Đồ án: Thiết kế bể keo tụ và lắng ngang cho xử lý nước Sông Sài Gòn

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Như Quỳnh
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts. Đặng Viết Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Thiết kế bể keo tụ, tạo bông và bể lắng ngang cho hệ thống xử lý nước từ nguồn sông sài gòn thành nước cấp ăn uống, công suất 25 000 m3/ngày đêm
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ THỰC HIỆN TRONG ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƯỚC VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
• 1.1. Tổng quan về nguồn nước
• 1.1.1. Tổng quan về nguồn nước mặt
• 1.1.2. Tổng quan và đặc điểm nguồn nước sông Sài Gòn
• 1.1.3. Tiêu chuẩn chất lượng nước cấp cho ăn uống
• 1.2. Công nghệ xử lý nước cấp ăn uống
• 1.2.1. Tổng quan các quy trình công nghệ xử lý nước cấp
• 1.2.2. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nguồn nước mặt sông Sài Gòn
• 1.2.3. Thuyết minh công nghệ
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ
• 2.1. Bể trộn cơ khí
• 2.2. Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí
• 2.3. Bể lắng ngang
• 2.4. Sơ đồ tính toán
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ
• 3.1. Bể trộn cơ khí
• 3.1.1. Lựa chọn và tính toán định lượng hóa chất
• 3.1.2. Kích thước bể trộn cơ khí
• 3.1.3. Kích thước cánh khuấy bể trộn
• 3.1.4. Thông số kỹ thuật để chọn động cơ
• 3.2. Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí
• 3.2.1. Kích thước bể phản ứng tạo bông cơ khí
• 3.2.2. Kích thước cánh khuấy bể phản ứng
• 3.2.3. Kiểm tra các chỉ tiêu cơ bản của bể phản ứng
• 3.3. Bể lắng ngang
• 3.3.1. Ngăn phân phối nước vào
• 3.3.2. Hệ thống máng thu nước
• 3.3.3. Vùng thu và xả cặn
• 3.3.4. Kích thước xây dựng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tầm quan trọng của thiết kế bể keo tụ lắng trong nước cấp

Thiết kế bể keo tụ và lắng là công đoạn cốt lõi trong mọi công nghệ xử lý nước cấp, đặc biệt đối với nguồn nước mặt như sông, hồ. Giai đoạn này quyết định trực tiếp đến hiệu quả loại bỏ cặn lơ lửng (SS), xử lý độ đục, và các chất keo gây màu, từ đó giảm tải cho các công trình xử lý phía sau như bể lọc. Một hệ thống cấp nước sinh hoạt hiệu quả phải bắt đầu từ một cụm bể keo tụ - lắng được tính toán và thiết kế chính xác. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn chính: keo tụ - tạo bông và lắng cặn. Trong giai đoạn đầu, các hóa chất keo tụ như phèn nhôm PAC (Poly Aluminium Chloride) được châm vào nước nguồn tại bể trộn. Dưới tác động của khuấy trộn cơ khí, các hạt keo mang điện tích âm trong nước bị trung hòa, mất ổn định và kết dính lại với nhau. Tiếp theo, tại bể keo tụ tạo bông (hay bể phản ứng), dòng nước được khuấy với cường độ giảm dần để tạo điều kiện cho các hạt keo nhỏ liên kết thành bông cặn lớn hơn, có trọng lượng và dễ dàng lắng xuống. Giai đoạn thứ hai diễn ra tại bể lắng, nơi các bông cặn này được tách ra khỏi pha nước dưới tác dụng của trọng lực. Việc tính toán bể keo tụ và bể lắng đòi hỏi sự chính xác cao về các thông số thủy lực, thời gian lưu nước, và liều lượng hóa chất. Theo tài liệu nghiên cứu "Thiết kế bể keo tụ, tạo bông và bể lắng ngang cho hệ thống xử lý nước từ nguồn sông Sài Gòn", việc lựa chọn PAC thay cho phèn nhôm sunfat truyền thống giúp tối ưu hóa quá trình keo tụ trong khoảng pH rộng (6.5-8.5), giảm ăn mòn thiết bị và giảm lượng bùn cặn phát sinh. Tóm lại, một thiết kế chuẩn mực không chỉ đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt QCVN 01:2009/BYT mà còn tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống xử lý nước.

1.1. Vai trò cốt lõi của quá trình keo tụ tạo bông

Quá trình keo tụ - tạo bông là bước đầu tiên và quan trọng nhất để loại bỏ các hạt rắn lơ lửng và chất keo mịn khỏi nước thô. Nước mặt thường chứa các hạt keo có kích thước rất nhỏ (dưới 1 micromet), mang điện tích âm, khiến chúng luôn lơ lửng và không thể tự lắng. Mục tiêu của bể keo tụ tạo bông là phá vỡ trạng thái bền vững này. Bằng cách thêm các hóa chất keo tụ có ion kim loại hóa trị cao như Al³⁺ trong phèn nhôm PAC, các hạt keo bị trung hòa điện tích, tạo thành các vi bông cặn. Sau đó, tại bể phản ứng, quá trình khuấy trộn nhẹ nhàng giúp các vi bông cặn này va chạm, kết dính với nhau và với các hạt cặn khác trong nước, hình thành các bông cặn lớn, nặng và có khả năng lắng cao. Hiệu quả của công đoạn này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước đi vào bể lắng và hiệu suất của toàn bộ trạm xử lý nước.

1.2. Nguyên tắc của quá trình lắng cặn trọng lực

Quá trình lắng cặn là giai đoạn tách pha rắn ra khỏi pha lỏng dựa trên nguyên lý trọng lực. Sau khi các bông cặn được hình thành, nước được dẫn vào bể lắng với vận tốc dòng chảy rất chậm để tạo môi trường tĩnh. Dưới tác dụng của trọng lực, các bông cặn có tỷ trọng lớn hơn nước sẽ từ từ lắng xuống đáy bể, tạo thành lớp bùn cặn. Nước trong sau khi tách cặn sẽ được thu ở lớp bề mặt thông qua máng thu nước và tiếp tục được đưa đến công đoạn xử lý tiếp theo. Các loại bể lắng phổ biến bao gồm bể lắng ngang, bể lắng đứng, và bể lắng lamen. Việc lựa chọn và thiết kế loại bể lắng phù hợp phụ thuộc vào công suất trạm, đặc tính cặn và điều kiện mặt bằng xây dựng, đảm bảo hiệu quả tách cặn tối đa.

II. Thách thức trong xử lý độ đục và cặn lơ lửng nước cấp

Việc thiết kế bể keo tụ và lắng phải đối mặt với nhiều thách thức, chủ yếu xuất phát từ sự biến động của chất lượng nước nguồn. Nguồn nước mặt như sông Sài Gòn có đặc tính thay đổi theo mùa, đặc biệt là vào mùa mưa, hàm lượng cặn lơ lửng (SS) và độ đục tăng đột biến. Theo Bảng 1.1 trong tài liệu nghiên cứu, hàm lượng TSS của nước sông Sài Gòn có thể lên tới 30 mg/l và độ màu là 40 TCU, vượt xa tiêu chuẩn nước ăn uống (QCVN 01:2009/BYT). Sự biến động này đòi hỏi hệ thống phải linh hoạt trong việc điều chỉnh liều lượng hóa chất keo tụ và chế độ vận hành. Nếu không được kiểm soát tốt, các hạt cặn mịn có thể không được keo tụ hoàn toàn, gây quá tải cho bể lọc và làm giảm chất lượng nước thành phẩm. Một thách thức khác là việc hình thành bông cặn. Kích thước và độ bền của bông cặn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ, cường độ khuấy trộn trong bể phản ứng. Cường độ khuấy quá mạnh có thể phá vỡ các bông cặn vừa hình thành; ngược lại, nếu quá yếu sẽ không đủ để các hạt va chạm và kết dính. Ngoài ra, việc quản lý và xử lý bùn cặn sau quá trình lắng cũng là một vấn đề lớn. Lượng bùn phát sinh cần được tính toán chính xác để thiết kế vùng chứa và hệ thống xả cặn phù hợp, tránh tình trạng bùn tích tụ lâu ngày gây tái ô nhiễm nguồn nước trong bể. Việc không tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn thiết kế TCVN 33:2006 có thể dẫn đến hiệu suất xử lý thấp và chi phí vận hành cao.

2.1. Sự biến động chất lượng nước nguồn theo mùa

Chất lượng nước mặt, đặc biệt là các con sông chảy qua khu đô thị và công nghiệp, chịu ảnh hưởng lớn từ các hoạt động kinh tế - xã hội và biến đổi khí hậu. Vào mùa mưa, lưu lượng dòng chảy tăng, cuốn theo một lượng lớn đất cát, chất hữu cơ và các chất ô nhiễm khác từ lưu vực, làm tăng mạnh độ đục và hàm lượng cặn lơ lửng (SS). Ngược lại, vào mùa khô, lưu lượng giảm, nồng độ các chất ô nhiễm hòa tan có thể tăng lên. Sự biến động này đòi hỏi trạm xử lý nước phải có hệ thống giám sát chất lượng nước đầu vào liên tục và một quy trình vận hành hệ thống xử lý nước linh hoạt, có khả năng điều chỉnh nhanh chóng liều lượng phèn, pH và các thông số vận hành khác để đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định.

2.2. Khó khăn trong việc tối ưu hóa liều lượng hóa chất

Việc xác định liều lượng hóa chất keo tụ tối ưu là một bài toán phức tạp. Sử dụng quá ít hóa chất sẽ không đủ để trung hòa hết các hạt keo, dẫn đến hiệu quả xử lý độ đục thấp. Ngược lại, dùng quá liều không chỉ gây lãng phí, tăng chi phí vận hành mà còn có thể làm giảm pH của nước, gây ăn mòn đường ống và để lại hàm lượng kim loại dư trong nước thành phẩm. Việc lựa chọn loại phèn (ví dụ phèn nhôm PAC) và các chất trợ keo tụ (polymer) cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng thông qua các thử nghiệm Jartest để tìm ra công thức phù hợp nhất cho đặc tính của từng nguồn nước cụ thể.

III. Hướng dẫn tính toán và thiết kế bể keo tụ tạo bông hiệu quả

Để thiết kế bể keo tụ và lắng đạt hiệu quả cao, việc tính toán chi tiết từng công trình đơn vị là yêu cầu bắt buộc, dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế TCVN hiện hành. Quá trình bắt đầu với bể trộn, nơi hóa chất keo tụ được hòa trộn nhanh và đều vào dòng nước. Theo tài liệu phân tích, đối với bể trộn cơ khí, gradient vận tốc (G) thường được chọn trong khoảng 800-1000 s⁻¹, với thời gian lưu nước rất ngắn, chỉ từ 1-3 giây, để đảm bảo quá trình phá vỡ trạng thái bền của hạt keo diễn ra tức thì. Công suất cần thiết cho cánh khuấy được tính theo công thức P = Kρn³D⁵, trong đó các yếu tố như đường kính cánh khuấy (D) và tốc độ quay (n) phải được lựa chọn cẩn thận. Sau bể trộn là bể phản ứng hay bể keo tụ tạo bông. Tại đây, mục tiêu là tạo ra sự khuấy trộn nhẹ nhàng để các bông cặn phát triển. Gradient vận tốc G sẽ giảm dần qua các ngăn của bể, ví dụ từ 66 s⁻¹ ở ngăn đầu xuống còn 36 s⁻¹ ở ngăn cuối. Thời gian lưu nước trong bể này thường từ 20-30 phút. Việc tính toán bể keo tụ phải đảm bảo đủ thể tích và cấu trúc vách ngăn hợp lý để tạo dòng chảy zic-zac hoặc phân ngăn, giúp quá trình tạo bông diễn ra tuần tự và hiệu quả. Các bản vẽ cad bể keo tụ lắng cần thể hiện rõ kích thước bể, chi tiết cánh khuấy, và hệ thống vách ngăn. Việc lựa chọn động cơ có công suất phù hợp và khả năng điều chỉnh tốc độ quay là yếu tố then chốt để có thể vận hành hệ thống xử lý nước một cách linh hoạt theo sự thay đổi của chất lượng nước đầu vào.

3.1. Các thông số thiết kế bể trộn cơ khí quan trọng

Bể trộn cơ khí có nhiệm vụ hòa tan và phân tán nhanh hóa chất vào nước nguồn. Các thông số thiết kế quan trọng nhất bao gồm: gradient vận tốc (G) cao (thường > 700 s⁻¹) để tạo ra dòng chảy rối cực mạnh; thời gian lưu nước (t) ngắn (dưới 60 giây) để tránh phá vỡ các bông cặn vừa hình thành. Thể tích bể được tính bằng công thức W = Q x t, với Q là lưu lượng nước xử lý. Kích thước và kiểu dáng cánh khuấy (tuabin, chân vịt) cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hòa trộn. Trong đồ án tham khảo, với lưu lượng 25.000 m³/ngày đêm, bể trộn được tính toán với G = 1000 s⁻¹ và thời gian lưu 23 giây.

3.2. Nguyên lý cấu tạo và vận hành của bể phản ứng

Bể phản ứng được thiết kế để tạo điều kiện cho các vi bông cặn kết dính lại với nhau. Bể thường được chia thành nhiều ngăn với cường độ khuấy trộn giảm dần. Cấu tạo này giúp các bông cặn lớn dần lên mà không bị vỡ. Có hai loại chính là bể phản ứng thủy lực (dùng vách ngăn tạo dòng chảy zic-zac) và bể phản ứng cơ khí (dùng cánh khuấy). Bể phản ứng cơ khí, như được thiết kế trong tài liệu, cho phép điều chỉnh cường độ khuấy trộn linh hoạt hơn, phù hợp với các trạm xử lý nước công suất lớn và yêu cầu tự động hóa cao. Việc kiểm tra các chỉ tiêu như tỉ lệ diện tích cánh khuấy so với tiết diện bể là cần thiết để đảm bảo hiệu quả tạo bông.

3.3. Lựa chọn hóa chất keo tụ Phèn nhôm PAC và Polymer

Việc lựa chọn hóa chất keo tụ là yếu tố quyết định hiệu suất của toàn bộ quá trình. Phèn nhôm PAC (Poly Aluminium Chloride) ngày càng được ưa chuộng hơn phèn nhôm sunfat truyền thống do có nhiều ưu điểm: hoạt động hiệu quả trong dải pH rộng hơn, ít làm giảm pH của nước, tạo ra bông cặn to và lắng nhanh hơn, đồng thời giảm lượng bùn cặn cần xử lý. Ngoài ra, việc sử dụng thêm polymer trợ keo tụ có thể giúp tăng cường liên kết giữa các bông cặn, làm chúng trở nên chắc và lớn hơn, đặc biệt hữu ích khi xử lý nước có độ đục thấp hoặc nhiệt độ thấp. Liều lượng cụ thể của PAC và polymer cần được xác định bằng thực nghiệm (Jartest) cho từng nguồn nước.

IV. Phương pháp thiết kế bể lắng ngang theo tiêu chuẩn TCVN

Sau quá trình tạo bông, thiết kế bể keo tụ và lắng bước vào giai đoạn lắng cặn. Bể lắng ngang là lựa chọn phổ biến cho các trạm xử lý công suất trung bình và lớn. Việc thiết kế tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn thiết kế TCVN 33:2006 để đảm bảo hiệu quả tách cặn. Các thông số thiết kế bể lắng quan trọng bao gồm: tải trọng bề mặt (m³/m².ngày), thời gian lưu nước, và vận tốc dòng chảy ngang. Tải trọng bề mặt quyết định diện tích cần thiết của bể, trong khi thời gian lưu nước (thường từ 1.5 - 2.5 giờ) phải đủ dài để cặn lắng xuống. Vận tốc dòng chảy trong bể phải được giữ ở mức thấp (thường < 10 mm/s) để tránh xáo trộn và cuốn theo cặn đã lắng. Cấu tạo của bể lắng ngang gồm 4 vùng chức năng rõ rệt: vùng phân phối nước vào, vùng lắng, vùng thu nước trong, và vùng chứa-xả cặn. Vùng phân phối thường sử dụng vách ngăn có đục lỗ để dàn đều dòng chảy trên toàn bộ tiết diện ngang của bể. Vùng thu nước thường là hệ thống máng thu nước răng cưa để thu nước ở lớp bề mặt một cách đồng đều và tránh cuốn theo các cặn nổi. Vùng chứa cặn được thiết kế với độ dốc về phía hố thu và trang bị hệ thống xả cặn định kỳ bằng cơ giới hoặc thủy lực để quản lý lượng bùn cặn hiệu quả. Toàn bộ các tính toán này cần được thể hiện chi tiết trên bản vẽ cad bể keo tụ lắng để phục vụ thi công.

4.1. Tính toán các vùng chức năng của bể lắng ngang

Một bể lắng ngang được chia thành bốn vùng chính. Vùng phân phối nước vào có nhiệm vụ dàn đều lưu lượng trên toàn bộ mặt cắt ngang, thường dùng tường lỗ hoặc máng phân phối. Vùng lắng là không gian chính nơi quá trình lắng cặn diễn ra, kích thước của vùng này (chiều dài, rộng, sâu) được tính toán dựa trên tải trọng bề mặt và thời gian lưu nước yêu cầu. Vùng thu nước sau lắng thường sử dụng máng thu nước răng cưa đặt ở cuối bể để thu nước lớp trên cùng. Cuối cùng, vùng thu và xả cặn được thiết kế ở đáy bể, có độ dốc để gom bùn cặn vào hố thu, từ đó được loại bỏ định kỳ.

4.2. Các loại bể lắng phổ biến Ngang đứng và lamen

Trong công nghệ xử lý nước cấp, có ba loại bể lắng chính. Bể lắng ngang phù hợp với các trạm có công suất lớn, dòng nước chảy theo phương ngang. Bể lắng đứng có dòng nước chảy theo phương thẳng đứng từ dưới lên, thường dùng cho các trạm công suất nhỏ. Bể lắng lamen là một cải tiến, trong đó các tấm vách nghiêng (lamen) được lắp đặt trong vùng lắng. Các tấm này làm tăng diện tích bề mặt lắng hiệu quả, cho phép giảm đáng kể kích thước bể và thời gian lưu nước, rất phù hợp cho các dự án cần tiết kiệm diện tích xây dựng.

4.3. Tầm quan trọng của hệ thống máng thu nước và xả cặn

Hiệu quả của bể lắng không chỉ phụ thuộc vào vùng lắng mà còn vào hệ thống thu nước và xả cặn. Máng thu nước phải được thiết kế để thu nước đều trên toàn bộ bề mặt, tránh tạo ra các dòng chảy cục bộ có vận tốc lớn gây cuốn theo cặn. Máng răng cưa là giải pháp phổ biến nhất. Hệ thống xả cặn phải đảm bảo loại bỏ bùn cặn định kỳ và triệt để. Xả cặn bằng phương pháp cơ giới (dùng gạt cặn) thường hiệu quả hơn và cho phép vận hành liên tục, phù hợp với các trạm xử lý nước quy mô lớn.

V. Case study Thiết kế bể keo tụ lắng cho trạm 25

Đồ án "Thiết kế bể keo tụ, tạo bông và bể lắng ngang" cung cấp một ví dụ thực tiễn về việc áp dụng lý thuyết vào thiết kế bể keo tụ và lắng cho một trạm xử lý nước công suất 25.000 m³/ngày đêm, xử lý nước sông Sài Gòn. Dựa trên chất lượng nước đầu vào có độ đục và hàm lượng cặn lơ lửng (SS) cao, quy trình công nghệ được đề xuất bao gồm bể trộn cơ khí, bể keo tụ tạo bông cơ khí 3 ngăn, và 3 bể lắng ngang. Hóa chất keo tụ được lựa chọn là phèn nhôm PAC với liều lượng tính toán là 250 mg/L. Bể trộn được thiết kế với thể tích 6.67 m³, thời gian lưu 23 giây và gradient vận tốc 1000 s⁻¹. Bể phản ứng có 3 ngăn, mỗi ngăn được trang bị cánh khuấy với tốc độ quay giảm dần, đảm bảo sự hình thành và phát triển của bông cặn một cách tối ưu. Đối với bể lắng ngang, các thông số thiết kế bể lắng được tính toán chi tiết. Với tải trọng bề mặt là 45 m³/m².ngày, tổng diện tích bề mặt lắng yêu cầu là 555.6 m². Hệ thống được chia thành 3 bể, mỗi bể có kích thước dài 51m, rộng 3.6m và cao 2.5m. Thời gian lưu nước trong bể lắng đạt 1 giờ 20 phút, đảm bảo đủ thời gian cho quá trình lắng cặn. Hệ thống máng thu nước răng cưa và thiết bị cào cặn cơ khí được lựa chọn để tối ưu hóa hiệu quả thu nước sạch và quản lý bùn cặn. Các tính toán này đều tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế TCVN 33:2006, cho thấy một quy trình thiết kế bài bản, từ phân tích lý thuyết đến ứng dụng thực tế.

5.1. Thuyết minh công nghệ xử lý nước cấp từ nước sông

Quy trình công nghệ xử lý nước sông Sài Gòn được đề xuất bắt đầu bằng việc bơm nước thô vào bể trộn cơ khí. Tại đây, dung dịch phèn nhôm PAC được châm vào và khuấy trộn nhanh. Nước sau đó chảy sang bể phản ứng có cánh khuấy để hình thành bông cặn. Các bông cặn lớn sau đó được tách ra tại bể lắng ngang. Nước sau lắng tiếp tục được đưa qua bể lọc nhanh để loại bỏ các cặn mịn còn sót lại. Cuối cùng, nước được khử trùng bằng Chlorine trước khi được bơm vào bể chứa và cấp cho hệ thống cấp nước sinh hoạt. Nước rửa lọc được tuần hoàn về bể tạo bông để tận dụng khả năng keo tụ còn lại, giúp tiết kiệm hóa chất.

5.2. Các thông số tính toán chi tiết cho một công trình thực tế

Dựa trên lưu lượng 25.000 m³/ngày, các thông số kỹ thuật được tính toán cụ thể. Ví dụ, đối với bể lắng ngang, hệ số Reynolds (Re) được tính là 10217, cho thấy dòng chảy ở chế độ chảy tầng, là điều kiện lý tưởng cho quá trình lắng cặn. Chuẩn số Froude (Fr) > 10⁻⁵ đảm bảo sự ổn định của dòng chảy, tránh hiện tượng ngắn dòng. Vùng chứa cặn được tính toán có thể tích 30.722 m³ cho mỗi bể, và đường kính ống xả cặn là 0.25m. Những con số này không chỉ là lý thuyết mà là cơ sở để xây dựng các bản vẽ cad bể keo tụ lắng và triển khai thi công thực tế.