Bể lắng cát xoáy (vortex): Tính vận tốc lắng và đường kính

Đối tượng đọc: kỹ sư thiết kế công trình đầu (headworks) trạm xử lý nước thải. Thời gian đọc: ~5 phút. Công cụ liên quan: Thiết kế bể lắng cát xoáy · Cẩm nang thiết kế

Nguyên lý

Nước vào theo tiếp tuyến tạo dòng xoáy, hạt cát nặng bị ly tâm văng ra đáy phễu, còn hữu cơ lơ lửng theo dòng tràn ra. Khác bể lắng cát sục khí, vortex không cần sục khí (thủy lực thuần) — nhỏ gọn, ít điện năng, dễ vận hành.

Vận tốc lắng (Stokes)

v = g·(ρs − ρw)·d² / (18·μ) (m/s). ρs = 2 650 kg/m³ (cát), ρw ≈ 995 kg/m³ ở 30 °C, μ ≈ 0,8 mPa·s ở 30 °C, d = 0,2 mm.

Tại 30 °C, hạt 0,2 mm lắng khoảng 0,03 m/s. Nước nhiệt đới nhớt thấp hơn → cát lắng nhanh hơn → phòng nhỏ hơn thiết kế ôn đới cùng hiệu suất.

Diện tích và đường kính

Lưu lượng đỉnh Qp = Q·peak/86400 (m³/s). Diện tích A = Qp / v (m²). Đường kính D = √(4A/π) (m). Thể tích Vol = A·H.

Thời gian lưu

t = H / v (giây). Hợp lý 15–60 s. Ngoài cửa sổ này → chỉnh sâu H hoặc chấp nhận hiệu suất bắt cát khác.

Lượng cát thu được

Thể tích cát gritV = rate·Q/1e6 (m³/d, rate L/1000 m³); khối lượng gritM = gritV·1600 (kg/d, tỷ trọng ~1,6 t/m³). Giống bể sục khí.

5 sai lầm vận hành

1. t < 15 s: cát chưa kịp lắng → mang sang bể sau.
2. t > 60 s: hữu cơ lơ lửng bắt đầu lắng theo cát.
3. Quên ρw thay đổi theo nhiệt độ: nhiệt đới lắng nhanh hơn → thiết kế quá lớn nếu lấy μ ôn đới.
4. Chọn hạt sai: dùng 0,1 mm thay 0,2 mm → bắt kém, cát vào bể sinh học.
5. Không đo grit: không biết tải thùng chứa và tần suất xả.

Kết luận

Vortex là lựa chọn ít điện năng cho headworks. Tính v = g·(ρs−ρw)·d²/(18·μ), A = Qp/v, D = √(4A/π), giữ t = 15–60 s, hạt thiết kế 0,2 mm, thủy lực thuần (không sục khí).