Tài liệu chuyên sâu tổng hợp toàn bộ cấu tạo, phân loại, thông số định mức và phương pháp luận tính toán thủy lực của hệ thống song chắn rác trong dây chuyền xử lý cơ học theo tiêu chuẩn TCVN 7957 và Metcalf & Eddy.
NỘI DUNG BÀI VIẾT
Trước khi dòng thải được điều hòa lưu lượng hoặc qua các quy trình sinh học, các tạp chất rắn có kích thước lớn cần phải được tách bỏ. Để thực hiện nhiệm vụ này, song chắn rác là hạng mục đầu tiên trong mọi sơ đồ công nghệ tiêu chuẩn.
Mục đích là loại bỏ hoàn toàn các loại chất thải rắn có kích thước lớn tồn tại trong dòng thải chảy vào. Các loại tạp chất này bao gồm đất đá, cành cây, mảnh gỗ mạt, lá cây, giấy, rễ cây, nylon, vỏ chai nhựa,... Nếu không được ngăn chặn ngay tại cửa vào, các chất thải thô này sẽ trực tiếp gây ra hiện tượng tắc nghẽn cánh bơm, làm nghẹt các đường ống dẫn bùn, hư hỏng các bộ phận cơ khí chuyển động như máy khuấy, máy thổi khí, đồng thời làm mất đi điều kiện hoạt động ổn định và cân bằng thủy lực của các công trình đơn vị phía sau.
Về mặt bằng công nghệ: Dòng nước thải thô sau khi di chuyển qua hệ thống đường ống thu gom tập trung sẽ đi trực tiếp vào kênh đặt thiết bị lọc thô này. Ngay sau khi các tạp chất kích thước lớn được giữ lại, dòng thải mới tiếp tục lưu thông qua các công trình tiếp theo theo trình tự tiêu chuẩn của Metcalf & Eddy: bể lắng cát để loại bỏ cặn vô cơ nặng, bể điều hòa để ổn định lưu lượng và nồng độ, bể lắng đợt 1, các bể xử lý sinh học chuyên sâu kết hợp hệ thống làm thoáng, bể lắng đợt 2 , cụm lọc nước và cuối cùng là khử trùng trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.
Thiết bị phân tách rác được chia thành ba nhóm chính:
Hệ thống lọc thô: Có kích thước khe hở giữa các thanh chặn lớn hơn 6.0 mm. Nhiệm vụ chính là giữ lại các mảnh vụn thô lớn như đá, cành cây, mảnh gỗ, chai lọ và giẻ lau quần áo.
Hệ thống lọc mịn: Có kích thước khe hở dao động từ 0.5 mm đến 6.0 mm giúp giữ lại các chất thải rắn nhỏ mịn hơn như xơ sợi nylon, mảnh nhựa nhỏ, bã thực phẩm chưa phân hủy, rác hữu cơ mịn và các hạt cặn lơ lửng kích thước trung bình.
Hệ thống lọc vi mô: Có kích thước khe hở siêu nhỏ, chỉ dưới 0.5 mm (thường từ 10 μm đến 35 μm), chủ yếu ứng dụng cho công đoạn sau xử lý sinh học bậc hai.
Đối với các trạm công suất lớn, việc ứng dụng các dòng song chắn rác cơ giới là bắt buộc để đảm bảo lưu thông dòng chảy liên tục. Các dòng thiết bị cơ giới điển hình:
Thiết bị cào rác dạng xích tải kéo từ phía trước: Dòng máy giữ lại chất rắn cao nhờ các răng cào di chuyển liên tục từ đáy kênh lên phía trên, dọc theo mặt trước của giàn thanh. Tuy nhiên, nhược điểm là độ bền cơ học trung bình và dễ bị kẹt hệ thống răng cào nếu có các chất thải rắn tích lũy quá dày dưới đáy kênh.
Thiết bị cào rác dạng cần gạt tịnh tiến: Cần cào di chuyển xuống đáy kênh, bắt khớp vào các khe thanh chặn và kéo toàn bộ lượng rác lên phía trên để xả vào máng thu.
Thiết bị cào rác dạng xích treo võng: hệ thống răng cào được giữ ép sát vào giàn thanh nhờ chính trọng lượng tự nhiên của xích tải giúp răng cào tự động trượt lướt qua các vật quá nặng bị kẹt trong khe thanh thay vì gây ra hiện tượng bó máy, kẹt động cơ như các dòng máy khác.
Thiết bị dạng băng tải cuốn liên tục: Là hệ thống băng xích tự làm sạch liên tục, có khả năng xử lý đồng thời cả chất thải rắn thô và cặn mịn một cách hiệu quả.
Theo tiêu chuẩn TCVN 7957, lượng chất thải rắn giữ lại ở hệ thống song chắn rác thô dạng thanh được quy định cụ thể theo dải kích thước khe hở như sau:
Khe hở từ 16 - 20 mm: Khối lượng rác tích lũy định mức đạt 8.0 L/người.năm.
Khe hở từ 25 - 35 mm: Khối lượng rác tích lũy định mức đạt 3.0 L/người.năm.
Khe hở từ 40 - 60 mm: Khối lượng rác tích lũy định mức đạt 2.3 L/người.năm.
Khe hở từ 60 - 80 mm: Khối lượng rác tích lũy định mức đạt 1.6 L/người.năm.
Khe hở từ 90 - 100 mm: Khối lượng rác tích lũy định mức đạt 1.2 L/người.năm.
Khối lượng riêng trung bình của lượng rác thô này được tính khoảng 750 kg/m3.
Chỉ số khối lượng phát sinh này đóng vai trò quyết định mức độ tự động hóa: nếu tổng lượng rác thu được > 0.1 m3/ngày, công trình bắt buộc phải áp dụng cơ giới hóa tự động;
nếu lượng rác < 0.1 m2/ngày, trạm có thể vận hành bằng phương pháp thủ công.
Theo Metcalf & Eddy, lượng rác thô giữ lại dựa trên kích thước hở hữu hiệu của thiết bị:
Kích thước hở 12.5 mm: Độ ẩm dao động từ 60 - 90%, khối lượng riêng từ 700 - 1100 kg/m3, lượng rác phát sinh từ 37 - 74 L/1000m3 nước thải (giá trị đặc trưng là 50 L/1000m3).
Kích thước hở 25.0 mm: Độ ẩm dao động từ 50 - 80%, khối lượng riêng từ 600 - 1000 kg/m3, lượng rác phát sinh từ 15 - 37 L/1000m3 nước thải (giá trị đặc trưng là 22 L/1000m3).
Kích thước hở 37.5 mm: Độ ẩm dao động từ 50 - 80%, khối lượng riêng từ 600 - 1000 kg/m3, lượng rác phát sinh từ 7 - 15 L/1000m3 nước thải (giá trị đặc trưng là 11 L/1000m3).
Kích thước hở 50.0 mm: Độ ẩm dao động từ 50 - 80%, khối lượng riêng từ 600 - 1000 kg/m3, lượng rác phát sinh từ 4 - 11 L/1000m3 nước thải (giá trị đặc trưng là 6 L/1000m3).
Đối với các dòng máy cơ giới có kích thước khe hở lớn hơn 20 mm, số lượng làm việc từ 1 đến 3 thiết bị vận hành phải đi kèm 1 thiết bị dự phòng.
Với khe hở từ 16 đến 20 mm, nếu số lượng máy làm việc > 3 thì số lượng module dự phòng phải là 2.
Đối với các trạm áp dụng dòng máy thiết bị cào kết hợp nghiền nác đặt trên kênh mương với số lượng >3, hệ thống phải bố trí thêm 2 cụm dự phòng để đảm bảo an toàn vận hành.
Riêng hệ thống cào tay thủ công chỉ cần bố trí 1 module làm việc và không cần thiết bị dự phòng.
Các thông số đặc trưng để tính toán thiết kế, được Metcalf & Eddy tổng hợp cụ thể qua bảng tra:
| Thông số công nghệ | Đơn vị tính | Phương pháp thủ công | Phương pháp cơ giới |
| Chiều rộng thanh chắn | mm | 5 - 15 | 5 - 15 |
| Kích thước khe hở | mm | 25 - 50 | 15 - 75 |
| Góc nghiêng đặt so với phương đứng | độ | 30 - 45 | 0 - 30 |
| Vận tốc nước trong mương trước giàn thanh | m/s | ||
| -- Lớn nhất | m/s | 0.3 - 0.6 | 0.6 - 1.0 |
| -- Nhỏ nhất | m/s | 0.3 - 0.5 | |
| Tổn thất áp lực cho phép | mm | 150 | 150 - 600 |
Áp dụng đối với dòng chảy tầng biến đổi đều, tổn thất dòng được tính toán qua chênh lệch mực nước trước và sau giàn thanh:
Trong đó:
h1, h2: Chiều sâu mực nước đo được tại mương dẫn trước và sau vị trí đặt giàn thanh (m).
v: Vận tốc tịnh tiến của dòng nước chảy trong kênh dẫn trước khi tới giàn thanh (m/s).
V: Vận tốc của dòng chảy xuyên trực tiếp qua các khe hở giữa các thanh chắn (m/s).
g: Gia tốc trọng trường định mức (9.81m/s²).
C: Hệ số thực nghiệm liên quan đến tổn thất do hiện tượng xáo trộn và xoáy nước. Giá trị C = 0.7 áp dụng cho trạng thái bề mặt thiết bị SCR sạch hoàn toàn; giá trị C = 0.6 áp dụng khi giàn thanh bắt đầu xảy ra hiện tượng nghẹt rác.
Từ đó, đối với một giàn thanh sạch hoàn toàn, công thức được thu gọn thành:
h = 1/0,7 × [(V² - v²) / 2g]
Công thức này tính toán tổn thất áp lực dựa trên hình dạng hình học cụ thể của thanh kim loại và góc nghiêng của giàn thanh so với phương ngang:
Trong đó:
w: Chiều rộng lớn nhất của thanh chắn tiếp xúc trực tiếp với hướng dòng chảy (m).
b: Kích thước khe hở nhỏ nhất giữa hai thanh chắn (m).
θ: Góc nghiêng đặt giàn thanh chắn so với mặt phẳng nằm ngang của đáy mương (độ).
ß : Hệ số phụ thuộc vào hình dạng của thanh chắn kim loại. Giá trị cụ thể được quy định chuẩn hóa như sau:
Trong thực tế vận hành trạm song chắn rác , hiện tượng rác nghẹt bám trên bề mặt diễn ra
liên tục theo thời gian. Tổn thất áp lực tại thời điểm nghẹt rác được xác định dựa trên
tỷ lệ diện tích khe hở theo công thức:
h_o là tổn thất áp lực đo được ban đầu khi giàn SCR sạch,
P_o l % diện tích khe hở ban đầu,
P là % diện tích khe hở còn lại tại thời điểm cần xác định tổn thất áp lực.
Theo Lin (2007), tổn thất áp lực tối đa cho phép qua song chắn rác thô không được vượt quá 0.60 m đến 0.70 m để ngăn ngừa hiện tượng nước dâng tràn bờ mương.
Để xác định chính xác số lượng khe hở cần thiết khi thiết kế hệ thống song chắn rác, áp dụng hệ phương trình:
Trong đó:
Q_max: Lưu lượng nước thải lớn nhất đi vào trạm xử lý (m3/s).
V: Vận tốc dòng nước đi xuyên qua khe hở khi đạt lưu lượng đỉnh (m/s).
b: Kích thước khe hở giữa hai thanh (m).
h: Chiều sâu mực nước hoạt động trong mương dẫn đặt SCR khi Qmax (m).
h': Chiều cao mực nước công tác ứng với Qmax (m).
θ: Góc nghiêng đặt SCR so với phương nằm ngang đáy mương.
Sau khi xác định được số lượng khe hở n, số lượng thanh kim loại cấu thành sẽ bằng n+1 hoặc n-1
Từ đó, tổng bề rộng của mương đặt song chắn rác được tính toán theo công thức:
Vận tốc dòng qua khe hở đối với dòng máy cơ giới khi đạt lưu lượng đỉnh Q_max phải nằm trong 0.8 đến 1.0 m/s;
đối với dòng máy kết hợp máy nghiền rác, vận tốc cho phép tăng lên đến 1.2 m/s.
Ở điều kiện lưu lượng thấp nhất, vận tốc qua khe hở >= 0.4 m/s để ngăn ngừa hiện tượng lắng đọng cặn hữu cơ ngay trong lòng mương đặt thiết bị.
Tổn thất áp lực h cho phép đối với hệ thống SCR thủ công là 0.15 m, và đối với dòng SCR cơ giới dao động từ 0.15 m đến 0.60 m.
Trước module thiết bị cơ giới phải bố trí lối đi hành lang có chiều rộng > 1.5 m, xung quanh thân máy phải có lối đi rộng > 1.2 m.
Đối với các hệ thống vận hành thủ công, chiều rộng hành lang thao tác xung quanh tối thiểu phải > 0.7 m.
Khi dòng thải đòi hỏi mức độ làm sạch cao hơn để bảo vệ các hệ thống màng lọc sinh học phía sau, thiết bị lược rác mịn (Fine Screen) được đưa vào vận hành. Theo Lin (2007), thiết bị lược rác mịn thường sử dụng kết cấu dạng lồng quay, mâm đục lỗ hoặc lưới mịn với kích thước khe hở rất nhỏ, dao động từ 1.5 mm đến 6.4 mm.
Theo Metcalf & Eddy (2014), dùng để xử lý sơ bộ, kích thước khe từ 0.2 mm đến 6.0 mm, cấu tạo chính: dạng lưới tĩnh cố định, dạng lồng trống quay tự động hoặc dạng băng chuyền bậc thang.
Tính toán tổn thất áp lực thủy lực khi dòng thải di chuyển xuyên qua thiết bị lọc mịn theo công thức dòng chảy qua lỗ:
Trong đó:
v: Vận tốc dòng nước chảy trong kênh dẫn trước SCR (m/s).
Q: Lưu lượng dòng nước thải chảy qua hệ thống thiết bị (m3/s).
A: Diện tích khe hở hữu hiệu của phần SCR ngập hoàn toàn trong nước (m2).
C: Hệ số thực nghiệm, định mức C = 0.60 áp dụng cho trạng thái lưới lọc sạch hoàn toàn.
Mặc dù tổn thất áp lực qua các thiết bị lọc mịn ở trạng thái ban đầu thường rất thấp, nhưng trong chu trình vận hành thực tế, thông số này biến động rất lớn và phụ thuộc vào phương pháp súc rửa bề mặt, chu kỳ làm sạch, phân bố kích thước hạt cặn lơ lửng và nồng độ chất keo hữu cơ.
Giá trị tổn thất hoạt động thực tế thường dao động trong từ 0.8 m đến 1.4 m theo Metcalf & Eddy (2014).
Tại các nhà máy xử lý nước thải quy mô lớn, thiết bị lưới chắn rác (Microscreen) được bố trí ở giai đoạn cuối cùng của quy trình công nghệ, ngay sau bể lắng đợt 2.
Thiết bị này vận hành dưới dạng một lồng trống quay tròn với tốc độ rất chậm (khoảng 4 vòng/phút), hoạt động hoàn toàn dựa vào trọng lực tự nhiên của dòng chảy và tích hợp hệ thống vòi phun rửa ngược liên tục để làm sạch bề mặt lưới lọc.
Kích thước khe hở của lớp lưới lọc từ 10 đến 35 µm. Nhờ kích thước siêu nhỏ này, thiết bị đạt hiệu suất tách loại chất rắn lơ lửng SS từ 10% đến 80% (giá trị hiệu suất trung bình đạt 55% theo Metcalf & Eddy, 2014).
Các thông số kỹ thuật phải tuân thủ khi tính toán thiết kế hệ thống lưới chắn rác bao gồm:
Kích thước khe hở Từ 15 đến 35 µm, vật liệu chế tạo bằng thép không gỉ 316L hoặc sợi polymer tổng hợp để chống ăn mòn hóa học.
Tải trọng thủy lực bề mặt: từ 3 đến 6 m3/m2.phút
Tổn thất áp lực qua màng lưới cho phép: Dao động từ 75 mm đến 150 mm.
Tỷ lệ ngập nước của lồng quay: Phần lồng trống quay ngập trong nước phải đạt từ 70% đến 75% xét theo chiều cao, hoặc đạt từ 60% đến 70% xét theo diện tích bề mặt lưới lọc.
Kích thước hình học của trống: Đường kính trống quay từ 2.5 m đến 5.0 m (trong đó kích thước đường kính 3.0 m là module thông dụng ). Kích thước trống càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng hạn chế, đòi hỏi tần suất rửa ngược càng cao.
Vận tốc quay của tang trống: Vận tốc di chuyển của mặt trống đạt 4.5 m/phút tương ứng với giá trị tổn thất áp lực là 75 mm. Vận tốc quay lớn nhất 4.5 m/phút.
Yêu cầu lưu lượng nước rửa ngược bề mặt: Lượng nước sạch phục vụ chu trình phun rửa áp lực cao chiếm khoảng 2% tổng lưu lượng nước thải xử lý nếu vận hành ở áp suất vòi phun 350 kPa, và 5% tổng lưu lượng nếu vận hành ở áp suất vòi phun 100 kPa.
Để thuận tiện cho công tác thẩm định bản vẽ kỹ thuật và kiểm tra thông số thủy lực của hệ thống song chắn rác , có thể áp dụng bảng checklist dưới đây:
┌──────────────────────────────────────┬──────────────────────────────────────┐
│ Tiêu chí kiểm tra thủy lực │ Giới hạn quy chuẩn kỹ thuật │
├──────────────────────────────────────┼──────────────────────────────────────┤
│ Vận tốc qua khe ở lưu lượng Qmax │ Mechanical: 0.8 - 1.0 m/s │
│ │ Với máy nghiền rác: ≤ 1.2 m/s │
├──────────────────────────────────────┼──────────────────────────────────────┤
│ Vận tốc qua khe ở lưu lượng Qmin │ Phải lớn hơn hoặc bằng 0.4 m/s │
├──────────────────────────────────────┼──────────────────────────────────────┤
│ Tổn thất áp lực qua thanh chắn sạch │ Manual: 0.15 m │
│ │ Mechanical: 0.15 - 0.60 m │
├──────────────────────────────────────┼──────────────────────────────────────┤
│ Tổn thất áp lực tối đa khi nghẹt rác │ Giới hạn từ 0.60 m đến 0.70 m │
├──────────────────────────────────────┼──────────────────────────────────────┤
│ Kích thước hành lang thao tác │ Trước máy cơ giới: > 1.5 m │
│ │ Xung quanh máy cơ giới: > 1.2 m │
│ │ Xung quanh giàn cào tay: > 0.7 m │
└──────────────────────────────────────┴──────────────────────────────────────┘
Sự cố dâng nước tràn bờ mương dẫn: Nguyên nhân do tần suất cào rác thưa thớt khiến lượng rác tích lũy vượt quá tỷ lệ diện tích nghẹt cho phép, làm tổn thất áp lực tăng vượt ngưỡng 0.70 m. Biện pháp khắc phục là lập tức chuyển sang chế độ gạt rác liên tục hoặc cài đặt chu kỳ súc rửa tự động theo giá trị chênh lệch mực nước đo bằng cảm biến đặt trước và sau giàn thanh song chắn rác.
Sự cố mài mòn thanh và răng cào cơ học: Do dòng nước thải mang theo lượng cát vô cơ lớn, cần kiểm tra vận tốc dòng chảy trong mương trước giàn thanh, đảm bảo khống chế từ 0.6 đến 1.0 m/s để cát không bị lắng đọng ngay dưới chân thiết bị gạt bùn cặn.
Sự cố biến dạng hệ thống thanh chặn: Xảy ra khi có các vật thể kích thước quá lớn và nặng như sỏi đá tảng hoặc thanh gỗ lớn va đập trực tiếp vào giàn thanh. Đối với các trạm công suất lớn bố trí các dòng máy xích treo võng hoặc thiết bị xích tải giảm chấn là giải pháp tối ưu để bảo vệ hệ thống song chắn rác .
Bước 1: Xác định lưu lượng và kích thước mương dẫn. Thu thập các thông số về lưu lượng max, lưu lượng trung bình và lưu lượng thấp nhất. Tính toán kích thước hình học mương dẫn đảm bảo vận tốc dòng chảy nằm trong quy chuẩn.
Bước 2: Lựa chọn thông số của thanh. Chọn chiều rộng mặt thanh w$ kích thước khe hở thông thủy b, góc nghiêng đặt thiết bị và hình dạng hình học để xác định hệ số hình dáng Kirschmer.
Bước 3: Tính toán số lượng khe hở và số lượng thanh. Áp dụng phương trình liên tục thủy lực để tìm ra số lượng khe hở n dựa trên vận tốc xuyên khe, từ đó tính toán chính xác bề rộng mương đặt song chắn rác công nghiệp.
Bước 4: Tính toán tổn thất thủy lực ở trạng thái sạch. Vận dụng phương trình Kirschmer hoặc Bernoulli để tìm ra giá trị tổn thất áp lực ban đầu.
Bước 5: Kiểm tra vận tốc dòng chảy ở điều kiện cực hạn. Tính toán lại vận tốc xuyên khe ứng với lưu lượng lớn nhất và lưu lượng nhỏ nhất để đối chiếu với dải giới hạn kiểm tra của TCVN 7957 nhằm đảm bảo không xảy ra hiện tượng lắng cặn hữu cơ hoặc kéo rác mịn xuyên qua khe hở của hệ thống song chắn rác .
Bước 6: Tính toán tổn thất áp lực ở trạng thái nghẹt và thiết kế thùng chứa. Giả định tỷ lệ nghẹt rác thiết kế để tính toán chiều cao an toàn tràn bờ của thành mương, đồng thời xác định dung tích thùng lưu trữ rác thải phát sinh hằng ngày phục vụ công tác thu gom.
Xem thêm:
Hướng Dẫn Tính Thiết Kế Bể Lắng Cát Theo TCVN 7957
.jpg "Công suất bao nhiêu là đủ cho xưởng nước nhỏ?")
-(1).jpg "LIÊN HOAN HOÀN TẤT NHIỆM VỤ ĐI BIỂN VỀ")
-(1).jpg "Sử dụng nước trong dây chuyền sản xuất nước uống đóng chai đóng bình")
.jpg "Xử lý nước sinh hoạt cho bệnh viện- Dược phẩm tại TP.HCM")
