Quá trình lắng trong xử lý nước cấp

Quá trình lắng trong xử lý nước cấp

TP Hồ Chí Minh, 2016

Mục lục

I. MỞ ĐẦU

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, góp phần vào sự thành công trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm an ninh quốc phòng, an ninh quốc gia Hiện nay, nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt Nguy cơ thiếu nước, đặc biệt là nước ngọt và nước sạch là một hiểm họa lớn dối với sự tồn vong của con người cũng như toàn bộ sự sống trên trái đất Do đó, con người cần phải có các biện pháp bảo vệ và

sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước Phải giữ cho nguồn nước sạch, tái chế nguồn nước bẩn thành nước sạch

Hiện nay nước ngọt chỉ còn lại 3% nhưng vai trò của nước đối với sản xuất và đời sống là vô cùng quan trọng hiện nay vấn đề đặt

ra đối với chúng ta là phải chung tay bảo vệ nguồn nước nhất là nướcngọt một cách triệt để nhất vì cuộc sống của chúng ta và tương lai Chính vì vậy để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước cho người dân thì việc xử lí nước cấp hết sức quan trọng để đảm bảo chất lượng của bộ

Y Tế Việt Nam quy định, nhưng ở đất nước ta hiện nay công nghệ đang sử dụng để xử lí sơ bộ đầu tiên chủ yếu là phương pháp lắng vẫn được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lí cấp nước và công nghệ đó đang được cải tiến và nâng cấp từng ngày và đạt hiệu quả hơn

1. Khái niệm chung

Lắng nước là giai đoạn làm sạch nước sơ bộ trước khi đi vào bểlọc để hoàn thành quá trình làm trong nước Trong công nghệ xử lí nước, quá trình lắng xảy ra rất phức tạp Chủ yếu ở trạng thái động (quá trình lắng, nước luôn chuyển động), các hạt cặn không tan

trong nước là những tập hợp hạt không đồng nhất (kích thước, hình

dạng, trọng lượng riêng khác nhau) và không ổn định (luôn thay đổi theo hình dạng và kích thước trong quá trình lắng dùng chất keo tụ).

Để nghiên cứu quá trình lắng nước được thuận tiện, người ta đưa ra hai khái niệm cơ bản quan trọng nhất trong lý thuyết lắng đó là: độ lớn thủy lực và đường kính tương đương của hạt

Độ lớn thủy lực của một hạt là tốc độ rơi của hạt đó trong môi trường nước tĩnh ở nhiệt độ 100C

Đường kính tương đương của một hạt có hình dáng bất kì là đường kính của một hạt hình cầu có độ lớn thủy lực băng độ lớn thủylực của hạt đó

2. Các loại cặn lắng

Trong thực tế xử lý nước thường gặp 3 loại cặn sau đây:

• Cặn rắn: là các hạt phân tách riêng lẻ, có độ lớn, bề mặt và hình dángkhông thay đổi trong suốt quá trình lắng, tốt độ lắng không phụ

thuộc vào chiều cao lắng và nồng độ cặn

• Cặn lơ lửng: có bề mặt thay đổi, có khản năng kết dính và keo tụ với nhau trong quá trình lắng làm cho kích thước và vận tốc lắng của cácbông cặn thay đổi (tăng dần) theo thời gian và chiều cao lắng

• Các bông cặn: có khản năng kết dính với nhau, khi nồng độ lớn hơn

1000 mg/l tạo thành các đám cặn, khi các đám mây cặn lắng xuống, nước từ dưới đi lên qua các khe rỗng giữa các bông cặn tiếp xúc với

nhau, lực ma sát tăng lên làm hạn chế tốc độ lắng của các bông cặn nên gọi là lắng hạn chế Tốc độ lắng của các đám mây bông cặn phụ thuộc vào tính chất và nồng độ cặn sẽ được xem xét khi thiết kế bể lắng trong có lớp cặn lửng.

II. CÁC LOẠI BỂ LẮNG

a. Căn cứ theo công cụ

- Bể lắng đợt I: đặt trước công trình xử lý sinh học

- Bể lắng đợt II: đặt sau công trình xử lý sinh học

- Bể lắng đợt III: khi làm sạch sinh học hai bậc

b. Căn cứ theo chế độ làm việc:

- Bể lắng hoạt động gián đoạn: là một bể cứ xả nước thải vào đó và cho đứng yên trong một khoảng thời gian nhấtđịnh, nước đã được lắng tháo ra cho lượng nước mới vào

- Bể lắng hoạt động liên tục: nước thải qua bể liên tục

c. Căn cứ theo chiều nước chảy:

• Bể lắng ngang:

o Hình dạng: Có hình hộp chữ nhật, tỉ lệ giữa chiều rộng

và chiều dài không nhỏ hơn ¼ và chiều sâu 4m

o Cấu tạo: Gồm có mương dẫn nước vào, mương phân

phối, tấm nửa chìm nửa nổi, máng thu nước, máng thu

và ả chất nổi, và mương dẫn nước ra

o Nguyên lý hoạt động: Là loại bể nước chảy theo chiều

ngang tưd đầu đến cuối bể

o Ưu điển: gọn, có thể làm hố thu cặn ở dâud bể và cũng

có thể làm hố thu cặn dọc theo chiều dài của bể

o Nhược điểm: giá thành cao, có nhiều hố thu cặn tạo nên

những vùng xoáy làm giảm khản năng lắng của các hạt cặn đồng thời không kinh tế vì tăng thêm khối tích không cần thiết của công trình

xả cặn nổi.

o Nguyên lý hoạt động: Nước chảy theo phương thẳng

đứng từ dưới lên trên, còn các hạt cặn rơi ngược chiều với chiều chuyển động của dòng nước từ trên xuống

o Ưu điểm: Thuận tiện trong công tác xả cặn, ít diện

tích xây dựng

o Nhược điểm: Chiều cao xây dựng lớn làm tăng giá

thành xây dựng, số lượng bể nhiều, hiệu suất thấp

o Ứng dụng: bể lắng đứng áp dụng khi công suất nhỏ

hơn 3000m3/ngày-đêm khi xử lý bằng keo tụ Bể lắng đứng kết hợp bể phản ứng xoáy hình trụ (ống trung tâm), lắng đứng hay dùng trong công nghệ xử

lí nước cấp quy mô nhỏ

• Bế lắng li tâm:

o Hình dạng, cấu tạo: Hình trụ tròn, đáy côn, có cần

gạt bùn

o Nguyên lý hoạt động: Nước vào thường được đưa

theo ống trung tâm, từ khoang trung tâm nước theo các tia ban kính chảy vào các mang thu bố trí quanh

bể hình tròn

o Bể lắng li tâm thường áp dụng cho những nước có hàm lượng SS cao, nhất là trong xử lý nước thảiLoại bể Hình dáng Thông số thiết

kế

ứng dụng

Lắng đứng Trụ vuông hoặc

tròn

Đáy chóp tạo ítnhất 500 vớimặt bằng

Diện tích mặtbằng khôngquá 100 m2.Tốc độ dângnước khôngquá 0.5-0.6mm/s

Theo thời gianlưu nước khi cókeo tụ 2 giờ

Trạm có công suất không quá

3000 m3/ngày Khi xử lý nước bằng chất keo

tụ, áp dụng tốt

để xử lý sắt trong nước ngầm

Lắng ngang Hộp chữ nhật

Tỉ lệ L:H > 10

Độ dốc ít nhất0.02 theo chiềudọc và 0.05theo chiềungang

Tốc dọ nướcngang 0.003 –0.012 Thời gian lưunước ít hơn 4giờ

Nhà máy nước công suất lớn

Lắng ly tâm Trụ tròn, đáy

côn, có cần gạtthu bùn

Tính toán trên

cơ sở thựcnghiệm

Khi lượng cặn lớn

d. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng

• Lưu lượng nước thô

• Nồng độ pH trong nguồn nước

• Thời gian lắng( thời gian lưu)

• Khối lượng riêng và tải trọng tính theo SS

• Tải lượng thủy lực

 Khái niệm Keo Tụ-Tạo Bông

Đối với hệ phân tán có diện tích bề mặt riêng lớn (bụi trongkhông khí,phù sa trong nước ) các hạt luôn có xu hướng co cụm lạitạo thành hạt lớn hơn để giảm năng lượng liên kết bề mặt

Hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thànhnhững hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng xuống

do trọng lực trong thời gian ngắn được gọi hiện tượng keo tụ

Các hạt keo co cụm thành bông cặn lớn dễ lắng là dùng cáctác nhân thích hợp “Khâu” chúng lại thành các hạt lớn hơn đủ nặng

để lắng

 Cấu tạo hạt keo:

Trong tự nhiên, các hạt keo có thể mang điện tích âm (đa số)hoặc dương

Lớp thứ 1 rất mỏng,

mang điện tích dương, và liên

kết chặt chẽ với hạt keo gọi là

 Quá trình keo tụ: là quá tình thêm hóa chât vào dung

dịch để làm mất sự ổn định của hạt keo, tăng tốc độ lắng

của pha phân tán nước.

 Quá trình tạo bông và lắng: xảy ra sau khi làm mất độ ổn

định của hạt keo, ở đó sự kết tụ và tạo bông lớn được hình thành Việc khuấy trộn là cần thiết cho tạo bông

Sau khi tạo bông , tiến hành lắng lọc các bông

IV. QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỘC LẬP

• Khái quát:

_Quá trình lắng độc lập xảy ra trong suốt quá trình lắng các hạt cặn lơ

lửng không thay đổi kích thước hình dạng hoặc khối lượng Lắng các hạt ở nồng

độ thấp và không tác động với nhau.

sẽ không thay đổi.

• Ưu nhược điểm:

- Quá trình lắng sẽ mất thời gian khá lớn đối với các hạt cặn tương đối nhỏ.

- Quá trình lắng độc lập thường dùng để lắng cặn trong nước cấp và nước thải.

- Quá trình lắng này có cơ chế hoạt động đơn giản.

Vì thời gian lắng tương đối dài nên người ta thường phối hợp các quá trình lắng này với quá trình lắng khác để tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả.

V

V. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỂ LẮNG

1 Bể lắng ngang

Cấu tạo bể lắng ngang:

Bể lắng ngang có dạng hình chữ nhật, có thể làm bằng gạch hoặc bê tông cốt thép Được sử dụng trong các trạm xử lí có công suất lớn hơn 3000m3/ngày đêm đối với trường hợp xử lí nước có dùngphèn và áp dụng với công suất bất kì cho các trạm xử lí không dùng phèn

Bể lắng ngang thường chia thành nhiều ngăn Chiều rộng mỗi ngăn từ 3-6 m Chiều dài bể không quy định, nhưng khi bể có chiều dài quá lớn có thể cho nước chảy xoay chiều Để giảm bớt diện tích

bề mặt xây dựng, ở một số nước người ta xây dựng bể lắng nhiều tầng ( có thể 2,3 tầng )

Để phân phối nước đều trên toàn bộ diện tích bể lắng, cần đặt các vách ngăn có đục lỗ ở đầu bể, cách tường 1-2 m Đoạn dưới của vách ngăn trong phạm vi của chiều cao từ 0.3-0.5 m kể từ mặt trên của vùng chứa nén cặn không cần phải khoan lỗ Tổng diện tích lỗ lấy theo tốc độ nước qua lỗ từ 0.2-0.3 m/s

Các lỗ của ngăn phân phối có thể tròn hoặc vuông, đường kínhhay kích thước cạnh 50-150 mm Để thu nước đều, có thể dùng hệ thống máng thu nước ở cuối hay hệ thống châm lỗ thu nước bề mặt

ở bể lắng ngang thu nước ở cuối, dùng máng thu nước như máng phân phối ở đầu bể Nước sau khi lắng đi qua tường thu có lỗ vào ngăn thu để dẫn sang bể lọc Bể lọc ngăn thu thiết kế bằng hoặc nhỏhơn ngăn phân phối Tốc độ nước qua lỗ tường thu ở cuối lấy nhỏ hơnhoặc bằng 0.5 m/s Đối với bể lắng ngang thu nước đều trên bề mặt, phải thiết kế các máng treo hoặc ống có lỗ chảy ngập Đường kính lỗ không nhỏ hơn 25 mm, tốc độ nước chảy qua lỗ lấy bằng 1 m/s, tốc

độ nước chảy ở cuối máng hoặc ống lấy bằng 0.6-0.8 m/s Mép trên của máng phải cao hơn mực nước cao nhất trong bể là 0.1m ống đặtngập dưới mực nước, độ ngập ống phải xác định bằng tính toán thủy lực Máng và ống phải đặt trên 2/3 chiều dài bể lắng tính từ tường lên Lỗ của máng để cao lênđáy máng 5-8 cm, lỗ của ống hướng nằmngang Nước từ máng hoặc ống phải tự chảy vào máng chính

Khoảng cách giữa các trục máng hoặc ống không được vượt quá 3m Khoảng cách tới tường bể không nhỏ hơn 0.5m và không vượt quá 1.5m

Ống dẫn nước vào bể, ống phân phối và ống dẫn nước ra khỏi

bể lắng phải tính toán với khả năng dẫn được lưu lượng nước lớn hơn lưu lượng tính toán từ 20-30%

Hệ thống xả cặn: cặn trong bể lắng ngang thông thường tập trung ở nửa đầu của bể Vì lượng cặn lớn, nên việc xả cặn rất quan trọng Nếu xả cặn không kịp thời sẽ làm giảm chiều cao lắng nước của bể, mặt khác cặn có chứa các chất hữu cơ, chất hữu cơ sẽ lên men, tạo nên bọt khí làm phá vỡ bông cặn và vẫn đục nước đã lắng

Vì vậy có biện pháp cơ giới và biện pháp thủy lực

Đối với xả cặn bằng cơ giới: bể lắng phải thiết kế dung tích vùng chứa và nén cặn theo kích thước của thiết bị xả cặn

Đối với xả cặn bằng thủy lực: phải thiết kế hệ thống thu cặn bằng ống hoặc máng, đảm bảo xả 30-60% lưu lượng cặn trong thời gian 20-40 phút Đáy bể lắng giữa các ống hoặc máng thu cặn phải cấu tạo hình lăng trụ với góc nghiêng giữa các cạnh là 450 Khoảng cách giữa trục máng hoặc ống không lớn hơn 3m Vận tốc của cặn ở cuối ống hoặc máng cần lấy không nhỏ hơn 1m/s, vận tốc qua lỗ lấy bằng 1.5 m/s, đường kính lỗ không nhỏ hơn 25mm Khoảng cách giữa các tâm lỗ 300-500 mm Tỉ số giữa tổng diện tích lỗ và diện tích tiết diện máng hoặc ống phải lấy bằng 0.7 với mức xả cặn 50% và lấy bằng 0.5 với mức xả cặn là 60%.

Lượng nước xả khi cọ rửa và xả cặn ra khỏi hố phải tính thời gian làm việc của bể giữa hai lần xả cặn có kể đến hệ số pha loãng

Hệ số này lấy bằng 1.3 khi xả cặn bằng cách tháo cạn bể và sử dụnglại nước của vùng lắng,

Tính toán bể lắng ngang

Để lắng ngang làm việc có hiệu quả, trước tiên ta phải xác định được kích thước vùng lắng một cách hợp lí Dựa vào lí thuyết lắng cặn trong bể lắng ngang đã nghiên cứu người ta đưa ra công thức tính toán chiều dài vùng lắng nhu sau:

: Tốc độ trung bình của dòng nước trong bể (mm/s)

α : Hệ số kể đến sự ảnh hưởng của thành phần vận tốc rối của dòng nước theo phương thẳng đứng

Theo thực nghiệm α =

ώ : tốc độ rối có thành phần đứng ώ=

Chiều rộng toàn bể lắng tính theo công thức

Trong đó:

Q: Lưu lượng nước tính toán (mm/s)

: Tốc độ trung bình của dòng chảy trong bể lắng ( mm/s) : Chiều cao vùng lắng (m), lấy trong giới hạn 2.5-3.5 m

Tổng diện tích mặt bằng bể lắng ngang tính theo công thức

F = L x B = α

F = α

Thể tích vùng chứa nén cặn của bể được xác định tùy theo biện pháp xả cặn Khi xả cặn bằng thủy lực, thể tích vùng chứa cặn xác định theo công thức

= (m3)

Trong đó:

T : Thời gian làm việc giữa hai lần xả cặn

Q : Lưu lượng nước đưa vào bể (m3/h)

65008500250002900036000-

75009300270003100038000-

800010000300003500041000150000

: Hàm lượng cặn trong nước đưa vào bể lắng, xác định theo công thức

= + KP + 0.25M +v (mg/l)

Trong đó:

: Hàm lượng cặn nước nguồn (mg/l)

P: Liều lượng phèn tính theo sản phẩm không ngận nước ( g/m3)

K: Hệ số phụ thuộc vào độ tinh khiết của phèn sử dụng

Đối với phèn nhôm sạch K=0.55

Đối với phèn nhôm không sạch K=1.0

Đối với phèn sắt clorua k=0.8

M: Độ màu của nước nguồn thang màu platin- côban

V: Liều lượng vôi kiềm hóa nước (mg/l)

Lượng nước dùng cho việc xả cặn bể lắng tính theo công thức

P =

Trong đó: : hệ số pha loãng, khi xả cặn bằng thủy lực

P được tính bằng %lưu lượng nước xử lí Thời gian một lần xả cặn có thể kéo dài từ 8-10 phút

Trong đó : Q là lưu lượng nước tính toán (m3/s)

Vtt là tốc độ tính toán của dòng nước đi lên (mm/s)

N là số bể lắng đứng khong nhỏ hơn 2 bể

Β là hệ số kể đến việc sử dụng dung tích bể lấy trong giới hạn

từ 1.3 – 1.5 Giới hạn dưới đây chỉ lấy khi tỷ số giữa đường kính và chiều cao bể bằng 1 còn giới hạn trên lấy khi tỷ số này bằng 1.5

Đường kính của bể lắng xác định theo công thức: D =

(m)

Trong đó:

f là diện tích tiết diện ngang của bể phản ứng xoáy hình trụ.Chiều cao vùng lắng xác định tùy thuộc vào cao trình của dây chuyền công nghệ, có thể lấy H = 2.6 – 5 m

Phần chứa ép cặn của bể lắng đứng phải xây dựng hình nón hay chop với góc tạo thành giữa các tường nghiêng là 70 – 80 % Phải dự kiến khi xả cặn bể không ngừng làm việc Thời gian làm việc giữa 2 lần xả cặn không được nhỏ hơn 6giờ đối với hàm lượng cặn đến 1000 mg/l khi hàm lượng cặn lớn hơn 1000mg/l không được lấy quá 24 giờ

Thời gian giữa 2 lần xả cặn xác định theo công thức:

C là Hàm lượng cặn còn lại sau khi lắng bằng 10 – 12 mg/l

Cmax là hàm lượng cặn trong nước đưa vào bể lắng

Việc thu nước đã lắng ở bể lắng đứng được thực hiện bằng hệ thống máng vòng xung quanh bể thì diện tích một bể nhỏ hơn hoặc bằng 12 m2 Khi diện tích bể lớn hơn thì làm them các ống hoặc

máng có đục lỗ hình nan quạt tập trung nước vào máng chính Diện tích một bể nằm trong khoảng từ 12 – 30 m3 làm 4 nhánh, nếu diện tích bể lớn hơn 30m2 làm 6 – 8 nhánh Nước chảy trong ống hoặc máng với vận tốc v = 0.6 – 0.7 m/s Đường kính ống xả lấy bằng 150 – 200 mm.

3.Bể lắng lớp mỏng

Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang

Bể có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống như bể lắng

ngang thu nước ở cuối Vùng lắng được đặt các bản vách ngăn

ngheeng 45 + 60 độ song song với nhau và đặt theo chiều dọc bể nước đã được hòa trộn đều chất phản ứng được đưa qua tường phân phối đầu bể, tiếp tục chuyển động theo phương nằm ngang giứa các bản vach ngăn Cặn rơi xuống khi chạm mặt trên của vách ngăn sẽ trược xuông cùng chứa cặn

Tính toán bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang

Trong thực tế để tính toán bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang, thường xuất phát từ quá trình lắng cặn uo và góc nghiêng ᵩ của các bản vách ngăn lấy lớn hơn góc trượt của cặn lắng

Xét quỹ đạo chuyển động của hạt cặn có tốc độ dòng chạy ngang trung bình là vtb và tốc độ lắng cặn uo trong khoảng giữa hai bản vách ngăn đặt nghiêng 1 góc ᵩ, ta có thể thiết lập được mối quan

hệ :

ᵩ

Trong đó: L : Chiều dài vùng lắng cặn (m)

ho : Chiều cao của một ô lắng (m)