l . Tốc độ cung cấp khí bằng 0,16 l/m3.s. (a) Nước thải 3 Tới bể lắng bậc 1 1 2 4 Lưới chắn Bể lắng cát Bể điều hòa Kiểm soát dòng chảy 39
(b) Nước thải Tới bể lắng bậc 1 1 2 3A Lưới chắn Bể lắng cát 3B 4 Bể điều hòa Hình 2.14. Bể điều hòa dòng chảy trong dây truyền ( a) – online; (b) – sideline (a) 40
(b) Hình 2.15: Đồ thị xác định thể tích bể điều hòa (a). lưu lượng đạt cực đại một lần trong ngày; (b) lưu lượng nước thải đạt cực đại hai lần trong ngày Ví dụ 2.5.1 Khi khảo sát lưu lượng nước thải và nồng độ BOD của dòng vào theo thời gian, người ta thu được các số liệu đưa ra trong bảng 2.5.1. Tính thể tích bể điều hòa bằng hai phương pháp: theo thể tích nước thải và theo nồng độ BOD ghi được. Bảng 2.5.1: Lưu lượng nước thải và nồng độ BOD của nước thải vào nhà máy xử lý (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) Thời Lưu lượng Thể Thể tích dS dS BOD5, MBODin S, MBODout gian m3/s tíchvào ra m3 m3 mg/l kg mg/l kg 3 3 h Vin, m Vout, m 09.00 0,0631 227,16 203,65 23,51 23,51 140 31,80 140,00 28,51 10.00 0.,067 241,2 203,65 37,55 61,06 150 36,18 149,11 30,37 11.00 0,0682 245,52 203,65 41,87 102,93 155 38,06 153,83 31,33 12.00 0,0718 258,48 203,65 54,83 157,76 160 41,36 158,24 32,23 13.00 0,0744 267,84 203,65 64,19 221,95 150 40,18 153,06 31,17 41
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 14.00 0,075 270 203,65 66,35 288,3 140 37,80 145,89 29,71 15.00 0,0781 281,16 203,65 77,51 365,81 135 37,96 140,51 28,62 16.00 0,0806 290,16 203,65 86,51 452,32 130 37,72 135,86 27,67 17.00 0,0843 303,48 203,65 99,83 552,15 120 36,.42 129,49 26,37 18.00 0,0854 307,44 203,65 103,79 655,94 125 38,43 127,89 26,04 19.00 0,0806 290,16 203,65 86,51 742,45 150 43,52 134,67 27,43 20.00 0,0781 281,16 203,65 77,51 819,96 200 56,23 152,61 31,08 21.00 0,067 241,2 203,65 37,55 857,51 215 51,86 166,79 33,97 22.00 0,0583 209,88 203,65 6,23 863,74 170 35,68 167,42 34,10 23.00 0,0526 189,36 203,65 -14,29 849,45 130 24,62 160,69 32,73 0.000 0,0481 173,16 203,65 -30,49 818,96 110 19,05 152,11 30,98 01.00 0,0359 129,24 203,65 -74,41 744,55 81 10,47 142,42 29,00 02.00 0,0226 81,36 203,65 -122,29 622,26 53 4,31 133,61 27,21 03.00 0,0187 67,32 203,65 -136,33 485,93 35 2,36 123,98 25,25 04.00 0,0187 67,32 203,65 -136,33 349,6 32 2,15 112,79 22,97 05.00 0,0198 71,28 203,65 -132,37 217,23 40 2,85 100,46 20,46 06.00 0,0226 81,36 203,65 -122,29 94,94 66 5,37 91,07 18,55 0700 0,0359 129,24 203,65 -74,41 20,53 92 11,89 91,61 18,66 0800 0,0509 183,24 203,65 -20,41 0,12 125 22,91 121,64 24,77 Ghi chú: ds= Vin - Vout Giải: - Sử dụng thể tích Xác định lưu lượng trung bình của nước thải bằng 0,05657 m3/s. 42
Chọn thời gian với lưu lượng bắt đầu vượt quá lưu lượng trung bình. Chọn 9.00 giờ với lưu lượng là 0,0631 m3/s. Chuyển lưu lượng thành thể tích vào bể điều hòa trong khoảng thời gian kế tiếp nhau (cột 3), ví dụ: V = (0,0631 m3/s)(1h)(3600 s/h) = 227,16 m3 Cột thứ 4 là thể tích trung bình ra khỏi bể điều hòa : 3 3 Vout = ( 0,05675m /s)(1h)(3600s/h)=203,655 m Cột thứ 5 là sự chênh lệch giữa thể tích vào và ra bể điều hòa: 3 3 3 dS = Vin – Vout = 227,16 m – 203,655m = 23,505m Cột thứ 6 là tổng giá trị tích lũy của các giá trị chênh lệch dòng vào và dòng ra. Đối với khoảng thời gian thứ hai là : Tích lũy = dS = 37,55m3 + 23,51 m3 = 61,06 m3 Chú ý : giá trị tích lũy cuối cùng là 0,12 m 3, không đạt giá trị zero. Tại điểm này, bể điều hòa sẵn sàng cho ngày làm việc tiếp theo. Thể tích tích lũy = ( 863,74m3)(1,25) = 1,07968= 1.080 m3 ( 1,25 là hệ số an toàn) Thể tích tối thiểu của bể điều hòa 3 tích vào, m Thể tích vào, Thời gian, giờ Hình 2.5.1 : Xác định thể tích tối thiểu của bể điều hòa bằng thể tích dòng vào - Sử dụng BOD Khối lượng BOD vào bể điều hòa là kết quả của dòng vào (Q) và nồng độ BOD5 (S0) và sự chênh lệch thời gian t : MBOD5in = (Q)(S0)( t) 43
Khối lượng BOD5 ra khỏi bể điều hòa là kết quả của dòng ra trung bình, Qavg, và nồng độ BOD trung bình Savg trong bể và sự chênh lệch thời gian t : MBOD –out = (Qavg)(Savg)( t) Nồng độ trung bình (avg) được xác định: (V i )( S 0 ) (V s )( S prev ) S avg V i V s trong đó: 3 Vi - thể tích dòng vào trong khoảng thời gian t, m 3 S0 - nồng độ BOD trung bình trong khoảng thời gian t, g/m Vs - thể tích của nước thải trong bể ở thời điểm kết thúc khoảng thời gian trước đó , m3 Sprev - nồng độ BOD5 trong bể ở thời điểm kết thúc khoảng thời gian 3 trước đó bằng S avg trước đó, g/m Chú ý 1mg/l = 1g/m3, ở hàng thứ nhất (thời gian 9.00 h) : Ở hàng thứ nhất: (227,16m3 (140g / m3 ) 0 BOD 140g / m3 out 227,36m3 0 3 3 3 BOD mass out = (0,0567m / s)(140g / m )(1h)(3600s / h)(10 kg / g) 28,51kg Ở hàng thứ hai: (241,20m3 )(150g / m3 ) (23,61m3 (140g / m3 ) BOD 149,11mg /l out (241,20m3 )(23,51m3 ) 3 3 -3 BODmass out = (0,0567m )(149,11g/m )(1h)(3600s/1h)(10 kg/g)= 30,37kg 44
Lượng BOD tối thiểu vào nhà máy BOD , mg/l 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 30 Thời gian, giờ BOD vào BOD ra Hình 2.5.2: Xác định thể tích tối thiểu của bể điều hòa bằng nồng độ BOD5 của dòng vào 45
Chương 3 LẮNG, KEO TỤ VÀ TUYỂN NỔI 3. 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LẮNG Quá trình tách dịch lỏng – hạt rắn rất phức tạp vì các hạt rắn không có một hình dáng, khối lượng riêng và kích thước cố định. Để đơn giản hóa trong nghiên cứu lý thuyết lắng, người ta thường đưa ra một hệ lắng lý tưởng, trong đó các hạt rắn có tính chất lắng tương đối giống nhau được phân loại thành kiểu lắng loại 1, 2, 3 và loại 4. Loại 1. lắng của các hạt rắn phân tán ở nồng độ thấp. Không có sự bông tụ và tương tác lẫn nhau giữa các hạt rắn. Loại 2. lắng của các hạt ở nồng độ thấp có sự liên kết hoặc bông tụ giữa các hạt. Khi sự kết hợp giữa các hạt xảy ra, khối lượng sẽ tăng lên dẫn đến tốc độ lắng nhanh lên. Loại 3. lắng dính hay lắng vùng. Các chất rắn ở nồng độ cao sẽ đẩy lẫn nhau ngăn cản tốc độ lắng. Ngoài lực đẩy, khoảng trống giữa các hạt rắn rất nhỏ để cho dòng chảy của dịch chất chảy xung quanh hạt rắn tạo ra động lực cho hạt rắn lắng. Loại 4. lắng vùng (hay lắng nén), trong quá trình lắng, nước bị đẩy khỏi chất rắn tạo thành lớp lắng nén khá chặt. Hình 3.1 dưới đây minh họa lắng loại 1, loại 2, loại 3 và loại 4. Lắng loại 3 và loại 4 điển hình trong bể lắng bậc hai xử lý bùn hoạt tính. 3. 1 .1. Lắng của các hạt rời rạc Khi nồng độ của các hạt rắn thấp, mỗi một hạt rắn sẽ lắng rời rạc và không bị tác động bởi các hạt rắn khác. Tốc độ lắng của một hạt rắn đơn lẻ trong chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực sẽ tăng lên khi khối lượng riêng của hạt lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng. Vận tốc lắng của hạt rắn bị ngăn cản bởi lực của dòng chảy chất lỏng. Tốc độ lắng của hạt rắn trở nên không đổi khi có sự cân bằng của các lực này. Tốc độ lắng ở giai đoạn cân bằng lực được gọi là tốc độ lắng tới hạn. Hầu hết các tính toán lý thuyết và thực tế đối với tốc độ lắng, đều giả thiết hạt rắn có dạng hình cầu. Phương trình tổng quát đối với tốc độ lắng tới hạn của hạt rắn hình cầu xuất phát từ sự cân bằng các lực tác dụng lên hạt rắn. Đó là lực kéo (D), lực nâng (B) và trọng lực (W), (hình 3.2). 46
Hình 3.1: Các kiểu lắng loại 1, 2, 3 và 4 Lực trọng trường tác động lên hạt rắn (trọng lượng), W được xác định bởi công thức: 4 W = g r 3 g d 3 (3.1) 1 3 6 trong đó: 3 1 - khối lượng riêng của hạt rắn hình cầu, kg/m D – đường kính của quả cầu , m r – bán kính của quả cầu , m g – gia tốc trọng trường , m/s2 Lực nâng quả cầu do sự thay thế dịch chất, B : D B W Hình 3.2: Các lực tác động lên hạt rắn hình cầu trong quá trình lắng 47
4 g r 3 = g d 3 (3.2) 3 6 trong đó: - khối lượng riêng của dịch chất Lực kéo quả cầu D bằng: 1 2 2 D = CD d VS (3.3) 2 4 Với: CD – hệ số kéo (vô hướng) VS – tốc độ của hạt, m/s Động lượng vuông góc đối với quả cầu: V d 3 S W B D (3.4) 1 6 t Trong thực tế, hạt rắn gia tốc chỉ trong một thời gian ngắn. Do vậy, chúng ta có thể xem tốc độ cuối khi lực kéo, trong lực và lực nâng cân bằng: V S 0 W B D 0 (3.5) t 3 3 1 2 2 1 g d g d CD d VS 6 6 2 4 3 1 g d V 2 6 S 1 C d 2 2 D 4 1/ 2 4 1 gd VS (3.6) 3 CD trong đó: CD – hàm số của số Reynold, Re  V d R S (3.7) e  48
 là hệ số hình dáng được tính cho các hạt cát không có hình dáng đồng nhất và có giá trị bằng 0,85. Mối quan hệ giữa hệ số kéo CD và số Reynold được trình bày trong hình 3.3. Trên đồ thị trong hình 3.3 có thể quan sát được ba vùng rõ rệt: 1. Vùng dòng chảy tầng, R e 10 : CD = 0,4 49
gd( ) V 1 (3.9) S 0,3 Đây là dòng chảy trong bể lắng hình chữ nhật và được mô tả trong hình 3.4. Thời gian lắng, thời gian lưu và vận tốc ngang trong bể lắng được xác định bằng các biểu thức: H Thời gian lắng: tS (3.10) VS L Thời gian lưu: t (3.11) R U L Q U VS Q H Tổng vectơ Vùng ra Vùng vào của các hạt để triệt Vùng bùn tiêu sự hỗn lọan ban đầu Hình 3.4: Dòng chảy trong bể lắng hình chữ nhật U - vận tốc ngang, m/s : Q U (3.12) HW W - chiều rộng của bể (m); HW – diện tích tiết diện của bể theo hướng của dòng chảy, (m2). Nếu vận tốc ngang U lớn, hạt rắn dễ bị trở lại trạng thái lơ lửng. Thông thường, vận tốc ngang được lựa chọn: U 9 V0 Để nhận được sự lắng thích hợp với kích thước bể đạt hiệu quả nhất thì t R = tS khi VS = V0 (hình 3.5); V0 còn được gọi là tải trọng bề mặt ( hình 3.5). Mối quan hệ giữa V0, U, H và L được biểu diễn qua các công thức sau đây: V H 0 (3.13) U L 50
Q H HU HW Q Q V0 (3.14) L L LW AP trong đó: 2 AP – diện tích mặt phẳng của bể, m Q 3 2 V0 - tải trọng bề mặt của bể, (m /m -d) AP L U V0 H Vùng bùn Hình 3.5: Dòng chảy trong bể lắng hình chữ nhật với tải trọng bề mặt V0 Thông thường bể lắng là bể hình tròn với dòng vào ở trung tâm và dòng ra dọc theo mép bể (hình 3.6 và 3.7). Với bể có bán kính r : Q U ( 3.15) 2 rH Hình 3.6: Bể lắng hình tròn Độ dốc của đường cong trong hình 3.7 được biểu diễn bằng tỷ số của dh/dr: dh V = S (3.16) dr U Thay VS = V0 và U trong phương trình (3.15) : 51
dh V V 2 rH 0 0 dr U Q R U H VS dh r1 dr r Hình 3.7: Dòng chảy trong bể lắng tròn Lấy tích phân từ 0 đến H: H R V0 2 H dh rdr Q 0 r1 R V 2 H r 2 HV H 0 0 2 (R 2 r 2 ) (3.17) Q 2 Q 1 r1 HV =0 A (3.18) Q P trong đó: Q V0 - tải trọng bề mặt giống như bể hình chữ nhật. AP Độ sâu của bể : H = V0 tR. Trong tính toán lý thuyết, người ta đều giả thiết tốc độ lắng là đồng nhất ở mọi thời điểm. Điều này không thể xảy ra trong thực tế, các hạt có kích thước nhỏ hơn có tốc độ lắng V S < V0 sẽ không không lắng đồng thời. Nghĩa là, chúng có thể đi ra khỏi vùng lắng (hình 3.8). 52
Các hạt sẽ Vs < V0 không lắng U Các hạt sẽ V0 lắng Hình 3.8: Khả năng lắng và không lắng của hạt rắn có tốc độ VS = V0 và VS < V0 Nếu sự phân bố tốc độ lắng của hạt rắn được biểu diễn bằng hàm số: F(V s) như được mô tả trong hình 3.9. Trong đó, F là phần các hạt rắn sẽ lắng với tốc độ lắng VS. F 1,0 F0 0 V0 Vmax Hình 3.9: Phân bố tốc độ lắng của hạt rắn Phần lắng đối với tốc độ chảy tràn của hạt rắn V0 là: F 0 V (1 F ) dF = Phần lắng (3.19) 0 0 V0 trong đó: (1- F0) - tất cả các hạt rắn lắng nhanh hơn V0 F 0 V dF - phần các hạt có tốc độ nhỏ hơn V0 sẽ lắng 0 V0 Ví dụ 3.1 Xác định tốc độ lắng tới của hạt cát có đường kính trung bình bằng 0,5 mm và khối lượng riêng bằng 2600 kg/m3, lắng trong nước ở 200C. Khối lượng riêng của nước ở 200C bằng 998,2 kg/m3 và độ nhớt  bằng 1,002×10-3 N . s/m2 53
Giải: 1. Áp dụng định luật Stocke đối với lắng tới của hạt cát gd 2 ( ) V 1 S 18 9,81m / s 2 (2600 998,2)kg / m3 (5 10 4 m) 2 V 0,22m / s S 18 1,002 10 3 N.s / m 2 2. Kiểm tra số Renold, Re Áp dụng công thức (3.7) tính số Re: 0,85(0,22m / s)(5 10 4 m)(998,2kg / m3 ) R 93,2 e 1,002 10 3 N.s / m 2 Do số Re > 1, do vậy không thể xác định tốc độ lắng bằng định luật Stocke. Sử dụng phương trình (3.6): 1/ 2 4 1 gd VS 3 CD 3. Xác định hệ số kéo CD theo công thức (3.8) 24 3 a, CD 0,34 Re Re 24 3 = 0,34 0,91 93,2 93,2 b, Tính vận tốc lắng cuối của hạt rắn: Thay CD vào phương trình (3.8) (4 / 3)(9,81m / s 2 )(2600 998,2)kg / m3 (5 10 4 m) V 2 0,0121m 2 / s 2 S 0,91(998,2kg / m3 ) VS = 0,11m/s 4. Tính lại bước 2 và bước 3 để kiểm tra sự chính xác của vận tốc lắng trong bước 3b a, Sử dụng tốc độ lắng tính được trong bước 3b để tính lại số Re: 0,85(0,11)(5 10 4 )(998,2) R 46,5 e 1,002 10 3 b, Tính lại giá trị CD: 24 3 C 0,34 1,30 D 46,5 46,5 c, Tính lại tốc độ của hạt rắn: (4 / 3)(9,81)(2600 998,2)(5 10 4 ) V 2 0,0081m 2 / s 2 S 1,30(998,2) VS= 0,09 m/s 5. Lặp lại các bước 2 và 3 sử dụng kết quả trong bước 4. kết quả thu được: Re = 38,1 CD = 1,46 54
VS = 0,085 m/s 6. Lặp lại các bước 2 và 3 sử dụng kết quả trong bước 5 . kết quả thu được: Re = 36,0 CD = 1,51 VS = 0,083 m/s 3. 2. THIẾT KẾ BỂ LẮNG CHO LẮNG LOẠI 2 (BỂ LẮNG ĐỢT I) Khi thiết bể lắng cho lắng loại hai, đòi hỏi phải hiểu biết sự phân bố tốc độ lắng. Thiết bị nghiên cứu lắng phòng thí nghiệm là một cột bằng plastic, có độ sâu tương đương bể lắng và với đường kính 5 in, để làm giảm hiệu ứng của thành ống. Vị trí lấy mẫu 2 m Hình 3.10. Mô hình cột lắng Chất rắn lơ lửng được trộn đều, sau đó cho vào cột lắng (hình 3.10). Có thể sử dụng dung dịch kết tủa Fe(OH)3 hoặc Al(OH)3 để nghiên cứu lắng. Trong mỗi một thời gian nhất định, mẫu được lấy ở các vị trí khác nhau trên cột lắng. Xác định tỷ số hàm lượng chất rắn (Ct) tại thời gian t và nồng độ chất rắn ban đầu C0). Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vào độ sâu lấy mẫu trên cột lắng theo thời gian. Xây dựng đồ thị các đường % tương đương cách nhau một khoảng bằng 10% (hình 3.11). Phần trăm lắng của chất rắn ở mỗi vị trí lấy mẫu được xác định bằng công thức: Ct (3.24) R% 1 100 C0 Tỷ số tại điểm giao nhau giữa đường đẳng nồng độ và thời gian là tải trọng vận tốc V0: H V0 (3.25) ti trong đó: 55
R% - phần trăm chất rắn bị khử tại thời gian t Ct – nồng độ chất rắn tại thời gian t ở độ sâu đã biết, mg/l C0 – nồng độ ban đầu của chất rắn, mg/l H – chiều cao của cột, m ti – thời gian được xác định tại điểm giao nhau cũa đường đẳng phần trăm lắng vuộng góc với trục thời gian. Trong thực tế, khi thiết kế bể lắng đợt I, người ta thường nhân thêm hệ số an toàn và lấy bằng 0,65 đối với tải trọng và bằng 1,75 đối với thời gian lưu. Tổng phần trăm chất rắn bị loại được xác định theo công thức: n h R R %R  n n n 1 100% (3.26) h 1 H 2 Ví dụ các thí nghiệm cột lắng đo được: Thời gian, phút Chiều sâu, m 10 20 30 40 60 80 0,6 22 37 49 58 71 74 1,2 14 29 38 45 60 68 1,8 12 26 36 43 55 63 1. Xây dựng đồ thị số liệu 56
(a) 2. Vẽ đồ thị đường cong % lắng không đổi (b) 57
r3 r2 r1 (c ) Hình 3.11: Đồ thị đường cong phần trăm lắng trong thí nghiệm cột lắng cho lắng loại 2 Nguồn : 85Spring-2006/CourseHome/index.htm 3. Tính tổng phần trắm chất rắn bị loại Phương pháp 1 V0= (1,8 m)/(50 phút) = 0,036 m/phút Từ đồ thị , ở thời gian t0, 50% chất rắn bị loại có Vs ≥ V0 . Cần thiết phải xác định chất rắn sẽ bị loại, nhưng có Vs ≤ V0. Phần chất rắn thực tế bị loại theo tỷ lệ: h/H trong các vùng r1, r2 và r3: (1,8m 0,7m) r 2 (60 50) 7,2% 1 1,8m (0,78m 0,42m) r 2 (70 60) 3,3% 2 1,8m (0,42m 0m) r 2 (100 70) 3,5% 3 1,8m Tổng phần chất rắn bị loại ở các độ sâu được cộng với phần đã bị loại có Vs ≥ V0 58
%R = 50 + 7,2 +3,3 + 3,5 = 64 % Phương pháp 2 Áp dụng công thức (3.26). (1,8 0,78)m (60 50)% r 31% 1 1,8m 2 (0,78 0,42)m (70 60)% r 13% 2 1,8 2 (0,42 0)m (100 70)% r 19,8% 3 1,8 2 Tổng chất rắn bị loại: R% = r1 + r2 + r3 = 31 + 13 + 19,8 = 64% 3. 3. BỂ LẮNG ĐỢT I SỬ DỤNG ĐỂ LẮNG BÔNG TỤ LOẠI 2 Mục đích: để loại các chất hữu cơ có khả năng lắng trong một bể lớn ở điều kiện thụ động với: Hiệu suất khử của bể lắng : - BOD5 : từ 30 đến 40 % - TSS: từ 50 đến 70% Chất rắn lắng: được thu bằng bằng thiết bị nạo vào hố thu bùn, từ hố bùn chúng được bơm ra nơi xử lý bùn. Dầu, mỡ và các vật liệu trôi nổi khác được thu bằng thiết bị gạt ở bề mặt. Nước sau khi lắng thải qua đập vào hệ thống xử lý tiếp theo. 3. 4. CÁC LOẠI BỂ LẮNG Có một số loại bể lắng thường được thiết kế trong hệ thống xử lý nước thải: Lắng ngang Lắng chất rắn tiếp xúc Lắng bề mặt nghiêng Tiêu chuẩn thiết kế bể lắng đợt một cho xử lý bậc I, xử lý bậc II và bùn tuần hoàn đưa ra trong bảng 3.1. 3. 4. 1. Bể lắng dòng chảy ngang Ưu điểm: - Chiếm ít diện tích khi nhiều đơn vị xử lý được sử dụng. 59
- Kinh tế vì sử dụng các tường chung cho nhiều đơn vị. - Dễ che chắn để kiểm soát mùi. - Tạo khoảng cách dài để lắng dễ xảy ra. - Ít có dòng chảy quẩn. - Tiêu thụ năng lượng ít khi thu bùn. Nhược điểm: - Có những khoảng không gian không làm việc. - Nhạy cảm với dòng dâng. - Hạn chế chiều rộng bởi các thiết bị thu bùn. - Đòi hỏi nhiều đập chắn để duy trì tải trọng thấp. - Chi phí cao cho bảo quản hệ thống thu gom bùn. Bể lắng dòng chảy ngang đưa ra trong hình 3.12 Hình 3.12: Sơ đồ bể lắng ngang hình chữ nhật 60
3. 4. 2. Bể lắng chất rắn tiếp xúc Mô tả bể lắng chất rắn tiếp xúc: - Chất rắn vào bể tiếp xúc với chất rắn trong lớp bùn. Lớp bùn hoạt động như tấm chăn, các chất rắn tập hợp lại với nhau thành các hạt có kích thước lớn hơn ở lại bên trong lớp bùn. Chất lỏng dâng lên, trong khi đó mặt phân cách giữ chất rắn ở phía dưới (hình 3.13). Đặc điểm chung của bể lắng chất rắn tiếp xúc bao gồm: - Thực hiện thủy lực và thời gian lưu tốt hơn đối với lượng chất rắn tương đương bị loại trong bể lắng ngang. - Bể lắng có thể là bể tròn hoặc bể hình chữ nhật. - Không thích hợp đối với bùn sinh học vì thời gian lưu bùn dài có thể tạo ra mùi hôi thối khó chịu. Hình 3.13: Bể lắng chất rắn tiếp xúc 3. 4. 3. Bể lắng tấm nghiêng Các hệ thống lắng nghiêng được mô tả trong hình 3.14. Bể lắng nghiêng nói chung bao gồm các tấm phẳng hoặc các ống được lắp đặt trong bể lắng trên cơ sở hướng di chuyển của dịch chất liên quan đến hướng lắng của chất lơ lửng: - Đối dòng - Đồng dòng 61
- Dòng ngang. Mục đích đặt các tấm hoặc các ống để tăng diện tích lắng và giảm độ sâu của bể lắng. Từ công thức xác định tốc độ lắng Vs V0 của hạt rắn: Q V (3.27) 0 A Q – lưu lượng (hằng số) A – diện tích bề mặt bể lắng. Khi tăng diện tích bể lắng, tốc độ V 0 sẽ giảm. Nghĩa là, tốc độ lắng của hạt rắn tăng lên.   Chất lỏng Chất Chất rắn Chất rắn lỏng (a). Lắng ngược dòng (b). Lắng đồng dòng Chất lỏng (c).Dòng ngang Chất rắn Hình 3.14: Các kiểu lắng tấm nghiêng 62
1. Lắng ngược dòng Thời gian, t cho hạt rắn lắng một khoảng cách giữa hai bề mặt nghiêng song song với nhau được xác định bằng công thức: W t (3.28) Vs cos W – khoảng vuông góc giữa các bề mặt,  là góc nghiêng so với hướng của dòng chảy. Chiều dài bề mặt tấm phẳng L P, đủ cho thời gian lắng t nếu tốc độ của chất lỏng là V0: W (V0 Vssin ) LP (3.29) V0 cos Điều kiện để hạt lơ lửng lắng là V0 Vs: V W Vs 0 (3.30) LP cos W sin 2. Lắng đồng dòng Trong lắng đồng dòng, thời gian để các hạt lắng trong một khoảng cách vuông góc giữa hai bề mặt tương tự như lắng đối dòng. Chiều dài của tấm phẳng được xác định dựa trên dòng dịch chất hướng xuống dưới: (V0 Vs sin ) L p W (3.31) Vs cos Điều kiện để khử hạt rắn lơ lửng: V W Vs 0 (3.32) LP cos W sin 3. Lắng dòng ngang Thời gian cho hạt lơ lửng lắng một khoảng cách vuông góc giữa hai bề mặt tấm nghiêng cho trong phương trình (3.28). Dòng chất lỏng nằm ngang không tương tác với tốc độ lắng vuông góc của hạt rắn, do vậy: V0W Lp (3.33) Vs cos V0W và Vs (3.34) LP cos 4. Các dạng hình học dòng chảy khác 63
Ba kiểu lắng phân tích ở trên chỉ áp dụng cho các hệ tấm phẳng đặt song song với nhau. Để đơn giản hóa cho các dạng hình học khác, người ta đưa ra một tham số S c, được định nghĩa như sau: (sin Lr cos ) Sc Vs (3.35) V0 Lr = L/W là chiều dài tương đối của tấm lắng. Tốc độ lắng V* là đại lượng được xác định trong trường hợp đặc biệt, khi tất cả các hạt với tốc đố V0 hoặc lớn hơn tốc độ khử, Vs, sẽ lắng đối với bề mặt đặt song song, Sc = 1. Tuy nhiên, giá trị S c đối với các ống tròn bằng 4/3 và đối với ống hình dẫn hình vuông, Sc = 11/8. Thiết kế tải trọng cũng được xác định bằng V* : K KV V 3 s (3.36) Lr 2 3 2 Trong đó K3 là hằng số và bằng 8,64 10 m /d.m , và: S L K c r (3.37) sin Lr cos Đối với các giá trị đã cho và khoảng không của bề mặt khi  = 0, phương trình (3.37) trở thành: S c const (3.38) L Ví dụ 3. 3 Một bể lắng được lắp đặt 2 m các tấm phẳng nghiêng hình vuông. Mỗi tấm cách nhau 2 in. Góc đặt nghiêng của các tấm có thể thay đổi từ 50 đến 850. Lối vào và lối ra của bể có thể lắp đặt sao cho bể có thể sử dụng đối với các kiểu lắng đối dòng hoặc đồng dòng hoặc dòng ngang. Nếu như không cần thíêt xử lý các vấn đề về thủy lực do phân bố dòng chảy, vậy sắp đặt các tấm nghiêng như thế nào là tốt nhất? Giải: Từ các phương trình (3.30-3.34), xác định tỷ lệ V0/Vs đối với lắng đối dòng ở góc nghiêng  = 850: V 50 50 s V0 2000cos85 50sin85 174,3 49,8 0,223 64
Bài toán đặt ra cần có giá trị nhỏ nhất của V 0 trong vùng góc nghiêng . Các giá trị V0 thu được của lắng ngược dòng, đồng dòng và dòng ngang ở các góc nghiêng khác nhau đưa ra trong bảng dưới đây: Góc () 5 15 30 45 60 75 85 Đối dòng (Vs/V0) 0,025 0,026 0,028 0,035 0,048 0,088 0,223 Đồng dòng (Vs/V0) 0,025 0,026 0,029 0,036 0,052 0,106 0,402 Dòng ngang (Vs/V0) 0,025 0,026 0,029 0,035 0,050 0,096 0,287 Từ các kết quả thu được, có thể thấy sự khác biệt không lớn giữa ba loại lắng đối với góc đặt nhỏ hơn 60 0. Khi góc đặt lớn hơn 60 0, lắng đối dòng cho phép lắng của các hạt với tốc độ lắng nhỏ nhất. 3. 5. CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ BỂ LẮNG ĐỢT I 3. 5. 1. Mục đích thiết kế Cung cấp đủ thời gian ở điều kiện tĩnh để lắng cực đại xảy ra. Các điều kiện ảnh hưởng làm giảm hiệu suất khử chất rắn bao gồm: Dòng xoáy tạo ra do dịch chất đi vào bể Dòng chảy bề mặt tạo ra bởi gió Dòng đứng tạo ra bởi cấu trúc bề mặt Dòng đối lưu đứng tạo ra bởi nhiệt độ khác nhau giữa dòng vào và bể Dòng mật độ gây ra nước lạnh hoặc nước nặng chảy phía dưới bể và nước nóng và nhẹ chảy qua trên bề mặt của nó. Dòng tạo ra do hệ thống thu bùn. 3. 5. 2. Cơ cấu dòng vào Dòng vào bể lắng được đi qua các đập hoặc vách ngăn với mục đích: Tiêu hao năng lượng trong dòng vào bởi các vách ngăn hoặc đập. Lưu lượng phân bố bằng nhau dọc theo bề rộng bể. Ngăn cản xoáy nước do nhiễu loạn nhiệt độ và phân tầng tỷ trọng. Cung cấp tổn thất áp lực nhỏ. 65
Kiểm soát lưu lượng, thiết bị gạt bọt, bảo dưỡng. Tốc độ tại đường ống vào : 0,3m/s. Một số hệ thống tạo dòng vào bể lắng đợt I được minh họa trong hình 3.17: Hình 3.17: Các kiểu thiết kế cho dòng vào bể lắng 3. 5. 3. Cơ cấu dòng ra Mục đích thiết kế các vách ngăn, đập đối với dòng ra là: Lưu lượng phân bố đồng nhất trên một diện tích lớn của bể. Hạn chế làm nổi các hạt và thoát vào dòng ra. Giảm thiểu các vật liệu trôi nổi đi ra ngoài. Tải trọng đập đối với các nhà máy : 44 l/s– 124 m3/m·d ; Xây dựng vách ngăn ở trước đập để giữ các vật liệu trôi nổi thoát vào dòng ra. Một số kiểu sắp xếp vách ngăn trong bể lắng đợt I đưa ra trong hình 3.18. 66
Hình 3.18: Sắp xếp vách ngăn trong bể lắng 3. 5. 4. Thu bùn Độ dốc của đáy: làm dễ dàng rút nước và đưa bùn tới phễu chứa bùn. Bể hình chữ nhật : 1~2%; bể lắng tròn: có đường kính bên trong bằng từ 40 đến 100 mm/m. Bể được trang bị hệ thống thu bùn như mô tả dưới đây: 1. Bể hình chữ nhật: - Một cặp dây xích chuyển động liên tục trên các răng cưa gắn vào các trục hoặc cái thu bùn cầu di chuyển trang bị một gạt bùn để đẩy bùn vào phễu thu. - Thiết bị hút bùn 2. Bể hình tròn: - Nạo bùn cơ học với các cánh tay hướng tâm có những cái cày đặt thành một góc ở giữa các trụ (đường kính 10m) hoặc trên một cái đòn bắc qua bể (đường kính < 10m) 67
- Dây xích băng tải + Một dây xích chuyển động liên tục nối với trục và thiết bị chuyển động. + Tốc độ băng tải thẳng bằng 0,3 1 m/phút đối với bể lắng đợt một và 0,3 phút đối với bể lắng đợt hai. Bảng 3.2. Các tham số điển hình trong thiết kế bể lắng đợt I Trong khoảng Điển hình BỂ LẮNG ĐỢT I CHO XỬ LÝ BẬC II Thời gian lưu (h) 1,5 – 2,5 2 Tải trọng bề mặt khi lưu lượng trung bình (m3/m2d ) 30 – 50 40 Ở lưu lượng đỉnh theo giờ (m3/m2d) 80 – 120 100 Tải trọng đập (m3/m d ) 125 – 500 250 Bảng 3.2 (tiếp) BỂ LẮNG ĐỢT I VỚI BÙN HOẠT TÍNH TUẦN HOÀN Thời gian lưu (h) 1,5 – 2,5 2 Tải trọng khi lưu lượng trung bình (m3/m2d ) 24 – 32 28 Ở lưu lượng đỉnh theo giờ (m3/m2d) 48 – 70 60 Tải trọng đập (m3/m d ) 125 – 500 250 BỂ HÌNH CHỮ NHẬT CHO XỬ LÝ BẬC I Độ sâu (m) 3 – 4.9 43 Chiều dài (m) 15 – 90 24 – 40 Chiều rộng (m) 3 – 24 4,9 – 9,8 Tốc độ lan truyền (m/phút) 0,6 – 1,2 0,9 BỂ HÌNH TRÒN CHO XỬ LÝ BẬC I Độ sâu (m) 3 – 4,9 4,3 Đường kính (m) 3 – 60 12 – 45 Độ dốc đáy (mm/mm) 1/16 – 1/6 1/12 Tốc độ lan truyền (r/phút) 0,02 – 0,05 0,03 Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003 68
Ví dụ 3.3 Một nhà máy xử lý nước thải tiếp nhận lưu lượng nước thải 3.500 m 3/d. Tính diện tích bề mặt, đường kính, thể tích và thời gian lưu của bể lắng tròn có độ sâu 3m. Cho biết tải trọng bề mặt của bể, SOR = 60 m3/m2/d Giải: 1, Tính diện tích bề mặt bể: Q (35000m3.d 1) A 583m2 SOR 60(m3.m 2d 1) 2, Tính đường kính bể: A 583 A r 2 ; r 13,6m ; D 2r 27,0m 3, Tính thể tích bể : V A H 583 3 1749m3 4, Tính thời gian lưu: V 1749 t 0,05d 1,2h R Q 35000 Ví dụ 3.4 Thiết kế hệ thống lắng cho nước thô với các tính chất sau: Lưu lượng cực đại hàng ngày: 4m3/s Lưu lượng trung bình hàng ngày: 3m3/s Chất keo tụ: phèn nhôm Tốc độ sa lắng đối với bông tụ: 3,2 m/h Yêu cầu thiết kế bể hình chữ nhật dòng chảy ngang với dây xích và hệ thống vét bùn. Giả sử độ nhớt động lực của nước bằng 0,000131 kg/ m-s. và khối lượng riêng bằng 999,7 kg/m3. Xác định số bể lắng cần thiết, kích thước của bể lắng, tốc độ chảy tràn và thời gian lưu nước. Thiết bị vét bùn vào bể lắng có kích thước chiều dài tiêu chuẩn là 6 m, do vậy chiều rộng bể lắng thiết kế phải tăng lên 6m. Các tham số thiết kế tiêu chuẩn của bể lắng hình chữ nhật dòng chảy ngang đưa trong bảng 3.4. 1 dưới đây: 69
Bảng 3.4.1: Các tham số yêu cầu thiết kế Tham số Đơn vị Giá trị Số lượng tối thiểu của bể 2 Độ sâu của nước m 3-5 Tỷ lệ chiều dài và độ sâu tối thiểu 15: 1 Tỷ lệ chiều rộng và chiều sâu 3:1 tới 6:1 Tỷ lệ chiều dài và chiều rộng tối thiểu 4:1 tới 5:1 Lưu lượng chảy tràn m/h 1,25 tới 2,5 Tốc độ trung bình của dòng chảy ngang = Vf m/phút 0,3 tới 1,1 Thời gian lưu giờ 1,5 tới 4 Tải trong đập lối ra m3/m-h 9 tới 13 Giải: Bước 1: Xác định số bể : Tối thiểu là 2 bể, nhưng toàn bộ dòng chảy sẽ đi qua một bể. Như vậy, nếu như một bể không làm việc thì cần xây dựng 3 bể là an toàn. Bước 2: Xác định kích thước bể: Lưu lượng chảy tràn không đổi trên tổng diện tích: 3 Q 4(m / s) 2 AP = 60 60(s / h) 4500m Vs 3,2(m / h) 4500m2 là tổng diện tích của 3 bể, do vậy diện tích 1 bể là 1500 m2 Tỷ lệ chiều dài và chiều rộng tối thiểu là 4: 1 hoặc 5: 1 Giả sử chiều dài, L = 4,5 chiều rộng, W: Diện tích, Ap = L.W = (4,5).W2 = 1500 m2 1500 W 18,3 m 4,5 = 18 m 70
Ap 1500 L = 83,3 m W 18 Kiểm tra tỷ lệ chiều dài : chiều rộng, L : W = 83,3 / 18 = 4,6 Độ sâu của bể, D từ 3 đến 5 m, chọn D = 4 m Bước 3. Kiểm tra thiết kế theo bảng hướng dẫn L = 83,3 m , W = 18m D = 4 m L : D = 83,3 : 4 = 21 : 1 > 15 : 1 W : D = 18 : 4 = 4,6 : 1 L : W = 4,6 : 1 Tính thời gian lưu tR, tốc độ chảy ngang VH, và tải trọng của đập lối ra đối với lưu lượng cực đại và trung bình đối với 2 và 3 bể: L.W.D.N t R Q Q V H W.D.N Q q W.N trong đó : N - số bể Q – tổng lưu lượng Kết quả tính đưa ra trong các bảng 3.4.2a, 3.4.2b và 3.4.2c sau đây. Các số liệu được so sánh với các giá trị hướng dẫn thiết kế. Kết quả lần một: Kiểm tra kích thước bể: L = 83,3 m; W = 18 m; D = 4 m; N = 3 Bảng 3.4.2 a: kết quả thiết kế lần thứ nhất Tham số Tất cả các Tất cả các 1 bể 1 bể Hướng dẫn thiết bể bể ngừng ngừng kế QAve Q max QAve QAve min và max N 3 3 2 2 Q m3/s 3 4 3 4 71
L : D 21 21 21 21 15 W:D 5 5 5 5 3 6 L : W 4,6 4,6 4,6 4,6 4 5 tR Giờ 1,7 1,2 1,1 0,8 1,5 4 (h) VH m/phút 0,83 1,11 1,25 1,67 0,3 1,1 q m2/h 200 267 300 400 Kết quả lần hai: Kiểm tra kích thước bể L = 75m W = 18 m D = 5 m N = 5 Bảng 3.4.2 b: Kết quả thiết kế lần thứ hai Tham số Tất cả các Tất cả các 1 bể 1 bể Hướng dẫn thiết bể bể ngừng ngừng kế QAve Q max QAve QAve min và max N 5 5 5 5 Q m3/s 3 4 3 4 L : D 15 15 15 15 15 W:D 4 4 4 4 3 6 L : W 4,2 4,2 4,2 4,2 4 5 tR, giờ 3,1 2,3 2,5 1,9 1,5 4 (h) VH 0,4 0,53 0,50 0,67 0,3 1,1 m/phút q m2/h 120 160 150 200 Kết quả cuối cùng: Kiểm tra kích thước bể: L = 83,3 m W = 18 m 72
D = 5 m N = 4 Bảng 3.4.2 c: Kết quả thiết kế cuối cùng Tham số Tất cả các Tất cả các 1 bể 1 bể Hướng dẫn thiết bể bể ngừng ngừng kế QAve Q max QAve QAve min và max N 4 4 4 4 Q m3/s 3 4 3 4 L : D 17 17 17 17 15 W:D 4 4 4 4 3 6 L : W 4,6 4,6 4,6 4,6 4 5 tR Giờ 2,8 2,1 2,1 1,6 1,5 4 (h) VH m/phút 0,5 0,67 0,67 0,89 0,3 1,1 q m2/h 150 200 200 267 Khi thay đổi các thông số và để tính các tham số như thời gian lưu, số bể, tải trọng đập và tốc độ tải trọng chảy tràn có thể thấy xây dựng 4 bể là kinh tế nhất cho thiết kế hệ thống lắng. Ví dụ 3.5 Nước thải được thí nghiệm lắng trong điều kiện phòng thí nghiệm với những kết quả thu được theo nồng độ lắng chất lơ lửng đưa ra trong bảng 3.5.1 dưới đây a) Từ các số liệu lắng, hãy cho biết đây là kiểu lắng nào? b) Nước thải trong trường hợp này được đưa vào xử lý trong bể lắng hình chữ nhật có thời gian lưu 2 giờ và độ sâu bằng 4m. Xác định phần trăm chất rắn lơ lửng sẽ bị loại bỏ. c) Nếu như lưu lượng nước thải là 7500 m 3/d. Diện tích và thể tích của bể lắng sẽ bằng bao nhiêu? 73
Bảng 3.5.1: Kết quả thí nghiệm cột lắng Tại 30 phút Tại 60 phút Tại 90 phút Độ sâu dưới bề Tỷ lệ Độ sâu dưới bề Tỷ số Độ sâu dưới bề Tỷ số mặt, h ( cm) C/C0 mặt, h (cm) C/C0 mặt,h (cm) C./C0 38 0,23 34 0,05 32 0,03 118 0,81 114 0,46 112 0,23 198 0,94 194 0,73 192 0,52 278 0,97 274 0,86 272 0,70 358 0,98 354 0,92 352 0,83 Giải: a) Từ các số liệu lắng, xây dựng đồ thị giữa phần trăm lắng, thời gian và độ sâu của cột lắng, vẽ các đường đẳng hiệu suất khử chất rắn. Kết quả được mô tả trong hình 3.5.1 dưới đây: Các đường đẳng phần trăm khử chất rắn lơ lửng thu được có dạng đường thẳng chứng tỏ đây là sự lắng của các hạt phân tán. D Tốc độ lắng của chất rắn lơ lửng được xác định bằng công thức: Vs , t R trong đó: VS = tốc độ lắng, cm/phút; D = độ sâu, cm; tR = thời gian lưu, phút Các kết quả xác định tốc độ lắng đưa ra trong bảng 3.5.2. Độ sâu, cm Hình 3.5.1: Đường đẳng phần trăm lắng trong nghiên cứu cột lắng 74
Bảng 3.5.2: Kết quả xác định tốc độ lắng Thời gian lưu ( phút) Độ sâu (cm) Nồng độ còn lại Tốc độ lắng (cm/phút) t z C/C0 v 30 38 0,23 1,3 30 118 0,81 3,9 30 198 0,94 6,6 30 278 0,97 9,3 30 358 0,98 11,9 60 34 0,05 0,6 60 114 0,46 1,9 60 194 0,73 3,2 60 274 0,86 4,6 60 354 0,92 5,9 90 32 0,03 0,4 90 112 0,23 1,2 90 192 0,52 2,1 90 272 0,70 3,0 90 352 0,83 3,9 Xây dựng đồ thị về mối tương quan giữa phần còn lại (F) của các hạt rắn có giá trị nhỏ hơn tốc độ lắng, ( hình 3.5.2). F, phần của các hạt có tốc độ lắng nhỏ hơn tốc v Hình 3.5.2: Phân bố tốc độ lắng của hạt rắn 75
Phần chất rắn lắng sẽ là: 1- F0 = 1- 0,75 = 0,25 V F V-trung ΔF vΔF bình 3,3 0,76 3,0 0,70 3,2 0,06 0,19 2,5 0,64 2,8 0,06 0,17 2,0 0,49 2,3 0,15 0,34 1,5 0,34 1,8 0,15 0,26 1,0 0,18 1,3 0,16 0,20 0,5 0,04 0,8 0,14 0,11 0,0 0,00 0,3 0,04 0,01 Tổng 1,27 Tổng/V0 0,38 Phần chất rắn bị loại = 0,25 + 0,38 = 0,63 b) tR = 2 giờ, thời gian lưu nước H = 4m V0 = 4m / 2 giờ = 2 m/h lưu lượng chảy tràn = 3,3, cm/phút Phần lắng được xác định: F0 V (1 F ) dF 0 0 V0 Từ đồ thị trong hình 3.4.2, xác định được F0 = 0,75 đối với V0 = 3,3. F0 V Giá trị dF có thể thu được từ lấy tích phân gần đúng của đồ thị C/C 0 theo V ; 0 V0 F0 V dF 0,38 0 V0 76
Phần chất rắn bị loại = ( 1- 0,75 ) + 0,38 = 0,63 c) V0 = 4 m/ 2h = 2m/h = 48 m/d tR = 2 h = V/Q 3 3 3 Q = 7500 m /d V = tR. Q = ( 2/24 d) ( 7500 m /d) = 625 m Q 3 2 V0 48 m/d Ap = Q/V0 = (7500 m /d) / (48 m/d) = 156 m AP Kích thước bể có thể là 5 m 30 m. Ví dụ 3.6 Thiết kế bể lắng đợt một với tiêu chuẩn thiết kế sau đây: 1. Hai bể lắng sẽ được thiết kế hoạt động độc lập với nhau. Cho phép nước thải đi qua tới quá trình xử lý bậc hai khi một đơn vị không làm việc. 2. Tải trọng và thời gian lưu phải dựa trên lưu lượng thiết kế trung bình 0,44 m 3/s (10MGD). 3. Tải trọng phải nhỏ hơn 36 m3/m2-d ở lưu lượng thiết kế trung bình. 4. Thời gian lưu phải lớn hơn 1,5 h ở lưu lượng thiết kế trung bình. 5. Cơ cấu dòng vào phải được thiết kế để ngăn cản xoáy nước ngắn và làm giảm sự hỗn loạn của dòng nước. Kênh dẫn dòng vào có tốc độ nhỏ hơn 0,35 m/s tại lưu lượng cực đại (0,66 m3/s qua mỗi bể). 6. Tải trọng đập phải nhỏ hơn 186 m3/m-d tại dòng thiết kế trung bình và nhỏ hơn 372 m3/m-d tại lưu lượng đỉnh thiết kế. 7. Kênh dẫn nước lối ra nên thiết kế tại lưu lượng cực đại 1, 321 m3/s (0,661 m3/s qua mỗi bể). 8. Độ sâu trung bình của nước thải trong bể lớn hơn 3m. 9. Độ dốc của bể là 1,35%. Giải : Xác định kích thước của bể 1. Lựa chọn hình học của bể và cung cấp hai bể hình chữ nhật với tường chung. Lưu lượng thiết kế trung bình qua mỗi bể = 0,44/2 = 0,22 m3/s. Tải trọng tại lưu lượng thiết kế trung bình = 36 m3/m2.d. 77
Diện tích bề mặt = 0,22 m3/s × 86400 s/d  36 m3/m2.d = 528 m2. Sử dụng tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng (L : W) = 4 : 1~ OK. 4W × W = 528 m2; W = 11,5 m; sử dụng W = 11,58 m (38 ft) do tăng thêm 2ft để cho máy thu bùn. Như vậy, chiều dài = 46,33 m (152 ft). Độ sâu ở khoảng giữa chiều dài bể = 4 m ( 13,1 ft) Tỷ lệ chiều dài – độ sâu = 46,33 m / 4 = 11,6 ~ OK Chiều cao tăng thêm ( freeboard) = 0,6 m (2ft) Chiều sâu trung bình của bể = 4,6 m ( 15ft) 2. Kiểm tra tải trọng Tải trọng tại lưu lượng thiết kế trung bình = 0, 22 m3/s × 86400 s/d  (11,58 m × 46,33 m) = 35,4 m3/m2.d Tải trọng tại lưu lượng đỉnh thiết kế = 0,661 m3/s × 86400 s/d  ( 11,58 m × 46,33 m ) = 106,4 m3/m2.d 3. Kiểm tra thời gian lưu Thể tích trung bình của bể = 4 m × 11,58 m × 46,33 m = 2146,0 m3 Thời gian lưu tại lưu lượng thiết kế trung bình = 2146,0 m3  ( 0,22 m3/s × 3600 s/h ) = 2,7 h Thời gian lưu tại lưu lượng thiết kế cực đại = 2146 m3  ( 0,661 m3/s × 3600 s/h) = 0,9 h. Cơ cấu dòng vào 1. Lựa chọn sắp xếp cơ cấu dòng vào. Cơ cấu dòng vào bao gồm kênh dẫn nước thải rộng 1 m xuyên qua chiều rộng của bể. 8 lỗ ngập dưới nước có diện tích mỗi lỗ bằng 34 cm 2 được tạo ra ở thành tường bên trong của kênh (hình 3.6.1.) Một vách ngăn chìm, đặt sâu 1 m và cách 5 cm dưới bề mặt nước. 78
Hình 3.6.1: Thiết kế cơ cấu dòng vào 2. Tính độ giảm thủy lực trong ống dẫn nước thải nối với hố nối đặt ở phía dưới bể lắng cát và cơ cấu dòng vào của bể lắng (hình 3.6.2): Hình 3.6.2: Độ giảm thủy lực bên ngoài và trong hệ thống bể lắng Độ cao của bề mặt nước trong kênh dẫn nước thải vào của bể thấp hơn độ cao của hố phía dưới bể lắng cát. ΔH là tổng độ giảm thủy lực trong ống nối do dòng chảy vào ống, lực ma sát, do bị uốn cong ở các vị trí nối đường ống và bị tổn thất trong kênh dẫn của bể lắng ( hình 3.6.2). 3. Tính độ giảm thủy lực tại cơ cấu dòng vào Tốc độ ngang trong bể lắng (v 2) nhỏ không đáng kể. Tốc độ trung bình trong kênh dẫn dòng vào (v1) được tính tại lưu lượng thiết kế cực đại. Một nửa lưu lượng cho mỗi bể : 79
Lưu lượng thiết kế cực đại 0,66 m3/s Lưu lượng 3 vào mỗi kênh = = = 0,33 m /s 2 2 Chiều sâu của nước vào trong kênh dẫn được cố định bởi nhà thiết kế. Giả sử chiều sâu của nước tại cửa vào của kênh dẫn là 1 m và chiều rộng của kênh dẫn là 1 m, tốc độ chảy của nước thải trong kênh dẫn tại lưu lượng thiết kế cực đại là: Tốc độ trong kênh 0,33 m3/s tại lưu lượng thiết = = 0,331 m/s < 0,35 m/s OK kế cực đại 1 m × 1 m z hL ;Q Cd A 2ghL 2 0,331m 2 / s  4 z hL 0,07m 2 2 0,6 (0,34m) 2 9,81m / s Cơ cấu dòng ra 1. Lựa chọn sắp xếp cơ cấu dòng ra Cơ cấu dòng ra bao gồm các đập, máng dẫn nước, hố bên ngoài và đường ống dẫn nước ra. Sử dụng đập có khía hình chữ V. 2. Tính chiều dài của đập Tải trọng đập : 372 m3/m.d, tại lưu lượng cực đại - Lưu lượng thiết kế cực đại cho mỗi một bể = 0,661 m3/s × 86400 s/d = 57110 m3/d - Độ dài đập = 57110 m3/d  372m3/ m.d = 153,3m - Tính số khía hình chữ V Thiết kế đập với các khía hình chữ V 900 cách nhau 20 cm ở trung tâm ở cả hai phía của máng dẫn nước ( hình 3.6.3) 3. Tính số khía V Tổng số khía chữ V = 5 khía mỗi m × 153,3 m = 767 Để có khoảng trống ở cuối tấm nghiêng, tổng số khía là 765 80
Hình 3.6.3: Cấu tạo các khía hình chữ V của đập 4. Tính áp lực qua các khía chữ V ở lưu lượng thiết kế trung bình Nước chảy qua mỗi khía ở lưu lượng trung bình: = 0,02 m3/s  765 khía = 2,88 × 10-4 m3/s qua mỗi một khía Lưu lượng qua khía chữ V được xác định bằng phương trình: Q 8/15Cd 2g.tan( / 2)H5/ 2 0 Trong đó : Cd = 0,6, H = áp lực trên khía (m), và  = góc của khía chữ V = 90 2,88 × 10-4 m3/s = 8/15 × 0,6 × 2 × 9,81 m/s2.tan(90/2)H5/2 H = 0,03m = 3 cm 5. Tính áp lực trên các khía chữ V tại lưu lượng thiết kế cực đại Lưu lượng qua mỗi một khía ở lưu lượng thiết kế đỉnh: = 0,661 m3/2  765 khía = 8,64 × 10-4 m3/s mỗi một khía 8.64 × 10-4 m3/sec = 8/15 × 0.584 × 2 ×9.81 m/sec2·tan (90/2) H5/2 H = 0.06 m = 5 cm 6. Kiểm tra chiều sâu của khía Độ sâu của khía bằng 8 cm. Áp lực chất lỏng cực đại trên khía ở lưu lượng đỉnh là 5 cm (an toàn cho phép là 3 cm). Độ giảm áp lực (cột nước) qua bể lắng Giảm áp lực tại cơ cấu dòng vào (đã tính) Giảm áp lực tại cơ cấu dòng ra (tính bổ sung cho qua máng, hố thu nước và qua đường ống dẫn ra ngoài) 81
Độ giảm thủy lực qua bể (nhỏ, bỏ qua) Giảm thủy lực ở vách ngăn dòng vào và dòng ra (nhỏ, bỏ qua) Sơ đồ thủy lực qua bể lắng Tính được 0,99 m tại lưu lượng đỉnh (hình 3.6.4) Định lượng bùn 1. Đặc tính bùn Bùn thứ cấp: khối lượng riêng bằng 1,03, hàm lượng chất rắn từ 3 ~ 6%. Giả sử hàm lượng chất rắn điển hình là 4,5%. 2. Tính lượng bùn tạo ra hàng ngày: Giả sử chất rắn trong nước thải là 260 g/m3 và tốc độ loại bùn là 63%. Bùn tách ra từ bể lắng hàng ngày là : 260g/m3 × 0,63 × 0,22 m3/s × 86400 s/d × kg/1000 g = 3113,5 kg/d Lượng bùn trung bình tạo ra mỗi ngày của cả hai bể: 2 × 3113,5 kg/d = 6227 kg/d. Hình 3.6.4. Tổn thất thủy lực qua bể lắng 3. Tính thể tích bùn tạo ra trong mỗi phút của mỗi bể: 3113,5 kg/d  ( 1,03 × 1g/m3 × 1kg/1000 g × 0,045 × 106 cm3/m3 × 1440 phút/d) 82
= 0,0467 m3/phút mỗi bể. 4. Xác định công suất máy bơm bùn và chu trình bơm Cung cấp các bơm bùn riêng biệt cho mỗi một bể. Sắp xếp như thế nào đó mỗi một bơm có thể hoạt động cho cả hai bể trong trường hợp một bơm bị hỏng Vận hành mỗi một bơm theo chu kỳ thời gian, khoảng cách 16,5 phút với một chu kỳ bơm ở mỗi bể (tổng thời gian là 18 phút mỗi chu kỳ). - Thiết kế công suất bơm = (0,0467 m3/phút mỗi bể × 18 phút mỗi chu kỳ)  1,5 phút mỗi chu kỳ bơm = 0,56 m3/ phút mỗi bể - Khi một bơm được sử dụng để hút bùn từ hai bể, chu trình thời gian sẽ giảm xuống: - Khoảng thời gian của chu trình bơm theo phút đối với hai bể: = (16,5 + 1,5) phút  2 = 9 phút mỗi chu trình Chất lượng nước dòng ra từ bể lắng đợt I 3 2 1. Xác lập sự khử BOD5 và TSS tại lưu lượng cho phép là 35,4 m /m .d Khử BOD5 = 34%; khử SS = 63% ( hình 3.6.5). Phần trăm loại bỏ Tải trọng bề mặt, m3/m2.ngày Hình 3.6.5: Mối quan hệ giữa tải trọng bề mặt và phần trăm bùn bị loại Tính BOD5 và TSS trong nước ra BOD5 trong dòng ra của bể lắng bậc I 83
= 250 g/m3 × (1 – 0,34) × 0.44 m3/s × 86400 s/d × kg/1000 g = 6273 kg/d. TSS trong dòng ra = 260 g/m3 × (1 – 0,63) × 0,44 m3/s × 86400 s/day × kg/1000 g = 3657 kg/d Thể tích của dòng ra thứ cấp = lưu lượng trung bình – lượng bùn hút ra =( 0,44 m3/sec × 86400 s/d) - (6227 kg/d × 1000 g/kg)  (0,045 g/g × 1,03 × g/cm3 × 106 cm3/m3) = 38016 m3/d - 134 m3/d = 37882 m3/d Nồng độ BOD5 trong dòng ra = 6273 kg/d  37882 m3/d × 1000 g/kg = 165,6 g/m3 = 165,6 mg/L Nồng độ TSS trong dòng ra = 3657 kg/d  37882 m3/d × 1000 g/kg = 165,6 g/m3 = 96,5 mg/lít 3. 6. KEO TỤ / BÔNG TỤ Lắng rời rạc như đã trình bày trong phần bể lắng cát thường rất hiếm gặp trong xử lý nước thải. Khi chất rắn lơ lửng rơi xuống phía dưới, chúng sẽ va chạm và dính lại với nhau để tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn. Hiện tượng tạo thành các hạt lớn hơn từ các hạt có kích thước nhỏ được gọi là bông tụ. Để tăng khả năng bông tụ có thể cho thêm các tác nhân hóa học hoặc các polymer. Lắng hạt rắn bao gồm hai quá trình: keo tụ và bông tụ. .Hình 3.7: Quá trình keo tụ và bông tụ của các hạt keo 84
(a). keo tụ, (b) bông tụ 3. 6. 1. Keo tụ Keo tụ là phá vỡ độ bền và liên kết các hạt keo; bông tụ là tạo thành các hạt lớn hơn từ các hạt nhỏ (hình 3.7). Các hạt keo bắt gặp nước tự nhiên và nước thải bao gồm sét, silica, sắt, các kim loại nặng khác, chất màu và những chất rắn hữu cơ như các mẫu xác chết sinh vật. Người ta phân biệt ra hai loại keo ưa nước (hydrophilic) và keo kỵ nước (hydrophobic). Hầu hết các loại sét tự nhiên là keo kỵ nước. Các chất hữu cơ gây màu là keo ưa nước. Các hạt keo tồn tại trong dung dịch với kích thước rất bé vì chúng mang điện cùng dấu nên giữa các hạt keo luôn xuất hiện lực đẩy tĩnh điện và không bị lắng. Sự chênh lệch điện thế thế giữa lớp bề mặt biến dạng của hạt keo và dung dịch luôn tồn tại được gọi là thế zeta. Đối với hạt keo trong các nguồn nước tự nhiên ở pH trong khoảng từ 5 đến 8, thế zeta có giá trị từ -14 đến – 30 mV. Hạt keo càng có thế zeta âm thì hạt keo đó càng bền. Khi thề zeta biến mất, các hạt keo có thể tiến lại gần với nhau hơn dẫn đến làm tăng khả năng va chạm. Để làm trong nước, các chất điện ly được thêm vào để khử thế zeta của hạt keo. Quá trình keo tụ có thể xảy ra theo một số cơ chế chính sau đây: 1. Nén lớp kép, Khi có mặt chất điện ly mang điện tích trái dấu, lớp ion tích điện xung quanh hạt keo sẽ bị nén lại. Nếu lực nén đủ lớn, lực Van der Walls giữa các hạt keo sẽ thắng được lực đẩy giữa các hạt keo. Lớp kép khuếch tán tạo ra bởi các cation tấn công các hạt mang điện âm (lớp cố định), các cation và anion gắn với nhau một cách lỏng lẻo trong lớp khuếch tán ở ngoài cùng (hình 3.8a và 3.8b). 2. Trung hòa điện tích Thêm các ion tích điện dương hấp phụ trên bề mặt của hạt keo có thể giảm điện tích bề mặt và giảm lực đẩy. 3. Bẫy trong kết tủa Các muối của Al và Fe thêm vào ở khoảng pH thích hợp sẽ kết tủa như là những bông tụ với nhân là các hạt keo. 4. Cầu nối các hạt keo Các phân tử hữu cơ kích thước lớn (cả anion và cation) gắn nhiều hạt lại với nhau tạo ra một bông tụ lớn làm tăng tốc độ lắng. 85
(a) Lực đẩy (b) dẫn Lực hấp Hình 3.8: Lớp kép khuếch tán và các lực tương tác trên bề mặt hạt keo 3. 6. 1. 1. Các phản ứng hóa học trong nước của một số chất keo tụ Một số hợp chất hóa học thường được sử dụng trong quá trình keo tụ là: 1. Al2(SO4)3.14H2O hoặc Al2(SO4)3.18H2O (phèn nhôm) 2. FeCl3 3. FeCl3 (với vôi) 4. Fe2(SO4)3 (với vôi) 5. FeSO4.7H2O (với vôi) Các chất điện ly cũng là chất keo tụ bao gồm: 86
- Chất điện ly tự nhiên (tinh bột, xenlulô, chitosan ) - Chất điện ly tổng hợp từ các monomer (polyamine, sulphonate ). Ví dụ một số chất điện ly tổng hợp: Những hợp chất có khả năng làm tăng quá trình keo tụ/bông tụ và lắng được gọi là chất trợ bông tụ (chất bổ sung) bao gồm: - Silica hoạt hóa - Các chất điện ly 1. Phản ứng thủy phân của phèn nhôm Khi thêm phèn nhôm vào trong nước thải sẽ tạo ra thủy phân của sulfat dẫn đến Al(OH)3 kết tủa theo các phản ứng: 2 Al2 (SO4 )3 .18H 2O 6H 2O 2Al(OH)3  6H 3SO4 18H 2O Nếu trong nước thải có độ kiềm lớn, phèn nhôm sẽ tác dụng với độ kiềm : Al2 (SO4 )3 .18H 2O 3Ca(HCO3 ) 2 2Al(OH )3  3CaSO4 6CO2 18H 2O Nếu như độ kiềm không đủ, có thể thêm vôi vào để kết tủa Al(OH)3: Al2 (SO4 )3 .18H 2O 3Ca(OH) 2 2Al(OH)3  3CaSO4 18H 2O 2. Phản ứng thủy phân của FeCl3 và Fe2(SO4)3 Khi thêm FeCl3 vào nước thải, phản ứng thủy phân xảy ra với sự tạo thành Fe(OH) 3 không tan kéo các hạt keo theo cơ chế quét: 87
FeCl3 3H 2O Fe(OH )3  3H 3Cl Do sinh ra H+ trong phản ứng thủy phân, nên phải cần đệm pH để duy trì kết tủa Fe(OH)3. Khi độ kiềm trong nước thải đủ lớn, giống như phèn nhôm phản ứng của FeCl3 với độ kiềm tương ứng như sau: 2FeCl3 3Ca(HCO3 ) 2 2Fe(OH )3  3CaCl2 7CO2 Trong trường hợp bổ sung thêm vôi khi độ kiềm của nước thải nhỏ: 2FeCl3+3Ca(OH)2 2Fe(OH )3  3CaCl2 Phản ứng của sulfat sắt (III) khi có mặt độ kiềm hoặc vôi: Fe2 (SO4 )3 3Ca(HCO3 ) 2 2Fe(OH )3  3CaSO4 6CO2 Khi vôi được bổ sung: Fe2 (SO4 )3 3Ca(OH ) 2 2Fe(OH )3  3CaSO4 3. Phản ứng của sulfat sắt (II) với độ kiềm và vôi FeSO4.7H 2O Ca(HCO3 )2 Fe(HCO3 )2 CaSO4 7H 2O Fe(HCO3 ) 2 2Ca(OH ) 2 Fe(OH ) 2 2CaCO3 2H 2O 4Fe(OH ) 2 O2 2H 2O 4Fe(OH )3  3. 6. 2. Bông tụ Bông tụ là quá trình kết hợp các hạt keo đã tích tụ lại thành từng bông lớn có khả năng lắng bởi cầu nối của tác nhân hóa học (hình 3.9). Bông tụ xảy ra bởi: 1. Chuyển động Brown – một hành vi quan trọng đối với các hạt keo có kích thước nhỏ (< 0,5 m). Khi chuyển động Brown các hạt keo tiến lại với nhau đủ gần để kết tụ thành bông lớn. 2. Bông tụ xảy ra do tạo thành sự chênh lệch tốc độ bên trong nước thải để tăng tương tác của các hạt (ví dụ khuấy nhẹ bằng cơ học). Lắng bông tụ thường được gọi là lắng loại 2. 3. 6. 3. Thiết kế quá trình keo tụ/bông tụ 88
Áp dụng keo tụ/bông tụ trong xử lý nước thải có thể sử dụng quá trình gián đoạn hoặc quá trình liên tục. Hình 3.9: Quá trình keo tụ và bông tụ của các hạt keo (a): keo tụ; (b): bông tụ 3. 6. 3. 1. Keo tụ/bông tụ gián đoạn Hai bể phản ứng được sử dụng đồng thời. Mỗi một bể hoạt động theo một chu trình đầy đủ (cho nước thải vào, keo tụ, bông tụ, lắng). Mỗi một giai đoạn được tiến hành theo từng đợt và phụ thuộc vào thời gian. Sau khi bể phản ứng chứa đầy nước thải, thêm chất keo tụ. Nước thải được khuấy mạnh (khoảng 1-3 phút). Tốc độ khuấy giảm xuống. Giai đoạn lắng bắt đầu khi khuấy trộn dừng hẳn. Thời gian lắng khoảng vài giờ. 3. 6. 3. 2. Hệ thống keo tụ/bông tụ liên tục Hệ thống bổ sung chất hóa học: bơm liên tục chất keo tụ vào nước thải. Bể trộn nhanh: tạo điều kiện cho tốc độ di chuyển cao của hạt keo và trộn chất keo tụ với nước thải. Bể bông tụ: khuấy nhẹ để gia tăng sự kết hợp của hạt keo Bể lắng: để tách các hạt bông tụ. 89
3. 6. 3. 3. Mô hình toán học của quá trình bông tụ Tốc độ bông tụ có thể xác định từ phương trình: N p 4 ln 0 Gavet (3.19) N p trong đó: Np – số hạt keo tách 0 Np – số hạt keo ban đầu  - hiệu suất va chạm của hạt  - thể tích của hạt keo trên một đơn vị của chất lơ lửng Gave – sự chênh lệch tốc độ trung bình Chênh lệch tốc độ trung bình Gave được xác định bởi công thức: P G ave (3.20) ave V Pave – năng lượng bị tiêu tốn trong thể tích V của dịch chất. Công suất cần thiết tronng xử lý nước và xử lý nước thải với mức độ khuấy trộn được đo bằng gradient G . Gradient G là một hàm số của công suất áp vào một đơn vị thể tích: P G (3.21) V G – Gradient tốc độ, s-1 P – công suất áp, W V – thể tích nước trong bể trộn, m3  - độ nhớt động lực, Pa.s G có thể xác định bằng thực nghiệm. Tổng số các hạt va chạm tỷ lệ vối G×t 0, trong đó t0 là thời gian lưu trong bể và bằng V/Q. Giá trị điển hình của G đối với nước thải có màu và độ đục cao và thấp đưa ra trong bảng 3.1. 90
Bảng 3.1: Giá trị điển hình của G trong xử lý nước thải -1 Điều kiện G(s ) G×t0 (vô hướng) Keo tụ khử màu, độ đục thấp 20 – 70 80.000 tới 200.000 Keo tụ khử chất rắn, độ đục cao 30 - 80 36.000 – 96.000 Làm mềm, 10% chất rắn 130 - 200 200.000 – 250.000 Làm mềm, 39% chất rắn 150 – 300 390.000 – 400.000 Khi thiết kế thiết bị trộn để trộn nhanh và trộn trong bể bông tụ, công suất truyền cho chất lỏng trong bể có vách ngăn bởi cánh khuấy (hình 3.10) có thể xác định theo phương trình của Rushton đối với dòng chảy rối: 3 5 P KT (n) Di) (3.22) P - công suất, W KT – hằng số cánh khuấy n – tốc độ quay, vòng/giây Di - đường kính cánh khuấy - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 Trong bể không có vách ngăn công suất truyền có thể thấp và bằng khoảng 1/16 giá trị thu được từ phương trình Rushton. Các giá trị hằng số cánh khuấy KT được nhà sản xuất cung cấp. (a) (b) Trục quay Cánh (c) khuấy Tuốc bin Hình 3.10: Các kiểu cánh khuấy sử dụng trong bông tụ Công suất truyền bởi thiết bị trộn có cánh khuấy dạng mái chèo là một hàm của lực kéo lên mái chèo: 91