Thiết kế hệ thống xử lý nước cấp đạt tiêu chuẩn nước đóng chai từ nước ngầm có độ cứng 1000 mgl, Cl¬ = 900 mgl, công suất 70 m3ngày với các nội dung: • Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Các phương pháp xử lý • Chương 3: Tính toán thiết kế thiết bị chính • Chương 4: Kết luận
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG o0o ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP ĐẠT TIÊU CHUẨN NƯỚC UỐNG ĐÓNG CHAI TỪ NƯỚC NGẦM CÓ CÔNG SUẤT 70 M3/NGÀY GVHD: TS Phan Xuân Thạnh SVTH: TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01/2012 LỜI CẢM ƠN Đồ án môn học giúp chúng em tổng kết kiến thức học, đồng thời cho chúng em nhìn thực tế nhận thức rõ ngành Để đồ án hoàn thành, bên cạnh nỗ lực thân, chúng em hướng dẫn tận tình quý thầy cô Nhân đây, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Phan Xuân Thạnh tận tình hướng dẫn đồng hành chúng em suốt trình thực Thầy Đặng Viết Hùng cung cấp kiến thức hữu ích để chúng em hoàn thiện đồ án TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài thực thiết kế hệ thống xử lý nước cấp đạt tiêu chuẩn nước uống đóng chai từ nước ngầm có độ cứng 1000 mg/l, Cl- = 900 mg/l, công suất 70 m3/ngày với nội dung: • • • • Chương Chương Chương Chương 1: 2: 3: 4: Tổng quan Các phương pháp xử lý Tính toán thiết kế thiết bị Kết luận Hệ thống xử lý bao gồm: - Giàn mưa làm thoáng Bồn lọc cát áp lực Bể chứa nước sau lọc Cột cation khử cứng Cột anion khử khoáng Cột lọc than hoạt tính Cột lọc tinh 5µm Thiết bị lọc màng RO Thiết bị khử trùng Ozone MỤC LỤC BÌA DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I- Đặc điểm nguồn nước: Nguồn nước cần xử lý nước ngầm có nồng độ Cl- = 900mg/l độ cứng 1000mg/l, pH=5.6, hàm lượng sắt 0,4 mg/l 1) Nước ngầm: a Đặc trưng nước ngầm: - Độ đục thấp Nhiệt độ thành phần hóa học tương đối ổn định Không chứa O2 chứa nhiều khí: CO2, H2S,… Chứa nhiều khoáng chất hòa tan: sắt, Mangan, Canxi, Magie, Flo Việt Nam nước nhiệt đới mưa nhiều, nguồn nước mặt tương đối phong phú yêu cầu khai thác nước ngầm lớn Từ đầu kỷ XX, bắt đầu khai thác nước ngầm phục vụ cho sinh hoạt công nghiệp thành phố lớn Ở nông thôn, hộ gia đình từ lâu sử dụng giếng khoan, giếng đào để khai thác nước ngầm dùng cho sinh hoạt Để khai thác sử dụng nước ngầm cách bền vững, ta cần nhận rõ ưu điểm nhược điểm sau: Ưu điểm - - - Nước ngầm phân bố khắp nơi, nguồn nước tương đối ổn định, bị biến đổii theo mùa Nước ngầm thường khai thác sử dụng chỗ, đường dẫn nước ngắn tổn that nước trình dẫn nước Lưu lượng khai thác nước ngầm nhỏ nên qui mô xây dựng công trình không lớn, phù hợp với nguồn vốn địa phương hộ nông dân cần khai thác sử dụng nước ngầm Chất lượng nước ngầm tốt nước mặt nên xử lý phức tạp Ở vùng trũng lay thụt, khai thác nước ngầm dễ dàng, hạ thấp mực nước ngầm để cải tạo đất Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: Nhược điểm - - Lưu lượng nhỏ, khả cấp nước nhỏ nên công trình nằm phân tán Nước ngầm có độ khoáng hóa cao, nhiệt độ nước ngầm thường không phù hợp với yêu cầu dùng nước nên phải xử lý nước trước sử dụng Tốn lượng để bơm nước ngầm Nếu nước ngầm nằm sâu, việc khai thác khó khăn Khai thác nước ngầm không hợp lý làm ô nhiễm môi trường, can sinh thái tự nhiên Ở vùng duyên hải khai thác mức, mực nước ngầm hạ thấp, nước mặn từ biển xâm nhập làm ô nhiễm Nước ngầm tồn lỗ hổng khe nứt đất đá, tạo thành giai đoạn trầm tích đất đá thẩm thấu, thấm nguồn nước mặt, nước mưa… b Một số đặc điểm khác nước ngầm nước mặt: Thông số Nhiệt độ Chất rắn lơ lửng Nước ngầm Tương đối ổn định Rất thấp, Chất khoáng hòa tan Ít thay đổi, cao so với nước mặt Hàm lượng Fe2+, Mn2+ Khí CO2 hòa tan Khí O2 hòa tan Khí NH3 Khí H2S SiO2 NO3Vi sinh vật Nước mặt Thay đổi theo mùa Thường cao thay đổi theo mùa Thay đổi tùy thuộc chất lượng đất, lượng mưa Thường xuyên có Rất thấp, có nước nước sát đáy hồ Có nồng độ cao Rất thấp Thường không tồn Gần bão hòa Thường có Có nguồn nước bị nhiễm bẩn Thường có Không có Thường có nồng Có nồng độ trung độ cao bình Có nồng độ cao, Thường thấp bị nhiễm phân hóa học Chủ yếu vi Nhiều loại vi trùng, khuẩn sắt gây virus gây bệnh Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: tảo Bảng 1.1 - Bảng so sánh nước ngầm nước mặt c Các yếu tố ảnh hưởng đến nước ngầm: - Yếu tố khí hậu Yếu tố thủy văn Điều kiện địa hình, địa mạo, thảm phủ mặt đất Yếu tố địa chất, thổ nhưỡng Các hoạt động người Áp suất khí Ảnh hưởng thủy triều 2) Độ cứng nước: a Sơ lược độ cứng: Độ cứng nước định hàm lượng chất khoáng hòa tan nước, chủ yếu muối có chứa ion Ca2+ Mg2+ Độ cứng nước chia làm loại: • Độ cứng tạm thời hay độ cứng carbonat: Tạo muối Ca Mg carbonat bicarbonat, chủ yếu bicarbonat muối carbobat Ca Mg không tan nước Gọi độ cứng tạm thời giảm nhiều phương pháp đơn giản Trong tự nhiên, độ cứng tạm thời nước thay đổi thường xuyên • tác dụng nhiều yếu tố, ví dụ nhiệt độ Độ cứng vónh viễn: Tạo muối khác Ca Mg sulphat, clorua thay đổi phương pháp phức tạp đắt tiền Thông thường người ta quan tâm đến độ cứng tạm thời nước có ảnh hưởng nhiều độ cứng vónh viễn Có nhiều đơn vị đo độ cứng khác nhau, chủ yếu người ta dùng đơn vị đo: độ pH, mg đương lượng/lít ppm Để đơn giản, đo độ cứng người ta thường quy loại muối CaCO3 Nước có độ cứng tạm thời lớn 100 ppm coi nước cứng, mức coi nước mềm Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: d Nguồn gốc nước cứng: Hầu có độ cứng cao thường nguồn nước ngầm Nước qua lớp đất đá, lớp đá vôi, trầm tích ion gây độ cứng (Ca 2+ Mg2+ … ) bị hòa tan trôi theo dòng nước làm tăng độ cứng nước Nước ao hồ, sông suối bị tăng độ cứng nguyên nhân e Tác hại nước cứng: Độ cứng vónh viễn nước ảnh hưởng đến sinh vật cao Tuy nhiên độ cứng tạm thời lại mối quan tâm lớn Các muối gây độ cứng muối hòa tan hoàn toàn không ổn định, không bền Chúng dễ dàng bị phân hủy thành muối kết tủa (CaCO3, MgCO3) theo PT : Ca(HCO3)2 => CaCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 => MgCO3 + H2O + CO2 Khi phản ứng xảy thể sinh vật, muối kết tủa nguyên nhân gây sỏi thận nguyên nhân gây tắc động mạch đóng cặn vôi thành động mạch Bên cạnh độ cứng chủ yếu ảnh hưởng đến mùi vị thực phẩm đồ uống chế biến nước nóng qua đun nấu Nó nguyên nhân gây cặn lắng thiết bị gia nhiệt nước 3) Cl-: Chlor tồn nước dạng Cl -, tồn hợp chất NaCl Ở mức nồng độ cho phép hợp chất Chlor không gây độc hại, với hàm lượng lớn 250 mg/L làm cho nước có vị mặn 10 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: Áp suất môi trường: chọn bơm bơm nước sạch, không chứa tạp chất rắn nên áp lực at (Theo Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1) Pmt = x 0,981 x 105 = 392400 N/m2 Áp suất tính toaùn: P = Pmt + ρ g H = 392400 + 1000 × 9,81× = 421830 N / m = 0,42 N/mm2 Bề dày thân thiết bị: Nhiệt độ môi trường: t = 350C * [σ ] Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: = 140 N/mm2 η =1 Hệ số hiệu chỉnh: * [ σ ] = η × [ σ ] = 1×140 = 140 N / mm2 Ứng suất cho phép: ϕ h = 0, 95 Hệ số bền mối hàn: Ta có: [ σ ] × ϕh = 140 × 0,95 = 316, 67 > 25 P 0, 42 Bề dày tính toán thân thiết bị: P × Dt 0, 42 × 500 S' = = = 0, 79mm × [ σ ] × ϕ h ×140 × 0,95 Hệ số bổ sung bề dày: C = Ca + Cb + Cc + C0 Trong đó: Ca: hệ số bổ sung ăn mòn hóa học môi trường, Ca = 1mm Cb: hệ số bổ sung bào mòn học môi trường, Cb = mm Cc: hệ số bổ sung sai lệch chế tạo, lắp ráp, Cc = mm C0: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, C0 = 1,23 mm Khi đó: C = 2,23 mm Bề dày thực thân: S = S’ + C = 0,79 + 2,23 = mm Kiểm tra điều kiện: 51 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: S − Ca − = = 4.10−3 < 0,1 Dt 500 Áp suất cho phép: × [ σ ] × ϕh × ( S − Ca ) ×140 × 0,95 × (3 − 1) = = 1, 06 N / mm > 0, 42 N / mm [ P] = Dt + ( S − Ca ) 500 + (3 − 1) Vậy bề dày thực thân là: S = mm l Tính thân thiết bị: Áp suất tính toán: P = 0,42N/mm2 Bán kính cong bên đỉnh đáy, nắp: Rt Chọn đáy, nắp tiêu chuẩn có: Rt = Dt Bề dày đáy, nắp bề dày thân thiết bị: S = mm Kiểm tra điều kiện: S − Ca − = = 4.10−3 < 0,125 Dt 500 Áp suất cho phép: [ P] = × [ σ ] × ϕ h × ( S − Ca ) Dt + ( S − Ca ) = ×140 × 0,95 × (3 − 1) = 1, 06 N / mm > 0, 42 N / mm 500 + (3 − 1) m Tính chân đỡ cột cation: Chọn vật liệu làm chân đỡ thép không gỉ X18H10T Khối lượng thân cột cation là: π π Dn − Dt2 ) H ρ = ( 0,5032 − 0,52 ) × × 7900 = 55,98kg ( 4 Mthân = Khối lượng đáy: Với Dt = 500 mm chiều dày đáy mm, theo bảng XIII.11 trang 384, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2, ta có: Mđáy = 10 x 1,01 = 10,1 kg Khối lượng nắp khối lượng đáy: Mnắp = 10,1 kg Khối lượng nước: π π M nuoc = × D × H × ρ = × 0,52 × ×1000 = 588, 75kg 4 Khối lượng nhựa cation: 52 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: π π × D × H × ρnhua −cation = × 0,52 × × 880 = 518,1kg 4 M nhua −cation = Khối lượng toàn cột cation laø: M = 55,98 + 2x10,1 + 588,75 + 518,1 = 1183 kg Tải trọng cột cation là: P = M x g = 1183 x 9,81 = 11605 N/m2 Chọn chân đỡ bồn cation gồm chân Tải trọng chân là: 11605 = 3868( N / m2 ) Theo bảng XIII.35 trang 437, sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2, ta có: L B B1 B2 160 110 135 195 H mm 240 h s l D 145 10 55 23 16) Tính toán khí cột anion: a Vật liệu chế tạo thiết bị: Austenitic loại thép không gỉ thông dụng Bao gồm mác thép SUS 301, 304, 304L, 316, 319L, 321, 310s… Loại thép Austenitic có khả chịu ăn mòn tốt khoảng nhiệt độ lớn, không bị nhiễm từ, mềm dẻo, dễ hàn Chính lý Austenitic sử dụng nhiều để làm đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ kiến trúc, công trình xây dựng khác… Chọn vật liệu chế tạo thép không gỉ SUS 304 σ c = 220.106 N / m Giới hạn bền chảy: σ k = 550.106 N / m2 Giới hạn bền kéo: δ = 38% Độ giãn nở tương đối: Chiều dài thép: - 25 mm λ = 16,3 Hệ số dẫn nhiệt: W/m.độ ρ = 7900 Khối lượng riêng: kg/m3 n Tính thân thiết bị: 53 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: Áp suất làm việc thiết bị Áp suất môi trường: chọn bơm bơm nước sạch, không chứa tạp chất rắn nên áp lực at (Theo Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1) Pmt = x 0,981 x 105 = 392400 N/m2 Áp suất tính toán: P = Pmt + ρ g H = 392400 + 1000 × 9,81× = 431640 N / m = 0,43 N/mm2 Bề dày thân thiết bị: Nhiệt độ môi trường: t = 350C * [σ ] Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: = 140 N/mm2 η =1 Hệ số hiệu chỉnh: * [ σ ] = η × [ σ ] = 1×140 = 140 N / mm2 Ứng suất cho phép: ϕ h = 0, 95 Hệ số bền mối hàn: Ta có: [ σ ] × ϕh = 140 × 0, 95 = 309,3 > 25 P 0, 43 Bề dày tính toán thân thiết bị: P × Dt 0, 43 × 500 S' = = = 0,81mm × [ σ ] × ϕh × 140 × 0,95 Hệ số bổ sung bề dày: C = Ca + Cb + Cc + C0 Trong đó: Ca: hệ số bổ sung ăn mòn hóa học môi trường, Ca = 1mm Cb: hệ số bổ sung bào mòn học môi trường, Cb = mm Cc: hệ số bổ sung sai lệch chế tạo, lắp ráp, Cc = mm C0: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, C0 = 1,23 mm Khi đó: C = 2,23 mm Bề dày thực thân: S = S’ + C = 0,81 + 2,23 = mm Kiểm tra điều kiện: 54 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: S − Ca − = = 4.10−3 < 0,1 Dt 500 Áp suất cho phép: × [ σ ] × ϕh × ( S − Ca ) ×140 × 0,95 × (3 − 1) = = 1, 06 N / mm > 0, 42 N / mm [ P] = Dt + ( S − Ca ) 500 + (3 − 1) Vậy bề dày thực thân là: S = mm o Tính thân thiết bị: Áp suất tính toán: P = 0,43 N/mm2 Bán kính cong bên đỉnh đáy, nắp: Rt Chọn đáy, nắp tiêu chuẩn có: Rt = Dt Bề dày đáy, nắp bề dày thân thiết bị: S = mm Kiểm tra điều kiện: S − Ca − = = 4.10−3 < 0,125 Dt 500 Áp suất cho phép: [ P] = × [ σ ] × ϕh × ( S − Ca ) Dt + ( S − Ca ) = ×140 × 0,95 × (3 − 1) = 1, 06 N / mm > 0, 43 N / mm 500 + (3 − 1) p Tính chân đỡ cột anion: Chọn vật liệu làm chân đỡ thép không gỉ X18H10T Khối lượng thân cột anion là: π π Dn − Dt2 ) H ρ = ( 0,5032 − 0,52 ) × × 7900 = 55,98kg ( 4 Mthân = Khối lượng đáy: Với Dt = 500 mm chiều dày đáy mm, theo bảng XIII.11 trang 384, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2, ta có: Mđáy = 10 x 1,01 = 10,1 kg Khối lượng nắp khối lượng đáy: Mnắp = 10,1 kg Khối lượng nước: π π M nuoc = × D × H × ρ = × 0,52 × ×1000 = 588, 75kg 4 Khối lượng nhựa anion: 55 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh M nhua −anion = GVHD: π π × D × H × ρnhua −anion = × 0,52 × × 650 = 382, 69kg 4 Khối lượng toàn cột cation là: M = 55,98 + 2x10,1 + 588,75 + 382,69 = 1048 kg Tải trọng cột cation laø: P = M x g = 1048 x 9,81 = 10281 N/m2 Chọn chân đỡ bồn anion gồm chân Tải trọng chân là: 10281 = 3427( N / m ) Theo baûng XIII.35 trang 437, sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2, ta có: V- L B B1 B2 160 110 135 195 H mm 240 h s l D 145 10 55 23 Màng lọc RO: Màng RO chọn theo độ mặn nguồn nước, khuynh hướng nhiễm bẩn nguồn nước, mức độ xử lý cần đạt yêu cầu lượng Kích thước màng tiêu chuẩn cho hệ thống lớn 10 gpm (2,3 m3/h) đường kính inch chiều dài 40 inch Màng nhỏ dùng cho hệ thống nhỏ Chọn màng: Với công suất 70m3/ngày = 2,92 m3/h nồng độ chất hòa tan có nước ngầm Ta chọn màng TW30 – 4040 nhãn hiệu FILMTEC hãng DOW a Giải thích kí hiệu: TW: Nước máy (Tape – Wrapped) 30 FT30: Họ màng 40: Đường kính màng, inches 40: Chiều dài màng, inches 56 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: q Thông số kỹ thuật màng: Thông số Đơn vị Giá trị Loại màng Polyamide Thin-Film Composite Nhiệt độ làm việc F (0C) 113 (45) tối đa Áp suất vận hành psig (bar) 600 (41) lớn Lưu lượng vào lớn gpm (m3/hr) 14 (3.2) Tổn that áp lực tối psig (bar) 13 (0.9) đa Dãy pH (hoạt động – 11 liên tục) Dãy pH (rửa thời – 13 gian ngắn) SDI tối đa Chlorine dư tối đa Ppm < 0.1 Diện tích bề mặt ft2 (m2) 78 (7.2) màng Lưu lượng dòng gpd (m3/d) 2400 (9.1) thấm Tỉ lệ thải muối ổn % 99.5 định Bảng 3.1 - Thông số kỹ thuật màng RO TW30 – 4040, Filmtec, Dow r Kích thước màng: A, inches (mm) B, inches (mm) C, inches (mm) D, inches (mm) 40.0 (1016) 1.05 (26.7) 0.75 (19) 3.9 (99) Baûng 3.2 - Kích thước màng RO TW30 – 4040, Filmtec, Dow 17) Tính toán số lượng màng: Tỉ lệ nước (% dòng thấm) cho toàn hệ thống Rc = 50 – 75% Chọn % dòng thấm cho hệ thống Rc = 60% b Lưu lượng dòng thấm Q qua hệ thống 57 Đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước cấp Phan Xuân Thạnh GVHD: s Số lượng màng cần thiết Trong Q: Lưu lượng dòng thấm cho toàn hệ thống RO S: Diện tích bề mặt màng, S = 78 ft2 = 7,2 m2 q: Cường độ dòng thấm qua màng Chọn n = 14 màng Cường độ dòng thấm qua màng SDI Cườn g độ dòng thấm, gfd (l/m2.h ) Tỉ lệ thu hồi lớn nhất, % SDI