tìm hiểu về quá trình lắng

Trong kỹ thuật xử lý nước, hệ số Reynold của hạt lắng rất nhỏ và hạt lắng ở trạng thái chảy tầng không cần xét đến, chỉ có hệ số Reynold của dòng chảy ngang trong bể là cần xét.. Dòng ng

MỤC LỤC

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LẮNG 2

1 Khái niệm lắng 2

2 Các dạng lắng 2

3 Các loại cặn lắng 2

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả lắng 2

II BỂ LẮNG 3

1 Phân loại 3

2 Một số loại bể lắng thông dụng 4

2.1 Bể lắng ngang 4

2.2 Bể lắng đứng 7

2.3 Bể lắng li tâm 8

2.4 Bể lắng lớp mỏng (Bể lắng lamen) 10

2.5 Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng (bể lắng trong) 12

III TÍNH TOÁN MỘT SỐ LOẠI BỂ LẮNG 15

1 Bể lắng đứng 15

2 Bể lắng ngang 19

IV KẾT LUẬN 22

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LẮNG

1 Khái niệm lắng

Lắng là quá trình tách khỏi nước cặn lơ lửng hoặc bông cặn hình thành trong giai đoạn keo tụ

- tạo bông hoặc các bùn cặn sau quá trình xử lý sinh học do trọng lực

2 Các dạng lắng

a) Lắng tự do (lắng loại 1)

Thường xảy ra đối với nước đầu vào có hàm lượng chất rắn lơ lửng thấp Các hạt được lắng xuống riêng lẻ và không xảy ra bất kỳ phản ứng đáng kể nào đối với các hạt lân cận Dạng lắng này sẽ loại bỏ được cát, sỏi có trong nước

b) Lắng keo tụ (lắng loại 2)

Lắng ở nồng độ hơi loãng, trong quá trình lắng các hạt cặn liên kết lại với nhau hoặc tạo bông cặn do đó tăng trọng lượng và lắng nhanh hơn Quá trình tạo bông cặn sẽ loại bỏ một phần SS ở nước đầu vào chưa qua xử lý

c) Lắng vùng (lắng loại 3)

Lắng các hạt ở nồng độ trung bình, do lực tương tác giữa các hạt đủ lớn để ngăn cản các hạt bên cạnh, khi tạo thành một kích thước hạt đủ lớn dưới tác dụng của trọng lực tập hợp các hạt này sẽ lắng xuống Mặt phân cách giữa chất lỏng và chất rắn xuất hiện ở phía trên khối lắng Khi đó việc thu hồi sẽ dễ dàng hơn

d) Lắng nén (lắng loại 4)

Lắng các hạt ở nồng độ đậm đặc,diễn ra khi hàm lượng chất các hạt đủ để tạo nên một cấu trúc nào đó và các hạt phải được đưa liên tục vào cấu trúc đó, ở đây các hạt chèn và nén ép lên nhau

Có khả năng dính kết với nhau, khi nồng độ lớn hơn 1000mg/l tạo thành các đám cặn tiếp xúc với nhau, lực ma sát tăng lên làm hạn chế tốc độ lắng của đám bông cặn nên gọi là lắng hạn chế

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả lắng

a) Ảnh hưởng của dòng chảy rối

Khi hạt cặn lắng trong dòng chảy ngang, hạt cặn chịu ảnh hưởng của hai hệ số Reynold

- Hệ số Reynold có bản thân hạt cặn khi rơi tự do trong nước bị lực cản của nước làm chậm lại

- Hệ số Reynold của dòng chảy ngang trong bể lắng, phụ thuộc vào vận tốc của dòng chảy và kích thước của bể lắng

Trong kỹ thuật xử lý nước, hệ số Reynold của hạt lắng rất nhỏ và hạt lắng ở trạng thái chảy tầng không cần xét đến, chỉ có hệ số Reynold của dòng chảy ngang trong bể là cần xét Khi Re<2000, dòng chảy ngang trong bể là dòng chảy tầng (hiệu quả lắng tốt), khi

Re>2000, dòng chảy ngang trong bể là dòng chảy rối (hiệu quả lắng kém)

b) 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

c) Khác biệt trong mật độ dòng chảy bởi nhiệt độ

- Nếu nước đưa vào có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trong bể thì sẽ xảy ra hiện tượng ngắn dòng dẫn đến hiệu quả lắng giảm

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

d) Ảnh hưởng của hiện tượng xói ngược cặn đã lắng

Theo lý thuyết hạt cặn khi đã đến đáy bể được coi là đã tách ra khỏi nước Nhưng trong thực tế hiện tượng phân phối 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 ngang v0 trong

bể lắng quá lớn

II BỂ LẮNG

1 Phân loại

a) Căn cứ theo công dụng

 Bể lắng bậc 1 – lắng trước khi đi vào hệ thống xử lý sinh học, các chất rắn lơ lửng bị loại ở đáy gồm các chất vô cơ, hữu cơ

 Bể lắng bậc 2 – lắng sau khi đi ra khỏi hệ thống xử lý sinh học, các chất rắn lơ lửng bị loại ở đáy chủ yếu là sinh khối của VSV (bùn sinh học)

b) Căn cứ theo chế độ làm việc

 Bể lắng hoạt động gián đoạn: là một bể chứa, cứ xả nước vào và cho đứng yên trong một khoảng thời gian nhất định Nước đã được lắng tháo ra cho lượng nước mới vào

 Bể lắng hoạt động liên tục: nước chưa được xử lý cho qua bể một cách liên tục

c) Căn cứ theo chiều nước chảy

 Bể lắng ngang (Horizontal sedimentation tank) – có tiết diện bề mặt hình chữ nhật, dòng nước được chảy qua bể theo phương nằm ngang Thường sử dụng cho các nhà máy xử lý công suất > 3.000 m3/d

 Bể lắng đứng (Upflow sedimentation tank) –có dạng hình hộp (tiết diện hình chữ nhật) hay hình trụ (tiết diện tròn), nước chưa xử lý được dẫn vào ống phân phối ở tâm bể rồi chuyển động theo phương đứng từ dưới lên vách tràn Thường sử dụng cho nhà máy xử

lý công suất < 3.000 m3/d

 Bể lắng Radian hay còn gọi là bể lắng ly tâm (Radial sendimentation tank) – thường có tiết diện tròn, nước chưa qua xử lý được dẫn vào từ đáy và chuyển động theo chiều từ tâm ra thành bể

 H4 chiều cao thành bể cao hơn mực nước (0,25-0,4m)

Hxd = h1 + h2 + h3 + h4

 i = 0,01-0,001

 Độ dốc hố thu không nhỏ hơn 45o

Tấm chắn cao hơn mặt nước 0,15-0,2m và sâu hơn so với mức nước 0,25m đặt cách máng phân phối (0,25-0,5m)

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo bể lắng ngang thu nước ở cuối

1.Máng phân phối nước vào

2.Van tường phân phối

3.Ông xả cặn

4.Tường thu nước

5.Ống dẫn nước ra 6.Tường chịu lực 7.Tường ngăn giữ bể

Hình 2 : Sơ đồ cấu tạo bể lắng ngang thu nước bề mặt

1 Ngăn tách khí; 2 Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng; 3 Bể lắng ngang;

4 Ống phân phối nước vào; 5 Máng thu nước bề mặt; 6 Ống xả cặn;

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 dựng bể lắng nhiều tầng (2,3 tầng)

Để thu nước đều, có thể dùng hệ thống máng thu nước ở cuối hay hệ thống ống châm lỗ thu nước bề mặt Bể lắng ngang thu nước ở cuối dùng máng thu nước như máy phân phối

ở đầu bể Nước sau khi lắng qua tường thu có lỗ vào ngăn thu để dẫn sang bể lọc Bề rộng ngăn thu có thể bằng hoặc nhỏ hơn ngăn phân phối Tốc độ nước qua lỗ tường thu V

≤ 0,5m/s

Đối với bể lắng ngang thu nước bề mặt phải thiết kế máng theo hoặc ống có lỗ chảy ngập Đường kính lỗ dlỗ ≥ 25mm, vận tốc nước chảy qua lỗ Vlỗ = 1m/s Tốc độ nước chảy cuối máng hoặc ống Vống = 0,6 ÷0,8 m/s Máng và ống phải chặt trên 2/3 chiều dài của bể lắng Nước từ máng hoặc ống phải tự chảy vào máng chính Khoảng cách giữa các trục máng hoặc ống không quá 3m, cách tới tường bể từ (0,5 ÷ 1,5)m

Lưu ý: 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%

Cặn ở bể lắng ngang 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 lắng của bể Mặt khác cặn có chứa chất hữu cơ, khi lên men tạo nên bọt khí làm phá vỡ bông cặn và vẫn đục nước đã lắng Vì vậy nên 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% 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 1,5m/s, đường kính lỗ không nhỏ hơn 25mm Khoảng cách giữu các tâm lỗ 300 – 500mm.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%

 Nguyên tắc hoạt động

Nước theo máng phân phối vào bể đập tràn thành mỏng hoặc tường đục lỗ xây dựng ở đầu bể, nước chảy theo phương ngang vào bể đến máng thu nước, tới máng thu và xả chất nổi được xả ra đồng thời (các hạt cặn ngừng chuyển động khi chạm vào đáy bể)

 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: thiết kế gọn, không chiếm diện tích nhiều, có thể làm hố thu cặn ở đầu bể và cũng có thể làm nhiều hố thu cặn dọc theo chiều dài của bể

Nhược điểm: giá thành cao, có nhiều hố thu cặn tạo nên những vùng xoáy làm giảm khả

năng lắng của các hạt cặn, đồng thời không kinh tế vì tăng thêm khối tích không cần thiết của công trình

 Ứng dụng:

Áp dụng cho những công trình có lưu lượng nước trên 15000 m3/ngày.Hiệu suất lắng đạt 60%.Vận tốc dòng nước chảy của nước trong bể lắng thường được chọn không lớn hơn 0.01 m/s, thời gian ưu từ 1-3 giờ

2.2 Bể lắng đứng

Bể lắng đứng là bể lắng có mặt bằng hình vuông hoặc hình tròn và được sử dụng cho những trạm xử lý có công suất nhỏ (đến 3000 m3/ngày đêm) Bể lắng đứng hay bố trí kết hợp với bể phản ứng xoáy hình trụ (hay còn gọi là ống trung tâm) Bể có thể xây bằng gạch hoặc làm bằng bê tông cốt thép

Hình 3: Sơ đồ cấu tạo bể lắng đứng

1 Ngăn phản ứng xoáy; 2 Vùng lăng; 3.Vùng chứa cặn;

4 Ống nước vào; 5 Vòi phun; 6 Tấm hướng dòng;

7 Máng thu; 8 Ống nước ra; 9.Ống xả cặn

 Nguyên tắc hoạt động

Nước được cho vào ống trung tâm Sau đó, nước chảy từ dưới lên trên vào các rãnh chảy tràn Như vậy, quá trình lắng cặn diễn ra trong dòng đi lên, mỗi hạt chuyển động lên trên với vận tốc vo và dưới tác dụng của trong lực, hạt chuyển động xuống dưới với vận tốc vp Nếu vp> vo, hạt sẽ lắng xuống Nếu vp< vo, hạt sẽ bị cuốn lên trên Nước đã lắng sẽ tràn qua máng thu đặt xung quanh thành bể ra ngoài khi nước thải dâng lên theo thân bể thì cặn thực hiện 1 chu trình ngược lại Thời gian lưu nước trong bể dao động từ 1 – 3h

Theo chức năng làm việc, bể chia làm hai vùng: vùng lắng có dạng hình trụ hoặc hình hộp ở phía trên và vùng chứa nén cặn có dạng hình nón hoặc hình chóp ở phía dưới Cặn tích lũy ở vùng chứa nén cặn được thải ra ngoài theo chu kì bằng ống và van xả cặn

Hiệu quả lắng của bể lắng đứng thấp hơn bể lắng ngang khoảng 10 – 20%, phụ thuộc vào tính chất cặn, diện tích bề mặt bể, chiều cao lắng và thời gian lưu nước

 Ưu điểm và nhược điểm

- Ưu điểm: thuận tiện trong công tác xả cặn, chiếm ít diện tích xây dựng

- Nhược điểm: chiều cao xây dựng lớn làm tăng giá thành xây dựng, số lượng bể nhiều, hiệu suất không cao lắm

 Cấu tạo bể lắng li tâm

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo của bể lắng li tâm

1, Ống dẫn vào; 2 Máng thu nước; 3 Lưới gạt bùn; 4.Dàn cào bùn

 Nguyên tắc hoạt động

Nước chảy từ trung tâm qua thành bể, nước thải chảy theo ống trung tâm từ dưới lên trên múi phân phối vào bể Chất nổi nhờ tấm chắn lơ lửng ở dưới dàn quay dồn góp lại và chảy luồn qua ống xiphong xà vào giếng cặn.Dàn quay quay với tốc độ 2 – 3 vòng trong một giờ, công suất của roto 0.5 – 2 kW Khi dàn quay quay, cặn lắng được dồn vào hố thu (xây dựng ở trung tâm bể) nhờ hệ thống cào gom cặn gắn ở phần dưới dàn quay hợp với trụ một góc 450 Cặn xả ra khỏi bể có thể sử dụng máy bơm hoặc áp lực thủy tĩnh không nhỏ hơn 1.5m Hệ thống cào bùn: cầu chạy theo chu vi bể

Hình 5: Cấu tạo bể ly tâm

 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: hạn chế lượng cặn trong máng thu nước Nhờ có thiết bị gạt bùn, nên đáy bể có độ

dốc nhỏ hơn so với bể lắng đứng (độ dốc từ 5 – 8%), do đó chiều cao công tác của bể thu nhỏ (1,5 – 3,5m), thích hợp khi xây dụng ở những khu vực có mực nước ngầm cao Bể vừa làm việc vừa xả cặn liên tục nên khi xả cặn bể vẫn hoạt động bình thường

Nhược điểm: vận hành phức tạp, chi phí cao, thời gian bảo trì máy móc thiết bị phức tạp Bể

có hiệu quả lắng cặn kém hơn so với các bể lắng khác do bể có đường kính cặn lớn, tốc độ chuyển động của dòng nước chậm dần từ trong ra ngoài, ở vùng trong do tốc độ lớn, cặn khí lắng đôi khi xuất hiện chuyển động khối Mặt khác nước trong chỉ có thể thu vào bằng hệ thống máng vòng xung quanh bể nên thu nước rất khó đều Ngoài ra hệ thống gạt bùn có cấu tạo phức tạp và làm việc trong diều kiện ẩm ướt nên chúng bị hư hỏng

 Ứng dụng

Bể lắng li tâm thường được sử dụng để sơ lắng các nguồn nước có hàm lượng cặn cao (lớn hơn 2000 mg/l) với công suất lớn hơn hoặc bằng 30.000 m3/ngày đêm và có hoặc không dùng chất keo tụ Để khắc phục những nhược điểm của bể lắng ly tâm, người ta đưa vào vùng lắng các mô tơ khuấy có tốc độ thấp để tạp môi trường phản ứng và lắng có hiệu quả Hệ thống gạt

bùn được thay thế bằng xi phông hút bùn ra ngoài, sau đó dung máy bơm hút bùn chuyển đi Nhờ đó mà hiệu quả lắng của bể được nâng cao và mở rộng phạm vi ứng dụng

2.4 Bể lắng lớp mỏng (Bể lắng lamen)

Bể lắng lớp mỏng có cấu tạo như bể lắng ngang thông thường, nhưng khác với bể lắng ngang là trong vùng lắng của bể lắng lớp mỏng được đặt thêm các bản vách ngăn bằng thép không rỉ hoặc bằng nhựa Các bản vách ngăn này nghiêng một góc 450 ÷ 600 so với mặt

phẳng nằm ngang và song song với nhau

Theo chiều của dòng chảy, bể lắng lớp mỏng được chia làm 3 loại:

Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang

Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiêng ngược chiều

Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiêng cùng chiều

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

a) Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang

Bể lắng có cấu tạo và nguyên lí hoạt động giống như bể lắng ngang thu nước ở cuối Vùng lắng được đặt các bản cách ngăn nghiêng 45 ÷ 600 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 giữa các bản vách ngăn Càng rơi xuống khi chạm mặt trên của vách ngăn sẽ trượt xuống vùng chứa cặn

Hình 5: Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy ngang

1 Các bản vách ngăn; 2 Tường phân phối nước vào; 3 Ống đưa nước vào;

4 Tường thu nước ra; 5 Ống dẫn nước sang bể lọc; 6 Ống xả cặn

b) Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiêng ngược chiều

Nước đã hòa trộn chất phản ứng đưa vào bể sẽ chuyển động giữa các bản vách ngăn nghiêng theo chiều từ dưới lên và cặn lắng xuống đến bề mặt bản vách nghiêng sẽ trượt xuống theo chiều ngược lại

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiêng ngược chiều c) Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiêng cùng chiều

Bể lắng lớp mỏng với dòng chảy nghiêng cùng chiều có cấu tạo tương tự như bể có dòng chảy ngược chiều.Ở kiểu bể này, nước và cặn cùng có hướng đi xuống nên hiệu quả lắng cao hơn Tuy nhiên do chuyển động cùng chiều, nên việc tách cặn ra khỏi dòng nước lắng ở phần dưới các bản vách ngăn phức tạp hơn, vì vậy ít được áp dụng trong thực tế

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

- Do có cấu tạo thêm các bản vách ngăn nghiêng, nên bể lắng lớp mỏng có hiệu suất lắng cao hơn so với bể lắng ngang

- Kích thước bể lắng lớp mỏng nhỏ hơn bể lắng ngang, tiết kiệm diện tích đất xây dựng

và khối lượng xây dựng công trình

Nhược điểm:

- Do phải đặt nhiều bản vách ngăn song song ở vùng lắng, nên việc lắp ráp phức tạp và tốn vật liệu làm vách ngăn

- Do bể có chế độ làm việc ổn định, nên đòi hỏi nước đã hòa trộn chất phản ứng cho vào

bể phải có chất lượng tương đối ổn định

- Ít được sử dụng ở Việt Nam, do trong phần cấu tạp của bể còn 1 số vấn đề chưa được nghiên cứu hoàn chỉnh, nhất là vấn đề thu xả cặn, mặc dù hiệu suất lắng của bể cao

- Khối ống hình trụ đặt trong bể lắng dễ bị xệ, cong vên nếu các dàn đỡ không thật sự chắc chắn

2.5 Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng (bể lắng trong)

 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc làm việc: Nước cần xử lý sau khí đã trộn đều với chất phản ứng ở bể trộn đi

theo đường ống dẫn nước vào, qua hệ thống phân phối với tốc độ thích hợp vào ngăn lắng Ở đây sẽ hình thành lớp cặn lơ lửng, các hạt cặn tự nhiên có trong nước sẽ va chạm và kết dính với các hạt cặn lơ lửng và được giữ lại, kết quả nước được làm trong

Hình 7: Sơ đồ nguyên tắc làm việc của bể lắng trong

1 Ống phân phối nước vào bể

1 Nước sau khi trộn phèn hoặc các hóa chất khác

2 Đáy dưới côn loe

3 Thân của hình côn

ra ở phần hình côn (3) một lớp cặn lơ lửng Cặn dư do tích lũy dần dần được tràn qua mép hình côn rơi xuống ngăn nén cặn (4) Nước trong đi qua lớp nước bảo vệ H2 nằm phía trên côn loe (3) tập trung vào máng thu (5) rồi chảy sang bể lọc Cặn được thu bằng ống khoan lỗ (6) từng chu kỳ theo ống dẫn (7) xả ra ngoài

b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại 2

 Cấu tạo

1 Ống dẫn nước vào