Đề tài Bể lọc nhanh dạng kín

Quá trình lọc là quá trình cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi sinh vật trong

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN – GIỚI THIỆU 1.1 LỌC

Nước qua quá trình lắng sẽ không được tinh khiết và có thể chứa một số hạt lơ lửng rất nhỏ và vi khuẩn trong đó Để loại bỏ hoặc giảm bớt các tạp chất, nước được lọc qua các tầng vật liệu lọc như cát, than, Quá trình luân chuyển của nước thông qua các tầng vật liệu dạng hạt như vậy được gọi là lọc Kết quả là sau quá trình lọc, nước sẽ có được chất lượng tốt hơn bao gồm các mặt vật lý, hóa học và sinh học Lọc thường là một trong những bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước

Quá trình lọc là quá trình cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi sinh vật trong nước Sau một thời gian làm việc thời điểm tổn thất áp lực lớp vật liệu lọc đạt đến trị số giới hạn hay chất lượng nước lọc xấu đi thì phải tiến hành rửa lọc

Tổn thất áp lực ban đầu trong lớp vật liệu lọc phụ thuộc vào tốc độ lọc, độ nhớt của nước, kích thước và hình dạng của nước lỗ rỗng trong lớp vật liệu lọc, chiều dày lớp vật liệu lọc Trong quá trình lọc, số lượng cặn bẩn trong nước do vật liệu lọc giữ lại ngày càng tăng, cho nên tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc cũng không ngừng tăng lên, khi đến 1 trị số giới hạn lớp vật liệu lọc bị nhiễm bẩn hoàn toàn

Quá trình lọc được đặc trưng bởi:

 Tốc độ lọc: Lượng nước qua một đơn vị diện tích bề mặt của bể lọc trong một đơn vị thời gian

 Chu kì lọc: Khoảng thời gian giữa hai lần rửa bể lọc

1.2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC NƯỚC

Khi lọc nước qua vật liệu lọc, cặn bẩn bị lớp vật liệu lọc giữ lại, còn nước được làm trong Cặn tích lũy dần trong các lỗ rỗng làm tăng tổn thất thủy lực của lớp lọc Lọc trong nước

là quá trình làm việc cơ bản của bể lọc, còn tăng tổn thất áp lực của lớp vật liệu lọc là quá trình đi kèm với quá trình lọc nên cả hai quá trình cần phải tính đến khi tính toán, thiết kế

và quản lý bể lọc Hiệu quả lọc nước của mỗi lớp lọc nguyên tố là kết quả của hai quá trình ngược nhau:

 Cặn bẩn tách ra khỏi nước và gắn lên bề mặt của hạt dưới tác dụng của lực dính kết

 Tách các hạt cặn bẩn ra khỏi lớp hạt vật liệu lọc vào nước dưới tác dụng của lớp thủy động

2

Quá trình lọc xảy ra cho đến khi cường độ dính kết các hạt cặn bẩn vào bề mặt hạt lớn hơn cường độ tách chúng Do quá trình tích lũy ngày càng nhiều cặn bẩn trong lỗ rỗng của cát lọc, cường độ tách cặn do lực thủy động gây ra ngày càng tăng

Các hạt cặn không có khả năng dính kết lên bề mặt lớp vật liệu lọc, sau thời gian lọc, số lượng cặn tích lũy trong lớp vật liệu lọc tăng lên, số lượng cặn đã bám vào bề mặt các hạt cát lọc bị dòng nước đẩy xuống dưới cũng ngày càng tăng và vai trò các lớp vật liệu nằm gần sát bề mặt trong quá trình lọc giảm dần

Thời gian làm việc mà lớp vật liệu lọc có chiều dày L đảm bảo lọc nước đến độ trong quy định gọi là thời gian bảo vệ của lớp vật liệu lọc

 Than hoạt tính: loại bỏ chất clorua và chất hữu cơ

 Thanh hoạt tính có dạng hạt không được chứa tạp chất vô cơ cũng như hữu cơ hòa tan gây độc hại đối với người sử dụng nước

 Than hoạt tính dùng làm vật liệu lọc không được tạo nên bất cứ một thành phần nào trong nước vượt quá tiêu chuẩn vệ sinh quy định và các tạp chất trong than hoạt tính nằm trong giới hạn sau:

+ Chì Pb < 10 ppm

+ Kẽm Zn < 50 ppm

 Cát Mangan: loại bỏ sắt và mangan

 Oxit Mangan ngậm nước (HMO): hấp thụ kim loại nặng bao gồm cả chất phóng xạ

 Nhiều lớp vật liệu: loại bỏ cặn và chất rắn lơ lửng

 Trung lập hóa: được sử dụng để trung lập hóa nước axit, làm tăng kiềm và độ pH trong nước

 Cát: loại bỏ các hạt và cặn nặng

 Vỏ quả óc chó: loại bỏ dầu ô nhiễm

 Nhôm hoạt tính: loại bỏ chất asen và florua

 Để xác định vật liệu lọc phải dựa vào một số chỉ tiêu:

 Độ bền cơ học: là chỉ tiêu chất lượng quan trọng vì nếu vật liệu lọc có độ bền cơ học không đạt yêu cầu thì khi rửa lọc, các hạt nằm trong tình trạng hỗn loạn, va chạm vào nhau sẽ bị hao mòn và vỡ vụn, làm rút ngắn thời gian của chu kỳ lọc và chất lượng mức lọc xấu đi

 Độ bền hóa học: là chỉ tiêu quan trọng, đảm bảo cho nước lọc không bị nhiễm bẩn bởi các chất có hại cho sức khỏe con người hoặc có hại cho quy trình công nghệ của sản phẩm nào đó khi dùng nước

 Hình dạng hạt

 Kích thước hạt

4

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM CỦA BỂ LỌC ÁP LỰC 2.1 GIỚI THIỆU BỂ LỌC ÁP LỰC

Bể lọc áp lực rất giống với bể lọc cát trọng lực ngoại trừ bể lọc được hoàn toàn đóng kín trong một thùng áp lực như một bể thép, và được hoạt động dưới áp lực Bể lọc áp lực được sử dụng trong lĩnh vực cung cấp nước công cộng và không được áp dụng rộng rãi, điển hình là công dụng loại bỏ sắt và mangan từ nước ngầm dưới mặt đất

Bể lọc áp lực được sử dụng để giảm phí lắp đặt và hoạt động Tuy nhiên, bể lọc áp lực ít được tin cậy hơn bể lọc trọng lực Tỷ lệ lọc lớn nhất của bể lọc áp lực là từ 5 đến 7,5 m/h

Hinh1 Bể lọc áp lực

2.2 CẤU TẠO CỦA BỂ LỌC ÁP LỰC

Bể lọc áp lực: là bể dùng các áp lực của máy bơm, máy thổi khí để giúp khả năng lọc nước thải hoặc nước cấp diễn ra một cách nhanh chóng nhằm tiết kiệm thời gian, diện tích, khối tích các bể lọc thông thường

Bể lọc áp lực là một loại bể lọc nhanh kín, thường được chế tạo bằng thép có dạng hình trụ đứng (cho công suất nhỏ) và hình trụ ngang (cho công suất lớn) Bể lọc hình trụ đứng

có đường kính từ 1 đến 10 ft với sức chứa 300 gpm tại tỷ lệ lọc là 3 gpm/ft2 Bể lọc hình trụ ngang thường có đường kính 8 ft, dài 10-25 ft với sức chứa từ 200 đến 600 gpm Những bể lọc này được tách ra nhiều ngăn để tiện cho việc rửa bể lọc Nước rửa bể có thể đem vào bể lắng lại hoặc làm mềm để phục hồi chúng

Bể lọc áp lực thường hoạt động với tỷ lệ dòng chảy là 3 gpm/ft2 Bể lọc hai hay nhiều lớp vật liệu được thiết kế cho tỷ lệ 6-8 gpm/ft2 Tại nhiệt độ thường, tỷ lệ nước rửa bể lọc là

5

6-8 gpm/ft2 cho vật liệu lọc than antraxit và 13-15 gpm/ft2 cho cát Bể lọc than antraxit liên quan đến quá trình làm mềm nóng yêu cầu tỷ lệ nước rửa lọc là 12-15 gpm/ft2 vì nước ít dày ở nhiệt độ hoạt động cao Nước lạnh không thể sử dụng để rửa lọc cho bể lọc quá trình nóng Điều đó có thể làm co giãn hệ thống luyện kim, làm cho kim loại bị mỏi Ngoài ra, nước lạnh có nhiều oxy sẽ đẩy nhanh tiến độ ăn mòn các thiết bị Loại bể này được áp dụng trong dây chuyền xử lý nước mặt cho dùng chất phản ứng khi hàm lượng cặn của nước nguồn lên đến 50 mg/l, độ đục lên đến 80

Hình 2 Bể lọc áp lực hình trụ đứng (trên) và bể lọc áp lực hình trụ ngang (dưới)

Do bể làm việc dưới áp lực, nên nước cần được xử lý được đưa trực tiếp từ trạm bơm cấp

I vào bể rồi đưa trực tiếp vào mạng lưới không cần trạm bơm cấp II

9 Hệ thống thu nước trong

2.3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ LỌC ÁP LỰC

Nước được đưa vào bể qua một phễu bố trí ở đỉnh bể, qua lớp cát lọc, lớp đỡ vào hệ thống thu nước trong, đi vào đáy bể và phát vào mạng lưới Lúc này, các van ống dẫn nước rửa lọc được đóng lại, không sử dụng Khi rửa bể, nước từ đường ống áp lực chảy ngược từ dưới lên trên theo ống dẫn nước rửa lọc qua lớp cát lọc và vào phễu thu, chảy theo ống thoát nước rửa ra ngoài

7

Hình 4 Nguyên lý hoạt động của bể lọc áp lực (theo dòng nước chảy màu xanh)

8

CHƯƠNG 3 THAU RỬA MÔI TRƯỜNG LỌC 3.1 GIỚI THIỆU

3.1.1 Khái niệm chung

Khi bể lọc bị tắc nghẽn (bể đạt đến tổn thất áp lực cao nhất) hoặc bể bị thủng, hoặc sau một thời gian dự kiến, quá trình lọc bị ngừng lại và bể lọc tạm ngưng sử dụng để sữa chữa hoặc rửa bể lọc Chi tiết quy trình rửa bể lọc phụ thuộc vào mỗi nhà máy và quy chế đặc trưng được cung cấp từ các nhà thầu

Thau rửa môi trường lọc (rửa ngược) là quá trình đảo ngược dòng nước đi xuyên qua các lớp vật liệu lọc để loại bỏ các chất rắn bị giữ lại Rửa ngược có thể được thực hiện bằng nước, khí và nước liên tiếp hoặc khí và nước kết hợp Phương pháp cuối cùng được biết đến cách rộng rãi là hiệu quả nhất, nhưng hầu hết bể lọc được thiết kế cho rửa ngược bằng khí hoặc nước, vì vậy việc thay đổi bể lọc hiện tại để sử dụng hệ thống này là hoàn toàn khó khăn Với cả ba loại rửa ngược, điều kiện của quá trình liên quan đến ngưỡng hóa lỏng (lớn nhất) như một điểm tham khảo, ngay cả khí kết hợp với nước Ngưỡng này là điểm mà tại đó thủy lực (áp suất) thấp trong bể lọc cân bằng tử trọng của vật liệu lọc Tỷ

lệ dòng chảy rửa ngược lớn nhất không nên vượt quá 20 m/h, và tỷ lệ dòng chảy cao hơn

sẽ làm trôi mất đi rất nhiều vật liệu lọc Trong suốt chu kỳ rửa ngược, bể lọc nên giãn nở

ít nhất 10% và nhiều nhất là 20% để chắc chắn rằng bể được rửa sạch đầy đủ

Như đã đề cập ở trên, rửa ngược có thể là một phần khó khăn trong quá trình lọc hơn giai đoạn lọc Nếu tỷ lệ rửa ngược quá cao, vật liệu lọc có thể bị rửa trôi rất nhanh Nếu tỷ lệ

đó quá thấp, hiệu quả làm sạch sẽ giảm sút rất nhiều, bể lọc sẽ kém bền Trình tự và thời gian rửa ngược phải được lựa chọn để phù hợp với vật liệu lọc đang sử dụng và nhiệt độ của nước rửa ngược Điều đó có thể cần thiết với nhiều trường hợp để điều chỉnh tỷ lệ rửa ngược theo từng giai đoạn để duy trì những điều kiện tối ưu mà không làm mất đi vật liệu lọc

Nước đã lọc hầu hết ít được sử dụng cho rửa ngược Một bể chứa ở vị trí cao cũng có thể chứa nước để rửa ngược bể lọc Quá trình rửa ngược sẽ sử dụng khoảng 2-4% lượng nước đầu ra, lượng nước thấp hơn được tổng hợp lại để sử dụng cho phương pháp khí và nước kết hợp

3.1.2 Vai trò của thau rửa vật liệu lọc

Thau rửa vật liệu lọc là quá trình bơm nước ngược lại dòng nước được đưa vào để lọc với

áp suất cao và cường độ lớn theo định kỳ

9

Hiệu quả và tuổi thọ của bể lọc phụ thuộc nhiều vào chế độ vận hành và bảo dưỡng, nhất

là quá trình thau rửa vật liệu lọc Trong thực tế thau rửa vật liệu lọc tốn một phần nước không nhỏ Việc tiết kiệm nước rửa lọc dẫn đến vật liệu lọc không được rửa sách, bể lọc làm việc không đạt kết quả mong muốn, chu kì làm việc của bể bị rút ngắn

Bóng bùn là một khối tròn các vật liệu lọc khác nhau, kích thước đường kính nhỏ bằng hạt đậu đến hai inch hoặc hơn Hình ảnh trên cho thấy một bong bùn rất lớn Bóng bùn hình thành trên bề mặt của bộ lọc do vật liệu kết dính gây ra làm dính các hạt trong nước

và vật liệu lọc lại với nhau Nếu bộ lọc không được rửa ngược đúng và rửa sạch bề mặt vật liệu lọc, các bóng bùn sẽ tiếp tục tích lũy và ngày càng phát triển lớn hơn, cuối cùng chúng chìm vào trong môi trường lọc Bóng bùn trong vật liệu lọc dẫn đến thời gian vận hành bộ lọc rút ngắn và mất khả năng lọc, vì nước sẽ không thể đi qua các bóng bùn và chảy loanh quanh chúng

Hình 5 Bóng bùn

Mặt khác, để giảm chi phí quản lý, công tác rửa bể lọc không thường xuyên nên bể lọc hoạt động ngày càng kém, dần xuống cấp và không còn tác dụng lọc nước, gây ra tắc nghẽn, tràn bể lọc Điều đó đã làm cho chất lượng nước không đạt yêu cầu, công suất xử

lý nước bị giảm sút nhiều

Vì vậy, thau rửa vật liệu lọc có những vai trò rất quan trọng trong quá trình lọc như:

 Là một nguyên công rất quan trọng và không thể thiếu

 Tách cặn bám ra khỏi bề mặt hạt cát lọc bằng lực ma sát và lực cắt do dòng nước chảy với cường độ lớn đi qua bề mặt

 Làm giãn nở lớp lọc để tăng thể tích các khe rỗng

 Tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt cặn đã tách ra khỏi bề mặt hạt cát chuyển động đi lên cùng nước và dẫn ra ngoài

10

3.1.3 Quá trình thau rửa vật liệu lọc

Quá trình rửa vật liệu lọc được tiến hành khi tổn thất áp lực trong bể đạt tới giá trị giới hạn hoặc vào thời điểm lượng nước bắt đầu xấu đi Việc xác định thời điểm cần rửa vật liệu lọc được thực hiện bằng các thiết bị đo báo tự động hoặc do những người vận hành

bể lọc quan sát độ chênh lệch mực nước trước và sau bể lọc khi quản lý vận hành thủ công

Trình tự tiến hành rửa vật liệu lọc như sau:

 Trước khi rửa bể, đóng van cấp nước đầu vào bể cho nước rút xuống ngang với mép mương thu nước rửa lọc

 Sau đó, đóng van trên đường thu nước rửa lọc và cho khí hoặc nước rửa có áp lực đi từ phía dưới lên Nước rửa theo hệ thống đường ống khoan lỗ hoặc chụp lọc phân phối đều theo diện tích bể rồi đi lên phía trên qua lớp vật liệu lọc với cường độ đảm bảo chuyển các hạt của lớp vật liệu lọc vào trạng thái lơ lửng và theo dòng nước dẫn ra ngoài

Hình 6 Quá trình thau rửa vật liệu lọc

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THAU RỬA MÔI TRƯỜNG LỌC

Có ba phương pháp thau rửa vật liệu lọc chính:

 Thau rửa bằng cách giãn nở nước

 Thau rửa không làm giãn nở lớp lọc bằng khí và nước

 Thau rửa bằng khí và nước kết hợp

11

3.2.1 Thau rửa bằng cách giãn nở nước

Chọn lưu lượng nước đủ lớn làm cho vật liệu lọc giãn nở, có nghĩa là làm cho thể tích biểu kiến của lớp vật liệu lọc tăng 15% Sự thay đổi độ nhớt của nước tùy thuộc vào nhiệt

độ Nhiệt độ càng tăng thì độ nhớt càng giảm Dòng chảy nhanh làm giãn nở lớp vật liệu lọc và do đó các cặn bẩn lắng trong các khe rỗng bị rửa trôi Vận tốc dòng chảy cần thiết

để đạt mức giãn nở của vật liệu lọc dao động trong khoảng 100 – 120 m/h và phụ thuộc vào nhiệt độ của nước, kích thước và đặt tính của vật liệu lọc

Lớp vật liệu lọc giãn nở là nơi có dòng đối lưu Vật liệu lọc chạy xuống dưới vào một vùng nào đó và chạy lên cao trong vùng bên cạnh Thực tế các cục nhỏ của lớp lọc bám chặt bùn tạo nên vỏ bọc bề mặt vật liệu lọc và có thể chìm xuống đáy Dòng đối lưu làm nước xoáy và tạo ra bùn cứng và lớn, gây ra hiện tượng vón cục khi rửa vật liệu lọc Hiện tượng này có thể được khắc phục bằng cách phun nước dưới áp suất lớn bằng các ống phun quay hay cố định

Phương pháp rửa này đòi hỏi phải thận trọng và đo giá trị giãn nở vật liệu lọc

Hình 7 Quá trình lọc (trái) và quá trình rửa vật liệu lọc (phải)

3.2.2 Thau rửa không làm giãn nở lớp lọc bằng khí và nước

Phương pháp này sử dụng lưu lượng nhỏ nước thu hồi để không gây ra sự giãn nở cát và đồng thời phun không khí nén Cát không bị giãn nở, còn vỏ bùn bọc ngoài vật liệu lọc sẽ

bị phá hủy bằng khí Trong thời kì thổi khí, lưu lượng nước rửa càng lớn, càng nhanh thì việc rửa càng hiệu quả Giá trị nhỏ nhất để việc thau rửa có hiệu quả và giá trị lớn nhất

 Duy trì không đổi lưu lượng nước hồi lưu cho đến khi nước tháo trong Thời gian của nguyên công này càng ngắn khi lưu lượng nước càng lớn (luôn > 12m/h) và bề dày của lớp nước ở trên vật liệu lọc càng nhỏ

 Tăng lưu lượng nước trong lúc xúc rửa để mang cát hạt ít nhất là 15m/h

 Quét bề mặt lọc bằng dòng nước chảy ngang hoặc nước đã lắng hòa với nước thu hồi

 Loại bỏ nước bẩn nằm trên vật liệu lọc và quét trên bề mặt lọc như phương pháp trên

3.2.3 Thau rửa bằng khí và nước kết hợp

Cách thau rửa này được sử dụng khi mật độ vật liệu lọc không cho phép sử dụng đồng thời, không gây nguy hiểm cho việc kéo theo vật liệu vào máng thải do nước rửa Đó là trường hợp lớp lọc gồm cát mịn hoặc vật liệu có mật độ nhỏ (antricid, than hoạt tính, biolite) Phương pháp này cũng được sử dụng cho bộ lọc hai lớp vật liệu

Trong pha rửa thứ nhất, chỉ dùng không khí nén phun vào vật liệu lọc có hòa một ít nước

để gỡ các tạp chất được giử trên mặt vật liệu lọc Lượng nước nhỏ có sẵn ban đầu quá trình rửa sẽ giúp áp suất khí đi xuyên qua các khe hở của lớp vật liệu lọc hơn Trong pha thứ hai, một dòng nước hồi lưu với cường độ mạnh và lưu lượng lớn được phun vào, bảo đảm giãn nở lớp vật liệu lọc, cho phép tách các chất thải nặng hay rất khó loại bỏ ra khỏi vật liệu lọc Nguyên công này được lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến lúc nước trên bề mặt trong hẳn Lưu ý ở đây là người vận hành cần quan sát có hiện tượng cát tràn vào máng thu hay không, nếu có phải đóng bớt van nước lại

Ưu điểm của phương pháp:

 Loại trừ được hiện tượng vón cục do không hoặc ít xuất hiện dòng đối lưu

 Lớp vật liệu lọc không bị phân loại thủy lực

 Các cỡ hạt phân phối với tỷ lệ như nhau trong suốt chiều dày lớp vật liệu lọc nên loại trừ được hiện tượng tạo chân không trong lớp lọc

 Sử dụng phối hợp rửa bằng không khí và nước lắng có thể giảm từ 20 – 30% lượng nước tiêu thụ so với chỉ rửa riêng bằng nước

13

3.3 TẦN SỐ RỬA VÀ TIÊU THỤ NƯỚC RỬA

Tần số rửa phụ thuộc vào bản chất của nước cũng như số lượng MES được giữ lại Quá trình thau rửa được bắt đầu khi tổn thất tải đạt giá trị cực đại hay khi bộ lọc bắt đầu bục

ra Thực tế thau rửa thường bắt đầu sau khi đã lọc một thể tích nước nào đó Thời điểm này cần xác định theo điều kiện vận hành và kinh nghiệm của người sử dụng

Tiêu thụ nước rửa chủ yếu tùy theo bản chất và trọng lượng cặn bị giữ lại trên 1m3 vật liệu lọc Sử dụng phối hợp rửa bằng khí và nước lắng có thể giảm từ 20 – 30% lượng nước tiêu thụ so với chỉ rửa riêng bằng nước Mức tiêu thụ nước cũng tăng khi sử dụng thiết bị rửa bề mặt

Tiêu thụ nước rửa càng nhiều khi:

 Bề dày nước trên mặt vật liệu lọc càng lớn

 Lưu lượng nước thu hồi càng nhỏ

 Máng tháo bùn càng cách xa nhau

 Số lượng bùn thải càng lớn

 Độ keo tụ và mật độ bùn càng cao

4.1.1 Định nghĩa của quá trình kháng lọc và bánh thấm: Công thức Darcy

Quá trình chống lại dòng vật liệu xốp (vật liệu lọc hoặc bánh lọc) có thể được mô tả bởi định luật Darcy (công thức 1) Hãy xem xét một dòng chất lỏng đi qua một bánh lọc (hoặc một dòng nước thấm qua đất như miêu tả của Darcy) Sự sụt giảm áp lực p của dòng chất lỏng này là tỷ lệ thuận với:

 Lưu lượng trên mỗi đơn vị diện tích V/A (Lưu lượng riệng hoặc vận tốc lọc)

Đôi khi nó là thuận tiện hơn để xác định độ dày bánh theo khối lượng rắn m trên một đơn

vị diện tích lọc m (đơn vị kg/m2).Điều này dẫn đến định nghĩa khác nhau về bánh chống lọc Một phương trình tương ứng với phương trình Darcy có thể được viết với hằng số m (m/kg) mô tả sự chống lại của bánh

Sau đó, các biểu thức sau đây được lấy thay cho phương trình (1)