Đề xuất dây truyền công nghệ hợp lý để xử lý nguồn nước thô cấp cho sinh hoạt

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Họ và tên sinh viên: Đỗ Thị Hiền Lớp : LDH1KM2 Họ và tên giảng viên hướng dẫn: Vũ Thị Mai 1. Đề xuất sơ đồ công nghệ và tính toán các công trình chính trong một hệ thống xử lý nước cấp theo các số liệu dưới đây: - Nguồn nước: Ngầm - Công suất cấp nước: 2500m3/ngày đêm - Chỉ tiêu chất lượng nguồn nước: QCVN 02:2009/BYT Chỉ tiêu Đơn vị đo Nước nguồn QCVN 02:2009 Nhiệt độ 0C 27 pH - 6,0 6,0 – 8,5 Độ màu TCU 50 15 Độ đục NTU 75 5 TSS mg/l 130 Hàm lượng sắt tổng số mg/l 25 0,5 Hàm lượng muối mg/l 300 Hàm lượng mangan tổng số mg/l 0,5 0,2 2- Thể hiện các nội dung nói trên vào : - Thuyết minh - Bản vẽ sơ đồ công nghệ - Bản vẽ tổng mặt bằng khu xử lý LỜI MỞ ĐẦU Nước sạch có vai trò rất quan trọng trong hoạt động sống cũng như sản xuất của con người. Các nguồn nước đang được sử dụng hiên nay cho sinh hoạt là nước mưa, giếng khoan, ao hồ… Những nguồn nước này đang bị ô nhiễm bởi các tác nhân như: chất hữu cơ, vi sinh vật, kim loại nặng…từ các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, nước mưa chảy tràn sinh hoạt của con người. Nếu không có các biện pháp ngăn chặn và xử lý kịp thời thì sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường cũng như sức khỏe của con người. Hiện nay có rất nhiều nhà máy xử lý nước cấp cho sinh hoạt và ăn uống đã và đang sử dụng những dây truyền công nghệ tiên tiến hiện đại để xử lý nước mặt và nước ngầm. Việc lựa chọn dây truyền công nghệ phù hợp rất quan trọng và nó phụ thuộc vào chất lượng nước đầu vào, yêu cầu của nguồn nước đầu ra, điều kiện kinh tế, kỹ thuật. Sau đây tôi xin đề xuất dây truyền công nghệ hợp lý để xử lý nguồn nước thô cấp cho sinh hoạt. PHẦN I: LỰA CHỌN DÂY TRUYỀN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 1.1. Tổng quan về các phương pháp đang áp dụng 1.1.1. Công trình làm thoáng - Mục đích làm thoáng là làm giàu oxy cho nước và tăng pH cho nước. Làm thoáng trước để khử CO2, hòa tan O2 và nâng giá trị pH của nước. Công trình làm thoáng được thiết kế với mục đích chính là khử CO2 vì lượng CO2 trong nước cao sẽ làm giảm pH mà môi trường pH thấp không tốt cho quá trình oxy hoá Fe. Sau khi làm thoáng ta sẽ châm hóa chất để khử Fe có trong nước. Hóa chất sử dụng ở đây là Clo – một chất oxy hóa mạnh để oxy hóa Fe, các chất hữu cơ có trong nước, Mn, H2S. Ngoài ra để tạo môi trường thuận lợi cho quá trình oxy hóa Fe thì ta phải cho thêm vôi cùng với clo. Mục đích cho thêm vôi là để kiềm hóa nước giúp cho tốc độ phản ứng oxy hóa Fe diễn ra nhanh hơn. Có thể làm thoáng tự nhiên hoặc làm thoáng nhân tạo.  Các công trình làm thoáng gồm: - Làm thoáng đơn giản: phun hoặc tràn trên bề mặt bể lọc có chiều cao từ trên đỉnh tràn đến mực nước cao nhất > 0,6m. Hiệu quảxử lý: khử được 30 – 35% CO2, Fe 6,8 - Dàn mưa (làm thoáng tự nhiên): Khử được 75 – 80% CO2, tăng DO (55% DO bão hòa). - Thùng quạt gió: làm thoáng tải trọng cao(làm thoáng cưỡng bức) nghĩa là gió và nước đi ngược chiều. Khử được 85 – 90% CO2, tăng DO lên 70 – 85% DO bão hòa. 1.1.2. Bể lắng - Mục đích: lắng cặn nước, làm sạch sơ bộ trước khi đưa nước vào bể lọc để hoàn thành quá trình làm trong nước. Trong thực tế tùy thuộc vào công suất và chất lượng nước mà người ta sử dụng loại bể lắng phù hợp. - Bể lắng ngang: được sử dụng trong các trạm xử lý có công suất >30000m3/ngày đêm đối với trường hợp xử lý nước có dùng phèn và áp dụng với bất kì công suất nào cho các trạm xử lý không dùng phèn. - Bể lắng đứng: thường được áp dụng cho những trạm xử lý có công suất nhỏ hơn (đến 3000 m3/ngày đêm). Bể lắng đứng hay bố trí kết hợp với bể phản ứng xoáy hình trụ. - Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng: hiệu quả xử lý cao hơn các bể lắng khác và tốn ít diện tích xây dựng hơn nhưng bể lắng trong có cấu tạo phức tạp, chế độ quản lý vận hành khó, đòi hỏi công trình làm việc liên tục và rất nhạy cảm với sự dao động lưu lượng và nhiệt độ của nước. Bể chỉ áp dụng đối với các trạm có công suất đến 3000m 3 /ngđ. - Bể lắng li tâm: Bể thường được áp dụng để sơ lắng các nguồn nước có hàm lượng cặn cao >2000mg/l với công suất >=30000 m3/ng, có hoặc không dùng chất keo tụ. 1.1.3. Bể lọc - Mục đích: giữ lại trên bề mặt và giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi trùng trong nước. - Bể lọc chậm: dùng để xử lý cặn bẩn, vi trùng có trong nước bị giữ lại trên lớp màng lọc. Ngoài ra bể lọc chậm dùng để xử lý nước không dùng phèn, không đòi hỏi sử dụng nhiều máy móc, thiết bị phức tạp, quản lý vận hành đơn giản. Nhược điểm lớn nhất là tốc độ lọc nhỏ, khó cơ giới hóa và tự động hóa quá trình rửa lọc vì vậy phải quản lý bằng thủ công nặng nhọc. Bể lọc chậm thường sử áp dụng cho các nhà máy có công suất đến 1000m3/ngđ với hàm lượng cặn đến 50mg/l, độ màu đến 50 Co-pan. - Bể lọc nhanh: là bể lọc nhanh một chiều, dòng nước lọc đi từ trên xuống, có một lớp vật liệu là cát thạch anh. Bể lọc nhanh phổ thông được sử dụng trong dây chuyền xử lý nước mặt có dùng chất keo tụ hay trong dây chuyền xử lý nước ngầm. - Bể lọc nhanh 2 lớp: có nguyên tắc làm việc giống bể lọc nhanh phổ thông nhưng có 2 lớp vật liệu lọc là cát thạch anh và than angtraxit nhằm tăng tốc độ lọc và kéo dài chu kỳ làm việc của bể. - Bể lọc sơ bộ: được sử dụng để làm sạch nước sơ bộ trước khi làm sạch triệt để trong bể lọc chậm. Bể lọc này làm việc theo nguyên tắc bể lọc nhanh phổ thông. - Bể lọc áp lực: là một loại bảo vệ nhanh kín, thương được chế tạo bằng thép có dạng hình trụ đứng cho công suất nhỏ và hình trụ ngang cho công suất lớn. Loại bể này được áp dụng trong dây chuyề xử lý nước mặt có dùng chất phản ứng khi hàm lượng cặn của nước nguồn lên đến 50mg/l, độ đục lên đến 80 với công suất trạm xử lý đến 300m 3 /ng, hay dùng trong công nghệ khử sắt khi dùng ejector thu khí với công suất <500m 3 /ng và dùng máy nén khí cho công suất bất kì. - Bể lọc tiếp xúc: thường được sử dụng trong dây chuyền xử lý nước mặt có dùng chất phản ứng với nguồn nước có hàm lượng cặn đến 150mg/l, có độ màu đến 150 với công suất bất kì hoặc khử sắt trong nước ngầm cho trạm xử lý có công suất đến 10000m 3 /ng. 1.1.4. Khử trùng - Khử trùng nước là khâu bắt buộc cuối cùng trong quá trình xử lí nước cấp. Trong nước thô có rất nhiều vi sinh vật và vi trùng gây bệnh như tả, lị, thương hàn cần phải khử trùng nước để đảm bảo chất lượng nước phục vụ nhu cầu ăn uống. - Cơ sở của phương pháp này là dùng chất oxi hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào sinh vật và tiêu diệt chúng. - Các biện pháp khử trùng: dùng chất oxi hóa mạnh, tia vật lý, siêu âm, phương pháp nhiệt, ion kim lọai. 1.1.5. Bể chứa nước sạch - Bể chứa nước sạch có nhiệm vụ điều hòa lưu lượng nước giữa trạm bơm cấp I và trạm bơm cấp II. Ngoài ra nó còn có nhiệm vụ dự trữ nước chữa cháy trong 3 giờ, nước xả cặn bể lắng, nước rửa bể lọc và nước dùng cho các nhu cầu khác của nhà máy. - Bể có thể làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gạch có dạng hình chữ nhật hoặc hình tròn trên mặt bằng. Bể có thể xây dựng chìm, nổi hoặc nửa chìm nửa nổi tùy thuộc vào điều kiện cụ thể. 1.1.6. Keo tụ - Mục đích: tạo ra các hạt keo có khả năng kết dính lại với nhau và kết dính các hạt cặn lơ lửng có trong nước tạo thành các bông cặn lớn hơn có trọng lượng đáng kể và dễ dàng lắng xuống. - Một số chất keo tụ và trợ keo tụ thường dùng: phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt FeSO4, FeCl3, các hợp chất cao phân tử (PAA, SiO2)… 1.2. Lựa chọn phương án xử lý 1.2.1.Đề xuất phương án xử lý Dựa vào các số liệu đã có, so sánh chất lượng nước thô và nước sau xử lý ta thấy nguồn nước sử dụng có các chỉ tiêu sau đây chưa đảm bảo yêu cầu: 1. Hàm lượng sắt vượt 50 lần; 2. Hàm lượng Mangan gấp hơn 2,5 lần; 3. Độ màu cao gấp 3,3 lần; 4. Độ đục vượt 5 lần; 5. Độ kiềm trong nước thấp; 6. Hàm lượng chất rắn lơ lửng khá cao. Từ những đánh giá trên ta có thể đưa ra 2 phương án xử lý sau: * Phương án 1 * Phương án 2 Nước nguồn Bể lọc nhanh Cấp nước vào mạng lưới Giàn mưa Bể trộn cơ khí Bể lắng đứng Vôi Bể chứa Khử trùng Xả cặn, bùn Phèn Bể lọc nhanh Cấp nước vào mạng lưới Thùng quạt gió Bể trộn cơ khí Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng Vôi Bể chứa Khử trùng Xả cặn, bùn Nước nguồn Phèn 1.2.2. Đánh giá 2 phương án So sánh Phương án 1 Phương án 2 Ưu điểm - Giàn mưa: Dễ vận hành, việc duy tu, bảo dưỡng và vệ sinh định kỳ giàn mưa cũng không gặp nhiều khó khăn. - Bể lắng đứng: phù hợp với công suất ≤ 3000 m3/ngày đêm, hiệu qủa cao khi kết hợp với bể phản ứng. - Hệ số khử khí CO2 trong thùng quạt gió là 90 – 95% cao hơn so với giàn mưa. - Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng: không cần xây dựng bể phản ứng, hiệu quả xử lý cao, tốn ít diện tích xây dựng. Nhược điểm - Giàn mưa tạo tiếng ồn khi hoạt động, khối lượng công trình chiếm diện tích lớn. - Thùng quạt gió vận hành khó hơn giàn mưa, khó cải tạo khi chất lượng nước đầu vào thay đổi, tốn điện khi vận hành. Khi tăng công suất phải xây dựng thêm thùng quạt gió chứ không thể cải tạo. - Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng có kết cấu và vận hành phức tạp, rất nhạy cảm với sự dao động về lưu lượng và nhiệt độ nguồn nước, chế độ quản lý chặt chẽ, phải hoạt động liên tục. → Qua việc phân tích đánh giá trên ta thấy phương án 1 là hợp lý vì vậy sẽ chọn phương án 1 làm phương án tính toán. PHẦN II: TÍNH TOÁN CHO CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ TRONG DÂY TRUYỀN CÔNG NGHỆ 2.1 Tính toán hóa chất keo tụ và thiết bị pha trộn phèn 2.1.1 Xác định liều lượng phèn (Theo điều 6.11 - TCXD 33:2006) - Chọn phèn nhôm làm hóa chât keo tụ. - Trường hơp 1: Xử lý nước đục: liều lượng phèn để xử lý lấy theo bảng 6.3 - TCXD 33:2006/BXD. Với hàm lượng cặn của nước nguồn bằng 130 mg/l nằm trong khoảng 101 – 200 mg/l nên lượng phèn không chứa nước dùng để xử lý nước đục là 30 – 40 mg/l. Chọn Pp = 35 mg/l - Trường hợp 2: Xử lý nước có độ màu tính theo công thức: )/(4 lmgMPp = Với M là độ màu của nước nguồn tính bằng độ theo thang màu Platin-Coban = 50 → Pp = 28,3 (mg/l) - Do nguồn nước thô vừa đục vừa có màu nên lượng phèn được xác định theo cả 2 trường hợp trên rồi chọn giá trị lớn hơn. Vì vậy Pp = 35 mg/l 2.1.2 Bể hòa tan phèn - Mục đích: hòa tan phèn cục và lắng cặn bẩn - Nồng độ dung dịch phèn trong bể bằng 10 ÷ 17% ( theo TCXD 33:2006). - Do công xuất của trạm xử lý nhỏ nên sử dụng máy khuấy cánh phẳng với: + Số vòng quay 20 ÷ 30 vòng/phút + Số cánh quạt: 2 + Chiều dài cánh tính từ trục quay = 0,4 – 0,45 bề rộng của bể - Dung tích của bể trộn phèn tính theo công thức: )( γ..10000 .. 3m b PnQ W h p h = (Nguồn: TCXD 33:2006) Trong đó: + Q là lưu lượng nước xử lý = 104,2 (m3/h) + Pp liều lượng hóa chất dự tính cho vào nước = 35 (g/m 3 ) + n số giờ giữa 2 lần hòa tan, đối với trạm công suất 1200 – 10000 m3/ngày thì n = 12 giờ. + bh là nồng độ dung dịch hóa chất trong thùng hòa trộn = 10 % + γ là khối lượng riêng của dung dịch lấy bằng 1T/m3 → W = 1.10.10000 35.2.2,104 = 0,44 m 3 . Chọn kích thước bể: 0,8x0,8x0,8 = 0,512 m3. Lấy chiều cao an toàn là 0,3m (Theo TCXD 33:2006, Hbv = 0,3 – 0,5m). 2.1.3 Bể tiêu thụ ( Bể pha loãng) - Mục đích: pha loãng dung dịch phèn từ bể hòa tan đến nồng độ 4÷10% (theo TCXD 33:2006). - Dung tích bể tiêu thụ: )( . 3m b bW W t hh t = Trong đó: bt là nồng độ dung dịch phèn trong bể tiêu thụ = 5% → Wt = = 5 10.44,0 0,88 m 3 Chọn các kích thước của bể tiêu thụ là: 0,96 x 0,96 x 0,96 = 0,88 m3. Lấy chiều cao an toàn là 0,3m 2.1.4. Bể trộn cơ khí - Mục đích: hòa trộn đều dung dịch phèn (từ bể tiêu thụ) với nước cần xử lý. - Nguyên tắc: nước và phèn đi vào bể từ phía đáy bể, sau khi hòa trộn đưa sang bể phản ứng tạo bông. - Chọn phương pháp trộn cơ khí. Vì loại bể này có thời gian khuấy trộn ngắn, dung tích của bể nhỏ, tiết kiệm vật liệu xây dựng, có thể điều chỉnh được cường độ khuấy trộn. + Tốc độ quay của cánh khuấy phẳng: 50 – 500 vòng/phút ( nguồn: Sách XLNC của Nguyễn Ngọc Dung) + Thời gian khuấy trộn: 30giây – 60giây (nguồn: Sách XLNC của Nguyễn Ngọc Dung) - Tính toán cho bể trộn cơ khí + Chọn thời gian khuấy là t = 40 giây + Chiều cao lớp nước là H = D = 1m + Công suất xử lý Q = 2500m3/ngđ = 0,0289 m3/s Khi đó thể tích của bể cơ khí là: V = t.Q = 40.0,0289 = 1,157 m3 Mặt khác: V = H. 157,1 4 .π 2 = d m 3 → H = D = m138,1 14,3 4.157,1 3 = → Hbể = H + Hbv = 1,138 + 0,3 = 1,438 m 2.2 Tính toán hóa chất kiềm hóa và thiết bị pha chế vôi - Do nước nguồn có độ kiềm thấp và để nâng pH của nước lên nhằm tạo điều kiện cho quá trình khử sắt và mangan đạt hiệu quả cao hơn ta cần phải kiềm hóa nước trước khi làm thoáng. - Chọn hóa chất dùng để kiềm hóa là CaO - Sử dụng thiết bị pha trộn vôi là bể trộn đứng (Theo điều 6.52 - TCXD 33:2006). a) Tính toán lượng vôi dùng để liềm hóa Lượng vôi cần để kiềm hóa được tính theo công thức sau (theo TCXD 33:2006) Trong đó: + Pp là hàm lượng phèn cần thiết dùng để keo tụ (mg/l) = 35 + K là đương lượng gam của chất kiềm hóa, K (CaO) = 28 + e là trọng lượng đương lượng của phèn. Vì sử phèn nhôm nên e = 57(mgđ/l) + k là độ kiềm của nước nguồn = 0,6(mgđ/l) Vậy lượng vôi cần thiết là: Pk = 29 (mg/l) = 29 (g/m 3 ) b) Tính toán cho bể trộn đứng Diện tích tiết diện ngang ở phần trên của bể trộn tính với vận tốc nước dâng là vd = 25mm/s = 0,025m/s (theo điều 6.56 TCVN 33:2006). Khi đó: ft = 2156,1 025,0 0289,0 m v Q d == Xây dựng bể trộn có tiết diện hình vuông có chiều dài mỗi cạnh là: =tb mf t 075,1156,1 == Chọn vận tốc nước trong ống dẫn nước nguồn ở đáy bể: v = 1,02m/s ( Theo TCXD 33:2006, v = 1 - 1,5m/s). Ta có: m v Q d 190,0 02,114,3 0289,04 π 4 = × × = × × = Do đó diện tích đáy bể (chỗ nối với ống) là: fd= 2036,019,019,0 m=× Chọn góc hình chóp ở đáy ɑ = 400, ta có chiều cao phần hình chóp là: mgbbh o dtd 2,1747,2)190,0075,1( 2 1 2 40 cot) ( 2 1 =×+=×+= Thể tích phần hình chóp của bể trộn là: 356,0)036,0156,1036,0156,1(2,1 3 1 )( 3 1 mffffhW dtdtdd =×++××=×++= Thể tích toàn phần của bể với thời gian lưu nước trong bể là 1,5 phút là: 3605,2 60 5,12,104 60 m tQ W = × = × = Thể tích phần hình hộp bể trộn là: 3045,256,0 605,2 mWWW dt =+=+= Chiều cao phần trên của bể là: m f W h t t t 77,1 156,1 045,2 === Chọn chiều cao bảo vệ hbv = 0,3m Chiều cao toàn phần của bể là: mhhhh bvdt 27,33,02,177,1 =++=++= Thiết kế thu nước bằng máng vòng có lỗ ngập trong nước. Nước chảy trong máng đến chỗ ống dẫn nước ra khỏi bể theo 2 hướng ngược chiều nhau nên lượng nước của máng thu nước là: qm = 2 Q = 2 2,104 = 52,1 m 3 /h Diện tích tiết diện máng với tốc độ nước chảy trong máng vm = 0,6m/s (Theo điều 6.56 TCVN 33:2006) là: fm = m m v q = 3600.6,0 1,52 = 0,024 m 2 Chọn chiều rộng máng bm = 0,25m. Khi đó chiều cao lớp nước tính toán trong máng: Hm = m m b f = 25,0 24,0 = 0,096 m 2.3. Giàn mưa - Mục đích: khử Fe và Mn - Cấu tạo của giàn mưa gồm: + Hệ thống phân phối nước + Sàn tung + Cửa chớp + Hệ thống thu, thoát khí + Sàn và ống thu nước 2.3.1. Diện tích bề mặt giàn mưa: - Diện tích dàn mưa được tính theo công thức: 242,10 10 2,104 m q Q F m === Trong đó: + Q = 2500 m 3/ngđ = 104,2 m3/h = 0,0289 m3/s ` + qm: 10 ÷ 15 m 3 /m 2 h. Chọn qm = 10 (m 3 /m 2 h) Chia giàn mưa thành N = 4 ngăn. Diện tích mỗi ngăn là: f = 604,2 4 42,10 == n F m 2 Chọn kích thước mỗi ngăn của giàn mưa là: 2,2 x 1,2 (m) Sử dụng sàn tung nước bằng các tấm inox có đục lỗ có d = 3mm, khoảng cách giữa các lỗ là 100mm. 2.3.2. Chiều cao giàn mưa: + Thiết kế giàn mưa có 4 sàn tung nước + Khoảng cách giữa các sàn tung là 0,7m. + Chọn chiều cao ngăn thu nước là 0,3m → Chiều cao giàn mưa: H = 0,7 x 4 + 0,3 = 3,1 m 2.3.3. Hệ thống ống phân phối nước: - Lưu lượng trên mỗi ngăn của giàn mưa: )/(0072,0 4 0289,0 3 sm N Q q n === - Đường kính ống chính phân phối nước vào các ống nhánh trên giàn mưa với vận tốc nước chảy trong ống là v = 0,8 m/s ( Theo TCXD 33:2006/BXD quy định v = 0,8 ÷ 1,2 m/s) m v q d 107,0 8,014,3 0072,04 π 4 = × × = × × = → Chọn ống chính có đường kính 150 mm - Vận tốc nước chảy trong ống nhánh v = 1,2m/s (Theo TCVN 33:2006 v = 1 – 1,5m/s). Khi đó đường kính ống nhánh là: m v q d 087,0 2,114,3 0072,04 π 4 = × × = × × = → Chọn đường kính ống nhánh d = 100mm - Đường kính ống thu nước của sàn thu dẫn qua bể trộn là: 2,114,3 0289,04 π 4 × × == v Q d =0,175m →Chọn đường ống d = 175mm - Đường kính ống dẫn nước thô lên trạm xử lý là: m v Q d 215,0 8,014,3 0289,04 π 4 = × × = × × = → Chọn d = 250 mm 2.3.4. Xác định các chỉ tiêu sau khi làm thoáng: - Độ kiềm sau khi làm thoáng: Ki = Ko – 0,036 x C 0 (Fe) = 5,5 – 0,036 x 25 = 4,6 (mg/l) Trong đó: K0 là hàm lượng kiềm ban đầu của nước nguồn sau khi kiềm hóa (mgđ/l) C 0 (Fe) là hàm lượng sắt của nước nguồn (mg/l) - Hàm lượng CO2 sau khi làm thoáng: C(CO2) = C0 x(1-a) + 1,6xC 0 (Fe) Trong đó: C0 là hàm lượng CO2 ban đầu của nước nguồn (mg/l) a là hiệu quả khử CO2 của công trinhg làm thoáng, (theo TCXD 33:2006, làm thoáng bằng giàn mưa a = 0,75 – 0,8), chọn a = 0,8 → C(CO2) = 25x(1-0,8) + 1,6x25 = 45 (mg/l) - Độ pH sau khi làm thoáng: Với K i = 4,6 mg/l; C(CO2) = 45 mg/l; T = 27 0 C, P = 300 mg/l. Tra biểu đồ hình 6-2 (TCXD33:3006) ta có pH = 7 - Hàm lượng cặn sau khi làm thoáng được tính theo công thức: C * max = C 0 max + 1,92 x [Fe 2+ ] + 0,25M + V (mg/l) Trong đó: + C 0 max:Hàm lượng cặn lơ lửng lớn nhất trong nước nguồn trước khi làm thoáng = 130 (mg/l) + M : Độ mầu của nước nguồn - tính theo độ Coban, M = 50 ` + V là hàm lượng vôi (mg/l), V = 29 mg/l → C*max = 130 + 1,92 x 25 + 0,25 x 50 + 29 = 219,5 (mg/l) - Kiểm tra điều kiện kiềm hoá nước sau khi làm thoáng: do nước sau khi làm thoáng có pH ≥ 7, Ki = 4,6 > 2 mgđl/l nên không phải kiềm hóa nước trước khi keo tụ. 2.4. Bể lắng đứng 2.4.1 Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của bể - Theo chức năng làm việc, bể chia làm hai vùng là vùng lắng có dạng hình trụ hoặc hình hộp ở phía trên và vùng chứa nén cặn có dạng hình nón hoặc hình chóp ở phía dưới. Cặn tích lũy ở vùng chứa nén cặn được thải ra ngoài theo chu kỳ bằng ống và van xả cặn. - Nguyên tắc làm việc: 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 theo chiều từ dưới lên trên, cặn rơi từ trên xuống đay bể. Nước đã lắng trong được thu vào máng vòng bố trí xung quanh thành bể và được đưa sang bể lọc. 2.4.2 Tính toán cho bể lắng đứng a) Diện tích tiết diện ngang của vùng lắng được tính theo công thức: ( Nguồn: TCXD 33:2006/BXD) Trong đó: + Q là lưu lượng nước tính toán = 104,2 (m3/h). + vtt: Tốc độ tính toán của dòng nước đi lên (mm/s). Tốc độ này không được lớn hơn tốc độ lắng của cặn. Tra bảng 6.9 – TCXD 33:2006 ta được vtt = 0,5 mm/s + N: số bể lắng, chọn N = 2 + β: hệ số kể đến việc sử dụng dung tích bể lấy trong giới hạn 1,3 – 1,5. Lấy β = 1,5 Do đó: F = 242,43 2.5,0.6,3 2,104 .5,1 m= b) Diện tích ngăn phản ứng xoáy hình trụ: )( ..60 . 2m NH TQ f = ( Nguồn: TCXD 33:2006) Trong đó: + T là thời gian lưu nước trong ngăn phản ứng, lấy t = 15 (theo TCXD 33:2006, lấy T = 15 – 20 phút) + H là chiều cao ngăn phản ứng lấy bằng 0,9 chiều cao vùng lắng. Chọn chiều cao vùng lắng bằng 5m (Theo TCXD 33:2006 lấy H = 2,6 – 5m) Khi đó ta có: f = 29,2 2.5,4.60 15.2,104 m= c) Đường kính của bể lắng: m fF D 68,7 14,3 9,242,43( 14,3 4)( = + = + = ( Nguồn: sách xử lý nước cấp của Nguyễn ngọc Dung) Ta có: tỷ số D/H = 7,68/5 = 1,5 ( thỏa mãn với giả thiết) d) Thời gian làm việc giữa 2 lần xả cặn: ( Nguồn: TCXD 33:2006) Trong đó: + Wc là dung tích phần chứa cặn của bể (m 3 ) Trong đó: - hn là chiều cao hình nón chứa nén cặn được xác đinh theo công thức: )( )α-90(.2 0 m tg dD hn + = - α là góc nghiêng của phần nón so với mặt phẳng ngang, lấy α = 500 (theo TCXD 33:2006, α = 50 - 550) - D là đường kính của bể lắng (m) - d là đường kính đáy của hình nón bằng đường kính ống xả cặn, chọn d = 200 mm (theo TCXD 33:2006, d = 150 - 200mm). → m tg hn 46,4 )50-90(.2 2,068,7 00 = + = Do đó, dung tích phần chứa cặn của bể là: 3 22 71) 4 2,1.68,72,068,7 .( 3 46,4.14,3 mW c = ++ = + δ nồng độ trung bình của cặn đã nén chặt. Tra bảng 6.8 - TCXD 33:2006 ta có δ = 20000g/m 3 + N là số bể lắng, N = 2 + m là hàm lượng cặn sau khi lắng, lấy m = 12 mg/l (theo TCXD 33:2006 qui định m = 10 - 12 mg/l). + c là nồng độ cặn trong nước đưa vào bể lắng được tính theo công thức: C = Cn + K.P +1,92.CFe + 0,25.M + v (mg/l) Trong đó: - Cn là nồng độ cặn trong nước nguồn, Cn = 130 mg/l - P là liều lượng phèn (g/m3), theo tính toán ở phần 3.1 thì P = 35 g/m3 - K hệ số phụ thuộc vào độ tinh khiết của phèn sử dụng, do dùng phèn nhôm nên K = 0,5 - M là độ màu của nước nguồn, M = 50 - V là lượng vôi cho vào nước (mg/l), theo tính toán ở phần 3.2 thì v = 29 mg/l → C = 130 + 0,5.35 + 1,92.25 + 0,25.50 + 29 = 237 (mg/l) Vậy thời gian giữa 2 lần xả cặn là : )(120 )12-237.(2,104 20000.2.71 hT == e) Lượng nước tính cho việc xả cặn được tính theo công thức sau: %100. . .. Tq NWKp P c= (Nguồn: điều 6.68 - TCXD 33:2006) Trong đó: Kp là hệ số pha loãng cặn, chọn Kp = 1,2 (theo TCXD 33:2006 quy định Kp = 1,2 - 1,15 mg/l). Vậy lượng nước cho việc xả cặn là: %01,1100. 120.2,104 2.71.2,1 ==P 2.5. Bể lọc nhanh Chọn bể lọc với 1 lớp vật liệu lọc là cát thạch anh và 1 lớp sỏi đỡ, tính toán với 2 chế độ làm việc là bình thường và tăng cường. 2.5.1. Nguyên tắc làm việc của bể lọc nhanh + Nguyên tắc làm việc của bể: gồm 2 quá trình - Quá trình lọc: Nước được dẫn từ bê lắng sang, qua mương phân phối vào bể lọc, qua lớp vật liệu lọc, lớp sỏi đỡ vào hệ thống thu nước trong và đưa vào bể chứa nước sạch. - Quá trình rửa lọc: Nước rửa và khí được cấp vào bể lọc qua hệ thống phân phối nước và khí rửa lọc, qua lớp sỏi đỡ, lớp vật liệu lọc và kéo theo cặn bẩn tràn vào máng thu nước rửa, thu vào máng tập trung, rồi được xả ra ngoài heo mương thoát nước. Quá trình rửa được tiến hành đến khi nước rửa hết đục thì ngừng rửa. 2.5.2 Tính toán cho bể lọc a) Diện tích bể lọc - Tổng diện tích mặt bằng của bể được xác định theo công thức: F = btbt vtatWavT Q ..-...6,3-. 21 (m 2 ) (Nguồn: điều 6.103 - TCXD 33:2006) Trong đó: + Q: Công suất trạm (m3/ngđ). Q = 2500m3/ngđ + T: Thời gian làm việc của trạm trong 1 ngày đêm. T = 24 h + vbt: Tốc độ lọc ở chế độ bình thường. Tra bảng 6.11 - TCXD33:2006 ta có lớp vật liệu lọc có dmax = 1,25 (mm); dmin = 0,5 (mm); dtương đương = 0,6  0,65 (mm); Độ đồng nhất K = 1,5 - 1,7; Chiều dày L = 700 - 800 mm thì vbt = 5m/h + a: Số lần rửa bể trong ngày đêm ở chế độ bình thường, a = 2 + W: Cường độ nước rửa lọc. W = 14 (l/s.m2) + t1: Thời gian rửa lọc. t1 = 5 phút = 60 5 h + t2: Thời gian ngừng bể lọc để rửa. t2 = 0,35 h. Do đó diện tích của bể lọc là: F = 5.35,0.2- 60 5 .14.2.6,3-5.24 2500 = 23,1 m 2 - Số bể lọc được xác định theo công thức: 4,21,23.5,0.5,0 === FN (bể) - Lấy 3 bể, khi đó diện tích của một bể là: f = N F = 3 1,23 = 7,7 (m 2 ) Diện tích xây dựng của một bể là 2,8 x 2,8 = 7,84 (m2). Kiểm tra lại tốc độ lọc tăng cường với điều kiện đóng 1 bể để rửa: Vtc = Vbt x 1- NN N = 5 x 1-3 3 = 7,5m/h. Theo TCVN 33:2006: Vtc = 6 - 7,5 m/h → đảm bảo yêu cầu b) Chiều cao toàn phần của bể lọc nhanh H = hd + hv + hn + hbv Trong đó: + hd: chiều cao lớp sỏi đỡ hd = 0,7 m + hv: chiều dày lớp vật liệu lọc hv = 0,8 m + hn: chiều cao lớp nước trên lớp vật liệu lọc hn = 2m (Theo TCXD33:2006, hn= 2 m) + hbv: chiều cao bảo vệ = 0,5 m ( Nguồn: Sách xử lý nước cấp của Nguyễn Ngọc Dung) Do đó, chiều cao toàn phần của bể lọc nhanh là: H = 0,7 +0,8 + 2 +0,5 = 4 m c) Xác định hệ thống phân phối nước rửa lọc: Chọn biện pháp rửa lọc bằng gió, nước kết hợp. Cường độ nước rửa lọc Wn = 14 l/s.m 2 độ trương nở của lớp vật liệu lọc là 45%. Cường độ gió rửa lọc Wgió = 15 l/s.m 2 . (Nguồn: Sách xử lý nước cấp của Nguyễn Ngọc Dung) Lưu lượng nước rửa của 1 bể lọc: Qr = 1000 nWf  = 1000 147,7  = 0,1078 m 3 /s Chọn ống chính bằng thép đường kính ống dc = 300 mm, v = 1,53m/s.(Theo TCVN 33:2006: v = 1,5 - 2 m/s) d) Xác định hệ thống dẫn gió rửa lọc Lưu lượng gió tính toán là: Qgió = 1000 fWg  = 1000 7,715  = 0,1155 m 3 /s Lấy tốc độ gió trong ống dẫn gió chính là 15 m/s ( theo quy phạm v = 15 - 20m/s) đường kính ống gió chính như sau: = 1514,3 1155,04   = 0,099 m Dgió = Chọn Dgió = 100 mm e) Tính toán máng phân phối và thu nước rửa lọc Bể có chiều rộng là 2,8 m. Chọn mỗi bể bố trí 2 máng thu nước rửa lọc có đáy hình tam giác. Khoảng cách giữa các tim máng là d = 2,8/2 = 1,4 m (Theo TCVN 33:2006: d = 2,2m). - Lượng nước rửa thu vào mỗi máng là: qm = Wn x d x l (l/s) Trong đó: + Wn = 14 l/s.m 3 ( cường độ rửa lọc) + d: khoảng cách giữa các tim máng + l: chiều dài của máng l = 2,8 m qm = 14 x 1,4 x 2,8 = 54,88 (l/s) = 0,055 (m 3 /s) - Chiều rộng máng tính theo công thức: Trong đó: + a: tỉ số giữa chiều cao phần chữ nhật với ½ chiều rộng máng. a = 1,2 (Theo TCVN 33:2006: a = 1 – 1,5) + k: hệ số đối với tiết diện máng hình tam giác k = 2,1 Ta có: Bm = 5 3 2 )2,157,1( )055,0( 1,2 + × = 0,36 m a = 2 m cn B h → hcn = 2 .aBm = 2 2,136,0  = 0,21m Vậy chọn chiều cao máng thu nước là hcn = 0,21m lấy chiều cao của đáy tam giác hd = 0,11 m. Độ dốc của máng lấy về phía máng nước tập trung là i = 0,01; chiều dày thành máng là bm = 0,08 m. - Chiều cao toàn phần của máng thu nước rửa: Hm = hcn + hd + bm = 0,21 + 0,11 + 0,08 = 0,4 m - Khoảng cách từ bề mặt lớp vật liệu lọc đến mép trên máng thu nước xác định theo công thức: ∆Hm = 100 .eH + 0,3 (TCXDVN 33:2006) Trong đó: H: chiều cao lớp vật liệu lọc H = 0,8 m e: độ giãn nở tương đối ở lớp vật liệu lọc (bảng 4-5) e = 45% ∆Hm = 100 458,0  + 0,3 = 0,66 m Theo quy phạm khoảng cách giữa đáy dưới cùng của máng dẫn nước rửa phải nằm cao hơn lớp vật liệu lọc tối thiểu 0,07 m. Chiều cao toàn phần của máng thu nước là: Hm = 0,4 m. Vì máng dốc về phía máng tập trung i = 0,01, máng dài 2,8 m → Chiều cao ở máng tập trung là: 0,4 + 0,01  2,8 = 0,43 m Vậy ∆Hm sẽ phải lấy bằng: ∆Hm = 0,07 + 0,43 = 0,5 m Nước rửa lọc từ máng thu nước tập trung. Khoảng cách từ đáy máng thu đến máng tập trung xác định theo công thức: hm = 3 2 2 Δ 73,1 g qm + 0,2 (TCXDVN 33:2006) Trong đó: qm: lưu lượng nước chảy vào máng tập trung nước qm = 0,055  2 = 0,11m 3 /s ∆: chiều rộng của máng tập trung ∆ = 0,7m (Theo TCVN 33:2006: chiều rộng máng tập trung không nhỏ hơn 0,6 m) g = 9,81 m/s 2 gia tốc trọng trường → hm = 3 2 2 7,081,9 11,0 73,1   + 0,2 = 0,29 m f) Tính toán số chụp lọc Sử dụng loại chụp lọc có đuôi dài, có khe rộng 1mm. Chọn 36 chụp lọc trên 1m2 sàn công tác (Theo TCXDVN 33:2006). Tổng số chụp lọc trong một bể là: N = 36 2777,736 =×=× f cái Lưu lượng nước đi qua 1 chụp lọc: )/(109,3)/(39,0 36 14 36 34 smsl W q n n ×==== Lưu lượng gió đi qua 1 chụp lọc: )/(102,4)/(42,0 36 15 36 34 smsl W q g g ×==== Tổn thất áp lực qua chụp lọc: m g V hcl 8,0 5,081,92 2 μ2 2 2 2 2 = ×× == Trong đó: V: tốc độ chuyển động của nước hoặc hỗn hợp nước và gió qua khe hở của chụp lọc ( lấy không nhỏ hơn 1,5m/s) μ: hệ số lưu lượng của chụp lọc. Đối với chụp lọc khe hở =0,5 g) Tính tổn thất áp lực khi rửa bể lọc nhanh - Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ: hd = 0,22.Ls.W Trong đó: Ls: chiều dày của lớp sỏi đỡ: 0,7 m W: cường độ rửa lọc W = 14 l/s.m2 Do đó: hd = 0,22.0,7 14 = 2,156 m - Tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc hvl = (a + b.W).L.e (m) Trong đó: a và b là hệ số phụ thuộc vào kích thước hạt vật liệu lọc. Ứng với kích thước hạt d = 15,0 ÷ mm; a = 0,76; b = 0,017 (Xử lý nước cấp – Nguyễn Ngọc Dung). e: độ giãn nở tương đối của lớp vật liệu lọc e = 0,45 L: chiều dày lớp cát lọc L = 0,8m → hvl = (0,76 + 0,017.14).0,8.0,45 = 0,359 m - Áp lực phá vỡ kết cấu ban đầu của lớp cát lọc lấy hbm = 2 m 2.6. Khử trùng nước 2.6.1 Tính toán - Khử trùng nước bằng Clo lỏng, sử dụng thiết bị phân phối Clo bằng Clorator. - Lượng Clo dùng để khử trùng lấy bằng 1,3 (mg/l )Vậy tổng lượng Clo là: - Lượng Clo cần dùng trong một giờ là: qCL2 = Q x LCl Trong đó: - Q: Công suất trạm xử lý, Qtrạm = 104,2 (m 3 /h) - LCl : Được xác định ở trên = 1,3 x 10 -3 (kg/m 3 ) Vậy qCL2 = 104,2 x 1,3 x 10 -3 = 0,1355(kg/h) - Khi châm Clo vào nước, nâng nhiệt độ bình Clo lên 400C. Khi ấy, năng suất bốc hơi của một bình là Cs = 3 (kg/h) Do đó số bình Clo dùng đồng thời là: N = 3 q 2 Cl = 0,05. Vậy dùng 1 bình Clo sử dụng và 1 clorator dự trữ. - Lượng Clo dùng trong một ngày: QCl2 = 24 x qCL2 = 3,24(kg/ngđ) - Lượng clo dùng cho 30 ngày là : QCl2 = 30 x 3,24 = 97,2 (kg) 2.6.2.Cấu tạo nhà trạm Clo - Trạm Clo xây cuối hướng gió - Trạm được xây dựng 2 gian riêng biệt: 1 gian đựng Clorato, 1 gian đặt bình clo lỏng, các gian có cửa thoát dự phòng riêng. - Trạm được xây cách ly với xung quanh bằng các cửa kín, có hệ thống thông gió thường xuyên bằng quạt với tần suất bằng 12 lần tuần hoàn gió. Không khí được hút ở điểm thấp. - Trong trạm có giàn phun nước áp lực cao, có bể chứa dung dịch trung hoà Clo, khi có sự cố dung tích bình đủ để trung hòa. 2.6.3 Diện tích nhà trạm Clo Diện tích trạm khử trùng lấy theo tiêu chuẩn là: 3m2 cho một Cloratơ; 4m2 cho một cân bàn. Trạm có 1 Cloratơ làm việc và 1 Cloratơ dự trữ. Vậy tổng diện tích của trạm là : F = 3 x 2 + 4 x 1 = 10 m 2 2.7. Bể chứa nước sạch - Chức năng của bể chứa nước sạch: điều hòa lưu lượng giữa trạm bơm cấp 1 và trạm bơm cấp 2, nó còn có nhiệm vụ dự trữ lượng nước chữa cháy, nước xả cặn bể lắng, rửa bể lọc và nước dùng cho nhu cầu khác của nhà máy nước - Tại bể xảy ra quá trình tiếp xúc giữa nước cấp với dung dịch Clo (30 phút) để loại bỏ những vi trùng còn lại trước khi cấp nước vào mạng lưới cấp nước. - Dung tích của bể chứa: Wbc = Wđh + W 3h cc+Wbt , (m 3 ) Trong đó: + Wđh: Dung tích phần điều hoà của bể chứa Wđh = 20% Qngày đêm =20% x 2500 = 500 m 3 + W 3h cc : Nước cần cho việc chữa cháy trong 3 giờ. Chọn lưu lượng 1s chữa cháy la 15 l/s. Ta có : W 3h cc 310801,010800 mqt cc =×=×= Với: t là thời gian chữa cháy (s), t = 3x3600 = 10800s qcc: tiêu chuẩn nước chữa cháy (m 3 ), qcc = 10 l/s + Wbt: Lượng nước dự trữ cho bản thân trạm xử lý (m 3 ) Wbt = 3125 100 25005 m= × Vậy dung tích của bể chứa là: Wbc = Wđh + W 3h cc+Wbt = 500 + 108 + 125 = 733 m 3 Thiết kế bể chứa 3 ngăn có các kích thước: Wbc = 34,7341,51212 mHBL =××=×× Bể xây bằng bê tông cốt thép, có trồng cỏ trên nóc bể để chống nóng cho bể. 2.8. Tính toán diện tích mặt bằng các công trình phụ - Trạm biến thế: Diện tích = 16 m2 với kích thước (4 x 4) m . - Phòng bảo vệ: Trạm có Q = 2500 m3/ngđ lấy Sbv = 8 m 2 , kích thước (4 x 2)m - Khu hành chính: S = 16 m 2 với kích thước (4x4)m - Nhà kho - xưởng: Lấy S = 30 m2 . Kích thước là (5x6)m - Phòng thí nghiệm: Lấy theo quy phạm S = 30 m2 kích thước (5 x 6)m 2.9. Tính toán sân phơi bùn  Số lượng bùn tích lại ở bể lắng sau một ngày được tính theo công thức: G1 = 1000 )C-(CQ 21  (Kg) Trong đó: - G1: Trọng lượng cặn khô tích lại ở bể lắng sau một ngày, (Kg) - Q: Lượng nước xử lý, Q = 2500 (m3/ngđ) - C2 : Hàm lượng cặn trong nước đi ra khỏi bể lắng, lấy bằng 10 (g/m 3 ) - C1 : Hàm lượng cặn trong nước đi vào bể lắng, ta có: C1 = C * max + K.P = 219,5 + 0,5.35 = 237 (mg/l) Trong đó: K là hệ số phèn sạch và P là lượng phèn sử dụng (mg/l). Vậy G1 = 1000 )10 - 237.(2500 = 567,5 (Kg)  Số lượng bùn tích lại ở bể lọc sau một ngày được tính theo công thức: G2 = 1000 )C-(CQ 21  (kg) Trong đó: - G2: Trọng lượng cặn khô tích lại ở bể lọc sau một ngày, (Kg) - Q: Lượng nước xử lý, Q = 2500 (m3/ngđ) - C2 : Hàm lượng cặn trong nước đi ra khỏi bể lọc, lấy bằng 3 (g/m 3 ) (tiêu chuẩn là không lớn hơn 3 g/m3) - C1 : Hàm lượng cặn trong nước đi vào bể lọc, lấy bằng lượng cặn đi ra khỏi bể lắng, C1 = 10 (g/m 3 ) Vậy trọng lượng cặn khô là: G2 = 1000 )3 - 10.(2500 = 175 (Kg) Vậy tổng lượng cặn khô trung bình xả ra trong một ngày là: G = G1 + G2= 567,5 + 175 = 742,5 (Kg)  Tính sân phơi bùn có khả năng giữ bùn lại trong vòng 3 tháng - Lượng bùn khô tạo thành sau 3 tháng là: Gnén = 742,5 x 30 x 3 = 66825 (kg)=66,825(tấn) Thiết kế sân phơi hình vuông có tổng diện tích là 400 (m2). Sau khi phơi, bùn đạt đến độ ẩm 60% nên khối lượng bùn khô sau khi phơi là: gkhô = G nén x 40 100 = 167 (tấn) Lấy tỷ trọng bùn ở độ ẩm 60% là 1,2 (t/m3), thể tích bùn khô là: = 139,2 (m 3 ) Chiều cao bùn khô trong sân là: hkhô = F V kh« = 400 2,139 = 0,35 (m) Trong thực tế cặn tạo thành đưa ra sân phơi nằm trong hỗn hợp với nước có độ ẩm 95% nên tổng lượng bùn loãng xả ra từ khối bể lắng và lọc trong một ngày là: gloãng = 5 G x 100 = 14,85 (tấn/ngđ) Lấy tỷ trọng bùn ở độ ẩm 95% là 1,02 (t/m3), thể tích bùn loãng xả ra trong một ngày là: Vloãng = = 14,56 (m 3 ) Chiều cao bùn loãng trong sân là: hloãng = F V lo·ng = 0,036 (m) Vậy chiều dày của lớp bùn trong sân phơi là: Hsân = hkhô + hloãng = 0,35 + 0,036 = 0,39 (m) Lấy chiều cao dự trữ = 0,31 (m), chiều dày lớp sỏi ở đáy hđáy = 0,3 (m) khi đó chiều cao thành máng của sân phơi là 0,39 + 0,3 + 0,3 = 1 (m). Thiết kế 2 sân phơi bùn có chiều dày 1m, diện tích mỗi sân 200m2, kích thước (20x10).