Bể trộn và phản ứng tạo bông cặn

Chương 3 BỂ TRỘN VÀ PHẢN ỨNG TẠO BÔNG CẶN COÂNG TRÌNH VAØ THIEÁT BÒ TROÄN - Mục tiêu của quá trình trộn:
ðưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán ñều trong môi trường nước
Tạo ñiều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa hóa chất và các phần tử tham gia phản ứng - Biện pháp: Tạo dòng chảy rối trong nước - Khi thiết kế bể trộn cần căn cứ: + Loại hóa chất và tính chất của nó + Chất lượng nước thô + ðiều kiện ñịa phương - Hiệu quả trộn: phụ thuộc vào cường ñộ khuấy trộn và thời gian khuấy trộn.  Cường ñộ khuấy trộn:  Cường ñộ khuấy trộn quá nhỏ: hóa chất phân phối không ñều  Cường ñộ khuấy trộn quá lớn: các phần tử tham gia phản ứng trượt khỏi nhau khi tiếp xúc.  Cường ñộ khuấy trộn ñặc trưng bởi Gradien vận tốc G:
G: Gradien vận tốc (s-1)
P: naêng löôïng tieâu hao taïo boâng caën trong beå troän (J/s)
µ: ñoä nhôùt ñoäng löïc hoïc cuûa nöôùc (Ns/m2), ôû 20oC µ = 0,001Ns/m2
V laø theå tích beå troän (m3) G tối ưu phải xác ñịnh bằng thực nghiệm (kinh nghiệm: G = 200 – 1000s-1 PG Vµ = Thời gian khuấy trộn: là thời gian tính từ lúc bắt ñầu trộn cho ñến khi hóa chất phân tán ñều vào trong nước ñủ ñể hình thành các nhân keo tụ, nhưng không quá lâu làm ảnh hưởng ñến các phản ứng tiếp theo.  Kinh nghieäm: troän = 3 giaây - 2 phuùt, tuøy theo hoùa chaát troän  Chất kiềm hóa cho vào sau khi châm phèn 15s-1p  Chất oxi hóa cho vào ñể diệt rong tảo, oxi hóa chất hữu cơ phải cho vào trước khi trộn phèn 3 phút Phân loại trộn  Trộn thủy lực  Trộn cơ khí TRỘN THỦY LỰC Bản chất: Dùng các vật cản ñể tạo ra sự xáo trộn trong dòng chảy của hỗn hợp nước và hóa chất Tổn thất áp lực cần thiết phải tạo ra khi qua bể trộn:
H: Tổng tổn thất thủy lực qua bể trộn(m)
G: Gradien vận tốc (200-1000 s-1)
V: Thể tích bể trộn (m3)
Q: Lưu lượng nước qua bể (m3/s)
g: Gia tốc trọng trường 9,81 (m/s2)
v: ðộ nhớt ñộng học của nước (m2/s) 2G VH gQ υ = Các thiết bị trộn thủy lực  Trộn trong ống dẫn: + Quaù trình troän dieãn ra trong oáng ñaåy maùy bôm caáp I + Vaän toác trong oáng: 1,2-1,5m/s. + Chieàu daøi oáng troän tính theo toån thaát aùp löïc ≅ 0,3- 0,4m. + Neáu oáng quaù ngaén, khoâng ñuû thoûa maõn H thì laép theâm vaønh chaén: Các thiết bị trộn thủy lực  Beå troän vaùch ngaên: Gồm một ñoạn mương bê tông cốt thép có các vách trộn chắn ngang. - Trên vách ngăn khoét các lỗ cho nước ñi qua +Tieát dieän cöûa hoaëc loã tính vôùi vaän toác nöôùc ñi qua laø vloã = 1m/s. + Ñöôøng kính loã dloã = 20 – 40 mm. + Soá loã treân moãi vaùch ngaên:
Q: lưu lượng nước qua bể trộn (m3/s)
v: Vân tốc nước qua lỗ (m/s)
d: ñường kính lỗ + Tổn thất áp lực qua mỗi vách ngăn: 0,1 – 0,15m + Kích thước bể tính theo vận tốc nước chảy ở phần mương thu cuối bể 0,6 – 0,7 m/s + Khoảng cách giữa các vách ngăn không nhỏ hơn chiều rộng bể trộn + Thời gian trộn: 1-2 phút + Áp dụng ñối với hóa chất trộn là phèn, xô ña (sinh viên về nhà làm bài tập VD1: Tr 113 – Trinh Xuan Lai) 2 4Q n d v = Π Các thiết bị trộn thủy lực  Bể trộn ñứng: söû duïng trong caùc heä thoáng duøng voâi söõa Tính toán bể trộn ñứng: + Vaän toác nöôùc vaøo ôû mieäng döôùi ñaùy beå v1 = 1-1,2m/s. + Vaän toác nöôùc daâng ôû thaân treân v2 = 25- 28mm/s. + Thôøi gian hoøa troän: - Pha troän vôùi pheøn vaø soda, xuùt: t = 2 phuùt. - Pha troän vôùi pheøn vaø voâi: t = 3 phuùt. + Dieän tích maët baèng cuûa beå: F1 ≤ 15m2 + Theo maùng voøng xung quanh beå coù ñuïc loã chaûy ngaäp vaøo maùng daãn tôùi maùng taäp trung, töø ñoù chaûy sang coâng trình keá tieáp. Vaän toác nöôùc trong maùng thu vm = 0,6m/s. + Cuõng coù theå söû duïng giaøn oáng khoan loã ñeå thu nöôùc thay cho maùng voøng. + Vaän toác nöôùc chaûy qua loã vloã = 0,8-1,2m/s, ñöôøng kính loã dloã = 25-30mm. + Thể tích bể:
Q laø löu löôïng nöôùc qua beå (m3/s)
t laø thôøi gian nöôùc löu trong beå (phuùt); N laø soá beå + Chieàu cao phaàn coân cuûa beå + Chiều cao phần hình trụ: + Chiều cao bảo vệ: 0,3 – 0,5m (Sinh viên về nhà làm bài tập: VD(2-3) Tr38, Nguyen Ngoc Dung) 3. ( ) 60b QtV m N = 2 1 2 1cot ( ); ; ; ( )2 2 n n a b Qh g m a F b F F m V α− = = = = 3 32 2 1 1 1 2 1 2 2 1 2 1( ); ( . )( ); ( ) 3 b Vh m V h F F F F m V V V m F = = + + = − Trộn cơ khí  Bể trộn cơ khí: là dùng năng lượng cánh khuấy ñể tạo ra dòng chảy rối - Ưu ñiểm so với trộn thủy lực + Có thể ñiều chỉnh tốc ñộ khuấy trộn theo ý muốn + Thời gian khuấy trộn ngắn => dung tích bể nhỏ => tiết kiệm diện tích xây dựng - Nhược ñiểm so với trộn thủy lực: Người vận hành phải có trình ñộ nhất ñịnh - ðược áp dụng ñối với trạm xử lý có công suất vừa và lớn, mức ñộ cơ giới hóa và tự ñộng hóa cao. Thiết bị trộn cơ khí Thiết bị trộn cơ khí COÂNG TRÌNH VAØ THIEÁT BÒ PHAÛN ÖÙNG  Mục tiêu, nhiệm vụ của bể phản ứng: Tạo ñiều kiện thuận lợi nhất ñể các hạt keo phân tán trong nước sau quá trình pha trộn với phèn ñã mất ổn ñịnh có khả năng va chạm, kết dính với nhau ñể tạo thành các hạt cặn có kích thước ñủ lớn có thể lắng trong bể lắng hay giữ lại ở bể lọc.  Khi thiết kế bể phản ứng cần căn cứ vào: - Chất lượng nước thô - Các công trình xử lý ñặt sau bể phản ứng - ðiều kiện ñịa phương  Hiệu quả tạo bông phụ thuộc vào: cường ñộ khuấy trộn và thời gian khuấy trộn - Gphản ứng = 30 – 70 s-1 - Tphản ứng = 15 – 35 phút (So sánh với các giá trị tương ướng của quá trình trộn?)  Các loại bể phản ứng  Thủy lực  Cơ khí  Khí nén  Tiếp xúc qua lớp cặn lơ lửng hay vật liệu rắn  Tuần hoàn lại cặn BỂ PHẢN ỨNG THỦY LỰC  Nguyên lý: Sử dụng năng lượng dòng nước kết hợp với các giải pháp về cấu tạo ñể tạo ra các ñiều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc và kết dính giữa các hạt keo và cặn bẩn trong nước.  Phân loại: - Bể phản ứng xoáy: Hình trụ và hình côn - Bể phản ứng có vách ngăn - Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng Bể phản ứng thủy lực: xoáy hình trụ  Thường ñặt trong bể lắng ñứng  Áp dụng cho các nhà máy có công suất nhỏ +Toác ñoä nöôùc ra khoûi voøi phun choïn vv = 2- 3m/s. + Toån thaát aùp löïc taïi voøi phun: h = 0,06vv2(m) + Khoaûng caùch töø mieäng voøi phun ñeán thaønh = 0,2 ñöôøng kính beå phaûn öùng. + Ñöôøng kính beå phaûn öùngï xoaùy:
Q laø löu löôïng nöôùc caàn xöû lyù (m3/s)
t laø thôøi gian löu, choïn töø 15-20 phuùt
H laø chieàu cao beå phaûn öùng, choïn = 0,9 chieàu cao vuøng laéng cuûa beå laéng
n laø soá beå phaûn öùng laøm vieäc ñoàng thôøi 4 . 60. . . QtD Hn = Π + Ñöôøng kính mieäng voøi phun:
qv laø löu löôïng nöôùc qua 1 voøi phun (m3/s)
µ laø heä soá löu löôïng, = 0,908 vôùi mieäng phun hình noùn coù goùc β = 25o
vv laø vaän toác nöôùc qua voøi (choïn = 2 – 3 m/s) + Cöôøng ñoä khuaáy troän trong beå:
Q laø löu löôïng nöôùc caàn xöû lyù (m3/s)
γ laø khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc (kg/m3)
V laø theå tích beå phaûn öùng (m3)
ν laø ñoä nhôùt ñoäng hoïc cuûa nöôùc (m2/s)
n: hệ số nhớt ñộng học của nước - Ñaùy beå phaûn öùng: vaùch ngaên höôùng doøng xeáp hình nan quaït ñeå daäp taét chuyeån ñoäng xoaùy vaø phaân phoái ñeàu nöôùc vaøo beå laéng. 1,13 vv v qD vµ = 2 1. . ( ) 2 . Q vG s V γ η − = Bể phản ứng thủy lực: xoáy hình côn  Bể có dạng như 1 cái phễu lớn  Nước ñi vào dưới ñáy bể và dâng dần lên mặt bể 1. Ñöôøng daãn nöôùc vaøo beå 2. Maùng thu nöôùc xung quanh beå 3. Maùng taäp trung 4. Nöôùc ra khoûi beå 5. Van xaû caën - Thời gian lưu nước 6-10p - Góc giữa các tường nghiêng: 50-70 ñộ - Tốc ñộ nước ñi vào ñáy bể: 0,7-1,2 m/s - Tốc ñộ nước ñi lên nhỏ nhất 4-5 mm/s (dùng vôi thì lấy 8 mm/s) - Tổn thất áp lực 20-50mm cho mỗi mét chiều cao bể. - Tốc ñộ nước chuyển ñộng trong máng thu ≤ 0,1m/s - Nước trước khi vào bể phải ñược tách khí - Ưu ñiểm: Hiệu quả cao, TTAL và dung tích nhỏ - Nhược ñiểm: khó tính toán bộ phận thu nước; khó xây dựng, chỉ áp dụng cho trạm xử lý có công suất nhỏ. Bể phản ứng thủy lực: có vách ngăn  Thường ñược xây dựng kết hợp với bể lắng ngang 1. Möông daãn nöôùc vaøo/ra 2. Möông xaû caën 3. Cöûa ñöa nöôùc vaøo 4. Cöûa ñöa nöôùc ra 5. Van xaû caën 6. Vaùch ngaên höôùng doøng + Dung tích beå: phuï thuoäc thôøi gian nöôùc löu laïi beå caàn thieát. - t = 20 phuùt khi xöû lyù nöôùc ñuïc. - t = 30-35 phuùt khi xöû lyù nöôùc coù maøu vaø ñoä ñuïc thaáp. + Toác ñoä chuyeån ñoäng cuûa nöôùc trong beå: - Choïn vñ = 0,2-0,3m/s - Coù theå giaûm daàn toác ñoä cuûa nöôùc ôû cuoái beå xuoáng vc = 0,1m/s ñeå traùnh phaù vôõ boâng caën baèng caùch taêng khoaûng caùch giöõa 2 vaùch ngaên. + Thöôøng beå coù töø 8-10 choã ngoaët ñoåi chieàu doøng nöôùc. + Khoaûng caùch giöõa caùc vaùch ngaên khoâng nhoû hôn 0,7m ñoái vôùi beå coù vaùch ngaên ngang vaø coù theå nhoû hôn 0,7m ñoái vôùi beå coù vaùch ngaên ñöùng. + Ñoä doác ñaùy beå ≅ 0,02-0,03 ñeå xaû caën. + Hieäu quaû phaûn öùng coù theå ñieàu chænh theo chaát löôïng nöôùc nguoàn baèng caùch giaûm chieàu + Chieàu saâu trung bình cuûa beå: Hb = 2 - 3m + Toån thaát aùp löïc qua toång caùc vaùch ngaên:
G laø cöôøng ñoä khuaáy troän caàn choïn (s-1)
V laø theå tích beå phaûn öùng (m3)
Q laø löu löôïng nöôùc qua beå (m3/s)
g laø gia toác troïng tröôøng = 9,81m/s2
ν laø ñoä nhôùt ñoäng hoïc cuûa nöôùc (m2/s) + Toång toån thaát cuïc boä taïi caùc choã ngoaët: H = 0,15.v 2.m (m) v laø vaän toác nöôùc qua choã ngoaët (m/s) m laø soá choã ngoaët - Ưu ñiểm: dễ xây dựng, dễ quản lí và vận hành - Nhược ñiểm: khối lượng và diện tích xây dựng lớn 2 . . ( ) . G VH m gQ ν =  Tính toán: - Theå tích beå:
Q laø löu löôïng nöôùc qua beå (m3/s)
t laø thôøi gian nöôùc löu trong beå (phuùt)
N laø soá beå - Dieän tích beà maët beå: Hb laø chieàu cao beå (m), thöôøng choïn Hb = 2-3m - Soá haønh lang:
Lb laø chieàu daøi beå (m),thöôøng choïn baèng chieàu roäng beå laéng ngang
δ laø ñoä daøy vaùch ngaên (m)
b laø chieàu roäng moãi haønh lang (m) - Chieàu roäng moãi haønh lang:
v laø toác ñoä nöôùc chaûy doïc theo haønh lang (m/s)
n laø soá haønh lang (VD: tr128 – Trinh Xuan Lai) 3. ( ) 60b QtV m N = b b b VF H = bLn b δ δ + = + ( ) 3600. . .b Qb m v H n = Bể phản ứng thủy lực: có lớp cặn lơ lửng  Thường ñược xây dựng trước bể lắng ngang, chiều rộng = chiều rộng bể lắng ngang  Cấu tạo và nguyên tắc hoạt ñộng (tr 127 – Trinh Xuan Lai)  Tốc ñộ nước ñi lên: 0,9mm/s;1,2mm/s; 1,6mm/s; 2,2mm/s tương ứng với nồng ñộ cặn của nước nguồn: 20mg/l; 20- 50mg/l; 50-250mg/l; > 250mg/l.  Thời gian lưu nước ≥ 20p  Vận tốc dòng chảy ngang trên các vách ngăn < 0,05m/s  Khoảng cách giữa các vách ngăn: 3-4m  Vận tốc nước trong ống phân phối: 0,3 – 0,6m/s  TTAL: 1-2cm/1m chiều cao cột nước  Phía sau tường tràn ñặt 1 tấm ngăn sâu ¼ chiều sâu của bể  Ưu ñiểm: Hiệu quả, dễ vận hành, cấu tạo ñơn giản, không tốn chiều cao xây dựng  Nhược ñiểm: Khởi ñộng chậm Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí  Bản chất: dùng năng lượng cánh khuấy chuyển ñộng trong nước ñể tạo ra sự xáo trộn trong dòng chảy + Theå tích cuûa beå tính theo thôøi gian löu nöôùc t töø 10-30 phuùt. + Maùy khuaáy coù theå choïn loaïi guoàng khuaáy vôùi truïc khuaáy theo phöông ngang beå, caùnh phaúng, ñaët ñoái xöùng ôû 2 hay 4 phía quanh truïc vaø toøan boä chìm trong nöôùc. + Toác ñoä quay cuûa guoàng khuaáy khoaûng 3 – 5 voøng/phuùt. + Toång dieän tích baûn caùnh khuaáy töông ñöông khoaûng 15-20% dieän tích maët caét ngang beå. + Moãi oâ vuoâng ñaët 1 guoàng khuaáy. Soá oâ khoaûng 3-4. + Ñöôøng kính guoàng tính ñeán meùp caùnh khuaáy ngoaøi cuøng laáy < beà roäng (chieàu saâu beå) 0,3-0,4m. + Toác ñoä chuyeån ñoäng cuûa caùnh khuaáy: 1 2 . ( / ) 60 RnV m sΠ= + Toác ñoä chuyeån ñoäng töông ñoái cuûa caùnh khuaáy vôùi nöôùc: n laø toác ñoä quay (voøng/phuùt) + Ñeå traùnh laøm vôõ hoaëc laéng caùc boâng caën lôùn: 0,25m/s ≤ vn ≤ 0,75m/s + Cöôøng ñoä khuaáy troän: + Naêng löôïng caàn thieát ñeå caùnh khuaáy chuyeån ñoäng: P = 51.C .F .v3 (W)
F laø toång dieän tích caùc baûn caùnh (m2)
vn laø toác ñoä chuyeån ñoäng töông ñoái cuûa caùnh khuaáy vôùi nöôùc (m/s)
C laø heä soá söùc caûn cuûa nöôùc, phuï thuoäc vaøo tæ leä chieàu roäng/chieàu daøi caùnh khuaáy
Khi l/b = 5 thì C = 1,2 Khi l/b = 20 thì C = 1,5 Khi l/b > 20 thì C = 1,9 1 1 1 1 1 0,75 4n a V V V V V V= − = − = PG Vµ = Bể tạo bông tiếp xúc qua lớp vật liệu hạt ðược áp dụng trong trường hợp nước nguồn có nhiều cặn hữu cơ nhẹ - Thời gian keo tụ tiếp xúc 3-5 phút - Lớp tiếp xúc là các hạt sỏi, cỡ hạt 3-5mm, chiều dày 0,5-0,8m - Vận tốc nước ñi qua lớp lọc 10-15m/h - Gradien vận tốc: G=50-400 s-1 - Bể keo tụ tiếp xúc ñồng thời là bể lọc sơ bộ Quản lý và vận hành bể phản ứng Các vấn ñề cần quan tâm: - Quan sát sự hình thành các bông cặn, kích thước và ñộ ñều chắc của hạt bông. - Kiểm tra thường xuyên việc phân phối lưu lượng ñều vào bể, vớt kịp thời các váng nổi - Làm vệ sinh từng ngăn của bể theo ñịnh kỳ 6 tháng hoặc 1 năm. - Tùy theo chất lượng nước thay ñổi theo từng mùa mà ñiều chỉnh cường ñộ khuấy trộn ñể ñạt hiệu quả tạo bông cao nhất - Test mẫu nước hàng ngày ñể ñiều chỉnh lượng phèn phù hợp và khắc phục kịp thời các sự cố.