tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải thuộc da - bể điều hòa

trình bày về tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải thuộc da - bể điều hòa

4.4 BỂ ĐIỀU HÒA

a Chức năng

Điều hòa nước thải về lưu lượng và nồng độ Bể điều hòa làm giảm kích thước và tạo chế độ làm việc ổn định cho các công trình phía sau ; tránh cặn lắng ; làm thoáng sơ bộ qua đó oxy hóa sinh hóa một phần các chất bẩn hữu cơ

b Tính toán

Để xác định dung tích của bể điều hòa, ta cần có các số liệu về độ biến thiên lưu lượng nước thải theo từng khoảng thời gian trong ngày, lưu lượng trung bình của ngày Ở đây, do không có điều kiện điều tra cụ thể về độ biến thiên lưu lượng nứơc thải của nhà máy theo từng khoảng thời gian trong ngày nên ta chỉ có thể tính thể tích của bể điều hòa một cách gần đúng như sau

ƒ Lưu lượng nước thải trung bình Q = 300 m3/ngày và trạm xử lý nước thải hoạt động liên tục 24/24 giờ

ƒ Chọn thời gian lưu nước trong bể điều hòa T = 8 giờ ( “Industrial Water Pollution Control, 1989” – W.Wesley Eckenfelder )

ƒ Thể tích bể điều hòa

W = Q h TB x T = 12.5 x 8 = 100 m3

ƒ Chọn kích thước của bể điều hòa như sau

L x B x H = 5 m x 5 m x 4 m Chọn chiều cao bảo vệ là 0.3 m

Suy ra chiều cao thực tế của bể điều hòa H = 4 + 0.3 = 4.3 m

ƒ Thể tích thực của bể điều hòa

Wthực = 5 x 5 x 4.3 = 107.5 m3

ƒ Lưu lượng không khí cần cung cấp cho bể điều hòa

L khí = W thực x a

Trong đó

o a : Tốc độ khí nén a = 0.015 m3 / (m3 thể tích bể) phút ( Bảng 9 – 7

trang 403 – “Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp – Tính toán thiết kế công trình, 2002” – Lâm Minh Triết )

Lkhí = 107.5 x 0.015 = 1.61 m3/phút = 0.027 m3/s

ƒ Khí được cung cấp bằng hệ thống ống sắt tráng kẽm có đục lỗ, gồm 4 ống đặt dọc theo chiều dài bể ( 5m ), các ống đặt cách nhau 1 m và cách thành bể 1 m

ƒ Vận tốc khí trong đường ống chính ( 10 ÷ 15 m/s ) Chọn Voc = 12 m/s ( “ Tính

toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – Trịnh Xuân Lai )

Lưu lượng khí cần cung cấp Lkhí = 0.027 m3/s

Đường kính ống dẫn khí chính là

Doc =

π

×

×

oc

khí

V

L

4

=

π

×

× 12

027 0

4 = 0.053 m = 53 mm

Chọn ống sắt tráng kẽm có đường kính ống ∅ 50

Kiểm tra lại vận tốc khí trong ống chính

) 05 0 (

027 0 4 4

2

×

×

=

×

×

=

π π

D

L

ƒ Lưu lượng khí trong mỗi ống nhánh

qống = 6.75 10 3

4

027

0 4

−

×

=

=

khí

ƒ Chọn vận tốc trong ống nhánh là Von = 12 m/s ( “ Tính toán thiết kế các công

trình xử lý nước thải” – Trịnh Xuân Lai )

Đường kính ống nhánh là

Don =

π

×

×

on

ống

V

q

4

=

π

×

×

12

10 75 6

= 0.026 m = 26 mm Chọn ống sắt tráng kẽm có đường kính ống ∅ 25

Kiểm tra lại vận tốc khí trong ống nhánh

V on = 13.75

) 025 0 (

10 75 6 4

4

2

3

×

×

×

=

×

π π

on

ống

D

q

m/s (thỏa điều kiện )

ƒ Đường kính các lỗ 2 ÷ 5 mm Chọn dlỗ = 3 mm = 0.003 m

ƒ Vận tốc khí qua lỗ 15 ÷ 20 m/s Chọn vlỗ = 16 m/s

ƒ Lưu lượng khí qua một lỗ

4 0 3600 4

003 0 16

4

2 2

=

×

×

×

=

×

×

lỗ lỗ

d v

ƒ Số lỗ trên một ống

75 60 4 0

3

24 =

=

=

lỗ

ống

q

q

Chọn N = 60 lỗ

ƒ Số lỗ trên 1 mét dài ống

12 5

60

ƒ Tính toán máy thổi khí

o Áp lực cần thiết cho hệ thống máy thổi khí tính theo mét cột nước

H m = h d + h c + H

Trong đó

• hd : Tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài trên đường ống

• hc : Tổn thất cục bộ

• H : Độ sâu ngập nước của ống, H = 3.8 m ( đặt cách đáy bể 0.2 m ) Tổng tổn thất hd + hc thường không vượt quá 0.4 m

Vậy Hm = 0.4 + 3.8 = 4.2 m

o Áp lực máy thổi khí tính theo Atmosphere

Pm = Hm / 10.12 = 0.42 atm

o Chọn 2 máy thổi khí hoạt động luân phiên và 1 máy dự phòng

Công suất máy thổi khí

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

×

×

×

×

7 29

283 0 1

2

P

P e n

T R G

P m

Trong đó

o Pm : Công suất yêu cầu của máy thổi khí, kW

o G: Trọng lượng của dòng không khí, kg/s

G = Lkhí x ρkhí = 0.027 m3/s x 1.3 kg/m3 = 0.035 kg/s

o R : Hằng số khí R = 8.314 kJ/K.mol.OK

o T : Nhiệt độ tuyệt đối của không khí đầu vào, T = 273 + 25 = 298 OK

o P1 : Áp suất tuyệt đối của không khí đầu vào, P1 = 1 atm

o P2 : Áp suất tuyệt đối của không khí đầu ra, P2 = Pm + 1 = 1.42 atm

o n =

K

K 1− = 0.283 (vì đối với không khí K = 1.395 )

o e : Hiệu suất của máy, e = 0.7 ÷ 0.9, chọn e = 0.8

Vậy

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

×

×

×

×

1

42

1 8 0 283 0 7 29

298 314 8 035

m

ƒ Bơm nước thải vào bể trộn

o Chọn 2 bơm nước thải hoạt động luân phiên và 1 bơm dự phòng

o Lưu lượng mỗi bơm Qb = Qhmax = 25 m3/h = 6.94 x 10-3 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 = 8 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 = 10 m

• d : đường kính ống dẫn, d = 60 mm

06 0 14 3 2 1

10 47 3 4

=

×

×

×

=

×

×

π

V

Q

• λ : hệ số ma sát đường ống

10 2

06 0 2 1

×

×

=

×

ν

d V

Vì 2 000 < Re < 100 000 nên ta có

023 0 36000

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 8 2 4 06 0

10 023 0 81 9 2

2 1

⎠

⎞

⎜

⎝

×

× +

=

o Công suất bơm

8 0 8

0 1000

9 81 9 1000 10

94 6 1000

3

=

×

×

×

×

×

=

×

×

×

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 0.8 = 0.96 kW

Vậy chọn bơm có công suất 1 kW

4.5 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH KEO TỤ – TẠO BÔNG

a Chức năng

Dùng để dính kết các chất làm bẩn nước ở dạng hòa tan lơ lửng thành các bông cặn lớn có khả năng lắng tốt trong các bể lắng Do đó khử được lượng lớn SS tránh gây khó khăn cho các công trình xử lý sinh học phía sau

b Tính toán

Nội dung tính toán gồm 2 phần

- Tính toán hệ thống lưu trữ phèn

- Tính toán bể trộn cơ khí

4.5.1 Tính toán bể hòa tan và bể định lượng phèn

Phèn được dự trữ ướt bằng cách đổ vào bể hòa tan Ở đây phèn được hòa tan đến nồng độ bão hòa Theo định kỳ bơm dung dịch phèn bão hòa vào bể tiêu thụ, pha loãng thành dung dịch có nồng độ 5% để định lượng vào nước thải

‰ Tính dung tích kho phèn

ƒ Lưu lượng nước thải Q = 300 m3/ngày

ƒ Liều lượng phèn cần thiết a = 1800 mg/L

ƒ Thời gian dự trữ phèn là 30 ngày

ƒ Phèn thị trường chứa P = 35% Al2(SO4)3 tính theo sản phẩm không ngậm nước

ƒ Lượng phèn thị trường cần dùng cho một ngày

1543 35

1000

100 300 1800

×

×

=

×

×

=

P

Q a

ƒ Lượng phèn dự trữ trong một tháng

G = 30 x 1.6 = 48 tấn

ƒ Dùng luôn kho chứa dự trữ phèn ướt làm bể hòa tan phèn đến nồng độ bão hòa

ƒ Thể tích kho cần thiết

V = 1.5 x 48 = 72 m3

ƒ Kho có kích thước rộng x dài x cao = 4 m x 4 m x 4.5 m tính từ mặt sàn đỡ đến mép bể Sàn đỡ dùng xà gồ 50 mm x 100 mm đặt cách nhau 20 mm, chiều dài xà gồ 1.3 m, gắn chặt vào mấu và dầm đỡ Mặt dưới của sàn đỡ cách đáy bể 20

cm Đáy bể được thiết kế với độ dốc dọc 1% về phía đặt ống xả cặn và độ dốc ngang là 2%

ƒ Chiều sâu bể phía đặt bơm và ống xả H1 = 4.5 + 0.3 + 0.15 = 4.95 m

ƒ Chiều sâu đầu bể H2 = 4.5 + 0.2 + 0.1 = 4.8 m

ƒ Dưới sàn đỡ đặt hệ thống ống phân phối gió để tăng cường quá trình hòa tan phèn đảm bảo cho dung dịch phèn nằm phía dưới sàn đỡ luôn ở tình trạng bão hòa Từ đây dung dịch phèn được bơm lên thùng tiêu thụ

‰ Dung tích bể tiêu thụ

ƒ Thể tích bể tiêu thụ

4 5 1 5 10000

1800 12

5

12

×

×

=

×

×

×

×

=

γ

P

a n Q

o Q : Lưu lượng nước thải cần xử lý, Q = 12.5 m3/h

o a : Liều lượng phèn cần thiết tính theo sản phẩm không ngậm nước

Al2(SO4)3 , a = 1800 mg/L = 1800 g/m3

o n : Thời gian giữa hai lần hòa tan, n = 12 h

o P : Nồng độ dung dịch trong bể tiêu thụ, chọn P = 5%

o γ : Trọng lượng riêng của dung dịch phèn, γ = 1 t/m3

ƒ Bể tiêu thụ được thiết kế với tiết diện vuông 1.5 m x 1.5 m, đáy hình chóp đều, góc cân 600, chiều cao phần hình trụ H1 = 2.2 m ( 20 cm dự trữ chống tràn ), chiều cao phần hình chóp H2 = 1.2 m Dưới đáy hình chóp lắp ống xả ∅50

ƒ Tổng chiều cao bể tiêu thụ

H = H 1 + H 2 = 2.2 + 1.2 = 3.4 m

ƒ Thể tích thực tế

W = 1.5 x 1.5 x 2 +

3

1 x 1.5 x 1.5 x 1.2 = 5.4 m3

ƒ Dung dịch phèn 5% ở bể tiêu thụ được định lượng đều với lưu lượng không đổi bằng bơm định lượng để đưa vào bể trộn

‰ Chọn bơm dung dịch phèn và bơm định lượng

ƒ Dung dịch phèn từ bể hòa tan theo định kỳ 12 giờ bơm lên bể tiêu thụ một lần Chọn thời gian bơm t = 2 h ( sau mỗi lần bơm sục gió ở bể hòa tan 3 giờ liên tục,

2 giờ bơm, 1 giờ pha chế đến nồng độ P = 5% ở bể tiêu thụ )

ƒ Lượng phèn cần thiết cho một lần bơm

G = Q x a x n = 12.5 x 1800 x 12 = 270 000 g = 270 kg

ƒ Nếu nồng độ dung dịch phèn bão hòa ở bể hòa tan P = 35% thì thể tích dung dịch phèn cần dùng trong 12 giờ là :

770 35

100

270

ƒ Nếu bơm trong 2 giờ lưu lượng máy bơm là : Q = 770 / 2 = 385 L = 6.5 L/ph

ƒ Chọn máy bơm có lưu lượng q = 6.5 L/ph; chiều cao cột áp bơm H = 6 m H2O

ƒ Bơm định lượng : lưu lượng dung dịch phèn 5% cần thiết đưa vào nước trong một giờ

450 5

1000

100 1800 5

12

×

×

=

×

×

=

P

a Q

ƒ Vậy chọn máy bơm định lượng có lưu lượng 0.45 m3/h

4.5.2 Tính toán bể trộn cơ khí

ƒ Lưu lượng nước thải Q = 300 m3/ngày = 3.47 x 10-3 m3/s

ƒ Thời gian khuấy trộn t = 3 phút

ƒ Thể tích bể trộn

64 0 60 3 10 47

=

×

ƒ Chọn chiều cao bể trộn H = 1 m Vậy diện tích bể trộn F = 0.64 m2

ƒ Đường kính bể trộn

9 0 64 0 4 4

=

×

=

×

=

π π

F

ƒ Ống dẫn nước thải vào ở đỉnh bể, 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 1

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 = 0.3 m

ƒ Máy khuấy đặt cách đáy bể một khoảng H = 0.3 m

ƒ Chiều rộng bản cánh khuấy khoảng 1/5 đường kính cánh khuấy b = 0.06 m

ƒ Chiều dày bản cánh khuấy lấy khoảng ¼ đường kính cánh khuấy l = 0.075 m

ƒ Tốc độ cánh khuấy

80 3

3 80

=

×

=

×

=

t

G C

n t D vòng/phút = 1.33 v/s ≈ 2 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 3

3 0

9 0

=

=

=

K

D

o t : Thời gian khuấy, t = 3 ph

ƒ Năng lượng cần thiết của cánh khuấy

123 3

0 2 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 = 0.3 m

o n : Số vòng quay của cánh khuấy, n = 2 v/s

ƒ Công suất động cơ

185 8 0

123 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

440 64 0 001 0

×

=

×

=

V

N G

-1 Trong đó

o G : Gradien vận tốc, s-1

o N : Năng lượng tiêu hao tổng cộng, N = 123 J/s

o V : Dung tích bể trộn, V = 0.64 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 đợt 1 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

075 0 8

0

10 47 3 4

=

×

×

×

=

×

×

π π

V

Q

Vậy chọn ống dẫn bằng nhựa PVC có đường kính 75 mm

4.6 BỂ KEO TỤ – TẠO BÔNG KẾT HỢP LẮNG LY TÂM ĐỢT 1

a Chức năng

Dùng để tách các cặn lơ lửng có khả năng lắng được sau quá trình keo tụ, tạo bông

c Tính toán

ƒ Lưu lượng nước thải xử lý Q = 300 m3/ngày

ƒ Diện tích bề mặt cần thiết của bể lắng

7.5

40

300 0

v

Q

o v0 : Tải trọng bề mặt, v0 nằm trong khoảng 31 ÷ 50 m3/m2.ngày Giả sử tải trọng bề mặt thích hợp cho loại cặn tươi ở bể lắng đợt 1 là 40 m3/m2.ngày

ƒ Đường kính bể lắng

π

tt bể

f F

D = 4× 1 +

Trong đó

o F1 : Diện tích phần lắng, F1 = 7.5 m2

o ftt : Diện tích tiết diện buồng phân phối trung tâm, với đường kính buồng phân phối trung tâm dtt = ( 0.15 ÷ 0.2 ) Dbể ( “Tính toán thiết kế các công

trình xử lý nước thải” – Trịnh Xuân Lai ) Chọn d tt = 0.2 D bể

4

2 0 4

2 2

bể tt

tt

D d

f =π× =π×

Thay ftt vào phương trình trên ta tính được Dbể = 3.15 m Chọn đường kính bể Dbể = 3.2 m

ƒ Đường kính ống trung tâm

d tt = 0.2 D bể = 0.2 x 3.2 = 0.64 m

ƒ Tính lại diện tích bề mặt cần thiết của bể lắng

4

2

3 4

2 2

ƒ Xác định lại tải trọng bề mặt của bể theo QhTB

37.31

04 8

300 1

F

Q

Giá trị này nằm trong khoảng cho phép 31 ÷ 50 m3/m2.ngày

ƒ Xác định lại tải trọng bề mặt của bể theo Qhmax

04 8

600

1

max max

F

Q

Giá trị U0max nằm trong khoảng cho phép 71 ÷ 122 m3/m2.ngày ( Bảng 4 – 3

“Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – Trịnh Xuân Lai )

ƒ Bể lắng có dạng hình trụ có đổ thêm bêtông dưới đáy bể để tạo độ dốc 10% Hố thu gom bùn đặt ở giữa bể và có thể tích nhỏ vì cặn được tháo ra liên tục, đường kính hố gom bùn lấy khoảng 20 – 25% đường kính bể Chọn Dbùn = 0.7 m

ƒ Chiều cao tổng cộng của toàn bể

Chọn chiều sâu hữu ích của bể lắng hL = 2.5 m, chiều cao dự trữ trên mặt thoáng hbv = 0.3 m Bể lắng có dạng hình trụ có đổ thêm bêtông dưới đáy bể để tạo thành nơi chứa bùn có độ dốc 10% về tâm Khi đó chọn chiều cao phần chóp đáy bể h = 0.3 m và chiều cao lớp bùn lắng trong bể là hb = 0.7 m

Vậy chiều cao tổng cộng của bể là

H = h L + h b + h + h bv = 2.5 + 0.7 + 0.3 + 0.3 = 3.8 m

ƒ Chiều cao ống trung tâm

h = 0.6 h L = 0.6 x 2.5 = 1.5 m

ƒ Thể tích phần lắng

4

64 0 2

3 4

2 2

2 2

=

×

−

×

=

×

−

×

L tt bể

ƒ Thể tích tổng cộng của bể

56 30 8 3 4

2

3 4

2 2

=

×

×

=

×

×

bể

D

ƒ Thời gian lưu nước trong bể lắng

55 1 24 300

3

=

=

Q

V

Giá trị t phù hợp với thông số thiết kế đặc trưng cho bể lắng ly tâm đợt 1,

t = 1.5 ÷ 2.5 h ( Bảng 4 – 3 “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” –

Trịnh Xuân Lai )

ƒ Vận tốc giới hạn trong vùng lắng

( ) 1 / 2

1 8

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

=

f

d g k

Trong đó

o k : Hằng số phụ thuộc vào tính chất cặn, chọn k = 0.06 ( “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – Trịnh Xuân Lai )

o ρ : Tỷ trọng hạt, chọn ρ = 1.25 ( “Tính toán thiết kế các công trình xử lý

nước thải” – Trịnh Xuân Lai )

o g : Gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/s2

o d : Đường kính tương đương của hạt, chọn d = 10-4 m ( “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – Trịnh Xuân Lai )

o f : Hệ số ma sát, hệ số này phụ thuộc vào đặc tính bề mặt của hạt và hệ

số Reynold của hạt khi lắng Chọn f = 0.025 ( “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải” – Trịnh Xuân Lai )

025 0

10 84 9 1 25 1 06 0

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

H

ƒ Vận tốc nước chảy trong vùng lắng ứng với Qhmax

4 2

2

max

3600 2

3

25 4 3600

×

×

×

=

×

×

×

=

π

π D bể h

Q

Ta thấy Vmax < VH → điều kiện đặt ra để kiểm tra được thỏa mãn