CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC MẶT
3.5.1. Bể trộn cơ khí
Chọn thời gian lưu nước trong bể trộn t = 60s, ta tính được thể tích bể trộn là: m3
Chọn bể trộn có tiết diện ngang là hình vuông. Tỷ lệ chiều cao : chiều rộng : chiều dài = H : B : B
H = 2,2 m B = 1,5 m Tính lại thể tích bể trộn:
Vbể trộn = H x B x B = 2,2 x 1,5 x 1,5 = 4,95 m3 Chiều cao bảo vệ: hbv = 0,3m Chiều cao thực của bể: H = 2,5 m
Ống dẫn nước vào đặt ở phía trên của thành bể trộn, ống dẫn phèn đặt ngay cửa ống dẫn vào bể, trước miệng dẫn nước. Nước đi từ dưới lên trên, qua ống dẫn nước ra sau khi hòa trộn sẽ thu nước ở bề mặt bể để qua bể lắng ngang.
Dùng máy khuấy tuabin làm bằng thép không gỉ 4 cánh nghiêng 450 hướng xuống dưới để đưa nước từ phía trên xuống.
Đường kính máy khuấy chiều rộng bể.
Chọn đường kính D = chiều rộng bể = x 1,5 = 0,75 m = 750mm
Chiều rộng bản cánh khuấy = đường kính máy khuấy = x 750 = 150 mm Chiều dài bản cánh khuấy = đường kính máy khuấy = x 750 = 187,5 mm Chiều cao bản cánh khuấy = 3 cm = 30 mm
Trong bể đặt 4 tấm chắn xung quanh 4 mặt trong của bể để ngăn chuyển động xoáy của nước trong bể.
Chiều rộng tấm chắn = đường kính bể trộn: × 1,5 = 0,15m = 150mm. [1] Máy khuấy đặt cách đáy một khoảng h = đường kính máy khuấy D = 750 mm Năng lượng cần thiết truyền cho khuấy trộn:
Trong đó:
P : năng lượng cần thiết cho khuấy trộn (W ) (1kW= 1 J/s) G: gradient vận tốc ( s-1 )
Bảng 3.2: Sự thay đổi gradient vận tốc theo thời gian T (giây) G (s-1)
20 1000
30 900
40 790
>50 700
Thời gian keo tụ là 40s Chọn G = 790 s-1 : Độ nhớt động lực của nước (N.s/m2). Chọn ( 200C ) = 0,001 N.s/m2 V: Thể tích bể trộn ( m3 )
Ta có: P = 7902 × 0,001 × 4,95= 3089,3 J/s Hiệu suất máy khuấy: η = 80%
Vậy công suất thực tế của máy khuấy:
= 3861,63 J/s = 3,9 kW Ta có:
Trong đó: P: Năng lượng cần thiết (W)
: Khối lượng riêng chất lỏng (kG/m3) D: Đường kính cánh khuấy (m)
n: Số vòng quay trong 1 giây (vòng/s)
K: hệ số xuất hiện của nước, phụ thuộc vào kiểu cánh khuấy, lấy theo số liệu của Rushton.
Tuabin 4 cánh nghiêng 450 K = 1,08 Số vòng quay trong 1 giây:
n = = 2,22 vòng/s Kiểm tra số Reynold:
Như vậy đường kính máy khuấy và số vòng quay đạt chế độ chảy rối.
Bảng 3.3: Thông số tính toán bể trộn cơ khí
STT Tên thông số Số liệu thiết kế Đơn vị
1 Chiều rộng 1,5 m
2 Chiều dài 1,5 m
3 Chiều cao 2,5 m
4 Thể tích 4,61 m3
Bể được xây dựng bằng bê tông cốt thép, với thành dày a = 200mm
3.5.2. Bể phản ứng - tạo bông:
Chọn tính toán và thiết kế bể tạo bông cơ khí.
Trong đó:
t: Thời gian lưu nước lại trong bể. Lấy t = 20 phút ([5], quy phạm 10 30 phút)
Xây dựng 2 ngăn phản ứng. Mỗi ngăn chia 3 buồng, kích thước chiều rộng và cao của một buồng là: B x H = 4 x 4m
Tiết diện ngang của một ngăn: F = B x H = 4 x 4 = 16m Chiều dài bể:
Chọn chiều dài bể L = 16,2m Chiều dài mỗi buồng:
Các buồng được ngăn cách với nhau bằng các vách ngăn hướng dòng theo phương thẳng đứng.
Dung tích mỗi buồng: 4 x 4 x 5,4 = 86,4m3
Cấu tạo guồng khuấy gồm trục quay và 4 bản cánh khuấy đặt đối xứng qua trục, toàn bộ đặt theo phương thẳng đứng.
Tổng diện tích bản cánh khuấy lấy bằng 15% diện tích mặt cắt ngang bể ([5], quy phạm 15 20%)
Diện tích một bản cánh là: Chiều dài cánh lấy là 3,5 m. Chiều rộng bản cánh:
Tính toán đường ống dẫn nước vào bể lắng:
Chọn đường kính ống dẫn nước D = 0,7m Kiểm tra vận tốc nước:
Trong đó:
Q: lưu lượng nước. Q = 415 m3/h = 0,1152 m3/s D: đường kính ống dẫn nước từ bể trộn
v: vận tốc nước, v = 0,15 – 0,3 m/s [1]. Chọn v = 0,3 m/s
Bảng 3.4: Thông số tính toán bể phản ứng - tạo bông STT Tên thông số Số liệu thiết kế Đơn vị
1 Số ngăn phản ứng 2 ngăn
2 Số buồng phản ứng 6 buồng
3 Chiều rộng mỗi buồng 4 m
4 Chiều dài mỗi buồng 5,4 m
5 Chiều cao mỗi buồng 4 m
6 Dung tích toàn bể 498 m3
Bể được xây dựng bằng bê tông cốt thép, với thành dày a = 200mm
3.5.3. Bể lắng ngang:
Ta sử dụng loại bể lắng ngang thu nước bề mặt với hệ thống xả cặn bằng thủy lực.
Vận tốc trung bình của dòng nước trong bể Vtb = 9 (mm/s) [3] Kích thước vùng lắng:
Trong đó:
Q: lưu lượng nước đi vào bể lắng (m3/h)
: hệ số sử dụng thể tích của bể lắng lấy bằng 1,3 Uo: tốc độ rơi của cặn trong bể lắng (mm/s)
Uo được xác định theo tài liệu thí nghiệm hay theo kinh nghiệm quản lý các công trình đã có trong điều kiện tương tự lấy vào mùa không thuận lợi nhất trong năm với yêu cầu hàm lượng cặn của nước đã lắng không lớn hơn 10mg/l. Để tính toán sơ bộ có thể lấy vận tốc theo bảng 6.9 [3]. Với nước đục vừa xử lý bằng phèn lấy Uo = 0,45 (quy phạm 0,45 – 0,5)
Chọn chiều cao vùng lắng Htb = 3m
Số bể lắng: N = 1 bể. Xây dựng thêm 1 bể dự phòng. Chiều rộng bể lắng: (đối với 1 bể)
Chọn B = 4,5 m
Chiều dài bể lắng: (đối với 1 bể)
Kiểm tra ảnh hưởng của dòng chảy rối
Trong đó:
Q: Lưu lượng ngăn bể lắng Q = m3/h = 0,12 m3/s B: Chiều rộng bể, B = 4,5 m
H : Chiều cao bể, H = 3 m
�: Độ nhớt động học của nước.
Nhiệt độ của nước nguồn 20oC suy ra � = 1,003 x 10-6 (m2/s) Vậy nước ở chế độ chảy tầng lắng tốt
Tính toán vùng chứa nén cặn
(m3) Trong đó:
T: thời gian làm việc giữa hai lần xả cặn. Chọn T = 12h Cmax: hàm lượng cặn trong nước đưa vào bể lắng
C: hàm lượng cặn còn lại trong nước sau khi lắng. Chọn C = 12 mg/l (quy phạm 10 – 12 mg/l) �: Nồng độ trung bình của cặn đã nén chặt, � = 16000 g/m3 = 16000 mg/l. [3] N : số bể lắng, N = 1 Tính Cmax: = KP + 0,25M + V (mg/l) Trong đó:
: hàm lượng cặn trong nước nguồn. = 86 mg/l
P: liều lượng phèn tính toán theo sản phẩm không ngậm nước (g/m3). P = 37,1 mg/l = 37,1 g/m3
K: phụ thuộc vào độ tinh kiết của phèn sử dụng. Vì tính cho phèn sạch K= 0,5
M: độ màu của nước nguồn, M=86 mg/l = 86 + 137,1 + 0,2586 + 0 = 126,05 ( mg/l) Suy ra: 35,5 m3
Diện tích bề mặt của bể lắng: b = 333,02
Chiều cao trung bình của vùng chứa nén cặn: Hc
Chiều cao trung bình của bể lắng: Hb = H + Hc = 3 + 0,11 = 3,11m. Chọn Hb = 3,2m
Chiều cao bảo vệ: Hbv = 0,3m Hxd = Hb + Hbv = 3,2 + 0,3 = 3,5 m Vậy thể tích thực của bể lắng:
Hệ thống xả cặn làm bằng ống đục lỗ và đặt dọc theo trục mỗi bể, thời gian xả cặn quy định t = 8 – 10 phút, lấy t = 10p. Tốc độ nước chảy ở cuối máng không nhỏ hơn 1m/s.
Lưu lượng cặn ở một bể:
m3/s Đường kính ống xả cặn của bể:
Với : tốc độ nước chảy trong ống
Chọn đường kính ống xả cặn D = 250mm Tính toán vách ngăn phân phối:
Để phân phối đều trên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang của bể lắng cần đặt các vách ngăn có lỗ ở đầu bể, cách tường 1m (quy chuẩn 1 – 2m). Vận tốc nước qua lỗ vách ngăn v lấy bằng 0,5 m/s. Đoạn dưới của vách ngăn trong phạm vi chiều cao 0,3 – 0,5m kể từ mặt trên của vùng chứa nén cặn không cần phải khoan lỗ. (điều 6.77 [3]).
Diện tích công tác của vách ngăn phân phối: Fn = B x (H – a) = 4,5 x (3- 0,3) = 12,15 (m2) Trong đó:
B: chiều rộng mỗi ngăn của bể lắng (m). B = 4,5m H: chiều cao vùng lắng (m). H = 3m
a: khoảng cách từ hàng lỗ cuối cùng của vách ngăn phân phối đến mặt trên của vùng chứa nén cặn (m). Chọn a = 0,3m (điều 6.77 [3]).
Số lỗ phân phối trên vách ngăn:
Trong đó:
Ql: lưu lượng mỗi bể lắng. Ql = 0,12 m3/s
v: vận tốc nước qua lỗ vách ngăn. Chọn v = 0,5 m/s
Sl: diện tích lỗ phân phối. Các lỗ trên tấm phân phối được thiết kế hình vuông có diện tích như nhau. Cạnh của 1 lỗ d = 0,1m. (quy phạm d = 0,05 – 0,15m)
Sl = 0,1 x 0,1 = 0,01 (m2)
Với 24 lỗ phân phối trên vách ngăn chia thành 6 cột, 4 hàng. Khoảng cách giữa 2 hàng:
Khoảng cách giữa 2 cột:
Tính toán hệ thống máng thu nước cuối bể Thiết kế hệ thống máng thu
Cứ mỗi ngăn bố trí 2 máng thu. Vận tốc nước trong máng thu: vm = 0,6 m/s. (điều 6.84 [3], quy phạm vm = 0,6 – 0,8 m/s)
Chiều dài máng:
Bố trí 2 máng nên chiều dài mỗi máng là: L = Tiết diện của máng thu:
Chiều rộng máng: Chọn bm = 0,4m Chiều sâu máng:
Tốc độ nước chảy qua lỗ: vl = 1(m/s) Diện tích lỗ trên một máng thu:
Đường kính lỗ chọn dl = 40mm = 40 x 10-3 m ([3] dl 25mm) = (m2)
Số lỗ trên máng:
Mỗi bên bố trí n = 48 lỗ. Các lỗ thường nằm ngang hai bên máng, lỗ của máng phải đặt cao hơn đáy máng 50 – 80 mm.
Khoảng cách giữa các tâm lỗ: e =
Mép trên của máng, cao hơn mức nước cao nhất trong bể 0,1m Đường kính ống dẫn nước từ bể lắng sang bể lọc: Lưu lượng của bể Q = 0,12 m3/s
Vận tốc nước chảy trong ống: v= 1 m/s
Chọn đường kính ống dẫn nước vào bể D = 400mm.
Bảng 3.5: Thông số tính toán bể lắng ngang
STT Tên thông số Số liệu thiết kế Đơn vị
1 Số lượng bể 1 Bể
2 Chiều rộng B 4,5 m
3 Chiều dài L 78 m
4 Chiều cao xây dựng Hxd 3,5 m
Bể được xây dựng bằng bê tông cốt thép, với thành dày a = 200mm
3.5.4. Bể lọc nhanh:
Chọn bể lọc với 1 lớp vật liệu lọc là cát thạch anh và 1 lớp sỏi đỡ, tính toán với 2 chế độ làm việc là bình thường và tăng cường
Nguyên tắc làm việc của bể: gồm 2 quá trình:
- Quá trình lọc: Nước được dẫn từ bể lắng sang, qua mương phân phối vào bể lọc, qua lớp vật liệu lọc, lớp sỏi đỡ vào hệ thống thu nước trong và đưa vào bể chứa nước sạch - Quá trình rửa lọc: Nước rửa và khí được cấp vào bể lọc qua hệ thống phân phối nước và khí rửa lọc, qua lớp sỏi đỡ, lớp vật liệu lọc và kéo theo căn bẩn tràn vào máng thu nước rửa, thu vào máng tập trung, rồi được xả ra ngoài theo mương thoát nước. Quá trình rửa được tiến hành đến khi nước rửa hết đục thì ngừng rửa
Diện tích các bể lọc nhanh
(6.103 [3])
Trong đó:
Q: là công suất hữu ích của trạm (m3/ngày)
T: là thời gian làm việc của trạm 1 ngày đêm (h). T=24h Vtb: là tốc độ lọc tính toán ở chế độ làm việc bình thường
Tra bảng 6.11 [3], ta chọn lớp vật liệu lọc có dmax = 1,6 (mm); dmin = 0,7 (mm); dtươngđương = 0,75 – 0,8 (mm); hệ số không đồng nhất K = 1,3 – 1,5; chiều dày của lớp vật liệu lọc L = 1300 – 1500 mm thì Vtb = 6 m/h (quy phạm 6 – 8 m/h).
a: là số lần rửa mỗi một bể lọc trong một ngày đêm ở chế độ làm việc bình thường. Chọn a = 2.
t1: thời gian rửa (h). t1 = 6 phút = 0,1 (h) (bảng 6.13 [3]) t2: thời gian ngừng bể lọc để rửa t2 = 0,35 (h)
Số bể lọc cần thiết: N = 0,5 x = 0,5 x . Chọn 5 bể.
Kiểm tra tốc độ lọc khi làm việc tăng cường với điều kiện ngừng 1 bể để rửa (m/h). (Đạt yêu cầu quy phạm 7 – 9,5 m/h)
Diện tích mỗi bể: f = (m2)
Chọn kích thước mỗi bể lọc: f = L x B = 5,4 x 3 = 16,2 m2 Chiều cao của bể lọc nhanh:
H = hd + hv +hn+ hp+ hh= 0,7 + 1,4 + 2 + 0,5 + 0,7 = 5,3 m Trong đó:
hd: chiều cao của lớp sỏi đỡ (bảng 6.12 [3]). Chọn hd = 0,7m hv: chiều cao lớp vật liệu lọc (bảng 6.11 [3]). Chọn hv = 1,4 m hn: chiều cao lớp nước trên vật liệu lọc. hn = 2m
hp: chiều cao phụ. hp = 0,5m
hh : chiều cao hầm phân phối gió và nước rửa lọc. hh = 0,7 m (quy phạm hh 0,3 m)
Xác định hệ thống phân phối nước rửa lọc: Chọn biện pháp rửa lọc bằng gió, nước kết hợp.
Cường độ nước rửa lọc Wn = 16 l/s.m2 (quy phạm 16 – 18 l/s.m2), độ trương nở của lớp vật liệu lọc là 25%. Cường độ gió rửa lọc Wgió = 16 l/s.m2 (quy phạm 15 – 20 l/s.m2)
Lưu lượng nước rửa của một bể lọc: (m3/s)
Nước rửa lọc được dẫn vào mỗi bể bằng 2 ống dẫn chính. Vận tốc chảy trong ống chính cho phép chọn v = 2 m/s. ([3], quy phạm v = 1,5 – 2 m/s)
Đường kính ống dẫn nước rửa lọc chính:
Chọn ống chính bằng thép không rỉ, có đường kính D = 300mm Xác định hệ thống dẫn gió rửa lọc:
Lưu lượng gió tính toán là:
(m3/s)
Lấy tốc độ gió trong ống dẫn gió chính là 16 m/s (quy phạm 15 – 20 m/s) Đường kính ống dẫn gió chính
Chọn ống dẫn gió bằng thép không gỉ, có đường kính Dgió = 150 mm Tính toán máng phân phối và thu nước rửa lọc:
Bể có chiều dài là 5,4m. Chọn mỗi bể bố trí 3 máng thu nước rửa lọc có đáy hình tam giác. Khoảng cách giữa các tim máng là d = 5,4/3 = 1,8 m. ([3], quy phạm d không lớn hơn 2,2m) (theo điều 6.117 [3])
Lượng nước rửa thu vào mỗi máng là:
qm = Wn x d x l = 16 x 1,8 x 5,4 = 155,52 (l/s) = 0,1555 m3/s Trong đó:
Wn: cường độ rửa lọc. Wn = 16 l/s.m3 d: khoảng cách giữa các tim máng l: chiều dài của máng. l = 5,4 m
Chiều rộng của máng:
Chọn Bm = 550mm Trong đó:
a: tỉ số giữa chiều cao phần hình chữ nhật với nửa chiều rộng máng. a = 1,3 ([3], quy phạm a = 1 – 1,5)
k: hệ số đối với tiết diện máng hình tam giác. k = 2,1 Chiều cao phần hình chữ nhật:
Vậy chọn chiều cao máng thu nước là hcn = 0,25m; lấy chiều cao của đáy tam giác hd = 0,2m. Độ dốc của máng lấy về phía máng nước tập trung là i = 0,01; chiều dày thành máng là bm = 0,05m
Chiều cao toàn phần của máng thu nước rửa: Hm = hcn + hd + bm = 0,4 + 0,2 + 0,05 = 0,65 m
Khoảng cách từ bề mặt lớp vật liệu lọc đến mép trên máng thu nước xác định theo công thức:
(Theo 6.119 [3]) Trong đó:
H: chiều cao lớp vật liệu lọc (m). H = 1,4m
e: độ giãn nở tương đối ở lớp vật liệu lọc. (Theo bảng 6.13, điều 6.115). e = 25%
Theo quy phạm, khoảng cách giữa đáy dưới cùng của máng dẫn nước rửa phải nằm cao hơn lớp vật liệu lọc tối thiểu 0,07m. Chiều cao toàn phần của máng thu nước là: Hm = 0,5m. Vì máng dốc về phía máng tập trung i = 0,01, máng dài 3m.
Vậy lấy
Nước rửa lọc từ máng thu tràn vào mương tập trung nước, nên khoảng cách từ máng thu đến đáy mương tập trung tính theo công thức:
[3] Trong đó:
qm: lưu lượng nước chảy vào máng tập trung nước. qm = 0,048 x 3 = 0,144 m3/s
: chiều rộng của máng tập trung. = 0,8m. ([3], chiều rộng máng tập trung không nhỏ hơn 0,6m)
g: gia tốc trọng trường. g = 9,81 m/s2
Tính toán ống thu nước lọc:
Nước sau khi lọc được đưa về bể chứa dự trữ. Vận tốc nước của ống thu nước sạch chung là 1,2 (m/s)
Đường kính ống dẫn nước đã lọc tập trung sang bể chứa:
Chọn D = 250mm Trong đó:
Q: lưu lượng nước (m3/s)
v: vận tốc nước chảy trong ống dẫn nước vào bể lọc (m/s) (quy phạm 0,8 – 1,2m/s) Đường kính ống xả nước lọc:
Nước rửa lọc được xả qua 2 ống. Đường kính mỗi ống:
Trong đó:
v: vận tốc nước chảy trong ống thoát nước rửa (m/s) (quy phạm 1,5 – 2m/s) Chọn đường kính ống là Dc = 300mm bằng thép không rỉ.