Chương 4: Quá trình lắng

giao trinh xu ly nuoc cap chuong 4

Trang 1

CHƯƠNG V

Tiếp cận vấn đề

- Thường xảy ra sau quá trình keo tụ

- Các hạt lơ lửng, bông keo, cát, sét tách khỏi nước

nhờ trọng lực (KLR của cặn lớn hơn KLR của nước)

Hiệu quả lắng liên quan mật thiết đến hiệu quả keo tụ

Trang 2

Các loại cặn lắng

Cặn rắn

các hạt phân tán riêng lẻ, có độ lớn, bề mặt và hình

dáng không đổi trong suốt quá trình lắng

Tốc độ lắng không phụ thuộc vào chiều cao lắng và

nồng độ cặn (bể lắng cát, bể lắng sơ bộ)

Cặn lơ lửng

có bề mặt thay đổi và khả năng dính kết và keo tụ lại

với nhau trong quá trình lắng làm kích thước và vận tốc

lắng của các bông cặn thay đổi theo thời gian và

chiều cao lắng (bể lắng đứng, bể lắng ngang)

Bông cặn

có khả năng dính kết với nhau

khi nồng độ > 1000mg/l tạo ra các đám mây bông cặn

Tốc độ lắng của đám mây bông cặn phụ thuộc tính

chất và nồng độ cặn (bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng)

Vị trí bể lắng trong dây chuyền XL

Bể lọc chậm Bể chứa nước sạch

Bể lọc nhanh Bể chứa nước sạch

Clo

Bể lắng ngang

SS

≤

30mg/l

Bể chứa nước sạch

Bể lắng ngang Bể lọc chậm

Bể lọc nhanh

30 ≤ SS ≤ 100

ít cặn hữu cơ

Bể trộn Chất keo tụ

Chất kiềm hóa

Bể phản ứng

Bể lắng Bể lọc nhanh nước sạch Bể chứa

Chất khử trùng

Trang 3

Vị trí bể lắng trong dây chuyền XL

Sơ đồ loại sắt

(nước ngầm)

Bể trộn Chất keo tụ

Chất kiềm hóa

Bể phản ứng

Bể lắng Bể lọc nhanh nước sạch Bể chứa

Làm thoáng tự nhiên/cưỡng bức

Hóa chất Bể lắng tiếp xúc Bể lọc nhanh nước sạch Bể chứa

Bể

lắng

sơ bộ

Sơ đồ xử lý nước nhiều cặn nặng, độ đục cao

Các dạng lắng nước

Lắng tự do

(lắng loại 1) Lắng keo tụ (lắng loại 2) (lắng loại 3) Lắng vùng (lắng loại 4) Lắng nén

Lắng các hạt ở

nồng độ thấp

Các hạt không

tác động với nhau

Lắng các hạt ở nồng độ hơi loãng Các hạt dính kết với nhau

Lắng các hạt ở nồng độ trung bình Các hạt cản trở dòng chảyc

Lắng các hạt ở nồng độ đặc Các hạt chèn, nén ép lên nhau

Trang 4

Nhắc lại lý thuyết lắng TĨNH các hạt riêng lẻ

(các hạt không keo tụ)

Tốc độ lắng của hạt hình cầu

ρ1 là mật độ / khối lượng riêng của hạt cặn (kg/m 3 )

ρo là mật độ / khối lượng riêng của nước (kg/m 3 )

d là đường kính hạt cặn hình cầu (m)

g là gia tốc trọng trường (m/s 2 )

ϕo là hệ số sức cản của nước đối với hạt hình cầu

o o

o d g

u

ϕ ρ

ρ ρ

6

Tốc độ lắng của hạt phụ thuộc những yếu tố nào

u = f (d,ρ1,ϕo) Tốc độ lắng của hạt phụ thuộc kích thước, đặc tính hạt và sức cản

Sức cản của nước Liên quan đến chỉ số Re

μ

ρo u d

= Re

Chế độ dòng chảy của nước

Trang 5

μ

ρo u d

= Re

Trong bể lắng, chế độ CHẢY TẦNG là chủ yếu (sức cản chỉ do độ nhớt)

Công thức tính tốc độ lắng theo Stokes chỉ

áp dụng cho lắng tĩnh và lắng 1 hạt riêng lẻ

1 ρ d ρ

g 18

3 650 1 10 81

9 18

1

- 000 ,

1,31.10

Re = 0,53 < 1

Trang 6

Nhắc lại lý thuyết lắng ĐỘNG các hạt riêng lẻ

Trong kỹ thuật xử lý nước hiện nay các bể lắng tĩnh

không còn được áp dụng mà phổ biến là phương

pháp lắng trong dòng chảy liên tục (lắng động)

- Lắng đứng

- Lắng ngang

Quá trình thường gặp trong các bể lắng sơ bộ trong xử lý

nước cấp độ đục cao hay bể lắng cát trong xử lý nước thải

Lý thuyết lắng ĐỘNG các hạt riêng lẻ

Các hạt cặn có u ≤ uo: - lơ lửng trong bể

- cuốn theo dòng nước

Hiệu quả lắng trong bể lắng đứng khá thấp khi lắng các hạt riêng lẻ (không dùng CKT)

Để lắng các hạt riêng lẻ: áp dụng bể lắng ngang

o o

t

H F

Q

Trang 7

= v o là vận tốc dòng chảy ngang trong bể lắng ngang,

cũng chính là tốc độ chuyển động của dòng nước (m/s)

= uolà tốc độ rơi của hạt cặn (m/s)

TẢI TRỌNG BỀ MẶT:

L B

Q F

Q q

.

=

= (m3/m2.h) = uo

Trang 8

Để hạt cặn lắng được: t2≤ t1

Hạt cặn chỉ có thể lắng lại (và tách khỏi nước) khi vận tốc lắng thực ≥

vận tốc lắng giới hạn (tải trọng bề mặt)

B

u

1 u

Lắng hoàn toàn

LẮNG NGANG

u

HIỆU QUẢ LẮNG = cặn có u ≥ v so + một phần cặn cóu < vso

Hiệu quả lắng chỉ phụ thuộc vso(q) tức là phụ thuộc vào diện tích bề mặt

bể lắng (F) mà KHÔNG phụ thuộc vào chiều cao bể lắng

Lắng một phần

u

uu

HIỆU QUẢ LẮNG tỉ lệ với u/v so (theo Camp)

Trang 9

LẮNG NGANG

Hiệu quả lắng chỉ phụ thuộc vso(q) tức là phụ thuộc vào diện tích bề mặt

bể lắng (F) mà KHÔNG phụ thuộc vào chiều cao bể lắng

Giảm một nửa chiều cao lắng không làm thay đổi hiệu quả lắng

Tăng diện tích bề mặt lắng khiến hiệu quả lắng tăng lên

Thực nghiệm lắng các hạt riêng lẻ

Các cặn lơ lửng trong nước thiên nhiên rất khác nhau về hình dạng, kích thước, mật độ.

Tính toán tốc độ lắng của cặn trong bể lắng bằng lý thuyết là KHÔNG THỂ THỰC HIỆN,

hoặc không mô phỏng chính xác quá trình trong bể lắng

Ngoài ra, quá trình lắng trong thực tế là quá trình của một tập hợp hạt, không phải của

một hạt duy nhất nên còn chịu sự ảnh hưởng của tương tác giữa các hạt cặn

Dùng cột lắng thực nghiệm

1 Cột lắng được nạp đầy hỗn hợp cần lắng và

mẫu được thu tại các vị trí lấy mẫu khác nhau

sau những khoảng thời gian nhất định

để phân tích thông số chất rắn lơ lửng (SS)

2 % lượng cặn còn lại trong nước:

i (%) C lấy mẫu tại thời điểm i (mg/l) i là nồng độ cặn tại độ sâu

C o là nồng độ cặn của hỗn hợp đem lắng lúc ban đầu (mg/l)

Trang 10

1 x

1

R = ( - ) +

Thực nghiệm lắng các hạt riêng lẻ

3 Tỉ số giữa độ sâu lấy mẫu Z o và thời gian tương ứng đặc trưng cho tốc độ lắng u của

cặn trong quãng thời gian t i và lượng cặn lắng C i

4 Từ x và u vẽ được đường cong tích lũy có dạng (đường phân bố tốc độ lắng)

5 Hiệu quả lắng:

Σ(ui.Δxi)

x o là % lượng cặn còn lại khi u = v so

Δx i là chênh lệch % lượng cặn còn lại

giữa 2 khoảng thời gian đo kề nhau

(tìm được từ đường cong tích lũy) tương

ứùng với tốc độ lắng u i

Hiệu quả lắng giảm khi tốc độ lắng

giới hạn (tải trọng bề mặt) tăng

Hiệu quả lắng trong bể lắng ngang

Hiệu quả lắng giảm khi tốc độ lắng

giới hạn (tải trọng bề mặt) tăng

Trang 11

Lý thuyết lắng ĐỘNG các hạt có keo tụ

Quá trình lắng của các hạt có khả năng keo tụ (cặn sau khi đã

dùng chất keo tụ hoặc do bản chất có thể kết dính tự nhiên)

khác với quá trình lắng của các hạt tự do:

- Các hạt va chạm với nhau trong quá trình lắng, hấp phụ và kết dính tạo thành

các hạt có kích thước lớn hơn do đó vận tốc lắng tăng dần.

- Các bông keo tụ khi lắng, gây ra một hiệu ứng “quét” khi mà các bông lớn có

khả năng hấp phụ và kéo theo cả các hạt cặn nhỏ cùng lắng mà các hạt này,

ở điều kiện tự do, lắng rất chậm

- Theo chiều sâu của bể, bông cặn lớn dần lên, lực ma sát ngược chiều với

chuyển động của hạt cũng tăng lên, tỷ lệ với kích thước bông cặn

Khi bông cặn lớn đến một kích thước nhất định, lực kéo đủ lớn để phá vỡ bông

cặn khiến nó không thể to hơn được nữa Từ lúc đó, vận tốc lắng không đổi

và hiệu quả lắng cũng không tăng, dù thời gian lắng có thể dài hơn

- Chưa có cơ sở lý thuyết nào về quá trình lắng có keo tụ được công nhận

- Phải dựa vào số liệu thực nghiệm để tính toán bể lắng có keo tụ

- Hiệu quả lắng = f(diện tích bề mặt lắng, chiều cao lắng, thời gian lưu nước)

Quá trình rất phức tạp

KHÁC BIỆT với lắng các hạt riêng lẻ

u = sau khi dính kết với nhau đều lắng xuống.

- So với cặn tự nhiên, hiệu quả lắng cặn keo tụ cao hơn

- Tốc độ lắng cặn không chỉ phụ thuộc vào diện tích mặt bế mà còn phụ thuộc

chiều sâu lắng H và thời gian nước lưu lại

o

o u H

t =

Trang 12

Thực nghiệm lắng có keo tụ

1 Cột nhựa trong (D ≥ 150mm; H ≥ 3000mm) nạp đầy hỗn hợp trộn đều của nước và chất

keo tụ theo liều lượng và để lắng tự nhiên trong điều kiện nhiệt độ của nước không đổi

Trên cột có nhiều vị trí gắn van lấy mẫu, khoảng cách giữa các van khoảng 500mm

2 Tại những thời điểm khác nhau, tiến hành lấy mẫu ở những độ cao khác nhau và phân

tích tổng chất rắn lơ lửng hoặc độ đục

Thực nghiệm lắng có keo tụ (tiếp theo)

3 Tính hiệu suất lắng tại mỗi thời điểm

% chất rắn loại bỏ được = ⎜⎜ ⎛ 1 − ⎟⎟ ⎞ 100

o

i t i

C

C R

R i : hiệu quả lắng với chiều cao h i và thời gian t i (%)

C t : nồng độ SS với chiều cao h i tại thời điểm t i (mg/l)

C o : nồng độ SS trong nước đem lắng ban đầu (mg/l)

4 Biểu diễn các số liệu tính được lên đồ thị, có dạng như sau:

Trang 13

5 Nội suy các hiệu quả lắng theo thời gian lắng và độ cao Các đường cong trên đồ thị

gọi là đường đẳng lượng

6 Kẻ các đường thẳng đứng x = t i

cắt các đường đẳng lượng

7 Hiệu quả lắng tổng cộng tại một thời điểm t i bất kỳ được tính

H là chiều cao tổng cộng của cột lắng

R i và R i+1 lần lượt là 2 hiệu quả lắng kề nhau (hình thành nên Δdi; với R 1 = 100%)

TIME

Đường phân bố nồng độ cặn trong nước theo

thời gian lắng theo chiều sâu cột lắng

Ước đoán hiệu quả lắng sau thời gian t ở độ cao H:

78 – 80%

Khi chiều cao bể lắng tăng, hiệu quả lắng TĂNG

Trang 14

Kết quả thực nghiệm lắng có keo tụ

Tìm được thời gian lắng ti(thời gian lưu thiết kế) ứng với hiệu quả lắng mong muốn

Tìm được tốc độ lắng thiết kế (tải trọng bề mặt cần thiết) Tìm được F, V, H của bể lắng

TỐI ƯU

THIẾT KẾ

BỂ LẮNG

Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lắng

1 Khác biệt trong mật độ dòng chảy bởi nhiệt độ

Nước đưa vào bể có nhiệt độ cao hơn

nhiệt độ nước trong bể → hiện tượng

“ngắn dòng” xuất hiện → hiệu quả

lắng giảm

Nước đưa vào bể có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nước trong bể → đi xuống đáy bể và nổi lên phần cuối bể kèm theo các hạt cặn → hiệu quả lắng giảm

Trang 15

2 Ảnh hưởng của dòng chảy rối

Chế độ chảy trong bể đặc trưng bằng chỉ số Re

Re < 2000: chảy tầng (lắng tốt)

Re > 2000: chảy rối (lắng kém)

η

R

vo.

Re = v o : tốc độ chuyển động theo phương ngang (m/s)

R là bán kính thủy lực của bể lắng (m)

η là độ nhớt động học của nước (m 2 /s)

H B

Q

2

1 Re

+

=

η

Bể lắng ngang chữ nhật

Bể lắng ngang hình tròn

r

Q

2

1 Re

π η

=

Tổng quát:

3 Ảnh hưởng của hiện tượng ngắn dòng

Dòng chảy được coi là

ổn định khi trong bể

không có những

“dòng ngắn” xuất hiện

Dòng ngắn: chuyển

động ngang của nước

trong bể không đều,

tạo ra các xoáy nước,

vùng chết, vùng đối lưu

làm giảm hiệu quả lắng

Nguyên nhân:

- Ma sát giữa thành bể và dòng chảy

- Phân phối nước vào bể không đều trên toàn bộ diện tích bể

- Chênh lệch nhiệt độ và nồng độ cặn giữa lớp trên mặt và lớp dưới đáy

- Gió thổi mạnh

- Thu nước từ bể ra không đều trên toàn bộ diện tích bể

Trang 16

3 Ảnh hưởng của hiện tượng ngắn dòng

Dòng chảy ổn định trong bể lắng (không có hiện tượng ngắn dòng) được đặc

trưng bằng chỉ số Froude:

Thực nghiệm cho thấy: Nếu Fr ≥ 10-5thì dòng chảy là ổn định

Nếu Fr < 10-5thì dòng chảy không ổn định Bể lắng ngang chữ nhật

3 3 2

.

2

H B

2

1

H D g

Q Fr

π

=

(D và D w lần lượt là đường kính bể và của ống trung tâm)

Theo Camp: votăng Fr tăng dòng ổn định, hiệu quả lắng tăng

4 Ảnh hưởng của hiện tượng xói ngược cặn đã lắng

Lý thuyết: hạt cặn khi đã đến đáy bể được coi là đã tách ra khỏi nước

Thực tế: hiện tượng phân bố lại hạt keo đã lắng vào dung dịch (hạt keo bị sục

ngược lên) vẫn xảy ra, phụ thuộc vào khác biệt giữa khối lượng riêng của nước

và của hạt cặn Hậu quả là nước bị đục trở lại

Hiện tượng sục ngược hay xói cặn đã lắng xảy ra phần lớn khi tốc độ chảy

NHƯNG: vo> 16,3mm/s hiện tượng xói cặn đã lắng, hiệu quả lắng giảm

Trang 17

- Nước chuyển động theo chiều ngang từ đầu đến cuối bể

- Có thể áp dụng cho kết quả tốt để lắng các hạt cặn không keo tụ (công suất

bất kỳ) và có keo tụ (công suất Q ≥ 300m3/ngày đêm)

1 Ống dẫn nước từ bể phản ứng sang

2 Máng phân phối nước vào 6 Vách ngăn thu nước cuối bể

3 Vách phân phối đầu bể 7 Máng thu nước ra

4 Vùng lắng 8 Ống dẫn nước sang bể lọc

5 Vùng chứa cặn 9 Ống xả cặn

- Bao gồm 4 bộ phận chính: vùng phân phối nước vào

vùng thu và phân phối nước ra vùng lắng cặn

vùng chứa và xả cặn

Bể lắng ngang Việc thu và phân phối nước vào (nước ra) ĐỀU TRÊN TOÀN BỘ DIỆN

TÍCH ngang của bể là cực kỳ quan trọng để giảm thiểu hiện tượng ngắn

dòng và dòng chảy không ổn định

- Bể lắng ngang thường chia làm nhiều ngăn, chiều rộng mỗi ngăn từ 3 - 6m

- Chiều dài bể không qui định

- Khi bể có chiều dài quá lớn có thể cho nước chảy xoay chiều

- Để giảm bớt diện tích bề mặt xây dựng có thể xây bể lắng nhiều tầng.

- Vật liệu: bê tông hoặc thép

Trang 18

Thiết kế bể lắng ngang

Điều kiện của bể lắng lý tưởng theo lý thuyết: chuẩn Fr > 10-5(dòng ổn định)

số Re < 2000 (chảy tầng)

Tốc độ dòng chảy vào bể vo= 6,4.10-3m/s Bán kính thủy lực R < 0,41m.

Thực tế: tính toán bể sao cho các chỉ tiêu kỹ thuật (Fr, Re) HÀI HÒA

các thông số kinh tế (chi phí xây dựng, diện tích mặt bằng)

Có tốn

diện tích

không?

Trang 19

1 Tổng diện tích mặt bằng của bể:

Q là công suất trạm xử lý (m 3 /h)

u o là tốc độ lắng (tải trọng bề mặt) của hạt cặn trong bể lắng ngang (mm/s) để đạt được hiệu quả lắng R mong muốn

Chọn u o dựa vào đường cong lắng thực nghiệm

Khi không có dữ liệu thực nghiệm, chọn u o = 0,8 – 2m 3 /m 2 h (để có R ≥ 70%)

α là hệ số kể đến sự ảnh hưởng của dòng chảy rối

30

o o

o

v u

u

−

=α

301

1

K

−

= Hệ số K phụ thuộc vào tỉ số L/H o , được lấy theo bảng sau:

1,82 1,67

1,5 1,33

α

13,5 12

10 7,5

K

>25 20

15 10

L/H o

L là chiều dài bể lắng (m)

H o là chiều cao vùng lắng (m), H o = 2,5 ÷ 3,5m, nhằm hạn chế xói ngược cặn lắng và hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng ngắn dòng

Chú ý: ban đầu giả thiết tỷ lệ L/H o để tính toán xác định Sau đó kiểm tra lại tỷ lệ này.

2 Chọn chiều dài bể:

L ≥ 5B hạn chế ảnh hưởng dòng chảy rối hạn chế hiện tượng ngắn dòng

Tại sao kích thước bể lại ảnh

hưởng đến hiệu quả lắng?

Thiết kế kích thước vùng lắng

3 Chiều rộng của bể

H B N

Q v

.

= (m/s) N là số bể lắng

- Kiểm tra vận tốc nước vào vo< 16,3mm/s.

- Kiểm tra xem hiện tượng ngắn dòng có xảy ra không thông qua chuẩn số Fr

+ Nếu Fr < 10-5 → các thông số hình học của bể đạt yêu cầu

+ Nếu Fr < 10-5→ phải gắn các vách ngăn không chịu lực dọc theo

thành bể để giảm bán kính thủy lực R, giảm trị số Re qua đó tăng Fr

Số vách ngăn được gắn phải tính chọn đến khi Fr đạt yêu cầu

Bài tập ví dụ (tr 154) TLTK 2

Thiết kế kích thước vùng lắng

Trang 20

Thiết kế hệ thống phân phối nước vào và thu nước ra

TẠI SAO CẦN PHÂN PHỐI NƯỚC VÀO VÀ THU NƯỚC RA

ĐỀU TRÊN TOÀN BỘ DIỆN TÍCH BỂ

Tường phân phối nước vào

Máng thu nước ra

Thiết kế hệ thống phân phối nước vào bể

Vách ngăn có đục lỗ ở đầu bể, cách tường bể 1 – 2m

- Lỗ có thể tròn hay vuông, có đường kính hay kích thước cạnh d = 50-150mm

- Khoảng cách giữa các tâm lỗ 0,25 – 0,45m.

- Tổng diện tích lỗ:

lơ lơ

v

Q

f =

∑ Tốc độ nước qua lỗ v lỗ = 0,2-0,3m/s

- Tổng số lỗ:

lơ

lơf

Định dạng
Số trang	39
Dung lượng	2,61 MB