Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị xyclon thủy lực tách cặn trong công nghệ xử lý nước mặt

I-Đặt vấn đề

Nước sạch và vệ sinh môi trường là một nhu cầu cơ bản trong đời sống hàng ngày của mọi người và đang trở thành đòi hỏi bức bách trong việc bảo vệ sức khỏe và cải thiện điều kiện sinh hoạt cho nhân dân, đặc biệt là người dân khu vực nông thôn và miền núi.

Theo thống kê, tổng trữ lượng nước mặt của Việt Nam là khá lớn đạt khoảng hơn 830 - 840 tỷ m³[1], đặc điểm nước mặt của nước ta là chất lượng và trữ lượng rất không đều theo vùng và các mùa trong năm. Vào mùa mưa hàm lượng cặn tăng cao đột biến gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xử lý nước, đây cũng chính là nguyên nhân nhiều công trình xử lý nước hoạt động không hiệu quả vào mùa mưa. Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài hướng đến nhằm nghiên cứu một thiết bị tách cặn đơn giản, nhỏ gọn vận hành đơn giản, có thêm giải pháp lựa chọn thiết bị cho những công trình cấp nước vừa và nhỏ khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa.
    Hiện nay, sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt quy mô vừa và nhỏ đang được áp dụng phổ biến như sau:

Tìm hiểu một số công trình cấp nước tập trung quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam hiện nay công nghệ được sử dụng chủ yếu nhằm khử độ đục của nước mặt, hàm lượng sắt của nước ngầm, và trong một chừng mực nào đó là khử trùng nước. Tuy nhiên các công trình cấp nước hiện nay hầu hết là hoạt động kém hiệu quả vào mùa mưa lũ do hàm lượng cặn trong nước nguồn tăng cao đột biến (chủ yếu là cặn thô). Vì vậy việc nghiên cứu thiết bị xyclon thủy lực tách cặn thô, nhỏ gọn đơn giản trong vận hành và quản lý là phù hợp với nhu cầu thực tiễn.

II. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị xyclon thủy lực công suất nhỏ
2.1. Nguyên tắc làm việc của thiết bị:

Nước nguồn đi vào xyclon theo ống số 1 tiếp tuyến với phần hình trụ. Do lực quán tính nước tiếp tục chuyển động theo đường biên và quay quanh trục xyclon rồi đi dần lên phía trên và được thu vào ống số 3 đặt trên đỉnh và đồng trục với xyclon. Cặn bẩn vòng ra thành xyclon và trượt xuống dưới đi vào côn thu và được xả ra ngoài theo đường ống số 4.

 
Xyclon thủy lực được dùng để tách cặn sơ bộ cho nguồn nước mặt có nhiều thành phần cặn thô, nhất là những nguồn nước có độ đục cao. 
Ưu điểm của xyclon thủy lực: Kích thước gọn nhẹ, công xuất trên một đơn vị diện tích rất cao, giá thành xử lý 1m³ nước không phèn rẻ hơn rất nhiều so với các bể lắng khác, thiết bị đơn giản, dễ dàng nâng cao công suất. Hiệu quả lắng tách cặn của xyclon thủy lực cũng tăng lên cùng công suất, xả cặn dễ dàng..., vì vậy xyclon thủy lực thích hợp với các trạm cấp nước quy mô nhỏ, cấp nước công nghiệp và xử lý nước thải công nghiệp.
Nhược điểm của xyclon thủy lực: tốn năng lượng hơn so với các phương pháp tách cặn khác, do vậy không nên áp dụng với các trạm cấp nước có công suất lớn.

Trong đó:
D_i: Đường kính ống dẫn nước vào (mm)
D: Đường kính phần trụ chính của xyclon (mm)
D_o: Đường kính ống dẫn nước ra (mm)
D_u: Đường kính ống xả cặn (mm)
L: Chiều cao của xyclon (mm)
L₁: Chiều cao phần hình trụ của xyclon (mm)
l: Chiều dài đoạn ống nước ra bên trong xyclon (mm)
o: Góc co hẹp phần côn của xyclon

2.2. Tính toán thiết kế xyclon thủy lực tách cặn công suất nhỏ
Lựa chọn thông số tính toán đầu vào thiết bị là:
-    Lưu lượng tính toán Q = 4 m3/h
-    Áp lực đầu vào thiết bị H > 15 mH₂O
-    Tổn thất áp lực qua thiết bị: 
Sau khi tính toán chi tiết ta được kích thước của thiết bị thể hiện trong bảng 1, hình 5 và hình 6:

2.3. Thử nghiệm thiết bị

2.2.1. Phương pháp tiến hành thử nghiệm:
Mẫu nước chứa cặn được chuẩn bị trong bình chứa B trong quá  trình thử nghiệm máy khuấy sẽ hoạt động liên tục đảm bảo cho cặn được phân tán đều trong khi bơm công tác P2 bơm đến thiết bị tách cặn xyclon thủy lực, nước sau khi tách cặn được chứa ở bình chứa cặn của xyclon. Sau mỗi chế độ thử nghiệm kiểm tra lượng cặn được giữ lại để kiểm chứng hiệu quả tách cặn của thiết bị xyclon.

Thiết bị đo lưu lượng và áp lực được lắp ở trước và sau xyclon tách cặn để điều chỉ lưu lượng và áp lực theo yêu cầu của thử nghiệm (Chi tiết được thể hiện trên sơ đồ hình 8) 

2.2.2. Quy trình thử nghiệm: 

- Bước 1: Kiểm tra điều chỉnh toàn bộ hệ thống thử nghiệm
+ Chạy hệ thống bằng nước sạch trong vòng 15 phút, kiểm tra toàn bộ hệ thống, cần đảm bảo hệ thống làm việc tốt, không rò rỉ nước. Căn chỉnh sơ bộ các van khóa sao cho chế độ thủy lực đáp ứng được yêu cầu về lưu lượng và áp lực của thử nghiệm.

- Bước 2: Chuẩn bị mẫu
+ Theo bảng 3.8 TCVN 7957:2008 thì xyclon thủy lực có thể áp dụng để tách các loại cặn trong nước có khối lượng riêng là 2-3,5 g/cm³ với nồng độ cặn từ 2000 - 4000 mg/l.

+ Trong khuân khổ  nghiên cứu cũng như điều kiện thử nghiệm hiện có chúng tôi lựa chọn tạo mẫu bằng cát mịn hòa với nước sạch với nồng độ tương đương 3000mg/l. 

+ Quá trình tạo mẫu: Thùng chứa mẫu có dung tích 200 lít nước sạch, cho vào 600g cát mịn hạt nhỏ, sấy khô (tương ứng nồng độ 3000mg/l), dùng máy khuấy khuấy đều cho suốt quá trình thử nghiệm.

- Bước 3:Tiến hành thử nghiệm
+ Mẫu nước thử nghiệm được chuẩn bị theo đúng yêu cầu thử nghiệm tại bồn B,  bật máy khuấy M, để máy khuấy chạy ổn định các hạt cặn phân tán đều (khoảng 5 phút).
+ Bật máy bơm công tác P2, điều chỉnh các van khóa trước và sau thiết bị xyclon thủy lực sao cho lưu lượng vào thiết bị xyclon thủy lực lần lượt ở các chế độ lưu lượng và áp theo yêu cầu. 
+ Ở mỗi chế độ sau khi chạy xong hoàn toàn kiểm tra lượng cặn được giữ lại trong thiết bị xyclon.
+ Hiệu quả tách cặn được tính bằng phần trăm lượng cặn được tách bởi xyclon thủy lực so với lượng cặn ban đầu:

Trong đó: 
-    G: Tỷ lệ cặn được giữ lại trong xyclon thủy lực, %
-    G₁: Lượng cặn ban đầu chứa trong nước nguồn, g
-    G₂: Lượng cặn được xyclon thủy lực tách ra khỏi nước nguồn, g
2.4. Kết quả thử nghiệm thiết bị:
+ Lưu lượng đầu vào: Q = 4 m³/h.
+ Áp lực nước vào thiết bị P₁ = 20 m
+ Nồng độ cặn trong nước đầu vào 3000 mg/ml (Dung tích công tác thùng chứa B = 200 lít; được hòa lượng cặn ban đầu 600g)

Nhận xét kết quả thử nghiệm:
Từ các số liệu thử nghiệm thiết bị ở trên cho thấy, thiết bị xyclon thủy lực có khả năng tách các cặn bẩn vô cơ dạng thô trong nước có độ đục cao như cát mịn (hoặc các cặn lắng có độ thô thủy lực tương tự như cát mịn), với hiệu quả tách ở chế độ thiết kế Q = 4 m³/h là 82,92%
Trong quá trình thử nghiệm thiết bị nhóm thực hiện đề tài nhận thấy thiết bị làm việc hiệu quả ở áp lực đầu vào từ P₁ = 20 – 25 m H₂O. Ở mức áp lực thấp P₁ ≤ 15 m H₂O, hiệu quả tách cặn giảm rõ rệt. Vì vậy khi ứng dụng thiết bị cần đặc biệt qua tâm tới áp lực đầu vào, nên chọn áp lực ở mức ≥ 20 m H₂O và cũng không nên chọn cao quá vì khi áp lực lớn hiệu quả tách cặn tốt tuy nhiên sẽ tiêu tốn năng lượng lớn dẫn tới không kinh tế.
III. Kết luận
Kết quả thử nghiệm bước đầu cho thấy, thiết bị có các ưu điểm là hiệu quả tách các hạt cặn vô cơ dạng thô tương đối tốt và ổn định; quản lý dễ dàng; lắp đặt nhanh, có khả năng công xưởng hóa; thiết bị gọn nhẹ, chiếm ít diện tích; giá thành hạ; khả năng lắp đặt thêm thiết bị để nâng cao hiệu quả của các trạm xử lý một cách dễ dàng. Bên cạnh đó thiết bị cũng có một số hạn chế là chi phí điện năng cao hơn so với các phương pháp khác, tổn thất áp lực qua thiết bị lớn và cần có áp lực đầu vào tương đối cao.
Với nhiều ưu điểm nổi trội của thiết bị, đơn giản dễ vận hành bảo dưỡng, nhận định sản phẩm xyclon tách cặn của đề tài phù hợp với mô hình cấp nước tập trung cho cụm dân cư nhỏ ở nông thôn, vùng trung du, vùng sâu vùng xa. Với thiết bị xyclon tách cặn này các công trình cấp nước sử dụng nguồn nước mặt cung cấp nước sạch quy mô nhỏ vùng sâu vùng xa sẽ có thêm lựa chọn giải pháp thiết bị cho công đoạn tách cặn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.    Bộ Tài nguyên và Môi trường; Báo cáo môi trường Quốc gia năm 2010
2.    TS. Trịnh Xuân Lai (2004), Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp, Nhà xuất bản Xây dựng.
3.    GS.TS. Trần Hiếu Nhuệ (1998), Thoát nước và xử lý nước thải công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
4.    Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7957:2008
5.    Ladislav Svarovsky, Solid – Liquid Separation. Fourth Edition (2000)
6.    Rietema, K., Performance and Design of Hydrocyclone. Chemical Engineering Science, (1961).

KS. Nguyễn Danh Quyết
ThS. Bùi Hồng Quang