Tính toán thiết kế trạm xử lý nước mặt

Để xác định hàm lợng CO2còn lại trong nớc thì ta phải xác định lợng CO2 căn cứ vào trị số độ kiềm và độ pH của nớc nguồn bằng cách tra biểu đồ hình 5 - 1 Giáo trình Xử lý nớc cấp - TS Ng

tính toán thiết kế trạm xử lý nớc

4.1 chất lợng nguồn nớc - tiêu chuẩn nớc ăn uống

4.1.1 thành phần - tính chất nguồn nớc

Bảng phân tích thành phần và tính chất nguồn nớc, sử dụng cấp cho thị trấn

đợc lấy tại khu vực khoan thăm dò tại phức hệ T2ađg (khu vực khai thác)

Bảng thành phần chất lợng nớc

17 Hàm lợng cặn Max

Min

12

4.1.2 tiêu chuẩn nớc ăn uống sinh hoạt

Tiêu chuẩn vệ sinh nớc ăn uống - Ban hành theo Quyết định của Bộ trởng Bộ

Y tế số - 1329/2002/BYT/QĐ ngày 18/4/2002

Bảng tiêu chuẩn chất lợng nớc ăn uống sinh hoạt

21 Hàm lợng cặn Max

Min

4.1.3 Tổng hàm lợng muối

Chúng ta xác định thêm những chỉ tiêu cần thiết cho tính toán thiết kế

Tổng hàm lợng muối đợc tính theo công thức:

P =∑Me++ ∑Ae- + 1,4ì[Fe2+] + 0,5ì[HCO3-] + 0,13ì[SiO32-] (mg/l)

Trong đó:

∑Me+ :tổng ion dơng trừ [Fe2+]

∑Me+ =[Ca2+]+[Mg2+]+ [NH4+] + [Na+]

= 82,56 + 11,67 + 0 + 30,59 = 124,82 (mg/l)

∑Ae- là tổng ion âm trừ [HCO3-]

∑Ae- =[Cl-]+[SO42-] +[NO2-]+[NO3-] + [PO43-]

= 42,54 + 0 + 3,59 + 0,38 = 46,51 (mg/l)

P = 124,82 + 46,51 + 1,4ì5 + 0,5ì314,25 + 0,13ì1,05

= 335,59 (mg/l)

4.1.4 Xác định lợng CO2 tự do có trong nớc nguồn

với các số liệu:

Hàm lợng muối P = 335,59 (mg/l)

Nhiệt độ của nớc to = 23 oC

Độ pH = 7,4

độ kiềm Kio = 2,7 (mgđl/l)

Tra biểu đồ quan hệ giữa Ki, CO2 và độ pH trong nớc (giáo trình xử lý nớc cấp - TS Nguyễn Ngọc Dung ) ta xác định hàm lợng CO2 tự do trong nớc nguồn

là [CO2] là 18 (mg/l)

4.1.5 Đánh giá chất lợng nớc nguồn

a Kiểm tra mức độ chính xác của các chỉ tiêu:

Độ kiềm toàn phần:

Ktp = [ ]

02 , 61

3 −

HCO

= 5 , 15 02

, 61

25 ,

314 = (mgđlg/l)

Độ cứng toàn phần:

Ctp = [ ]

04 , 20

2 +

Ca

+ [ ]

16 , 12

2 +

Mg

= 8220,,5604 + 5 , 08

16 , 12

67 ,

11 = (mgđlg/l)

Nh vậy các chỉ tiêu tính toán là chính xác

b Nhận xét:

Hàm lợng cặn (Cmax = 15 mg/l) lớn hơn chỉ tiêu nớc cấp cho sinh hoạt Vì vậy, phải khử sắt độ màu (0) do đó không phải làm trong

4.1.6 Lựa chọn sơ bộ phơng pháp khử sắt

Trong quá trình khử sắt sẽ tạo thành CO2 tự do, trong quá trình làm thoáng phần lớn tự do sẽ đợc giải phóng ra khỏi nớc bay vào không khí

Để xác định hàm lợng CO2còn lại trong nớc thì ta phải xác định lợng CO2

căn cứ vào trị số độ kiềm và độ pH của nớc nguồn bằng cách tra biểu đồ hình (5

- 1) Giáo trình Xử lý nớc cấp - TS Nguyễn Ngọc Dung để tìm hàm lợng CO2

trong nớc nguồn trớc khi làm thoáng,sau đó cộng thêm vào lợng CO2 tự do này

là 1 lợng CO2 bổ sung do thuỷ phân sắt tạo ra

Hàm lợng CO2còn lại trong nớc sau khi làm thoáng xác định theo công thức:

[ Co2* ] = [ Co20 ] + [ Co2 ] (mg/l)

trong đó:

[ Co2* ] : Hàm lợng Co2 sau khi làm thoáng (mg/l)

[ Co20 ] : Hàm lợng Co2 bổ sung do thuỷ phân sắt tạo ra (mg/l)

[ Co2 ] : Hàm lợng Co2 ban đầu trong nớc (mg/l)

cứ 1 mg fe thuỷ phân tạo ra 1,6 mg/l Co2 và độ kiềm giảm 0,036 mg/l

vậy 5 mg fe thuỷ phân tạo ra 8 mg/l Co2

[ Co2* ] = 18 + 8 = 26 (mg/l)

Độ kiềm của nớc sau khi làm thoáng:

Ki = Ki0 - 0,036 ìC Fe2 +

Trong đó:

Ki0: Độ kiềm ban đầu của nớc nguồn.(mgđlg/l)

0,036: Độ kiềm giảm đi do thuỷ phân 1 mg fe

Ki = 5,1- 0,036 ì5 = 4,92 Tra biểu đồ hình (5 - 1) Giáo trình Xử lý nớc cấp - TS Nguyễn Ngọc Dung, với các thông số:

Hàm lợng muối P = 335,59 (mg/l)

Nhiệt độ của nớc to = 23 oC

Hàm lợng CO2= 26 mg/l

độ kiềm Kio = 2,7 (mgđl/l)

Ta tìm đợc pH = 7,2

Vì: Độ kiềm trong nớc > 1 mg/l.

Độ pH > 6,8

do đó dùng phơng pháp làm thoáng đơn giản

4.2 Lựa chọn dây chuyền công nghệ

Căn cứ vào công suất trạm hàm lợng cặn lơ lửng có trong nớc và các thông

số về chất lợng nớc do khảo sát chất lợng và tính toán ta lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ nh trên hình 4.1

1 Ph ơng án I :

Trạm

bơm I Làm thoáng trên mặt bể lọc nhanh Bể chứa n-ớc sạch

Clo khử trùng

Mạng lới

2 Ph ơng án II :

Hình 4.1 Các phơng án dây truyền công nghệ

3.Phân tích:

làm thoáng đơn giản và lọc:

Phơng pháp làm thoáng đơn giản và lọc có chiều cao phun ma nhỏ (≤1m ), với chiều cao đó chỉ đủ thời gian cho nớc đợc cấp thêm oxi Lợng Fe2+ đợc oxi hoá thành Fe3+ với tỷ lệ nhỏ Quá trình oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ và thuỷ phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc Do đó hiệu quả xử lý cao

u điểm:

- công trình xử lý đơn giản

- hiệu quả xử lý cao và ổn định

- chu kỳ lọc kéo dài do tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc tăng chậm Phạm vi áp dụng:

- Sử dụng cho nguồn nớc có hàm lợng sắt ≤ 15 mg/l

Trạm

bơm I Bình hoà trộn không

khí

Bể lọc sinh học trọng lực

Bể chứa nớc Clo khử trùng

Mạng lới

- độ oxi hoá ≤[ 0,15(Fe2+) ] mgđl/l.

- hàm lợng NH4 ≤ mg/l.

- độ màu của nớc khi bơm khỏi giếng ≤ 150

- độ ph sau khi làm thoáng ≥6,8

- độ kiềm còn lại trong nớc >  + 

+ 28 1

3

Fe

mgđl/l

- sơ đồ này có thể áp dụng cho công suất bất kỳ

làm thoáng bằng bể lọc sinh học trọng lực:

khử sắt bằng phơng pháp sinh học đợc diễn ra ở lớp vật liệu lọc trong các bể lọc Khác với khử sắt bằng hóa lý, lớp vật liệu lọc trong bể lọc sinh học đã đợc bao phủ bởi lớp màng vi khuẩn Lớp màng này càng rắn chắc thì hiệu quả xử lý càng cao Thông thờng thời gian luyện vật liệu lọc để khử sắt phải kéo dài trong thời gian khoảng 10 ngày

bể lọc khử sắt có thể đợc làm việc trong điều kiện áp lực hay trọng lực

u điểm:

- khả năng giữ cặn sắt của bể lọc sinh học lớn gấp 5 lần so với bể lọc khử sắt thông thờng

- phơng pháp khử sắt thông thờng không phải dùng thêm hoá chất

- tốc độ lọc cao nhờ độ rắn chắc của lớp màng sinh học bao quanh hạt vật liệu lọc Tốc độ lọc có thể đạt tối đa 40ữ50m/h, tức là lớn gấp 5ữ7 lần so với bể lọc nhanh khử sắt thông thờng

- tiết kiệm lợng nớc rửa lọc chỉ bằng 1/5 lần so với bể lọc khử sắt thông thờng đặc biệt có thể dùng nớc thô để rửa lọc, tuyệt đối không dùng nớc đã pha clo khử trùng để rửa vì sẽ làm giảm quần thể vi khuẩn khử sắt có trong bể lọc

4.3 tính toán các công trình trong trạm xử lý

Hình 4.2 Làm thoáng đơn giản (phun nớc trực tiếp trên mặt bể lọc)

cho nớc phun trên mặt bể lọc với chiều cao 0,9m tính từ mực nớc cao nhất trong bể lọc tới giàn ống phân phối nớc Dùng giàn ống khoan lỗ để phân phối nớc Với chiều cao 0,9m nh vậy, nớc đợc cấp thêm oxi tự do Khi làm thoáng, Fe2+ đợc oxi hoá thành Fe3+ với tỉ lệ nhỏ Quá trình oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ và thuỷ phân Fe3+ thành Fe+(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc

Giàn ống phân phối : có dạng hình xơng cá, trên có khoan lỗ đờng kính 6mm tốc độ nớc chảy trong ống v = 1,5 - 2m/s, cờng độ ma 10 m3/m2h

Bể lọc nhanh: có cấu tạo và nguyên tắc làm việc giống nh các bể lọc nhanh thông thờng Do quá trình oxi hoá và thuỷ phân sắt còn tiếp tục xảy ra trong lớp vật liệu lọc nên ngay từ đầu chu kỳ lọc, cặn đã bám sẵn trong lớp vật liệu lọc và

độ chứa cặn của lớp vật liệu lọc sẽ cao hơn

Các thông số tính toán:

- đờng kính tơng đơng của hạt vật liệu lọc dtđ = 0,9 - 1,3 mm

- chiều dày lớp vật liệu lọc 1m

- tốc độ lọc vbt = 7 m/h

- tốc độ lọc tăng cờng là vtc = 10 m/h

- Rửa lọc bằng gió nớc kết hợp

- cờng độ rửa lọc đối với nớc là Wn = 12 (l/s.m2)

- Cờng độ gió rửa lọc là: Wgio = 20 (l/s.m2)

- Thời gian rửa nớc thuần tuý là t1 = 0,1h = 6’

- Thời gian ngừng để rửa bể là t2 = 0,35h = 20’

- Chiều dày lớp vật liệu đỡ 0,2m

6 5

11

8

9 2

8

7

15 13 4

11 12 1

2 15

8 3

10

3

4.3.1 Bể lọc nhanh trọng lực:

Sơ đồ cấu tạo bể lọc nhanh đợc trình bày trên hình 4.7

Hình 4.3 Bể lọc nhanh

Chú thích:

(1)- Đờng ống dẫn nớc lọc vào bể

(2)- Đờng ống dẫn nớc trong về

bể chứa

(3)- Lớp nớc trên mặt vật liệu lọc

(4)- Lớp vật liệu lọc

(5)- Lớp vật liệu đỡ

(6)- Hệ thống thu nớc trong và

phân phối nớc rửa lọc

(7)- ống dẫn nớc trong vào bể

(8) - Máng phân phối nớc lọc và thu nớc rửa lọc

(9) - Mơng phân phối nớc lọc (10) - Mơng tập trung nớc rửa lọc

(11)- ống cấp nớc rửa lọc

(12)- ống xả nớc lọc đầu

(13)- ống xả nớc rửa lọc

(14)- ống xả kiệt

(15)- ống cung cấp gió rửa lọc

1 Tính toán bể lọc

a các thông số kích thớc của bể lọc:

Tổng diện tích mặt bằng các bể lọc đợc tính nh sau:

2

1

6 , 3 v a W t a v t T

Q F

bt n

Trong đó:

Q: là công suất trạm xử lý, Q = 70.000 (m3/ngđ)

T: là thời gian làm việc của trạm trong một ngày đêm, T = 24 (h)

vbt: là tốc độ lọc khi làm việc bình thờng, vbt = 7 (m/h)

Wn : là cờng độ nớc rửa, Wn = 8 (l/s.m2)

t1 : là thời gian rửa lọc, t1 = 4 phút = 0,067 h

t2 : là thời gian ngừng làm việc của bể để thực hiện các thao tác rửa, t2 = 0,3 (h)

a : là là số lần rửa lọc trong một ngày đêm ở chế độ bình thờng a = 2 Thay số ta có:

88 , 377 7 35 , 0 2 1 , 0 12 6 , 3 7 24

000

ì

−

−

=

x x

x x

Số bể lọc là:

2 , 9 88 , 377 5

, 0 5

,

Chọn phơng án xây dựng 10 bể

Kiểm tra tốc độ lọc tăng cờng :

h m N

N v

1 10

10 7

−

ì

=

−

ì

nhỏ hơn v tiêu chuẩn cho phép 10 (m/h), thoả mãn.

Nh vậy số bể lọc là 10 bể

Diện tích mỗi bể là:

2

8 , 37 10

378

m N

F

Chọn kích thớc bể là: a x a = 6x6,3 = 37,8 m2

Chiều cao xây dựng bể lọc:

H = hk + hs + hđ + hl + hn (m)

Trong đó:

hk: khoảng cách từ mép dới sàn đỡ chụp lọc đến sàn bể lọc; hk = 1,0m

hs: độ dày sàn bê tông đỡ chụp lọc; hs = 0,1 m

hđ: chiều cao lớp vật liệu đỡ; hđ = 0,2 m

hl: chiều cao lớp vật liệu lọc; hl = 1 m

hn: chiều cao lớp nớc trên mặt lớp vật liệu lọc; hn = 2 m

H = 1 + 0,1 + 0,2 + 1 +2 = 4,3 m

Chiều cao xây dựng bể lọc là:

HXD = H + hbv (m)

Trong đó:

hbv: chiều cao bảo vệ; hbv = 0,3 m

Vậy:

HB = 4,3 + 0,3 = 4,6 (m)

b Tính toán hệ thống phân phối và thu nớc rửa lọc:

Máng phân phối và thu nớc rửa lọc nh hình 4.4

Với kích thớc bể là aìa = 6ì6,3 (m) ta chọn mỗi bể 3 máng phân phối nớc và thu nớc rửa lọc Máng làm bằng bê tông cốt thép, có mặt cắt ngang hình ngũ giác với đáy hình tam giác

Khoảng cách giữa tim máng là 2 , 0

3

3 , 0 3 , 6

=

−

=

l (m), (Quy phạm l≤ 2,2m ) Khoảng cách giữa tim máng với tờng 1m

Chiều dài máng l=6(m)

Lu lợng nớc rửa bể tính theo công thức:

qr = Wn ìd ìl (l/s) Trong đó:

Wn: là cờng độ nớc rửa, Wn = 12 (l/s.m2)

d: khoảng cách giữa các tâm máng, d = 2m

l : Chiều dài máng, l = 6m

qr = 12ì2,0ì6 = 151,2 (l/s) = 0,151 (m3/s)

0,53

Hình 4.4 Cấu tạo máng thu nớc rửa lọc

Chiều rộng máng là:

5

3

2

57 ,

q K

B m

+

ì

= (m).(theo 6.120.TCXD 33-85)

Trong đó:

k : là hệ số phụ thuộc vào hình dáng của máng, đối với máng có đáy hình tam giác k = 2,1

qm: là lu lợng nớc vào máng, qm = 0,096 (m3/s)

a : là tỉ số giữa chiều cao phần chữ nhật với một nửa chiều rộng máng,

a = 1,3 ( quy phạm a = 1ữ1,5)

151 , 0 1

,

2 5

3

2

= +

ì

=

m

Chiều cao của phần chữ nhật máng:

hCN = aì0,5ì Bm = 1,3 ì0,5 ì0,53 = 0,34 (m)

chiều cao phần máng hình chữ nhật là hCN = 0,34 (m) lấy chiều cao phần

đáy tam giác là 0,22 (m) độ dốc đáy máng lấy về phía máng tập trung nớc là i = 0,01, chiều dày thành máng lấy là δ =0,1m

Chiều cao toàn phần của máng thu nớc là:

Hm = hCN + hđ +δ (m)

Hm = 0,34 + 0,22 + 0,1 = 0,66 (m)

Khoảng cách từ bề mặt lớp vật liệu lọc đến mép trên của máng thu đợc xác

định theo công thức :

) ( 25 , 0

e L

h m = ì +

∆

trong đó:

L : Chiều dày lớp vật liệu lọc, L = 1m

e : Độ giãn nở tơng đối của lớp vật liệu lọc, e = 20%

) ( 45 , 0 25 , 0 100

20 1

m

∆

theo quy phạm, khoảng cách giữa đáy dới cùng của máng dẫn nớc rửa phải nằm cao hơn lớp vật liệu lọc tối thiểu là 0,07m

chiều cao toàn phần của máng thu nớc rửa là Hm = 0,66 m vì máng dốc về phía mơng tập trung i = 0,01, mơng dài 6m nên chiều cao máng ở phía mơng tập trung là:

0,66 + 0,01ì6 = 0,72 (m) vậy ∆H m = 0 , 72 + 0 , 07 = 0 , 79(m)

c Mơng tập trung nớc rửa lọc

nớc rửa lọc từ máng thu tràn vào mơng tập trung nớc

Chọn chiều rộng mơng tập trung BM = 0,8(m)

Khoảng cách từ đáy máng thu đến đáy mơng tập trung tính theo công thức:

2 , 0

75 ,

2

+

ì

=

M

M m

B g

q

Trong đó:

qM : Là lu lợng nớc chảy vào mơng,

(m s)

w f

1000

12 8 , 37 1000

3

=

ì

=

ì

=

BM : là chiều rộng mơng, BM = 0,8 (m)

g: gia tốc trọng trờng, g = 9,81 (m/s2)

) ( 78 , 0 8 , 0 81 , 9

454 , 0 75 ,

2

m x

Lấy chiều cao lớp nớc trong mơng tập trung là: 0,51 (m)

Vận tốc nớc chảy thực tế trong mơng là:

11 , 1 51 , 0 8 , 0

454 , 0

=

ì

=

=

M m

F

q

Vậy kích thớc đã chọn của mơng tập trung là hợp lý

Đáy mơng tạo độ dốc i= 0,01 về phía ống thu nớc rửa lọc đến công trình tiếp theo

Đờng kính ống xả: D = 600 mm

tỷ lệ lợng nớc rửa so với lợng nớc vào bể lọc tính theo công thức:

(%) 1000

100 60

1

ì

ì

ì

ì

ì

ì

ì

=

o

T Q

N t

f w P

Trong đó:

w : Cờng độ rửa lọc wn = 12 l/s.m2

f : Diện tích một bể lọc, f = 37,8 m2

N : Số bể lọc, N = 3

Q : Công suất trạm xử lý, Q = 2500 m3/h

T0: Thời gian công tác của bể giữa hai lần rửa

T0 = ( 1 t2 t3)

n

T

−

Trong đó :

T : Thời gian công tác của bể lọc trong một ngày T = 24h

n : số lần rửa bể lọc trong một ngày, n =2

t1 , t2 ,t1:thời gian rửa, thời gian xả nớc lọc đầu, thời gian

T o 0 , 1 0 , 07 0 , 35 11 , 38 2

24

= +

+

−

=

vậy :

(%) 74 , 5 1000

38 , 11 2500

100 10 60 6 8 , 37

ì

ì

ì

ì

ì

ì

ì

=

P

d Tính toán mơng phân phối nớc vào bể

Nớc trong ống dẫn từ bể lắng tới qua mơng phân phối nớc vào bể lọc vào từng

bể Thiết kế hai mơng phân phối nớc vào bể, mỗi mơng phân phối nớc cho 1 bể lắng

Lu lợng nớc chảy trong mỗi mơng là:

s l

6 , 3 24 2

60000

=

ì

ì

= Lấy bề rộng mơng là Bm = 0,8 m

chiều cao lớp nớc trong mơng Hm = 0,8m

vận tốc nớc chảy trong mơng là:

s m F

Q

8 , 0 8 , 0

347 ,

ì

=

=

e Tính toán hệ thống phân phối nớc rửa lọc

Quy trình rửa bể:

- Bơm khí với cờng độ 20 l/s m2 trong thời gian 2 phút

- Bơm nớc kết hợp khí ,với cờng độ khí 15 l/s m2 và cờng độ nớc 4 l/s.m2 sao cho cát lọc không bị trôi vào máng trong thời gian 5 phút

- Cuối cùng ngừng bơm khí và tiếp tục bơm nớc thuần tuý với cờng độ 8 l/s

m2 trong thời gian 4 phút

- Chọn phơng pháp phân phối khí và nớc bằng chụp lọc.

Yêu cầu của hệ thống phân phối khí và nớc là phân phối đợc đều trên toàn bộ diện tích bề mặt công tác Hệ thống phân phối khí và nớc bằng chụp lọc là hệ thống phân phối trở lực lớn, tổng tổn thất áp lực qua các khe lớn hơn nhiều so với

độ chênh áp ở các điểm khác nhau, vì vậy áp lực trớc các lỗ ở mọi điểm coi nh bằng nhau, lu lợng qua các lỗ bằng nhau (đều), đây là u điểm của phơng pháp phân phối trở lực lớn

Tổng diện tích cần thiết của các khe hở trên toàn bộ bể:

k

r CT

v

q

F = (m2)

Trong đó:

qr : Là lu lợng nớc rửa bể, qr = 0,454( m3/s )

Vk: là vận tốc nớc qua khe chụp lọc Vk= 1,5 m/s

303 , 0 5 , 1

454 , 0

=

=

CT

1 - ống phân phối nớc rửa lọc 3

6 2

5

4

48

2 - khe thu khí

3 - khe thu nớc

bể hoà phèn

phèn cục

bể tiêu thụ

bơm định lượng

khí

nước

tới bể trộn

cặn