4.1. THIẾT KẾ BỂ UASB
4.1.4. Thiết bị phân phối dòng chảy vào
Để có sự phân bố đều dòng chảytheo tiết diện bể UASB, cần bố trí phân dòng vào từ vài điểm tại đáy bể. Diện tích phục vụ tối đa của 1 điểm cấp nước thải vào nhằm đảm bảo khả năng hoạt động tốt của bể UASB trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau đã được nghiên cứu bằng thực nghiệm. Trong điều kiện nhiệt độ trên 20oC có thể lấy khoảng 2 đến 4m2 cho mỗi điểm cấp nước vào [Haskoning, 1989].
Ở nhiệt độ thấp hơn 20oC thể tích khí sinh học thoát ra sẽ thấp hơn và quá trình trộn lẫn bùn với dòng chảy vào cũng kém hiệu quả hơn. Deman (1990) và Van Der Last (1991) đề xuất nước 1 ÷ 2m2 trên một điểm cấp nước vào.
Để đảm bảo kha năng phân phối đều dòng chảy vào thiết bị phân phối cần được thiết kế sao cho:
- Lưu lượng dòng chảy tới mỗi điểm cấp nước vào được ổn định theo một tỉ lệ phù hợp của tổng dòng chảy đến điểm đó.
- Dễ dàng phát hiện các hiện tượng tắc dòng tại điểm cấp nước vào.
- Dễ dàng khắc phục sự cố tắc dòng khi xác định được vị trí tắc.
Để đảm bảo chia đều dòng chảy tới các điểm cấp vào khác nhau, mỗi đường ống dẫn nước vào cần được nối với 1 khoang riêng của hệ thống phân phối dòng và chỉ cấp nước cho 1 điểm vào của hệ thống. Đối với hệ thống phân phối dòng mà trong đó các điểm cấp nước vào được nối với 1 ống cấp nước chính,ví dụ, bằng việc sử dụng 1 ống nằm ngang có các lỗ hở đặt trên đáy bể, theo thời gian, không thể tránh khỏi hiện tượng một số lỗ hở sẽ bị tắc và nước chảy tới các điểm này sẽ được phân bố đến các điểm còn lại, điều này dẫn tới việc phân bố không đồng đều nước chảy vào trên diện tích đáy bể.
Hình 18. Hệ thống phân phối nước thải vào bể UASB.
Hình 19. Sơ đồ cấu tạo thùng phân phối
Để đảm bảo mỗi điểm đầu vào được nhận đúng phần nước theo tỉ lệ cần cấp, nên sử dụng hệ thống phân phối tự chảy có cao trình mặt nước cao hơn mực nước trong bể. Việc cấp nước có thể thực hiện được bằng biện phá tạo dòng tự chảy như mô tả trên hình 19. Trong hệ thống này các thùng phân phối nhỏ được nối với giếng hoặc kênh phân phối và mỗi điểm cấp vào được nối với 1 thùng phân phối. Áp suất thùng
bằng áp suất khí quyển nên có thể bố trí hở và dễ dàng kiểm tra tình trạng hoạt động tại mỗi thùng bằng mắt. Nếu cần thiết, có thể bố trí nắp đậy bằng vật liệu nhẹ lên các thùng để tránh ảnh hưởng của mùi hôi hoặc rồi nhặng. Có thể lắp đặt thiết bị kiểm soát đơn giản bằng thiết bị cảm ứng, ví dụ như phao điện.
Điều quan trọng là mỗi thùng phân phối phải nhận được phần nước chảy vào như nhau. Việc này có thể dễ dàng thực hiện bằng cách lắp đặt các cửa phai dạng đập tràn hình tam giác giữa giếng hoặc máng phân phối chính và các thùng phân phối như minh hoạ trên hình 18. Sau khi điều chỉnh ngang mức các đập tràn tại mỗi thùng, dòng chảy sẽ được phân chia đều.
Tổn thất áp lực qua đập tràn có thể được tính toán như sau. Khi diện tích phục vụ của mỗi điểm cấp nước vào bể là 3 ÷ 4m2 (nhiệt độ >20oC) và vận tốc dòng chảy trung bình là 0,5÷1 m/h, lưu lượng chảy vào mỗi thùng là 2÷4 m3/h. Bằng cách sử dụng công thức thuỷ lực đối với đập hình tam giác (có góc vuông), tổn thất áp lực lớn nhất tính được là 58 mm (hoặc tương ứng với 4m3/h) và thấp nhất là 44 mm (2 m3/h), có nghĩa là mực nước trong giếng hay máng phân phối chính sẽ cao hơn cốt tối thiểu của đập tam giác khoảng 44÷58 mm. Nếu dòng chảy tối đa đôi khi vượt quá sáu lần dòng chảy trung bình theo thiết kế (tức là hai lần dòng chảy trong mùa mưa), cần tính toán dự phòng với tổn thất áp lực 119 (24m3/h) và 90 mm (12m3/h). Các giá trị này đủ nhỏ để cho phép xây dựng các thùng phân phối nhỏ với chi phí không đáng kể, nhưng cũng đủ lớn để có thể kiểm soát việc phân phối dòng chảy một cách hiệu quả.
Trong cấu trúc được mô tả trên hình 19, có bố trí đoạn ống thoát khí. Đoạn ống này rất quan trọng vì nó cho phép các bọt khí bị cuốn trong dòng chảy có thể thoát ra và như vậy hệ thống phân phối sẽ hoạt động tốt. Ống thông khí cũng rất hữu ích trong trường hợp có sự cố tắc dỏng xãy ra. Nếu phần nằm ngang của ống giữa thùng phân phối và ống thoát khí bị tắc, mức nước trong ống sẽ hạ xuống bằng mức nước trong bể UASB. Nếu hiện tượng tắc xãy ra bên ngoài lỗ thông khí, mức nước trong ống sẽ dâng lên bằng mức nước trong thùng và kênh phân phối. Như vậy. khi có biểu hiện tắc dòng trong hệ thống phân phối, bằng quan sát mức nước trong ống thoát khí sẽ xác định được vị trí bị tắc.
Vì hệ thống phân phối nước vào được bố trí cao hơn mực nước trong bể phản ứng, các ống dẫn nước vào hoặc được uống theo vách nghiêng của thiết bị tách pha hoặc được bố trí xuyên qua bộ tách KLR để đến đáy bể. Giải pháp cho ống đi xuyên qua thành bể thường gây phức tạp trong thi công và trong quá trình bảo dưỡng.
Nhược điểm của ống uốn cong là việc thông tắc sẽ tiến hành khó hơn so với khi các ống dẫn vào chạy xuyên qua các lỗ hở trong thiết bị tách pha. Nếu các ống dẫn vào chạy xuyên qua thiết bị tách pha KLR tại mức thấp hơn mặt phân giới lỏng-khí thì việc đục các lỗ thùng trên vách nghiêng của thiết bị tách pha sẽ không ảnh hưởng tới hoạt động của thiết bị tách pha, thậm chí còn là 1 ưu điểm vì các lỗ thùng này sẽ là lối thoát khẩn cấp cho các bọt khí trong trường hợp ống thu khí bị tắc (xem hình 20). Nếu ống dẫn nước vào chạy qua thiết bị tách pha tại vị trí cao hơn mặt phân giới lỏng-khí thì cần bố trí ống lồng dẫn xuống thấp hơn mặt phân giới như mô tả trên hình 20 (bên phải). Cần chú ý lắp đặt ống lồng sao cho không làm khí sinh học thoát ra ngoài. Tuy nhiên, hiện tượng han gỉ đường ống thường xãy ra, khả năng rò rỉ làm thoát khí là khó tránh khỏi. Vì vậy, nên hạn chế cho ống dẫn nước vào đi xuyên qua thiết bị tách pha KLR tại vị trí phía trên mặt phân giới lỏng-khí.
Nếu mực nước trong các thùng phân phối và mực nước trong bể chênh lệch không nhiều (ví dụ, dưới 10 cm), hiện tượng tắc nghẽn sẽ xãy ra thường xuyên hơn vì áp lực nước được hình thành không đảm bảo đủ lớn để chống lại hiện tượng tắc dòng. Tuy nhiên, các sự cố tắc ống này có thể được xử lý một cách dễ dàng bằng cách nâng ống dẫn nước vào lên và ngay lập tức thả xuống. Khi mức chênh lệch giữa nước trong thùng phân phối (miệng đập tràn) và trong bể phản ứng > 30cm, hiện tượng tắc nghẽn sẽ hiếm xảy ra hơn.
Những vật lớn có trong nước thải (mẫu gỗ, chai nhực …) cũng có thể làm tắc ống dẫn vào. Các sự cố tắc ống dạng này có thể được xử lý bằng cách dùng gậy đẩy các vật gây tắc dọc theo ống dẫn. Để làm được điều này, đoạn ống ngang nối từ thùng phân phối tới ống thông khí phải được bố trí thẳng và ống thông khí phải được lắp đặt tại vị trí trên điểm dẫn nước vào như hình 19. Khả năng tắc dòng thường hay xãy ra trên đoạn ống nằm ngang nối từ thùng phân phối đến ống thông khí. Để thông tắc trên đoạn ống này cần lắp đặt ống kiểm tra như mô tả trên hình 19; cần bố trí theo hình chữ thập tại vị trí giao nhau giữa các ống dẫn ngang, ống thông khí,
cần thiết. Với cấu tạo như mô tả trên hình 19 có thêm ưu điểm nữa là dễ dàng thay thế bất kể bộ phận nào trong hệ thống ống dẫn vào khi bị hỏng do ảnh hưởng của các tác động cơ học hoặc ăn mòn.
Ở chừng mực nào đó, các bọt khí có thể bị cuốn trong dòng nước thải khi đi qua đập tràn. Một phần oxy hoà tan vào chất lỏng nhưng điều này không gây ảnh hưởng đáng kể đối với các VSV trong hệ thống. Nếu một lượng lớn không khí được đưa vào sẽ làm cho nguồn khí sinh học phát sinh trong hệ thống có khả năng gây nổ cao.
Khi các bọt khí sinh học có đường kính trên 2 mm dâng lên với tốc độ 0,2÷0,3 m/s trong nước, vận tốc của chất lỏng trong phần ống dẫn có phương thẳng đứng (hoặc ít nhất là phần phía trên của ống) cần phải thấp hơn giá trị này. Giả thiết rằng dòng chảy tối đa qua ống là 3 m3/h, đường kính tối thiểu cần thiết của ống D với vận tốc chất lỏng v = 0,2 m/s; lưu lượng Q= 8 x 10-4 m3/s có thể được tính như sau:
𝐴 =3,14𝐷2 4 =𝑄
𝑣 =0,0008
0,2 = 0,004 𝑚2 hoặc D = 0,072 m = 72 mm
Trong đó: A – Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn vào.
Hình 20. Các phương án lắp đặt ống đi qua thiết bị tách pha KLR
Như vậy, trong những điều kiện nêu trên, bố trí ống dẫn có đường kính bên trong bằng 75 mm là đủ để ngăn chặn không cho bọt khí có đường kính lớn hơn 2mm lọt vào bể UASB.
Việc sử dụng ống dẫn có đường kính nhỏ hơn đáy bể có thể sẽ có lợi hơn vì sẽ làm tăng vận tốc dòng chất lỏng, dòng chảy rối cũng lớn hơn và làm tăng khả năng tiếp xúc giữa bùn và nước thải cấp vào. Để đạt được điều này, đường kính của ống dẫn phía trên thiết bị tách pha KLR cần phải lớn hơn phần ở dưới bể. Như vậy, tốc độ dòng chảy chậm ở phía trên tạo khả năng thoát bọt khí tốt hơn, và tốc độ cao ở phía đáy bể có thể làm tăng dòng chảy rối nhằm tăng khả năng tiếp xúc giữa bùn và nước chảy vào.
Để tăng cường khả năng tiếp xúc giữa bùn và nước thải làm giảm tần suất tắc dòng, các đầu ống cấp nước vào cần bố trí cao hơn đáy bể 100 ÷ 200 mm. Với dòng chảy 3 m3/h tại mỗi ống dẫn vào, đường kính bên trong tại khu vực đáy bể là 40 mm, vận tốc dòng thoát ra sẽ là :
𝑣𝑟 = 𝑄
𝐴𝑡 = 0,0008 (3,14 × 0,042)
4
= 0,6 𝑚/𝑠
Giá trị vận tốc này gấp đôi vận tốc theo thiết kế cho bể lắng cát, vì vậy sẽ tránh được hiên tượng tích tụ các chất rắn có thể lắng được ở gần điểm cấp nước vào, do đó cũng giảm bớt tần suất tắc dòng.