PHẦN II: THIẾT KẾ KỸ THUẬT HỆ THỐNG CẤP NƯỚC
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC
4.3.5. Tính toán bể lọc nhanh Aquazur V sử dụng đan lọc 2 tầng HDPE
4.3.5.3. Tính toán hệ thống phân phối nước lọc
- Lưu lượng nước phân phối vào mỗi bể lọc với tốc độ lọc bình thường là:
Q =
Q 1583,3 N 8 198
(m3/h) = 55 (l/s).
- Lưu lượng nước phân phối vào bể lọc với tốc độ làm việc tăng cường (hồi phục nước chữa cháy ): Q = 8×55 + 2×30 = 500 (l/s).
Q1 =
Q 62,5
N 8
500
�
(l/s).
- Nước từ bể lắng trong dẫn sang bể lọc bằng 2 đường ống gang xám, lưu lượng trong mỗi ống lấy với trường hợp bình thường Qống = 1583,3/2= 220(l/s) chọn ống D500 tra bảng thủy lực ta được V= 1,05 (m/s) - 1000i = 2,86.
Dẫn nước vào mương phân phối nước chung tại đầu 2 dãy bể lọc, kích thước mương 1: B×H= 500×1000mm. Từ mương nước được dẫn vào các bể lọc bằng các ống trên ống có bố trí van khóa có thể đóng, mở khi cần thiết. Tại mỗi bể có 2 mương phân phối nên ta bố trí hai ống.
Lưu lượng của mỗi ống là:
1ong 1b
Q 55
Q 27,5(l / s)
2 2
Với Q=27,5 (l/s) ta chọn ống D150 tra bảng thủy lực ta được V= 1,4(m/s) - 1000i = 23,2.
Khi bể làm việc tăng cường lưu lượng của mỗi ống là Q= 27,5+(2×30)/(2×8)=31,25 (l/s); tra bảng thủy lực ta được V= 1,5(m/s) - 1000i = 29.
Mỗi bể lọc bố trí 2 máng phân phối hình tam giác sát thành bể.
Lưu lượng nước chảy vào mỗi máng phân phối của bể là: qMáng = 99(m3/s).
Vận tốc nước chảy trong máng phân phối là 0,3 m/s tiết diện máng là:
FMáng =
99 0,09
0,3 3600
� (m2)
Tiết diện máng hình tam giác vuông; kích thước 2 cạnh góc vuông là 0,3×0,3(m2). Chiều dài vách nghiêng là 6,1(m). Để phân phối nước đều vào bể lọc thì ta khoan các lỗ trên vách nghiêng của máng lấy đường kính lỗ khoan là 20 mm, tâm lỗ cách đáy máng 200 mm.
Diện tích tiết diện mỗi lỗ là: f =
2 2
π d π 0,02 0,00031
4 4
� �
(m2).
Vận tốc nước chảy qua lỗ là 1,5 (m/s) khi đó lưu lượng nước qua mỗi lỗ là:
qlỗ = f v 0,00031 1,5� � =4,65.10-4 m3/s = 1,67 (m3/h)
- Số lỗ trên mỗi máng là: n =
q 99 59
q 1,67
m
lo
lỗ.
- Trên mỗi máng bố trí 60 lỗ khoảng cách giữa các tim lỗ là 10 mm.
Tính toán ống thu nước lọc bao gồm tính đường kính ống dẫn từ khoang thu nước ra ống thu chung và đường kính đường ống dẫn nước chung đến bể chứa.
Lưu lượng nước ra khỏi mỗi bể lọc bằng 55 (l/s), với lưu lượng nước ra khỏi bể lọc khi làm việc tăng cường là 62,5 (l/s). Theo điều 6.120 TCXDVN 33:2006, v = 11,5 (m/s), chọn v = 1,2 (m/s), vậy diện tích tiết diện ống thu nước lọc tại mỗi bể là:
ω =
0,0625
1, 2 = 0,052 (m2)
Đường kính ống thu nước lọc tại mỗi bể là:
D =
4ω 4 0,052
π 3,14
� �
= 0,26 (m), chọn ống D = 250 (mm)
Tính toán ống thu nước lọc chung cho hệ thống bể lọc. Ta tính toán cho trường hợp bể làm việc tăng cường, vận tốc nước chảy trong ống là V= 1-1,5 (m/s).
Hệ thống bể lọc bao gồm 8 bể lọc xếp bố trí thành 2 dãy qua 2 mương thu nước lọc tập trung, như vậy có thể chia ống thu nước lọc chung thành 2 đoạn và các đoạn lần lượt phục vụ cho các bể đưa nước đã lọc vào đoạn đó.
Đoạn thứ 1 phục vụ cho 1 bể:
+ Tiết diện mặt cắt ướt của ống là:
ƒ1 =
1 0,0625 1, 2
�
= 0,052 (m2) + Đường kính ống:
D =
4ω 4 0,052
π v 3,14
� �
� = 0,26 (m), chọn ống D = 300 (mm) Đoạn thứ 2 phục vụ cho 2 bể:
+ Tiết diện mặt cắt ướt của ống là:
ƒ1 =
2 0,0625 1, 2
�
= 0,104 (m2) + Đường kính ống:
D =
4ω 4 0,104
π v 3,14
� �
� = 0,36(m), chọn ống D = 400 (mm).
Đoạn thứ 3 phục vụ cho 3 bể:
+ Tiết diện mặt cắt ướt của ống là:
ƒ1 =
3 0,0625 1,2
�
= 0,156 (m2) + Đường kính ống:
D =
4ω 4 0,156
π v 3,14
� �
� = 0,45 (m), chọn ống D = 450 (mm) Đoạn thứ 4 phục vụ cho 4 bể:
+ Tiết diện mặt cắt ướt của ống là:
ƒ1 =
4 0,0625 1, 2
�
= 0,208 (m2) + Đường kính ống:
D =
4ω 4 0, 208
π v 3,14
� �
� = 0,5 (m), chọn ống D = 500 (mm) Sau đó, nước được dẫn tới bể chứa nước sạch.
b) Tính toán hệ thống phân phối nước rửa lọc Quy trình rửa lọc:
Sau quá trình vận hành, tổn thất qua lớp vật liệu lọc tăng cao và độ đục của nước lọc cũng tăng cao (giảm chất lượng) theo thời gian. Do đó, bể lọc cần được rửa lọc để hoàn nguyên khả năng làm việc cũng như đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Bể lọc cần được rửa với 1 trong hai tác nhân sau:
- Độ chênh áp qua lớp vật liệu lọc lớn hơn mức định trước (2300mm).
- Thời gian tới hạn định trước (khoảng 24 giờ).
- Độ đục nước lọc vượt quá mức cho phép đã cài đặt trước.
Khi một trong các giới hạn nói trên bị phá vỡ, quá trình rửa lọc bắt đầu. Quy trình rửa lọc được mô tả như sau:
Bước 1: Đóng van dẫn nước lọc đồng thời mở van xả nước rửa để hạ mực nước trong bể lọc.
Bước 2: Khởi động máy bơm gió, mở van dẫn gió để xáo trộn vật liệu và rủ cặn.
Lưu lượng bơm gió 60m3/m2/h. Nước thô vẫn tiếp tục cho vào lọc để tạo tác dụng quét
127 127
305
127 127 127 127
1220
305
280 280 280 280
bề mặt và giảm tải cho các ngăn lọc khác với lưu lượng 6m3/m2/h. Quá trình này kéo dài 4 phút.
Bước 3: Giữ nguyên máy gió đang vận hành, khởi động 1 máy bơm nước rửa với lưu lượng 12 m3/m2/h. Lưu lượng này được thiết lập bằng cách đóng van dẫn nước chính trên đường ống rửa và chỉ mở van by-pass. Quá trình rửa với gió nước kết hợp kéo dài 6 phút.
Bước 4: Đóng van gió, tắt máy bơm gió, đồng thời mở van dẫn nước chính từ máy bơm rửa để bắt đầu quá trình vặt cặn với lưu lượng 24 m3/m2/h. Quá trình này kéo dài từ 4 phút. Sau đó, khóa van dẫn nước rửa, tắt máy bơm rửa, đóng van xả nước rửa để tích nước cho chu kỳ lọc mới.
� Tổng lượng nước rửa lọc theo chu trình rửa lọc như trên là:
W = ( 6 604 +
12
60 6 + 24
60 4 ) 28,28= 90,5 (m3).
Tính toán đan lọc:
- Cấu tạo:
Hình 4.10. Cấu tạo Đan lọc 2 tầng HDPE.
- Xác định số hàng đan lọc trong một ngăn bể:
n = L
280 (hàng)
Trong đó:
+ L: chiều dài của bể, L = 6,5(m) = 6500 (mm).
+ Chiều rộng của 1 đan lọc 280 (mm).
� n =
6500 23 280
(hàng) - Xác định số cây đan lọc trong một hàng đan lọc:
Với đan lọc 2 tầng HDPE chiều dài 1 cây là 1220 (mm), mà chiều rộng của một ngăn bể là B = 2250 (mm). Chọn 23 cây có chiều dài 28060 (mm).
- Tính toán ống dẫn gió chính:
+ Lưu lượng gió cần thiết khi rửa một bể lọc là:
Qg = Wg×Fi = 17×28,28 = 480,76 (l/s) = 0,48(m3/s)
Diện tích tiết diện ống dẫn gió chính:
g =
g g
Q
V = 0,48
20 = 0,024(m2)
(Vận tốc gió trong ống chính Vg = 20 (m/s) lấy theo điều 6.122 TCVN 33:2006 từ 15 đến 20 m/s).
Đường kính ống gió chính:
D =
4Ω g 4 0,024 π 3,14 0,17
� �
(m) + Chọn ống có đường kính D = 0,2 (m) = 200 (mm).
Ống dẫn nước rửa lọc:
+ Lưu lượng xả nước rửa lọc tính toán bằng lưu lượng nước rửa lọc với cường độ rửa lọc 24 (m3/m2h) = 6,67 l/s.m2).
q1 = 6,67 (l/s.m2) 28,25(m2) = 188,4 (l/s)
- Theo điều 6.111 TCXDVN 33 - 2006, vận tốc trong ống phân phối nước rửa lọc cho phép từ: 1,0 2,0 (m/s) sơ bộ chọn Vr 1,5 (m/s).
- Đường kính ống tính theo công thức sau:
� �
� �
4 4 0,1884 3,14 1,5 0,4 dr qr
Vr
- Chọn ống dẫn nước rửa lọc bằng thép DN400 V = 1,4(m/s) -1000i =6,64.
Ống xả nước rửa lọc:
- Ống xả nước rửa lọc được nối từ mương thu nước rửa lọc trong bể xuống mương thoát nước chung phía dưới. Vận tốc trong ống dẫn và thoát nước rửa lọc theo TCXDVN 33 - 2006 bằng 1,5 2,0 (m/s).
- Lưu lượng xả nước rửa lọc tính toán bằng lưu lượng nước rửa lọc với cường độ rửa lọc 24 (m3/m2h) = 6,67 (l/s.m2).
q = 6,67 (l/s.m2) 28,25 (m2) = 188,4 (l/s).
- Lưu lượng nước quét bề mặt với cường độ bằng 6 (m3/m2h) là: 47,1 (l/s).
- Tổng lưu lượng nước xả là: q = 188,4 + 47,1= 235,5(l/s)= 0,236 (m3/s).
- Chọn vận tốc qua ống xả bằng 1,7 (m/s).
Đường kính ống thoát nước rửa lọc là:
� �
� �
4 4 0,236 3,14 1,7 0,42 dr qr
Vr (m)
- Chọn ống thoát nước rửa lọc là ống thép đường kính DN 450 mm. Vận tốc chảy trong ống v = 1,38 (m/s); 1000i = 5,53.
- Mương dẫn nước rửa lọc là mương tiết diện hình chữ nhật có B = 600 mm.
Ống xả kiệt: Chọn đường kính ống xả kiệt D =150 mm theo cấu tạo.
- Đáy bể có độ dốc 0,005 về phía ống xả kiệt.
Tính ống thu nước chung dẫn sang bể chứa:
Với lưu lượng Q =38000 (m3/ngđ) =1583,3(m3/h) = 0,44 (m3/s).
Q1ống = 0,22 (m3/s).
4 4 0, 22
0, 43( ) 3,14 1,5
D Q m
v
� �
� �
Vận tốc trong ống dẫn chung v = 1 - 1,5 (m/s).
Chọn D = 500 (mm), vận tốc nước trong ống v=1,05; 1000i= 2,86.
Nước được tập trung dẫn bằng đường ống chung DN500 với L=20 (m) ra khỏi cụm bể lọc rồi được tách ra thành 2 ống có đường kính DN300m, v= 1,37(m/s), 1000i=9,15, L= 20m dẫn nước tới bể chứa nước sạch.
Tổn thất trong ống dẫn từ bể lọc sang bể chứa là:
HLsc = 0,02×4,29+0,02×9,15= 0,23 (m) c) Tính toán tổn thất áp lực và chiều cao bể lọc
Chiều cao xây dựng bể lọc:
HXD = h1 + h2 h3 + h4 + h5 (m) Trong đó:
+ h1 : Chiều cao đan lọc 2 tầng HDPE, h1 = 0,3 (m).
+ h2 : Chiều dày lớp vật sỏi đỡ, h2 = 0,4 (m).
+ h3 : Chiều dày lớp vật liệu lọc, h3 = 1,0(m).
+ h4 : Chiều cao lớp nước trên mặt vật liệu lọc, h4 = 2,2 (m).
+ h5 : Chiều cao bảo vệ bể, h5= 0,76 (m).
HXD = 0,3 + 0,4 + 1,0 + 2,2 + 0,50 = 4,4(m).
d) Tính toán sân phơi vật liệu lọc - Thể tích vật liệu lọc trong 1 bể:
V = Fb . hVLL = 28,28 1,0 = 28,28 (m3).
- Thiết kế sân phơi vật liệu lọc với chiều cao phơi bằng 0,3 m.
Diện tích sân phơi: Fs = V / 0,25 = 28,28/ 0,3 = 94 (m2).
- Thiết kế 2 sân phơi Diện tích 1sân : F1= 47 (m2).
- Kích thước mỗi sân: a b = 412 (m2).
e) Tính toán hệ thống bơm rửa lọc
- Với lưu lượng nước rửa lọc qr = 188,4 (l/s).
- Áp lực cần thiết của bơm rửa lọc:
r
b hh tt d dt
H h h h h (m) Trong đó:
- hd: Tổng tổn thất (kể cả tổn thất áp lực theo chiều dài và áp lực cục bộ ) trên đường ống dẫn từ trạm bơm đến bể lọc, sơ bộ lấy hd = 2,5 (m).
- htt : Tổng tổn thất áp lực qua bể lọc khi rửa:
htt = h + hlọc + hsđ
Trong đó:
+ h : Tổn thất qua hệ thống phân phối bằng đan lọc sơ bộ lấy h = 1,0 (m).
+ hsd: Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ hsd = 0,22 h Wn
= 0,22 0,40 10 = 0,88 (m) + hlọc: Tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc:
hlọc = (a + bW) Le
Với dtd = 0,9 a = 0,76, b = 0,017
Hlọc = (0,76 + 0,017 10)1,0= 0,93 (m)
htt = 1,0 + 0,88 + 0,93 = 2,81(m).
- hdt : Áp lực dự trữ dễ phá vỡ kết cấu ban đầu của lớp cát lọc, hdt = 2,5 (m).
- hhh: Độ chênh cao giữa mép trên máng thu nước rửa và mực nước thấp nhất trong bể chứa.
hhh = h1 + h2+ h3 + h4 + 2,8 (m) Trong đó:
+ h1 : Chiều cao đan lọc 2 tầng HDPE, h1 = 0,3 (m) + h2 : Chiều dày lớp vật sỏi đỡ, h2 = 0,40 (m) + h3 : Chiều dày lớp vật liệu lọc, h3 = 1,0(m)
+ h4 : Chiều cao lớp nước trên mặt vật liệu lọc, h4 = 2,2 (m) + 2,8 : Độ sâu tính đến mực nước thấp nhất trong bể chứa.
hhh = 0,3 + 0,3 + 1,3 + 2,3 + 2,8 = 7,0 (m).
Vậy áp lực yêu cầu của bơm rửa lọc là:
r
Hb7,0 + 2,86 + 2,5 + 2,5 = 14,86 (m)
Như vậy với lưu lượng là Q = 188,4(l/s), áp lực cần thiết là 15 (m) chọn một bơm làm việc và một bơm dự phòng.
Chọn bơm với các thông số sau: Q =188,4 (l/s) và H = 15 (m) dựa vào catalogue của hãng Bombas Ideal chọn bơm CPH 150-290 với các thông số như sau:
+ Số vòng quay định mức: n = 1450(Vòng/phút).
+ Hiệu suất bơm: 82,8%.
+ NPSH = 1,05 (m).
+ Đường kính ống hút: Dhút= 250(mm).
+ Đường kính ống đẩy: Dđẩy = 200(mm).
+ Công suất bơm: 27,24(KW).
Hình 4.11. Kích thước bơm rửa lọc Với kích thước bơm thể hiện như trong bảng sau:
a 180 d 23
f 690 H 483
x 8 h1 315
I 800 h2 475
A 140 ASP 250
L1 1500 IMP 200
L2 250 Kg 710
L3 1000 x 145
B1 700 L3 1140
B2 660 L1 1640
Bảng 4.9. Bảng thông số kích thước của bơm rửa lọc
Hình 4.12. Đường đặc tính của bơm rửa lọc - Xác định đường kính ống đẩy:
Theo bảng 7.3 TCXDVN 33-2006 với vận tốc quy định cho ống đẩy đường kính 300 800mm từ 1,0 3,0 (m/s) Q1 ống = 188,4(l/s) = 0,188 (m3/s).
Với Q1 ống = 0,188 m3/s, chọn đường kính ống dẫn là D350, tra bảng ta được v = 1,15; 1000i = 5,33.
Đường kính ống đẩy riêng chọn là D300,tra bảng ta được v = 1,57; 1000i = 12.
- Xác định đường kính ống hút:
Theo bảng 7.3 TCXDVN 33-2006 với vận tốc quy định cho ống hút đường kính 300 800mm từ 0,8 1,5 (m/s) Q1 ống = 188,4 (l/s) = 0,188 (m3/s).
Với Q1 ống = 0,188 m3/s, chọn đường kính ống dẫn là D400, tra bảng ta được v = 0,89; 1000i = 2,80.
Đường kính ống hút riêng chọn là D300, tra bảng ta được v = 1,57; 1000i = 12.
f) Tính toán hệ thống cấp gió rửa lọc
- Cường độ rửa gió thuần tuý : Wg 60 (m3/m2h) = 0,01667(m3/m2.s).
- Chọn vận tốc gió trong ống gió là: Vg 20 (m/s).
Lưu lượng gió cần cung cấp:
qg Wg Fb 0,01667 28,28 0,5 (m3/s)
Đường kính ống dẫn gió là:
� �
� �
4 4 0,5
3,14 20 0,17
g g
g
d q
V (m) chọn dg = 200mm.
g) Tính toán hệ thống bơm gió
Lưu lượng gió cần thổi vào một bể là qg = 0,5 (m3/s) = 500 (l/s).
Chọn H = 6m.
h) Thiết bị điều khiển tốc độ lọc
- Tốc độ lọc trong mỗi chu kỳ lọc sẽ thay đổi theo thời gian do thay đổi tổn thất trong lớp vật liệu lọc. Để đảm bảo tốc độ lọc và đảm bảo chất lượng nước cần có thiết bị điều chỉnh tốc độ lọc.
- Dùng xi phông đồng tâm điều khiển tốc độ lọc.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ lọc bằng xiphông đồng tâm, cấu tạo gồm 2 ống thép lồng vào nhau. Nước lọc từ ống thu nước được vào ống thép phía trong của xiphông, tràn qua mép trên của ống và ra ống thép ngoài rồi chảy xuống hố thu nước. Việc điều chỉnh tốc độ lọc được thực hiện tự động nhờ phao đặt trong bể lọc. Khi mực nước trong bể lọc dâng lên, phao nổi lên theo giúp cho van gió đóng bớt khe gió làm giảm lượng khí vào xiphông làm độ chân không trong xiphông tăng lên, làm tăng lượng nước lọc thu vào xiphông. Mức tối đa của độ chân không trong xiphông bằng mức tăng tổn thất áp lực trong bể lọc. Hệ thống điều chỉnh tốc độ lọc bằng xiphông đồng tâm không có bộ phận truyền động, trọng lượng nhỏ, điều chỉnh chính xác và đều độ chênh áp trước và sau bể lọc.
Kết luận: Bể lọc AquqzurV sử dụng Đan lọc 2 tầng HDPE có 8 bể các thông số thiết kế của một bể như sau:
L (m) B(m) HXD (m) h1 (m) h2 (m) h3(m) h4(m) H5(m)
6,5 5,0 4,4 0,3 0,4 1,0 2,2 0,5