CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỂ LẮNG NGANG
3.1. TIÊU CHUẨN, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO BỂ LẮNG NGANG
Vận tốc ngang Vh = Q/A
Q: lưu lượng dòng chảy
A= W.H
27
Vận tốc theo chiều dọc
Vc tốc độ lắng của cặn trong vùng lắng Vc = H/θ
Tầm quan trọng của Diện tích bề mặt bể:
Q
Thời gian lưu nước trong bể
= W.H.L = thể tích bể
As: diện tích mặt đỉnh của thùng Vc = H/θ = HQ/ = Q/LW = Q/As
Vc = Q/As
=> Từ công thức trêncho thấy tốc độ lắng cặn ( hay hiệu quá lắng) phụ thuộc vào diên tích bề mặt của bể.
Các tiếu chuẩn thiết kế bể lắng ngang Không xói của các chất lắng.
Sự chuyển động chậm của hệ thống thu gom.
Q /As phải nhỏ (để nắm giữ được lại các hạt cặn nhỏ).
Vc từ 20 đến 60 m /ngày .
28 Thời gian lưu nước từ 1,5 đến 3 giờ .
Không phá vỡ bông cặn ở đầu vào.
Bảng 3. Tiêu chuẩn thiết kế điển hình cho bể lắng ngang hình chữ nhật Thông số Phạm vi của các giá trị điển
hình
Ghi chú Đầu ra
Khoảng cách đến vách khuyết tán
Đường kính lỗ khuyết tán
2m 0.1-0.2m Khu vực lắng đọng
Tỉ lệ tràn
Độ sâu của nước mặt
Chiều dài
Chiều rộng
L:W
L:D
Vận tốc
Hệ số Reynold
Hệ số Froude
40-70m3/d.m2 3-5m
30m 60m
>= 80- 90m
Gió hạn chế
Xích và băng truyền Thuỷ lực
0.3m
6m tối đa cho mỗi kích thước
24m tối đa cho 3 mẫu kích thước
Tối đa 30m
4:1 to 6:1
Xích và băng truyền Xích và băng truyền Xích và băng truyền
>= 6:1 ưu tiên hơn
15:1 tối thiểu
0.005–0.018 m/s Ngang, trung bình
<20.000
>10-5 Khu vực đầu ra
Chiều dài máng
Tải lượng nước truyền qua máng
ẵ-1/3 chiều dài của lưu vực
Khoảng cách đồng đều nhau 140–320m3/d.m
Vùng bùn
Chiều sâu
Độ dốc
Tốc độ thu bùn
0.6-1m Thiết bị phụ thuộc
1:600 Làm sạch cơ khí
0.3-0.9 m/phút
(Nguồn : AWWA, 1990; Davis and Cornwell, 2008; Kawamura, 2000; MWH, 2005; Willis, 2005.)
29 CHƯƠNG 4: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LẮNG TRONG BỂ LẮNG NGANG [5]
Trong thực tế dòng chảy lí tưởng không tồn tại và hiệu quả lắng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố :
Sự xáo trộn của dòng chảy
Tính không ổn định của dòng chảy
Sự xói lở giữa dòng
Sự kết bông
4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ XÁO TRỘN
Hình 12a. Ảnh hưởng của sự xáo trộn trong bể lắng ngang
Hình 12b. Ảnh hưởng của sự xáo trộn đến hiệu quả của bể lắng
30 Trong sự chảy tầng trong bể lắng ngang, một phần nhỏ các hạt cặn lắng theo đường thẳng
Trong dòng chảy rối, xoáy nước sẽ vận chuyển các hạt theo một hướng ngẫu nhiên ảnh hưởng đến sự lắng của các hạt nhỏ( một phần lắng nhanh hơn và một số khác thì chậm hơn) (hình 12a)
Dựa vào hằng số Reynold có thể xác định được tính chất của dòng chảy;
Chảy tầng :Re <2000
Chảy rối : Re >2000
Số Reynold của dòng chảy trong bể có thể tính theo công thức: Re = v
.R vo
Trong đó: R là bán kính thủy lực của một bể lắng
Bán kính thủy lực của một bể hình chữ nhật có thể đượctính bằng công thức:
R = B+2.H B.H
Với biểu thức vo= Q/(B.H) công thức tính Re có thể viết lại như sau:
Re = v Q.
2.H + B
1
Trong hình 6b hiệu suất lắng của dòng chảy rối được miêu tả dựa vào hàm vs/vso
và vs/vo .
Trong thực tế sự xáo trộn không phải luôn luôn xảy ra vì nhìn chung xảy ra sự kết bông của các chất lắng. Sự xáo trộn làm tăng tần số va chạm tự nhiên của các hạt do đó tăng sự kết bông.
4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ ỔN ĐỊNH.
Dòng được gọi là ổn định khi không xảy ra sự ngắn mạch. Hình 13a là một ví dụ của sự ngắn mạch gây ra bởi gió. Gió tạo ra một vùng chết( hoặc xoáy ) ở góc các bể. Tại các góc đó nước chảy theo hướng ngược lại với chiều dòng chảy của bể
31 . Hình 13a. Dòng ngắn mạch gây ra bởi gió
Người ta cho rằng các hạt được phân bố đều và được rút ra từ các dòng chảy khi vùng trầm tích đã đạt được. Mỗi hạt nằm trong lưu vực trong một thời gian cố định và di chuyển từ vị trí tại khu vực lối vào, nơi mà nó xâm nhập vàolưu vực hướng tới vùng trầm tích, theo một đường thẳng. Độ dốc của đường này phụ thuộc vào tốc độ lắng và vận tốc dòng chảy trên s0 trầm tích[7].
Sự ổn định của dòng chảy được đặc trưng bởi thông số cp: cp = g.R
2
vo
Thay vo và R vào ta được:
cp = g Q2
. 3 3
.H B
2.H + B
Cp >1.10-5 dòng chảy ổn định
Cp <1.10-5 dòng chảy không ổn định
Trong hình 3.4 là thời gian ổn định (Ti) và thời gian trung bình ổn định (Ta) của nước được đại diện so sánh với thời gian ổn định lí thuyết (To) cho giá trị khác nhau của Cp
32 Hình 13b. Dòng ngắn mạch
Từ hình 13b có thể kết luận rằng Cp thấp hơn( do ngắn mạch), ngắn hơn thời gian tối thiểu và trung bình. Điều này là do sự giảm hiệu quả lắng dòng chảy ngang và do đó tăng tốc độ dòng chảy. Hiệu quả của bể lắng vì vậy sẽ thấp hơn với trường hợp dòng chảy ổn định
4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ XÓI MÒN
Về lí thuyết một hạt được lấy ra khỏi nước khi nó đi đến đáy của bể lắng tuy nhiên trong thực tế nó có thể phục hồi lại
Trong hình 14 thành phần các hạt bắt buộc trong đáy bể được hiển thị:
Hình 14. Xói đáy (Bottom scour) Lực cắt của nước trong hạt hình cầu là:
= . . 2 8 wvsc
33 Trong đó:
: Lực cắt thủy lực [N/m2]
λ = hệ số ma sát thủy lực(λ = 0,03) [-]
vsc = vận tốc xói mòn tới hạn [m / s]
Lực cắt của các hạt ở dưới cùng( ma sát do cắt) tỉ lệ thuận với phần chìm của lớp bùn
f = β. (ρs - ρw). g. d Trongđó:
f = lực cắt [N/m2]
β = hệ số cắt cơ khí (b = 0,05) [-]
Trong trạng thái cân bằng lực cắt thủy lực bằng lực cắt cơ khí và vận tốc tới hạn có thểđược tính:vsc= gd
w w
s . .
3 . 40
Khi vận tốc dòng chảy trong một bể lắng thấphơn vận tốc xói mòn, sự xói mòn ở đáy sẽ không xảy ra:
v0< hay = vsc không xảy ra xói mòn
Với cùng bề mặt chịu tải, chiều rộng và chiều sâu củamột bể lắng có thể được xác định dựa trên cơ sở tiêu chí này
4.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ KẾT BÔNG
Trong quá trình lắng, chất kết tụ được hình thành như là kết quảva chạm giữa các hạt, vận tốc lắng sẽ tăng lên. Hiện tượng này được gọi là sự kết bông (hình 15a).
Hình 15a. Sự tạo bông
34 Trong bảng 4 kết quả của một thử nghiệm sự lắng của các bông lơ lửng được thể hiện.
Trong hình 15b tần số tích lũy phân phối hóa của vận tốc lắng được đưa ra tại bể có độ sâu khác nhau. Từ thực tế là các bản phân phối khác nhau.
Hình 15b. Nồng độ hạt tương đối
Bảng 4. Nồng độ hạt tương đối từ một thí nghiệm sự lắng
h = 0.075m h = 1.5m h = 2.25m h = 3.0m
t = 0 s 100 100 100 100
t = 600 s 93 96 98 99
t = 1200 s 81 86 88.5 89.5
t = 1800 s 70.5 77.5 81 83
t = 2700 s 28 38 46.5 53
t = 3600 s 13.5 22 31 40
t = 5400 s 3 8 13.5 20
t = 7200 s 1.5 3 6 9.5