Tiểu luận Xử lý nước mặt làm nước cấp sinh hoạt

-105. Chúng có thể được sử dụng riêng, nhưng thường phối hợp với chất keo tụ vô cơ. Khi sử dụng chúng liều lượng muối vô cơ giảm mạnh, bùn sinh ra sẽ ít hơn nhiều so với sử dụng keo tụ vô cơ. Thường gặp bốn nhóm hợp chất: - Sản phẩm trùng ngưng melaminphoocmaldehit: - sản phẩm trùng ngưng của epiclohyđrin và dimetylamin: - poly(dialyl-dimetyl amôni clorua): - Nhóm phổ biến nhất hiện nay là các polyacrylamit (PAA) tan trong nước, hiện nhập ngoại. Liều dùng trong xử lí nước cấp của chúng là 5¸15 phần triệu. Tốt nhất là dùng PAA kết hợp với phèn. Khi dùng PAA, dung dịch PAA thường được đưa vào sau khi khuấy trộn phèn khoảng 1 ¸ 2 phút. Điểm khác cơ bản của quá trình tạo bông là tốc độ tạo bông lớn (trong vòng 2 phút so với phèn cần 20 phút) và kích thước bông cặn cũng như độ bền bông cặn hơn hẳn bông cặn phèn. PAA còn được sử dụng phổ biến trong xử lí nước thải, xử lí bùn và nhiều ngành công nghiệp với liều dùng lên tới 5-50 g/m3. Nhược điểm chính của PAA là sản phẩm nhập, đắt và phải lựa chọn chủng loại PAA và liều lượng cho phù hợp với từng loại nước bằng thực nghiệm. Công thức cấu tạo của các loại PAA phổ biến cho ở hình 7. Loại không phân li (non-ionic): Loại anion (anionic): Loại cation (cationic): Hình 2.5- Công thức cấu tạo của các loại PAA xử lý nước II.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ Ngoài yếu tố bản chất của chất keo tụ (nhất là giá trị và dấu điện tích) và tạp chất có trong nước các yếu tố sau là quan trọng nhất. II.4.1 Yếu tố pH Mỗi chất keo tụ, dù là muối nhôm hay sắt, đều có khoảng pH tối ưu cho sự hình thành kết tủa hyđroxit tương ứng. Thấp hơn giá trị này các bông Me(OH)3 tạo thành sẽ bị hoà tan bởi axit. Cao hơn giá trị này sẽ tạo thành các muối bazơ khó kết tủa. Đối với các chất điện li polime pH sẽ ảnh hưởng đến khả năng phân li của các nhóm chức, gây tăng hoặc giảm mật độ các nhóm chức hoạt động làm thay đổi khả năng tương tác phân tử polime - hạt keo. II.4.2 Yếu tố hữu cơ Khi xử lý nước bằng chất keo tụ cần lưu ý hiện tượng làm bền keo bởi các chất bị hấp phụ hữu cơ. Các chất hữu cơ tự nhiên (ví dụ, axit humic - AH) phổ biến trong nước có tính làm bền keo rõ rệt nhờ khả năng tạo phức với Fe2/3+, ngoài ra lớp màng chất hấp phụ hữu cơ vây quanh hạt keo ngăn cản tương tác giữa các hạt keo với các tác nhân keo tụ ta chủ động đưa vào, giảm rõ rệt tác dụng làm trong nước của chất keo tụ. Về phần mình, lượng HA trong keo đất có thể đánh giá qua pH, bảng 2.2 cho ta thấy tỉ lệ HA thường gặp trong keo đất phụ thuộc vào pH như thế nào. Đây chính là trường hợp ta gặp khi nước có mầu (do chất hữu cơ tan trong nước). Cách xử lý thường là nâng pH bằng vôi để giảm tỉ lệ HA/đất hoặc tiền xử lý bằng các chất ôxy hoá như clo, ôzôn để phá hủy một phần chất hữu cơ trước khi keo tụ. Bảng 2.2 - Sự phụ thuộc tỉ lệ HA/đất (phần HA/100 phần đất) vào pH môi trường nước Ph HA/đất pH HA/đất 3,85 9,60 6,95 6,28 5,0 8,18 7,25 5,37 5,1 7,26 8,50 2,05 II.5 Ứng dụng Quá trình keo tụ – tạo bông thường áp dụng trước lắng hoặc lọc để: - Làm trong nước, xử lí một phần độ màu trước khi lọc (xử lí nước cấp): các chất keo tụ trong xử lí nước cấp thường là phèn nhôm, gần đây xuất hiện Poly-Aluminium-Chloride (PAC) là muối nhôm dạng polime, các chất trợ keo tụ PAA. Muối nhôm thường sử dụng ở mức trên 10 mg/L, PAC sử dụng ở mức bằng 1/2¸1/4 muối nhôm, PAA sử dụng ở mức 0,2¸0,5 ppm. - Giảm hàm lượng SS trước khi vào xử lí sinh học (xử lí nước thải) - Tăng cường khả năng lắng của bể lắng cấp 2 trong xử lí nước thải - Lọc trực tiếp nếu SS không quá cao Trong một số trường hợp các chất keo tụ ở liều cao có thể áp dụng để xử lí màu trong nước thải công nghiệp, ví dụ nước thải dệt nhộm, nước thải giấy. Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách trộn nước với chất keo tụ trong các thiết bị khuấy trộn nhanh, sau đó nước được đưa vào bể tạo bông với sự khuấy trộn nhẹ nhàng nhằm tăng cường tiếp xúc hạt - hạt làm cho bông phát triển kích thước, tránh vỡ bông. Tiếp theo nước vào bể lắng thực hiện quá trình tách rắn/lỏng. Sự keo tụ - tạo bông được coi là hiệu quả nếu bông cặn tạo ra dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường (kích thước gần 1 mm trở lên), khi đó nước sẽ lắng trong nhanh trong ống quan sát trong vòng 10 - 15 phút để yên. Ngoài những ứng dụng trong xử lí nước chất keo tụ tạo bông còn áp dụng nhiều trong việc xử lí bùn nhằm tăng khả năng tách nước khỏi bùn, áp dụng trong công nghiệp giấy nhằm điều chỉnh đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bột... 15.7.1 Khuấy trộn Khuấy trộn là quá trình mà hầu hết các hệ phản ứng đều cần thực hiện. Mục đích chính của nó là tạo tiếp xúc tối đa giữa các phân tử, ion, các thành phần phản ứng, giảm thiểu cản trở gây ra do khuếch tán chậm. Đối với hệ lỏng hoặc rắn(ít)/lỏng(nhiều) ta dùng thuật ngữ khuấy (hoặc cả khuấy trộn), đối với hệ rắn/rắn hoặc rắn(nhiều)/lỏng(ít) ta thường dùng thuật ngữ trộn. Ngoài việc tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra nhanh hơn, giảm thiểu tác động của yếu tố khuếch tán, khuấy trộn còn có các tác dụng quan trọng khác như: - Làm đều hỗn hợp (trong công nghệ vật liệu bột) - Làm vỡ các hạt, giọt lớn (trong công nghệ hoá học). - Tăng cường tốc độ truyền nhiệt, giảm nhẹ hiện tượng tăng giảm nhiệt độ cục bộ. Trong quá trình keo tụ – tạo bông khuấy trộn nhằm: - Phân bố nhanh, đều chất keo tụ, tạo bông trong toàn thể tích nước cần xử lý. - Tăng hiệu quả xử lí, suy ra giảm chi phí trong quá trình keo tụ. - Tăng tiếp xúc hạt – hạt nhỏ, thúc đẩy tạo bông. - Làm lơ lửng các hạt rắn trong lỏng (trong hệ xử lí vi sinh) hoặc khí Khi đó cần phân biệt: đối với quá trình phản ứng, cần phân bố đều hoá chất nhanh tối đa nên ta sử dụng quá trình khuấy nhanh; đối với quá trình tạo bông hyđroxit kim loại khuấy nhanh sẽ làm vỡ bông cặn, khi đó ta cần khuấy nhẹ nhàng. Hiệu quả quá trình khuấy phụ thuộc vào công suất khuấy. Tính công suất khuấy Để định lượng quá trình khuấy ta dùng đại lượng građien vận tốc G. Trong giới hạn nhất định, đại lượng G càng lớn sự khuấy càng tiến tới lý tưởng. G chính là hàm của công suất khuấy áp cho một đơn vị thể tích cần khuấy: (9) hoặc hệ quả: Trong đó: G = građien vận tốc, s-1 P = Công suất tuyền vào chất lỏng, w V = Thể tích cần khuấy, m3 m = Độ nhớt động học chất lỏng, Pa.s Q = lưu lượng, m3/s V = thể tích cần khuấy, m3 t0 = thời gian lưu nước, s Tuỳ mỗi nhiệm vụ cụ thể ta chọn giá trị G thích hợp. Hiệu quả khuấy (tổng số va chạm hạt – hạt) đo bằng Gto, trong đó to là thời gian lưu nước trong vùng khuấy. Bảng 2.3, 2.4 cho ta các dữ liệu kinh nghiệm để tính các đại lượng G, Gto ứng với mỗi quá trình. Bảng 2.3 – Các giá trị G để tính khuấy nhanh Các giá trị thời gian lưu to (s) Giá trị G lựa chọn (s–1) 0,5 (trộn trong ống) 3500 10¸20 1000 20¸30 900 30¸40 800 Lâu hơn nữa 700 Bảng 2. 4 – Các giá trị Gto để tính bể tạo bông Loại bồn G (s–1) Gto Nước có SS thấp, keo tụ để xử lí cả màu 20¸70 60000¸200000 Nước có SS cao, keo tụ để xử lí SS 50¸150 90000¸180000 Làm mềm, 10% SS 130¸200 200000¸250000 Làm mềm, 39% SS 150¸300 390000¸400000 Khuấy nhanh Đây là quá trình ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả sử dụng chất keo tụ. Như đã nêu, quá trình thuỷ phân xảy ra trong micro giây (tài liệu nói là 0,1s), như vậy khuấy càng nhanh càng tốt về khía cạnh đáp ứng yêu cầu phản ứng. Ngược lại nếu ion Al3+ hình thành chưa kịp tiếp xúc hạt keo để thực hiện chức năng trung hoà điện tích, gây keo tụ, nó đã thuỷ phân tạo Al(OH)3, khi đó nó chỉ có thể tác động như một chất tạo bông. Phân loại các phương pháp khuấy nhanh: - Khuấy cơ khí bằng máy khuấy (tốt nhất) - Khuấy bằng khí nén. - Khuấy bằng cách bơm chất lỏng tuần hoàn - Khuấy tĩnh: tận dụng các cơ cấu dòng chẩy, ví dụ: khuấy trong ống trộn; khuấy kiểu rãnh thu – dãn (rãnh Parshall); ”thác” nước; vách đục lỗ, vách đảo chiều ... Bồn khuấy trộn cơ học Nước vào Nước ra Động cơ Hình 2.6 - Bồn khuấy nhanh cơ khí Bồn khuấy nhanh thường có thời gian lưu thuỷ lực cỡ 10 ¸ 30 s, G ở mức 600 ¸ 1000 s-1, thể tích giới hạn ở 8 m3. Bồn khuấy thường có hình trụ, để tăng hiệu quả khuấy thường bố trí thêm 2 ¸ 4 vách chắn nhỏ dọc thành bể để tăng hiệu quả khuấy, đôi khi có vách ngang chống tạo xoáy. Máy khuấy gồm: động cơ điện, hộp số giảm tốc, trục khuấy, cánh khuấy. Cánh khuấy thường dùng loại turbin hoặc mái chèo (xem h. 9). Hoá chất phải cho vào vùng ngay dưới cánh khuấy, nơi được khuấy mạnh nhất. Mái chèo nghiêng chân vịt tuốc bin Hình 2. 7- Một số dạng cánh khuấy Một số quy tắc kinh nghiệm: - Độ sâu mức nước: 0,5 ¸ 1,1 lần đường kính bồn. - Đường kính cánh khuấy: 0,3 ¸ 0,5 lần đường kính bồn, thường £ 1m. - Tấm chắn dọc rộng ~ 0,1 lần đường kính bồn. - Nếu mức nước = 1,1 ¸ 1,6 lần đường kính bồn cần lắp 2 tầng cánh khuấy, khi đó khoảng cách giữa hai cánh khuấy (theo trục khuấy) gấp hai lần đường kính cánh khuấy. - Hai bộ cánh khuấy đồng trục gây ra công suất khuấy »1,9 lần so với một bộ nếu dùng một môtơ. Bảng2. 5– Các giá trị KT để chọn cánh khuấy Loại cánh khuấy KT Chân vịt một tầng, 3 cánh khuấy 0,32 Chân vịt hai, 3 cánh khuấy 1,00 Tuốc bin, 6 cánh phẳng, có chắn 6,30 Tuốc bin, 6 cánh cong 4,80 Tuốc bin quạt, 6 cánh nghiêng 45o 1,65 Tuốc bin vòng, 6 cánh cong 1,08 Tuốc bin vòng, với stator, không vách chắn 1,12 7.2 Hệ tạo bông Hệ tạo bông ảnh hưởng đến kích thước bông hình thành, do đó ảnh hưởng đến khả năng tách R/L trong hệ tiếp theo. Mục đích quá trình tạo bông là khuấy vừa đủ để tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa các hạt cặn nhỏ với nhau, tạo điều kiện cho chúng hút nhau, tạo bông lớn hơn tới mức có khả năng lắng dễ dàng, nhưng mặt khác không được khuấy quá mạnh làm “vỡ” bông cặn mới hình thành, như vậy đại lượng G phải nhỏ và hẹp (bảng 4). Do chất lượng nước vào thay đổi nên cần thiết kế sao cho có thể thay đổi G được 2 ¸ 3 lần mà không quá thay đổi kết cấu bể tạo bông. Bông càng lớn, mật độ bông càng cao ta càng cần G lớn (9). Đối với cặn của quá trình làm mềm bằng vôi – sôđa, tỷ khối nặng hơn cặn keo tụ nên G cao nhất. Khi mật độ SS tăng, giá trị G cũng tăng tương ứng. Cánh khuấy thường dùng là loại cánh hướng tâm do cánh khuấy loại này tạo G có giá trị đều nhất trong toàn thể tích. Có thể khuấy tạo bông bằng các cánh khuấy dạng tấm phẳng, hệ bồn nhiều vách ngăn đảo chiều. Vách cố định Hướng dòng xoay Khuấy nhanh Đường hoá chất Cánh khuấy Bể lắng Hình 2.8- Bể tạo bông với cánh khuấy dạng tấm phẳng Bồn/bể tạo bông tốt nhất là hình chữ nhật, chia 3 vùng. Đại lượng G phân chia sao cho giảm dần từ đầu vào tới đầu ra (h 2.10). G lấy theo bảng 2.5. Một số quy tắc kinh nghiệm: - Cánh khuấy mái chèo có đường kính=0,2 ¸ 0,5 bề rộng bể, tối đa= 3m. - Tính công suất khuấy dùng biểu thức Rushton: (10) Trong đó: P = Công suất, w KT = Hằng số cánh khuấy n = Tốc độ quay của cánh khuấy, v/s Di = Đường kính cánh khuấy, m r = Tỷ khối nước, kg/m3 g = Gia tốc trọng trường, 9,8 m/s2 Trong các bể không có vách ngăn P thực tế chỉ có thể bằng 1/6 P tính theo pt. (10). Các giá trị KT chọn theo bảng 5. Một kiểu bể tạo bông khác, khá đơn giản và hiệu quả là bể tạo bông kiểu Alabama (hình 9). Đây thực chất là một thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng thuỷ lực, dòng nước được đảo chiều nhiều lần nhờ hệ thống ống hướng dòng. Hệ thống ống đảo chiều dòng nước có thể được thay bằng hệ vách ngăn với cùng chức năng, khi đó ta gọi là thiết bị phản ứng với vách ngăn đảo chiều. thiết bị phản ứng với vách ngăn đảo chiều. Hình 2 9- Bể tạo bông kiểu Alabama III. Lắng III.1. Khái niệm lắng và bể lắng Lắng là quá trình tách cặn lơ lửng khỏi nước nhờ tác động của trọng lực, nó còn được gọi là sa lắng. Các chất lơ lửng ở đây có thể là SS tự nhiên, các bông cặn sau keo tụ – tạo bông, kể cả bông vi khuẩn sau xử lý sinh học. Công cụ để thực hiện quá trình lắng là bể lắng. Bể lắng có thể được chế tạo dưới dạng thiết bị bằng thép, compozit hoặc xây dựng bằng beton, gạch. Các hình dạng phổ biến nhất là hình trụ vuông hoặc tròn, hình hộp chữ nhật. Một bể lắng cần có bốn vùng (hình 3.1) [1]: Vùng nhận và phân phối nước. Đây là đầu vào bể Vùng lắng Vùng chứa bùn lắng Vùng thu nước lắng Hình 3.1- Mô hình bể lắng và bốn vùng cơ bản Vùng nhận nước có chức năng phân phối nước đều sao cho tận dụng được tối đa không gian vùng lắng, ngoài ra phải giảm vận tốc nước vào vùng lắng tới vận tốc thiết kế giới hạn cho vùng lắng vo được gọi là tốc độ giới hạn hay tải bề mặt (đơn vị: m3/m2.ngày). Như vậy cấu tạo của vùng nhận nước phải đảm bảo được các yêu cầu kể trên. Trong thực tế thiết kế vùng nhận nước không được coi trọng nên hiệu quả bể lắng kém hơn so với khối tích bể tới 25%. Để thực hiện điều này vùng thu nước thường có vách hướng dòng (có thể kiêm phân phối (hình 3.1). Nước cũng có thể được phân phối và giảm tốc tốt thông qua hệ ống nhiều đầu ra. Vùng thu nước lắng có chức năng thu nước đã lắng bớt cặn, chuyển tải đi sang công đoạn tiếp theo. Để thực hiện điều này cần bố trí các máng thu. Để vận tốc nước vào máng không quá cao, điều dẫn tới tạo các dòng chảy mạnh gần máng thu cuốn theo cặn đang lắng người ta đưa ra thông số tải máng thu (đơn vị: m3/m.ngày). Rõ ràng là cặn càng nặng càng khó bị cuốn trôi nên chiều dài máng thu càng ngắn. Bảng 3.1 cho ta sự phụ thuộc tiêu chuẩn thiết kế đối với máng thu cho các loại bông cặn khác nhau. Bảng 3.1- Các thông số tải máng thu thường gặp [1] Loại bông cặn Tải máng thu, m3/m.ngày Bông đánh phèn với nước ít đục Bông đánh phèn với nước đục Bông cặn xử lí độ cứng 143¸179 179¸268 268¸322 Vùng chứa bùn phải thuận lợi cho việc thu gom, xả bùn và vệ sinh bể thường kì. Thường phải có hố gom bùn bố trí gần cửa nhận nước. Nếu bể gom bùn thủ công thì đáy bể phải có độ dốc nhất định về phía hố gom. Độ dốc từ hai bên về tâm bể ít nhất phải là 10%, từ đầu thu nước lắng đến đầu nhận nước vào ít nhất là 5%. Nếu gom bùn bằng cần gạt bùn cơ khí thì độ dốc ít là 1%. Độ sâu hố gom bùn ít nhất là 0,3 mét. Với bể lắng thiết kế vận hành tốt, với nước keo tụ – tạo bông tốt thì có tới 75% bùn lắng được lắng trong khoảng 1/5 đầu tiên của đường đi của nước, vì vậy vùng lắng bùn tính từ khoảng 2 mét cách vùng nhận nước vào. III.2 Lí thuyết tính tốc độ lắng hạt – Phương trình Stoke Bản chất của quá trình lắng có thể xem xét trên cơ sở hiện lượng lắng của hạt cặn có kích thước d, tỷ khối rP trong môi trường chất lỏng, ví dụ nước, có độ nhớt động lực học m. Để xây dựng mô hình tính tốc độ lắng hạt ta chấp nhận một số điều kiện sau: 1. Các hạt cặn có hình dạng và kích thước không đổi, không tương tác, không co cụm với nhau, nghĩa là mỗi hạt có thể coi là hạt độc lập với nhau, sự sa lắng của hạt này không ảnh hưởng đến hạt kia. 2. Bồn có kích thước rất lớn so với hạt, nghĩa là bỏ qua yếu tố tương tác thành bình. 3. Chất lỏng có độ nhớt nhất định. 4. Chất lỏng không chuyển động Fg Fn = FD+Fb FD Fg Fb Tổng hợp lực Hình 3.2- Lực tác động lên hạt khi sa lắng trong môi trường lỏng Khi hạt rơi trong nước (hoặc bất kì chất lỏng nào khác) nó chịu ba lực tác động (hình 3.2) [1]. - Lực trọng trường Fg có phương kéo hạt xuống đáy bình, - Lực cản của chất lỏng gây ra do lực nổi Archimet Fb, - Lực ma sát với chất lỏng FD làm chậm chuyển động của hạt. Tổng hợp các lực cản ta được (h. 3.2) . Khi Fg > Fn ta sẽ có hạt chuyển động nhanh dần với gia tốc a xác định theo định luật Niutơn (F = ma). Phương trình cân bằng lực: trong đó: m = khối lượng hạt, a = gia tốc sa lắng, mũi tên là kí hiệu vector. Bỏ qua dấu vector, lưu ý hướng tác động của các lực, viết phương trình Niutơn cho hạt khảo sát ta có: ma = Fg – Fb – FD hay: ma = (Fg – Fb) – FD (3.1) Tổng (Fg – Fb) có ý nghĩa như lực trọng trường hiệu dụng Fg’ kéo hạt xuống. Trong trường hợp lực trọng trường hiệu dụng lớn hơn lực ma sát FD hạt sẽ rơi với gia tốc a như pt. (3.1). Như vậy vận tốc rơi của hạt sẽ tăng theo thời gian chuyển động hạt, điều này dẫn tới FD tăng, tới thời điểm khi (Fg – Fb) = FD thì gia tốc = 0, khi đó hạt chuyển động với vận tốc không đổi. (Fg – Fb) = Fg’ là lực trọng trường hiệu dụng kéo hạt xuống xác định bằng: Fg’ = (rp - r)gVp (3.2) trong đó: Fg’ = lực trọng trường hiệu dụng gây ra sự sa lắng của hạt, rp = tỷ khối của hạt, r = tỷ khối của nước, g = gia tốc trọng trường, = 9,8 m/s2 VP = thể tích hạt. Lực ma sát có xu thế kìm sự sa lắng bằng: FD = rCDAPv2 (3.3) trong đó: CD = hệ số ma sát giữa hạt đang rơi với môi trường lỏng, v = tốc độ rơi của hạt, AP = thiết diện hạt vuông góc với hướng rơi của hạt. Hệ số ma sát CD là một hàm phức tạp, ví dụ, đối với hạt rơi trong dòng chảy tầng, Stoke đưa ra công thức lực ma sát, phần trong ngoặc là hệ số ma sát CD: FD = (3pmd)v (3.3a) Trong đó d là đường kính hạt; m là độ nhớt động lực học của chất lỏng. Kết hợp các pt. (3.1) đến (3.3) ta có: rpVpa = rpVp= (rp - r)gVp - rCDAPv2 (3.4) Khi hạt sa lắng trong môi trường nước dưới tác dụng của tổng lực đã nêu hạt chuyển động nhanh dần, đồng thời các lực cản tăng theo v2 đến khi lực sa lắng (lực trọng lực hiệu dụng) cân bằng lực cản (lực ma sát) ta có a = 0 hay vận tốc bằng hằng số, như vậy: (rp - r)gVp = rCDAPv2 (3.5) Từ đây ta tính được v, tốc độ lắng của hạt: (3.6) Trường hợp đơn giản nhất, nếu hạt là hình cầu đường kính d, thay các giá trị Vp, Ad bằng các biểu thức chứa d (VP = (1/6)pd3; AP = (1/4) pd2); ta có: (3.7) Trong thực tế đại lượng CD – hệ số ma sát không phải hằng số, nó tăng khi tốc độ chuyển động của chất lỏng gần hạt tăng và phụ thuộc chỉ số Reynold, Re, chỉ số không thứ nguyên nói lên chế độ chảy của chất lỏng. Đối với hạt hình cầu ta có: (3.8) Giá trị của Re phụ thuộc vào ứng với các chế độ chảy [1]: Re < 1: chảy tầng Re > 1000: chảy rối 1 < R < 1000: vùng trung gian Với các hạt hình cầu ta có thể sử dụng các giá trị thực nghiệm: Nếu Re < 1 ta có CD = 24/Re (3.9) Nếu 1 < R < 1000 ta có CD = 24/Re + 3/Re0,5 + 0,34 (3.10) Nếu R > 1000 ta có CD = 0,34 đến 0,4 (3.11) Ngoài ra CD phụ thuộc hình dạng hạt, yếu tố quyết định AP thể hiện qua sự phụ thuộc vào yếu tố (AP/VP): hạt càng khác hình cầu (AP/VP càng lớn) thì CD càng lớn. Khi đó, kết hợp pt. (3.7(3.9) ta được phương trình Stoke cho phép tính tốc độ lắng v của hạt: EMBED Equation.3
 (3.12) Như vậy để hạt lắng nhanh độ chênh lệch (rp - r) là rất quan trọng, điều này có nghĩa là chất hạt càng nặng hạt lắng càng nhanh. Trong thực tế các hạt không hỡnh cầu lí tưởng như mô tả, hình dạng của chúng rất khác hình cầu, kích thước đa dạng, ta gọi là hệ đa phân tán. Chúng không những có thể tương tác với nhau tạo bông lớn (hiện tượng keo tụ-tạo bông, hiện tượng tạo bông của vi khuẩn trong bể lắng cấp 2) mà chúng còn tương tác với chính môi trường nước, khi đó không thể áp dụng pt. (3.12). Vì vậy, để thuận lợi cho việc phân tích quá trình lắng người ta phân ra bốn kiểu lắng tuỳ mức độ tương tác hạt-hạt. III.3 Phân loại các kiểu loại lắng III.3.1 Lắng loại 1 Đây là trường hợp các hạt lắng không có tương tác hạt-hạt. Đây là các trường hợp lắng cặn tự nhiên thô, cặn nồng độ thấp, không có tương tác hạt-hạt và tương tác hạt-nước có thể bỏ qua. Kiểu lắng này hay gặp ở các hệ tiền xử lí để lắng cát, và các hạt thô. III.3.2 Lắng loại 2 Đây là kiểu lắng của các hạt có khả năng bám kết vào nhau tạo bông lớn, khi đó hạt tăng dần về kích thước, khối lượng dẫn đến tốc độ lắng tăng. Hiện tượng lắng loại hai hay gặp khi sử dụng chất keo tụ – tạo bông. III.3.3 Lắng loại 3 Còn gọi là lắng bị cản hay lắng vùng. Khi nồng độ cặn tương đối cao, khi đó tương tác hạt-hạt làm chậm quá trình lắng, cả khối hạt dường như cùng lắng, khi đó ta sẽ thấy rõ biên phân cách nước/bùn. Hay gặp trong các bể lắng cấp hai của hệ xử lí sinh học. II.3.4 Lắng loại 4 Đây là trường hợp tương tác hạt-hạt mạnh đến mức có thể hình thành cấu trúc không gian của bùn, nó xuất hiện khi nồng độ bùn cặn cao, sự lắng xảy ra đồng nghĩa với sự nén bùn làm thoát nước trong cấu trúc bùn. Động lực của quá trình là sự tăng khối lượng liên tục của bùn nhờ sự bổ xung bùn mới liên tục từ lớp nước phía trên do sa lắng các kiểu 1, 2, 3. Hay gặp ở lớp dưới của lớp bùn trong bể lắng cấp 2 (hệ xử lí sinh học), bể nén bùn III.5. Các dạng bể lắng cơ bản Hiện nay có rất nhiều dạng bể lắng vì vậy chúng tôi chỉ trình bày các dạng bể lắng cơ bản nhất, phổ biến nhất trong xử lý nước cấp: Bể lắng đứng, bể lắng ngang và bể lắng li tâm. III.5.1. Bể lắng đứng - Hình dạng, cấu tạo: Hình trụ vuông hoặc tròn. Đáy chóp tạo góc ít nhất 50o so với mặt bằng. Thường đi kèm với khoang phản ứng đổi chiều dòng nước. - Nguyên tắc hoạt động: Nước chảy theo phương thẳng đứng từ dưới lên trên còn các hạt cặn rơi ngược chiều với chiều chuyển động của dòng nước từ trên xuống. Khi xử lý nước không dùng chất keo tụ, các hạt cặn có tốc độ rơi lớn hơn tốc độ dâng của dong nước sẽ lắng xuống được, các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ dâng của dòng nước sẽ chỉ lơ lửng hoặc bị cuốn theo dòng nước lên phía trên bể. Khi sử dụng nước có dùng chất keo tụ, trong nước có chứa các hạt cặn kết dính. Do đó ngoài hạt cặn có tốc độ rơi ban đầu lớn hơn tốc độ dâng của dòng nước lắng xuống được và các hạt cặn khác cũng lắng được. Nguyên nhân là do trong quá trình các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn tốc độ dâng của dòng nước bị đẩy lên trên, chúng kết dính với nhau và tăng dần kích thước do đó tốc độ rơi lớn hơn tốc độ chuyển động của dòng nước làm cho nó lắng xuống được. Đầu tiên nước chảy vào ống trung tâm ở giữa bể rồi đi xuống dưới qua bộ phận hãm làm triệt tiêu chuyển động xoáy rồi vào bể lắng. Trong bể lắng đứng, nước chuyển động từ trên xuống, cặn từ trên xuống đáy bể. Nước đã lắng được thu vào máng bố trí xung quanh thành bể và được đưa sang bể lọc. - Thông số thiết kế: Để xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế bể lắng đứng (h. 3.3), khi đó ta có hai khái niệm: tốc độ lắng cặn vP và tốc độ dâng nước vo. Như vậy, điều kiện lắng sẽ là: vP > vo (3.13) Nếu chiều cao cột nước là H, vậy thời gian để nước dâng từ đáy tới máng thu t tính theo phương trình: t = (3.14) Mặt khác t chính là thời gian lưu nước tính bằng: t = (3.15) Trong đó: V = thể tích nước trong vùng lắng Q = lưu lượng Vì thể tích vùng lắng V = HA, trong đó A là thiết diện đáy, phối hợp với pt. (3.14) và (3.15) ta có: Từ đây rút ra biểu thức xác định vo: vo = (pt Hazen) Cơ sở để tính bể lắng đứng là phương trình Stoke (pt. 3.12) nghĩa là tốc độ dòng nước dâng phải nhỏ hơn tốc độ lắng bùn. Sơ đồ bể lắng đứng cho ở hình 3.3. Nước thụ vào Nước lắng ra Xả bùn Hình 3.3 - Sơ đồ bể lắng đứng Người ta thường thiết kế bể lắng đứng với diện tích mặt nước không quá 100 m2, có tỷ lệ giữa đường kính và chiều cao ít hơn hoặc bằng 1,5. Trên hình 3.3 là sơ đồ bể lắng đứng. Đáy chóp của nó có độ dốc ít nhất là 500 nếu người ta xử lý nước bằng chất keo tụ, và 600 trong trường hợp xử lý độ cứng. ở tâm bể lắng đứng là ống hình trụ đóng vai trò buồng phản ứng. Nước theo ống dẫn vào buồng phản ứng (nếu cho hoá chất keo tụ) và theo ống trụ đi xuống, toả đều ra 4 phía rồi đi lên. Việc thu nước được thực hiện nhờ hệ máng thu bố trí ở xung quanh gần mép trên bể. Nếu diện tích mặt nước của bể lớn hơn 12 m2 thì nên bố trí thêm các máng thu theo đường hướng tâm, nếu nó lớn hơn 30 m2 thì cần 6 ¸ 8 máng thu. Máng thu nước nên có mặt tràn hình răng cưa hoặc đục lỗ f 20 ¸ 30 mm để nước qua. Diện tích máng thu tính sao cho tốc độ nước chảy trong máng bằng 0,6 ¸ 0,7 m/s. Cặn ở đáy bể được xả định kỳ nhờ áp suất thủy tĩnh bằng cách mở van xả đáy hoặc dùng bơm hút bùn. Tốc độ dâng nước trong bể lắng đứng phải nhỏ hơn tốc độ lắng cặn (xác định bằng thực nghiệm) và không lớn hơn 0,6 mm/s (bảng 3.2). Bảng 3.2 - Sự phụ thuộc tốc độ dâng nước v (mm/s) trong lắng đứng vào chất lượng nước thô khi xử lý phèn Loại nước v (mm/s) Nước màu, CLL < 50 mg/l 0,35 ( 0,45 Nước đục, CLL = 50 ( 250 0,45 ( 0,50 > 250 0,50 ( 0,60 Nước đục không đánh phèn 0,12 ( 0,15 Ghi chú: nếu có chất tạo bông, v tăng thêm 15 ( 20% Ứng dụng: Trạm có công suất không quá 3000 m3/ngay, khi xử lý bằng chất keo tụ. Lắng đứng hay dùng trong công nghệ xử lý nước cấp quy mô nhỏ. 3.5.2. Bể lắng ngang - Hình dạng, cấu tạo: Hình hộp chữ nhật làm bằng gạch hoặc bêtông cốt thép. Tỷ lệ: L:H >= 10. Độ dốc ít nhất 0.02 theo chiều dọc và 0.05 theo chiều ngang - Nguyên lý hoạt động: Nước chuyển động theo chiều ngang từ đầu bể đến cuối bể. Với tốc độ nước v đều khắp mọi điểm trong vùng lắng và giả sử các hạt đều cùng một vị trí xuất phát (điểm vào bể), khi đó dựa vào kích thước của từng hạt mà hạt đó có thể lắng được hay không. Xét một hạt có quỹ đạo rơi (có dạng đường thẳng- xét trường hợp lí tưởng) đúng bằng chiều dài của đáy bể và có độ cao bằng chiều cao bể tương ứng với tốc độ lắng của hạt là Vp khi đó hạt đó lắng được. Như vậy nếu các hạt cặn có tốc độ lắng nhỏ hơn Vp sẽ không lắng được. - Thông số thiết kế: Hình 3.4- Mô hình bể lắng ngang 1-nước thô vào, 2- máng thu nước, 3 - xả cặn bùn - Các thông số thiết kế cơ bản của bể lắng ngang - Thời gian lưu không ít hơn 4 giờ - Tốc độ nước có keo tụ v = 3 ¸ 13 mm/s. Nếu không sử dụng chất keo tụ phải giảm v còn 2 ¸ 3 mm/s. - Tỷ