Nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc vật liệu lọc nổi dùng cho các trạm cấp nước quy mô nhỏ

Bể lọc tự rửa khởi động xi phông rửa lọc bằng thết bị ejector thủy lực đã được nghiên cứu và sử dụng khá lâu đối với công nghệ xử lý nước cấp ở Việt Nam và trên Thế giới.. Kết quả nghiên

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

*******

NCS: Nguyễn Thanh Phong

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỰ RỬA BỂ LỌC VẬT LIỆU

Trang 2

GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

*******

NCS: Nguyễn Thanh Phong

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỰ RỬA BỂ LỌC VẬT LIỆU

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trích dẫn, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 08 tháng 2 năm 2017

Tác giả luận án

Nguyễn Thanh Phong

Trang 4

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Ban giám hiệu, Khoa Sau đại học Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã quan tâm và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty TNHH một thành viên Kinh doanh nước sạch Hải Dương, Ban Giám đốc Xí nghiệp Kinh doanh nước sạch số 5 Hải Dương đã cho phép tác giả nghiên cứu thực nghiệm tại nhà máy và cung cấp số liệu, tài liệu, hỗ trợ tác giả thực hiện luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Cấp Thoát nước trường Đại học Xây Dựng, Đại học Kiến trúc Hà Nội, bạn bè đồng nghiệp, gia đình đã tạo điều kiện, động viên tác giả hoàn thành luận án

Trong quá trình thực hiện, luận án không tránh khỏi những khiếm khuyết,

vì vậy tác giả rất mong nhận được sự góp ý của các chuyên gia, nhà khoa học trong và ngoài ngành

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 08 tháng 2 năm 2017

Tác giả luận án

Nguyễn Thanh Phong

Trang 5

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỂ LỌC VLL NỔI VÀ RỬA LỌC 8

1.1 Khái quát về bể lọc VLL nổi trên thế giới và ở Việt nam 8

1.1.1 Bể lọc VLL nổi trên Thế giới 8

1.1.2 Bể lọc VLL nổi ở Việt Nam 11

1.1.3 Bể lọc VLL nổi tự rửa trong các trạm cấp nước quy mô nhỏ 15

1.2 VLL nổi và các đặc tính 17

1.2.1 Yêu cầu đối với VLL nổi 17

1.2.2 Đặc tính của VLL nổi 18

1.3 Các phương pháp rửa lọc đang sử dụng hiện nay 21

1.3.1 Tự rửa lọc bể lọc trọng lực theo nguyên lý thủy lực 21

1.3.2 Rửa lọc bể lọc VLL nổi 24

1.4 Nhận xét, đánh giá về bể lọc VLL nổi và phương pháp rửa bể lọc VLL nổi 27 1.4.1 Đánh giá về bể lọc VLL nổi 27

1.4.2 Đánh giá về quá trình tự rửa lọc 30

1.5 Tình hình nghiên cứu liên quan đến bể lọc VLL nổi 33

1.5.1 Các luận án và luận văn 33

1.5.2 Các dự án và đề tài NCKH 34

1.5.3 Nhận xét chung 35

1.6 Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của đề tài 36

1.6.1 Những vấn đề còn tồn tại 36

1.6.2 Hướng nghiên cứu của đề tài 37

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LỌC VÀ TỰ RỬA LỌC BỂ LỌC VLL NỔI 39

2.1 Lý thuyết về lọc và rửa lọc VLL nổi 39

2.1.1 Quá trình lọc nước qua lớp VLL nổi dạng hạt 40

2.1.2 Quy luật tăng tổn thất áp lực khi lọc nước qua lớp VLL nổi dạng hạt 43

2.1.3 Rửa lọc bể lọc VLL nổi 47

2.2 Cơ sở lý thuyết thủy lực hệ thống xi phông rửa lọc 51

2.2.1 Lý thuyết tính toán xi phông 51

2.2.2 Phân tích hiện tượng ngắt chân không trong xi phông 53

Trang 6

2.2.3 Lựa chọn tín hiệu khởi động xi phông trong bể lọc tự rửa 55

2.3 Những vấn đề liên quan đến khởi động xi phông thực hiện quá trình tự rửa lọc 55

2.3.1 Bơm chân không trong việc khởi động xi phông 55

2.3.2 Ejector tạo chân không trong việc khởi động xi phông 56

2.3.3 Xi phông định lượng tự động phân phối nước theo chu kỳ 61

2.3.4 Vai trò của khóa thủy lực trong việc khởi động xi phông 62

2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực 64

2.4.1 Cấu tạo của bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực 64

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực 65

2.5 Giả thiết khoa học và các bước nghiên cứu thực nghiệm 65

2.5.1 Các giả thiết khoa học trong nghiên cứu thực nghiệm 65

2.5.2 Các bước nghiên cứu thực nghiệm 66

Chương 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM KHỞI ĐỘNG 68

XI PHÔNG BẰNG THIẾT BỊ KHÓA THỦY LỰC 68

3.1 Cơ sở và nguyên tắc thiết kế mô hình thí nghiệm khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực 68

3.1.1 Cơ sở lý thuyết tương tự trong mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 68

3.1.2 Nguyên tắc chung để thiết kế mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 68

3.2 Thiết kế mô hình khởi động xi phông trong phòng thí nghiệm 69

3.2.1 Mục đích và nội dung thí nghiệm khởi động xi phông 69

3.2.2 Mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 70

3.3 Phương pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm và vận hành mô hình khởi động xi phông trong phòng thí nghiệm 71

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu mô hình khởi động xi phông 71

3.3.2 Quy trình thí nghiệm mô hình khởi động xi phông 73

3.3.3 Vận hành mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 73

3.3.4 Kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm 74

3.4 Kết quả thí nghiệm mô hình khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực trong phòng thí nghiệm 74

3.4.1 Kết quả thí nghiệm về mối quan hệ giữa tăng cột nước áp suất với chiều cao của khóa thủy lực đối với các đường kính (D18 đến D56) để khởi động xi phông 74

3.4.2 Kết quả thí nghiệm về mối quan hệ giữa chiều cao của khóa thủy lực ứng với đường kính khóa để xi phông hoạt động ổn định 83

3.4.3 Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm mô hình khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực trong phòng thí nghiệm 86

Trang 7

Chương 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỂ LỌC VLL

NỔI TỰ RỬA KHỞI ĐỘNG BẰNG THIẾT BỊ KHÓA THỦY LỰC 88

4.1 Cơ sở và nguyên tắc thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực 88

4.1.1 Cơ sở thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực 88

4.1.2 Nguyên tắc chung để thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực 89

4.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực ngoài hiện trường 89

4.2.1 Mục đích thực nghiệm ngoài hiện trường 89

4.2.2 Nội dung thực nghiệm ngoài hiện trường 90

4.2.3 Mô hình thực nghiệm ngoài hiện trường 90

4.3 Phương pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm và vận hành mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực ngoài hiện trường 93

4.3.1 Phương pháp nghiên cứu mô hình ngoài hiện trường 93

4.3.2 Quy trình thí nghiệm mô hình ngoài hiện trường 94

4.3.3 Vận hành mô hình thí nghiệm ngoài hiện trường 95

4.4 Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực ngoài hiện trường 96

4.4.1 Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực với VLL là hạt polystyrene 96

4.4.2 Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa bằng thiết bị khóa thủy lực với VLL là hạt PE 109

4.5 Những vấn đề rút ra được từ Luận án 123

4.5.1 Kết quả thu nhận được từ Luận án 123

4.5.2 Đề xuất các thông số tính toán thiết kế và phạm vi áp dụng đối với bể lọc VLL nổi tự rửa 127

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ DÙNG LÀM TÀI LIỆU THAM KHẢO CHO LUẬN ÁN 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

PHẦN PHỤ LỤC 144

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

1 Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của bể lọc tự rửa VLL nổi ứng dụng

trong xử lý nước thải, hướng lọc từ trên xuống

10

2 Hình 1.2 Ảnh chụp cụm xử lý nước ngầm tại Tuimen, Liên bang

Nga Công suất 1000 m3/ngđ

11

3 Hình 1.3 Đồ thị thành phần hạt VLL nổi khi đi qua sàng chuyên dụng 18

8 Hình 1.8 Ảnh chụp bể lọc trọng lực tự rửa khởi động bằng thiết bị

ejector thủy lực ở Huyện Cẩm Giàng- Hải Dương (năm 2011)

31

9 Hình 1.9 Ảnh chụp bể lọc trọng lực tự rửa khởi động bằng thiết bị

ejector thủy lực ở Nhà máy nước Thành phố Điện Biên Phủ (năm 2013)

32

12 Hình 2.3 Sự thay đổi hàm lượng cặn trong nước lọc theo thời gian 43

16 Hình 2.7 Hiện tượng xuất hiện bọt khí và hơi bão hòa trong xi phông 54

17 Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của bơm chân không khởi động xi phông 56

18 Hình 2.9 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ejector tạo chân không 57

20 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của ejector tạo chân không khởi động xi

phông

59

21 Hình 2.12 Sơ đồ lắp đặt ejector tạo chân không để khởi động xi

phông trong bể lọc tự rửa

60

Trang 10

22 Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của xi phông định lượng 61

23 Hình 2.14 Vai trò của khóa thủy lực trong xi phông định lượng 63

24 Hình 2.15 Cấu tạo bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực

Trang 11

38 Hình 4.3 Biểu đồ tăng tổn thất áp lực lọc theo thời gian VLL là hạtpolystyrene,v = 5m/h (lần thí nghiệm 1)

45 Hình 4.10 Sự thay đổi hàm lượng cặn của nước sau lọc theo thời

gian, VLL là hạt polystyrene, v = 13,8m/h (lần thí nghiệm 1)

105

46 Hình 4.11 Biểu đồ tăng tổn thất áp lực lọc theo thời gian, VLL là hạt

polystyrene,v = 13,8m/h (lần thí nghiệm

106

gian, VLL là hạt polystyrene, v = 13,8m/h (lần thí nghiệm 2)

107

polystyrene,v = 13,8m/h (lần thí nghiệm 2)

108

gian, VLL là hạt PE, v = 5,0m/h (lần thí nghiệm 1)

109

PE, v = 5,0m/h (lần thí nghiệm 1)

110

gian, VLL là hạt PE, v = 5,0m/h (lần thí nghiệm 2)

111

PE, v = 5,0m/h (lần thí nghiệm 2)

112

Trang 12

gian, VLL là hạt PE, v = 9,6m/h (thí nghiệm lần 1)

113

PE, v = 9,6m/h (thí nghiệm lần 1)

114

115

116

117

128

119

120

61 Hình 4.26 Sơ đồ nối thông phần chứa nước rửa lọc khi có nhiều bể

lọc VLL nổi tự rửa cùng làm việc

132

Trang 13

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

1 Bảng 1.1 Một số công trình sử dụng bể lọc VLL nổi (không tự rửa) đã xây dựng PL1

2 Bảng 1.2 Một số công trình sử dụng bể lọc VLL nổi tự rửa đã xây dựng gần đây 13

3 Bảng 1.3 Đường kính hữu dụng (De) và hệ số không đồng dạng của hạt VLL nổi (Kd) 19

6 Bảng 2.1 Thông số vận hành của bể lọc VLL nổi xử lý nguồn nước mặt có hóa chất 50

7 Bảng 3.1 Thống kê và các đợt thí nghiệm khởi động xi phông với sự thay đổi

chiều cao khóa thủy lực ứng với mỗi đường kính khóa thủy lực

72

8 Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm khởi động xi phông với đường kính khóa lực D18 75

14 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa

khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực

91

15 Bảng 4.2 Thống kê các đợt thí nghiệm các loại VLL nổi, với các thông số lọc và

rửa lọc đối với mô hình thực nghiệm quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi

94

16 Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm đợt 1 lần 1 với VLL là hạt polystyrene, v= 5m/h 97

17 Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm đợt 1 lần 2, với VLL là hạt polystyrene, v= 5m/h 99

18 Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm đợt 2 lần 1, với VLL là hạt polystyrene, v= 9,6m/h 101

22 Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm đợt 1 lần 1, với VLL là hạt PE, v= 5,0m/h 109

Trang 14

27

28

29

30

Bảng 4.14 Kết quả thí nghiệm đợt 3 lần 2, với VLL là hạt PE, v= 13,6m/h

Bảng 4.15 Bảng tra các thông số lọc xác định cường độ bứt các hạt cặn (a) và

cường độ bám dính phần tử chất bẩn (b)

Bảng 1.16 Bảng tra các thông số xác định tổn thất áp lực lọc theo thời gian

Bảng 1.17 Bảng tra đường kính xi phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực với

đường kính xi phông rửa lọc

119

128

129

130

Trang 15

MỞ ĐẦU 1.Tính cần thiết của đề tài

Bể lọc là công trình quan trọng, khâu cuối cùng của quá trình làm trong nước Trong dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp, vận hành tốt bể lọc là yếu tố quyết định chất lượng nước sau xử lý Để vận hành tốt bể lọc đảm bảo chất lượng nước sau lọc, rửa bể lọc lại đóng vai trò quyết định

Bể lọc VLL nổi đầu tiên ở Việt Nam được xây dựng năm 1990 tại Bệnh viện

Quân đội 108[19] Trong khoảng 20 năm trở lại đây, bể lọc VLL nổi được ứng dụng

khá rộng rãi trong dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp của các trạm cấp nước quy

mô nhỏ vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa cho cả nguồn nước mặt và nước ngầm

Để duy trì hoạt động hiệu quả của loại bể lọc này việc rửa lọc đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên, ở các trạm cấp nước quy mô nhỏ, thường dùng phương pháp thủ công nên phụ thuộc rất nhiều vào trình độ và ý thức của người vận hành Việc thao tác thủ công, cùng với rửa bể không đúng chu kỳ và quy trình, rửa bể không sạch,…, nên chu kỳ lọc giảm dần theo thời gian, hạt VLL bị dính kết, đóng bánh do bùn bám làm giảm công suất lọc, thời gian sử dụng VLL bị rút ngắn Như vậy đối với những nơi thiếu nhân sự có trình độ chuyên môn trong lĩnh vực chuyên ngành, thì việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp với khả năng quản lý vận hành mới có thể phát huy được hết hiệu quả đầu tư trạm xử lý

Bể lọc tự rửa khởi động xi phông rửa lọc bằng thết bị ejector thủy lực đã được nghiên cứu và sử dụng khá lâu đối với công nghệ xử lý nước cấp ở Việt Nam và trên Thế giới Đối với bể lọc VLL nổi tự rửa, cặn đã tách ra lắng xuống đáy theo cùng chiều dòng nước thoát ra còn VLL thì nổi lên, do đó quá trình rửa lọc VLL nổi sẽ thuận lợi và đạt hiệu quả hơn nhiều so với VLL trọng lực Năm 2009, TS Trần Thanh Sơn đã chủ trì thực hiện đề tài nghiên cứu độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ bể lọc VLL nổi tự rửa xử lý nước cấp cho sinh hoạt” mã số ĐTĐL.2009/T02 Kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép phát triển công nghệ khử sắt tiếp xúc trong lớp VLL polystyrene, và đã ứng dụng cho hơn 30 trạm cấp nước dùng bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động xi phông bằng thiết bị ejector thủy lực để xử lý

nước ngầm, được đưa vào vận hành tại Hà Nội, Hà Nam và Thái Nguyên[15]

Trang 16

Trong quá trình thu thập số liệu, khảo sát thực tế nhận thấy rằng các trạm có

sử dụng công nghệ bể lọc tự rửa hiện nay, việc khởi động xi phông thực hiện quá trình rửa lọc bằng thiết bị ejector tạo chân không có một số vấn đề xảy ra như: (1) khó kiểm soát được chu kỳ rửa lọc dẫn đến không hiệu quả và nhiều trường hợp bể phải ngừng hoạt động; (2) phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ, đặc biệt đối với cao trình dây chuyền xử lý nước mặt (thường không cao như nước ngầm), vì muốn ejector đạt được giá trị áp suất chân không để khởi động xi phông rửa lọc thì dòng chảy qua ejector phải có động năng đủ lớn, điều này phải tăng cao trình dây chuyền xử lý lên một cách đáng kể, dẫn đến tăng giá thành sản phẩm

Đề tài nghiên cứu về quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi, tìm ra phương pháp mới để khởi động xi phông rửa lọc và các thông số của quá trình lọc, rửa lọc để tính toán thiết kế bể bể lọc VLL nổi, không phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ xử lý nước, khắc phục những tồn tại của việc rửa lọc thủ công, nâng cao hiệu quả của các trạm cấp nước quy mô nhỏ và cũng là một trong những giải pháp kỹ thuật, đóng góp trong việc triển khai thực hiện chiến lược Quốc gia về Cấp nước và

Vệ sinh nông thôn, nên đề tài là rất cần thiết [2,4,13,25,26]

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi nên cần giải quyết các mục tiêu cụ thể sau:

- Khởi động xi phông rửa lọc tự động căn cứ vào tổn thất áp lực tới hạn trong quá trình lọc, ứng với thời gian bảo vệ lớp VLL nổi, bằng thiết bị khóa thủy lực

- Rửa lọc bể lọc VLL nổi đạt hiệu quả sạch, để đảm bảo cho các chu kỳ lọc tiếp sau làm việc ổn định, có chất lượng nước lọc luôn đạt yêu cầu

- Đề xuất các thông số thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa

3 Đối tƣợng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phạm vi ứng dụng

 Đối tượng nghiên cứu:

Quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi được khởi động tự động bằng thiết bị khóa thủy lực đối với hệ thống xi phông thu nước rửa lọc

Trang 17

Những kết quả nghiên cứu của luận án được dùng:

- Tính toán thiết kế thiết bị khởi động xi phông rửa lọc cho bể lọc tự rửa

- Tính toán thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa dùng thiết bị khóa thủy lực để mồi xi phông rửa lọc, trong dây chuyền xử lý nước mặt đã keo tụ sau quá trình lắng, dùng cho các trạm cấp nước quy mô nhỏ

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu đề ra của đề tài thì cần nghiên cứu các nội dung sau:

- Nghiên cứu tổng quan về bể lọc VLL nổi và rửa lọc

- Nghiên cứu viết phương trình vi phân mô tả quá trình lọc qua lớp VLL nổi, thành lập phương trình biểu diễn sự thay đổi hàm lượng cặn theo thời gian và quá trình tăng tổn thất qua lớp lọc theo thời gian, nghiên cứu khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực

- Nghiên cứu cấu tạo hệ thống xi phông thu nước rửa lọc của bể lọc VLL nổi, dùng thiết bị khóa thủy lực khởi động xi phông làm việc tức thời khi tổn thất áp lực lọc đạt đến giá trị tới hạn

- Nghiên cứu xác định các yếu tố liên quan đến việc khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực gồm: mối quan hệ giữa chiều cao cột nước áp suất cần thiết để khởi động xi phông với chiều cao khóa thủy lực; mối quan hệ giữa chiều cao khóa thủy lực với đường kính khóa thủy lực để xi phông làm việc ổn định

- Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa, dùng thiết bị khóa thủy lực khởi động xi phông thu nước rửa lọc, lọc nước trong dây chuyền xử

lý nước mặt đã keo tụ sau quá trình lắng của Xí nghiệp KDNS số 5, thành phố Hải Dương nhằm xác định: các thông số đặc trưng trong phương trình lọc; thiết lập

Trang 18

phương trình hồi quy để tìm khoảng thời gian cần thiết để rửa lọc; tổn thất áp lực ứng với chu kỳ lọc để khởi động xi phông thực hiện quá trình tự rửa lọc

- Đề xuất các thông số của quá trình lọc, rửa lọc, khởi động xi phông rửa lọc thực hiện quá trình tự rửa lọc dưới dạng bảng tra để phục vụ công tác thiết kế bể lọc VLL nổi trong thực tiễn sản xuất

5 Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp điều tra khảo sát:

+ Điều tra, khảo sát hiện trường tại một số NMN có sử dụng bể lọc VLL nổi nhằm thu nhập số liệu thực tế quá trình rửa lọc Các số liệu thu thập được sử dụng trang các chương 1, chương 4

+ Thu thập tài liệu, số liệu để tổng quan về lọc VLL nổi, quy trình rửa lọc và các số liệu có liên quan, sử dụng ở phần mở đầu, chương 1,2 và chương 4

+ Thu tập các đề tài NCKH, luận án tiến sĩ và luận văn thạc sĩ, các bài báo khoa học và các dự án xây dựng thí điểm, đầu tư xây dựng có liên quan … nhằm làm rõ những vấn đề cần giải quyết và các kinh nghiệm về lọc VLL nổi tự rửa, sử dụng trong chương 1

- Phương pháp tổng hợp, phân tích và đánh giá các số liệu để xây dựng cơ sở

lý thuyết về lọc VLL nổi và quá trình tự rửa, phương pháp sử dụng trong chương 2, chương 3 và 4

- Phương pháp kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu đi trước, chọn lọc

mô hình bể lọc VLL nổi tự rửa và các bước triển khai nghiên cứu được sử dụng ở chương 2, 3 và 4

- Phương pháp so sánh: So sánh các kết quả nghiên cứu, các chỉ tiêu công nghệ trên mô hình thí nghiệm với các chỉ tiêu qui định theo tiêu chuẩn, qui chuẩn và kết quả của các công trình nghiên cứu thực nghiệm đã, đang triển khai trên thực tế

và các công trình vận hành thực tế để kiểm chứng độ tin cậy, độ chính xác và giới hạn sai số cho phép trong quá trình thực nghiệm được sử dụng ở chương 3 và 4;

Trang 19

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về các quá trình lọc VLL nổi tự rửa, các thông số và quy trình kỹ thuật phục vụ cho nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm, được sử dụng ở chương 2, 3 và 4

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường, được sử dụng ở chương 3 và 4

- Phương pháp chuyên gia thông qua hướng dẫn khoa học, góp ý của các chuyên gia và nhà khoa học… để bổ sung và hoàn thiện nội dung đề tài Luận án đảm bảo cho mục tiêu đặt ra, được sử dụng trong toàn bộ Luận án

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Việc nghiên cứu được thiết bị khóa thủy lực dùng để kích hoạt tự động để khởi động hệ thống xi phông rửa lọc làm việc, là một phát kiến mới về công nghệ trong việc tự động khởi động quá trình tự rửa bể lọc theo nguyên lý thủy lực, thiết

bị này có cấu tạo và nguyên lý làm việc rất đơn giản, không bị phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ xử lý, phù hợp trong việc quản lý vận hành đối với các trạm cấp nước quy mô nhỏ

Kết quả nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi, bằng lý thuyết và thực nghiệm đã xác định được; cấu tạo nguyên lý hoạt động của bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực và các thông số thực nghiệm của quá trình lọc, rửa lọc, tự động khởi động xi phông Nếu ứng dụng các kết quả này để tính toán, thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa trong dây chuyền xử lý nguồn nước mặt, sẽ có được bể lọc hoạt động tốt theo chế độ tự động khởi động hệ thống xi phông thực hiện quá trình rửa lọc, khi đạt đến tổn thất áp lực lọc tới hạn của một chu kỳ lọc, mà không cần đến các thiết bị điều khiển như: van khóa cơ khí, các thiết bị điện, điện tử và cả

sự điều khiển vận hành của con người

Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu trên có thể áp dụng trong thực tiễn sản xuất, được dùng để tính toán thiết kế và quản lý bể lọc VLL nổi tự rửa trong dây chuyền xử lý

Trang 20

nước mặt, mang lại hiệu quả kinh tế, xã hội cho các đối tượng cấp nước quy mô nhỏ, đặc biệt đối với cấp nước nông thôn, cấp nước vùng sâu, vùng xa

7 Những đóng góp mới của Luận án

1 Luận án đã thiết lập được: (1) phương trình (2-15) dạng tích phân gồm 2

số hạng mô tả kết quả lọc nước mặt đã keo tụ sau quá trình lắng để tìm thời gian bảo vệ lớp VLL ứng với các thông số xác định như: vận tốc lọc, chiều dầy lớp lọc, hiệu quả lọc yêu cầu; (2) Phương trình (2- 30) dùng để xác định tổn thất áp lực lọc ứng với thời gian bảo vệ lớp VLL, làm căn cứ cho việc xác định chiều cao khóa thủy lực để khởi động xi phông bắt đầu quá trình tự rửa lọc

2 Đã có phát kiến về cấu tạo thiết bị khóa thủy lực, dùng làm thiết bị để khởi động xi phông rửa lọc làm việc tự động tức thời, ngay sau khi trị số tổn thất áp lực lọc đạt đến giá trị tới hạn (rửa tự động theo tín hiệu kích động dựa trên tổn thất

áp lực lọc cho phép của một chu kỳ lọc, mà không cần dùng các thiết bị van khóa cơ khí, không cần thiết bị điện, điện tử, không cần sự điều khiển của con người, không phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ xử lý nước)

3 Tiến hành thực nghiệm thiết bị mồi khởi động xi phông và đã tìm được: (1) mối quan hệ chiều cao cột áp cần thiết để khởi động xi phông tỷ lệ thuận với chiều cao của khóa thủy lực; (2) quan hệ giới hạn của chiều cao khóa thủy lực Hkvới đường kính khóa thủy lực Dk, theo biểu thức (3.4) hoặc theo biểu thức (3.6) là

(5 < < 10), dùng các biểu thức này trong việc tính toán thiết kế chiều cao khóa thủy lực ứng với mỗi đường kính khóa thủy lực để xi phông khởi động ổn định, phù hợp với tổn thất lọc giới hạn theo tính toán với thời gian yêu cầu của chu kỳ lọc khi thiết kế bể lọc; (3) thành lập bảng tra đường kính xi phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực với đường kính xi phông rửa lọc (bảng 4.17)

4 Các thông số lọc, các số hạng và hệ số dùng để thiết lập phương trình hồi quy từ phương trình lý thuyết (2.15) và (2.30), được xác định từ kết quả thực nghiệm và lập thành bảng (4.15) và bảng (4.16), có thể áp dụng trong việc tính toán thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa, trong các dây chuyền xử lý nước mặt có keo tụ sau quá trình lắng, đạt chất lượng yêu cầu của nước dùng cho ăn uống sinh hoạt

Trang 21

9 Một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong Luận án

 Bể lọc (không tự rửa)

- Là loại bể lọc, trong quá trình hoạt động đến khi lớp VLL trong bể lọc bẩn cần phải rửa lọc, thì người vận hành phải chủ động thao tác đóng mở van, khóa và thiết bị điều khiển để thực hiện quá trình rửa lọc

 Bể lọc tự rửa

- Là loại bể lọc, có cấu tạo hệ thống xi phông thu nước rửa lọc, mà việc khởi động (mồi) xi phông được thực hiện một cách tự động dựa trên một nguyên lý (cơ, điện, thủy lực…) nào đó, khi lớp VLL trong bể lọc bẩn cần phải rửa lọc, thì thiết bị khởi động sẽ căn cứ vào một trong những tín hiệu phát ra từ quá trình lọc để

tự động kích hoạt sự làm việc của xi phông thực hiện quá trình rửa lọc

 Khóa thủy lực

- Là một thiết bị có cấu tạo hình chữ U, hoạt động dựa theo nguyên lý thủy lực do cột nước thủy tĩnh không đổi chứa trong khóa tạo ra, dùng để tự động khởi động và ngừng quá trình rửa lọc

 Khởi động xi phông

- Kích hoạt (mồi) xi phông để xi phông bắt đầu làm việc

 Ngắt chân không trong xi phông

- Bằng việc tạo một lượng khí xâm nhập vào xi phông, làm cho áp suất chân không trong xi phông nhanh chóng cân bằng với áp suất khí quyển, dẫn đến hiện tượng xi phông đang làm việc thì bị ngừng làm việc một cách đột ngột

Trang 22

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỂ LỌC VLL NỔI VÀ RỬA LỌC

1.1 Khái quát về bể lọc VLL nổi trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Bể lọc VLL nổi trên Thế giới

a) Một số ưu điểm của lọc VLL nổi và hướng phát triển

Việc sử dụng VLL nổi làm giảm giá thành chuyên chở đến chân công trình

so với VLL cát Các VLL nổi thường được sử dụng là các hạt xốp, penopolyuretan,

penopropylen, capron, polyetylen, polystyrene và các chất polymer nhẹ khác[15]

Việc sử dụng VLL nổi đồng thời cũng làm đơn giản kết cấu bể như không cần bơm rửa lọc, không sử dụng hệ thống nâng đỡ VLL, tổn thất áp lực trong quá trình lọc nhỏ, giảm khối lượng xây dựng hệ thống thu và tiết kiệm năng lượng và nước rửa lọc

Một trong những hướng tự động hóa thiết bị xử lý nước là tự động hóa công tác bể lọc mà tự động hóa quá trình rửa lọc là khâu then chốt Đối với các vùng nông thôn, miền núi, việc trang bị hệ thống tự động hóa hiện đại cho hệ thống xử lý nước là không khả thi cả về kinh tế và kỹ thuật Việc nghiên cứu tự động hóa công tác rửa lọc dựa trên nguyên lý thủy lực cho các bể lọc đã được nghiên cứu từ lâu (1960-1970) ở các nước như Nga (Liên xô cũ), Đức… Các bể lọc trọng lực tự rửa VLL cát thạch anh đã được sử dụng rộng rãi trong cấp nước nông thôn, công nghiệp

tại Nga, Đức và sau này tại Trung Quốc,Việt Nam[15]

b) Một số ứng dụng của bể lọc VLL nổi

Ý tưởng sử dụng bể lọc VLL nổi được đề xuất vào năm 1961 bởi Giáo sư Ilin V.G VLL đầu tiên được sử dụng là PS-B Bể lọc VLL nổi sau đó được phát triển ở nhiều nước trong công đồng SNG Vào đầu những năm 70 hướng nghiên cứu sử dụng bể lọc VLL nổi được thực hiện ở nhiều nước như ở Sec, Slovakia, Nhật

bản, Pháp, Bun ga ri, Anh, Mỹ và Thụy sĩ[15] Trong thời gian này, các nhà khoa

học (Govorovka Dz.M., Govorov O.B., Orlov M.B.,Pokrovsky M.S., Lebedev E.A.,Priemusev.Yu.P) đã phát triển công nghệ xử lý nước mặt và nước ngầm có

Trang 23

chứa các hợp chất nhiễm bẩn để phục vụ cho sinh hoạt Công nghệ xử lý được phát triển kết hợp giữa bể phản ứng sinh học với vật liệu dính bám dạng sợi polymer làm

từ polystyrene, nylon hoặc polyetylen[28,32,39] Sau này bằng việc đưa vào tiêu chuẩn thiết kế các công trình cấp nước SNHIP 2.04.03.85[15,49] VLL được đưa

vào tiêu chuẩn là hạt polystyrene hay là hạt xốp tại Việt Nam

* Ở Cộng hòa Sec và Slovakia: Năm 1974, phòng thí nghiệm xử lý nước ở

VELKE ZELNOEKY đã tiến hành thí nghiệm trên mô hình loại bể lọc VLL nổi để

xử lý nước ngầm có chứa hàm lượng sắt 1,4mg/l, sau đó được đem ra áp dụng tại

huyện LITOMERICE[21,22,36] Nhiều công trình xử lý nước đã sử dụng loại bể

lọc này Từ 1982 đến 1986 TS Phạm Ngọc Thái đã nghiên cứu bể lọc VLL nổi sử dụng trong xử lý nước mặt tại trường Đại học BRNO

* Ở Nga: Việc nghiên cứu trên mô hình được thực hiện vào những năm 1973 -

1974, đến năm 1975 loại bể lọc VLL nổi đã đưa vào sử dụng Năm 1992, Giáo sư Tiến

sĩ KHKT M.G.Zurba đã cho xuất bản cuốn "các thiết bị lọc VLL nổi Penopolystyrol"

(nhà xuất bản xây dựng Matxcơva) [15] Tài liệu giới thiệu một số bể lọc VLL nổi với

nhiều dạng khác nhau Loại bể lọc có hướng chuyển động của dòng nước từ dưới lên trên là phổ biến mà một số công trình ở Việt Nam đang sử dụng

Bể lọc VLL nổi tự rửa được ứng dụng đầu tiên trên thế giới là dùng để xử lý nước thải công nghiệp, nguyên lý hoạt động được trình bày trong hình 1.1 Sau đó

bể lọc VLL nổi cũng bắt đầu được ứng dụng trong công nghệ cấp nước và được phản ánh qua các nghiên cứu của M.G.Zurba Tuy nhiên trong các tài liệu kỹ thuật chính thức hoàn toàn không nhắc đến các thông số công nghệ của bể lọc mà chỉ nói đến cơ chế làm việc Trong những năm gần đây bể lọc VLL nổi bắt đầu được Nga phát triển và đưa ra thị trường Bể lọc tự rửa VLL nổi do một số Công ty chế tạo được ứng dụng nhiều cho xử lý nước ngầm và nước mặt tại Nga, Ukraina, Đức, Úc

và Mỹ[15]

Trang 24

8- xi phông thu nước xử lý;

9- xi-phông khóa thủy lực;

10- ống thu nước rửa lọc

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của bể lọc

tự rửa VLL nổi ứng dụng trong xử lý nước thải, hướng lọc từ trên xuống[15,53]

Các nghiên cứu nhằm kết hợp ưu điểm của bể lọc VLL nổi và hệ thống tự rửa trên nguyên lý thủy lực trong cùng một bể lọc đã được người Nga đi đầu thực hiện Các viện nghiên cứu hàng đầu của Nga như Viện Nghiên cứu Thiết kế thực nghiệm thiết bị Trung ương, Viện BODGEO, Viện Nghiên Cứu Thủy lực Liên xô

đã nghiên cứu và đưa ra ứng dụng các dạng bể lọc VLL nổi tự rửa khác nhau Điển hình là thiết bị lọc VLL nổi tự rửa 2 lớp của Nikolaev N.V và cụm thiết bị lọc tự rửa

2 ngăn FPZ-2 của Giáo sư Tiến sĩ KHKT M.G.Zurba [15,32]

Những năm gần đây trên thế giới (theo bằng phát minh sáng chế của Nga và Anh) xuất hiện rộng rãi (thương mại hóa) bể lọc tự rửa VLL nổi kết hợp ưu điểm của cả hai hệ thống nói trên (VLL nổi và tự rửa theo nguyên lý thủy lực) Một trong những công ty đi đầu trong phát triển sản phẩm này là Akvastroiservist có trụ sợ tại Ucraina và Sant-Peterbuge, Liên Bang Nga Tại Hoa kỳ, Úc, Nga, Ucraina, Belarus các thiết bị lọc của công ty này được phát triển chủ yếu cho nhu cầu cấp nước sinh hoạt tại các vùng nông thôn, miền núi, hải đảo xa các đô thị, các khu công nghiệp, nhà máy nước ngọt (ví dụ cụm xử lý nước cấp cho sinh hoạt tại Tuimen, Nga công suất 1000 m3/ngđ (hình 1.2) [43,46,48] Ưu điểm của bể lọc này là: (1) cấu tạo và

cơ chế vận hành rất đơn giản; (2) không có thiết bị điều khiển; (3) không cần bơm rửa lọc; (4) không cần chi phí năng lượng phụ và tiết kiệm nước rửa lọc; (5) không

Trang 25

hao mòn và đặc biệt là không cần phải chăm sóc thường xuyên trong suốt chu kỳ khai thác lớp VLL, (6) không có các bộ phận chuyển động; (7) tiết kiệm cao trình

và chi phí đầu tư xây dựng Bể lọc tự rửa VLL nổi có thời gian rửa lọc nhỏ hơn nhiều (3-4 phút) so với bể lọc cát truyền thống (5-6 phút) đồng thời dung tích nước rửa lọc tương ứng cũng nhỏ hơn khoảng 2 lần So với bể lọc tự rửa vật liệu cát bể lọc VLL nổi tự rửa có những ưu điểm nổi trội như (1) kết cấu, cấu tạo bể đơn giản hơn (kết cấu vỏ đối với bể lọc VLL nổi nước rửa lọc đi từ trên xuống, còn bể lọc cát nước rửa lọc đi từ dưới lên nên cấu tạo bể là cấu tạo thành bể lồng nhau); (2) ưu thế

về VLL như (độ tăng tổn thất áp lực trong quá trình lọc nhỏ hơn, cặn được giũ ra rơi xuống cùng chiều dòng nước rửa lọc đi ra ngoài)

Hình 1.2 Ảnh chụp cụm xử lý

nước ngầm tại Tuimen, Liên

bang Nga Công suất 1000

m 3 /ngđ [15]

Thời gian gần đây có rất nhiều các công ty, nhà cung cấp thiết bị của Châu

Âu đã quảng bá sản phẩm mang tính thương mại trên các trang Web giới thiệu về ứng dụng bể lọc VLL nổi trong công nghệ xử lý nước ở nhiều quốc gia trên thế giới

[15,54,55,56,57]

1.1.2 Bể lọc VLL nổi ở Việt Nam

a) Bể lọc nổi không tự rửa

Kế thừa các nghiên cứu cơ bản của Nga và Cộng hòa Sec, tại Việt Nam các công trình nghiên cứu bể lọc VLL nổi (không tự rửa) do các nhà khoa học Việt nam thực hiện cũng khá sớm Điển hình là luận án PTS KHKT của Phạm Ngọc Thái tại trường Đại học Bách Khoa BRNO Cộng hòa Sec năm 1986 với đề tài “Sử dụng bể lọc VLL nổi trong Cấp nước cho các đối tượng nhỏ và quân đội” Đề tài nhánh thuộc chương trình cấp nhà nước 66A-02-05 năm 1990 “ Bể lọc VLL nổi trong

Trang 26

công trình xử lý chất lượng nước uống” [23] cũng của tác giả Phạm Ngọc Thái

Năm 1998 TS Nguyễn Văn Tín có nghiên cứu sử dụng bể VLL nổi (không tự rửa) cho dây chuyền khử sắt của nước ngầm công suất nhỏ, trong luận án tiến sỹ

“Nghiên cứu sử dụng VLL nổi trong dây chuyền công nghệ khử sắt nước ngầm bằng phương pháp làm thoáng cho các trạm công suất nhỏ ” Năm 2001 “Nghiên cứu quy trình rửa bể lọc VLL nổi và các thông số tính toán thiết kế hệ thống rửa bể lọc VLL nổi” được TS Nguyễn Văn Tín thực hiện trong khuôn khổ đề tài NCKH

cấp Bộ[15]

Tại Việt nam bể lọc VLL nổi (không tự rửa) cũng đã bắt đầu được áp dụng

và triển khai từ những năm 1990 cho đến nay Công suất các trạm xử lý nước giao động từ 120 m3/ngd cho đến 10.000 m3/ngđ Các trạm xử lý sử dụng bể lọc VLL nổi

có công suất trên 1000 m3/ngđ, điển hình là các trạm công suất Q= 1200 m3/ngđ của nhà máy Z192, Q= 4000 m3/ngđ của thành phố Vĩnh Yên và 20.000 m3

/ngđ khi cải tạo trạm xử lý nước thành phố Thái Bình dùng bể lọc VLL nổi với vai trò lọc phụ trợ

[14] Trong quá trình thực hiện Luận án NCS đã khảo sát, tìm hiểu một số công trình

xử lý sử dụng bể lọc VLL nổi, áp dụng cho các quy mô công suất khác nhau với hai

loại nguồn, nước ngầm và nước mặt được nêu trong bảng 1.1 Một số công trình sử dụng bể lọc VLL nổi (không tự rửa) đã xây dựng (xem PL1) Trong 58 công trình xử

lý nước đã liệt kê, có nhiều công trình trong đó bể lọc VLL nổi chỉ là vai trò phụ trợ, lọc phá, sau đó việc xử lý vẫn là các bể lọc VLL cát truyền thống điển hình là một số trạm xử lý nước mặt ở các xã của Tỉnh Nam Định; hoặc như trạm cấp nước của Trường Giáo dưỡng số 2 – Ninh Bình, của Trung tâm thi đấu và huấn luyện Thể thao– Bộ công An ở Thanh Trì, Hà Nội, của Thao trường tổng hợp Binh chủng Công binh – Lữ đoàn 249 ở Xã Thụy An, Huyện Ba Vì - Hà Nội Nhà mày nước thành phố Sóc Trăng áp dụng bể lọc nổi, sử dụng nguồn nước ngầm, công suất 20.000m3/ngđ Xây dựng vận hành năm 1994 hiện nay năm 2016 vẫn đang hoạt động ổn định, trong khi đó một số công trình liệt kê trong bảng 1.1 đến thời điểm này cũng không còn hoạt động nữa, như đối với trạm cấp nước của Trung tâm thi đấu và huấn luyện Thể thao– Bộ công An ở Thanh Trì, Hà Nội, từ khi tiếp cận được

Trang 27

nguồn nước sạch của Thành phố thì đã dừng việc vận hành trạm cấp nước, hay trạm cấp nước của Trường Giáo dưỡng số 2 – Ninh Bình đã ngừng hoạt động vì đã xây dựng trạm cấp nước mới có quy mô công suất lớn hơn và công nghệ xử lý cũng đã thay đổi, không còn dùng bể lọc VLL nổi trong dây chuyền xử lý

b) Bể lọc VLL nổi tự rửa

Một số trạm cấp nước quy mô nhỏ sử dụng bể lọc VLL nổi tự rửa được xây dựng gần đây do TS Trần Thanh Sơn chủ trì từ quá trình thiết kế đến chế tạo, lắp đặt và chuyển giao công nghệ, được ứng dụng xử lý nguồn nước ngầm, sau quá trình hoạt động cho đến nay đã có được kết quả chất lượng nước sau xử lý rất khả quan, điều này mở ra triển vọng trong việc ứng dụng rộng rãi loại bể này đối với công nghệ xử lý nước cấp cho nhu cầu ăn uống sinh hoạt, các công trình đã xây

dựng ở một số địa phương được thống kê trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Thống kê một số công trình sử dụng bể lọc VLL nổi tự rửa

(nguồn: TS Trần Thanh Sơn)

No Tên công trình Địa điểm

ứng dụng

Công suất thiết kế

Năm ứng dụng

Hà Nội

100m3/ngđ 2011 01 đơn

nguyên Kích thước DxH = 1x7m VLL:

Hà Quốc – Vân trì, Đông Anh, Hà Nội

50m3/ngđ 2012 01 đơn

nguyên Kích thước DxH = 0.8x2.2

m VLL:

1.0m

Trang 28

ứng dụng

750m3/ngđ 2012 02 đơn

m VLL:

50m3/ngđ 2012 Xử lý

3 bậc Kích thước DxH = 0.8x3.8

m VLL1.

50m3/ngđ 2013 01 đơn

m VLL:

20m3/ngđ 2013 01 đơn

m VLL:

1.2m

Trang 29

ứng dụng

tế công nghiệp Thái Nguyên – Trung Thành, Phổ Yên, Thái Nguyên

600m3/ngđ 2015 04 đơn

m VLL:

600m3/ngđ 2016 04 đơn

m VLL:

1.2m

(*) Công trình được ứng dụng để nghiên cứu quá trình keo tụ tiếp xúc trong bể lọc VLL nổi (**) Các trạm xử ly nước cấp thuộc huyện Hoài Đức với công suất 15 – 20 m 3 /ngđ, xây dựng năm 2013 tại: Trường Mầm non Tiên Yên; Trường Trung học Tiên Yên; Trường Mầm non Yên Thái, Đắc Sở; Trường Tiểu học Cát Quế B; Trường Trung học Cát Quế B; Trường Mầm Non Đắc Thượng; Trường Tiểu học Sơn Đông; Trường Tiểu học Văn Cồn; Trường Mần non Đào Nguyên; Trường Trung học Đông La; Trường Trung học Đức Giang;…

1.1.3 Bể lọc VLL nổi tự rửa trong các trạm cấp nước quy mô nhỏ

Khái niệm trạm cấp nước“quy mô nhỏ” trong xử lý nước cấp thường là căn cứ

vào công suất trạm xử lý, về đối tượng sử dụng, điều kiện kinh tế, trình độ quản lý vận hành và là rất khác nhau giữa các Quốc gia trên Thế giới, giữa các vùng miền trong một đất nước Ở Liên Xô (cũ) thì đối với trạm cấp nước quy mô nhỏ thường có công suất <10.000m3/ngđ[45] Ở Việt Nam thì khái niệm này cũng chưa thật cụ thể

và thực sự quy mô công suất của trạm cấp nước là lớn hay nhỏ cũng nên mang tính tương đối, kể cả khái niệm “qui mô vừa” Trong nghiên cứu này khái niệm về trạm

Trang 30

cấp nước quy mô nhỏ, vừa đề cập đến quy mô công suất trạm vừa đề cập đến khả năng quản lý vận hành trạm cấp nước bao gồm: các trạm cấp nước nông thôn cho thôn, xã, liên xã; các khu vực vùng sâu, vùng xa như biên giới, hải đảo; các khu đô thị

nhỏ (loại V và loại VI) [1,3,31,33,34] có số dân không quá 30.000 người và các khu

công nghiệp nhỏ, nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện, trường học tương đương công suất

Qngđ ≤ 4500 m3/ngđ (Tiêu chuẩn cấp nước đầu người 150 l/ng.ngđ - Theo TCXDVN

33-2006 Cấp nước- Mạng lưới bên ngoài và công trình- Tiêu chuẩn thiết kế) [24]

Mỗi loại bể lọc đều có phạm vi ứng dụng với những thông số làm việc nhất định trong đó thông số công suất là thông số rất quan trọng cho việc lựa chọn loại

bể lọc, đối với các nhà máy nước có quy mô công suất lớn thì rất thuận lợi cho việc

cơ giới hóa trong thi công và tự động hóa bằng các thiết bị điện, điện tử và được lập trình trong quá trình vận hành nên các vấn đề kỹ thuật được giải quyết không quá

phức tạp[12]., còn đối với các trạm cấp nước quy mô nhỏ thì để giải quyết các vấn

đề tự động hóa phức tạp như đối với các nhà máy nước công suất lớn là điều khó có thể thực hiện được Các loại bể lọc tự rửa đang ứng dụng hiện nay đều dùng phương pháp rửa lọc bằng nước thuần túy, nhờ hệ thống xi phông thu nước rửa lọc có thiết

bị khởi động theo nguyên lý thủy lực nên có cấu tạo không quá phức tạp, do vậy đối với các trạm cấp nước quy mô nhỏ thì rất phù hợp với loại bể lọc tự rửa này, vì đối tượng sử dụng như đã nêu trên với nhiều lý do nên chưa thể đáp ứng được các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và quản lý vận hành, trong quá trình đầu tư xây dựng và duy trì hoạt động của trạm cấp nước

Trang 31

bể lọc VLL nổi vẫn được các đơn vị tư vấn thiết kế, thi công lắp đặt ở nhiều địa phương mà chưa có điều kiện để khảo sát thống kê Tuy nhiên, chỉ tính riêng các trạm cấp nước được thống kế ở bảng 1.1, cho thấy tỉ lệ các trạm cấp nước mặt/các trạm cấp nước ngầm có sử dụng bể lọc vật liệu nổi là rất cao, có tới 45/58 trạm

Các trạm cấp nước trong bảng 1.1 cũng có thể coi là đại diện cho 3 miền Bắc

- Trung - Nam trên các địa bàn vùng đồng bằng, trung du, miền núi ở các tỉnh thành trong cả nước

Đã có một số trạm xử lý cấp nước công suất nhỏ sử dụng bể lọc VLL nổi tự rửa theo nguyên lý ejector thủy lực được thống kê ở bảng 1.2 Khả năng áp dụng của loại bể lọc VLL nổi tự rửa này đối với khu dân cư nhỏ nằm cách xa trung tâm hoặc các vùng nông thôn Việt Nam là rất phù hợp và có nhiều triển vọng để phát triển

1.2 VLL nổi và các đặc tính

1.2.1 Yêu cầu đối với VLL nổi

VLL là yếu tố cơ bản của các bể lọc VLL nổi, nó đem lại hiệu quả làm việc

và tính kinh tế của quá trình lọc Có nhiều loại vật liệu được sử dụng làm VLL nổi cho bể lọc, loại phổ biến đang được dùng trong các bể lọc VLL nổi là hạt polystyrene Hiện nay trên thị trường xuất hiện một số loại VLL nổi mới được nhập khẩu từ Cộng hòa Liên bang Đức đang được các công ty tiếp thị trên thị trường điển hình là hạt PE (hạt nhựa trơ iner polymer TRW18) với những thông số của nhà sản xuất cung cấp thì loại hạt PE này có nhiều ưu điểm nếu dùng làm VLL nổi và phù hợp trong công nghệ xử lý nước mặt, vì là loại VLL mới nên chưa được sử dụng

rộng rãi ở Việt Nam[15] Do vậy để có thể sử dụng hạt PE làm VLL nổi cần có những

nghiên cứu để kiểm chứng loại VLL này VLL được chọn xuất phát từ giá thành và điều kiện khai thác, vận chuyển, đồng thời phải thỏa mãn một số yêu cầu cơ bản sau:

 Đảm bảo được thành phần hạt theo yêu cầu phân loại;

Trang 32

1.2.2 Đặc tính của VLL nổi

a) Đường kính hữu dụng D e và hệ số không đồng nhất K d

Hai loại VLL được xem xét: (1) hạt polystyrene truyền thống được sản xuất tại Việt Nam có kích thước hạt và khối lượng riêng của hạt theo yêu cầu; (2) hạt PE

nhập khẩu, được sản xuất từ Cộng hòa Liên bang Đức

Dựa trên kết quả thí nghiệm (hình 1.3) sẽ xác định được đường kính hữu dụng De và hệ số không đồng nhất Kd

Đường kính De xác định bằng công thức:

NP

1000Σ

De  (1.1)

Với: De: đường kính tương đương hay đường kính hiệu dụng, mm;

P: phần trăm (%) lọt qua sang, %;

N : kích cỡ mắt rây, mm

Hình 1.3 - Đồ thị thành phần hạt VLL nổi khi đi qua sàng chuyên dụng[15]

Hệ số không đồng nhất Kd theo công thức:

10

80 d

D

Với: D80- kích cỡ rây cho 80% lượng vật liệu đi qua;

D10- kích cỡ rây cho 10% vật liệu đi qua

Trang 33

Kết quả thí nghiệm được tính toán và tổng hợp trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Đường kính hữu dụng (D e ) và hệ số không đồng dạngcủa

hạt VLL nổi (K d ) [15]

to

Polystyrene nhỏ

Hạt PE

to

Hạt PE nhỏ

và buy- rét đưa nước từ từ vào cho đến khi nước dâng đến mép đánh dấu Ghi lại số

ml nước đưa vào bình A Đây là thể tích lỗ rỗng mà nước chiếm chỗ Vr Thể tích vật liệu không tính đến độ rỗng V sẽ bằng Vvl-Vr

V

V m

M, g

Thể tích chiếm chỗ

Trang 34

c) Xác định hệ số hình dạng

Hệ số hình dạng (α) được định nghĩa là tỷ số giữa diện tích bề mặt của hạt VLL với tỷ số bề mặt của hạt hình cầu có thể tích tương đương Trong thực tế, hệ số hình dạng xác định khá phức tạp Kết quả thực nghiệm trên nhiều loại VLL dạng hạt khác nhau phổ biến (De=0,6-1,8 mm ) của V.V Dziubo và L.Y Alpherova cho thấy có quan hệ rõ ràng giữa hệ số hình dạng và độ rỗng của vật liệu (hình 1.4) Khi độ rỗng càng tăng (từ m0 = 40-

65%) thì hệ số hình dạng tăng theo

(α=1,0-3,5) Theo V.V.Dziubo điều

này được giải thích là hình dạng hạt

VLL xác định độ “sắp xếp” của vật

liệu do vậy nó ảnh hưởng đến độ

rỗng của vật liệu Cũng theo tài liệu

trên, độ rỗng giữa các hạt VLL phụ

thuộc vào độ lớn của hạt (đường

kính) Kết quả nghiên cứu thực

nghiệm[15] cho thấy khi hệ số

không đồng nhất Kd ≤ 1,2 thì độ

rỗng giữa các hạt vật liệu tỷ lệ thuận

với độ lớn của hạt (đường kính hạt)

Hình 1.4 - Quan hệ giữa độ rỗng và hệ số

hình dạng[15,44]

Như vậy theo kết quả nghiên cứu (hình 1.4) với độ rỗng xác định ở trên (m0 giao động trong vùng 40%) thì hệ số hình dạng của các hạt VLL nổi dao động từ 1,1-1,5

d) Xác định độ bền hóa học và ảnh hưởng của nhiệt độ đến VLL

Kết quả thí nghiệm đo độ bền hóa học và nhiệt độ: Ngâm trong dung dịch HCl 0,1M và NaOH 0,5M

Kết quả thực nghiệm cho thấy đối với hạt polystyrene, khi ngâm trong dung dịch xút NAOH không có sự thay đổi trọng lượng

Trang 35

Bảng 1.5 Độ bền hóa học của VLL nổi[15]

STT Hạt VLL nổi Đường kính hữu dụng, D

e (mm)

Ngâm trong dung dịch HCl 0.1M Ngâm trong dung dịch NAOH 0.5M Thay đổi khối

1.3 Các phương pháp rửa lọc đang sử dụng hiện nay

Sau một thời gian làm việc lượng cặn tích lũy trong lớp VLL đã nhiều, quá trình hấp phụ cân bằng với quá trình tách cặn, lớp VLL không còn khả năng giữ cặn Tổn thấp áp lực qua lớp VLL vượt quá trị số đã chọn hoặc chất lượng nước lọc không đảm bảo theo yêu cầu của quy phạm, cần phải rửa lớp VLL để phục hồi khả năng làm việc của nó, mục đích của quá trình rửa lọc là tạo điều kiện để:

- Tách cặn bám ra khỏi bề mặt hạt VLL bằng lực ma sát và lực cắt do dòng nước với cường độ lớn đi qua bề mặt hạt tạo ra

- Làm giãn nở lớp VLL để tăng thể tích các khe rỗng, tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt cặn đã được tách ra khỏi bề mặt hạt VLL nổi chuyển động xuống dưới cùng với nước để tháo ra ngoài

1.3.1 Tự rửa lọc bể lọc trọng lực theo nguyên lý thủy lực

 Ở trong nước

Liên quan đến hệ thống tự rửa lọc dựa trên nguyên lý thủy lực, ở Việt Nam bước đầu có những ứng dụng và nghiên cứu cho bể lọc cát trọng lực (VLL là cát thạch

Trang 36

anh) Xuất phát từ những ưu điểm nổi trội của thiết bị lọc trọng lực tự rửa và điều kiện triển khai ứng dụng phù hợp với hoàn cảnh kinh tế - xã hội hiện nay của Việt Nam Một vài đơn vị khoa học công nghệ cũng đã bắt đầu phát triển thiết bị lọc tự rửa theo nguyên lý được giới thiệu của Đức, Nga và Trung Quốc Điển hình là trạm cấp nước cho nhà máy phân đạm Bắc giang Q=2000 m3/ngđ có sử dụng bể lọc cát tự rửa theo thiết kế của Trung quốc Ngoài ra còn các công trình cấp nước nông thôn ứng dụng bể lọc cát tự rửa như công trình cấp nước Nam Dương-Nam Định 1000m3/ngđ, Chí Linh-Hải Dương 1500m3/ngđ Đặc điểm của các công trình này là thiết kế điển hình của nước ngoài đã được Việt hóa nhưng phần lớn là không có tính toán thiết kế cụ thể cho

quá trình tự rửa khi có sự thay đổi lớn của chất lượng nguồn nước thô [15]

Năm 2013 theo dòng sản phẩm này, công ty cổ phần cấp nước Việt trì đầu tư trạm xử lý nước mặt công suất 10.000 m3/ngđ để cấp nước cho thị xã Phú thọ Dây chuyền công nghệ chính là xử lý hóa chất có bể lắng Lamen và bể lọc cát tự rửa Chất lượng nước sau xử lý đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn

Ngoài ra, các sản phẩm thực hiện đề tài mã số DAMT/2006/02/TLĐ[27]đã

được lắp đặt, vận hành ở nhiều điểm phía Bắc chủ yếu là xử lý Fe và Mn của nước ngầm (có thể kể đến cụm thiết bị xử lý và cấp nước sinh hoạt cụm trường Tiểu học

và Trung học cơ sở xã Ngọc Lập, huyện Yên Lập, Phú Thọ công suất 150 m3/ngđ; cụm thiết bị xử lý và cấp nước sinh hoạt trường Mầm non xã Phúc Khánh huyện Yên Lập, Phú Thọ công suất 80 m3/ngđ; cụm thiết bị xử lý và cấp nước sinh hoạt khu giáo viên và học sinh nội trú cụm trường Tiểu học, Trung học cơ sở, Trung học

phổ thông xã Sín Chéng, Si Ma Cai, Lào Cai công suất 120 m3/ngđ; cụm thiết bị xử

lý và cấp nước sinh hoạt cụm trường Tiểu học, Trung học cơ sở xã Cán Tỷ, Quản

Bạ, Hà Giang công suất 150 m3/ngđ)

Trang 37

 Bể lọc cát hở rửa liên tục:

Hình 1.5 giới thiệu bể lọc hở rửa liên tục, nước thô với áp lực đủ lớn một phần đưa vào bể lọc theo ống dẫn, phần khác cho qua ejector (2) đặt ở đáy bể lọc Việc tự rửa liên tục của bể lọc diễn ra như sau: Cát bẩn từ đáy bể lọc được hút qua ejector cùng với phần nước thô chuyển lên xiclon thủy lực (1), tại đây cặn được tách khỏi hạt lọc nhờ nguyên tắc làm việc của xiclon, nước bẩn tháo ra ngoài ở đỉnh xiclon còn cát lọc sạch lắng xuống đáy xiclon và được dẫn lại bể lọc

Hình 1.5: Bể lọc rửa liên tục

[11, 36, 38]

Hình 1.6: Bể lọc tự rửa theo chu kỳ lọc

[11,36,38]

 Bể lọc cát tự động rửa theo chu kỳ:

Hình (1.6) giới thiệu sơ đồ nguyên lý vận hành của bể lọc tự động rửa theo chu kỳ lọc Bể lọc tự rửa theo chu kỳ lọc gồm: bể lọc áp lực đặt dưới bể chứa nước sạch Nước nguồn đi vào thùng phát xung lượng (3) đặt cao hơn bề mặt lớp lọc trong bể lọc 3,5 m đến 4,0 m Nước từ thùng (3) theo ống (4) qua ngăn tách khí (5), rồi vào bể lọc (1) qua phễu thu (6) Nước thô qua bể lọc (ở thời kỳ đầu sau khi rửa lọc) chảy vào bể chứa nước rửa lọc (2), sau đó chảy vào máng thu nước lọc (7).Theo mức tăng tổn thất áp lực trong lớp lọc, mực nước trong ống (4) và xi phông (8) dâng lên và khi đạt tới trị số tổn thất giới hạn, nước nguồn tích lại ở thùng (3), sau đó tràn vào nhánh ở hạ lưu của xi phông đạt độ cao h (m) cao hơn mực nước ở trong hố thu, sau

Trang 38

đó van (9) mở và xi phông làm việc Do tích nước vào thùng (3), phao (10) nâng lên làm cho van thu nước lọc (11) đóng lại Khi đó tất cả nước sẽ đi vào xi phông để tự mồi Xi phông hút hết nước ở phần trên của bể lọc và làm hạ mực nước ở thùng (3) xuống, phao (10) hạ xuống, mở van (11) ra, nước từ bể chứa (2) theo ống (12) đi xuống đáy bể lọc, rửa từ dưới lên Khi nước dự trữ trong bể chứa (2) được sử dụng hết làm hở đầu ống (13) không khí lọt vào xi phông Bể lọc ngừng rửa lọc và tự động chuyển sang chế độ làm việc bình thường

 Bể lọc cát không có van khoá và rửa theo chu kỳ

Hình (1.7) giới thiệu sơ đồ

bể lọc không có van khoá và rửa

theo chu kỳ

Nước theo máng (5) được xi

phông (1) đưa vào bể lọc Khi mực

nước trong bể lọc dâng cao đạt tới

độ chênh giới hạn so với mực nước

trong ngăn chứa nước sạch (6),

bể lọc trở lại làm việc bình thường Tạo chân không cho hệ thống điều khiển được thực hiện bằng máy chân không (3)

1.3.2 Rửa lọc bể lọc VLL nổi

Đối với bể lọc VLL nổi có một số phương pháp rửa lọc đã được sử dụng ở trong và ngoài nước như sau:

Trang 39

a) Rửa bằng khóa đóng mở nhanh thao tác bằng tay

Khi thao tác rửa bể lọc bằng phương pháp này, cần dùng tay đóng mở khóa một cách đột ngột Giai đoạn đầu, cường độ đóng mở van nhanh để tạo nước va thuỷ lực nhằm phá vỡ các hạt cặn đã dính kết Giai đoạn này giống như việc sục khí khi rửa bể lọc nhanh kiểu trọng lực bằng nước kết với khí nén Mục đích của giai đoạn này chỉ là phá vỡ cặn Nhưng mỗi lần mở van cũng xả được một lượng cặn Khoảng cách giữa các lần đóng mở khoảng 10 giây (kể cả thời gian nước chảy qua van khoảng 2 đến 3 giây) Thời gian thực hiện giai đoạn này khoảng 1 phút, tương đương với 5 đến 6 lần đóng mở van Giai đoạn tiếp theo chủ yếu là xả nốt lượng nước và cặn còn lại trong lớp VLL nổi Giai đoạn này cũng giống như giai đoạn ngừng xục khí để rửa bằng nước thuấn tuý trong khi rửa bể lọc nhanh với VLL là cát Để tiết kiệm nước rửa và đảm bảo hiệu quả rửa lọc, cần thao tác nhẹ nhàng với cường độ nước rửa nhỏ hơn Các chuyên gia xử lý nước của Cộng hòa Sec nghiên cứu về bể lọc VLL nổi đã thí nghiệm để xác định các thông số rửa lớp VLL nổi Ban đầu, các tác giả chọn cường độ rửa là 12 l/s.m2, sau đó đã giảm xuống còn 10 1/s.m2 Trong các thí nghiệm ở mô hình bể lọc trong suốt, người ta quan sát thấy rằng ở cường độ rửa như thế, lớp VLL nổi bị xoáy mạnh trong suốt thời gian rửa, độ

giãn nở của lớp VLL hơn 25% Do trong suốt thời gian rửa lớp VLL trong tình

trạng chuyển động xoáy, nên sau khi kết thúc rửa trong lớp VLL vẫn còn lại nước đục Đó là nguyên nhân làm cho chất lượng nước đã được lọc xấu đi cho đến khi nước được lọc đẩy hết phần nước đục ra khỏi lớp VLL Vì vậy cần phải xả lượng nước đó qua van xả nước lọc đầu giống như xả nước lọc đầu của bể lọc nhanh với VLL là cát Sau đó các nhà nghiên cứu đã giảm cường độ rửa xuống 5 1/s.m2

để có

độ giãn nở của lớp VLL là 2 đến 5% Bằng cách đó họ đã đạt được kết quả là tiết kiệm nước rửa và nước được lọc chóng đạt chất lượng yêu cầu hơn khi rửa bằng cường độ lớn trong suốt cả quá trình Như vậy để hồi phục lớp vật liệu đã bẩn yêu

cầu cơ bản của quy trình rửa gồm 2 bước[18,21]

Bước 1: Phá vỡ lớp cặn bằng cách làm giãn nở, phá vỡ lớp VLL bằng việc

tạo sức va thuỷ lực làm xáo trộn và nhờ lực cắt của nước để tách các hạt cặn ra khỏi

bề mặt VLL Giai đoạn này giống như rửa gió kết hợp với nước khi rửa bể lọc bằng

Trang 40

cát Để đạt được mục đích trên cần thao tác đóng mở van nhanh một cách dứt khoát,

mở hết cỡ van rồi đóng lại đột ngột để tạo dòng xoáy, không đóng mở liên tục kéo dài mà sau khoảng 5-10 giây thao tác một lần trong khoảng 1 phút

Bước 2: Xả nước rửa có mang theo cặn đã được tách ra của giai đoạn trước

Giai đoạn này giống như khi rửa bằng nước thuần tuý trong phương pháp rửa bể lọc cát bằng gió và nước kết hợp Lúc này mở van xả từ từ nước rửa để vừa tiết kiệm nước vừa tạo sự sắp xếp tự ổn định lớp VLL Thời gian xả nước trong khoảng 2-3 phút tới khi mức nước rút xuống gần mặt trên của lớp VLL Thời gian tổng cộng của cả 2 bước là 3-4 phút

Tất cả các bể lọc nổi đã được giới thiệu ở (bảng 1.1- PL1) đều tiến hành rửa theo phương pháp thủ công, dùng tay vận hành khóa đóng mở nhanh

b) Tự rửa bể lọc VLL nổi theo nguyên lý thủy lực

Khi rửa lọc đối với bể lọc VLL nổi thì chiều của dòng nước rửa cùng chiều với chiều chuyển động của hạt vật liệu do nước rửa lọc gây ra, đây là điểm khác cơ bản và ngược so với bể lọc VLL trọng lực, điều này lại là một thuận lợi rất lớn trong việc làm sạch hạt VLL vì cặn bẩn tách ra cuốn đi cùng chiều với lực trọng trường

Các bể lọc VLL nổi tự rửa đang hoạt động hiện nay (bảng 1.2) khác các bể lọc VLL nổi (không tự rửa) là thêm bộ phận xi phông có gắn ejector thủy lực để khởi động

xi phông thực hiện quá trình tự rửa lọc, việc tạo áp lực cần thiết để cho ejector hoạt động nhờ vào cột áp sẵn có của bơm giếng và thời điểm khởi động xi phông phụ thuộc vào tổn thất áp lực lọc ứng với chu kỳ lọc tính toán Khi đến tổn thất giới hạn ejector làm việc tạo

ra chân không hút hết khí trên đỉnh xi phông làm cho xi phông khởi động bắt đầu quá trình tự rửa lọc, theo thời gian rửa lọc nước trong bể chứa nước rửa lọc giảm dần làm cho cường độ rửa lọc giảm theo, nhưng theo nghiên cứu của nhiều tác giả thì việc giảm này lại phù hợp với độ giãn nở của lớp VLL nổi, và nên giảm dần cường độ rửa lọc ở giai đoạn cuối của quá trình rửa lọc để cho nước lọc đầu ở chu kỳ tiếp sau nhanh chóng ổn định chất lượng

Bể lọc VLL nổi tự rửa là công trình hoạt động không cần quản lý quá trình rửa lọc Bể có thể tự điều chỉnh quá trình rửa lọc mà không cần sự điều khiển của công nhân

Định dạng
Số trang	174
Dung lượng	4,92 MB