CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT VÀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
3.3 Thiết kế công nghệ xử lý
3.3.5 Bồn lọc áp lực
Vị trí trong công nghệ xử lý
Nhiệm vụ
Là quá trình làm sạch nước dưới áp lực lớn thông qua lớp vật liệu lọc nhằm tách các hạt cặn lơ lửng còn sót lại sau các công trình trước đảm bảo tiêu chuẩn nước ăn uống và sinh hoạt.
Cấu tạo bể lọc
Bao gồm vỏ bể, lớp vật liệu lọc, hệ thống thu nước lọc và phân phối nước rửa lọc, hệ thống dẫn nước vào bể lọc và thu nước rửa lọc.
Xác định kích thước bồn lọc áp lực
Bể lọc áp lực thiết kế sử dụng một lớp vật liệu lọc là cát thạch anh có các thông số lấy theo bảng các chỉ tiêu về vật liệu lọc và tốc độ lọc của bể lọc áp lực sau đây
Bảng 3.11 Các chỉ tiêu về vật liệu lọc và tốc độ lọc của bể lọc
Loại bể lọc
Đặc điểm lớp vật liệu lọc Tốc độ lọc (m/h)
dmin
(mm)
dmax
(mm) dtd (mm) K L (mm)
Bình thường
V
Tăng cường
Vtc
Lọc 1 lớp
0,5 0,7
1,2 1,5
0,7÷0,75 0,9÷1,0
2,0÷2,2 1,8÷2,0
700÷800 1200÷1300
10 15
15 20
Lọc 2 lớp
0,5 1,2 0,7÷0,75 2
Cát thạch anh 400÷500
15 20
0,8 1,8 1,1÷1,2 2
Than antraxit 400÷500 Bể chứa
trung gian
Bồn lọc áp lực
(Bảng 4.10/153/ [3])
⇨ Chọn Chiều cao lớp cát thạch anh hvl = 1,2m, đường kính hiệu quả dtd= 1mm, hệ số đồng nhất K = 2.
Tốc độ lọc ở chế độ bình thường v = 15 m/h Diện tích bề mặt bể lọc áp lực
F =Q
v =250
15 = 16,7 m2 Trong đó
Q: lưu lượng nước đi vào các bể, Q = 6000m3/ngày.đêm = 250 m3/h
v: tốc độ lọc tính toán khi bể lọc làm việc bình thường (m/h), chọn Vtb = 15 m/h Số bể lọc
N = 0,5√F = 0,5x√16,7 = 2,1
⇨ Chọn N=3 bể
Kiểm tra tốc độ lọc tăng cường với điều kiện đóng 1 bể để rửa vtc = vtbx N
N − N1 = 15 x 3
2= 22,5 m/h
(Mục 6.105/ [1]) Trong đó
N1 số bể lọc rửa cùng một thời gian, thường chọn N1=1 Vtc nằm trong giới hạn cho phép theo bảng 6.2
⇨ vtc= 22,5 m/h > 20 m/h (không an toàn). Vì vậy tăng số bể lọc, chọn N = 4 bể.
Lưu lượng nước qua mỗi bể lọc q = Q
N =250
4 = 62,5 m3/h Diện tích một bể lọc
f = F
N=16,7
4 = 4,175 m2
Đường kính một bể lọc
D = √4. F
π = √4x4,175
π = 2,3 m Chiều cao toàn phần của bể lọc áp lực
H = Hđ + Hvl + Hn + Hph + Hxd + Htn = 0,2 + 1,2 + 0,5 + 0,5 + 0,5 + 0,3 = 3,2 m Trong đó
Hđ: chiều cao sỏi đỡ (m), chọn Hđ = 200 mm (Điều 6.110/ [1]) Hvl: chiều cao lớp vật liệu lọc. Hvl= 1,2 m
Hn: chiều cao lớp nước trên vật liệu lọc, chọn Hn = 0,5 m (Mục 7.9/256/ [2]) Hph: chiều cao phụ kể đến việc dâng nước khi bể rửa, chọn Hph = 0,5 m (Điều 6.106/ [1])
Htn: chiều cao tầng thu nước. Chọn Htn = 0,5 m Hxd: chiều cao dự trữ. Chọn Hxd = 0,3 m
Thiết kế hệ thống dẫn nước và thu nước
Nước vào bồn lọc áp lực thông qua ống phân phối chính. Sau đó nước được lọc qua 1 lớp vật liệu lọc và được thu lại vào các chụp lọc thu nước tại sàn thu dưới đáy bồn lọc.
Đường kính ống dẫn nước vào bồn D = √4. q
π. vn = √4x0,0173
πx1,5 = 0,12 m Trong đó
q: lưu lượng nước qua mỗi bể. q = 62.5 m3/h = 0,0173 m3/s
Vn: vận tốc nước chảy trong ống dẫn Vn = 1,5 m/s (Điều 6.111/ [1])
⇨ Chọn ống dẫn nước vào bồn HDPE, DN = 125 mm Đường kính ống thu nước mỗi bể
D = √4. q
π. vn = √4x0,0173
πx1,5 = 0,12 m
Trong đó
q: lưu lượng nước qua mỗi bể. q = 62,5 m3/h = 0,0173 m3/s
Vn: chọn vận tốc nước chảy sau lọc bằng vận tốc nước chảy vào bồn lọc Vn = 1,5 m/s
⇨ Chọn ống thu nước HDPE, DN = 125 mm
Đường kính ống dẫn nước về bể chứa của 2 cụm bể lọc D = √4. q
π. vn = √4x0,0694
πx1,5 = 0,17 m Trong đó
q: lưu lượng nước về bể chứa. q = 125 m3/h = 0,0347 m3/s Vn: vận tốc nước chảy vào bể chứa Vn = 1,5 m/s
⇨ Chọn ống dẫn HDPE, DN = 180 mm Thiết kế hệ thống phân phối nước rửa lọc
Sau thời gian làm việc, hàm lượng cặn giữ lại trong lớp vật liệu lọc đạt giới hạn.
Cần phải rửa lọc. Sử dụng phương án rửa lọc nước và gió kết hợp sẽ giảm đáng kể lượng nước sạch tiêu hao.
Rửa lọc bằng nước
Qn = f. Wn
1000 =4,175 x 8
1000 = 0,0334 m3/s Trong đó
f: Diện tích bề mặt 1 bồn lọc cần rửa ( m2 )
W: Cường độ nước rửa lọc. Chọn W=8 l/s.m2 (Điều 6.123/ [1]) Đường kính ống cấp nước rửa lọc
Dn = √4 x Qn
π x vn = √4 x 0,0334
π x 2 = 0,145 m Trong đó
vn vận tốc nước rửa bể lọc. Chọn vn = 2 m/s. (Điều 6.111/ [1]).
⇨ Chọn ống HDPE, DN = 160 mm
Thiết kế ống thu nước rửa lọc lồng vào ống dẫn nước vào bể:
Drl = Dn + D = 0,145 + 0,12 = 0,265 m Trong đó
Dn: Đường kính ống cấp nước rửa lọc. Dn = 0,145 m D: Đường kính ống dẫn nước vào bể. D = 0,12 m
⇨ Chọn ống HDPE, DN = 280 mm Lưu lượng gió tính toán
Qgió =f x Wgió
1000 =4,175 x 15
1000 = 0,062 m3/s Trong đó
f: Diện tích bề mặt 1 bồn lọc cần rửa ( m2 ) W: Cường độ gió rửa lọc. Chọn W=15 l/s.m2 Đường kính ống gió
Dgió = √4 x Qgió
π x vgió = √4 x 0,062
π x 15 = 0,072 m Trong đó:
Vgió vận tốc gió trong ống. Chọn vgió = 15 m/s.
⇨ Chọn ống HDPE, DN = 75 mm
⇨ Chọn ống xả khí thép trong bồn lọc, DN = 50 mm Thiết kế hệ thống thu nước sau lọc
Sử dụng chụp lọc đuôi dài với số lượng 40 cái /m2. (Điều 6.122/ [1]) Vật liệu sàn chụp lọc là thép không gỉ.
Sàn có khoan lỗ gắn các chụp lọc. Chụp lọc làm bằng nhựa ABS, loại chụp lọc đuôi ngắn xẻ khe.
Tổng số chụp lọc trên 1 bể
N = 40 x f = 40 x 4,175= 167 chụp lọc
Tổn thất áp lực qua chụp lọc h = v2
2gμ2 = 1,82
2 x 9,81 x 0,52 = 0,66 m Trong đó
V – tốc độ chuyển động của nước và gió qua khe hở của chụp lọc. Lấy không được nhỏ hơn 1,5 m/s; chọn v = 1,8m/s
à Hệ số lưu lượng chụp lọc. Đối với chụp lọc khe hở à=0,5 Thiết kế máy bơm nước rửa lọc
Lưu lượng nước rửa lọc
Q = W x F = 8 x 4,175 = 33,4 l/s Trong đó
W: Cường độ nước rửa lọc. Tính theo giai đoạn nước thuần túy. Chọn W= 8 l/s.m2
F: Diện tích 1 bể lọc Cột áp máy bơm
Hbơm = H1 + H2 + H3 = 4,4 + 8 + 1,3 = 13,7 m chọn 15m Trong đó
H1: chiều cao hình học tính từ cột nước thấp nhất trong bể chứa đến ống thu nước rửa lọc.
H1 = Hđ + Hvl + Hn + Htn+ Hmd + Hbc = 0,2 + 1,2 + 0,5 + 0,5 + 0,5 + 1,5 = 4,4 m Với
Hđ: chiều cao sỏi đỡ (m), chọn Hđ = 200 mm (Điều 6.110/ [1]) Hvl: chiều cao lớp vật liệu lọc. Hvl= 1,2 m
Hn: chiều cao lớp nước trên vật liệu lọc, chọn Hn = 0,5 m (Mục 7.9/256/ [2]) Htn: chiều cao tầng thu nước. Chọn Htn = 0,5 m
Hmd: chiều cao cốt mặt đất đến đáy bồn bể lọc. Chọn Hmd = 0,5 m Hbc: chiều cao mực nước bể chứa. Chọn Hbc = 1,5 m
H2 Cột áp để khắc phục trở lực trong bồn lọc áp lực bao gồm trở lực lớp sỏi đỡ, trở lực lớp vật liệu lọc và trở lực phá vỡ kết cấu ban đầu của lớp vật liệu lọc.Chọn H2 = 8m (Điều 6.106/ [1])
H3 Cột áp để khắc phục trở lực trên đường ống.
H3 = i.L + ∑ § x v2g2 = 0,0169 x 30 + 8.55 x 1,362
2 x 9,81= 1,3 m Với
i: tổn thất đơn vị theo chiều dài, đường kính ống dẫn nước rửa lọc D=140mm, qn = 13,8 l/s. v = 1,36 m/s, i= 0,0169. (Bảng IV/94/ [5])
l: chiều dài đoạn ống. Chọn sơ bộ chiều dài đoạn ống 30m
§ trở lực cục bộ. Trên đường ống dẫn nước rửa lọc vào bể có các phụ tùng sơ bộ như sau
1 cút 1350, 5 cút 900, 2 tê, 1 van 1 chiều, 1 van cổng, 1 van bướm mở khóa hoàn toàn, miệng vào và ra ống.
∑ § = 0,3 + 5 x 0,5 + 2 x 1,5 + 1,7 + 2 x 0 + 0,05 + 1 = 8,55 Công suất bơm
Nb =Qb x Hb x g x f
1000 x μ =0,033 x 15 x 9,81 x 1000
1000 x 0,8 = 6,1 kW Trong đó
Qb: Lưu lượng bơm rửa lọc q = 33,4 l/s = 0,033 m3/s f: Khối lượng riêng của nước, f = 1000 kg/m3
G: Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2 H: Cột áp máy bơm chọn H = 15m N: Hiệu suất máy bơm. Chọn n = 0,8
⇨ Chọn 2 bơm làm việc luân phiên EBARA rời trục FSA, Qb = 33,4 l/s, Hbơm = 15m
Thiết kế bơm gió rửa lọc Lưu lượng bơm gió
Q = Wg x F = 15 x 4,175 = 62,625 l/s Trong đó
Wg Cường độ gió rửa lọc; Wg = 15 l/s.m2 F: Diện tích 1 bể lọc
Cột áp cần thiết cho máy bơm
H = H1 + H2 + H3 = 0,5 + 3,62 + 0,5 = 4,62 m chọn 5m Trong đó
H1 cột áp khắc phục tổn thất áp lực chung trong ống dẫn khí tính từ máy thổi khí đến bể lọc. Chọn H1 = 0,5m (Mục 7.16/278/ [2])
H2 cột áp khắc phục cột nước và lớp cát lọc trên lỗ phân phối gió (Mục 7.16/278/ [2])
H2 = γ1x Hc+ Hn =2,6 x 1,2 + 0,5 = 3,62 m Với:
γ Trọng lượng riêng của cát γ = 2,6 Hc Chiều cao lớp lọc cát thạch anh 1,2 m
Hn chiều cao lớp nước từ mặt lớp vật liệu lọc đến mép máng = 0,5m H3: áp lực dữ trự; H3 = 0,5m
Công suất bơm khí
Nb =Qb x Hb x g x f
1000 x μ =0,06 x 5 x 9,81 x 1000
1000 x 0,8 = 3,7 kW Trong đó:
Qb: Lưu lượng bơm khí q = 62,625 l/s = 0,06 m3/s f: Khối lượng riêng của nước, f = 1000 kg/m3 G: Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2
H: Cột áp máy bơm chọn H = 5m N: Hiệu suất máy bơm. Chọn n = 0,8
⇨ Chọn 2 bơm khí làm việc luân phiên TAIKO-SSR, Q
Thiết kế ống nước thu nước lọc đầu Lượng nước lọc đầu của 1 bể
Qlđ = Q x t = 50 x 10
60= 8,3 m3/h Trong đó
Q: Lưu lượng nước vào 1 bể
t : Thời gian xả nước lọc đầu. Chọn t = 10p Đường kính ống xả nước lọc đầu
Dlđ = √4 x Qlđ
π x v = √4 x 0,002
π x 1,5 = 0,04 m
⇨ Chọn ống HDPE, DN = 50mm Tính toán chu kì lọc của bể
Các thông số đươc lựa chọn của bể lọc
Chiều cao lớp cát thạch anh hvl = 1,2m, đường kính hiệu quả dtd= 1mm, hệ số đồng nhất K = 2
Độ nở tương đối của vật liệu lọc. e = 25% (Bảng 6.13/ [1])
Thể tích cặn của bể lọc chứa được V =1
4x e x hvlx f = 1
4 x 0,25 x 1,2 x 4,175 = 0,31 m3 Trọng lượng cặn chiếm 4%, lớp cát có thể giữ lại
Gc = 40 kg/m3 x 0,31 m3 = 12,4 kg Lượng cặn mà lớp cát lọc phải giữ lại trong 1 giờ:
m = C x Q = 10 x 62,5 = 0,62 (kg/h) Trong đó:
Q: lưu lượng nước chảy qua 1 bể lọc. Q = 62,5 m3/h
C : hàm lượng cặn của nước trước khi vào bồn lọc. C = 10mg/l = 10g/m3.
Chu kỳ lọc
T = Gc
m =12,4
0,62= 20 h
Bảng 3.12 Thông số thiết kế bồn lọc áp lực
STT Tên thông số Số liệu tính
toán
Số liệu thiết
kế Đơn vị
1 Diện tích 1 bồn lọc 4,175 4.2 m2
2 Số bồn lọc 4 4 bồn
3 Đường kính bồn lọc 2,3 2,3 m
4 Chiều cao xây dựng bồn lọc 3,2 3,2 m
5 Đường kính ống dẫn nước vào
bồn 120 125 mm
6 Đường kính ống thu nước 120 125 mm
7 Đường kính ống cấp nước rửa
lọc 145 160 mm
8 Đường kính ống gió rửa lọc 70 75 mm
9 Đường kính ống thu nước rửa lọc 265 280 mm
10 Đường kính ống xả nước lọc đầu 40 50 mm