tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải thuộc da

trình bày về tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải thuộc da

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Yêu cầu: Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải thuộc da của công ty Đặng Tư

Ký với lưu lượng nước thải dòng tổng Q tổng = 300 m 3 /ngày, thành phần tính chất nước

thải và lưu lượng của mỗi dòng thải được cho trong Bảng 4.1, yêu cầu chất lượng nước thải sau xử lý đạt Tiêu chuẩn môi trường Việt Nam ( loại C ) Biết rằng diện tích dự kiến đặt trạm xử lý khoảng 3200 m 2 ( 80 m x 40 m )

Bảng 4.1 – Thành phần tính chất của mỗi dòng thải

Thông số Các công đoạn khác Thuộc crôm

pH BOD 5 (mg/l) COD (mg/l)

SS (mg/l) TKN (mg/l)

S 2- (mg/l)

Cr 3+ (mg/l)

9.2

2057

3495

3186

1000

25

-

3.82

1000

2400

2070

1257

-

5000

Yêu cầu nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường loại C

ƒ BOD5 ≤ 100 mg/L

ƒ COD ≤ 400 mg/L

ƒ Sunfua ≤ 1 mg/L

ƒ Crôm (III) ≤ 0.5 mg/L

4.1 MƯƠNG DẪN VÀ SONG CHẮN RÁC

a Chức năng

Dẫn nước thải và giữ lại các thành phần rác có kích thước lớn : thịt, mỡ, rẻo da nhờ đó tránh làm tắt bơm, đường ống hoặc kênh dẫn Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử lý nước thải

b Tính toán

Nội dung tính toán gồm 2 phần

- Tính toán mương dẫn nước thải : gồm 2 đoạn : trước và sau song chắn rác

- Tính toán song chắn rác

4.1.1 Tính toán mương dẫn đoạn trước song chắn rác

ƒ Tất cả nước thải từ các trống quay được xả từng mẻ vào một mương dẫn chung Sau song chắn rác ta sẽ phân thành 2 mương dẫn riêng biệt để dẫn 2 loại nước thải : nước thải thuộc crôm và nước thải các công đoạn còn lại

ƒ Sau khi hoàn tất xong công đoạn hồi tươi hay ngâm vôi thì khoảng 12 m3 nước thải ( của mỗi công đoạn ) được xả thẳng vào bể điều hòa ( trước đó đã qua song chắn rác ) trong khoảng thời gian 15 phút Còn công đoạn thuộc crôm chỉ xả khoảng 10 m3 trong 15 phút vào bể thu gom riêng để xử lý crôm trước khi nhập chung với các loại nước thải khác

ƒ Vậy lưu lượng trung bình của mương dẫn lấy bằng lưu lượng một lần xả của nước thải thuộc crôm và lưu lượng lớn nhất của mương dẫn lấy bằng lưu lượng một lần xả của nước thải các công đoạn còn lại

ƒ Lưu lượng trung bình QTB = 40 m3/h = 11.11 l/s

ƒ Lưu lượng lớn nhất Qmax = 48 m3/h = 13.33 l/s

ƒ Mương dẫn nước thải từ các trống quay đến song chắn rác có tiết diện hình chữ nhật Khi tính toán thủy lực của mương dẫn, ta cần xác định độ dốc i, vận tốc V (m/s), độ đầy h (m) bằng cách dựa vào công thức tính toán của Manning :

2 3

i R n

V = × × Trong đó

o V : Vận tốc nước thải trong mương dẫn, m/s Vận tốc này phải luôn

luôn lớn hơn vận tốc lắng cặn ( V > 0.7 m/s )

o n : Độ nhám, chọn n = 0.012

o i : Độ dốc thủy lực, chọn i = 0.005

o R : Bán kính thủy lực, m

h b

h b P

A R

2 +

×

=

=

Trong đó

• A : Diện tích mặt cắt ướt, m2

• P : Chu vi mặt cắt ướt, m

• b : Bề rộng của mương dẫn, m Chọn b = 0.2 m

• h : Độ đầy của mương dẫn, m

Kết quả tính toán thủy lực của mương dẫn nước thải trước song chắn rác

Lưu lượng tính toán, l/s

Thông số thủy lực

Q TB = 11.11 Q max = 13.33

Chiều ngang b ( m ) Độ dốc i

Độ đầy h ( m ) Vận tốc V ( m/s )

0.2 0.005 0.08 0.74

0.2 0.005 0.12 0.85 Vậy chiều cao mương dẫn H = h max + h bv = 0.12 + 0.28 = 0.4 m

4.1.2 Tính toán song chắn rác

ƒ Lưu lượng nước thải vận chuyển qua song chắn rác Qmax = 0.0133 m3/s

ƒ Chiều sâu lớp nước ở song chắn rác lấy bằng độ đầy tính toán của mương dẫn ứng với Qmax : h = hmax = 0.12 m

ƒ Số khe hở của song chắn rác

55 8 05 1 12 0 016 0 85 0

0133

0

0

×

×

=

×

×

×

h b V

Q

Trong đó

o Qmax : Lưu lượng lớn nhất của nước thải, Qmax = 0.0133 m3/s

o V : Tốc độ nước chảy qua song chắn rác, V = 0.85 m/s

o b : khoảng cách giữa các khe hở b = 16 mm = 0.016 m

o h : Chiều sâu lớp nước qua song chắn, h = 0.12 m

o K0 : Hệ số tính đến mức độ cản trở dòng chảy do hệ thống cản rác,

K0 = 1.05

ƒ Song chắn rác có n khe hở, vậy số thanh là ( n – 1 ) thanh Chiều rộng của nơi đặt song chắn rác

B s = S x ( n – 1 ) + b x n

Với S : Chiều rộng song chắn, S = 0.008 m

Suy ra Bs = 0.008 x ( 9 – 1 ) + 0.016 x 9 = 0.208 m

ƒ Vậy kích thước thanh : rộng x dày = b x d = 8 mm x 25 mm và khe hở giữa các thanh b = 16 mm

ƒ Tổng số song chắn rác là 2, trong đó : 1 công tác, 1 dự phòng

ƒ Tổn thất áp lực qua song chắn

06 0 2 81 9 2

85 0 83 0 2

2 2

×

×

=

×

×

×

g

V

o Vmax : Tốc độ chuyển động của nước thải trước song chắn ứng với lưu

lượng lớn nhất, V = 0.85 m/s

o K : Hệ số tính đến sự tăng tổn thất do vướng mắc rác ở song chắn

K = 2 – 3 Chọn K = 2

o ξ : Hệ số sức cản cục bộ của song chắn

83 0 60 sin 016

0

008 0 42 2

3

=

×

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

×

=

×

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

×

ξ

b S

• β : Hệ số phụ thuộc tiết diện ngang của thanh Tiết diện chữ

nhật β = 2.42

• α : Góc nghiêng đặt song chắn so với phương ngang, α = 60o

ƒ Chọn chiều dài xây dựng của phần mương để lắp đặt song chắn rác : LS = 0.4 m

ƒ Hàm lượng chất lơ lửng, COD và BOD5 của nước thải sau khi qua song chắn rác giảm 5%, còn lại

o Đối với công đoạn thuộc crôm

SS ra = SS vào x ( 100 – 5 )% = 2070 x 95% = 1966.5 mg/L BOD 5 (ra) = BOD 5 (vào) x ( 100 – 5 )% = 1000 x 95% = 950 mg/L COD ra = COD vào x ( 100 – 5 )% = 2400 x 95% = 2280 mg/L

o Đối với các công đoạn còn lại

SS ra = SS vào x ( 100 – 5 )% = 3186 x 95% = 3026.7 mg/L BOD 5 (ra) = BOD 5 (vào) x ( 100 – 5 )% = 2057 x 95% = 1954.2 mg/L COD ra = COD vào x ( 100 – 5 )% = 3495 x 95% = 3320.3 mg/L

4.1.3 Tính toán mương dẫn đoạn sau song chắn rác

ƒ Đoạn mương dẫn sau song chắn rác được thiết kế giống với đoạn trước song

chắn để tạo điều kiện thuận lợi, dễ dàng cho việc thi công

ƒ Sau đó đoạn mương dẫn này được tách ra làm hai : một mương dẫn nước thải thuộc crôm vào bể chứa để xử lý riêng, một mương dẫn nước thải của các công

đoạn còn lại vào thẳng bể điều hòa Ta sẽ lắp đặt các cửa xả ở mỗi mương

ƒ Hai mương này cũng được thiết kế theo các thông số của mương dẫn chính

o Chiều rộng b = 0.2 m, chiều cao H = 0.4 m

o Độ đầy hmax = 0.12 m, hTB = 0.08 m

o Vận tốc trong mương dẫn Vmax = 0.85 m/s, VTB = 0.74 m/s

o Độ dốc trong mương dẫn i = 0.005, độ nhám n = 0.012

4.2 BỂ THU GOM NƯỚC THẢI THUỘC CRÔM

ƒ Ta sẽ thiết kế bể chỉ chứa nước thải cho một lần xả ( xả 10 m3 trong 15 phút ) vì thời gian giữa hai lần xả nước thải là 14 h Trong khi đó hệ thống xử lý crôm chỉ cần khoảng 10 h là có thể xử lý hết 10 m3 nước thải thuộc crôm

ƒ Lưu lượng nước thải Q = 40 m3/h = 0.011 m3/s

ƒ Thời gian lưu nước t = 10 ÷ 30 phút, chọn t = 20 phút

ƒ Thể tích bể thu gom

33 13 60

20 40

=

×

=

×

ƒ Kích thước bể thu gom

L x B x H = 2.5 m x 2.5 m x 2.2 m

ƒ Bơm nước thải vào bể trộn

o Chọn 1 bơm nước thải và 1 bơm dự phòng

o Lưu lượng mỗi bơm Q = 40 m3/h = 0.011 m3/s

o Cột áp bơm được xác định theo phương trình Becnulli :

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ × +Σ

×

+

×

− +

×

− +

−

l g

V g

V V g

P P Z Z H

2 2

2 2 1

2 2 1 2 1 2

• Z2 – Z1 = 4 m

• P1 = P2 : Áp suất ở đầu ống đẩy, hút

• V1 = V2 = V : Vận tốc nước thải trong đường ống, V = 1.2 m/s

• l : Chiều dài toàn bộ đường ống, l = 8 m

• d : đường kính ống dẫn, d = 50 mm

• λ : hệ số ma sát đường ống

10 2

05 0 2 1

×

×

=

×

ν

d V

Vì 2 000 < Re < 100 000 nên ta có

024 0 30000

3164

0 Re

3164

0

25 0 25

.

=

λ

• Σξ : Tổng hệ số trở lực cục bộ

Σξ = 3 x ξc o + ξvào + ξra = 3 x 0.9 + 0.5 + 1 = 4.2 Vậy chiều cao cột áp bơm

6 4 2 4 05 0

8 024 0 81 9 2

2 1

⎠

⎞

⎜

⎝

×

× +

=

o Công suất bơm

67 0 8

0 1000

5 81 9 1000 011

0

×

×

×

=

×

×

×

=

η

Q

Trong đó

• Q - năng suất của bơm, m3/s

• H - cột áp của bơm, m H2O

• ρ- khối lượng riêng của bùn, kg/m3 ρ =1000 kg/m3

• g - gia tốc rơi tự do, m/s2 Lấy g = 9.81 m2/s

• η- hiệu suất của bơm Lấy η =0.8 (thường η = 0.72 ÷ 0.93)

o Công suất thực của máy bơm

N’ = 1.2 N = 1.2 x 0.67 = 0.8 kW

Vậy chọn bơm có công suất 0.8 kW

4.3 BỂ TRỘN VÀ BỂ LẮNG THU HỒI CRÔM TỪ NƯỚC THẢI

- Tính toán bể trộn hóa chất để nâng pH tạo môi trường cho crôm kết tủa

- Tính toán bể lắng cặn chứa crôm

4.3.1 Tính toán bể trộn cơ khí

ƒ Trước tiên ta sẽ cho FeSO4 vào nước thải để khử Cr6+ thành Cr3+, sau đó ta sẽ cho NaOH vào để nâng pH lên khoảng 8.5 ÷ 9.5 Khi đó Cr3+ sẽ dễ dàng tạo kết tủa dưới dạng Cr(OH)3

ƒ Hệ thống sẽ xử lý 10 m3 nước thải trong 10 h nên lưu lượng nước thải được bơm vào bể trộn Q = 1 m3/h = 2.78 x 10-4 m3/s

ƒ Thời gian khuấy trộn t = 3 phút

ƒ Thể tích bể trộn

05 0 60 3 10 78

=

×

ƒ Chọn chiều cao bể trộn H = 0.4 m Vậy diện tích bể trộn F = 0.125 m2

ƒ Đường kính bể trộn

4 0 125 0 4

=

π π

F

ƒ Ống dẫn nước thải vào ở đỉnh bể ( có đường kính 50 mm ) , dung dịch cho vào ngay cửa ống dẫn vào bể, nước đi từ trên xuống dưới qua lỗ của thành bể để dẫn sang bể lắng crôm

ƒ Dùng máy khuấy bản 6 cánh ( phẳng, đầu vuông ) thành trơn, đặt thẳng góc hướng xuống dưới để đưa nước từ trên xuống Chọn đường kính cánh khuấy

dk = 0.2 m

ƒ Máy khuấy đặt cách đáy bể một khoảng H = 0.2 m

ƒ Chiều rộng bản cánh khuấy khoảng 1/5 đường kính cánh khuấy b = 0.04 m

ƒ Chiều dày bản cánh khuấy lấy khoảng ¼ đường kính cánh khuấy l = 0.05 m

ƒ Tốc độ cánh khuấy

33 53 3

2 80

=

×

=

×

=

t

G C

n t D vòng/phút = 0.88 v/s ≈ 1 v/s

o Ct : Hàm phân bố thời gian khuấy, Ct = 80 ( tra bảng 3.6 / 155 – Quá

trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm – tập 1 : Các quá trình và thiết bị cơ học – Nguyễn Văn Lụa )

o GD : Đồng dạng hình học 2

2 0

4

=

=

K

D d

D

o t : Thời gian khuấy, t = 3 ph

ƒ Năng lượng cần thiết của cánh khuấy

2 2 0 1 1000 3

5

×

×

o K : hệ số sức cản của nước, phụ thuộc kiểu cánh khuấy, K = 6.3

( trang 126 – Cấp nước – tập 2 : Xử lý nước thiên nhiên cấp cho sinh hoạt và công nghiệp – Trịnh Xuân Lai )

o ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng, ρ = 1000 kg/m3

o dK : Đường kính cánh khuấy, dK = 0.2 m

o n : Số vòng quay của cánh khuấy, n = 1 v/s

ƒ Công suất động cơ

3 8 0

2 2

=

=

η

N K

o Kđ : Hệ số dự trữ công suất, Kđ = 1.1 ÷ 1.5 Chọn Kđ = 1.2

o η : hiệu suất động cơ, η = 0.7 ÷ 0.9 Chọn η = 0.8

ƒ Cường độ khuấy trộn

200 05 0 001 0

×

=

×

=

V

N G

-1 Trong đó

o N : Năng lượng tiêu hao tổng cộng, N = 2 J/s

o V : Dung tích bể trộn, V = 0.05 m3

o µ : độ nhớt động lực của nước, µ = 0.001 Ns/m2

ƒ Nước thải từ bể trộn sẽ tự chảy sang bể lắng cặn crôm Vận tốc trong ống dẫn

nằm trong khoảng ( 0.6 ÷ 0.9 ) m/s Chọn V = 0.8 m/s

Đường kính ống dẫn nước thải

021 0 8

0

10 78 2 4

=

×

×

×

=

×

×

π π

V

Q

Vậy chọn ống dẫn bằng nhựa PVC có đường kính 21 mm

4.3.2 Tính toán bể lắng kết tủa crôm

ƒ Lưu lượng nước thải xử lý Q = 1 m3/h

ƒ Thời gian lưu nước trong bể lắng t = 1 h

ƒ Thể tích bể lắng

V = Q x t = 1 x 1 = 1 m3

ƒ Chiều cao bể lắng

Chọn chiều sâu hữu ích của bể lắng hL = 0.7 m, chiều cao dự trữ trên mặt thoáng hbv = 0.1 m; chiều cao lớp bùn lắng trong bể là 0.3 m Bể lắng có dạng hình trụ có đổ thêm bêtông dưới đáy bể để tạo độ dốc 10% về tâm

Vậy chiều cao tổng cộng của bể lắng crôm

H = h L + h bv + h b = 0.7 + 0.1 + 0.3 = 1.1 m

ƒ Diện tích bề mặt cần thiết của bể lắng

0.91

1 1

=

=

H

V

ƒ Đường kính bể lắng

= 4×0.91 =1.08

π

bể

ƒ Đường kính ống trung tâm

d tt = 0.2 D bể = 0.2 x 1.1 = 0.22 m

ƒ Chiều cao ống trung tâm

h = 0.6 h L = 0.6 x 0.7 = 0.42 m

ƒ Thể tích phần lắng

4

22 0 1

1 4

2 2

2 2

=

×

−

×

=

×

−

×

L tt bể

ƒ Thể tích phần chứa bùn :

V b = F x h b = 0.91 x 0.3 = 0.27 m3

ƒ Lượng bùn sinh ra mỗi giờ ( hiệu quả khử crôm là 100% )

G =

h

m g

kg m

3

ƒ Giả sử bùn tươi của nước thải chứa crôm có hàm lượng cặn 5% ( độ ẩm 95% ), và khối lượng riêng của bùn tươi là 1.053 kg/lít Vậy lượng bùn cần phải xử lý là

95 05 0 053 1

5 05

×

=

ρ

G

ƒ Thời gian lưu giữ bùn trong bể

2.84

095 0

27

=

=

b

b

b Q

V

Bùn dư sẽ được bơm ra và đem đi nơi khác xử lý vì trong bùn có độc tố crôm Chọn bơm có công suất 0.3 kW

ƒ Máng thu nước sau lắng được bố trí ở vòng tròn có đường kính bằng 0.8 đường kính bể và ôm theo chu vi bể

D máng = 0.8 D bể = 0.8 x 1.1 = 0.88 m

ƒ Chiều dài máng thu nước

L máng = π x D máng = 3.14 x 0.88 = 2.8m

ƒ Tải trọng thu nước trên 1 mét dài của máng tràn

36 0 8 2

1 =

=

=

máng

S L

Q

L m3/m dài.giờ = 1 x 10-4 m3/s

ƒ Ở máng thu nước ta đặt ống dẫn nước thải sau xử lý sang bể điều hòa Vận tốc

trong ống dẫn nằm trong khoảng ( 0.6 ÷ 0.9 ) m/s Chọn V = 0.8 m/s

Đường kính ống dẫn nước thải

021 0 8

0

10 78 2 4

=

×

×

×

=

×

×

π π

V

Q

Vậy chọn ống dẫn bằng nhựa PVC có đường kính 21 mm

ƒ Số răng cưa trên máng tràn của bể lắng crôm

o Máng răng cưa được neo chặt vào thành trong bể nhằm điều hòa dòng chảy từ bể vào máng thu nhờ khe dịch chuyển, đồng thời máng răng cưa có tác dụng cân bằng mực nước trên bề mặt bể khi công trình bị lún hoặc nghiêng

o Chọn tấm răng cưa hình chữ V bằng thép không gỉ dày 3 mm có góc ở đáy

90o( để điều chỉnh cao độ mép máng ), cao h = 70 mm, dài L = 2.8 m Chiều cao hình chữ V là 20 mm, chiều dài đáy chữ V là 40 mm, khoảng cách giữa

2 đỉnh là 80 mm

o Số răng cưa

Ta có: Lmáng = n x 40 + ( n + 1 ) x 40 = 2800 Suy ra n ≈ 35 răng cưa

o Lưu lượng nước vào mỗi khe chữ V

2 5 2

2

2 15

8

ngap ngap

C

Với: Cd – hệ số tràn, Cd = 0.6

θ - góc ở đỉnh của khe, θ = 90o

o Chiều cao mực nước trong khe chữ V

2 5

4 4 1 5 12

10

1 5

q= = × − =

Suy ra hngập = 8 mm < 20 mm ( đạt yêu cầu )