Bài viết đưa ra phương pháp xác định các thông số đặc trưng của bùn thải. Các phương trình cơ bản của quá trình lắng như vận tốc lắng vùng nén ép Vesilind, hàm thông lượng pha rắn fbk , và hàm ứng suất nén ép pha rắn σe được xác định tường minh.
ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA BÙN THẢI TRONG MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ BỂ LẮNG: ÁP DỤNG CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÔNG NGHỆ TUYỂN THAN Lê Hải Kiên, Nguyễn Trung Dũng, Nguyễn Đặng Bình Thành Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngày tòa soạn nhận báo: 19/03/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 22/05/2017 Ngày báo duyệt đăng: 25/05/2017 Tóm tắt: Bể lắng sơ cấp thứ cấp thiết bị phổ biến quan trọng dây chuyền công nghệ xử lý nước thải nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt ngành khai thác chế biến khoáng sản Hiện nay, tiêu chuẩn xử lý nước thải ngày nghiêm ngặt việc tính tốn thiết kế, vận hành, điều khiển bể lắng sơ cấp ngày quan tâm ảnh hưởng lớn tới q trình cơng nghệ Trên sở thực nghiệm phân tích đường cong lắng gián đoạn, báo đưa phương pháp xác định thơng số đặc trưng bùn thải Các phương trình trình lắng vận tốc lắng vùng nén ép Vesilind, hàm thông lượng pha rắn fbk , hàm ứng suất nén ép pha rắn σe xác định tường minh Từ khóa: Bể lắng, phương pháp thiết kế, mơ hình hóa, xử lý nước thải, tuyển than Đặt vấn đề Sự phát triển công nghiệp nhanh chóng mang lại nhiều lợi ích kinh tế xã hội gây ô nhiễm môi trường đe dọa đến sức khỏe người Hiện tiêu chuẩn khí thải, nước thải ngày cao nghiêm ngặt đó, vấn đề xử lý nguồn ô nhiễm ngành công nghiệp trước thải môi trường vấn đề cần phải quan tâm Trong dây chuyền xử lý nước thải, thiết bị lắng thiết bị quan trọng, có tác dụng lắng sơ pha rắn trước vào công đoạn xử lý Hình mơ tả thiết bị lắng cào điển hình cơng nghiệp Coe Clevenger chia bể lắng cào, làm việc liên tục ổn định thành vùng bao gồm vùng nước trong, vùng lắng, vùng chuyển tiếp vùng lắng nén ép Các vùng hàm lượng pha rắn tương ứng mơ tả Hình [1,2] Hình Hàm lượng pha rắn theo vùng làm việc thiết bị lắng Hình Thiết bị lắng cào cơng nghiệp Hình Sơ đồ vùng làm việc thiết bị lắng Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Đã có nhiều phương pháp khác từ đơn giản tới phức tạp nhằm tính tốn thiết kế bể lắng cào phương pháp Mishler (1912), Coe Clevenger (1916), Kynch (1952), Talmage Fitch (1955), Oltmann (1976) [1,2,3] Tuy thông số nhiệt độ, lưu lượng, hàm lượng pha rắn ln thay đổi q trình làm việc nên phương pháp phải sử dụng thơng số trung bình đưa thêm vào hệ số thiết kế an tồn Vì hiệu hoạt động thiết bị lắng thường không ổn định, khơng kiểm sốt q trình làm giảm khả làm việc thiết bị Việc xác định tường minh thơng số đặc trưng q trình lắng dựa thực nghiệm lắng gián đoạn sở để đưa quy trình thiết kế bể lắng mơ hình hóa q trình cơng nghệ nhằm Journal of Science and Technology 81 ISSN 2354-0575 dự đoán cách xác hiệu hoạt động thiết bị lắng Phương pháp nghiên cứu Quá trình lắng tác dụng trọng lực thiết bị lắng diễn chế độ lắng khác Ở giai đoạn đầu, hàm lượng pha rắn huyền phù nhỏ, hạt rắn lắng xuống chế độ lắng tự Sau đó, hàm lượng pha rắn tăng dần lên, hạt rắn rơi tự tương tác với nhiều Sự tương tác làm cản trở trình lắng nghĩa làm cho tốc độ lắng giảm xuống Ngoài ra, hàm lượng pha rắn đủ lớn, phần tử có xu hướng xếp chặt lại với tạo nén ép khối hạt Quá trình ảnh hưởng không nhỏ đến vận tốc lắng khối hạt Do diễn biến trình lắng phức tạp ranh giới chế độ lắng chưa thực rõ ràng nên mơ tả tốn học đầy đủ chi tiết cho trình lắng phát triển Tuy nhiên, việc xây dựng mơ hình tốn học cho q trình lắng tác dụng trường trọng lực thường xây dựng với giả thiết sau: (1) Các hạt phần tử pha rắn có khối lượng riêng nhỏ so với thiết bị lắng, nghĩa bỏ qua hiệu ứng dịng chảy vùng khơng gian gần thành thiết bị lắng, (2) phần tử pha rắn pha lỏng khơng bị nén ép, (3) q trình chuyển khối pha rắn pha lỏng không xảy ra, (4) phần tử pha rắn kết khối trước trình lắng diễn ra, (5) khối hạt lắng với tốc độ Từ giả thiết nêu trên, trình lắng tác dụng trọng lực đặc trưng phương trình sau: Hàm mật độ thông lượng pha rắn [2,5]: b c fbk _ b i = u3 b a1 - b k (1) max Trong đó: fbk(b) hàm mật độ thông lượng pha rắn b hàm lượng pha rắn huyền phù b max hàm lượng pha rắn thời điểm kết thúc trình lắng gián đoạn u∞ c hai thông số đặc trưng cho hàm mật độ thông lượng pha rắn Hàm vận tốc lắng vùng nén ép Vesilind [3,5]: vs = kexp(-nb) (2) Trong đó: vs – Vận tốc lắng vùng nén ép k n hai thông số đặc trưng cho hàm vận tốc lắng vùng nén ép Hàm ứng suất nén ép hiệu dụng [5,6]: (3a) v e _ b i = b # b C v e _ b i = a exp _bb i b C # b # b D (3b) Để tính thiết kế mơ hình hóa bể lắng, cần phải xác định tường minh phương trình trình lắng sở thực nghiệm lắng gián đoạn Trong báo này, mẫu bùn thải công nghệ tuyển than I Công ty tuyển than Cửa Ông xem xét Kết thảo luận Bảng Các thông số thiết kế bể lắng tuyển than I – Cơng ty tuyển than Cửa Ơng Đường kính bể (m) 10,69 Chiều cao bể (m) 4,7 Chiều cao cửa chảy tràn (m) 4,47 Năng suất xử lý (m3/h) 150 Hàm lượng pha rắn vào (g/l) 90 – 125 Hàm lượng pha rắn (g/l) 250 – 350 Bảng Hiệu suất thu hồi theo cấp hạt rắn tuyển I Sản phẩm Vào bể Chảy tràn Bùn cặn - 0,074 mm 70,65 100 63,24 Tỷ lệ thu hồi cấp hạt (%) 0,074 - 0,1 mm 0,1 - 0,5 mm 0,5 - mm 9,80 16,4 1,73 0 6,41 24,46 3,17 Mẫu bùn thải lấy cửa vào bể lắng cửa đáy bể Các thông số thiết kế thực tế bể cho Bảng thông số hiệu suất thu hồi tập hợp hạt rắn cho Bảng Thực nghiệm lắng gián đoạn tiến hành bình lường đựng mẫu bùn thải có đường kính 5,1 (cm), chiều cao bình lường 22 (cm) Bùn thải khuấy trộn trước đổ vào bình lường nhằm đảm bảo hàm lượng pha rắn 82 + mm 1,42 2,72 bình Khi q trình lắng ổn định, bắt đầu tính thời gian Trong trình lắng trọng lực, hạt rắn lắng xuống đáy bình lường nên hình thành lớp nước phía Khi bề mặt phân chia hình thành phần nước lớp huyền phù lắng Tiến hành đo chiều cao bề mặt phân chia pha theo thời gian Các số liệu đo vùng lắng nén ép sau lần thực nghiệm trình bày Bảng Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Độ cao bề mặt phân chia pha theo thời gian thực nghiệm lắng gián đoạn Thí nghiệm Chiều cao lắng H (cm) 10,28 9,79 9,30 8,81 8,32 7,83 7,34 6,85 6,36 3,92 48,25 52,00 57,83 67,75 82,50 102,42 127,58 162,18 210,00 1000,00 48,71 51,67 56,18 63,17 76,78 95,83 120,00 152,17 197,71 1000,00 3.1 Xác định thông số đặc trưng hàm vận tốc lắng vùng nén ép Vesilind Tiến hành phân tích đường cong lắng gián đoạn, lấy điểm đường cong lắng vùng lắng nén ép, kẻ tiếp tuyến cắt trục tung chiều cao Z trục hoành thời gian T Khi đó, vận Thời gian t (phút) 44,52 47,33 51,87 59,55 71,95 88,87 112,00 144,33 185,25 1000,00 Trung bình 48,33 51,32 56,17 65,15 78,67 97,00 120,33 153,20 198,00 1000,00 47,45 50,58 55,51 63,90 77,48 96,03 119,97 152,97 197,74 1000,00 tốc vùng lắng nén ép xác định công thức: Z v s _ b i =- T (4) Hình biểu diễn mối quan hệ vận tốc lắng vùng nén ép vs (4) với hàm lượng pha rắn Từ biểu diễn mối quan hệ phương trình hồi quy Hình Xác định hai thông số đặc trưng k, n hàm vận tốc lắng vùng nén ép Cần ý rằng, đồ thị lắng gián đoạn, quan tâm tới q trình lắng vùng nén ép Khi vận tốc lắng vùng nén ép phụ thuộc vào hàm lượng pha rắn Vùng lắng tự đường thẳng có vận tốc lắng khơng đổi, khơng phụ thuộc vào hàm lượng pha rắn Hình xác định k = 1,792 n=-21,0 Độ tương thích R2 > 0,99 3.2 Xác định thông số đặc trưng hàm mật độ thông lượng pha rắn fbk Bằng việc phân tích từ đường cong lắng gián đoạn, lấy điểm đường cong Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 lắng gián đoạn vùng lắng nén ép, kẻ tiếp tuyến với đường cong, cắt trục hồn thời điểm T Khi hàm mật độ thơng lượng fbk xác định theo công thức: L (5) fbk _ b i =- b T Trong đó: L chiều cao ban đầu trình thực nghiệm lắng gián đoạn b hàm lượng pha rắn ban đầu Để xác định thông số đặc trưng hàm thông lượng pha rắn, ta biến đổi dạng: Journal of Science and Technology 83 ISSN 2354-0575 fbk _ b i b c b = u3 a1 - b max k (6) Khi Hình mơ tả mối quan hệ tỷ số fbk _ b i b a1 - b k Từ hồi quy thực nghiệm b max ta xác định hai thông số đặc trưng hàm số u∞ c Hình Xác định hai thông số đặc trưng u∞ c hàm mật độ thông lượng pha rắn fbk Trên sở Hình 5, hai thơng số đặc trưng hàm mật độ thông lượng pha rắn xác định với u∞ = × 10-5 c = 4,37 với độ tương thích R2 > 0,98 3.3 Xác định thông số đặc trưng hàm ứng suất nén ép hiệu dụng Trong vùng lắng nén ép, phần tử rắn có vận tốc lắng nhỏ nên bỏ qua Khi ứng suất nén ép pha rắn xác định đơn giản cơng thức sau: dv e (7) dz =- gTtb Trong đó: g gia tốc trọng trường ∆ρ độ chênh khối lượng riêng pha rắn pha lỏng b hàm lượng pha rắn Tiến hành tích phân phương trình ta xác định σe, qua vẽ đồ thị miêu tả mối quan hệ ứng suất nén ép hiệu dụng hàm lượng pha rắn mẫu bùn thải nhà máy tuyển than I biểu diễn Hình Dựa vào phương trình hồi quy xác định hai thơng số đặc trưng hàm ứng suất nén ép hiệu dụng với α = 2,048 β = 14,69 có độ tương thích R2 = 0,85 Hình Xác định hai thơng số đặc trưng α β hàm ứng suất nén ép hiệu dụng 84 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết luận Trên sở tiến hành thực nghiệm đường cong lắng gián đoạn, xác định thông số đặc trưng phương trình trình lắng bùn than thiết bị lắng công nghiệp tuyển than I Cơng ty tuyển than Cửa Ơng Các kết mơ tả phương trình hàm vận tốc vùng lắng nén ép Vesilind vs = 1,792exp(-21,0b), hàm mật độ thông 4, 37 lượng pha rắn fbk _ b i = # 10 -5 b a1 - b k 0, 35 hàm ứng suất nén ép hiệu dụng pha rắn v e _ b i = 2, 048 exp _14, 69b i Bằng việc tường minh phương trình giúp việc tính tốn thiết kế bể lắng xác mơ hình hóa q trình làm việc bể lắng với điều kiện làm việc ổn định khác Tài liệu tham khảo [1] Mishler, R.T., Settling Slimes at the Tigre Mill, Eng Mining J, p 643 – 646, 94(14), 1912 [2] Coe, H.S and Clevenger, G.H., Methods for Determining the Capacity of Settling Tanks, Trans AIME, p 356 – 385, 55, 1916 [3] Kynch, G.J, Theory of Sedimentation, Trans Faraday Soc, p 166-175, 48, 1952 [4] Talmage, W.P and Fitch, E.B, 1955, Determining Thickener Unit Areas, Ind Eng Chem, p 3841, 47, 1955 [5] P Garrido, R Burgos, F Concha, and R Burger, 2003, Software for the Design and Simulation of Gravity Thickener, Minerals Engineering, p 85-92, 16, 2003 [6] Marcos von sperling and Carla Maria Vasconcellos Froes, Determination of the Required Surface Area for Activated Sludge Final Clarifiers based on A Unified Database, Wat Res, p 18841894, 33, 1999 DETERMINATION OF SETTLING PARAMETERS OF WASTE SLURRIES FOR MODELING AND DESIGN OF CONTINOUS THICKENERS: APPLICATION TO WASTE WATER TREATMENT IN COAL REFINERY PROCESS Abstract: Primary and secondary thickening are popular and important in many waste-water treatment processes especially in mining and metallurgical engineering Due to the environmental concern and requirements of high purity separation, accuracy in calculations and designs of thickeners are highly paid attention In this paper, determinations of parameters characterized by the gravitational sedimentation of solid-liquid slurries such as solid flux density function, Vesilind hindered settling velocity and solid effective stress are studied and presented on the basis of batch sedimentation experiments These parameters make it possible for accurate modeling and calculation of sedimentation process Keywords: Thickener, design method, modeling, waste-water treatment, coal refinery Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 85 ... phải xác định tường minh phương trình trình lắng sở thực nghiệm lắng gián đoạn Trong báo này, mẫu bùn thải công nghệ tuyển than I Cơng ty tuyển than Cửa Ơng xem xét Kết thảo luận Bảng Các thông số. .. 2354-0575 Kết luận Trên sở tiến hành thực nghiệm đường cong lắng gián đoạn, xác định thông số đặc trưng phương trình trình lắng bùn than thiết bị lắng cơng nghiệp tuyển than I Công ty tuyển than Cửa... sở Hình 5, hai thông số đặc trưng hàm mật độ thông lượng pha rắn xác định với u∞ = × 10-5 c = 4,37 với độ tương thích R2 > 0,98 3.3 Xác định thông số đặc trưng hàm ứng suất nén ép hiệu dụng Trong