Xử lý nước thải bằng phương pháp vật lý/cơ học

1. 05-Mar-18
1
Bài giảng
Xử lý nước thải công nghiệp
ThS. Nguyễn Minh Kỳ
Phân hiệu Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM Tại Gia Lai
1
Gia Lai, năm 2017
Week 3
Xử lý nước thải bằng phương pháp
vật lý/cơ học
2
Nội dung môn học
3
TT Nội dung
Số tiết
Tổng
Lý
thuyết
Bài tập,
thảo
luận
Kiểm
tra
1 Chương 1: Các vấn đề cơ bản
2
Chương 2: Xử lý nước thải bằng
phương pháp vật lý/cơ học
3
Chương 3: Xử lý nước thải bằng
phương pháp hóa học và hóa lý
4
Chương 4: Xử lý nước thải bằng
phương pháp sinh học
5 Chương 5: Xử lý N và P
6 Chương 6: Xử lý bùn
7
Chương 7: Hướng dẫn XLNT
một số ngành nghề công nghiệp
Tổng cộng
4
CHƯƠNG 2
XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC
2.1. Song chắn rác
2.2. Bể lắng
2.3. Phân tách dầu
2.4. Bể lọc
2.5. Bể điều hòa
5
CHƯƠNG 2
XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC
2.1. Song chắn rác
• Loại chất thải có kích thước lớn (trôi lơ lửng), tránh
tắc nghẽn bơm, đường ống, kênh dẫn
→ Bảo đảm an toàn và điều kiện làm việc của toàn hệ
thống.
• Phân loại:
- Theo hình dạng (trụ, hộp..)
- Theo kích thước khe hở: lớn, trung bình, nhỏ
- Theo phương pháp làm sạch: thủ công, cơ giới
- Theo cách cố định hoặc di động bề mặt song chắn rác.
• Kích thước lưới (khe hở) song chắn rác thường 15-
50 mm.
6

2. 05-Mar-18
2
7 8
a. Song chắn rác lớn (Coarse screen - Bar screen)
• Đặt trước normal screen (SCR trung bình)  loại
vật liệu lớn và bảo vệ normal screen: khe hở 25-
50 mm, nghiêng 700, vận tốc dòng chảy chậm.
• Tính toán tổn thất áp lực (hr):
– α: góc nghiêng của thanh chắn
– t: độ dày thanh chắn (m)
– β: hệ số phụ thuộc hình dạng thanh chắn
– b: độ rộng khe hở (m)
– v: vận tốc dòng nước thải trước song chắn rác (m/s)
9
Sơ đồ mặt cắt song chắn rác lớn
11
Bar Screen
• Purpose: to remove large objects (sticks, cans,
etc) which may cause flow obstructions.
• Depending on the size of the plant, bar
screens are either hand or mechanically
cleaned.
• Hand cleaned: used primarily at small plants.
12
b. Song chắn rác trung bình (normal screen)
 Bảo vệ các thiết bị, máy móc trong hệ
thống
13

3. 05-Mar-18
3
c. Song chắn rác mịn/nhỏ (fine screen)
Loại các vật liệu nhỏ ảnh hưởng tới quá
trình vi sinh.
Đối với song chắn rác mịn có kích thước
lưới nhỏ hơn 15 mm (fine screens).
14 15
Lưu ý
• Song, lưới chắn rác
– Thủ công (khi lượng rác < 0,1 m3/d),
– Cơ giới (khi lượng rác ≥0,1 m3/d, kết hợp máy
nghiền).
• Tính toán: Chiều rộng, dài, số khe hở, số
thanh, tổn thất áp lực, lượng rác giữ lại trên
song chắn rác.
16
Tính toán thiết kế song chắn rác lớn
(Bar Screens):
• Vận tốc dòng chảy
• Tổn thất áp lực (hL hay ∆H)
• Góc nghiêng song chắn rác
17
Ghi chú: V: vận tốc đi qua SCR (m/s), v: vận tốc trước SCR (m/s).
• Vận tốc dòng chảy:
- Vận tốc tối ưu qua song chắn rác lớn: 0,6 m/s
- Vận tốc tối đa: 0,75-1,0 m/s (ngăn ngừa đẩy
các vật liệu qua khe SCR)
- Vận tốc tối thiểu: 0,4 m/s (ngăn ngừa sự phân
hủy các chất rắn)
- Khoảng vận tốc điển hình: 0,6-1,0 m/s
18
• Tổn thất áp lực (hL hay ∆H):
– hL = 0,05 – 0,15 m đối với nước cấp (drinking
water)
– hL = 0,10 – 0,40 m đối với nước thải (wastewater)
19

4. 05-Mar-18
4
Trường hợp 1. Tổn thất áp suất qua
song chắn rác là hàm số của:
• Vận tốc dòng chảy trong kênh dẫn (u);
• Vận tốc dòng qua song chắn rác (v).
20
Trong đó:
- hL : tổn thất áp suất (m);
- 0,7: hệ số thải nghiệm tính đến tổn thất áp suất do quá trình
chảy rối và xoáy;
- v : vận tốc dòng chảy qua khe hở giữa các thanh chắn;
- u : vận tốc của dòng chảy trong kênh dẫn (m/s);
- g : gia tốc trọng trường (m/s2).
Trường hợp 2. Tổn thất áp suất qua
song chắn rác là hàm số của:
- Vận tốc dòng chảy trong kênh dẫn (u);
- Loại thanh chắn ();
- Độ dốc đặt SCR ().
21
Kirchmer’s equation
Tổn thất áp lực tính theo công thức
Kirchmer’s equation như sau:
Trong đó:
- hL : tổn thất áp suất (m);
- W : chiều rộng lớn nhất của thành chắn (m);
- b : khe hở nhỏ nhất giữa các thanh chắn (m);
- u : vận tốc dòng chảy trong kênh dẫn (m/s);
-  : góc nghiêng của thanh chắn so với phương ngang;
- g : gia tốc trọng trường (m/s2);
-  : hệ số phụ thuộc vào hình dạng của thanh chắn.
22
: hệ số phụ thuộc vào hình dạng của thanh chắn
23
2.2. Bể lắng
28
Mục đích – Yếu tố ảnh hưởng
• Công dụng: Loại SS là chủ yếu.
• Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng Lắng:
– kích thước hạt, nhiệt độ nước
– tỷ trọng các hạt,
– độ nhớt.
29

5. 05-Mar-18
5
Particle Size versus Settling Time
Particle Size
mm
Order of Size Time to Settle
1.0 Coarse Sand 3 Seconds
0.1 Fine Sand 38 Seconds
0.01 Silt 33 Minutes
0.001 Bacteria 55 Hours
0.0001 Colloidal 230 Days
0.00001 Colloidal 6.3 Years
30
Warm Water
Less Dense
Less Viscous
Solids Settle More Readily in Warm Water
Than in Cold Water
Cold Water
More Dense
More Viscous
Warm Water - Greater Efficiency of Clarification
Settling Rate
Cool Water- Less Efficiency of Clarification
31
Phân loại
• Bể lắng
• Bể lắng cát
• Lắng lamella
32
Bể lắng thông thường
• Theo chuyển động dòng chảy có:
– Bể lắng ngang, đứng, ly tâm – nước chuyển động
từ trong ra ngoài và từ dưới lên.
• Lắng ngang  Áp dụng khi Q >15.000 m3/d
• Lắng đứng  Áp dụng khi Q <20.000 m3/d
• Lắng ly tâm  Áp dụng khi Q >20.000 m3/d
– Nguyên tắc chung: Lắng trọng lực.
33
• Theo vị trí trong dây chuyển xử lý:
– Bậc 1, 2.
– Tính toán hiệu quả, chiều dài, rộng, cao, đường
kính đối với ly tâm (kích thước).
34
Bể lắng cát
+ Bể lắng cát đứng (dòng chảy theo phương
thẳng đứng)
+ Bể lắng cát ngang (dòng chảy theo phương
ngang)
+ Bể lắng cát chuyển động (tiếp tuyến, thổi khí)
35

6. 05-Mar-18
6
Lắng lamella
36
• Công nghệ lắng với việc thiết kế vùng lắng
được chia thành nhiều lớp mỏng với khoảng
không gian nhỏ bằng cách đặt các tấm lamella
nghiêng 60°.
• Các tấm lamella có dạng nửa lục giác và khi
ghép lại tạo thành khối ống có mặt cắt ngang
như những ống lục giác ghép lại.
37
Cấu tạo
Bể lắng lamella gồm 3 vùng:
- Vùng phân phối nước
- Vùng lắng
- Vùng tập trung và chứa cặn
38
Nguyên lý
• Nguồn nước từ bể phản ứng vào bể lắng sẽ di chuyển
theo chiều từ dưới lên theo các tấm lắng lamella (hoặc
ống lắng) được thiết kế nghiêng 60°. Trong quá trình di
chuyển các cặn lắng kết tủa hay bông lắng sẽ va chạm
vào nhau và bám vào bề mặt tấm lắng lamella.
• Khi các bông lắng kết dính với nhau trên bề mặt tấm
lắng lamella đủ nặng và thắng được lực đẩy của dòng
nước đang di chuyển từ phía dưới lên thì bông kết tủa
sẽ trượt xuống theo chiều ngược lại và rơi xuống đáy
bể lắng (hoặc hố thu cặn), từ đó theo chu kỳ xả đi.
39
Ứng dụng
• Bể lắng lamella sử dụng rộng rãi trong các công
trình xử lý nước thải, xử lý nước cấp cho sinh hoạt
và công nghiệp.
– Sử dụng hiệu quả cho tất cả các loại bể lắng trong
công trình xử lý nước sạch, xử lý nước thải.
– Phù hợp với công trình cải tạo, nâng cấp bể lắng đứng,
bể lắng ngang thành bể lắng lamella.
– Sử dụng được cho các loại bể với nhiều hình dáng
khác nhau như: Hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật.
– Ứng dụng lọc chất thải, bùn bả trong các hệ thống
nuôi trồng thủy sản tuần hoàn.
40
Ưu điểm
- Nâng cao hiệu suất lắng và ổn định.
- Rút ngắn thời gian lắng, giảm diện tích xây
dựng.
- Lắp đặt đơn giản, có thể thi công từng mảng
rời và vận chuyển thuận tiện.
- Vận hành đơn giản, dễ dàng bảo trì/bảo dưỡng
và chuyển đổi vị trí đặt bể lắng.
41

7. 05-Mar-18
7
Circular Basin Rectangular Basin
42
Clarifiers
Types of Clarifiers
Inclined Plate
(Lamella)
Rectangular
Circular
43
Circular Clarifier
44
Circular Clarifier
Influent
A Circular Baffle Directs Flow
Center Baffle
45
Sedimentation:
 Reduce solids by at least 50%, with proportional reduce of BOD.
 Addition of chemicals to assist settlement by coagulating particles or chemical
precipitation can be essential.
 Can have acceptable discharge standards with regular desludging without a
secondary treatment.
 Primary tanks are desludged at intervals of between 8 and 24 hours.
 Secondary settlement follows any form of biological aeration or filtration to
produce an effluent low in solids.
 Particularly demanding discharge consents may dictate a tertiary treatment to
remove solids and BOD by a further 50%.
Tier 1
46
Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng
• Kích thước
• Tỷ trọng các hạt
• Độ nhớt nước
47

8. 05-Mar-18
8
Tính toán thiết kế
• Nếu tỷ trọng các hạt bằng chất lỏng sẽ không có
hiện tượng lắng. Trong trường hợp tỷ trọng các
hạt khác biệt với chất lỏng, ta có công thức trọng
lực Fg:
– V: thể tích hạt, cm3
– p1: tỷ trọng của hạt, g/cm3
– p2: tỷ trọng chất lỏng, g/cm3
– g: gia tốc trọng trường, g/cm3
48
Tính toán thiết kế (tt)
• Lực kéo FD (lực ma sát) gây ra bởi quán tính:
• Cd : hệ số ma sát (phụ thuộc chế độ thủy động học dòng chảy)
• V: vận tốc cài đặt hạt
• A: diện tích hạt… cross sectional area of the spherical particle
49
Tính toán thiết kế (tt)
• Khi lực ma sát và trọng lực cân bằng các hạt sẽ
rơi theo vận tốc không đổi :
• Giả sử các hạt có dạng hình cầu với đường
kính D
• Vận tốc cài đặt v :
50
Tính toán thiết kế (tt)
• Hệ số ma sát Cd phụ thuộc kích thước hạt, đặc
trưng bởi chuẩn số Reynolds (R)
– : hệ số độ nhớt/ độ nhớt tuyệt đối của nước
(N.s/m2)
– : hệ số độ nhớt động học/ độ nhớt động học của
nước ( = /w) (m2/s)
• Lúc này: FD lực ma sát đối với các hạt kích thước
nhỏ di chuyển với vận tốc chậm:
51
Tính toán thiết kế (tt)
• Theo luật Stokes, hệ số ma sát CD = 24/R và
vận tốc cài đặt:
KL:  Đây chính là vận tốc cài đặt các hạt trong
chất lỏng (công thức Stokes) – vận tốc lắng của
hạt.
52
Tham khảo tài liệu
• Trịnh Xuân Lai, 2008
• Lâm Minh Triết và nnk, 2015
53

9. 05-Mar-18
9
Design parameters for settling tank
54 55
2.3. Phân tách dầu
• Thông thường dầu trong nước thải trôi nổi và được
phân tách từ nước nhờ sự khác biệt về tỷ trọng của
dầu và nước. Định luật Stokes mô tả sự trôi nổi (vận
tốc) của dầu trong nước :
– Vr : vận tốc trôi nổi hạt dầu, cm/s
– g: gia tốc trọng lực, g/cm2
– μ: Độ nhớt tuyệt đối, P
– Pw: tỷ trọng của nước, g/cm3
– Po: tỷ trọng của dầu, g/cm3
– D: đường kính hạt dầu, cm
56
Ví dụ: Trong trường hợp hạt dầu có kích thước 150μm
(D=0,015cm)  Phân tách theo dòng chảy với vận tốc ?
57
2.4. Bể lọc
• Nhận thức chung:
– Lọc là quá trình tách các hạt rắn ra khỏi pha lỏng hoặc pha
khí bằng cách cho dòng khí hoặc lỏng có chứa hạt chất
rắn chảy qua lớp vật ngăn.
– Kết quả, các hạt rắn sẽ bị giữ lại trên bề mặt lớp vật ngăn
còn khí hoặc chất lỏng sẽ thấm qua vật ngăn.
• Mục đích: Loại bỏ vật liệu hữu cơ, hạt keo, vi sinh vật.
• Filtration (lọc)
– Chỉ hiệu quả khi kích thước hạt > 1μm
– Phải giảm hàm lượng SS để tránh nghẽn cột lọc
• Nguyên lý: dựa trên 2 cơ chế
– Ngăn giữ cơ học
– Hấp phụ bề mặt
– Màng vi sinh vật (bề mặt)
59
Chức năng một số phương pháp lọc
• Granular media filters: Sử dụng vật liệu lọc
như cát, sỏi, than đá, carbon
• Roughing filters: sử dụng các vật liệu tổng hợp
 xử lý nước thải công nghiệp
• Trickling filters: sử dụng đá vôi/limestone,
than cốc (coke), nhựa tổng hợp… tạo giá thể
để vi sinh vật  sử dụng/tiêu thụ (phân
hủy/phân giải) các chất hữu cơ trong nước
thải (làm sạch nước)
60

10. 05-Mar-18
10
Phân loại:
• Lọc nhanh
• Lọc chậm (nhà máy công suất nhỏ)
61
• Rapid filtration is used as the final clarifying
step in municipal water treatment plants.
62
Rapid Sand Filters
S. Vigneswaran et al., 2012 63 64
Lọc cát đơn giản
65
Bể lọc cát chậm
66

11. 05-Mar-18
11
67 68
69
Construction details of sand filters Cấu tạo bể lọc cát nhanh
70
71
Upflow Roughing Filter
72

12. 05-Mar-18
12
Horizontal Flow Roughing Filter
73
Bài tập: Rapid Sand Filter Design
Problem: Design a rapid sand filter to treat 10
million litres of raw water per day allowing 0.5%
of filtered water for backwashing. Half hour per
day is used for bakwashing. Assume necessary
data.
74
2.5. Bể điều hoà
(Equalization tank)
• Thông thường: lưu lượng, nhiệt độ, hàm lượng
các chất ô nhiễm... trong dòng thải thay đổi theo
thời gian.
• Bể điều hòa  Điều hòa lưu lượng (Q) và nồng
độ (C).
• Điều hòa nhằm mục đích:
- Điều chỉnh sự biến thiên về lưu lượng của nước thải.
- Tránh sự biến động về hàm lượng chất hữu cơ làm
ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn trong các bể xử
lý sinh học.
- Kiểm soát pH của nước thải để tạo điều kiện tối ưu
cho các quá trình sinh học, hóa học sau đó.
76 77
Sơ đồ bố trí bể điều hòa
78 79

13. 05-Mar-18
13
80
Maine use of Equalization tank
• To reduce the temperature in Equalization tank
• For homogeneous mixing
• To give the optimum dosing of HCl for neutralizing
• To increase the Bacteria growth in FBBR
• To reduce the insoluble BOD and COD in the System
• To avoided the solids cloaking in the air distribution system in
Equalization tank
• To increase the air volume in equalization tank in wastewater
treatment
• To remove the odor in Equalization tank due to anaerobic reaction
• To increase the efficiency of Biological system
• To reduce the current and electrode consumption in EC system
81
• Flow equalization and chemical neutralization
and are two important components of water
and wastewater treatment.
• Flow equalization
– Flow equalization is used to minimize the
variability of water and wastewater flow rates and
composition.
– Each unit operation in a treatment train is
designed for specific wastewater characteristics.
82 83
Flow Equalization
 Flow equalization
• Flow equalization is the damping of flow variations to achieve a
consistent flowrate. It a method used to:
 overcome the operational problems caused by flow rate variations
 improve performance of downstream processes
 reduce the size and cost of downstream treatment facilities
• Advantages (benefits):
 enhancement of biological treat  shock loading  dilution of
inhibition
 improved effluent quality  better sedimentation due to constant
loading
 improved filter performance
 Attractive option for upgrading performance of overloaded plants.
Equalization tanks serve many purposes  the most
important benefits/use of flow equalization
• Equalization improves sedimentation efficiency by improving
hydraulic detention time.
• The efficiency of a biological process can be increased because of
uniform flow characteristics and minimization of the impact of
shock loads and toxins during operation.
• Manual and automated control of flow-rate-dependent operations,
such as chemical feeding, disinfection, and sludge pumping, are
simplified.
• Treatability of the wastewater is improved and some BOD reduction
and odor removal is provided if aeration is used for mixing in the
equalization basin.
• A point of return for recycling concentrated waste streams is
provided, thereby mitigating shock loads to primary settlers or
aeration basin.
84
Mixing and Aeration Requirements
Typical Radial Turbine
Impeller: (a) flat blade; (b)
spiral backswept; (c)
curved Blade
Ramesh K. Goel et al., 2005 85

14. 05-Mar-18
14
Equalization Tank Operation And
Maintenance
• Keep air mixing on at all times.
• Ensure that the air flow /mixing is uniform over
the entire floor of the tank. Adjust the placement
of diffusers and the air- flow rate needed.
• Keep the equalization tank in wastewater
treatment nearly empty before the expected
peak load hours (otherwise it will over flow)
• Check and clean clogged diffusers at regular
intervals.
• Manually evacuate settled much/sediments at
least once in a year.
86 87
Lưu ý cần ghi nhớ
• Chức năng, nhiệm vụ
• Thiết kế
Ứng dụng thực tế
88
Phương pháp cơ học xử lý nước thải là tiền đề quan trọng
cho các công đoạn/quá trình xử lý tiếp theo.
Hướng dẫn bài tập:
1. Tính toán các thông số cơ bản song chắn
rác.
2. Tính toán thông số cơ bản các loại bể
lắng quan trọng.
3. Tham khảo tài liệu: Trịnh Xuân Lai
(2009), Tính toán thiết kế các công trình xử lý
nước thải, NXB Xây dựng.
89
90