CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỂ LẮNG ĐỨNG
3.1. Tính toán bể lắng đứng
Diện tích tiết diện ngang của vùng lắng của bể lắng đứng được xác định theo công thức:
𝐹 = 𝛽. 𝑄
3,6. 𝑣𝑡𝑡. 𝑁(𝑚2) Trong đó:
Q là lưu lượng nước tính toán (m3/h)
vtt là tốc độ tính toán của dòng nước đi lên (mm/s)
Tốc độ này không được lấy lớn hơn tốc độ lắng Uo của cặn Tốc độ rơi của cặn:
Đặc điểm nước nguồn và phương pháp xử lí Tốc độ rơi của cặn uo (mm/s)
Xử lí nước có dùng phèn
Nước đục ít (hàm lượng cặn < 50 mg/l) 0,35 – 0,45 Nước đục vừa (hàm lượng cặn 50 – 250 mg/l) 0,45 – 0,5 Nước đục (hàm lượng cặn 250 – 2500 mg/l) 0,5 – 0,6
Xử lí nước không dùng phèn, nước đục 0,12 – 0,15 N: Số bể lắng đứng, không nhỏ hơn 2 bể
β: Hệ số kể đến việc sử dụng dung tích bể lấy trong giới hạn từ 1,3÷1,5. Giới hạn dưới lấy khi tỉ số giữa đường kính là chiều cao bể bằng 1(β = 1,3 khi D/H = 1); còn giới hạn trên lấy khi tỉ số này bằng 1,5 (β = 1,5 khi D/H = 1,5)
Đường kính của bể lắng xác định thoe công thức:
𝐷 = √(𝐹 + 𝑓). 4 𝜋 (𝑚) Trong đó:
f: Diện tích tiết diện ngang của bể phản ứng xoáy hình trụ (tức là ống trung tâm) xác định theo công thức đã trình bày trong mục (5.1)
25 Chiều cao của vùng lắng xác định phụ thuộc vào cao trình của dây chuyền công nghệ, có thể lấy H = 2,6÷5 m
Phần chứa ép cặn của bể lắng đứng pahir xây thành hình nón hay chóp với góc tạo thành giứa các tường nghiêng là 70÷80%. Phải dự kiến khi xả cặn bể không ngừng làm việc. Thời gian làm việc giữa 2 lần xả cặn không được nhỏ hơn 6 giờ đối với hàm lượng cặn đến 1000mg/l. Khi hàm lượng cặn lớn hơn 1000mg/l không được lấy quá 24 giờ.
Thời gian giữa 2 lần xả cặn xác định thoe công thức sau:
𝑇 = 𝑊𝑐. 𝑁. 𝛿
𝑄(𝐶𝑚𝑎𝑥 − 𝑐)(ℎ) Trong đó:
Wc : Dung tích phần chứa nén cặn của bể (m3) có thể tính theo công thức sau:
𝑊𝑐 =𝜋. ℎ𝑛
3 (𝐷2+ 𝑑2+ 𝐷. 𝑑
4 ) (𝑚3)
hc: Chiều cao phần hình nón chứa nén cặn (m), xác định theo công thức sau:
ℎ𝑛 = 𝐷 − 𝑑
2𝑡𝑔(90𝑜 − 𝛼)(𝑚)
α: Góc nghiêng của phần nón so với mặt phẳng ngang (α = 50÷55o)
D: Đường kính phần đáy hình nón hoặc chóp (m) lấy bằng đường kính ống xả cặn N: Nồng độ trung bình của cặn đã nén chặt
Hàm lượng cặn có trong nước nguồn (mg/l)
Nồng độ TB của cặn đã nén tính bằng (g/m3) sau khoảng thời gian
6h 8h 12h 24h
Khi xử lý có dùng phèn
Đến 50 6000 6500 7500 8000
Trên 50 đến 100 8000 8500 9300 10000
Trên 100 đến 400 24000 25000 27000 30000
Trên 400 đến 1000 27000 29000 31000 35000
26
Trên 1000 đến 2500 34000 36000 38000 41000
Khi xử lý không dùng phèn - - - 150.000
C: Hàm lượng cặn còn lại trong nước sau khi lắng bằng 10÷12 mg/l
Cmax: Hàm lượng cặn trong nước đưa vào bể lắng (kể cả cặn tự nhiên và lượng hóa chất cho vào nước). Xác định theo công thức:
Cmax = Cn + KP + 0,25M + v (mg/l) Trong đó:
Cn: Hàm lượng cặn nước nguồn (mg/l)
P: Liều lượng phèn tính theo sản phẩm không ngậm nước (g/m3) K: Hệ số phụ thuộcvào độ tinh khiết của phèn sử dụng
Đối với phèn nhôm sạch K = 0,55 Đối với phèn nhôm không sạch K = 1,0 Đối với phèn sắt clorua K = 0,8
M: Độ màu của nước nguồn (độ) thang màu platin – côban v: Liều lượng vôi kiềm hóa nước (nếu có) (mg/l)
Lượng nước dùng cho việc xả cặn xác định theo công thức:
𝑃 =𝐾𝑃. 𝑊𝑐. 𝑁
𝑄. 𝑇 . 100 (%)
Việc thu nước đã lắng ở bể lắng đứng được thực hiện bằng hệ thống máng vòng xung quanh bể thì diện tích một bể nhỏ hơn hoặc bằng 12m2. Khi diện tích bể lớn hơn thì làm thêm các ống haowjc máng có đục lỗ hình nan quạt tập trung mước vào máng chính. Diện tích một bể nằm trong khoảng từ (12÷30)m3 làm 4 nhánh, nếu diện tích bể lớn hơn 30m3 làm 6÷8 nhánh. Nước chảy trong ống hoặc máng với vận tốc v = 0,6÷0,7 m/s. Đường kính ống xả lấy bằng 150÷200 mm.
Ví dụ: Tính toán bể lắng đứng cho trạm xử lí có công suất 2400 m3/ngày đêm. Hàm lượng cặn trong nước nguồn 1000 mg/l, độ màu M = 50o.
Giải: Diện tích tiết diện ngang của vùng cần lắng tính theo công thức sau:
𝐹 = 𝛽. 𝑄
3,6. 𝑣𝑡𝑡. 𝑁(𝑚2)
27 Ta có:
𝐹 = 1,5. 100
3,6.0,55.2= 37,9(𝑚2) Diện tích ngăn phản ứng xoáy hình trụ tính theo công thức sau:
𝑓 = 𝑄. 𝑡
60. 𝐻. 𝑛= 100.18
60.4,5.2 = 3,4 (𝑚) Đường kính bể lắng xác định theo công thức
𝐷 = √(𝐹 + 𝑓). 4
𝜋 = √(37,9 + 3,4). 4
3,14 = 7,25 (𝑚) Vậy tỉ số: 𝐷
𝐻 =7,5
5 = 1,45< 1,5 đạt yêu cầu.
(H = 5m chọn trong phần tính bể phản ứng xoáy hình trụ)
Thời gian làm việc giữa 2 lần xả cặn có thể xác định theo công thức sau:
𝑇 = 𝑊𝑐. 𝑁. 𝛿
𝑄(𝐶𝑚𝑎𝑥 − 𝑐)(ℎ) Trong đó:
𝑊𝑐 =𝜋. ℎ𝑛
3 (𝐷2+ 𝑑2+ 𝐷. 𝑑
4 ) (𝑚3) Với:
ℎ𝑛 = 𝐷 − 𝑑
2𝑡𝑔(90𝑜 − 𝛼)(𝑚) Chọn α = 50o ; d = 200 mm
ℎ𝑛 = 7,25 − 0,2
2𝑡𝑔(90𝑜− 50𝑜)= 4,2 (𝑚) Vậy:
𝑊𝑐 =3,14.4,20
3 (7,252+ 0,22+ 7,25.0,2
4 ) = 59 (𝑚3) Ta có: Q = 100 m3/h ; N = 2 bể ; C chọn là 12 mg/l
Cmax: tính theo công thức (3-27) trong phần tính toán bể lắng ngang
28 Cmax = 1102,5 mg/l
δ: Chọn theo bảng (3-3) ; δ = 35000 g/m3 Như vậy
𝑇 = 59.2.35000
100(1102,5 − 12) = 38 (ℎ)
Lượng nước dùng cho việc xả cặn bể lắng tính bằng phần trăm lượng mước xử lú, xác định như sau:
𝑃 =𝐾𝑃. 𝑊𝑃. 𝑁
𝑄. 𝑇 . 100 (%) KP: Hệ số pha loãng cặn bằng 1,2÷1,15. Lấy KP = 1,15
𝑃 =1,15.59.2
100.38 = 3,57 (%)
Để thu nước đã lắng, dùng hệ thống máng vòng chảy tràn xung quanh thành bể và 4 máng hình nan quạt chảy tập trung vào máng chính (do diện tích 1 bể lắng đứng là 19m2). Nước chảy theo 2 chiều, nên diện tích mặt cắt ngang của máng vòng tính như sau:
𝑓𝑣 = 𝑄
2.2. 𝑣(𝑚2) Trong đó: Q = 100 m3/h = 0,028 m3/s
v: vận tốc nước chảy trong máng, v = 0,6 m/s 𝑓𝑣 = 0,028
2.2.0,6= 0,012 (𝑚2) Thiết diện máng có tiết diện : (0,1 × 0,06) m
Trường hợp không cho chảy tràn mà đục lỗ quanh máng lấy dlỗ = 20÷30 mm và vlỗ = 1 m/s
Bể phản ứng xoáy hình trụ
Bể phản ứng xoáy hình trụ thường được đặt trong bể lắng đứng, áp dụng cho các nhà máy nước có công suất nhỏ. Bể gồm một ống hình trụ đặt ở tâm bể phần trên của bể lắng đứng. Nước từ bể trộn được dẫn bằng ống rồi qua hai vòi phun cố định đi vào phần trên của bể. Hai vòi phun được đặt đối xứng qua tâm bể, với hướng phun ngược nhau và chiều phun nằm trên phương tiếp tuyến với đường chu vi bể. Do tốc độ qua vòi phun nước, nước chảy quanh thành bể tạo thành chuyển động xoáy từ trên xuống. Các
29 lớp nước có bán kính quay khác nhau có tốc độ chuyển động khác nhau và tạo điều kiện tootscho các hạt cặn, keo va chạm kết dính với nhau tạo thành bông cặn. Đường kính vòi phun được chonjt theo tốc độ nước ra khỏi vòi 2-3 m/s. Tổn thất áp lực tại vòi phun tính theo công thức:
ℎ = 0,06𝑣2(𝑚) Trong đó: v – vận tốc nước qua miệng vòi phun (m/s) Đường kính bể phản ứng tính theo công thức:
𝐷 = √ 4𝑄𝑡
60𝜋𝐻𝑛(𝑚) Trong đó:
Q – lưu lượng nước xử lý (m3/h);
t – thời gian lưu lượng của nước trong bể phản ứng lấy 15-20 phút;
H – chiều cao của bể phản ứng lấu bằng 0,90 chiều cao vùng lắng của bể lắng đứng (m);
n – số bể phản ứng làm việc đồng thời.
Nước chứa các bông cặn đi ra từ đáy bể phản ứng. Ở đây, theo đường chu vi bể đặt các vách ngăn hướng dòng xếp hình nan quạt để dập tắt chuyển động xoáy và phân phối đều nước vào bể lắng. Kích thước các vách ngăn lấy cấu tạo theo khoảng cách từ đáy bể pahnr ứng đến đáy bể lắng và đường kính bể lắng. Khoảng cách giữa các vách ngăn tại đường chu vi của bể phản ứng lấy từ 0,1m đến 0,6m. Cường độ khuấy trộn trong bể xác định bằng gradient vận tốc tính theo công thức:
𝐺 = √𝑄𝛾𝑣2
2𝑉Ƞ (𝑠−1) Trong đó:
Q – lưu lượng nước vào bể (m3/s);
𝛾 – trọng lượng riêng của nước (kg/m3);
v – tốc dộ nước qua vòi phun (m/s);
V – dung tích bể phản ứng (m3);
Ƞ - hệ số nhớt động học của nước.
30 Ngoài bể lắng đứng bể phản ứng xoáy hình trụ ít khi đượ xây dựng kết hợp với các kiểu bể lắng khác do cấu tạo phức tạp của vòi phun.
Lắng cặn keo tụ trong bể lắng đứng
Trong bể lắng đứng, nước chuyển động theo phương thắng đứng từ dưới lên, ngược chiều với hướng rơi của các hạt cặn lắng. Nếu tốc độ của dòng nước đi lên là 𝑢𝑜 =𝑄
𝐹thì chỉ có các hạt có tốc độ lắng u > uo mới lắng xuống đáy bể, còn các hạt có u < uo thì lơ lửng và bị dòng nước cuốn ra ngoài. Khi lắng các hạt cặn không có khả năng keo tụ, hiệu quả lắng có trị số đúng bằng tỷ lệ tính theo phần trăm của trọng lượng các hạt lớn u > uo trên tổng số trọng lượng các hạt cặn có trong nước, hiệu quả lắng thấp, vì thế khồng dùng bể lắng đứng để lắng các hạt cặn tự do không có khả năng keo tụ.
Trong trương hợp lắng các hạt cặn keo tụ. Hiệu quả lắng đạt cao hơn, ban đầu các hạt có tốc độ lắng nhỏ hơn tốc độ dòng nước (u < uo) sẽ bị đẩy dần lên, trong quá trình đi lên, các hạt cặn va chạm và kết dính với nhau, tăng dần kích thước, cho đến khi có tốc độ lắng lớn hơn tốc độ dòng nước đi lên thì rơi xuống đáy bể.
Như vậy khi lắng các hạt keo tụ trong bể lắng đứng, hiệu quả lắng không chỉ phụ thuộc vào diện tích bề mặt của Q/F mà còn phụ thuộc vào chiều cao lắng H và thời gian lưu nước trong bể T.
Bể lắng đứng là bể lắng thường được xây dựng kết hợp với ngăn phản ứng tạo bông cặn đặt ở giữa. Bể có cấu tạo gồm 4 vùng: vùng phân phối nước vào, vùng lắng, vùng thu nước ra, vùng chứa cặn.
Diện tích bề mặt bể lắng đứng xác định theo công thức:
𝐹 = 𝛼 𝑄 𝑢𝑜 Trong đó:
Q – lưu lượng nước đưa vào bể lắng (m3/s);
uo – tốc độ lắng của hạt cặn (m/s), uo tra theo biểu đồ đường cong lắng theo hiệu quả lắng R% mong muốn. Khi không có số liệu có thể chọn uo từ 0,0022 đến 0,0007 m/s;
α – hệ số dự phòng kể đến việc phân phối nước không đều trên toàn bộ mặt cắt ngang của bể. Giá trị của hệ số α phụ thuộc vào tỷ số giữa đường kính và chiều cao vùng lắng.
D/H 1 1,5 2 2,5
α 1,3 1,5 1,75 2
31 Bề mặt bể lắng đứng có thể hình tròn hoặc hình vuông, thời gian lưu nước trong bể từ 2 – 3 giờ.
Chiều cao vùng lắng H chọn phụ thuộc vào sơ đồ cao trình thủy lực của các công trình trong dây chuyên xử lý thương từ 3 – 5m.