Tài liệu cung cấp cẩm nang chuyên sâu về cấu tạo, phân loại và phương pháp tính toán bể lắng cát công nghiệp đạt chuẩn TCVN, tối ưu hóa quá trình loại bỏ chất bẩn vô cơ nặng để bảo vệ trạm xử lý nước thải tập trung.
NỘI DUNG BÀI VIẾT
Trước khi nguồn thải bước vào các giai đoạn sinh học, việc loại bỏ rác thải thô và cặn vô cơ là bắt buộc nhằm bảo vệ hệ thống hoạt động phía sau. Bên cạnh song chắn rác, việc lựa chọn công trình bể lắng cát là vô cùng quan trọng để đảm bảo hiệu suất vận hành lâu dài của toàn trạm.
Thiết bị này nghiền nhỏ các chất thải rắn có kích thước lớn trong dòng thải, tạo ra kích thước đồng đều từ 6 đến 10 mm. Nhờ cơ chế cắt nhỏ liên tục, thiết bị giúp giảm đáng kể số lần làm sạch song chắn rác thủ công, thích hợp ứng dụng tại các trạm xử lý nước thải có quy mô lưu lượng nhỏ dưới 0.2 m³/s.
Tuy nhiên, công nghệ nghiền rác phải bảo dưỡng và mài dụng cụ cắt thường xuyên để duy trì hiệu suất. Đồng thời, lượng chất rắn lơ lửng SS trong dòng chảy sẽ tăng lên sau khi nghiền, gây ảnh hưởng đến các công đoạn xử lý tiếp theo.
Nghiêm trọng hơn, lượng rác mịn này dễ gây ra hiện tượng tắc nghẽn hệ thống phân phối khí và các thiết bị làm thoáng khí ở bể sinh học.
Về vị trí lắp đặt, máy nghiền rác có thể được bố trí song song với song chắn rác hoặc đặt trực tiếp trên kênh dẫn sau cụm SCR tùy thuộc vào sơ đồ thiết kế trạm.
Thành phần cặn lắng trong nước thải bao gồm cát, sỏi, than xỉ hoặc các loại chất rắn khác như vỏ trứng, mảnh vụn xương, hạt thực vật và bã cà phê. Đặc điểm chung là chúng có độ lớn thủy lực hoặc khối lượng riêng lớn hơn so với các chất rắn hữu cơ có trong dòng nước thải.
Trong mạng lưới thu gom, lượng tạp chất vô cơ này thường phát sinh từ hoạt động rửa đường phố hoặc hòa lẫn trong nước thải sinh hoạt hằng ngày. Sự phân bố của các hạt cặn trong hệ thống thu gom được chia làm ba: hạt lơ lửng, hạt di chuyển sát đáy và hạt đã lắng đọng.
Việc vận hành một mô hình bể lắng cát giúp giữ lại các thành phần vô cơ nặng này nhằm đạt được ba mục đích:
Tránh hiện tượng mài mòn cơ học, phá hỏng những bộ phận chuyển động của bơm và máy khuấy.
Giảm thiểu tình trạng lắng cặn, tắc nghẽn dọc theo các đường ống dẫn bùn và nước.
Giảm tần suất và số lần phải làm sạch các thiết bị phân hủy sinh học phía sau.
Các công trình tách cặn vô cơ được phân chia thành ba: công trình lắng ngang, công trình thổi khí và công trình tiếp tuyến.
Tiêu chuẩn quy định yêu cầu bắt buộc xây dựng bể lắng cát đối với tất cả các trạm xử lý có công suất lưu lượng lớn hơn hoặc bằng 100 m³/ngđ. Mục tiêu là phải lắng giữ được các hạt cặn có kích thước đường kính từ 0.2 mm trở lên.
Nếu lựa chọn kích thước hạt quá nhỏ, hệ thống sẽ giữ lại cả các thành phần cặn hữu cơ mịn. Lượng cặn hữu cơ này khi lắng xuống sẽ xảy ra quá trình phân hủy sinh học ngay tại hố chứa, gây ra mùi hôi và khiến lượng cặn thu được trở nên khó xử lý.
Hệ thống phụ trợ gồm cụm bơm hút cát chuyên dụng và sân phơi bùn cát. Theo TCVN 7957, các thông số thủy động học của bể lắng cát dòng chảy ngang cần tuân thủ các giới hạn sau:
Vận tốc dòng chảy lớn nhất đạt mức V_max < 0.30 m/s khi trạm đạt lưu lượng đỉnh Q_max.
Vận tốc dòng chảy nhỏ nhất phải giữ ở mức V_min > 0.15 m/s khi lưu lượng giảm về Q_min để tránh lắng cặn hữu cơ.
Độ lớn thủy lực của hạt cặn dao động trong khoảng 18 đến 24 mm/s.
Thời gian lưu nước thủy lực nhỏ nhất HRT_min phải lớn hơn hoặc bằng 30 giây ứng với điều kiện lưu lượng lớn nhất
Chiều sâu lớp nước hoạt động H_n dao động từ 0.25 đến 1.0 m.
Theo tài liệu của Metcalf & Eddy, các thông số thiết kế đặc trưng gồm thời gian lưu nước từ 45 đến 90 giây (giá trị đặc trưng là 60 giây)
Vận tốc dòng ngang từ 0.25 đến 4.00 m/s (đặc trưng là 0.30 m/s).
Độ lớn thủy lực đối với hạt cát kích thước 0.21 mm trong khoảng 16.67 đến 21.67 mm/s (đặc trưng 19.16 mm/s), và đối với hạt kích thước 0.15 mm là 10.00 đến 15.00 mm/s (đặc trưng 12.50 mm/s).
Chiều dài của công trình được phép tăng thêm từ 25% đến 50% (đặc trưng là 30%) nhằm bù trừ cho vùng phân phối dòng vào và vùng thu nước dòng ra.
Mối quan hệ giữa kích thước hình học và vận tốc được biểu diễn qua các hệ thức:
v = Q / (B * Hn) -> U_o = Q / ( B * L)
v/U_o = L/Hn, -> L = (v/U_o) * Hn.
Ví dụ thực tế, nếu chọn vận tốc dòng v = 0.3 m/s, đường kính hạt cần giữ d = 0.21 mm tương ứng độ lớn thủy lực U_o = 0.021 m/s, chiều dài công tác
L = (0.3/0.021) * Hn = 14.3 Hn. Đây là kích thước nền tảng của bể lắng cát hiện đại.
Khi tính đến ảnh hưởng của dòng chảy biến động, chiều dài công tác thực tế L' được hiệu chỉnh qua hệ số K theo công thức:
Với K là hệ số ảnh hưởng của dòng chảy đến vận tốc lắng của hạt
K = Uo / U
Giá trị K = 1.3 khi U_o = 18 mm/s
K = 1.1 khi U_o = 24 mm/s.
Diện tích bề mặt công trình được tính bằng:
F = K * (Qmax / Uo)
Theo TCVN 7957, đối với hạt có đường kính 0.20 mm -> U_o = 18.7 mm/s, giá trị K cho kiểu lắng ngang là 1.7
đối với hạt 0.25 mm -> U_o = 24.2 mm/s, giá trị K là 1.3.
Mối liên hệ giữa đường kính hạt mm và độ lớn thủy lực U_o (mm/s) được tra cứu theo TCVN 7957:
Hạt 0.10 mm ứng với 5.12 mm/s;
0.12 mm ứng với 7.27 mm/s;
0.15 mm ứng với 11.2 mm/s;
0.20 mm ứng với 17.1 mm/s;
0.25 mm ứng với 24.2 mm/s;
0.30 mm ứng với 29.7 mm/s;
0.35 mm ứng với 35.1 mm/s;
0.40 mm ứng với 40.7 mm/s;
0.50 mm ứng với 51.6 mm/s.
Để xác định chiều cao của bể lắng cát công nghiệp, áp dụng công thức:
Trong đó, H_XD là chiều cao xây dựng (m),
h_c là chiều dày trung bình của lớp cặn cát (m),
0.4 m là khoảng cách an toàn.
Chiều dày lớp cát được tính bằng:
h_c = W_c / (L' * B * n)
W_c là tổng thể tích cát tích lũy (m3).
| Thông số vận hành mương lắng | Mô hình dòng ngang | Mô hình thổi khí |
| Độ lớn thủy lực dòng ngang U_o | 18.7 - 24.2 mm/s | 18 mm/s |
| Vận tốc nước chảy nhỏ nhất V_min | 0.15 m/s | 0.08 - 0.12 m/s |
| Chiều sâu lớp nước hoạt động H | 0.5 - 2.0 m | 0.7 - 3.5 m |
| Lượng cát giữ lại định mức | 0.02 L/người·ngày | 0.03 L/người·ngày |
| Độ ẩm của cặn cát tích lũy | 60% | 60% |
| Tỷ lệ cát nguyên chất trong cặn | 55% - 60% | 90% - 95% |
| Khối lượng riêng | 1,5 tấn/m3 |
Lượng cát sinh ra phụ thuộc vào đặc điểm hệ thống thoát nước và chu kỳ làm sạch.
Tiêu chuẩn TCVN 7957 quy định định mức phát sinh đối với hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn là 0.02 L/người·ngày, và đối với hệ thống thoát nước chung là 0.04 L/người·ngày, với độ ẩm cặn đạt 60% và khối lượng riêng ước tính khoảng 1.5 tấn/m³.
Thể tích hố chứa cặn dưới đáy bể không được vượt quá lượng cát lắng tích lũy trong vòng 2 ngày, và góc nghiêng của thành hố bắt buộc phải lớn hơn hoặc bằng 60 độ so với phương ngang để đảm bảo cát trượt hoàn toàn.
Việc tính toán chính xác dung tích này rất quan trọng để tối ưu hóa vùng chứa của bể lắng cát tối ưu.
Về mặt đặc tính vật lý, cát sau khi làm khô có độ ẩm dao động từ 13% đến 65%
Hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS chiếm khoảng 1% đến 56%.
Cát sạch trơ có khối lượng riêng p từ 2.65 đến 2.7 kg/L
Nhưng khi có chất hữu cơ dính bám, khối lượng riêng giảm xuống p còn 1.3 kg/L.
Khi đổ thành đống, cát có khối lượng thể tích p là 1600 kg/m³
Kích thước hạt phân bố từ d = 0.2 đến 2 mm.
Cát chưa qua công đoạn súc rửa có thể chứa hàm lượng cặn hữu cơ lớn hơn hoặc bằng 50%.
Để làm ráo nước, bùn cát được dẫn ra sân phơi với diện tích bề mặt tính theo công thức:
Trong đó, F_s là diện tích sân phơi m2
P là lượng cát giữ lại trong bể lắng cát ( 0,02 - 0,04 L cát/người.ngđ)
N là dân số tính toán
h là chiều cao lớp cát.
Xung quanh sân phơi phải xây dựng bờ đắp bảo vệ cao từ 1 đến 2 m
Đảm bảo tải trọng tổng thể lớp cát đạt định mức từ 3 đến 5 m³/m²·năm.
Phương pháp xả cát được lựa chọn dựa trên khối lượng phát sinh hằng ngày: áp dụng phương pháp thủ công nếu lượng cát nhỏ hơn hoặc bằng 0.1 m³/ngđ và bắt buộc dùng phương pháp cơ giới hoặc nâng thủy lực bằng bơm nếu lượng cát vượt quá 0.1 m³/ngđ.
Khi áp dụng thiết bị nâng thủy lực, lưu lượng nước rửa sạch đường ống được tính theo công thức
Q_h (l/s) = v_h * l_sc * b_sc
Vận tốc hướng lên v_h = 0.0065 m/s
Chiều rộng đáy bể dưới b_sc = 0.5 m
Tổng lượng nước rửa Q_h tương đương 20 lần thể tích lượng cát được lấy ra khỏi bể.
Quy trình này đảm bảo toàn bộ lượng cặn vô cơ được xả bỏ từ bể lắng cát ra ngoài một cách an toàn.
Mô hình thổi khí kết hợp dòng khí nén vào chất lỏng.
Cơ chế hoạt động dựa trên nguyên lý: khi thổi khí, khối lượng riêng của hỗn hợp khí và nước sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng của nước thuần túy, giúp các hạt cặn vô cơ dễ dàng rơi xuống đáy hơn.
Đồng thời, các thớ hạt cát được cọ rửa liên tục dưới tác động của luồng khí, làm bong tróc các chất hữu cơ dính bám. Cát sau khi rửa sạch sẽ có khối lượng riêng lớn hơn cát bẩn, từ đó gia tăng vận tốc lắng tự do một cách đáng kể.
Theo TCVN 7957, chiều sâu hoạt động của lớp nước H_n được chọn bằng một nửa chiều cao tổng cộng của công trình thổi khí.
Theo số liệu nghiên cứu của Metcalf & Eddy, các thông số đặc trưng cho mô hình thổi khí bao gồm thời gian lưu nước khi đạt công suất đỉnh Q_max từ 2 đến 5 phút (giá trị đặc trưng là 3 phút).
Kích thước hình học tiêu chuẩn bao gồm độ sâu từ 2 đến 5 m,
chiều dài từ 7.5 đến 20.0 m,
chiều rộng từ 2.5 đến 7.0 m.
Tỷ lệ giữa chiều rộng và độ sâu dao động từ 1:1 đến 5:1 (đặc trưng là 1.5:1.0),
Tỷ lệ giữa chiều dài và độ sâu nằm trong khoảng 3:1 đến 5:1 (đặc trưng là 4:1).
Lượng không khí cung cấp tính theo chiều dài dòng kênh đạt từ 0.2 đến 0.5 m³/m·phút.
Thể tích cát thu hồi ước tính đạt 0.004 đến 0.20 m³/10³m³ nước thải (giá trị đặc trưng là 0.015).
Bên cạnh đó, TCVN 7957 bổ sung các hạng mục thổi khí bao gồm:
Độ lớn thủy lực U_o = 18 mm/s
Cường độ thổi khí đạt từ 3 đến 5 m³/m²·h
Độ dốc ngang của đáy hướng về phía máng thu cặn từ 0.2 đến 0.4
Tổng chiều sâu công trình H = 0.7 đến 3.5 m.
Hệ thống phân phối khí sử dụng các dàn ống đục lỗ có đường kính lỗ 3.5 mm, đặt ở độ sâu bằng 0.7H.
Vận tốc dòng chảy tịnh tiến khi đạt lưu lượng đỉnh Qmax phải khống chế trong khoảng 0.08 đến 0.12 m/s.
B : H = 1,5 : 1,0
Mô hình tiếp tuyến Vortex tạo ra một dòng xoáy nhân tạo để phân tách cặn vô cơ. Công nghệ này được chia thành hai : loại có tích hợp thiết bị khuấy cơ học và loại vận hành tự nhiên không có thiết bị khuấy.
Theo Metcalf & Eddy, thời gian lưu nước trung bình khi đạt lưu lượng dòng chảy bình thường chỉ kéo dài từ 20 đến 30 giây (giá trị đặc trưng là 30 giây).
Đường kính phần trên bể từ 1.2 đến 7.2 m
Đường kính phần thu cặn phía dưới từ 0.9 đến 1.8 m
Tổng chiều cao tháp từ 2.7 đến 4.8 m.
Hiệu quả phân tách hạt cặn của mô hình tiếp tuyến đạt các thông số rất cao: đối với hạt cặn kích thước 0.30 mm đạt hiệu suất 92% đến 98% (đặc trưng 95%);
Hạt 0.24 mm đạt 80% đến 90% (đặc trưng 85%);
Hạt mịn 0.15 mm đạt từ 60% đến 70% (đặc trưng 65%).
Các bộ phận cơ điện đồng bộ cấu thành nên một hệ thống Vortex hoàn chỉnh bao gồm song chắn rác cơ giới đặt ở cửa dẫn vào, cụm động cơ cánh khuấy kết nối với trục khuấy và cánh khuấy đặt chìm. Phần đáy tháp bố trí hố thu cát kết hợp cụm bơm nâng khí động vận hành nhờ máy thổi khí để đẩy cặn về phía thiết bị phân loại cát dạng trục vít trước khi xả ra cửa ra.
Theo TCVN 7957:2008, yêu cầu tải trọng bề mặt thủy lực đạt q = 110 m³/m²·h tính tại điều kiện lưu lượng max.
Nước thải được dẫn vào theo phương tiếp tuyến với thành vách
Chiều sâu công trình được thiết kế bằng một nửa đường kính hoạt động
Giới hạn đường kính tổng thể của tháp không được vượt quá 6 m.
Để duy trì vận tốc dòng chảy không đổi trong mương lắng khi lưu lượng nước thải đầu vào biến động, phần cuối kênh dẫn thường được thiết kế xây dựng cụm cửa tràn kiểu máng thu hẹp.
Chiều rộng của cửa tràn được thu hẹp dần từ kích thước bề rộng bể B xuống kích thước họng thu b theo công thức định mức của Trịnh Xuân Lai:
Trong đó, m là hệ số lưu lượng của cửa tràn
Hệ số biến động lưu lượng được xác định qua tỷ số K = Q_max / Q_min.
Cao độ đáy của cửa họng thu có độ chênh lệch hình học so với đáy mương lắng một khoảng giá trị ΔP tính theo công thức:
Theo TCVN 7957, độ chênh cốt giữa mặt đáy mương và ngưỡng tràn hoạt động P được xác định bằng công thức:
Với K_q = Q_max/Q_min,
h_max và h_min lần lượt là chiều sâu lớp nước trong mương ứng với các mức lưu lượng lớn nhất và nhỏ nhất khi vận tốc dòng chảy được giữ cố định ở mức v = 0.3 m/s.
Chiều rộng đập tràn b:
Trong đó, hệ số lưu lượng đập tràn m phụ thuộc vào điều kiện co hẹp của đường dòng, được lựa chọn dao động trong khoảng từ 0.35 đến 0.80.
Việc áp dụng các tính toán thủy lực này giúp trạm xử lý kiểm soát vận tốc dòng chảy luôn ở mức tối ưu, ngăn ngừa hoàn toàn tình trạng lắng đọng chất hữu cơ hòa tan khi lưu lượng dòng thải sụt giảm.
.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")
