CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC MẶT
a) Nhiệm vụ
3.3.6 Bể lọc nhanh 2 lớp (BỂ LỌC NHANH/ [8])
a) Nhiệm vụ
Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi trùng có trong nước cịn sót lại sau q trình lắng.
b) Tính tốn kích thước bể
Diện tích các bể lọc nhanh hai lớp được tính theo cơng thức sau: (Cơng thức 6-20/[8]) 𝐹5 = 𝑄 𝑇 × 𝑣𝑡𝑏 − 3,6 × 𝑎 × 𝑊 × 𝑡1− 𝑎 × 𝑡2× 𝑣𝑡𝑏 = 5.000 24 × 8 − 3,6 × 16 × 0,1 − 2 × 0,35 × 8= 27,7 𝑚 2 Trong đó:
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 56
+ T: Thời gian làm việc của trạm xử lý, T = 24h;
+ v5tb : Tốc độ lọc tính tốn ở chế độ làm việc bình thường. (Bảng 6.11/[8]). Chọn v5tb = 8 (m/h);
+ a: Số lần rửa một bể trong một ngày đêm ở chế độ bình thường, chọn a =2 (6.102/[8]);
+ W: Cường độ rửa lọc (6.115 và 6.124/[8]), W = 16 l/sm2; + t1: Thời gian rửa bể lọc (6.115 và 6.124/[8]), t1 =6 phút = 0,1h;
+ t2: Thời gian ngừng bể lọc để sữa chửa hoặc để rửa (6.102/[8]) , 𝑡2 = 0,35h. Số bể lọc cần thiết:
𝑁 = 0,5 × √27,7 = 2,63 Chọn N = 3 bể.
Kiểm tra tốc độ lọc khi làm việc tăng cường với điều kiện ngừng một bể để rửa lọc:
𝑣𝑡𝑐 = 𝑣𝑡𝑏× 𝑁
𝑁 − 𝑁1 = 8 × 3
3 − 1= 12 𝑚/ℎ Vận tốc tăng cường đạt yêu cầu từ 10 – 12 m/h.
Trong đó:
+ 𝑁1 : số bể ngừng khi tiến hành rửa lọc. + 𝑣𝑡𝑐: vận tốc lọc tăng cường (m/h) Diện tích mỗi bể: 𝑓5 =𝐹5 𝑁 = 27,7 3 = 9,2 𝑚 2 => Chọn kích thước mỗi bể lọc: 𝐿5 × 𝐵5 = 3,05 × 3,05
Vậy diện tích mỗi bể lọc thực tế sẽ lả 𝑓5𝑡𝑡 = 𝐿5 × 𝐵5 = 3,05 × 3,05 = 9,3 𝑚2 Chiều cao mỗi bể lọc: 𝐻5 = ℎđ+ ℎ𝑣+ ℎ𝑛+ ℎ𝑝
𝐻5 = 0,8039 + 0,5 + 0,8 + 2 + 0,5 = 4,6039 𝑚. 𝐻5 = 0,8039 + 0,5 + 0,8 + 2 + 0,5 = 4,6039 𝑚.
=> Chọn 𝐻5 = 4,6 𝑚 Trong đó:
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 57
+ ℎđ: Chiều cao lớp đỡ lớp vật liệu lọc. Chọn chiều cao lớp cỡ hạt 40 – 20 mm là 403,9mm (ống phân phối nước rửa có đường kính 323,9mm đặt cách đáy 80mm), chiều cao lớp cỡ hạt 20 – 10 mm là 100mm, do sử dụng hệ thống rửa bằng nước và khơng khí phối hợp nên 2 lớp vật liệu đỡ cỡ hạt 10 – 5mm và 5 – 2mm lấy bằng 150mm mỗi lớp. hđ = 0,4039 + 0,1 + 0,15 + 0,15 = 0,8039 m (6.10/[8]);
+ ℎ𝑣: Chiều cao lớp vật liệu lọc gồm 2 lớp. Lớp phía trên là lớp vật liệu lọc than antraxit nghiền nhỏ có cỡ hạt dtđ = 0,8 ÷ 1,8 mm, chiều dày lớp than h𝑣 = 0,5𝑚 (400 ÷ 500mm). Lớp phía dưới là lớp vật liệu lọc cát thạch anh có dtđ = 0,5 1,2mm, chiều dày lớp cát h𝑣 = 0,8 𝑚 (700 ÷ 800mm);
+ h𝑛: Chiều cao lớp nước trên lớp vật liệu lọc, h𝑛 = 2m; + h𝑝: chiều cao phụ, hp = 0,5 m.
c) Tính tốn hệ thống phân phối nước rửa lọc
Lưu lượng nước rửa lọc của 1 bể lọc - dùng hệ thống phân ống phân phối trở lực lớn: 𝑄𝑟 = 𝑓5𝑡𝑡×𝑊 1.000×N=9,3×16 1.000 = 0,1488 = 0,15𝑚3 s = 150 𝑙/𝑠 = 0,15 m3/s Trong đó: + 𝑓5𝑡𝑡: Diện tích bể lọc (𝑚2); + W: Cường độ rửa lọc, W = 16 l/sm2 Ta có: 𝐷5 = √𝑄𝑟× 4 𝜋 × 𝑣𝑐 = √ 0,15 × 4 𝜋 × 2 = 0,309 𝑚 = 309 𝑚𝑚 Chọn 𝑣𝑐 = 2 𝑚/𝑠 => Chọn thép ống đúc DN300 có đường kính ngồi 323,9mm làm ống chính dẫn nước rửa lọc. Kiểm tra vận tốc: 𝑣𝑐 = 𝑄𝑟 × 4 𝜋 × 𝐷2 = 0,15 × 4
3,14 × 0,32392 = 1,821 𝑚/𝑠 (thoả điều kiện 𝑣𝑐 < 2m/s) Lấy khoảng cách giữa các ống nhánh là 0,28m (quy phạm cho phép 0,25
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 58
m = 𝐵
0,35× 2 = 3,05
0,35× 2 = 18 ố𝑛𝑔 𝑛ℎá𝑛ℎ Lưu lượng nước rửa lọc chảy trong mỗi ống nhánh là;
𝑞𝑛 =0,15 18 = 8,33 𝑙/𝑠 Ta có: 𝐷𝑛 = √𝑞𝑛× 4 𝜋 × 𝑣𝑛 = √ 0,0083 × 4 𝜋 × 2 = 0,073 𝑚 = 73 𝑚𝑚 Chọn 𝑣𝑛 = 2𝑚/𝑠.
=> Chọn ống thép DN65 có đường kính ngồi 73mm làm ống nhánh rửa lọc. Kiểm tra vận tốc:
𝑣𝑐 = 𝑞𝑛× 4 𝜋 × 𝐷𝑛2 =
0,0083 × 4
3,14 × 0,0732 = 1,98 𝑚/𝑠 (thoả điều kiện 1,8 < 𝑣𝑐 < 2m/s) Tổng diện tích lỗ lấy bằng 0,3% diện tích tiết diện ngang của bể
(6.111/[8]), tổng diện tích lỗ có kích thước là: ω = 0,003 × 9,3 = 0,0279 𝑚2
Chọn lỗ có đường kính 12 mm, diện tích của một lỗ sẽ là: ω𝑙ỗ = 3,14 × 0,012 2 4 = 0,000113 𝑚 2 Tổng số lỗ sẽ là: 𝑛0 = 0,0279 0,00013= 214,61 𝑙ỗ => Chọn số lỗ là 214 lỗ. Số lỗ trên mỗi ống nhánh sẽ là: 214 18 = 12 lỗ
+ Trên mỗi ống nhánh, các lỗ xếp thành 2 hàng so le nhau, hướng xuống phía dưới và nghiêng một góc 450 so với mặt phẳng ngang.
+ Số lỗ trên mỗi hàng của ống nhánh : 10/2 = 5 lỗ. Khoảng cách giữa các lỗ là:
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 59
a =3,05 − 0,3239 − 0,1
2 × 6 = 0,22 𝑚 Trong đó:
+ 3,05: Chiều dài bể (m);
+ 0,3239: đường kính ngồi của ống chính (m). + 0,1: khoảng cách ống nhánh cách thành bể (m).
Ta có cơng thức tính thời gian cơng tác của bể giữ 2 lần rửa:
𝑇0 =𝑇
𝑛− (𝑡1+ 𝑡2+ 𝑡3) = 24
2 − (0,1 + 0,17 + 0,35) = 11,38 (𝑔𝑖ờ) Trong đó:
+ T: thời gian cơng tác của bể lọc trong 1 ngày (giờ) + n: số lần rửa bể lọc trong 1 ngày
+ t1, t2, t3: thời gian rửa, xả nước lọc đầu và thời gian chết của bể (giờ)
Tỉ lệ lượng nước rửa so với lượng nước vào bể lọc tính theo cơng thức: 𝑃 =𝑊 × 𝑓 × 𝑡1× 60 × 𝑁 × 100
𝑄 × 𝑇0× 1000 =
16 × 9,3 × 0,1 × 60 × 3 × 100
208,33 × 11,38 × 1000 = 9,31% Trong đó:
+ W: Cường độ nước rửa lọc (L/s.m2); W = 16 L/s.m2) + f: diện tích 1 bể lọc (m2), f = 9,3 m2
+ N: số bể lọc; N = 3 bể
+ Q: công suất trạm xử lý (m3/h); 208,33 m3/h + T0: thời gian công tác của bể giữa 2 lần rửa (giờ)
d) Tính hệ thống dẫn gió rửa lọc
Chọn cường độ gió rửa lọc là: Wgió = 15 𝑙
𝑠. 𝑚2 (quy phạm 14÷16 m/s) (Bảng 6.13/[8]), thì lưu lượng gió được tính :
Q gió = 𝑊𝑔𝑖ó × f 1000 = 15 × 9,3 1000 = 0,14 𝑚 3/s. Đường kính ống gió chính:
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 60
𝐷𝑔𝑖ó = √ 4 × 𝑄𝑔𝑖ó
3,14 × 𝑣𝑔𝑖ó = √
4 × 0,14
3,14 × 15= 0,109 𝑚
=> Chọn ống thép DN100 có đường kính ngồi 114,3mm làm ống dẫn gió chính. Trong đó:
+ 𝑄𝑔𝑖ó: Lưu lượng gió (𝑚3/s);
+ 𝑣𝑔𝑖ó: Vận tốc gió = 15 m/s ( Quy phạm 15-20 m/s ) (6.122/[8])
Đường kính ống dẫn gió chính là 114,3 mm, diện tích mặt cắt ngang của ống gió chính là: Ω gió = 𝜋 × 𝑑 2 4 = 3,14 × 0,11432 4 = 0,01 𝑚 2 => Số ống gió nhánh cũng lấy bằng 18. Lượng gió trên một ống nhánh:
𝑄 𝑔𝑖ó 18 = 0,14 18 = 0,0078 𝑚 3/s Đường kính ống gió nhánh: d gió = √4 × 0,0078 3,14 × 15 = 0,026m = 26 mm
=> Chọn thép ống đúc DN20 có đường kính trong 26,7 mm làm ống gió nhánh. Tổng diện tích các lỗ lấy bằng 40% diện tích tiết diện ngang ống gió
chính (quy phạm 35 ÷ 40%) (6.122/[8]) sẽ là: ω gió = 0,4 × 0,01 = 0,004𝑚2
Chọn đường kính lỗ gió là 5mm (Quy phạm 2 ÷ 5mm) (6.122/[8]), diện tích mỗi 1 lỗ gió là: f lỗ gió = 3,14 × 0,005 2 4 = 0,0000196 Tổng số lỗ gió sẽ là: m = 0,004 0,0000196 = 204,08 𝑙ỗ => Chọn số lỗ là 204 lỗ.
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 61
Số lỗ trên mỗi ống nhánh: 204
18 = 11,33 lỗ => Chọn số lỗ là 12 lỗ.
Trên mỗi ống nhánh, các lỗ xếp thành 2 hàng so le nhau, hướng xuống phía dưới và nghiêng một góc 450 so với mặt phẳng ngang.
Số lỗ trên mỗi hàng của ống nhánh : 12/2 = 6 lỗ. Khoảng cách giữa các lỗ là:
a =3,05 − 0,1143 − 0,1
2 × 6 = 0,24 𝑚 Trong đó:
+ 3,05: Chiều dài bể (m);
+ 0,1143: Đường kính ngồi của ống gió chính (m); + 0,1: Khoảng cách ống nhánh cách thành bể (m).
Chọn đường ống xả kiệt là 150mm (6.121/[8]).
Đường kính ống dẫn nước đã lọc sang bể chứa nước sạch: D = √ 4 × Q
𝜋 × 𝑣 × 𝑁= √
4 × 0,058
3,14 × 1 = 0,272 m = 272 mm
=> Sử dụng ống thép DN250 có đường kính ngồi 273,1 làm ống dẫn nước đã lọc về bể chứa nước sạch.
e) Tính tốn máng phân phối nước lọc và thu nước rửa lọc
Bể có chiều rộng là 3,05 m, chọn mỗi bể bố trí 2 máng thu nước rửa lọc có đáy hình tam giác, khoảng cách giữa các máng sẽ là d = 3,05/2 = 1,525 m (quy phạm không được lớn hơn 2,2m).
Lượng nước rửa thu vào mỗi máng xác định theo công thức: 𝑞𝑚 = 𝑊 × 𝑑 × 𝑙
Trong đó:
+ W: Cường độ rửa lọc; W = 16 (l/s.m2)
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 62
+ l: Chiều dài của máng; l = 3,05m
𝑞𝑚 = 16 × 1,525 × 3,05 = 74,42 l/s = 0,074 𝑚3/s Chiều rộng máng tính theo cơng thức: (6.117/[8])
Bm = K × √ 𝑞𝑚 2 (1,57 + 𝑎)3 5 = 2,1 × √ 0,074 2 (1,57 + 1,2)3 5 = 0,402(𝑚) = 0,4 𝑚 Trong đó:
+ K : Hệ số phụ thuộc vào hình dáng của máng, có tiết diện máng hình tam giác, K 2,1.
+ qm: Lưu lượng nước vào máng, qm 0,074 (m3/s).
+ a: Tỉ số giữa chiều cao phần chữ nhật của máng với một nửa chiều rộng máng, chọn a 1,2 ( quy phạm a = 1 ÷ 1,5) Ta có: a = ℎ𝐶𝑁 𝐵𝑚⁄2=> ℎ𝐶𝑁 = 𝐵𝑚× 𝑎 2 = 0,45 × 1,2 2 = 0,27 (𝑚)
Vậy chiều cao phần máng hình chữ nhật là: hCN = 0,27 (m). Lấy chiều cao phần đáy tam giác là: hđ = 0,2m. Độ dốc đáy máng lấy về phía máng tập trung nước là i = 0,01. Chiều dày thành máng lấy là: 𝛿𝑚 = 0,05𝑚.
Chiều cao toàn phần của máng thu nước rửa là:
𝐻𝑚 = ℎ𝐶𝑁 + ℎđ + 𝛿𝑚 = 0,24 + 0,2 + 0,05 = 0,49 𝑚
Khoảng cách từ bề mặt lớp vật liệu lọc đến mép trên máng thu nước xác định theo cơng thức sau:
∆𝐻𝑚 =𝐿 × 𝑒
100 + 0,25 =
1,3 × 50
100 + 0,25 = 0,9 (𝑚) Trong đó:
+ L: Chiều dày lớp vật liệu lọc, L = 1 (m)
+ e: Độ giãn nở tương đối của lớp vật liệu lọc, e = 50%
Theo quy phạm, khoảng cách giữa đáy dưới cùng của máng dẫn nước rửa phải nằm cao hơn lớp vật liệu lọc tối thiểu là 0,07 (m).
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 63
Chiều cao toàn phần của máng thu nước rửa là Hm = 0,52m, vì máng dốc về phía máng tập trung i = 0,01; máng dài 4m nên chiều cao máng ở phía máng tập trung là: 0,52+ 0,04 = 0,56 m
Vậy ∆𝐻𝑚 sẽ phải lấy bằng:
∆𝐻𝑚 = 0,56 + 0,07 = 0,63 𝑚
Ta có Nước rửa lọc từ máng thu tràn vào máng tập trung nước.
Khoảng cách từ đáy máng thu đến đáy máng tập trung xác định theo cơng thức: ℎ𝑚 = 1,73 × √ 𝑞𝑚 2 𝑔 × 𝐴2 3 + 0,2 (𝑚) (𝐶𝑇 6 − 26/6.118/[1]) ℎ𝑀 = 1,73 × √ 0,1 2 9,81 × 0,752 3 + 0,2 = 0,373𝑚 => Chọn hm = 0,37 m = 370 mm. Trong đó:
+ qm : Lưu lượng nước chảy vào mương tập trung nước (m3/s); qm = 0,1m3/s + A : Chiều rộng của máng tập trung. Chọn A = 0,75 m (không được nhỏ hơn 0,6m)
+ g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 V
f) Tính tổn thất áp lực khi rửa bể lọc nhanh
Tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối bằng giàn ống khoan lỗ: ℎ𝑝 = 𝜉 𝑣0 2 2𝑔+ 𝑣𝑛2 2𝑔 (𝑚) Trong đó:
+ v0: tốc độ nước chảy ở đầu ống chính; vo = 2 m/s + vn: tốc độ nước chảy ở đầu ống nhánh; vn = 2 m/s + g: gia tốc trọng trường; g = 9,81 m/s2
+ 𝜉: hệ số sức cản;
𝜉 = 2,2
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 64 𝜉 = 2,2 0,352+ 1 = 18,96 ℎ𝑝 = 18,96 × 2 2 2 × 9,81× 22 2 × 9,81= 0,407 𝑚 Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ: ℎđ = 0,22 × 𝐿𝑠× 𝑊 = 0,22 × 0,8039 × 16 = 2,83 𝑚 Trong đó:
+ Ls: chiều dày lớp sỏi đỡ; Ls = 0,8039 m + W: cường độ rửa lọc; W = 16 l/s.m2
Tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc:
ℎ𝑣𝑙 = (𝑎 + 𝑏 × 𝑊) × 𝐿 × 𝑒 = (0,76 + 0,017 × 16) × 1 × 0,5 = 0,67(𝑚) (với kích thước hạt d = 0,5 ÷ 1 mm; a = 0,76; b = 0,017)
Áp lực để phá vỡ kết cấu ban đầu của lớp cát lọc lấy hbm = 2 m Vậy tổn thất áp lực trong nội bộ bể lọc sẽ là
ℎ𝑡 = ℎ𝑝 + ℎđ+ ℎ𝑣𝑙 + ℎ𝑏𝑚 = 0,432 + 3,52 + 0,52 + 2,0 = 6,472 (𝑚)
g) Tính máy bơm rửa lọc và bơm gió rửa lọc
Áp lực cơng tác cần thiết của máy bơm rửa lọc xác định theo công thức: 𝐻𝑟 = ℎℎℎ+ ℎố𝑛𝑔+ ℎ𝑝+ ℎđ + ℎ𝑣𝑙 + ℎ𝑏𝑚+ ℎ𝑐𝑏 (𝑚)(𝐶𝑇 4 − 58/142/[4])
Trong đó: + ℎ𝑡 = 9,57 m
+ hhh: là độ cao hình học từ cốt mực nước thấp nhất trong bể chứa đến mép máng thu nước rửa (m) ℎℎℎ = 4,6 + 0,5 − 2 + 0,9 = 4𝑚
+ 4,6 : chiều sâu mức nước trong bể chứa (m)
+ 0,5 : độ chênh mực nước giữa bể lọc và bể chứa (m) + 2 : chiều cao lớp nước trong bể lọc (m)
+ 0,9 : khoảng cách từ lớp vật liệu lọc đến mép máng (m)
+ hống: tổn thất áp lực trên đường ống dẫn nước từ trạm bơm nước rửa đến bể lọc (m).
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 65
Giả sử chiều dài đường ống dẫn nước rửa lọc là l = 100m. Đường kính ống dẫn nước rửa lọc là 329,3 mm, Qr = 149 l/s. Tra bảng được 1000i = 19 (50 l/s) (Bảng 2/49/ [4]).
ℎố𝑛𝑔 = 0,019 × 20 = 1,9 𝑚
Giả sử trên đường ống dẫn nước rửa lọc có các thiết bị phụ tùng như sau: 2 co 900, 1 van khóa, 2 ống ngắn. Vậy:
ℎ𝑐𝑏 = (2 × 0,98 + 0,26 + 2,1) × 2
2
2 × 9,81 = 0,88(𝑚) 𝐻𝑟 = 3,8 + 1,9 + 9,57 + 0,88 = 16,15 (𝑚) Công suất bơm:
Ta có cơng suất bơm nước rửa lọc được xác định theo cơng thức sau: 𝑁 =𝑄 × 𝐻 × 𝑔 × 𝜌
1000 × 𝜂 Trong đó:
+ Q : lưu lượng nước bơm, Q = 0,147 (m3/s) + H : là cột áp của bơm, H = 16,15 m
+ là khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ làm việc. = 998 (kg/m3) + g = 9,81(m/s2)
- là hiệu suất của bơm, chọn = 80% = 0.8.
𝑁 =0,147 × 16,15 × 9,81 × 998
1000 × 0,8 = 29,05 𝑘𝑊
Với Qr = 147 l/s; Hr = 12,734 m ta chọn bơm chìm Tsurumi 350B630 có cơng suất 30kW đặt tại bể chứa nước sạch để bơm rửa lọc cho bể lọc nhanh 2 lớp. Ngồi 1 máy bơm rửa lọc cơng tác, phải chọn 1 máy bơm dự phòng.
Với Qgió = 140 l/s, sẽ chọn được máy thổi khí Longtech LT-125S 25HP.
Bảng 3.6 Thơng số tính bể lọc nhanh 2 lớp
Thông số Số lượng Đơn vị Vật liệu
Bể lọc N 3 bể Bê tông cốt thép, dày 0,2 m Chiều rộng bể B 3,05 m Bê tông cốt thép
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 66
Chiều dài bể L 3,05 m Bê tông cốt thép Chiều cao bể HXD 3,7 m Bê tông cốt thép Ống dẫn nước rửa lọc 355,6 mm Thép ống đúc
Ống dẫn gió 114,3 mm Thép ống đúc