Tính toán thiết kế bể tuyển nổi siêu nông DAF

1. MỤC ĐÍCH, NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI

1.1 Mục đích

Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, khả năng tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp quá trình này cũng dùng tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách hay làm đặc bọt. Trong xử lý nước thải về nguyên tắc dùng để loại bỏ chất rắn lơ lửng hoặc dầu mỡ ra khỏi hỗn hợp nước thải và cô đặc bùn sinh học

1.2 Nguyên tắc tuyển nổi

Tuyển nổi là quá trình tách các tạp chất rắn không tan hoặc tan có tỉ trọng nhỏ hơn tỉ trọng của chất lỏng làm nền bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc các chất thấm ướt. Nếu sự khác nhau về tỉ trọng đủ để tách gọi là tuyển nổi tự nhiên

Modul bể tuyển nổi theo công nghệ Italy

1.3 Cơ sở khoa học

Những cơ sở lý thuyết cơ bản về tuyển nổi dựa trên thành tựu nghiên cứu hóa lý hiện đại. Ngày nay, người ta dựa trên cơ sở lý thuyết để điều khiển quá trình công nghệ tuyển nổi cũng như có thể điều chỉnh tỷ lệ thành phần các cấu tử tạo ra chất tuyển nổi phù hợp với tính chất của từng hỗn hợp cần tuyển.

Ðể giải thích sự bám dính của thành phần cần tuyển nổi lên bề mặt bọt khí tạo ra bởi chất tuyển nổi và nổi lên bề mặt hỗn hợp, người ta đưa ra nhiều giả thuyết giải thích bằng hoá học lượng tử giữa mức năng lượng của các orbital đầy điện tử của tác nhân tuyển nổi với orbital trống của thành phần cần tuyển nổi, hoặc là giải thích bằng mô hình orbital phân tử.

Tóm lại, ngày nay người ta phân biệt ba loại cơ chế cơ bản về sự bám dính của các tác nhân tuyển nổi lên bề mặt thành phần tuyển nổi: Sự hấp phụ do lực tĩnh điện, sự hấp phụ hoá học, sự hấp phụ vật lý.

Trong đó sự hấp phụ hoá học là quan trọng hơn cả vì nó quyết định tính chọn riêng và tính tập hợp của chất tuyển nổi với một thành phần cần tuyển nổi nhất định mà những tính chất này được quyết định bởi độ dài, cấu trúc của hidrocabon, cấu tạo của nhóm chức và thành phần tỉ lệ của các cấu tử có mặt trong hệ thống chất tuyển nổi.

Sự hấp phụ hoá học được xảy ra do sự hình thành có liên kết phối trí giữa chất tuyển nổi và thành phần cần tuyển nổi. Mối liên kết phối trí này được tạo nên trong phần lớn các trường hợp có sự tác dụng của tác nhân chất tuyển nổi (trong thành phần có chứa những nguyên tử có đôi điện tử tự do như N, S, O, P hoặc là các liên kết đôi) với thành phần cần tuyển nổi, mà nó chứa các cation có số lượng tử chính n ≥2.

Sự bám dính của các phân tử tác nhân chất tuyển nổi có chứa các nguyên tử cho điện tử có thể xảy ra trên bất kỳ vị trí nào của bề mặt thành phần tuyển mà ở đó có chứa các orbital trống được hình thành trong quá trình đập vỡ hoặc nghiền quặng. Ðiều kiện cần thiết để có sự tác dụng giữa thành phần tuyển và tác nhân chất tuyển nổi dạng ion (Y-) (ngoại trừ trường hợp xảy ra phản ứng dị thể) là sự thủy phân hoặc oxi hoá thành phần tuyểntạo nên liên kết phân cực trên lớp bề mặt. Kết quả sự tách và đẩy hạt tích điện âm xảy ra dễ dàng.

Dạng liên kết phối trí này có tính đối xứng δ và π. Như vậy, sự bám dính giữa các tác nhân chất tuyển nổi và bề mặt thành phần tuyển nổi xảy ra chặt chẽ hơn và chọn lọc hơn khi mối liên kết của chúng có những tính chất cơ bản (như: độ dài, năng lượng, số phối trí) gần với liên kết trong mạng tinh thể của thành phần tuyển nổi. Hạn chế của quan điểm này là không xem xét về bản chất liên kết tác nhân - thành phần tuyển nổi. Không có sự nhìn nhận nhất quán về sự tác dụng của tác nhân ion và non - ion.

Trong quá trình hấp phụ phần lớn các chất tuyển nổi trong phân tử của nó có chứa O, N, P biểu hiện các tính chất theo những quy luật sau: tính axit của các chất tuyển nổi càng yếu thì nó càng bám chặt lên bề mặt hạt khoáng, phù hợp với quy luật của sự hình thành phức chất trong dung dịch.

Khi có sự hình thành liên kết π hoặc có sự tác dụng tĩnh điện thì xảy ra quy luật ngược lại. Giá trị hằng số phức của chất tuyển nổi với các cation kim loại có trong mạng tinh thể của các thành phần tuyển nổi cần tách càng lớn thì chất tuyển nổi càng có tính chọn lọc cao. Giá trị hằng số tạo phức K và tính hoạt hoá Khh đặc trưng cho sự bám dính của chất tuyển nổi ion liên hệ với nhau theo phương trình sau:

Trong đó:

- Khh: hằng số hoạt hóa

- S: nồng độ phân tử của các hợp chất ít tan.

- K: hằng số tạo phức.

Dựa vào đây người ta có thể đánh giá được ảnh hưởng về tính chất axit bazơ của chất tuyển nổi, kim loại và pH của dung dịch lên sự hấp phụ tối đa của chất tuyển nổi. Sự hấp phụ tối đa của chất tuyển nổi bị dịch chuyển vào vùng pH thấp hơn khi ta tăng tính axit của chất tuyển nổi và các cation trong mạng tinh thể.

2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ TUYỂN NỔI DAF

2.1 Tính toán thiết kế bể tuyển nổi DAF

Các thông số thiết kế bể tuyển nổi khí hòa tan DAF:

Lưu lượng trung bình : Q = 1.2 m3/ngđ = 50x10-3 (m3/h)

2.1.1 Áp suất vận hành và hàm lượng cặn lơ lửng

- Tỷ lệ khí/ nước (ml) không khí cho 1mg cặn, phụ thuộc vào tính chất của cặn như kích thước, tỷ trọng và trạng thái bề mặt của từng bông cặn có thể lấy từ 0.015 – 0.05 chọn 0.04

- 1.3: trọng lượng không đổi của không khí, mg/ml

- R: Lưu lượng nước tuần hoàn.

- Ck: Độ hòa tan của không khí vào nước (ml/l) hay thể tích khí lấy theo bảng 2.1

Bảng 1: Độ hòa tan của không khí theo nhiệt độ

Nhiệt độ(oC)	0	10	20	30
Ck (ml/l)	29.2	22.8	18.7	15.7

- Sử dụng phương pháp nội suy ta có được ở nhiệt độ t0tb= 25oC, thì Ck= 17.2 (ml/l)

- f: Hệ số tỷ lệ của độ hòa tan không khí vào nước tại áp lực P, lấy f = 0.8 (0.5 ≤ f ≤ 3)

- Cc: Hàm lượng cặn (mg/l), SS=332 mg/l

- P: Áp lực (atm)

- p: Áp lực kế hay áp suất vận hành (kPa), chọn p = 330 kPa (270kPa ≤ p ≤ 340kPa)

2.1.2 Lưu lượng nước tuần hoàn

- Phần trăm nước tuần hoàn:

2.1.3 Tổng lưu lượng nước vào bể

2.1.4 Diện tích bề mặt tuyển nổi

- L: tải trọng bề mặt bể tuyển nổi, L=3- 10m3/m2h, chọn L=3m3/m2h

2.1.5 Chọn hình dạng bể tuyển nổi

Hình dạng bể tuyển nổi: hình tròn
Vật liệu chế tạo bể: thép CT3
Lượng không khí tiêu thụ: 15 – 50 lít/m3 nước
Chiều cao bể tuyển nổi
- H: chiều cao toàn bể, chọn H=0.5 m
- H1: chiều cao ngăn tạo bọt, chọn: H1 = 0.15 (m)
- H2: chiều cao vùng lắng, chọn: H2 = 0.25 (m)
- Hbv: chiều cao bảo vệ, chọn: Hbv = 0.1 (m)
Đường kính bể

Với: A là diện tích bể mặt tuyển nổi

Đường kính ống trung tâm: d = 20%×D = 20% × 0.2 = 0.04 (m)

Đường kính ngăn tạo bọt: Dk= D – d = 0.2 – 0.04 = 0.16 (m)

Thể tích bể tuyển nổi

Trong đó

- D: Đường kính bể tuyển nổi

- H: Chiều cao bể tuyển nổi

- Thời gian lưu nước trong bể trên thực tế

Trong đó

- V: Thể tích bể tuyển nổi

- QT: Tổng lưu lượng nước vào bể tuyển nổi

Góc nghiêng đáy bể chọn nghiêng 30o so với mặt phẳng ngang.

Đường ống nước vào bể :

Bảng 2: Các thông số thiết kế bể tuyển nổi khí hòa tan DAF

STT	THÔNG SỐ	ĐƠN VỊ	GIÁ TRỊ
1	Đường kính bể	m	0.2
2	Thể tích bể	m3	0.03
3	Chiều cao bể	m	0.5
4	Diện tích bề mặt tuyển nổi	m2	0.03
5	Đường kính ống trung tâm	m	0.04
6	Đường kính ngăn tạo bọt	m	0.16
7	Thời gian lưu nước	phút	15
8	Lưu lượng nước hoàn lưu	m3/h	0.03
9	Đường kính ống nước vào bể	m	0.05
10	Đường kính ống tuần hoàn	m	0.02
11	Công suất bơm	W	750

2.2 Đường kính ống tuần hoàn vào bể

Trong đó:

R: Lưu lượng nước tuần hoàn, R=0.03 (m3/h)

v: Vận tốc nước trong ống, chọn v=1.5(m/s)

2.3. Tính toán bồn khí tan

- Chọn vật liệu là thép CT3

2.3.1 Thể tích bồn khí tan

Trên thực tế, thể tích nước chỉ chiếm 2/3 thể tích bồn khí tan

Bồn tạo áp được thiết kế hình trụ

Chọn chiều cao là h=0.4m

2.3.2 Đường kính bồn khí tan

2.3.3 Lượng khí cung cấp

Trong đó:
- S: lượng cặn tách ra trong 1 phút (g)

Vậy lượng khí cần cung cấp

Vậy chọn máy nén khí có

Bảng 3: Các thông số thiết kế bồn khí tan (bình tích áp)

STT	THÔNG SỐ	ĐƠN VỊ	GIÁ TRỊ
1	Thể tích	m3	0.02
2	Chiều cao	m	0.4
3	Đường kính	m	0.08
4	Thời gian lưu nước	phút	2

2.4 Tính toán bơm từ bể chứa vào bể tuyển nổi

Trong đó:

- Q: Lưu lượng nước (m3/h), Q=0.05(m3/h)=1.4x10-5(m3/s)

- ρ=1000kg/m3

- η=70%, hiệu suất bơm

Cột áp của bơm

Trong đó:
- ∆Z: Khoảng cách từ mặt nước bể chứa đến mặt nước bể tuyển nổi, ∆Z=1.5 mH2O
- ∑h: Tổng tổn thất áp lực từ mặt nước ở bể chứa đến mặt nước trong bể tuyển nổi, ∑h=1.5 mH2O