4.1. THIẾT KẾ BỂ UASB
4.1.3. Hệ thống tách pha
Hệ thống tách pha là bộ phận đặc trưng và quan trọng nhất trong bể UASB. Bộ phận này có bốn chức năng:
- Thu gom khí sinh học thoát ra từ pha chất lỏng;
- Tạo điều kiện lắng các chất lơ lửng trong phần trên của bể phía trên thiết bị tách pha;
- Làm giảm tối thiểu nồng độ chất lơ lửng trong nước thải sau xử lý;
- Tạo khoảng không phía trên thiết bị tách pha cho phép lớp bùn đáy có thể giản nở trong trường hợp tải lượng thủy lực tăng đột ngột;
Hình 16.Các ví dụ thiết kế hệ thống tách pha KLR trong bể UASB.
a) Hệ thống tách pha bố trí chìm; b) Hệ thống tách khi cân bằng áp suất khí quyển; c) Hệ thống tách pha lắp ghép có khả năng tháo dỡ trong quá trình bảo
dưỡng.
Hệ thống tách pha làm nhiệm vụ tách ba pha có trong bể UASB: Khí (K), chất lỏng (L) và chất rắn (R). Để hệ thống tách KLR hoạt động đúng chức năng, khí sinh học phát sinh trong khoang phân hủy không được cuốn theo dòng chảy sang vùng lắng. Nếu không đạt được điều kiện này, dòng chảy rối do bọt khí gây ra sẽ làm giảm hiệu suất lắng dẫn tới hiện tượng cuốn trôi bùn và tiêu hao lượng khí sinh học được sản sinh. Vì những lý do này, hệ thống tách pha KLR cần có các bộ phận: thiết bị thu gom khí bố trí tại đỉnh bể và một tầng gồm các thiết bị định hướng dòng nằm dưới các khe hở giữa các thiết bị thu gom khí ga này.
Vận tốc dòng chảy ngược thay đổi theo chiều cao của bể và sẽ đạt giá trị tối đa khi diện tích sẵn có cho dòng chảy bị thu hẹp ở mức tối thiểu. Hiện tượng này xảy ra tại cao độ cốt các khe hở giữa các thiết bị thu gom khí. Từ điểm đó tới điểm xả nước thải, tiết diện ngang của dòng chất lỏng sẽ tăng và do đó vận tốc dòng chảy sẽ giảm. Về nguyên lý, chỉ những phần từ bùn có tốc độ lắng chậm hơn vận tốc tối đa của chất lỏng sẽ bị cuốn vào khu vực lắng phía trên thiết bị KLR. Trong khoang lắng, chỉ những phần tử bùn có vận tốc lắng vượt quá vận tốc tối thiểu của chất lỏng tại điểm xả nước thải sẽ được lưu giữ lại. Những phần tử này sẽ lắng trên các vách nghiêng của hệ thống tách KLR. Cho tới khi khối lượng bùn kết tụ ở đó đủ lớn thắng lực ma sát và sẽ trượt trở lại vùng phân hủy. Vì vậy, các vận tốc quan trong của chất lỏng là :
𝑣1 = 𝑄
𝐴1 = 𝑣𝑙𝐴 𝐴1 và
𝑣2 = 𝑄
𝐴2 =𝑣𝑙𝐴 𝐴2 Trong đó:
v1, v2, vl – tương ứng là các vận tốc dòng chảy ngược của chất lỏng tại đáy thiết bị tách KLR, tại điểm xả nước thải và vận tốc tính toán của dòng chảy ngược trong bể UASB;
A1, A2, A – tương ứng là các tiết diện ngang của dòng chất lỏng tại các điểm nêu trên và diện tích bề mặt của bể UASB;
Cần lưu ý là ngay cả với những phần tử bùn có vận tốc nhỏ hơn v2 vẫn có thể được giữ lại bể nhờ khả năng kết tụ của các phần tử này.
Trên hình 4.53 trình bày các thiết bị định hướng dòng khí che các khe hở. Điều này là rất cần thiết vì bong bóng khí sinh học dâng lên có xu hướng dao động.
Khoảng che lấp xấp xỉ 100mm là vừa đủ đối với tổng chiều sâu 4 6 m. Với giá trị lớn hơn sẽ không hiệu quả vì làm giảm tiết diện ngang của dòng chất lỏng chảy qua các khe hở và như vậy sẽ làm tăng tốc độ dòng chảy ngược tại cao trình này.
Việc sử dụng hệ thống tách KLR nhiều hơn hai tầng như trình bày trong hình 17 có thể là một biện pháp hay nhằm tăng tiết diện dòng chảy qua các khe hở. Từ hình vẽ 17a, có thể thấy rõ tỷ lệ tối đa giữa tiết diện ngang của các khe hở và diện tích mặt cắt ngang của bể ( không tính đến diện tích che lấp) là (N-1)/N trong đó N là số tầng thiết bị tách pha.
Trên hình 17b là biểu đồ thể hiện mức tăng tương đối của tỷ lệ tiết diện ngang của các khe hở diện tích bề mặt bể tăng số tầng KLR. Ưu điểm của của biện pháp này cần được cân nhắc cùng với chi phí cao cho việc xây dụng hệ thống tách pha nhiều tầng. Cần lưu ý về nguyên lý, diện tích tại cốt xả nước thải sau khi xử lý ( chứ không phải tại cốt các khe hở) sẽ quyết định tốc độ lắng tối thiểu của các phần tử bùn được lưu giữ lại trong bể. Tuy nhiên, khi lắp đặt hệ thống tách pha KLR nhiều tầng, dòng chảy sẽ đều hơn và khả năng kết tụ các phần tử bùn nhỏ di chuyển qua các lỗ hổng cũng sẽ được tăng cường.
Các yếu tố cơ bản trong việc thiết kế hệ thống KLR bao gồm:
- Tỷ lệ tiết diện ngang của dòng chất lỏng tại cao trình các khe hở và tại cao trình xả nước sau xử lý. Như đã đề cập ở phần trên, các tiết diện này gián tiếp quyết định vận tốc lắng của những phần tử bùn cuốn vào khoang lắng và những phần tử bùn sẽ được giữ lại.
- Vị trí của những thiết bị tách KLR liên quan tới cao trình mặt nước của bể. Vị trí của thiết bị tách pha trong bể sẽ quyết định tỷ lệ thể tích bể dành cho khoang phân hủy (phần dưới) và khoang lắng ( phần trên). Trong hầu hết các bể UASB, thể tích của khoang lắng thường chiếm 15 20% tổng thể tích bể.
Hình 17. Sơ đồ bố trí hệ thống tách pha KLR nhiều tầng và quan hệ giữa tiết diện dòng chảy qua khe tiết diện bể và số tầng trong hệ thống tách pha
- Độ nghiêng của các thiết bị tách pha. Độ nghiêng này sẽ quyết định diện tích bề mặt nơi các chất rắn lắng đọng và trượt trở lại khoang phân hủy. Độ nghiêng quyết định chiều cao của các thiết bị tách pha và lượng vật liệu cần thiết để xây dựng các thiết bị này. Độ nghiêng càng dốc thì cần càng nhiều vật liệu, nhưng mặt khác các chất đã lắng đọng rơi trở lại vùng phân hủy dễ dàng hơn. Trên thực tế, góc nghiêng giữa vach của thiết bị tách KLR với phương nằm ngang thường dao động khoảng 45o và 60o.
- Diện tích bề mặt phân giới các pha lỏng – khí trong thiết bị tách pha quyết định tốc độ thoát khí trên diện tích đơn vị của mặt phân giới. Khi tốc độ thoát khí giảm sẽ tạo điều kiện cho sự hình thành lớp váng trôi nổi che phủ bề mặt phân giới các pha. Lớp ván này theo thời gian sẽ càng trở nên dày và cứng (đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ thấp) và sẽ gây cản trở nghiêm trọng đối với việc thoát khí tại mặt phân giới. Tốc độ phát sinh khí sinh học càng cao càng làm tăng khả năng hình thành váng bọt tại bề mặt phân giới, đặc biệt là đối với nước thải có chứa nhiều đạm. Hiện tượng phát sinh váng bọt trên bề mặt phân giới khí – nước là nguyên nhân gây tắc đường ống thoát khí. Kinh nghiệm vận hành các hệ thống đang hoạt động cho thấy, tốc độ thoát khí từ bề mặt phân giới dao động trong khoảng 1 3 m3/m2.h [Souza, 1986], nhưng có thể sẽ không đạt được tốc độ này khi áp dụng với loại nước thải có hòa tan các chất thải như nước thải sinh hoạt.
Như mô tả hình 16a và 16b, về cơ bản có hai cách để tạo ra mặt phân giới lỏng – khí bên trong thiết bị tách pha KLR:
- Đối với bộ tách KLR bố trí chìm, (hình 16a hoặc 17a), cần sử dụng van thủy lực bên trong hoặc bên ngoài nhằm tạo đủ áp suất bên trong thiết bị tách pha để duy trì mặt phân giới.
- Khi phần đỉnh của bộ tách pha được đặt ở phía trên của bề mặt nước, áp suất khí ga có thể bằng áp suất khí quyển và không cần đến van thủy lực.
Ưu điểm của phương án bố trí chìm bao gồm:
- Khi thiết bị được chế tạo bằng thép ,việc bố trí các thiết bị chìm dưới mặt nước sẽ làm giảm khả năng ăn mòn thép (han gỉ). Vấn đề han gỉ thường xảy ra tại khu vực mặt phân giới lỏng – khí.
- Các chất rắn có thể lắng trên toàn bộ diện tích bể, vì vậy sẽ làm tăng tối đa khả năng lưu giữ bùn trong hệ thống.
- Khí sinh học được xả bằng áp suất dư giúp cho việc cấp khí đến điểm sử dụng dễ dàng hơn.
- Khi gặp sự cố rò rỉ, cháy trên đường ống dẫn khí sinh học, thiết bị van thủy lực bên ngoài có chức năng như một thiết bị an toàn giúp ngăn chặn khả năng gây nổ bên trong thiết bị tách pha KLR.
Ưu điểm của phương pháp đỉnh bộ phân tách pha được đặt trên bề mặt nước ( không có van thủy lực) là dễ tiếp cận bộ tách pha để kiểm tra, bảo dưỡng hoặc sửa chữa.
Các sự cố về thủy lực có thể xảy ra khi có hiện tượng tắc ống thoát khí. Do khí sinh học tích tụ ben dưới thiết bị tách pha làm tăng áp lực đẩy hướng lên và có thể gây hư hại kết cấu gắn cố định thiết bị tách pha vào thành bể, hoặc thậm chí cả kết cấu của bản thân bể cũng có thể bị hư hỏng. Mặt khác, cũng có thể xuất hiện trạng thái chân không hoàn toàn, do vận hành không đúng, nước thải sau khi xử lý được thải ra quá nhanh. Khi không được trang bị các thiết bị xả chân không, lực hút chân không được tạo ra bên dưới bộ tách phacos thể gây ra hiện tượng nổ bên trong. Mặt khác, nếu có trang bị thiết bị xả chân không, có thể dẫn đến hiện tượng lọt không khí vào khoang chứ khí và làm phát sinh hỗn hợp khí có tính gây nổ.
Trên hình 16c mô tả phương án thiết kế lắp ghép nhằm khắc phục được các nhược điểm của các phương án nêu trong hình 16a và 16b. Bằng việc tạo kết cấu hở tại cao trình dưới mặt phân giới lỏng – khí thường được xác định, một “ van an toàn” tự động sẽ kích hoạt nếu ống xả khí bị tắc ngẽn. Khí sinh học sẽ tích tụ dần và mặt phân giới lỏng – khí sẽ hạ thấp dần bằng mức tại chỗ hở, nơi mà khí sinh học được xả ra. Bong bóng khí thoát ra sẽ cảnh báo cho người vận hành biết là một ống dẫn khí đã bị tắc. Hệ thống tách pha này có thể được xây tách thành hai phần: thành nghiêng dốc hướng ngang chỉ có nhiệm vụ hướng bọt khí sinh học tới máng thu gom trung tâm và do vậy không cần thiết phải xây dựng chắc chắn bộ phận này.
Các thành này có thể làm bằng các tấm vật liệu không gỉ như gỗ cứng, xi măng amiăng, bê tông hoặc nhựa. Phần chính ở dạng một chiếc máng ngược để thu gom khí sinh học. Phần này có thể được xây bằng bê tông, với độ dày sao cho đảm bảo khả năng cân bằng giữa lực đẩy Acximet tối đa của khí thế chỗ phần nước trong máng và trọng lượng của máng, nhằm tránh hiện tượng máng bị nổi.
Một ưu điểm nổi quan trọng nữa của thiết kế trên hình 16c là có thể tiếp cận mặt phân giới lỏng – khí để thực hiện công tác bảo dưỡng định kỳ, lấy đi các chất váng nổi gây cản trở cho việc thoát khí qua bề mặt phân giới. Do máng ngược có khả năng tự định vị bởi chính trọng lượng bản thân, nên sẽ không cần xây cố định máng vào kết cấu của bể phản ứng; máng có thể được đỡ bằng dầm bê tông để dễ dàng tháo gỡ và lắp đặt lại trong quá trình thực hiện bảo dưỡng. Việc loại bỏ các chất rắn kết dính trên thành thiết bị tách pha sẽ rất phức tạp nếu thiết bị được xây dựng liền khối, như trong hình 16a.
Nhược điểm lớn của thiết kế trên hình 16c (bên trái) là các bọt khí có thể bị cuốn theo dòng chảy qua các khe hở nằm giữa máng và thành nghiêng làm xuất hiện dòng chảy rối trong phần lắng và làm cho quá trình lắng kém hiệu quả. Nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách bố trí các tấm nhựa mềm tại các khe hở giữa máng ngược và các vách nghiêng của các thiết bị tách pha được minh họa trên hình 16c (bên phải). Với biện pháp kết nối linh hoạt bằng vật liệu mềm giữa các phần trên và phần duoiswcuar thiết bị tách pha này sẽ ngăn chặn không làm xuất hiện dòng đối lưu trong hệ thống. Trong phương án thiết kế này, Các khe hở vẫn có nhiệm vụ như van an toàn và có thể được sử dụng để rửa sạch mặt phân giới.