Tính toán thiết kế dây chuyền công nghệ

b rất nhỏ so với Hđh và hđ đ nên ta có thể bỏ qua. Vậy cột áp toàn phần của máy bơm cần phải tạo ra là: H = 21 + 18,16 = 39,16 (m) Chọn loại bơm chìm K86 : áp lực 4,0 - 4,5at Lưu lượng ~ 40 l/s h = 0,85 - Công suất của máy bơm N = , Kw (V-89) Với : Q - lưu lượng bơm, l/s H - áp lực bơm, m h: Hiệu suất của máy bơm , h = 0,85 N = - Công suất của động cơ điện: Nđc = 1,3 N = 1,3 . 20 = 26 Kw III.2. Hệ thống xử lý. III.2.1. Tính toán công nghệ làm mềm nước 1. Mục đích Lựa chọn phương pháp làm mềm Các phương pháp làm mềm gồm có: làm mềm bằng phương pháp hoá học phương pháp nhiệt, phương pháp trao đổi ion. - Phương pháp nhiệt dựa trên nguyên tắc đun nóng nước để các phản ứng phân huỷ của Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2 xảy ra, tạo thành các kết tủa CaCO3, MgCO3 và Mg(OH)2. Phương pháp này chỉ áp dụng cho các hệ thống cấo nước công nghiệp như nồi hơi để kết hợp sử dụng lượng nhiệt dư của nồi hơi. - Phương pháp trao đổi ion là phương pháp làm mềm có sử dụng cột trao đổi ion. Phương pháp này có giá thành xử lý cao và chỉ nên áp dụng ở quy mô nhỏ. - Phương pháp hoá học là việc sử dụng các hoá chất thêm vào nước để tạo ra các phản ứng hoá học có thể tách được các ion Ca2+ và Mg2+ ở dạng kết tủa. Có 3 biện pháp chủ yếu được sử dụng là dùng vôi, dùng vôi kết hợp sô đa và dùng phốt phát. Đối với nước cấp cho sinh hoạt thì không cần phải dùng tới 2 biện pháp dùng vôi kết hợp sôđa và dùng phốt phát bởi không yêu cầu giảm triệt để độ cứng. Hai loại hoá chất này thường giảm độ cứng đến mức tối thiểu, chỉ thích hợp với quy mô công nghiệp. Để cấp nước cho sinh hoạt nếu dùng hai biện pháp này sẽ gây tốn kém, không kinh tế . Vậy phương pháp làm mềm được đề xuất ở đây là dùng vôi sữa b- Xác định liều lượng vôi sữa. Trong phần này sẽ tính toán lượng vôi cần thiết để giảm độ cứng của nước thô tới đạt tiêu chuẩn (<120dH) Khi cho vôi vào nước sẽ xảy ra các phản ứng theo trình tự sau: 2CO2 + Ca(OH)2 đ Ca(OH3)2 (1) Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 đ 2CaCO3¯ + 2H2O (2) Theo phản ứng (1) để giảm 1 mol CO2 cần 0,5mol Ca(OH)2 và tạo thành 0,5mol Ca(HCO3)2. -> để giảm 0,769nmol CO2 cần a mol Ca(OH)2 và tạo thành b mol Ca(HCO3)2 Mục tiêu của quá trình làm mềm ở đây là giảm độ cứng của nước xuống dưới 120dH nên sẽ chỉ dùng một lượng vôi vừa đủ để không gây hao phí hoá chất và tạo nhiều cặn làm khó khăn cho các quá trình xử lý tiếp sau. Trong nước thô có hàm lượng canxi là 160mg/l hay 4mmol/l (160/40 = 4). Nếu giảm được 2,5mmol Ca2+ thì sẽ đạt được độ cứng phù hợp tiêu chuẩn (vì khi đó độ cứng toàn phần là : C0 = mgđl/l = 11,20dH Với giả thiết cần kết tủa 2,5 mmol/l , lượng Ca(OH3)2 sẽ tham gia phản ứng (2) là: 0,3845 + 2,5 = 2,8845 mmol/l Theo phản ứng (2): Để giảm 1 mol Ca(HCO3)2 cần 1 mol Ca(OH)2 và tạo 2 mol CaCO3¯ -> Để giảm 2,7845 mmol Ca(HCO3)2 cần cmmol Ca(OH)2 và tạo d mmol CaCO3¯ c = d = Như vậy, lượng vôi đã thêm vào nước được tính bằng tổng lượng vôi đã tham gia hai phản ứng (1) và (2) và có giá trị là: 0,3845 + 2,8845 = 3,269 mmol Ca(OH)2 cho 1 lít nước Với phần tử lượng của Ca(OH)2 là 74 và của CaO là 56, ta có: - Khối lượng Ca(OH)2 cần thêm vào 1 lít nước là: 3,269 x 74 = 241,9 mg Ca(OH)2 /l hoặc khối lượng CaO là: 3,269 x 56 = 183,0 mg/l Nồng độ dung dịch vôi sữa thường lấy từ 5 á 10% với trọng lượng riêng của dung dịch lấy bằng trọng lượng riêng của nước [II-37] ở đây chọn dung dịch vữa vôi có nồng độ 10%. Từ đó thấy rằng với lượng Ca(OH)2 tinh khiết tính toán ở trên thì khối lượng dung dịch sữa vôi cần phải thêm vào 1 l nước xử lý là: mdd = Khối lượng riêng của nước ở 200C: r = 998,23 kg/cm3 [V-11] = 998,23g/l [V-5] Theo công thức r = Trong đó: r - khối lượng riêng, kg/.cm3 V- thể tích , m3 m- khối lượng, kg suy ra được V = m/p ở đây m = mdd = 2,42g/l r = 998,23g/l -> Thể tích dung dịch sữa vôi cần dùng cho 1 lít nước xử lý là: V = Vậy: khối lượng vôi cần dùng tính theo Ca(OH)2 tinh khiết là 241,9 mg/l tính theo CaO là 183 mg/l Thể tích dung dịch sữa vôi 10% cần dùng cho 1 lít nước xử lý là 2,424ml c. Thiết kế thiết bị Lựa chọn công trình làm mềm: Công trình làm mềm bằng vôi bao gồm bộ phận trộn hoá chất, bể phản ứng, bể lắng, bể lọc. Để thực hiện quá trình làm mềm trước tiên cần phải cho nước và vôi sữa hoà trộn với nhau. Như thế, công đoạn này sẽ được tiến hành trong bể trộn. Theo nguyên lý cấu tạo và vận hành, các quá trình trộn được chia thành trộn thuỷ lực và trộn cơ khí. Trộn thuỷ lực về bản chất là phương pháp dùng các vật cản để tạo ra sự xáo trộn trong dòng chảy của hỗn họp nước và hoá chất. Tuy nhiên phương pháp này có những nhược điểm không khắc phục được khi dùng hoá chất là vôi (bể trộn vách ngăn) do sự lắng đọng thành các lớp trước vách ngăn; mặt khác, không điều chỉnh được cường độ khuấy trộn nên hiệu quả xử lý sẽ không cao. Với trộn cơ khí, thay bằng dùng năng lượng dùng nước trộn cơ khí dùng năng lượng cách khuấy để tạo ra dòng chảy rối. Năng lượng đi quay cách khuấy hoặc năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn phụ thuộc vào thiết diện bản cách và tốc độ chuyển động của cách khuấy. Như vậy, bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của cách khuấy sẽ sẽ điều chỉnh được năng lượng tiêu hao và cường độ khuấy trộn. Cách khuấy có thể là cách tua bin hoặc cách phẳng gắn trên trục quay. Có thể gắn nhiều cách trên một trục quay tuỳ theo chiều sâu bể. Cách khuấy làm bằng hợp kim, thép không gỉ hoặc gỗ. Bộ phận truyền động được đặt trên mặt bể và trục quay theo phương thẳng đứng. So với phương pháp trộn thuỷ lực, trộn cơ khí có nhiều ưu điểm hơn như có thể điều chỉnh cường độ khuấy trộn theo ý muốn, thời gian khuấy trộn ngắn nên dung tích bể trộn nhỏ, tiết kiệm được vật liệu xây dựng. Nhược điểm chính là cần có máy khuấy và các thiết bị cơ khí khác, đòi hỏi trình độ quản lý, vận hành cao. Vì vậy, bể trộn cơ khí được áp dụng cho các nhà máy nước có mức độ cơ giới cao, thường là các nhà máy vừa và lớn. Công suất thiết kế của nhà máy là xử lý nước thô 12.500m3/ngđ, quy mô vừa nên đối với công trình làm mềm ở đây lựa chọn bể khuấy trộn cơ khí. Tính toán các thông số cơ bản của bể trộn cơ khí. *Các thông số cần phải lựa chọn và tính toán Thời gian khuấy trộn từ 3-30s [I-100] Chiều rộng và chiều sâu bể Kích thước cơ bản của cách khuấy Tốc độ quay của trục cánh khuấy Gradien vận tốc G thường lấy 800á1000s-1 [II-100] *Tính toán: Chọn thời gian khuấy trộn trong bể là t = 20s Dung tích bể: V = Q. t m3 Trong đó: V – dung tích của bể khuấy trộn, m3 Q- lưu lượng nước xử lý , m3/s t -thời gian lưu, s V = Việc khuấy trộn được tiến hành trong bể trộn vuông với tỷ lệ chiều cao và chiều rộng là 2:1 Tính được thông số bể: a x a x h = 1,2m x 1,2m x 1,2 m ống dẫn những cho vào ở đáy bể , dung dịch sữa vôi cho ngay vào của ống dẫn vào bể, nước đi từ dưới lên, tràn qua máng tràn là một giá của thành bể để dẫn sang ngăn phản ứng Bể trộn cơ khí hình III- 11 Dùng máy khuấy tua bin 4 cánh nghiêng góc 450 hướng lên trên để đưa nước từ dưới lên. Đường kính máy khuấy : D = 1/2 a = 1/2.1,2 = 0,6m Đặt 4 tấm chắn để ngăn chuyển động xoay của nước Chiều cao tấm chắn: 2,1m Chiều rộng tấm chắn: 1/10 . a = 1/10.1,2 = 0,12 m Máy khuấy đặt cách đáy : h = D = 0,6m Chiều rộng cánh khuấy ; 1/5 D = 1/5.0,6 = 0,12m Chiều dài cánh khuấy : 1/4D = 1/4.0,6 = 0,15m Năng lượng cần truyền vào tính theo công thức: P = G2.V.m, KW [II.1.-102] Trong đó: G- Gradien vận tốc (s-1), G = 103 s-1 V- Thể tích bể (m3) ; V = 2,9m3 m- Độ nhớt động lực của nước (Ns/m2) m = 10-3Ns/m2 ở 200C Suy ra: P = (103)2.2,9.10-3 = 2,9 KW Hiệu suất động cơ h = 0,8, công suất động cơ 2,9: 0,8 = 3,625 KW Số vòng quay của máy khuấy n = K: hệ số sức cản của nước, phụ thuộc vào kiểu cánh khuấy k = 1,08 đối với tuabin 4 cánh nghiêng 450 n = Phải có hộp giảm tốc cho động cơ d. Xác định các thông số khác Khi cho lượng vôi như trên vào nước , sau phản ứng sẽ có một số thành phần thay đổi. *Hàm lượng các ion có trong nước sau khi làm mềm là: [CO2] = [CO2]tr - [CO2]pư = 0,769 – 0,769 = 0 [HCO3-] = [HCO3-]tr - [HCO3-]pư = 427-61.5 = 122mg/l [Ca2+] = [Ca2+]tr - [Ca2+]pư = 4-2,5 = 1,5mmol/l = 60mg/l Trong đó [CO2]tr, [CO2]pư, [HCO3-], [HCO3-]pư, [Ca2+]tr, [Ca2+]pư là nồng độ CO2, HCO3-, Ca2+ trong nước thô và lượng các chất này đã tham gia phản ứng (1) và (2) Còn hàm lượng các ion khác không thay đổi *Xác định độ cứng của nước sau khi làm mềm mgđl/l = 4mgđl = 4 x 2,80dH = 11,20dH < 120dH Như vậy là độ cứng toàn phần thoả mãn tiêu chuẩn cho phép * Xác định giá trị pH sau khi làm mềm: Giá trị pH của nước sau khi làm mèm được xác định pHs- là trị số pH của nước ứng với trạng thái cân bằng các hợp chất của axit cacbonic. Khi cho vôi vào nước, phản ứng sẽ diễn ra triệt để đạt tới sự cân bằng bão hòa của CaCO3 trong nước. Tương ứng với trạng thái báo hòa đó, độ ổn định của nước phải được thể hiện ở một giá trị pH nào đó gọi là độ pH bão hoà của nước ở cuối quá trình làm mềm. Tại trạng thái bão hoà tự nhiên ứng với pHs của nước, tốc độ phản ứng lắng cặn diễn ra rất chậm. Để tăng tốc độ lên, cần phải có một lượng dư DpH. pH = pHs + DpH [III-78] DpH = 0,5 trong trường hợp khử độ cứng cacbonat. pHs được xác định theo biểu đồ Hoover. [I-138] Xác định pHs cần dựa vào các thông số: tổng lượng muối hòa tan, độ kiểm toàn phần, hàm lượng canxi và nhiệt độ. - Tổng lượng muối hoà tan được tính bằng tổng hàm lượng các ion âm và ion dương có trong nước sau khi làm mềm. P = [Fe2+] + [Mg2+] +[NH4+] + [Ca2+] + [Mg2+] + [HCO3-] + [SO42-] + [Cl-] + [NO3-] + [PO43-] P = 3 + 0,6 + 2 + 60 + 12 + 122 + 64 + 30 + 2 = 295,6 mg/l - Độ kiềm toàn phần: Ktf : 100 {[CO32-] + 0,5 x [HCO3 -] + 0,5[OH-]} (1-4)[XII- 137] ở pH <8,4 thì [CO32-] = 0 pH < 9 thì [OH-] = 0 Các nồng độ [CO32-], [HCO32-], [OH-] tính bằng mmol/l [HCO32-] = 122 mg/l = 122/61 = 2mmol/l. => Ktf= 100 x 0,5 x 2 = 100 - Hàm lượng canxi [Ca2+] = 60 mg/l. - T = 200C. Với các thông số đã tính toán như trên ta tra biểu đồ Hoover có pHs = 7,85 Vậy pH = pHs+ DpH = 7,85 + 0,5 = 8,35. pH = 8,35 III.2.2 Tính toán công trình khử sắt, mangan. 1- Mục đích: Công trình khử sắt và mangan gồm có thiết bị làm thoáng, bể lắng tiếp xúc và bể lọc. Trong phần này, nhiệm vụ đặt ra là: - Tính toán, lựa chọn loại thiết bị làm thoáng cho hàm lượng oxy hoà tan cao nhất. - Sau khi phản ứng, tính toán lại hàm lượng các thành phần trong nước. - Tính pH và kiểm tra sự phù hợp của công trình làm thoáng. - Tính toán kích thước thiết bị làm thoáng. Bể lắng tiếp xúc và bể lọc sẽ được tính ở các phần tiếp sau. 2- Các tính toán. a. Lựa chọn công trình làm thoáng: Để khử sắt và mangan, biện pháp đơn gian và được dùng phổ biến là oxy hoá sắt (II) và mangan (II) bằng oxy của không khí. Để tăng hàm lượng oxy trong nước, biện pháp được sử dụng là làm thoáng. Có thể làm thoáng bằng nhiều cách: - Đập tràn làm thoáng: Có thể là 1 bậc, có thể là nhiều bậc. - Làm thoáng bằng dàn phun. - Làm thoáng cưỡng bức. Hai phương pháp dưới là đưa nước qua dàn ống khoan lỗ tạo thành dòng chảy tia, ở phương pháp thứ hai là phun mưa tự nhiên, còn ở phương pháp thứ ba còn dùng thêm quạt gió. Đối với nước đã qua mềm, không dùng hai phương pháp này được bởi trong nước có cặn vôi có thể gây tắc ống hoặc lỗ phun. Bởi vậy biện pháp làm thoáng ở đây được thực hiện thông qua đập tràn. a.1- Nguyên lý của đập tràn. Khi nước tràn qua đập rơi xuống các ngăn chứa nước trung gian, quá trình làm tràn được xảy ra. ở đây phân biệt hai cơ chế làm thoáng: - Trong quá trình rơi tự do của nước đã tạo nên bề mặt tiếp xúc giữa nước với không khí. Tổng bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào hình dạng của từng loại đập tràn. - Cơ chế thứ hai: là khi cột nước rơi xuống ngăn chứa nước trung gian, một lượng khí lớn được cuốn theo vào nước. Lượng khí này sau đó phân tán trong khắp ngăn chứa dưới dạng các bọt khí. Lượng khí cuốn theo phụ thuộc vào vận tốc rơi của cột nước khi rơi qua bề mặt nước của ngăn chứa trung gian. Do vậy lượng khí chuyển dịch chủ yếu phụ thuộc vào chiều cao đập tràn. Chiều sâu của ngăn chứa nước trung gian cũng ảnh hưởng tới lượng khí chuyển dịch. Qua thực nghiệm, chiều sâu lớp nước ở ngăn trung gian nên lấy bằng hoặc lớn hơn 2/3 chiều cao đập tràn. Do cơ chế làm thoáng thứ hai, “làm thoáng bằng bọt khí cuộn trong nước” mà đập tràn làm thoáng là công trình tối ưu cho việc làm giầu ôxy cho nước. Đập tràn làm thoáng có thể có một bậc hoặc nhiều bậc. Khi chiều cao của đập tràn được chia nhỏ thành nhiều bậc sẽ được lượng khí chuyển dịch. a.2- Các yếu tố ảnh hưởng. * ảnh hưởng của áp suất tới độ hoà tan của chất khí. ảnh hưởng của áp suất riêng phần của một chất khi tới tốc độ hoà tan của nó trong nước được mô tả bằng định luật Henry: Cs = Ks.P (m3 khí/m3 nước ) Trong đó: Cs - nồng độ bão hoà của một chất khí trong nước. Ks - hệ số hấp thụ của chất khí. P - áp suất riêng phần của khí đó trong pha khí. * ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ hoà tan của các chất khí trong nước: Theo nguyên lý của Le Chatelier thì khi tăng nhiệt độ sẽ làm giảm độ hoà tan của các chất khí trong nước. Công thức thực nghiệm biểu thị sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự hoà của các chất khí trong nước như sau: [I-12] Công thức này đúng trong khoảng 40C < T < 300C. * ảnh hưởng của tạp chất chứa trong nước tới độ hoà tan của các khí: Khi nước có chứa tạp chất thì độ hoà tan của các khí sẽ được phản ánh qua hệ số ảnh hưởng “f” như sau: [XII-13] Đối với nước sạch f = 1. f nói chung tăng khi nồng độ các tạp chất hoà tan răng, do đó làm giảm độ hoà tan của các chất khí. a.3 - Các hệ số ứng dung đặc biệt trung cho vận tốc chuyển dịch khí: * Hệ số chuyển dịch tổng quát của khí : Vận tốc chuyển dịch của một loại khí, được thể hiện bằng tốc độ thay đổi nồng độ của khí đó và có thể biểu diễn như sau: g/m2s [XII-14] trong đó: K2- là hệ số chuyển dịch tổng quát của khí. C - là nồng độ khí hoà tan. Tích phân với C0 ở thời điểm C = 0, có: C = Cs - (Cs - C0).e-K2.t. Hay * Hệ số hiệu suất: Trong công đoạn làm thoáng của trạm xử lý nước ở điều kiện vận hành ổn định, thời gian làm thoáng sẽ là hằng số “Tk”. Gọi C0 và Ce là nồng độ khí ở thời điểm đưa nước vào công trình làm thoáng và thời điểm đưa nước ra khỏi công trình. Khi đó: = hằng số. Chọn K = K được gọi hệ số hiệu suất của công trình làm thoáng. a.4- Lựa chọn các thông số của đập tràn. Như đã trên ở trên, đập tràn khi được chia thành nhiều bậc thì lượng khí chuyển dịch sẽ tăng lên. Theo khảo sát, nghiên cứu với đập tràn có chiều cao tổng cộng 1,5m nếu chia thành hai bậc thì nồng độ oxy sau bậc thứ hai sẽ là lớn nhất [XII-23]. Vậy ở đây, đập tràn làm thoáng được lựa chọn là loại đập tràn hai bậc, mỗi bậc có chiều cao h = 0,75 m. Chiều cao ngăn nước h1= 2/5h = 0,3 m [XII-21] ở 200C nồng độ bão hoà Cs = 9,2 mg/l. Với h = 0,75 m, tra biểu đồ (I-23) Nồng độ O2 sau bậc thứ 2 sẽ là: [XII-23] Trong đó: C2: là nồng độ oxy sau bậc thứ hai. Cs: là nồng độ oxy bão hoà của nước. C0: là nồng độ oxy ban đầu. Đã có: C0 = 0; Cs = 9,2 mg/l; n = 2 [XII-23] ị C2= 9,2 - (9,2 - 0).(1-0,54)2 = 7,25 mg/l. Vậy với công trình làm thoáng hai bậc, mỗi bậc có chiều cao h = 0,75 thì nồng độ oxy trong nước đạt được sau làm thoáng là C2 = 7,25 mg/l. Đập tràn làm thoáng trên hình III- 12 b- Tính toán hàm lượng các thành phần trong nước sau phản ứng oxy hoá sắt: Sau khi làm thoáng trong nước sẽ xảy ra phản ứng: 4Fe2+ + O2 + 10H2O Û 4Fe(OH)3¯ + 8H+ (3) 2Mn2+ +O2 + 6H2O Û 2Mn(OH)2¯+ 4H+ (4) Theo phản ứng (3): Để oxy hoá 4 x 56mg Fe2+ cần 32 mg O2 và tạo ra 8mg H+. => Để oxi hoá 3mg Fe2+ cần x mg O2 và tạo ra y mg H+. H+ + HCO3- đ CO2+ H2O Theo (5): 1 g H+ phản ứng với 61g HCO3- tạo thành 44g CO2. 0,11 mg H+ phản ứng với z mg HCO3- tạo thành t mgCO2. ị z = 0,11 ´ 61 = 6,71 mg t = 0,11 ´ 44 = 4,84 mg. Sau khi oxy hoá Fe2+ thì trong nước có: [HCO3-]=[HCO3-]tr - [HCO3-]pư = 122 - 6,71 = 115,29 mg/l ằ 0,11 mmol/l [CO2]= [CO2]tr + [CO2]pư = 0 +4,84 = 4,84 mg/l ằ 0,11 mmol/l. [Fe2=] = 0 [O2] = 7,25 - 0,46 = 6,82 mg/l = 0,19 mmol/l. Vậy pH = 7,645 thì hầu như quá trình oxi hoá Mn2+ không xảy ra. Tuy nhiên ở bể lọc nhanh, quá trình oxy hoá có thể xảy ra khi pH > 7,0. Điều này có thể xảy ra như có lớp màng xúc tác Mn3O4 trên bề mặt các hạt vật liệu lọc, có tác dụng xúc tác cho quá trình oxy hoá khử: Các ion Mn2+ sẽ được hấp thụ lên lớp màng đó và quá trình oxy hoá sẽ xảy ra ngay ở pH > 7,0. Chất tạo thành là Mn3O4 , đồng thời Mn3O4 đã tạo thành sẽ tiếp tục bị oxy hoá thành MnO2. 6 Mn2+ + O2 + 6 H2O ị 2 Mn3O4 + 12H+ 3 Mn2O4 + 2 O2 ị 6 MnO2¯ 6 MN2+ + 3O2 + 6 H2O ị 6 MnO2 ¯ + 12H+. do lượng Mn2+ trong nước ngầm cần phải xử lý ít nên hoàn toàn có thể coi lượng Mn2+ sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép. Kiểm tra sự phù hợp của công trình làm thoáng. [II.2- 47] ị [II.2-50] ị Công trình đã chọn đạt yêu cầu. III.2.3. Tính toán bể lắng tiếp xúc. 1. Mục đích: Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ nước lại sau khi làm thoáng trong một khoảng thời gian đủ để quá trình oxi hoá sắt diễn ra hoàn toàn, đồng thời lắng bông cặn nặng của quá trình làm mềm trước khi đưa nước sang bể lọc. 2. Lựa chọn bể: Bể lắng tiếp xúc là loại bể lắng đứng có thiết kế ngăn phản ứng tạo bông cặn ở tâm bể. Mục đích của ngăn phản ứng là nơi sẽ diễn ra các phản ứng tạo bông cặn. 3. Lựa chọn và tính toán các thông số * Các thông số chính của bể lắng tiếp xúc. - Thời gian lưu. - Chiều cao vùng lắng. - Góc nghiêng của nền đáy so với mặt phẳng nằm ngang. - Kích thước bể. - Đường kính và chiều cao ngăn phản ứng. * Các thông số chọn. - Thời gian lưu ở bể lắng tiếp xúc từ 30 á 45 phút [II-2-57] ta chọn thời gian lưu t = 45 phút = 0,75 h. - Chọn bể lắng hình vuông cạnh là a. - Chọn chiều cao vùng lắng h1: chiều cao vùng lắng được chọn tùy thuộc vào cao trình thuỷ lực của nhà máy và phụ thuộc tốc độc cũng như thời gian lưu của dòng nước, thường 4 á 5 m. [XII - 78]. - Góc nghiêng của đáy so với phương nằm ngang là 50 á 600 chọn góc nghiêng 500. * Tính toán.: - Dung tích bể: W = Q.t (m3). W- Dung tích bể, m3. Q- lưu lượng nước vào bể, m3/h. t - Thời gian lưu, h. Với lưu lượng Q = 12500 m3/hg ta chia thành 2 bể để tránh xây dựng một bể quá lớn, sẽ khó khăn hơn nhiều. Dung tích mỗi bể là: Do góc nghiêng của nền đáy so với phương nằm ngang là 500 và tiết diện bể hình vuông cạnh a nên suy ra chiều cao vùng chứa cặn được tính theo hình học là: m Mặt khác, dung tích bể bằng: W = Wl + Wc. Trong đó: Wl - thể tích vùng lắng, m3 Wc - thể tích vùng chứa cặn, m3. Wl = hl.a2 (m3) Suy ra: W = hl a2 + 0,2a3 = 195.3. Giải phương trình này bằng phương pháp xác suất giả định với một số giá trị hl cho trước được kết quả cho trong bảng sau: hl (m) 3,5 3,7 4,0 4,2 a (m) 6,4 6,27 6,0 5,9 hc(m) 3,8 3,74 3,6 3,5 HT= hl + hC (m) 7,3 7,44 7,6 7,7 a/hl 1,83 1,69 1,5 1,4 Việc lựa chọn h1 cần xem xét tới HT, tức là tổng chiều cao bể lắng, sẽ liên quan tới cao trình của nhà máy và tỉ số a/hl. Để bảo đảm việc phân phối và thu đều nước ta lấy đường kính bể lắng bằng 1,5 chiều cao vùng lắng. Dựa vào 2 chỉ tiêu này ta chọn được: hl = 4,0 m a = 6,0 m hc = 3,6 m HT = 7,6 m. - Tính diện tích ngăn phản ứng. Đường kính ngăn phản ứng: [II.1-55] Trong đó: D- Đường kính ngăn phản ứng, m Q- Lưu lượng nước xử lý, m3/l. t - thời gian lưu nước trong ngăn phản ứng lấy bằng 15 á 20 phút. H- Chiều cao ngăn phản ứng, lấy bằng 0,9 lần chiều cao vùng lắng của bể lắng đứng, m. n: Số ngăn phản ứng làm việc đồng thời. Kết quả tính toán: Thông số Giá trị Kích thước mỗi cạnh bể 6,0 m Chiều cao vùng chứa cặn 3,6 m Tổng chiều cao bể 7,6 m Chiều cao ngăn phản ứng 3,6 m Đường kính ngăn phản ứng. 2,4 m Góc nghiêng của nền đáy so với mặt đất 500 * Nhận xét: Với bể lắng được thiết kế như trên đạt các chỉ tiêu cho phép và hợp lý về xây dựng. Trong thiết kế, sẽ hợp khối bể lắng và màng tràn. Vậy nên chiều dài của máng tràn lấy bằng kích thước cạnh bể tức 6,0m . Chiều rộng máng tràn thiết kế bằng B = 2.h = 1,5m. Bể lắng trên hình III- 13 III.2.4 Bể lọc nhanh. 1. Mục đích: Tại bể lọc sẽ tách phần lớn các cặn không tách được ở bể lắng. Đồng thời ở đây cũng xảy ra quá trình khử tiếp mangan. Trong phần này sẽ lựa chọn bể lọc thích hợp và tính toán các thông số chính của bể. 2- Cơ chế của quá trình lọc nước. Hiệu suất của việc làm sạch nước liên quan tới quá trình lọc, được tổng hợp từ những cơ chế khác nhau: a- Cơ chế lọc cơ học. Lọc cơ học là một quá trình làm sạch các chất cặn có kích thước lớn, không đi qua được các khe rỗng giữa các hạt vật liệu lọc. Do đó, quá trình này xảy ra trên bề mặt của lớp vật liệu lọc và không phụ thuộc vào vận tốc lọc. Khi nước chuyển đông vòng theo bề mặt, qua các khe rỗng của các hạt vật liệu lọc tạo nên sự thay đổi của vận tốc làm cho các hạt cặn tiến gần và tiếp xúc với nhau. Nhờ vậy, một số hạt cặn nhỏ có thể kết tụ lại với nhau tạo nên những bông cặn có kích thước lớn hơn khe rỗng giữa các hạt vật liệu lọc và giữ lại trong lòng lớp vật liệu lọc. Khi cặn được tích tụ lại theo thời gian làm giảm khe rỗng giữa các hạt vật liệu lọc, hiệu suất lọc cơ học do vậy sẽ tăng lên theo . Tuy nhiên, lọc cơ học chỉ giữ được một phần rất nhỏ không đáng kể các hạt cặn lơ lửng. b- Cơ chế lắng: Cơ chế này giữ lại phần lớn các hạt cặn lơ lửng có kích thước nhỏ hơn khe rỗng của vật liệu lọc bằng cách lắng chúng lên bề mặt các hạt vật liệu lọc giống hệt như trong bất kỳ bể lắng nào. Tuy nhiên, trong các bể lắng cặn chỉ được lắng xuống đáy bể, còn trong trường hợp này nếu ta cộng bề mặt của tất cả các hạt vật liệu lọc lại sẽ được con số rất lớn. Ví dụ: trong trường hợp bình thường độ rỗng của vật liệu lọc có đường kính là 0,8mm sẽ là ,4 thì diện tích tổng cộng bề mặt của tất cả các hạt trong 1m3 vật liệu lọc sẽ là 4500m2. Nếu chỉ một phần diện tích này có ích cho quá trình lắng (phần trên của bề mặt hạt vật liệu lọc), không tiếp xúc và dính kết với các hạt khác), cũng dễ dàng đạt được giá trị 300m2/m3 vật liệu lọc. Do vậy tải trọng bề mặt S là tỷ số giữa lưu lượng nước cần xử lý và diện tích bề mặt có ích của các hạt vật liệu lọc. Còn một phần các hạt cặn có vận tốc lắng nhỏ hơn S cũng sẽ lắng được, đồng thời với quá trình kết tụ của các hạt cặn do chuyển động vòng của nước quanh bề mặt các hạt lọc gây nên sẽ làm tăng hiệu suất của cơ chế lắng. Trong quá trình lọc nước, các hạt cặn lắng sẽ làm giảm dần khe rỗng của vật liệu lọc, làm tăng vận tốc chuyển động xuống nước, cản trở quá trình lắng tiếp theo của các hạt cặn hay thậm chí lôi kéo các hạt cặn đã lắng lên bề mặt hạt vật liệu vào sâu lòng lớp vật liệu lọc. Vì chiều dài của lớp vật liệu có giới hạn, nên đến chừng mực nào đó các hạt cặn sẽ có mặt ở trong nước sau khi lọc. Sau đó phải dừng quá trình lọc để tiến hành rửa lọc, trả lại công suất làm sạch nước của vật liệu lọc như trạng thái ban đầu chu kỳ lọc. c- Cơ chế hấp phụ: Cơ chế hấp thụ là cơ chế quan trọng bậc nhất trong quá trình làm sạch nước ở bể lọc nhanh, giữ lại các hạt cặn lơ lửng có kích thước nhỏ bé các phần tử của tạp chất hoà tan. Tuy nhiên, lực hấp thụ chỉ có tác dụng khi các hạt cặn tiến gần nhau (không lớn hơn 10-8 - 10-6 m). - Do vậy làm sạch cặn bằng hấp phụ chỉ có thể xảy ra sau một cơ chế nào đó làm cho các tạp chất tiến sát gần bề mặt các hạt lọc, các cơ chế đó là: - Trọng trường, dưới tác dụng của trọng trường các hạt cặn có tỉ trọng lớn hơn tỉ trọng nước sẽ chuyển động xuống bề mặt của các hạt vật liệu lọc. - Dòng chuyển động vòng của nước quanh bề mặt hạt lọc cắt ngang dòng chuyển động của các hạt cặn (do trọng trường) kéo chúng tới gần bề mặt hạt lọc. - Chuyển động nhiệt Brown của các hạt cặn trong màng nước quanh các hạt vật liệu lọc cũng có thể làm chúng tiến gần tới bề mặt các hạt vật liệu lọc. - Lực kéo Van de Walls giữa 2 hạt vật chất, cũng như lực hút tĩnh điện giữa hai hạt mang điện tích trái dấu cũng làm cho các hạt cặn tiến gần bề mặt các hạt vật liệu lọc. d- Cơ chế của các quá trình hoá học: Đây là quá trình mà các hợp chất hoà tan hoặc bị phân tích thành các chất đơn giản, ít độc hại hoặc kết tủa thành các chất không hòa tan sau đó bị tách ra khỏi nước nhờ các cơ chế lọc cơ học, cơ chế lắng và hấp phụ. e- Cơ chế của các quá trình sinh học: Dưới tác dụng của các vi sinh vật sống trong lòng lớp vật liệu lọc, sử dụng các tạp chất vô cơ, hữu cơ bị giữ lại trong lớp vật liệu lọc làm nguồn thức ăn. Bằng phương pháp này các t ạp chất oxy hoá thành các chất vô cơ đơn già ít độc hại như CO2, NO3-, PO4- thường có mặt trong nước sau khi lọc. Ví dụ: Chu trình chuyển hoá của: NH4+ ịNO2- ị NO3-. 3. Lựa chọn bể lọc. Để đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống và sinh hoạt, nước sau khi lắng phải được đưa qua bể. Các loại bể lọc thường gặp là: lọc nhanh, lọc phá, lọc chậm, lọc tiếp xúc. Bể lọc nhanh dùng khi xử lý nước có bông cặn. Bể lọc chậm dùng xử lý nước không phèn. Bể lọc tiếp xúc dùng trong hàm lượng cặn của nước nguồn nhỏ hơn 150 mg/l, độ mầu 150 độ và không lắng. Bể lọc sơ bộ (lọc phá) thường đặt trước bể lọc chậm. ở đây sau khi các bông kết tủa Fe(OH)3 được tạo thành thì sẽ được đưa qua bể lọc nhanh. Bể lọc nhanh 1 lớp vật liệu lọc đồng thời nhất là loại cấu tạo đơn giản, chi phí vận hành thấp, phù hợp với quá trình xử lý nước ngầm. 4. Tính toán: * Các thông số chọn: Bể lọc Aquazuar V của Pháp. (II.1-135) - Đường kính cát lọc hiệu quả: 0,95 á 1,35 mm (giới hạn từ 0,7 á2,0 mm). - Chiều dày lớp cát lọc: H2 = 1,2m. - Tốc độ lọc 7 á 10 m/h, chọn V1 = 7 m/h. - Bề dày lớp nước trên mặt cát lọc: 1,2 á 2,0 m [II.1-134] - Chiều cao phụ: H4 = 0,3 m. - Chiều dày sàn bê tông gắn các chụp lọc nhựa H1 = 0,1 m. - Chiều cao hầm chụp lọc: H5 = 0,7 m. - Chiều cao lớp sỏi đỡ: H6 = 0,4 m * Các thông số tính toán: - Tổng chiều cao của bể lọc: H = H1+ H2+ H3+ H4+ H5+H6. = 0,1 + 1,2 + 1,5 + 0,3 + 0,7 + 0,4 = 4,2 m - Diện tích lọc : F = (I-141) F = Số bể lọc : N = (I-141) Chọn số bể lọc là 4 Khi có một bể lọc ngừng làm việc (nửa lọc ) thì tốc độ lọc tăng cường là : Vtc = Tốc độ lọc tăng cường này vtc = 9,33 m/h < tốc độ lọc tăng cường cho phép =10 m/h. Như vậy số bể lọc được chọn là hợp lý . Diện tích mỗi bể : F1 = Chọn kích thước bể : rộng x dài = 3,6 m 5,2 m Thời gian lọc hiệu quả được tính toán như sau : Thể tích chứa cặn : V = (Độ rỗng của cát lọc là 0,38) Đối với cặn sắt, mangan, vôi làm mềm thì độ ngậm nước là 94,5% còn 5,5% là cặn. Trọng lượng cặn là : G = 55 kg/m3 0,095 m3 = 5,225 kg Tốc độ lọc là 7 m3/h , lớp cát dày 1,2 m, mỗi khối cát 1h phải giữ lại được : =7 m3/h12 g/ m3 = 84 g/h =0,084 kg/h Để đảm bảo chất lượng, chu kỳ lọc là : TCL = Thời gian lọc hiệu quả tính theo : Th = Vậy ta có thể lấy chu kỳ lọc là 48 giờ. Tức là sau 48 h ta sẽ tiền hành rửa bể lọc . Chiều dày lớp nước trên bề mặt cát lọc : chiều dày phải đủ lớn để tránh hiện tượng chân không trong lớp lọc do trong quá trình lọc, sự tích luỹ cặn trong lỗ rỗng làm cho tổn thất qua lớp vật liệu lọc tăng dần. Chiều dày lớp nước này phải chọn hn 1,2L (L = 1,2 m : chiều dày lớp cát ) hn 1,44 m. a. Rửa bể lọc nhanh Xác định cường độ rửa lọc : Ta tính toán cho trường hợp rửa nước thuần tuý sau đó tra bảng để xác định cường độ rửa bằng gió +nước kết hợp, do rửa bằng nước thuần tuý xảy ra hiện tượng phân loại thuỷ lực hạt cát, làm cho hạt nhỏ nằm trên, hạt to nằm dưới lớp , lớp trên có độ rộng bé, chóng bị tắc nghẽn, tổn thất lớn hay xảy ra hiện tưọng chân không trong lớp lọc . W = 15.d = 15.1,51,33 =20 l/sm2 Tra bảng VI.5-II-143 ta có cường độ rửa lọc gió nước kết hợp là : Gió : 20 l/sm2 Nước : 3 l/sm2 Tính toán sàn phân phối đều chụp lọc Hsàn = 0,6 Hlớp lọc (I-146) Hlớp lọc : Tổn thất qua lớp lọc khi rửa thường lấy bằng cao lớp cát lọc (m) H = 1,2 m dv : Tốc độ nước qua sàn chênh nhau Chọn độ phân phối đều là 97% tức vận tốc nước qua sàn chênh nhau : dv = 3% = 0,03 dH : áp lực tốc độ ( áp lực động ) m dH = gn ( v = 1 m/s : Tốc độ nước chảy trong ống cấp nước rửa ), Pe : Độ rỗng lớp cát khi rửa ,Pe = 48%. Thay vào công thức trên tính được tổn thất cần thiết qua sàn là : Theo yêu cầu, tổn thất qua sàn phân phối 1 m Cường độ rửa nước thuần tuý 20 l/sm2 hoặc gió nước đồng thời : gió 18 l/sm2 +nước 3 l/sm2 , ứng với lưu lượng nước qua một chụp lọc là : q = 0,333 l/s; h = 1 m. Như vậy số chụp lọc trên 1 m2 sàn là : n = 20 l/sm2 : 0,286 l/s cái = 60 cái /m2 Do hệ thóng phân phối trở lực lớn đảm bảo mức độ phân phối nước rửa đều cao hơn hệ thống phân phôí trở lực bé nên ta chọn kết cấu của hệ thống bằng các chụp lọc. Bể lọc có hệ thống phân phối trở lực gồm ống chính và các ống nhánh đấu theo dạng xương cá . Hình III.4. Chụp lọc phân phối nước và gió đồng thời Hình III.5. Hệ thống phân phối trợ lực lớn dạng xương cá 1- Khe phân phối gió và nước 4- Khe thu khí 2- ống thu nước 5- Ren lắp 3. Săn chụp lọc Chụp lọc này có khả năng thu gió và nước riêng biệt rồi hoá trộn và phân phối lên. Chụp lọc có sóng thu nước 2 đài xuống và trên ống có khe hở 4 để thu gió vào. Khi rửa gió và nước kết hợp, bên dưới sàn chụp lọc hình thành hai tầng khí và nước riêng biệt có cùng một áp suất. Nước có áp theo phần đầu ống đi lên hoà với khí nén vào qua khe phía trên và ra ngoài qua khe chụp lọc. Chụp lọc được gắn bằng ren vặn vào ecu đặt sẵn trong lớp sàn. Tính toán máng thu nước rửa: Ta thiết kế loại bể lọc Aquazur V của hãng Degre mont mà trong khi rửa cho nước nguồn vào tạo thành dòng chảy ngang quét đều bên mặt rửa. Vì có dòng nước quét ngang nên khoảng cách thì mép máng đến điểm xa nhất có dòng nước chuyển động ngang về máng có thể chọn từ 0,75á2,2m. ở đây chiều rộng bể là 3,0m nên ta bố trí máng ở giữa bể thì khoảng cách nước chuyển động ngang xa nhất chỉ 1,5, như vậy kiểu thiết kế này phù hợp với yêu cầu. Máng hình chữ nhật, độ dốc đáy máng bằng nước chảy theo độ dốc mực nước trong máng (Hình III- 6) Hình III- 6. Sơ đồ tính toán máng thu nước rửa Lưu lượng nước rửa đi qua một máng thu tính theo công thức ; qm = W.a.l + qq (l/s) (II.1- 147) Trong đó: a: Khoảng cách giữa các tâm máng , m a = 3,0 m (bằng bề rộng bể lọc) l: chiều dài máng, m l = 6,2 m (bằng chiều dài bể lọc) w: cường độ rửa, l/s m2 w = 3,0 l/s m2 qq: lưu lượng nước quét ngang bể, l/s (bằng lượng nước vào bể) Lượng nước vào bể giờ đây đã bị hao hụt do rò rỉ đường ống, bay hơi, xả cặn bể lắng. Lượng hao hụt tổng cộng khoảng 4%, lưu lượng qq là: Tính được : qm = 3.3.6,2 + 34,7 = 90,5 (l/s) Chiều rộng của máng tính theo công thức: (II.1 - 147) K: hệ số hình dạng, đối với máng đáy hình chữ nhật K = 1,9 qm: lưu lượng nước rửa, m3/s C: tỉ số giữa chiều cao hình chữ nhật của tiết diện ở đầu máy và nửa chiều rộng của máng C = = 1,33 (Chọn theo II.1 - 147) Chiều cao của máng thu: Hm = 0,5. 0,47.1,33 = 0,31 (m) Chiều cao nước đầu máng: h1 = (m) (I-148) h2: chiều cao nước cuối máng (m) h2 = h1 = .0,155 = 0,27 m Các máng thu nước rồi thu về mương tập trung nằm ở đầu bể. Chiều sâu của mương tính từ đáy máng thu đến đáy mương tính theo công thức: + 0,2 (m) (II.1 - 147) Trong đó: qm: lưu lượng nước chảy vào mương, m3/s Do rửa từng bể lọc một xen kẽ nhau nên lưu lượng này chính bằng lưu lượng máng rửa của 1 bể. qM = qm = 90,5.10-3 m3/s A: Chiều rộng của mương, đối với mương xây bằng bê tông cốt thép A = 0,7m + 0,2 = 0,41 m Mặt khác, chiều cao lớp nước trong mương tập trung này hb trên miệng ống xả phải tính toán đủ lớn để khi tháo nước không tạo thành xoáy cuốn khí vào ống. hb ³ 0,5 .D (I-148) V0: vận tốc nước trong ống xả tính theo công thức: hb + h0 = 0,15 v (I-148) h0: mực nước trong mương chung lấy thấp hơn đáy máng dọc h0 = 0,3m. D: Đường kính ống xả, m D = Xem hình (III-6) Bằng phương pháp thay thế và tính gần đúng, dần xác định được hb ³ 0,135 m ; chọn hb = 0,145m D = 256 mm = 0,256 m; chọn D = 250 mm Thử lại: Nhưng HM = hb + h0 = 0,145 + 0,3 = 0,445 m Vậy theo tính toán HM = 0,41 (m) ở trên thì ta phải chọn lại HM = 0,45m. Cấp nước để rửa và sử dụng lại nước rửa lọc: Để đảm bảo vệ sinh môi trường và tận dụng lại lượng nước rửa, nước rửa lọc được tập trung vào 1 bể chứa rồi bơm trở lại lượng nước từ 2 bể rửa. Dung tích của bể chứa nước rửa này tính như sau: V = 2. Vb = 2.90,5.10-3 m3/s. (10.60s) (thời gian rửa 10 phút) V = 110m3 Chọn bể: rộng x dài x cao = 5,5m x 8,0m x 2,5m Công suất bơm tuần hoàn tính theo thời gian giữa 2 lần rửa các bể lọc theo trình tự kế tiếp. Có 4 bể , chu kỳ lọc là 48 h, có nghĩa thời gian giữa 2 lần rửa các bể lọc theo trình tự kế tiếp là 48: 4 = 12h. Công suất bơm tuần hoàn: Sử dụng đài rửa lọc để cấp nước rửa: Dung tích đài rửa lọc phải đủ để rửa 2 bể lọc Vđ = 2. (18,6m2 ) x (3.10-3m3/s) x (10.60s) = 67m3 Chọn dung tích đài rửa Vđ = 70m3 Để đưa nước lên đài ta dùng nước từ trạm bơm nước sạch công suất bơm: q = (m3/s) T = 1h = 36000 s q = Với vận tốc nước V = 1,2 m/s thì đường ống dẫn nước bơm lên đài là : D = Chu kỳ bơm nước lên đài là 24 h (mỗi ngày 1 lần) trong thời gian 1 h. Tính toán chiều cao đài nước : hđ = hp + hs + 2 + hi (m) Trong đó: hp: tổn thất áp lực qua hệ thống phân phối hp = , m Kw : tỉ lệ giữa tổng diện tích các khe trên hệ thống chụp lọc và diện tích mặt cắt ngang của ống chính. Kw = 0,25 V1, V2 : tốc độ nước ở đầu ống chính và khe của chụp lọc V1 = 1,2 m/s; V2 = 4,8 m/s hp = m hs: Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ (công thức của V.T.Turtrinovits) hs = 0,22.Hs W,m s: chiều dày lớp sỏi, Hs = 0,2 (m) hs = 0,22.0,2.3 = 0,132 (m) h1. Tổn thất áp lực qua lớp cát lọc (công thức thực nghiệm của viện BO'O) h1 = (a + bw) H a,b: thông số tính toán phụ thuộc kích thước hạt, với kính thước hạt chọn ở trên thì a = 0,76; b= 0,017 H: chiều dày lớp cát lọc, H = 1,0m h1 = (0,76 +0,017.3).1,0 = 0,811 m áp lực trữ để phá vỡ kết cấu ban đầu của lớp cát lọc 2m. hi: Tổn thất áp lực qua ống dẫn chủ yếu theo chiều dài (m). Với cường độ rửa 3l/s m2, mỗi bể cần 3l/s m2 x 18,6m2 = 55,8l/s. Tra bảng tính toán thuỷ lực của Se-ve-lep tìm được đường kính và vận tốc kinh tế: ứng với đường kính và vận tốc ta có tổn thất tính theo đơn vị chiều dài là : 103i = 7,47 hi = i.L = Tính được : hđ = 1,894 + 0,811 + 2 + 1,12 = 6m Vậy đài rửa cao : hđ = 6m Thể tích đài rửa lọc: Vđ = 110m3 Điều chỉnh tốc độ lọc: Điều chỉnh tốc độ lọc bằng ống xi phông:nguyên lý dựa vào việc giữ mực nước không đổi trong bể lọc để điều khiển hoạt động của xi phông. Bể lọc hình III.14 III.2.5 Quá trình khử trùng. 1. Mục đích: Quá trình khử trùng ở đây chủ yếu để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn trở lại trong mạng lưới phân phối. Mục đích của phần này là xác định phương pháp khử trùng. 2. Lựa chọn phương pháp khử trùng. Có các phương pháp khử trùng sau: a. Phương pháp lý học: a.1. Phương pháp nhiệt: Khi đun sôi nước ở 1000C, đa số các vi sinh vật bị tiêu diệt còn một số ít khi nhiệt độ tăng lên cao liền chuyển sang dạng bào tử với lớp bảo vệ vững chắc. Chúng không hề bị tiêu diệt dù có đun sôi liên tục trong vòng 15 đến 20 phút. Để tiêu diệt được nhóm vi khuẩn bào tử này, cần đun sôi nước đến 1200 C hoặc đung theo trình tự sau: Đun sôi ở điều kiện bình thường 15 - 20 phút để cho nước nguội đi đến 350C và giữ trong vòng 2 giờ cho các bào tử phát triển trở lại, sau đó lại đun sôi nước một lần nữa. Phương pháp nhiệt tuy đơn giản nhưng tốn năng lượng và thiết bị nên thường chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ. a.2- Phương pháp chiếu tia tử ngoại. Tia tử ngoại (cực tím) có khả năng tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật. Biện pháp khử trùng bằng tia tử ngoại đơn giản nhất là để nước dưới tác động trực tiếp của ánh nắng mặt trời. Trong kỹ thuật khi lưu lượng cần khử trùng nhỏ, có thể sử dụng các thiết bị khử trùng bằng tia tử ngoại. Cơ cấu chính của thiết bị là các đèn bức xạ tia tử ngoại đặt trong dòng chảy của nước. Hiệu quả của phương pháp này chỉ đạt được hoàn toàn khi trong nước không có chất hữu cơ và cặn lơ lửng. a.3- Phương pháp siêu âm: Dòng siêu âm với cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2w/cm2 trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước. a.4- Phương pháp lọc: Đại bộ phận vi sinh có trong nước (trừ siêu vi trùng) có kích thước 1-2 mm. Nếu đem lọc nước pha lớp lọc có kích thước khe rỗng nhỏ hơn 1mm có thể loại trừ được đa số vi khuẩn. Lớp lọc thường dùng là các tấm sành, sứ xốp với khe rỗng cực nhỏ, với phương pháp này nước đem lọc phải có hàm lượng cặn < 2mg/l. Khử trùng bằng các phương pháp vật lý có ưu điểm cơ bản là không làm thay đổi tính chất lý học của nước, không gây nen các hậu quả phụ. Tuy nhiên do hiệu suất thấp nên thường chỉ áp dụng ở quy mô nhỏ với điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép. b. Phương pháp hoá học: Cơ sở của phương pháp hoá học là sử dụng các chất oxy hoá mạnh để oxy hoá men của tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng, các hoá chất thường dùng là: clo, brôm, iốt, clodioxyt, axit hypoclorit và muối của nó, ozon, kali pemanganat, hydro peroxit. Do hiệu suất của phương pháp cao nên ngày nay khử trùng nước bằng hoá chất đang được áp dụng rộng rãi ở mọi quy mô. b.1- Khử trùng nước bằng clo và các hợp chất của nó: Clo là một hợp chất oxy hóa mạnh ở bất cứ dạng nào nguyên chất hay hợp chất khi tác dụng với nước đều tạo ra phân tử axit hypoclorit HOCl. HOCl có tác dụng khử trùng rất mạnh. Quá trình diệt vi sinh vật xảy ra hai giai đoạn. Đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình được xác định bằng động học của quá trình khuếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và động học của quá trình phân huỷ men tế bào. Tốc độ của quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng với nhiệt độ nước tăng, đồng thời phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn quá trình phân li. Tốc độ khử trùng bị chậm đi rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lửng và các chất khử khác. b.2- Khử trùng nước bằng ozon: Ozon là một chất khí rất độc và không bền vững. Ozon có tác dụng khử trùng rất mạnh, ở trong nước nó phá huỷ không chỉ các men mà cả nguyên sinh chất của tế bào (trong khi clo chỉ phân huỷ các men). Do đó với siêu vi trùng là các vi khuẩn không có men, ozon có tính hoạt hoá mạnh hơn clo. Tuy nhiên dùng ozon để khử trùng nước thì giá thành xử lý rất cao. Hiện nay chỉ ở các nước tiên tiến mới dùng ozon trong công đoạn khử trùng. ở Việt Nam hiện nay việc dùng ozon trong xử lý nước sẽ không khả thi bởi hiệu qủa kinh tế thấp. Đối với công nghệ xử lý nước ngầm ở đây, tôi chọn phương pháp khử trừng bằng clo. Đây là phương pháp kinh tế nhất, có thể đảm bảo khả năng đặc diệt trùng trong đường ống phân phối. 3. Các yếu tố làm ảnh hưởng đến các quá trình khử trùng bằng clo. a- ảnh hưởng của độ pH: Độ pH có ảnh hưởng lớn đến hiệu qủa của quá trình khử trùng nước bằng clo. Khi pH tăng, hiệu quả khử trùng giảm đi. Xét về hiệu quả thời gian, thì khi giá trị pH tăng, thời gian tiếp xúc phải tăng lên. b- ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ nước tăng, độ nhớt giảm làm chuyển động nhiệt tăng lên do đó quá trình khuếch tán chất khử trùng qua vỏ tế bào vi sinh vật tăng lên. c- ảnh hưởng của nồng độ: Khi tăng nồng độ chất khử trùng, thời gian tiếp xúc cần thiết sẽ giảm xuống. 4. Xác định lượng clo cần thiết: Khi cho Clo vào nước, nó sẽ thuỷ phân tạo ra axit hupoclorít và axit clohydric: Cl2 + H2O Û HOCl + HCl (4.1) Hoặc ở dạng phân ly: Cl2+ H2O Û 2H+ + OCL- + Cl-. (4.2) Khi trong nước có amoniac hoặc muối amoni thì có phản ứng: HOCl + NH3 đ NH2Cl + H2O. HOCl + NH2Cl đ NHCl2 + H2O. NOCl = NHCl2 đ NCL3 + H2O. Để đảm bảo cho quá trình khử trùng đạt được hiệu quả hoàn toàn, sau khi khử trùng, cần giữ lại trong nước một lượng Clo dư thích hợp. Ban đầu Clo dư phản ứng với amoniac hoặc muối amoni tạo thành các cloramin, khi tỷ số phân tử Cl2/NH4_ < 1,1 tạo ra đồng thời monocloramin và dicloramin, tỷ số của các cloramin phụ thuộc vào độ pH của nước (hình III.7). Như vậy lượng Clo dư ban đầu đều ở dạng cloramin- đoạn đường cong trước điểm A trên hình (III.8). Tiếp tục cho clo vào nước sẽ làm cho tỷ số phân tử Cl2/NH4+ tăng lên đến điểm lớn hơn 1,1. Khi đó bắt đầu xảy ra quá trình oxy hoá mono và dicloramin bằng axit hupoclorít theo các phản ứng sau: NH2Cl + NHCl2+HOCl đ N2O + 4 HCl NHCl2+ HOCl đ NCl3 + H2O. NHCl2+ H2O đ NH(OH)Cl + HCl NH(OH)Cl + 2HOCl đ NHO3 + 3HCl Hàm lượng clo dư kết hợp có trong nước bắt đầu giảm theo mức độ tăng lượng Clo thêm vào nước. Khi tỷ số phân tử Cl2/NH4+ có ở trong nước tăng lên đến 2 thì toàn bộ cloramin đều bị oxy hoá và hàm lượng clo dư giảm xuống gần đến không (điểm B trên hình III.8). Tiếp tục tăng lượng Clo cho vào nước sẽ làm cho lượng dư tăng dần lên (đoạn sau điểm B trên hình III.8). ở đây toàn bộ lượng Clo dư là clo tự do có độ hoạt tính diệt trùng cao. Như vậy, khi khử trùng nước có chứa amoniac và muối amoni, để đạt được hiệu qủa tuyệt đối, cần sử dụng một lượng clo lớn để có được lượng clo dư cần thiết là clo tự do (liều lượng cao hơn tại điểm B, hình III.8). Với các hệ thống cấp nước sinh hoạt, lượng clo dư cần để chống sự nhiễm bẩn trở lại của nước trong mạng lưới đường ống phân phối hoặc nơi tiêu thụ thường lấy từ 0,2 đến 0,3 mg/l tính theo clo tự do. Hình III.7: Tỷ số giữa mônôcloramin(I)và dicloramin(II)ứng với các giá trị pH khác nhau ở 200C Hình III.8: Biểu đồ tương quan giữa lượng clo dư và clo cho vào nước có chứa muối amoni I.Cloramin: II.Clo tự do Theo hình III.2 ị nếu chọn lượng clo dư là 0,3 mg/l tính theo clo tự do thì lượng clo cho vào nước là: 1,25 mg/l = 1,25 g/m3. Vậy lượng tiêu thụ trong 1 giờ là: => Lượng clo tiêu thụ trong một ngày là 0,651 x 24 = 15,625 kG. 5. Thiết kế trạm clo Đặt 2 Cloratơ chân không tự động, một làm việc, một dự phòng. Bình chức clo dung tích 100kg. Trong trạm đặt cloratơ, bình trung gian, bình clo lỏng. Dùng 1 bình clo lỏng và một bình trung gian đủ dùng trong 30 ngày. Trạm clo có 2 buồng: - 1 buồng đặt cloratơ và bình clo lỏng. Diện tích cho 1 cloratơ là 3 m2 và cho 1 bình clo lỏng là 4m2. [II.1-25] Diện tích buồng này là: 3 + 4 = 7m2. - 1 buồng đặt trang thiết bị phòng độc và thiết bị báo động nồng độ hơn clo, rộng 8m2. III.2.6 Kiểm tra sự ổn định của nước. 1-Mục đích. Kiểm tra sự ổn định của nước để đảm bảo cho nước luôn luôn ở môi trường trung tính, chống sự xâm thực hoặc lắng đọng cặn cacbonat canxi trong các công trình xử lý và vận chuyển nước. Trong phần này, sẽ xác định chỉ số bão hoà SI của nước và tính toán loại và liều lượng hoá chất cần dùng để ổn định nước nếu nước không ổn định. 2-Tính toán cụ thể. a.Xác định độ pH. Theo (4.2) 71g Cl2 tạo ra 2g H+ => 1,25mg Cl2 tạo ra n mg H+ => n=(1,25 x 2) : 71 = 0,035 mgH+ Theo (5) 1 g H+ phản ừng với 61 g HCO3- tạo ra 44g CO2. 0,033 mg H+ phản ứng với h mg HCO3- tạo ra i mg CO2. h = 0,035 x 61 = 2,135 mg/l i = 0,035 x 44 = 1,54 mg/l. Vậy sau khi cho 1, 25 mg/l clo vào nước thì: [HCO3_] = 115,9 - 2,135 = 113,155 mg/l = 1,855 mmol/l. [CO2] = 4,84 + 1,54 = 6,38 mg/l = 0,145 mmol/l. b. Xác định pHs. - Tổng lượng muối: tính bằng tổng các ion âm và dương trong nước sau khi cho clo vào nước. Trong trường hợp này NH4+ và Clo đã chuyển thành các cloramin và lượng cloramin tính bằng tổng lượng NH4+ và clo thêm vào nước trừ lượng clo dư: P = [Fe2+] +[Mn2++ [Ca2+] +[Mg2+] +[HCO3-] + [SO42-] +[Cl-] + [PO43-] + [Cl2] - [Cl2 dư]. = 0 + 0,6 + 60 + 12 + 113,277 + 64 + 30 + 2 + 1,25 - 0,3 = 282,827 mg/l. - Độ kiềm: Được tính theo công thức (XII-4). Khi pH < 9 ị [CO32-] = 0 và [OH-] = 0 ị Ktf= 100 x 0,5 x [HCO3-] [XII-137] = 100 x 0,5 x 1,957 = 92,85 - [Ca2+] = 60 mg/l. - Nhiệt độ T = 200C. Với các thông số trên tra biểu đồ Hoover suy ra [XII-138] ị pHs = 7,8. Chỉ số bão hoà I = pH - pHs = 7,52- 7,8 = -0,28. Như vậy I nằm trong khoảng [-0,5; +0,5] Kết luận: nước ở cuối quá trình xử lý đã ổn định. Không cần phải thêm hoá chất. II.2.7 Công trình phụ. 1.Thiết bị pha chế vôi sữa. a. Mục đích: Để định lượng và hoà trộn nhanh vôi vào nước thì vôi tôi được pha chế thành dung dịch sữa. Công đoạn này sẽ tiến hành trong bể pha sữa vôi. b. Thiết kế: Thiết kế một bể pha có tiết diện vuông, cạnh là d, đáy bể có cấu tạo hình chóp với góc tạo thành giữa 2 tương nghiêng là từ 45 á 600 .ở đây chọn góc nghiêng là 500. Để hoà trộn và giữ cho dung dịch không bị lắng trong bể, dùng biện pháp tuần hoàn nước. Dung tích bể xác định theo công thức: [XIII - 20] Trong đó: W: dung tích bể, m3. Q - lưu lượng nước xử lý, m3/h. c- Nồng độ dung dịch pha chế tính theo sản phẩm tinh khiết %. a- Liều lượng CaO cho vào nước g/m3. r- Trọng lượng riêng của vòi sữa n- lấy theo kinh nghiệm; lấy n = 24 h. C = 10% đã chọn phần trên. a = 183 g/m3. r = 1 tấn/m3. Tính toán tương tự bể lắng tiếp xúc, có thể tích bể pha tính theo cạnh d và chiều cao phần thân trên ht của bể là: W = ht.d2 + 0,8d3. Giải phương trình: ht.d2 + 0,8d3 = 22,86 m3. Kết quả giải phương trình trên với một giá trị của ht được cho trong bảng sau: ht 1,5 2,0 2,5 d 2,5 2,4 2,3 hđ 2,2 2,1 2,0 Từ bảng này chọn thiết kế: ht = 2 cm; d = 2,4m, hd = 2,1m. => Tổng chiều cao bể là: H = ht + hđ = 2 + 2,1 = 4,1m. Vậy, bể pha được thiết kế với các thông số sau: - Tiết diện ngang của phần trên là hình vuông, kích thước 2,4m x 2,4m. - Chiều cao phần thân trên là: 2cm. - Tổng chiều cao bể là: 4,2m. - Góc nghiêng là:600. 2. Bể chứa. Dung tích bể chứa lấy bằng 10% lưu lượng nước xử lý để phục vụ các mục đích. - Điều hoà lưu lượng. - Sử dụng trong trạm xử lý. - Rửa lọc. => Dung tích bể chứa là: 12500 . 10% = 1250 cm3. Bể có kích thước: - Cao: 3m. - Tiết diện: 16m x 26 m. Bể được chia làm 2 ngăn thông nhau, tiết diện mỗi ngăn là 8 m x 26m. Bể chứa nước sạch Hình III.15 3. Bể lắng bùn Bể lắng bùn phải có thể tích đủ chứa được lượng nước của hai lần rửa bể lọc Vb=2.W0=2.41,5=83 m3 Bể có kích thước: Cao: 2,5m Tiết diện:4,2m x 8,0m. Phần IV: Kết luận Trên quan điểm lý thuyết, có thể nhận định rằng dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm được thiết kế trên đây đã đạt các mục đích chính cuả việc xử lý. Tuy nhiên trong thực tế, mỗi một nguồn nước sẽ có một chất lượng riêng nên phải có một dây chuyền xử lý thích hợp. Để đạt được mục đích này, cần phải thực hiện các bước như sau: Khảo sát, thăm dò kỹ chất lượng nguồn nước. Các thông số chính của nước ngầm phải được thí nghiệm nhiều lần để có thể đưa ra con số chính xác. Trong quá trình thiết kế về công nghệ , sau từng quá trình thời kỳ, chất lượng nước cũng được kiểm tra lại bằng thực nghiệm để có cách giải quyết cụ thể đối với từng vấn đề nảy sinh trong thực tế. Trong điều kiện hạn hẹp của đồ án này, do không có các kết quả thí nghiệm cụ thể nên việc tính toán thiết kế phải dự nhiều vào lý thuyết và các kinh nghiệm đã đút rút từ các thực nghiệm sẵn có. Tuy nhiên các kết quả tính toán trên đây đã chú ý sao cho có tính thực tế nhất. Sau khi thiết kế dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm, tôi có một số nhận xét sau: 1- Chất lượng nước đã xử lý ở các nhà máy nước của Việt nam, cụ thể là ở Hà Nội, nhiều nơi chưa đạt yêu cầu; ví dụ hàm lượng NH3 trong nước ngầm của Nhà máy Pháp Vân còn quá cao (20mg/l). Nguyên nhân là do nước lấy ở một độ sâu chưa đạt yêu cầu, để giải quyết vấn đề này tôi có hai đề xuất sau: Đào giếng tới độ sâu xấp xỉ 100m Có phương pháp xử lý NH3 thích hợp (bổ sung đủ oxy cho quá trình oxy hoá NH3) ví dụ dùng bể lọc khô 2- Các số liệu tính toán của tôi chưa được kiểm tra bằng thực nghiệm nên nó chỉ mới đúng là số liệu dự kiến để làm hẹp phạm vi thí nghiệm trong thực tế mà thôi. 3- Do chất lượng nước mặt thay đổi liên tục theo thời gian (theo mùa) và vị trí nên chất lượng nước ngầm cũng tương tự thay đổi theo, tuy nhiên kết quả tính toán ở đây chỉ mới đúng cho một chất lượng nước thô nhất định cho trước mà thôi. 4- Sau quá trình thiết kế và tính toán tôi tự thấy đã nâng cao trình độ hiểu biết của mình về các quá trình xử lý nước cấp rất nhiều, hiểu biểt sâu hơn về chuyên ngành tôi học và có tham vọng muốn được phát triển chuyên môn của mình về công nghệ xử lý nước cấp. Ngày nay nước ta đang bước vào công cuộc đổi mới về kinh tế. Với chính sách mở cửa, cuộc sống của người dân đang không ngừng được cải thiện. Cùng với sự đi lên của nền kinh tế, các điều kiện đống của người dân ngày càng tốt hơn, nước sạch là một trong những nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của toàn dân và yêu cầu sử dụng nó ngày càng tăng. Vấn đề này luôn được nhà nước quan tâm. Đã có nhiều cuộc vận động tiết kiệm nước và các chương trình nước sạch ở nông thôn cũng như thành thị được phát động, nhằm hướng tới một môi trường nước sạch. Các nghiên cứu khoa học đang được tiến hành để tìm ra phương án xử lý nước tối ưu. Đồ án này hy vọng được góp phần nhỏ bé để trong tương lai toàn thể nhân dân Việt nam được sử dụng nước sạch, nhằm hướng tới một xã hội văn minh, hạnh phúc, phồn vinh và tươi đẹp. Tài liệu tham khảo Trịnh Xuân Lai: Tính toán thiết kế các công trình trong hệ thống cấp nước sạch - Nhà xuất bản KH &KT Hà Nội - 1998. Trịnh Xuân Lai (chủ biên), Đồng Minh Thu: Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp (Tập 1+2)- NXB KH&KT Hà Nội - 1998. Nguyễn Thị Thu Thuỷ: Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp- NXB KH&KT Hà Nội - 2000. Lê Dung: Công trình thu nước Trạm bơm cấp thoát nước- NXB Xây dựng - 1999. Vũ Hải, Ngô Văn Sức: Cấp nước, Đại học Xây dựng Hà Nội - 1971. Lê Long: Cấp nước dân dụng và công nghiệp- NXB Xây dựng Hà Nội- 1980. F.A.Sê-Vê-lép: Các bảng tính toán thuỷ lực XNB XD Hà Nội, 1973 Jean Louis Brauls: Sổ tay xử lý nước, NXB XD Hà Nội, 2000. Hoàng Huệ: Hường dẫn đồ án môn học cấp và thoát nước, NXB XDHN - 1998. Đồng tác giả: Sổ tay quá trình và thiết bị hoá chất (tập 1), ĐHBK Hà Nội- 1992. Đồng tác giả: Giáo trình hoá công (tập 1), ĐHBKHN - 1999 Nguyễn Công Thành: Xử lý nước thiên nhiên, NXBKHKT- 1992. Uỷ ban kiến thiết cơ bản nhà nước: tiêu chuẩn thiết kế cấp nước đô thị (TXCD 33-68). Ban chỉ đạo quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường. Công nghệ cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường- NXBKHKT - 1996. Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia- Tiềm năng tài nguyên nước lãnh thổ Việt nam (Tổng luận và phân tích, 1994). Trường ĐNXD: Các phương pháp xử lý nước cấp và nước thải. Trần Hiếu Nhuệ: xử lý nước cấp, ĐHXDHN- 1980.