Bài giảng chương 2: Cơ sở các quá trình xử lý lý học

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ LÝ HỌC 2.1 QUÁ TRÌNH LẮNG 2.1.1 Giới Thiệu Chung Quá trình lắng và tuyển nổi là các quá trình tách các hạt cặn lơ lửng (phân tích bằng chỉ tiêu SS (mg/L) hoặc độ đục (FTU)) khỏi nước. Quá trình tách loại này thường xảy ra sau một khoảng thời gian lưu nước nhất định trong bể có điều kiện thích hợp cho quá trình lắng đối với hạt nặng hơn nước, hoặc quá trình tuyển nổi đối với hạt nhẹ hơn nước. Nước đã tách cặn Lớp ván Lớp bùn Hình 2.1 Quá trình lắng và tuyển nổi. Theo nồng độ và khuynh hướng tương tác giữa các hạt, có 4 dạng lắng được phân biệt như sau: lắng độc lập, lắng tạo bông, lắng cản trở và lắng trong vùng nén. Lắng độc lập và lắng tạo bông thường xảy ra khi hàm lượng cặn lơ lửng tương đối thấp. Lắng cản trở và nén xảy ra khi nồng độ cặn lơ lửng cao. Trong thực tế xử lý nước cấp và nước thải, 4 dạng lắng này thường xảy ra ở dạng phối hợp, nhưng khi thiết kế bể lắng, hai dạng lắng độc lập và lắng tạo bông đóng vai trò quyết định. t = 0 t = Dt t = 2Dt t = 0 t = Dt t = 2Dt Hình 2.2 Lắng độc lập và lắng tạo bông. 2.1.2 Ứng Dụng Thực Tế Quá trình lắng được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước. Trong lĩnh vực cấp nước, quá trình này được ứng dụng để xử lý nước ngầm và nước mặt. - Xử lý nước ngầm * Tách loại bông cặn (Fe(OH)3) sau khi oxi hóa Fe (II) thành Fe (III); * Xử lý nước đã dùng trong quá trình rửa lọc. - Xử lý nước mặt * Lắng là quá trình xử lý sơ bộ trước khi lọc nhanh và lọc chậm; * Keo tụ/ tạo bông/lắng là quá trình xử lý sơ bộ trước khi lọc nhanh; * Xử lý nước rửa lọc nhằm cô đặc cặn bùn từ thiết bị lọc. - Trong xử lý nước thải, quá trình lắng thường dùng để: * Lắng cát (tách cát từ nước cống); * Lắng cặn lơ lửng trong bể lắng đợt 1; * Lắng bông cặn sinh học trong bể lắng đợt 2, ví dụ sau bể bùn hoạt tính hoặc bể lọc nhỏ giọt; * Lắng bông cặn hóa học từ quá trình keo tụ. Bể tự hoại về cơ bản là một bể lắng trong đó quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra sau khi lắng bùn. 2.1.3 Các Loại Bể Lắng Các dạng bể lắng thông dụng nhất gồm có: - Bể lắng ngang; Bể lắng đứng; Bể lắng có vách ngăn; Bể lắng khay; Bể lắng ống. Hình 2.3 Bể lắng khay. Vùng tách váng Vùng lắng Hình 2.4 Bể lắng có vách ngăn. Nước thô Nước sau lắng chảy trở lại máng thu Dòng chảy đồng thời giữa nước và bùn lắng Bùn Nước sạch Hình 2.5 Bể lắng có vách ngăn Inka. Hình 2.6 Bể lắng ngang có băng cào bùn và gạt váng. Hình 2.7 Bể lắng đứng. 2.1.4 Quá Trình Lắng Độc Lập LÝ THUYẾT VỀ VẬN TỐC LẮNG CỦA CÁC HẠT LẮNG ĐỘC LẬP Quá trình lắng độc lập xảy ra khi trong suốt quá trình lắng các hạt cặn lơ lửng không thay đổi kích thước, hình dạng hoặc khối lượng. Khi được giải phóng trong môi trường lỏng, hạt sẽ chuyển động theo phương thẳng đứng từ trên xuống nếu tỉ trọng của hạt lớn hơn tỉ trọng môi trường chất lỏng xung quanh. Hạt sẽ được gia tốc cho đến khi lực ma sát của chất lỏng cân bằng với lực đẩy, sau đó vận tốc tương đối của hạt đối với môi trường chất lỏng theo phương thẳng đứng sẽ không thay đổi. Lực đẩy cân bằng với trọng lực của phần hạt chìm trong nước: (2.1) Trong đó rs và rw lần lượt là khối lượng riêng của hạt và nước, g là gia tốc trọng trường (9,81 m/s2) và V là thể tích hạt. Lực ma sát bằng: (2.2) Trong đó CD là hệ số ma sát, s là vận tốc lắng của hạt, và A diện tích tiết diện theo hướng chuyển động của hạt. Vận tốc lắng s được xác định từ cân bằng Fi = Fd: (2.3) Đối với hạt hình cầu có đường kính d, A= ¼ p d2 và V= p/6.d3. Thay các giá trị này vào phương trình (2.3) ta có: (2.4) Giá trị CD phụ thuộc vào độ lớn của hệ số Reynolds đối quá trình lắng: Re = (s.d)/n (2.5) Trong đó n là độ nhớt động học của chất lỏng. n là hàm số của nhiệt độ T và giá trị v đối với nước tinh khiết được trình bày ở Bảng 2.1. Bảng 2.1 Độ nhớt động học biến đổi theo nhiệt độ T (oC) n (m2.s-1) T (oC) n (m2.s-1) 0 5 10 15 20 1,79.10-6 1,52.10-6 1,31.10-6 1,15.10-6 1,01.10-6 25 30 35 40 0,90.10-5 0,80.10-5 0,73.10-5 0,66.10-5 Mối liên hệ giữa CD và Re đối với các hạt có hình dạng khác nhau được trình bày trong Hình 2.8 (Fair, Geyer,Okun, 1968). CD =24/Re CD = 24.Re-1 + 3.Re-1/2 + 0,34 Dạng cầu (quan sát) Dạng đĩa (quan sát) Dạng trụ (quan sát) Chiều dài = 5 đường kính 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 106 104 103 102 10 1 10-1 Hệ số Reynold, Re Hệ số Newton của lực đẩy CD Hình 2.8 Hệ số Newton của lực đẩy tương ứng với sự thay đổi hệ số Reynolds. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng: Re < 1 : CD = 24. Re-1 (dòng chảy tầng) (2.6) 1 < Re < 50 : CD = 24. Re-¾ (dòng chảy trong khu vực chuyển tiếp) (2.7) 50 < Re < 1620 : CD = 4,7. Re-1/3 (dòng chảy trong khu vực chuyển tiếp) (2.8) Re > 1620 : CD = 0,4 (dòng chảy rối) (2.9) Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng: Re < 1 : CD = 24. Re-1 (dòng chảy tầng) (2.6) 1 < Re < 50 : CD = 24. Re-¾ (dòng chảy trong khu vực chuyển tiếp) (2.7) 50 < Re < 1620 : CD = 4,7. Re-1/3¯ (dòng chảy trong khu vực chuyển tiếp) (2.8) Re > 1620 : CD = 0,4 (dòng chảy rối) (2.9) Thay thế những giá trị này vào phương trình vận tốc lắng, ta có: (2.10) (2.11) (2.12) (2.13) Re< 1 1<Re<50 50<Re<1620 Re > 1620 Từ những phương trình trên ta có thể kết luận rằng vận tốc lắng phụ thuộc vào kích thước hạt: hạt càng lớn và sự khác biệt giữa tỷ trọng của hạt so với nước càng cao, vận tốc lắng càng lớn. Vận tốc lắng cũng phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng. Nếu nhiệt độ giảm và độ nhớt của chất lỏng gia tăng, vận tốc lắng sẽ giảm. Những phương trình trên được thiết lập trên một số giả thiết mà trong thực tế sự khác nhau giữa giá trị vận tốc lắng thực nghiệm và vận tốc lắng tính toán được xem như không đáng kể. Giả thiết thứ nhất là hạt có dạng hình cầu, điều này hiếm khi xảy ra trong thực tế. Giá trị CD của hạt không có dạng hình cầu ứng với một giá trị Re xác định sẽ hơi lớn hơn (Hình 2.8) và tương ứng với vận tốc lắng nhỏ hơn. Giả thiết thứ hai là vận tốc của hạt ổn định trong suốt quá trình lắng. Thực ra, trong giai đoạn đầu của quá trình lắng, vận tốc của hạt (trong một khoảng thời gian rất ngắn ) tăng dần cho đến khi đạt giá trị ổn định . Tuy nhiên, ảnh hưởng của giả thiết này không đáng kể. Hơn nữa, khi các hạt rơi xuống sẽ tạo ra dòng chảy đi lên của chất lỏng trong môi trường xung quanh và làm giảm vận tốc lắng thực của hạt. Ảnh hưởng này cũng được xem là không đáng kể trong thực tế xử lý nước cấp và nước thải. XÁC ĐỊNH TẦN SUẤT PHÂN BỐ VẬN TỐC LẮNG Nước trong thiên nhiên chứa các hạt có kích thước, hình dạng, tỉ trọng khác nhau, các hạt này sẽ có vận tốc lắng khác nhau. Với những phương trình như trình bày trên, tần suất phân bố các vận tốc lắng này có thể xác định được khi biết thể tích, khối lượng và hình dạng của hạt. Tuy nhiên, hầu như những giá trị này không sẵn có và không dễ xác định hoặc không thể xác định được. Dó đó, tần suất phân bố hạt được xác định bằng mô hình thí nghiệm. Các thiết bị sử dụng cho thí nghiệm này được mô tả trong Hình 2.9 gồm một cột hình trụ tròn, làm bằng thủy tinh dẻo, cao 4 m. Nhiệt độ xung quanh cột phải được duy trì không đổi để tránh sự đối lưu của dung dịch thí nghiệm. Mẫu được lấy ở những độ sâu khác nhau. Đổ đầy mẫu nước có chứa cặn lơ lửng cần xác định vào cột và khuấy bằng cách bơm tuần hoàn để phân bố đều các hạt theo toàn bộ chiều sâu của cột. Bắt đầu khảo sát khi nước trong cột đã trở về trạng thái tĩnh. Tại thời điểm này và những khoảng thời gian quy định sau đó, mẫu nước sẽ được lấy ở những độ sâu khác nhau để phân tích SS, độ đục, độ màu, Fe, Al, độ cứng, BOD và COD hoặc những chỉ tiêu khác đặc trưng cho hiệu quả của quá trình lắng. Nguyên tắc lấy mẫu và phân tích được trình bày trong Hình 2.10 với giả thiết rằng có 3 loại hạt lắng ở 3 vận tốc lắng khác nhau (hạt 0, X và r). Mỗi hạt lắng với vận tốc không đổi trong suốt quá trình khảo sát, quá trình lắng của các hạt là đồng nhất. Kết quả thí nghiệm được tóm tắt trong Bảng 2.2. 1 2 3 4 5 Ống xiphôn Van Lấy mẫu phân tích Bể ổn định nhiệt Mẫu nước thí nghiệm Bùn Hình 2.9 Mô hình thí nghiệm quá trình lắng tĩnh. 1 2 1 2 t = 0 t = t1 1 2 t = t2 Hình 2.10 Thí nghiệm lắng tĩnh. Bảng 2.2 Ví dụ về sự phân bố vận tốc lắng Thời gian Độ sâu Hạt tồn tại Phần còn lại(p) Tỉ lệ khử (r) t1 t1 t2 t2 h2 h1 h2 h1 0 x r 0 x 0 x 0 1 2/3 2/3 1/3 0 1/3 1/3 2/3 Một cách gần đúng, vận tốc lắng của hạt có thể xác định như sau: h2 t2 h2 t1 < s < h1 t2 h1 t1 < s < h1 t1 s < Hạt r: Hạt x: Hạt 0: Trong nước tự nhiên các hạt tồn tại rất đa dạng nên tần suất phân bố vận tốc lắng là một đường cong. Khi một mẫu được khảo sát ở độ sâu H và tại thời điểm t, không có hạt nào có vận tốc lắng vượt qua H/t. Trong khi đó, tất cả các hạt có vận tốc lắng nhỏ hơn H/t lại tồn tại ở nồng độ ban đầu của chúng. Như vậy, ở độ sâu H và thời điểm t, s £ H/t. Đường cong tần suất phân bố tích tũy (đường cong p-s) đối với quá trình lắng độc lập có dạng như Hình 2.11. Độ sâu 0,5 m Độ sâu 1,0 m 1,0 0,5 1,5 x 10-3 0 20 40 60 80 100 p (%) m/s Vận tốc lắng Hình 2.11 Sự phân bố tần suất tích lũy của vận tốc lắng: đường cong p-s. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỂ LẮNG NGANG VỚI QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỘC LẬP Việc tách loại các hạt cặn lơ lửng bằng quá trình lắng thường được thực hiện trong thiết bị có dòng chảy liên tục. Mục đích thiết kế là nhằm tạo ra bể lắng có hiệu quả nhất định r ứng với lưu lượng cần xử lý Q (m3/s). Như đã phân tích (Hình 2.12), tất cả các hạt có vận tốc lắng s ³ s0 sẽ lắng hoàn toàn. H0 s0 = ---- (2.14) t0 Trong đó: - H0 = độ sâu của lớp nước trong bể lắng (m); - t0 = thời gian lưu nước (s). Các hạt có vận tốc lắng s < s0 chỉ lắng một phần trong lớp nước có độ sâu h = s.t0 tính từ đáy bể. Như vậy, tỉ lệ khử những hạt này bằng: (2.15) s > s0 v0 s s = s0 H0 v0 s s < s0 h' v0 s L Hình 2.12 Đường lắng của các hạt lắng độc lập trong bể lắng ngang. Tỷ lệ khử tổng cộng r trong bể lắng ngang xác định cho tất cả các hạt tồn tại trong bể được biểu diễn như sau: (2.16) Phương trình này cũng có thể biểu diễn dưới dạng: (2.17) hoặc (2.18) Trong đó, giá trị tích phân được đặc trưng bởi phần đánh dấu trong Hình 2.13 (bên trái). r cũng có thể được tính toán theo phương pháp đồ thị bằng cách vẽ đường nằm ngang để hai diện tích đánh dấu bằng nhau (Hình 2.13, bên phải). Diện tích bằng nhau 80 100% 60 40 20 0 p0 0 0,5 1,0 1,5 s, 10-3 m/s s0 r 1 - P0 80 100% 60 40 20 0 p0 0 0,5 1,0 1,5 s, 10-3 m/s s0 dP Hình 2.13 Sự phân bố tần suất tích lũy của vận tốc lắng. 0 0,5 1,0 1,5 x 10-3 m/s 0 20 40 60 100% 80 Tỷ lệ khử r s0 = H0.t0-1 Hình 2.14 Tỷ lệ khử các hạt có đường cong p-s như trình bày trong Hình 2.11. Nếu lưu lượng cần xử lý là Q (m3. s-1) và thời gian lưu nước t0 thể tích của bể sẽ là: V = Q.t0 = A.H0 (2.19) Trong đó A là diện tích bề mặt (m2), H0 là chiều cao cột nước trong bể (m). Theo tính toán như trình bày trên, tỷ lệ khử là hàm số của vận tốc tới hạn: (2.20) s0 là vận tốc lắng tới hạn, còn được gọi là tải trọng bề mặt của bể lắng tính bằng m3/m2h hoặc m/s. Như vậy, hiệu quả xử lý (r x 100%) ở một lưu lượng Q nhất định chỉ phụ thuộc vào diện tích bề mặt A (= L x W) và không phụ thuộc vào độ sâu của bể H0. Nguyên lý này chỉ đúng trong trường hợp lắng độc lập và không áp dụng trong trường hợp lắng tạo bông. Tuy nhiên, r không phụ thuộc vào độ sâu của bể không có nghĩa là có thể chọn giá trị H0 nhỏbất kỳ. Quá trình lắng chỉ có thể đạt hiệu quả nếu các điều kiện thủy lực được thỏa mãn đồng thời: mức độ chảy rối trong bể thấp, dòng chảy đủ ổn định và vận tốc theo phương ngang v0 không lớn đến nổi khiến các hạt đã lắng bị xáo trộn. Để tránh hiện tượng chảy rối, số Reynolds phải được duy trì trong khoảng nhỏ hơn 2000. (2.21) Trong đó: - W : chiều rộng của bể (m); - R : bán kính thủy lực (m); - H0 : độ sâu của bể (m); - v0 : vận tốc dòng chảy theo phương ngang (m/s). Tính ổn định của dòng chảy có ý nghĩa quan trọng trong việc ngăn chặn hiện tượng ngắn mạch dòng chảy xảy ra do ảnh hưởng của gió hoặc do chênh lệch tỉ trọng. Quá trình ổn định dòng chảy được bảo đảm dưới những điều kiện sau: (2.22) Fr là hằng số froude Khi vận tốc theo phương ngang lớn (v0 > vs) xảy ra gần đáy bể, xác suất xảy ra quá trình xáo trộn cặn cao: (2.23) Trong đó: - vs : vận tốc tới hạn gây hiện tượng xáo trộn cặn lắng (m/s); - w = 0,06; - q = 0,03. Vì dưới những điều kiện chảy tần: (2.24) Từ đó có thể xác định mối quan hệ giữa vận tốc tới hạn gây xáo trộn cặn vs và vận tốc lắng s đối với một loại hạt cho trước như sau, nếu g = 9,81 m.s-2 and n = 1,31.10-6 m2.s-1: (2.25) Giá trị s trong phương trình phải được lựa chọn sao cho chỉ một phần những hạt nhỏ nhất có thể bị xáo trộn. Đối với các hạt lắng tạo bông có khối lượng riêng 1030 kg/m3: (2.26) Trong đó, s là vận tốc lắng của hạt mịn nhất được giữ lại. 2.1.5 Quá Trình Lắng Tạo Bông Quá trình lắng tạo bông xảy ra khi, trong quá trình lắng, các hạt dần dần kết hợp với những hạt khác tạo thành những bông cặn lớn hơn và lắng xuống. Do đó, vận tốc lắng của các hạt tăng dần theo độ sâu lắng. Hiện tượng lắng tạo bông được mô tả trong Hình 2.15 và Hình 2.16 (Huisman 1997). Trái với quá trình lắng độc lập, hiệu quả xử lý của bể lắng tạo bông có khuynh hướng tăng theo độ sâu. Kích thước của bể lắng trong trường hợp lắng tạo bông cũng được xác định bằng mô hình thí nghiệm sử dụng cột lắng cao khoảng 3 m và có đường kính 0,15 m. Tỉ lệ khử r được tính toán bằng phương pháp đồ thị theo phương trình sau: (2.27) rn biểu thị tỷ lệ tách loại ở độ sâu Hn t = 0 t = Dt t = 2Dt t = 3Dt Hình 2.15 Quá trình lắng tạo bông. Thời gian Độ sâu lớp nước tính từ mặt thoáng Hình 2.16 Quá trình tạo bông liên tục. 2.1.5 Quá Trình Lắng Trong Bể Lắng Đứng Trong bể lắng đứng, dòng chảy từ trên xuống thúc đẩy sự hình thành các bông cặn và làm cho hiệu quả lắng cao hơn. Tải trọng bề mặt trong bể lắng đứng: Q A v0 = (2.28) Đối với bể lắng đứng chỉ có những hạt có vận tốc s > s0 = v0 bị tách loại, trong khi đó, ở bể lắng ngang, một phần các hạt có s £ s0 có thể lắng được. Do đó, bể lắng đứng không thích hợp đối với quá trình lắng độc lập. Xác Định Kích Thước Bể Lắng Trong một bể lắng thường tồn tại 4 vùng: vùng nước vào, vùng lắng, vùng thoát nước sau khi lắng và vùng lưu trữ và thải bùn. Thiết kế hợp lý mỗi vùng này có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu suất của bể lắng. Đối với một lưu lượng Q cần xử lý cho trước, những thông số cơ bản của vùng lắng như thể tích (V), độ sâu (H0), diện tích bề mặt (A) có thể xác định dựa trên khảo sát trong phòng thí nghiệm hoặc từ thực tế như đã trình bày ở trên. Tuy nhiên, việc thiết kế đầy đủ sẽ gồm nhiều bộ phận khác như vùng vào, vùng thoát nước sau xử lý, vùng trữ và thải bỏ bùn. Để thiết kế đầy đủ những bộ phận này, tham khảo sách giáo khoa Fair, Geyer và Okun (1968) và Metcaf và Eddy (1979).